考虑稳定性的城市轨道交通车站交通服务设施系统优化配置理论与方法- - -基于排队网络视角

建立适应乘客聚集状态变化的交通服务设施系统优化配置理论与方法是解决城市轨道交通车站内乘客拥挤、踩踏等安全隐患的关键和基础。当前交通服务设施系统优化配置研究中未考虑聚集状态突变的对系统性能稳定性的冲击，且缺乏合适的角度与方法全面真实的分析聚集状态变化。本项目从排队网络的视角，以乘客和交通服务设施构成的系统为研究对象，采用排队网络建模、PH分布拟合、QBD过程理论、摄动分析、ε约束法、GA&SS算法、MATLAB与AnyLogic仿真等技术与工具，将理论推导与仿真验证相结合，开展以下研究：1、建立乘客站内流动全过程PH型排队网络模型，以排队网络性能反映聚集状态；2、构建排队网络性能稳定性描述与分析方法，以揭示聚集状态变化规律；3、构建考虑稳定性的交通服务设施多目标系统优化配置模型与算法，以适应聚集状态突变。项目研究可为城市轨道交通车站交通服务设施系统优化配置、安全运营管理等提供理论基础。

建立乘客聚集状态变化的分析方法与适应该变化的乘客服务设施系统配置理论是解决城市轨道交通车站内乘客拥挤、踩踏等安全隐患的关键。当前乘客服务设施系统优化配置研究中未考虑聚集状态突变的冲击，且缺乏合适的角度与方法全面真实描述聚集状态变化。鉴于城市轨道交通车站系统本质上是一类具有高度随机性和动态性的随机服务系统，而位相型分布PH保持了指数分布M易于进行解析处理的优点，又能无限逼近任意非负随机变量，且PH分布的不同位相适合于描述具有多层次和变动参数的复杂随机现象。因此，本项目从PH排队网络的视角，以乘客和乘客服务设施构成的系统为研究对象，在Ramin Sadre和J. Macgregor Smith等人研究的基础上，完成了以下应用基础研究：1、采用拟生灭过程QBD首次建立了适合候车系统排队现象分析的PH/PH[0,C1]/1/C批量服务排队模型、适合售\检票系统排队现象分析的PH/PH/C1/C并联排队模型、适合自动扶梯系统排队现象分析的PH/PH/C1/C的混联排队模型和适合通道\楼梯系统排队现象分析的PH/PH(n)/C/C状态相关混联排队模型以及适合车站系统排队现象分析的PH排队网络模型，并推导了PH排队网络模型的数量指标；2、首次借鉴了类似于交通效用函数的方法，在上述推导的PH排队网络模型数量指标基础上将高效性、舒适性和安全性等传统性能指标进行了无量纲化和归一化表征和量化，以反映乘客聚集状态，并首次利用传统性能指标关于PH排队网络系统参数的弹性系数对稳定性进行了无量纲化和归一化表征和量化，以反映乘客聚集状态变化。3、采用多目标优化方法首次构建了考虑稳定性的乘客服务设施PH排队网络系统优化配置模型，通过性能凹凸性分析以及结合优化参数离散性和连续性的特点设计了全局智能优化算法SS&IAGA进行求解，体现了聚集状态变化规律。以上研究开辟和拓展了PH分布及排队网络分析技术在城市轨道交通领域的崭新应用，为城市轨道交通车站乘客服务设施系统优化配置、安全运营管理等提供了应用基础理论支撑，相关研究成果均已发表在国际应用数学和运筹学的期刊上，并正在出版一部专著和开发一款软件。在上述研究成果的基础上，我们发现本项目建立的PH排队网络模型还可以推广应用到其它交通领域，如紧急状态下车站疏散设施配置、信号交叉口配时和高架环道入口匝道控制等。