重庆轻轨3号线跨站停车运行方案设计设计

重庆轻轨3号线跨站停车运行方案设计设计
重庆轻轨3号线跨站停车运行方案设计
摘要：在城市轨道交通发展至今，列车的停站方案对轨道交通运营起着越来越重要的作用，合理的停站方案不但能有效提高企业运营效率，还能提高乘客的服务水平。

作为一条新开不久的线路，重庆轻轨3号线自2012年开通以来，客流量日益增大，同时由于线路停站较多，在高峰时期的运营中拥堵问题十分严重，目前有必要对该线路的列车停站方案进行合理的优化。

在现有国内外对于列车停站方案的研究中，明确指出合理的跨站停车方案能够有效解决高峰时期的拥堵问题，提高运营效率。

同时还给出了相应的模型及算法来确定该方案，在此基础上，再结合重庆轻轨3号线的运营状况、客流特征及线路周边商业环境，设计出合理的跨站停车方案，以有效缓解高峰时期拥堵的问题。

最后，在设计出合理的停站方案之后，绘制出优化后的列车运行图，并结合现状运行图对该方案进行评价。

关键词：跨站停车；重庆轻轨3号线；运行图优化
The Scheme Design of Chongqing Light Rail Line 3 for Skip-stop
Operation
Abstract:In urban rail transit development up to now, the train-stop scheme plays an more and more important role in rail transit operation, and reasonable stop scheme can not only effectively improve the operational efficiency of enterprises, but also improve the level of passenger service. As a newly opened line, Chongqing Light Rail Line 3 since opened in 2012, traffic is increasing, and due to line stop more at the same time, the congestion problem is very serious during the operation of height. Now it is necessary to make a reasonable optimization scheme for the train-stop on the route .In the existing scheme for the train stop at home and abroad research, it has made clear that a reasonable skip-stop operation scheme can effectively solve the problem of congestion during rush hours, improve operation efficiency. At the same time, it also give the corresponding model and algorithm to determine the amount of the scheme ,on this basis, combining operation situation of Chongqing Light Rail Line 3, passenger flow characteristics and the lines surrounding commercial environment, we can design the reasonable skip-stop operation scheme in order to effectively alleviate the problem of congestion during rush hours. Finally, after designing a reasonable stop scheme and drawing out the optimized operation diagram, the scheme should be evaluated by compared with the status of train diagrams.
Keywords: skip-stop operation; Chongqing rail transit line 3; diagram optimization
目录
摘要 (I)
Abstract. ................................................................................................................................. I I 1 绪论 (1)
1.1 研究背景 (1)
1.2 国内外停站方案研究综述 (1)
1.2.1 国内研究现状 (2)
1.2.2 国外研究现状 (3)
1.3 设计的目的及意义 (4)
1.4 设计的主要内容及方法 (5)
1.4.1 设计内容 (5)
1.4.2 设计方法 (5)
2 列车停站问题分析 (6)
2.1 停站方案与运营效率的关系 (6)
2.2 不同停站方案的优缺点分析 (6)
2.3 跨站停车方案概述及其采用条件 (8)
3 重庆3号线运营现状 (11)
3.1 客流现状 (11)
3.2 列车开行现状 (13)
3.3 现状晚高峰运行图 (15)
3.4 必要性和可行性研究 (15)
3.4.1 必要性研究 (15)
3.4.2 可行性研究 (15)
4 方案设计 (16)
4.1 相关数据准备 (16)
4.2 模型建立 (20)
4.3 模型求解及方案的确定 (23)
4.3.1 定性分析 (23)
4.3.2 定量计算 (25)
4.3.3 最终跨站方案 (29)
5 方案评估 (32)
6 结论与展望 (35)
6.1 研究结论 (35)
6.2 研究展望 (35)
致谢 (37)
参考文献 (38)
1 绪论
1.1 研究背景
随着经济的不断发展，城市规模的不断扩大，城市化水平的不断提高，城市发展目前主要面临交通拥堵、交通事故的不断发生以及城市周边环境污染日益严重等问题。

城市轨道交通的引入与发展，使得很多城市的交通模式得以转变，不再是由单一的常规公交来满足城市的交通运输需求，轨道交通以其大运量、快速、准时、良好的安全性、独立专用轨道等特点吸引了大量的客流，有效减轻了地面交通的负荷。

同时，对于整个城市综合交通体系而言，城市轨道交通发挥着越来越重要的作用，不但有效缓解了地面交通的拥堵问题，而且还为社会带来了更大的经济效益。

在城市轨道交通实际的运营中，运营商往往希望用最低的成本，在获得最大的收益的同时，也能满足乘客的需求。

众所周知，要提高运营效率最常见的方法是提高列车运行速度和提高列车的满载率，对于市内的轨道交通，由于站间距较小，一般情况下列车的运行速度不会太高，短时间内的大范围加减速不利于列车的维护；而对于轨道沿线本身就存在客流分布不均的特点，很多研究者就开始了对列车停站方案加以研究。

从众多学者研究的结果看来，通过改变传统的站站停车模式，采用跨站停车或者快慢车方式更能有效的为乘客节省出行时间，同时也增加了部分乘客的等待时间，最终需要确定的是为乘客节省的时间总和要大于乘客增加的候车和换乘时间总和。

对于跨站停车方案，目前在日本的京成线、圣地亚哥及智利等地铁系统中加以应用，并取得良好效益。

对于长距离、停站次数较多、部分站点客流量较大的线路，研究跨站停车方案是很有必要的。

重庆轻轨3号线字自开通以来，一直采用的传统的站站停车的列车运行方案，该线路停站次数较多，全程运行时间较长，因此对该线路的停站方案进行研究具有重要意义。

1.2 国内外停站方案研究综述
在轨道交通不断发展与进步的今天，如何提高轨道交通运营的效率，深受很多人的关注。

为此，国内外对列车的停站方案进行了大量研究，列车停站方案通常分为站站停和非站站停两种，而非站站停车方案通常包括跨站停车方案和快慢车方案。

在研究这些方案时，最主要是根据线路客流特征，兼顾线路长度、线路通过能力、旅客平
均运距等因素，建立最节省乘客出行时间以及运营成本最低的数学模型，通过现代智能优化算法来求得最优解，从而确定列车的跨站停车方案。

此外，在列车停站方案的研究中，要实现的最关键的两个目标是旅客服务水平的提高和运营成本的降低，国内外的众多学者研究对停站方案的研究大多落在这两点上。

1.2.1 国内研究现状
国内学者对列车停站方案的研究主要开始于对大铁路列车停站方案的研究，在此过程中，沿线客流的分布及特征是制定停站方案的关键。

在市场经济条件下，应该制定合理的列车停站方案以满足不同乘客对出行的需求。

列车是以站站停车模式运营还是以非站站停车模式运营，直接影响乘客对出行方式的选择，列车停站次数越多，越有利于吸引沿线的客流，但这样一来，列车的旅行速度会降低，同时会损失一部分客流。

因此，在对列车的停站方案进行制定时，合理平衡两部分客流，以使最大可能的满足乘客，提高旅客服务水平，对运营者来说是至关重要的。

屈明月、黄树明在文献[1-2]中指出，停站方案的确定主要是依据客流的空间分布，并给出了一种跨站停车方案是重要的站所有列车都停，其余的列车交替停车。

另一种跨站是开行快慢车方案，此时快慢车的开行比例以满足最大乘客需求为主，兼顾旅客平均运距和旅客出行时间，当线路各站点的上、下车客流量分布不均衡时，采用快慢车方案是有利的，同时还建立了对于跨站停车方案的评价体系指标，从而更好的完善停站计划。

陈凡、王昊[3]在城市圈城际铁路开行方案的优选中，指出城市轨道停站方案主要有3种，即站站停、跨站停和一站直达的专线，分析了三种停站方案的优缺点并解决了跨站停车方案中的列车越行问题。

郑锂、宋瑞、何世伟、黎浩东[4]在确定了跨站停车的特征的基础上，分析了开行跨站列车的前提是长距离出行乘客得到的节约时间总和大于部分乘客增加的候车和换乘时间总和。

同样的房霄红[5]在研究中也分析指出跨站停车方案的设计需明确线路长度、短途旅客特点和通过能力状况，在此基础上建立以运营企业社会经济利益最大化和旅客总出行时间最小化为目标的多目标模型，通过蚁群算法能够求解出最优解。

刘丽波[6]以日本东京京成线为例，通过分析东京私铁快慢车组合运营的方式及其配线方法，指出快慢车组合运营是缩短市郊轨道交通旅行时间、增强客流吸引力的有效方法，同时指出只要运营组织方案合理，可以达到比较高的行车密度。

郭楷[7]从线路功能定位、客流特点出发，对沪宁城际轨道交通的列车开行方案进行探讨，提出开行大站直达和站站停两种列车的组合形式。

兰淑梅[8]在分析日本新干线运经验的基础
上，指出在设计我国京沪高速铁路的客车开行方案时，应根据客流构成特点、分布规律及线路能力利用情况，采用各站交错停站、直达等多种形式的停站方案。

宋键[9]指出在市郊快速轨道交通线路上，根据客流潮汐化、向心性的特点，选用合理的列车停站方案，对优化列车运行组织、提高系统的服务水平和降低运营成本具有重要的意义。

袁博晖[10]从城市轨道交通的小时客流不均衡和断面客流不均衡两个方面，分析了改变运营组织方式的条件，并以节省出行时间为目标，建立了采用分站停车的运营组织方式满足乘客需求的数学模型。

合理的停站方案不仅可以提高服务质量吸引更多的客流，而且对运输企业经济效益的提高是显而易见的[11]。

1.2.2 国外研究现状
自上个世纪80年代以来，国外的学者就开始了对列车停站方案的研究，而且在停站方案的应用方面已具有相当丰富的经验，如巴黎、莫斯科的地铁系统，旧金山、波士顿的轻轨系统，日本的京成线，智力和圣地亚哥的地铁系统，都采用了特殊的停站方案。

在采用非站站停车的运行方案下，列车的运行速度有所提高，同时还提高了服务水平，减少了列车运用数量，降低了企业的运营成本。

salzbom[12]和Assad[13]指出在列车方案中，乘客最关心的是列车停站方案，停站方案的确定实际上需要确定一个车站集合或者它的一个子集，在这个集合内列车可以停靠。

根据客流分布特征采取合理的停站方案不但关系到列车运行组织的合理性，而且还关系到系统服务的水平的提高和运营成本的减少[14]。

Maxime Freyss 等人[15]分析指出旅行时间对企业运营效率的重要性，而列车的停站时间是旅行时间的重要组成部分，通过建立传统站站停与跨站停之间的成本函数，减少在某些站的停站时间，最终对跨站停车模式给出了很好的模型，并且分析了该模型已经在圣地亚哥和智利等一些地铁系统中加以应用。

最常用的分析方法是利用某种评价方法来确定出最优的停站方案，例如建立0-1整数规划模型，通过禁忌搜索算法或者动态规划方法等来求得能为旅客节省最多时间的方案，利用这些方法可以构造出基于各种不同分区方案[16]、特定停站方式[17]和各种不同编组方式[18]的列车停站方案，如全停站、间隔停站和区域停站方式。

研究结果显示，对于在郊区通勤铁路线上的多对一需求方式，区域停站方式比其他两种停站方式更加优越[16]。

不同的列车停站方案具有不同的乘客服务水平、运输能力利用状况、行车组织复杂性和运营经济效益。

Vijayaraghavan[19-20]研究了基于大站快车和区间车调度策略下的车辆分配、组织和调度问题。

Eisele[21]指出如果各列车间能够实现协调配合，那么
区域停站方案将比站站停的停站方案要好的多，因为列车的最终停站数量会比站站停的停站方案少的多，但是也可能增加乘客在被跨站的等待时间[22]。

Suh[23]考虑已知客流O-D矩阵、车站间距等因素,建立了地铁跨站运营时刻表制定模型，并以首尔地铁5号线为例，证明高峰小时地铁列车跨站停车方案较站站停车方案能节省运行时间。

Chang[24]采用模糊数学规划来研究即将修建的台湾城际间高速铁路列车开行方案问题，以经营者的总体运营成本最少和旅客总旅行时间最少为两个目标，在多对多客流OD需求和给定运输能力下，采用模糊数学规划建立了旅客列车开行方案的多目标优化模型，包括三部分：停站计划、服务频率和客车车底对数。

文中还指出，停站计划与给定的运输需求有关，停站的数量和方式应是一个弹性计划，而不是由规划者完全确定。

Vuchic[25]对主要停车方案进行特征描述、对比分析及应用潜力研究，得到不同停车模式运营效果的评价方法。

1.3 设计的目的及意义
城市轨道交通中传统的列车停站方案是站站停，该方案基本能满足每个站点的乘客需求，但乘车过程中花费的时间相对较多，而且在高峰时期，对于沿线客流分布不均衡性较大的站点来说，过多的停站反而会影响整个轨道交通的运营效率。

在轨道交通快速发展的今天，完全选择站站停车方案在某些时候已经不能满足乘客的需求，而研究设计合理的跨站停车方案将是更受运营者的青睐，站站停车与跨站停车交替运行的行车模式对轨道交通的发展更为有利。

根据沿线客流分布的特征来确定停站方案，将会是轨道运营的一大进步。

重庆轨道交通3号线自2011年底开通以来，陆续开通沿线车站，至今横跨巴南、南岸、渝中、江北、渝北五区，并与江北机场、四公里交通枢纽中心、两个火车站（菜园坝火车站和重庆北站）、四个长途汽车站（南坪、菜园坝、红旗河沟和江北客站）对接，共39个站，全程旅行时间为90多分钟，成为重庆南北方向交通的主动脉，有效缓解了重庆交通拥堵状况。

在目前站站停车的运营方案下，目前部分车站会出现运能不足的情况，尤其在高峰时期，车站旅客拥堵的现象十分严重，同时，列车的发车间隔在3—10分钟不等，在此情况下，一方面为了减少旅客出行的总耗时，一方面也为了降低运营成本，提高运营效率，对于轨道交通3号线的停站方案进行研究设计是很有必要的。

综上所述，本文设计的主要目的在于：根据对重庆轻轨3号线的现状客流调查情况，重点以3号线晚高峰为对象，分析目前运营中存在的问题，对列车的停站方案进
行优化，设计合理的跨站停车运行方案，同时，根据现状调查数据绘制城市轨道交通列车运行图，并以设计的跨站停车方案对运行图进行优化。

（1）在现有相关文献研究的基础上，分析重庆3号线的客流特征及运营情况；
（2）根据对轨道3号线晚高峰客流特征的调查与分析，设计出适合该线路的跨站停车方案；
（3）在设计出跨站停车方案后，对现状列车运行图进行优化；
（4）通过对本次停车方案的研究，深入对轨道交通运营组织的了解与认识。

本文研究的主要意义在于：通过对3号线晚高峰列车跨站停车方案的设计，优化现状晚高峰运行图，提高乘客的服务水平，降低运营成本。

同时，对重庆后续线路停站方案的制定具有一定的积极意义。

1.4 设计的主要内容及方法
1.4.1 设计内容
由于重庆3号线线路较长，且一天的客流调查难度较大，所以仅选取晚高峰时期的停站方案进行研究，对该时间段内的客流情况进行调查分析，绘制现状列车运行图。

在对3号线现状客流特征、及线路周边功能情况分析的基础上，设计符合3号线运营的跨站行车方案，并且结合停站方案改变前后运行图的变化，对该跨站停车方案进行评价。

1.4.2 设计方法
在对3号线客流情况进行大致调查的基础上，结合3号线沿线周边区域的功能及现有列车开行交路情况，运用定性分析和定量计算相结合的方法，首先分区段对线路进行定性分析，初步确定出哪些车站是所有列车都必须停站的，然后再通过建立0-1整数规划模型定量计算得到最优解，再结合实际线路情况加以修正来确定出最优的跨站停车方案。

通过建立特定评价体系对该方案进行合理性评价，是否有效减少了乘客出行时间、提高了运营效率。

最后，在确定的跨站方案基础上绘制出列车跨站方案下的晚高峰运行图。

2 列车停站问题分析
2.1 停站方案与运营效率的关系
在城市轨道交通列车运营组织中，列车的停站方案是指列车在某个车站停或者不停车的行车组织方法，它通过自身准时、快速等特点吸引了轨道沿线大部分客流，合理的列车停站方案能满足不同层次人群的出行需求，在提高系统服务水平的同时，还能有效降低企业的运营成本。

对于城市轨道交通运营者而言，企业的运营效率与城市轨道交通系统基础设施建设、运营组织管理、企业运营成本及乘客需求满足程度等因素都息息相关。

轨道交通基础设施在建成后，短期内是不会有什么变化的，但运营组织的相关因素，如列车编组计划、列车交路方案、列车停站方案等运营组织手段都可以在短期内改变，通过这些方案的优化改善，能够降低企业的运营成本，提高服务水平，使城市轨道交通系统产出最大化。

在合理的运营组织加上最完善的基础设施、最优化的线网，城市轨道交通一定能够发挥出最大功效。

列车停站方案作为最主要的运营组织要素之一，从运营者的角度来看，企业的成本主要包括轨道线路及车辆的运营维护成本、管理人员的人工成本、设施设备的更新成本等；从乘客的角度来看，服务水平主要体现在列车的安全性、快速性、舒适性、准时性以及出行费用是否合理，如何合理设计停站方案，来实现乘客与运营者的利益最大化，是目前运营者最关心的问题，也是保证城市轨道交通系统得以长期持续发展的关键。

对于新开线路而言，运营企业对停站方案的制定是依据对近期的客流量及客流特征的预测来完成的，然后以此作为日常运营管理、乘客出行选择的依据。

同时，根据后期运营效率及客流变化情况对现有停站方案进行修改和优化，然后重新引导客流分配。

列车停站方案就是这样来影响运营效率，同时又在运营效率的反馈中不断优化改进，从而实现运输企业的最终目标——以最低的运营成本，实现最高的服务水平。

2.2 不同停站方案的优缺点分析
列车停站方案是城市轨道交通运营组织中的基础环节，规定了列车的停站模式，其主要内容是在确定开行方案的列车径路、列车编组辆数、开行频率后，根据客流需
求和列车协调配合情况确定开行方案中各列车的停站序列[26]。

传统的列车停站方案是站站停车，这样能最大程度的吸引沿线乘客，但列车停站次数较多，对于较长线路来说，全程旅行时间较长。

然而随着铁路客运专线的发展以及城市轨道交通线网的不断扩大，以及人们对出行的方式选择的服务水平要求越来越高，部分运营商对于列车的停站方案作了改进，后续对列车停站方案的研究也越来越深入。

有时为了考虑某些特殊因素而采用非站站停车的停站模式，反而能获得更高的收益。

相比站站停车方案而言，非站站停车方案主要的特点是列车在沿线的停站次数减少了。

对乘客而言，减少了中途的旅行时间，缩短了总的出行时间，但却增加了在被跨站的等待时间以及乘车换乘时间，降低了居民出行的可达度。

对运营企业而言，列车的平均旅行速度有所增加，减少了列车的总停站时间，因而有利于缩短列车的运行周期，增加单位小时内列车开行对数（或者减少列车运用数），从而降低运营成本，同时均衡了列车的上座率，有利于高峰时期各个车站管理人员对乘客乘车进行疏导。

城市轨道交通中常见的3种非站站停车的方案主要有：跨站停车方案（skip-stop operation）、区域停车方案(zonal operation)、快/慢车方案(express/local operation)，如图2.1所示。

图2.1 城市轨道交通基本非站站停的停车方案(a)跨站停车方案；（b）区域停站方案；（c）快/慢
车停站方案
从上图可以看出，三种非站站停车的区别在于跨站的多少，相比站站停车方案，总的列车停站次数有所减少。

区域停站方案的特点是在某些区域不停站，利于长途乘客出行，因此主要用于市郊区之间的通勤列车；快/慢车方案多用于上、下车客流不均衡程度较大，长距离旅客出行比例较大的城际列车。

本文主要研究跨站停车方案，下面对其进行重点介绍。

2.3 跨站停车方案概述及其采用条件
在城市轨道交通中，跨站停车方案的运营组织方案如图2.2，将车站分为3类：A 、B、AB；并相应的将列车分为两类：A、B。

如图2.2所示，A类列车可停靠在A站和AB站，B类列车可停靠在B站和AB站，通常情况下，两类列车轮流发车。

图2.2 跨站停车方案运营形式
在考虑A类车站和B类车站的选择时，应该考虑一下因素：尽量选择乘客数最少的车站；A类车站和B类车站的数量应该相同，以保证AB车站均衡的发车间隔；尽可能减少连续的A-B车站对，避免A-B车站对数量连续过多而造成乘客不得不选择反向运行；在跨站时，车站A和车站B的乘客总数应该相似，以便跨站时引导客流在列车上的分配，保持A和B车辆的平均装载。

对于不同的停站方案，相应的运行图也有所不同，图2.3给出了相继开行两列站站停列车、4列跨站停列车在各站停靠的列车运行图。

其中，h AB为跨站停方案下相邻开行A类和B类列车的发车间隔；h表示站站停车方案下的发车间隔；hw为某车站相继经过的两列列车的时间间隔；ts为列车停站时间；V1、V 2分别为站站停方案、跨站停方案下列车的平均速度；T1、T2分别为站站停车方案、跨站停车方案下的平均运营时间。

图2.3 站站停车方案与跨站停车方案的列车运行
图
跨站停车跟站站停车相比，主要的特点表现在以下几方面：
（1）列车发车间隔
在站站停车方案下，列车在各车站的发车间隔h的值都不改变；而在跨站停靠方案下，列车在A、B车站的发车间隔与在AB站的发车间隔不一致，列车相继经过统一车站的间隔hw随列车在该站是否停靠以及ts的变化而变化。

（2）列车旅行速度和乘客乘车时间
在跨站停车方案中，列车由于在A、B站的停站次数减少，使得列车运行全程的时间相应减少，这样一来，列车在全程的平均旅行速度增大了，乘客在车内的乘车时间得以节省，即是图中V2>V1，T2<T1。

（3）乘客在起点站的候车时间
在跨站停车方案中，不同类型的车站列车的发车间隔不一样，AB类车站的发车间隔为h AB，而A类车站和B类车站的列车运行为hw，且由图可知hw<h AB。

AB类车站是所有列车均可停靠，在其前有跨站运行时，发车间隔可缩小；而在A、B站，只有相对应的列车才可停靠，这样就会使得在被跨过的车站乘客候车时间增加，因此在跨站时应该避免连续的A车站或者B车站。

（4）乘客在AB站的换乘等待时间。