应对城际铁路中断的多模式走廊构建方法、装置及设备

1.本发明属于灾后应急管理技术领域，具体涉及一种应对城际铁路中断的多模式走廊构建方法、装置及设备。


背景技术：

2.中国已经进入城市群交通一体化建设阶段，城际铁路系统主要承担城市群内部市区县之间的交通运输，服务班次多、覆盖站点广、通行里程长的特点使其对各类干扰更加敏感，无论基础设施的内部断电，还是极端天气的外部干扰，都将引发既定线路的延误中断，进而导致一系列站点的乘客滞留。随着出行需求增加，交通系统应对灾害的应急、保障和恢复能力变得尤为重要。
3.其中，灾区内应急疏散和跨灾区交通恢复最为困难，管理部门须快速重连孤立节点，避免异常客流过度集中导致次生风险。管理部门亟需一种受损交通网络的多式协同应急响应方法，有效利用各种交通方式的剩余基础设施和应急资源，恢复交通系统的供需平衡，降低交通设施受损造成的社会经济影响。
4.然而，目前并没有相关方法以提升城市群交通系统的灾害韧性为目标，提出多式协同的快速响应方案以供管理部门使用。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种应对城际铁路中断的多模式走廊构建方法、装置及设备，其目的在于在城市群交通系统发生灾害后，面向城市群范围内核心城市的出行需求，利用受损的基础设施规划多模式交通的绕行替代路线，调度备用应急载具，构建多式协同的客流运输方案，以达到交通系统供需平衡快速恢复的目标，同时降低乘客的总体延误，本发明基于灾后网络和应急资源的统计情况，为管理部门提供多式协同的线路规划、车辆分配和客流指派方案。
6.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
7.一种应对城际铁路中断的多模式走廊构建方法，包括：
8.获取中断线路信息和交通应急资源信息；所述中断线路信息包括线路编号、途径车站、到站时间、途经城市的gdp和每个站点的最大出行需求；所述交通应急资源信息包括通往各所述途经城市的能正常运行的多模式交通线路和交通枢纽、用于应急疏散的多模式载具数量、所述多模式载具对应的运行时刻以及交通枢纽站点的乘客步行速度和步行距离；
9.将所述中断线路信息和交通应急资源信息输入多模式走廊构建模型，输出所述出行需求对应的多式协同运输方案和用于灾后响应的多模式载具的调度方案。
10.进一步地，所述多模式走廊构建模型为：
11.上层：min f1＝λ1r+λ2d
12.下层：min f2＝u
13.s.t.
[0014][0015][0016][0017]
式中，λ1和λ2为模型参数；r为韧性指标；d为到站偏差；u为运输系统总效用；为实际出发量；为疏散线路mn从站点sn到s
n+i
的乘客数；代表站点sn疏散客流的预期总需求量；为疏散线路mn在站点sn的上车乘客数，为疏散线路mn在站点sn的空闲座位数量，由前一站点s
n-1
的空闲座位数量减去本站sn下车乘客数与上车乘客数的差值，即下车乘客数为疏散线路mn分得的载具数量；为方式m备用载具总数量。
[0018]
进一步地，所述韧性指标为：
[0019][0020]
式中，为到达线路终点时间为线路mn从站点sn到s
n+i
的运行时刻，为列车的停车时间，为上车时间，v
ped
为乘客步行速度；为下车时间，列车离站时间为r(t)为时变的出行需求满足率，其具体求解方式为：
[0021][0022]
式中：为0或1变量，线路mn到达站点sn前为0，否则为1。
[0023]
进一步地，所述到站延误率为：
[0024][0025]
式中，为中断线路的到站时间，m
*
为中断线路的编号。
[0026]
进一步地，所述运输系统总效用为：
[0027][0028]
式中，为路径上的乘客数，路径乘客数和线路乘客数的转换关系为
为转换参数，当线路mn站点s
n s
n+i
在路径上时为1，否则为0；为乘客在路径上的综合效用，具体求解方式如下：
[0029][0030][0031][0032][0033][0034]
式中，α1,α2,α3为权重，为乘客在途感知时间，为行程时间，ε1,ε2为权重；为乘客的换乘感知时间；为乘客的步行时间；为乘客的候车时间，ε3,ε4为权重，为乘客平均步行距离，为换乘乘客人数；δa为换乘次数。
[0035]
进一步地，所述预期总需求量为：
[0036][0037]
式中，为下游终点s
n+i
的预期需求，其计算公式如下：
[0038][0039][0040]
式中，为到站时间的变动；δa为换乘次数；为乘客的估计需求量，其
[0041]
计算公式如下：
[0042][0043]
式中，为s
n+i
站点所属城市的国民生产总值；为累计到站人数，其计算方式如下：
[0044][0045]
式中，为线路κ在时间t的实际到站人数，其计算公式如下：
[0046][0047]
式中，为站点sn对线路κ的需求；p
sig
(t)为到站客流的累计过程服从sigmod分布，和p
sig
(t)计算公式如下：
[0048][0049][0050]
z～n(μ,σ2)
[0051]
式中，d
max
为最大需求量；p
service
为出行需求的服务率；z表示每个站点不同线路的出行需求随发车时间服从正态分布；μ为均值；σ为标准差；α,h为参数。
[0052]
一种应对城际铁路中断的多模式走廊构建装置，包括：
[0053]
获取模块，用于获取中断线路信息和交通应急资源信息；所述中断线路信息包括线路编号、途径车站、到站时间、途经城市的gdp和每个站点的最大出行需求；所述交通应急资源信息包括通往各所述途经城市的能正常运行的多模式交通线路和交通枢纽、用于应急疏散的多模式载具数量、所述多模式载具对应的运行时刻以及交通枢纽站点的乘客步行速度和步行距离；
[0054]
方案输出模块，用于将所述中断线路信息和交通应急资源信息输入多模式走廊构建模型，输出所述出行需求对应的多式协同运输方案和用于灾后响应的多模式载具的调度方案。
[0055]
一种设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种应对城际铁路中断的多模式走廊构建方法的步骤。
[0056]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种应对城际铁路中断的多模式走廊构建方法的步骤。
[0057]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0058]
1、本发明提出的应对城际铁路中断的多模式走廊构建方法考虑了铁路中断后沿线各个车站的客流动态增长趋势，通过多式协同的方法重构滞留乘客的行程路径，同时满足中断线路的沿线站点的出行需求。
[0059]
2、本发明提出的应对城际铁路中断的多模式走廊构建方法考虑了多种城际客运模式的运行特征和优势，通过交通设施网络和交通枢纽规划运行时刻表和线路容量，充分利用各种交通方式的备用应急资源，一方面避免资金浪费，另一方面为不同行程和需求的乘客定制出行方案。
[0060]
3、本发明考虑了线路中断造成的站内拥挤，在疫情频发的当下，站内滞留人数与病毒传播直接相关，同时，站内人数过多会引发恐慌情绪和踩踏事件，本发明所提出的方案尽可能降低中断沿线的各个站点的站内人数，在降低行程延误的同时，加快乘客的转运时间，避免长期滞留。
[0061]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0062]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0063]
图1为本发明一种应对城际铁路中断的多模式走廊构建方法流程图；
[0064]
图2为实施例中多式协同灾后运输示意图；
[0065]
图3为实施例中京津冀城际多模式网络局部失效案例图；
[0066]
图4为实施例中中断时段内受影响的线路时刻表；
[0067]
图5为实施例中多模式线路时间表；
[0068]
图6为实施例中调度方案图；
[0069]
图7为实施例中多式协同疏散方案。
具体实施方式
[0070]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0071]
作为本发明的某一具体实施方式，一种应对城际铁路中断的多模式走廊构建方法，包括：
[0072]
step1：获取中断线路信息和交通应急资源信息。
[0073]
具体的说，中断线路信息包括线路编号、途径车站、到站时间、途经城市的gdp和每个站点的最大出行需求。
[0074]
通俗的说，中断线路信息的统计针对发生紧急情况的城际铁路线路，统计的内容包括：线路编号、途径车站、到站时间、途经城市的gdp和每个站点的最大出行需求。统计方式为：网络购票数据导出，包括网络购票和排队信息统计的乘客数量，该需求信息包括交通方式、起点站、终点站、客流量和日期，每位乘客仅统计一个终点，比对身份证信息删除重复数据。
[0075]
具体的说，交通应急资源信息包括通往各所述途经城市的能正常运行的多模式交通线路和交通枢纽、用于应急疏散的多模式载具数量、所述多模式载具对应的运行时刻以及交通枢纽站点的乘客步行速度和步行距离。
[0076]
通俗的说，多模式载具数量统计针对城市群内部各种交通方式的空闲载具，统计的内容包括：所在站点、载具数量、单位载具容量、载具运力总量；统计方式为：城市群内部各个交通站点汇报，以便于统一调度。本发明中的城际交通方式包括客运大巴、普通铁路、高速铁路、动车和航空。交通方式发生紧急状况后，城市群内部所有交通方式的空闲载具均被考虑用作疏散备用载具，城市群内部功能完好的交通基础设施均被考虑用于疏散运输。
[0077]
本发明载具运行方向为起点到终点的单向运行。本发明针对备用载具运力总量满足客流需求总量的情况，该情况下一个时段内的客流需求可以被一次性疏散完成。下一时段累积的客流需求使用本发明方法，利用空闲载具规划下一次疏散的路线。
[0078]
本发明的多模式交通走廊和交通枢纽包括城市道路网络、公路网、铁路网、高速铁路网和机场连线。多模式网络之间相互独立，仅在交通枢纽站点形成交叉。各种方式的载具在所属的交通网络中单向运行，乘客在交通枢纽站允许换乘。
[0079]
交通枢纽站点的换乘步行距离包括：各个交通枢纽站点不同交通方式的站台之间的换乘距离。
[0080]
step2：将中断线路信息和交通应急资源信息输入多模式走廊构建模型，多模式走廊构建模型输出出行需求对应的多式协同运输方案和用于灾后响应的多模式载具的调度方案。
[0081]
多式协同运输方案和用于灾后响应的多模式载具的调度方案包含：1)韧性最优-最小延误解；2)各种交通方式的行驶路线和每条路线的载具数量；3)多式协同的路径规划下的客流人员(乘客)分配方案。
[0082]
本发明多式协同运输路线由连接的起点城市与终点城市的多模式客运交通疏散链构成。疏散起点为发生异常客流的城市城际交通站点，终点为客流终点城市的城际交通站点。本发明针对于规划属于城市群层面，用于规划城市之间的疏散线路，城市内部应采用灵活高效的运输方式连接各个站点。
[0083]
本发明中，韧性优化和客流分配模型为：
[0084]
上层：min f1＝λ1r+λ2d
[0085]
下层：min f2＝u
[0086]
s.t.
[0087][0088][0089][0090]
式中，λ1和λ2为模型参数；r为韧性指标；d为到站偏差；u为运输系统总效用；为实际出发量；为疏散线路mn从sn到s
n+i
的乘客数；代表站点sn疏散客流的预期总需求量；为疏散线路mn在站点sn的上车乘客数，为疏散线路mn在站点sn的空闲座位数量，由前一站点s
n-1
的空闲座位数量减去本站sn下车乘客数与上车乘客数的差值，即下车乘客数为疏散线路mn分得的载具数量；为方式m备用载具总数量。
[0091]
本发明中，灾后韧性指标为：
[0092][0093]
式中，为到达线路终点时间为线路mn从站点sn到s
n+i
的运行时刻，为列车的停车时间，为上车时间vped
为乘客步行速度；为下车时间列车离站时间为r(t)为时变的出行需求满足率，其具体求解方式为：
[0094][0095]
式中：为0或1变量，线路mn到达站点sn前为0，否则为1。
[0096]
本发明中，到站延误率为：
[0097][0098]
式中，为中断线路的到站时间，m
*
为中断线路的编号。
[0099]
本发明中，运输系统总效用为：
[0100][0101]
式中，为路径上的乘客数，路径乘客数和线路乘客数的转换关系为为转换参数，当线路mn站点s
n s
n+i
在路径上时为1，否则为0；为乘客在路径上的综合效用，具体求解方式如下：
[0102][0103][0104][0105][0106][0107]
式中，α1,α2,α3为权重，为乘客在途感知时间，为行程时间ε1,ε2为权重；为乘客的换乘感知时间；为乘客的步行时间；为乘客的候车时间，ε3,ε4为权重，为乘客平均步行距离，为换乘乘客人数；δa为换乘次数。
[0108]
本发明中，预期总需求量为：
[0109]
[0110]
式中，为下游终点s
n+i
的预期需求，其计算公式如下：
[0111][0112][0113]
式中，为到站时间的变动；δa为换乘次数；为乘客的估计需求量，其计算公式如下：
[0114][0115]
式中，为s
n+i
站点所属城市的国民生产总值；为累计到站人数，其计算方式如下：
[0116][0117]
式中，为线路κ在时间t的实际到站人数，其计算公式如下：
[0118][0119]
式中，为站点sn对线路κ的需求；p
sig
(t)为到站客流的累计过程服从sigmod分布，和p
sig
(t)计算公式如下：
[0120][0121][0122]
z～n(μ,σ2)
[0123]
式中，d
max
为最大需求量；p
service
为出行需求的服务率；z表示每个站点不同线路的出行需求随发车时间服从正态分布；μ为均值；σ为标准差；α,h为参数。
[0124]
所述的城市群多模式交通运输系统可以理解为由基础设施、运输线路和客流线路构成的相依网络。多模式运输网络按交通方式分层，相依连接由交通枢纽的客流换乘体现。基础设施和运输线路的中断都将导致客流异常，客流需求集中于运输线路的上下游站点。因此，当局部系统失效或单一方式中断时，主动利用网络相依关系，增派其他方式载具，或重新规划客流的多式联运路线，可以实现灾区内部连通和跨越灾区运输。如图2所示的简单城际多模式网络，当城际铁路中断时，通过公路网和飞机的协助，为客流重新构建了直达和联运线路。
[0125]
所述的多模式交通系统拓扑为多层相依网络，将连接分为运行连接an∈α1和换乘连接bn∈a2，每个节点s
η
代表一个站点，具有多维度属性s
η
＝(ci,m,mn)，其中ci为城市编号ci∈c，m为交通方式m∈m，mn为方式m的第n条线路mn∈j，交通枢纽每条多式联运线路表示为ln＝(a1,a2,...,b1,b2,...bn)。
[0126]
实施例
[0127]
利用国家发展改革委批复的《京津冀地区城际铁路网规划示意图》2030年远景规划西侧的多模式走廊为例，展示本发明为多式协同运输方案和客流分配的过程和结果。假设极端天气对高速铁路设施的影响，模拟北京西南方向城际铁路局部设施失效，秦皇岛、承德、北京、保定、石家庄、邢台、邯郸等核心城市均受影响。
[0128]
据统计，灾后多模式交通网络如图3所示，预计2小时恢复通畅，此时段内有10条线路受到影响，其发车时刻表如图4。每个站点对于每条线路的出行需求d
max
为200人。中断下游城市的gdp分别为保定3695，石家庄5935，邢台2200，邯郸3636。普通铁路、城际铁路和飞机航线的运行时间附于图5。单位载具的容量分别为，火车cpr＝100，动车组cpc＝70，飞机cpa＝200。乘客步行时间v
ped
＝1.5m/s，平均换乘步行距离大巴运行速度v
bus
＝40km/h，站间平均路程设定多模式备用载具数量分别为10个火车车厢，20个动车组车厢，4架飞机，该设定足以满足大部分的突发需求。
[0129]
依照本发明所述的模型算法计算，多模式载具调度线路和方案如图6所示，乘客的多式协同运输方案如图7所示。
[0130]
管理者可根据图6中的载具调度方案，对客运线路进行规划。根据图7的乘客分配信息，为乘客定量提供多式协同的运输路线。
[0131]
本发明提供了一种应对城际铁路中断的多模式走廊构建装置，包括：
[0132]
获取模块，用于获取中断线路信息和交通应急资源信息；所述中断线路信息包括线路编号、途径车站、到站时间、途经城市的gdp和每个站点的最大出行需求；所述交通应急资源信息包括通往各所述途经城市的能正常运行的多模式交通线路和交通枢纽、用于应急疏散的多模式载具数量、所述多模式载具对应的运行时刻以及交通枢纽站点的乘客步行速度和步行距离；
[0133]
方案输出模块，用于将所述中断线路信息和交通应急资源信息输入多模式走廊构建模型，输出所述出行需求对应的多式协同运输方案和用于灾后响应的多模式载具的调度方案。
[0134]
本发明在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于一种微表情图像精细化分类方法的操作。
[0135]
本发明在一个实施例中，一种微表情图像精细化分类方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算
机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。
[0136]
所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(mo)等)、光学存储器(例如cd、dvd、bd、hvd等)、以及半导体存储器(例如rom、eprom、eeprom、非易失性存储器(nandflash)、固态硬盘(ssd))等。
[0137]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0138]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0139]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0140]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0141]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。