高衛(wèi)東，賈元華，張亮亮,姬亞鵬

(北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京　100044)

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客運(yùn)專線列車開行方案評(píng)價(jià)研究

高衛(wèi)東，賈元華，張亮亮,姬亞鵬

(北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京100044)

摘要：客運(yùn)專線列車開行方案評(píng)價(jià)是鐵路運(yùn)營收益的保障，也是列車開行方案優(yōu)化的基礎(chǔ)。本文在對(duì)客運(yùn)專線列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)之上，從運(yùn)營管理者和旅客兩個(gè)角度，依托經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全和服務(wù)四個(gè)維度，綜合構(gòu)建客運(yùn)專線列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。采用主成分分析法和灰色評(píng)價(jià)法組合模型對(duì)列車開行方案進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，并列舉實(shí)例,驗(yàn)證了所構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的正確性以及評(píng)價(jià)方法的可行性。整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及結(jié)果對(duì)于鐵路實(shí)際的運(yùn)輸生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：客運(yùn)專線；列車開行方案；主成分分析；灰色評(píng)價(jià)

旅客列車開行方案作為編制列車時(shí)刻表和運(yùn)行圖的基礎(chǔ)，在很大程度上體現(xiàn)了運(yùn)輸產(chǎn)品的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)，同時(shí)也反映了鐵路旅客運(yùn)輸?shù)慕?jīng)營策略和服務(wù)水平。合理的開行方案能夠提高鐵路運(yùn)輸企業(yè)的經(jīng)營效果和運(yùn)輸效益，體現(xiàn)鐵路旅客運(yùn)輸?shù)氖袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。建立旅客列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)列車開行方案的經(jīng)濟(jì)和服務(wù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，不僅可以用來評(píng)價(jià)列車開行方案的優(yōu)劣，而且可以作為優(yōu)化開行方案的依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系早有研究。鄧連波等[1]在考慮鐵路和旅客的經(jīng)濟(jì)利益與服務(wù)水平的基礎(chǔ)上，建立了列車開行方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和服務(wù)指標(biāo)，以此來構(gòu)建旅客列車開行方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；譚政紅[2]從安全性、快速性、準(zhǔn)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性和舒適性六個(gè)方面著手，建立了以旅客服務(wù)特性為指標(biāo)的客運(yùn)專線列車開行方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并量化了評(píng)價(jià)指標(biāo)；陶思宇[3]從鐵路運(yùn)營經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，綜合構(gòu)建了鐵路旅客列車開行方案經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并引入矩陣分析法對(duì)鐵路旅客列車開行方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)；楊曉[4]從鐵路企業(yè)效益最大、直達(dá)運(yùn)輸最大及列車虛糜最小為目標(biāo)，建立了旅客列車開行方案的多目標(biāo)規(guī)劃模型，同時(shí)研究了確定列車運(yùn)行區(qū)段和O-D流量的處理方法；Ghoseiri 等[5]建立了多目標(biāo)規(guī)劃模型求解旅客列車開行方案問題，該模型以燃料成本最小和旅行時(shí)間最小化為目標(biāo)，適用于包含多個(gè)不同能力車站的單條線路或多條線路，模型的求解分兩步，首先利用ε約束法確定鐵路企業(yè)和旅客利益的平衡點(diǎn)，然后以獲得的平衡點(diǎn)為基礎(chǔ)，利用一種基于距離的方法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化。

對(duì)于列車開行方案評(píng)價(jià)方法的研究，張玉召等[6]在對(duì)列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系影響指標(biāo)進(jìn)行分析歸并的基礎(chǔ)之上，采用DEA方法對(duì)旅客列車開行方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)；宇海龍[7]提出在能力限制條件下，以綜合效益最大化為運(yùn)營目標(biāo)，建立了適用于事前和事后評(píng)價(jià)的列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并分別采用模糊綜合、模糊層次-主成分分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)；史峰等[8]將列車開行方案與旅客換乘方案結(jié)合起來，以客流在鐵路換乘網(wǎng)絡(luò)上的分配作為下層規(guī)劃，建立旅客列車開行方案優(yōu)化的雙層規(guī)劃模型，并設(shè)計(jì)了以模擬退火算法為基礎(chǔ)的旅客列車開行方案優(yōu)化算法；張蕭蕭[9]分別建立了基于開行方案編制流程和基于開行方案產(chǎn)品性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)單方案?jìng)€(gè)體指標(biāo)，采用聚類分析法對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行簡(jiǎn)化，再采用主成分分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，針對(duì)多方案總體指標(biāo)，提出了兼顧主客觀權(quán)重系數(shù)的AHP-DEA綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行整體評(píng)價(jià)； Claessens 等[10]在給定路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、客流分布條件下，通過與荷蘭現(xiàn)行的以最大直達(dá)旅客人數(shù)為目標(biāo)的開行方案的相比較，以列車運(yùn)行成本作為開行方案費(fèi)用最小為目標(biāo)，優(yōu)化內(nèi)容為開行列車的起訖點(diǎn)、頻率和列車長(zhǎng)度(編成輛數(shù))。

綜上所述，對(duì)于旅客列車開行方案評(píng)價(jià)研究問題，國內(nèi)外的專家和學(xué)者均已進(jìn)行了廣泛的探索和研究，但還是存在很多不足的地方，表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：(1)在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究方面，目前對(duì)開行方案評(píng)價(jià)研究主要集中在運(yùn)輸企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益方面，雖然有部分學(xué)者提出了旅客滿意度概念，但是如何將經(jīng)營者和旅客的利益結(jié)合起來綜合考慮，建立完備的開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究比較少。(2)在評(píng)價(jià)對(duì)象研究方面，目前關(guān)于旅客列車開行方案評(píng)價(jià)的研究主要有兩類：一類是注重單列旅客列車開行效果的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)；另一類注重開行方案整體開行效果的綜合效益評(píng)價(jià)。隨著客運(yùn)專線的大量修建，客運(yùn)專線在鐵路旅客運(yùn)輸方面所發(fā)揮的作用日益明顯，但是針對(duì)客運(yùn)專線旅客列車開行方案相關(guān)研究還比較少。(3)在評(píng)價(jià)方法選取方面，現(xiàn)有研究方法大多采用單一評(píng)價(jià)方法，這造成有些評(píng)價(jià)方法主觀性明顯，缺乏評(píng)價(jià)的相對(duì)客觀性。

基于此，本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，從鐵路運(yùn)輸企業(yè)和旅客兩個(gè)角度，綜合構(gòu)建了客運(yùn)專線列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用主成分分析法和灰色評(píng)價(jià)法組合評(píng)價(jià)模型，對(duì)所構(gòu)建的客運(yùn)專線列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

客運(yùn)專線列車開行方案是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其方案評(píng)價(jià)是列車開行方案優(yōu)化的基礎(chǔ)，本文從旅客開行方案和客流換乘方案兩個(gè)部分，綜合考慮鐵路企業(yè)和旅客的相關(guān)需求和特性，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全和服務(wù)四個(gè)維度，綜合構(gòu)建客運(yùn)專線列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不僅代表運(yùn)營者的經(jīng)濟(jì)利益，同時(shí)也代表了旅客的消費(fèi)利益。經(jīng)濟(jì)利益主要體現(xiàn)在運(yùn)營者對(duì)開行動(dòng)車組的成本、收益的考慮，即動(dòng)車組總運(yùn)營成本和動(dòng)車組總運(yùn)營收益兩項(xiàng)指標(biāo)。消費(fèi)利益主要體現(xiàn)在旅客對(duì)出行費(fèi)用和旅行時(shí)間的考慮，即旅客車票花銷和旅客旅行時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)。

技術(shù)指標(biāo)主要是指從運(yùn)營商角度開行旅客列車應(yīng)有的最基本的技術(shù)支持，目的是保證旅客列車的開行以及滿足不同層次旅客多樣化的出行需求。為了使構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)更具說服力，技術(shù)指標(biāo)分為動(dòng)車組平均旅行速度、平均技術(shù)速度、車底周轉(zhuǎn)時(shí)間和開行間隔時(shí)間四項(xiàng)指標(biāo)。

安全指標(biāo)主要是以動(dòng)車組事故率和旅客傷亡人數(shù)來定量描述的，鐵路始終把安全作為運(yùn)營生產(chǎn)的第一要?jiǎng)?wù)，同時(shí)旅客出行也把安全作為首要選擇。

服務(wù)指標(biāo)綜合考慮旅客的出行需求，是從旅客角度來評(píng)價(jià)列車開行方案和鐵路服務(wù)質(zhì)量。鐵路現(xiàn)今正逐步地走入市場(chǎng)，要以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，采取“按流開車”的原則，所以服務(wù)指標(biāo)是列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系必須考慮的因素。服務(wù)指標(biāo)分為動(dòng)車組舒適度、旅客購票乘車便捷度、旅客平均中轉(zhuǎn)換乘時(shí)間以及旅客平均擁擠程度。

綜合以上對(duì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全和服務(wù)四個(gè)維度的分析，從評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的合理性、客觀性和可評(píng)價(jià)性原則出發(fā)，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1　客運(yùn)專線列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1　Evaluation index system of passenger dedicated train operation scheme

2主成分分析與灰色評(píng)價(jià)模型組合評(píng)價(jià)法

主成分分析(principal component analysis, PCA)也稱主分量分析或矩陣數(shù)據(jù)分析，通過變量變換的方法把相關(guān)的變量變?yōu)槿舾刹幌嚓P(guān)的綜合指標(biāo)變量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的降維，使得問題得以簡(jiǎn)化[11]。

灰色綜合評(píng)價(jià)法是從信息的非完備性出發(fā)研究和處理復(fù)雜系統(tǒng)的理論，是通過對(duì)系統(tǒng)某一層次的觀測(cè)資料加以數(shù)學(xué)處理，達(dá)到在更高層次上了解系統(tǒng)內(nèi)部的變化趨勢(shì)、相互關(guān)系等機(jī)制的目的[12]。

由于本文所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多都難以量化，或者難以找到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以結(jié)合主成分分析法可以提取數(shù)據(jù)主要成分以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)降維，同時(shí)根據(jù)灰色評(píng)價(jià)模型可以對(duì)模糊系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)、減少評(píng)價(jià)的主觀性這一特性，論文采用主成分分析與灰色評(píng)價(jià)模型組合評(píng)價(jià)法，該方法集成兩種評(píng)價(jià)方法的優(yōu)點(diǎn)，減少專家打分的主觀性，達(dá)到對(duì)客運(yùn)專線列車開行方案的客觀評(píng)價(jià)。主成分分析與灰色評(píng)價(jià)模型組合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)步驟如下：

(1)根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)分值xij構(gòu)造評(píng)價(jià)樣本矩陣X，并對(duì)樣本矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣[13]

(1)

(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z的樣本相關(guān)系數(shù)矩陣R和R矩陣的特征值λm

(2)

解得m個(gè)特征值λ1≥λ2≥…≥λp≥0。

(3)確定t的值，使信息的利用率達(dá)到85%以上

(3)

(4)

式中，F(xiàn)1,F2,…,Ft為分析后得到的t個(gè)主成分；uij為決策矩陣中的系數(shù)。

(5)綜合權(quán)重的確定

(5)

其中，a1,a2,…，aL即指標(biāo)ω1,ω2,…,ωL在主成分中的綜合重要度，且ζ=λ1+λ2+…+λt。

(6)確定評(píng)價(jià)灰類。根據(jù)評(píng)價(jià)樣本矩陣X確定評(píng)價(jià)灰類(灰類序號(hào)為e)，其相應(yīng)的灰數(shù)和白權(quán)化函數(shù)fe(dijk)，同時(shí)計(jì)算灰色評(píng)價(jià)系數(shù)、灰色評(píng)價(jià)權(quán)向量和權(quán)矩陣。得到灰色評(píng)價(jià)權(quán)矩陣Ri為

(6)

(7)根據(jù)灰色評(píng)價(jià)矩陣，計(jì)算灰色評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)值，Ti=Ri*CT，其中，CT為各評(píng)價(jià)等級(jí)值化向量。

(8)最終綜合評(píng)價(jià)

(7)

其中，ωi為主成分分析法求得的權(quán)重。

3實(shí)例應(yīng)用

根據(jù)前文所構(gòu)建的客運(yùn)專線列車開行方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以及所介紹的主成分分析與灰色評(píng)價(jià)模型組合評(píng)價(jià)法，這里選取哈大客運(yùn)專線一年四季的列車開行方案作為研究實(shí)例，樣本評(píng)價(jià)矩陣采用1～10的評(píng)分法，即優(yōu)秀：[7.5,10);良好：[5，7.5)；一般：[2.5，5)；差：[0，2.5)。聘請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行打分，應(yīng)用主成分分析與灰色評(píng)價(jià)模型組合評(píng)價(jià)法理論，利用MATLAB軟件進(jìn)行求解，得到結(jié)果見表1。

表1　綜合評(píng)價(jià)表

根據(jù)綜合評(píng)分值的計(jì)算步驟(6)～(8)，得到如圖2所示的最終計(jì)算結(jié)果。

圖2　綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2　Comprehensive evaluation results

根據(jù)圖2結(jié)果，哈大客運(yùn)專線春季列車開行方案評(píng)價(jià)值較低，為良好水平。主要是春季受春節(jié)及開學(xué)學(xué)生客流的影響，造成鐵路運(yùn)力資源緊張，旅客購票便捷程度、列車開行間隔時(shí)間以及旅客中轉(zhuǎn)換乘時(shí)間都要受到大批旅客流的影響，旅客的主觀因素會(huì)造成對(duì)列車開行方案評(píng)價(jià)值較低。此外，也側(cè)面反映出相關(guān)鐵路運(yùn)營部門對(duì)春節(jié)客流的調(diào)整應(yīng)付能力還不夠，在繁忙季節(jié)鐵路動(dòng)車組的舒適性以及服務(wù)質(zhì)量還有待提高，鐵路相關(guān)部門可以采取縮短列車發(fā)車間隔時(shí)間或者增開臨客來滿足剩余的旅客需求，并且要根據(jù)客流變化采取“按流開車”的原則組織編制列車開行方案。

哈大客運(yùn)專線夏季列車開行方案綜合評(píng)分值為優(yōu)秀，夏季哈大客運(yùn)專線采取300 km/h的最高運(yùn)營時(shí)速，滿足了出行旅客對(duì)列車運(yùn)行速度的需求，緩解了既有線鐵路及高速公路運(yùn)力緊張的局面。夏季客流主要是旅游客流，表現(xiàn)為到大連中轉(zhuǎn)換乘的客流比較多，動(dòng)車組運(yùn)輸能力還有一定的剩余，相關(guān)運(yùn)營部門可以采取延長(zhǎng)列車發(fā)車間隔時(shí)間的措施來避免運(yùn)能浪費(fèi)。車站及列車服務(wù)質(zhì)量能很好地令旅客滿意，同時(shí)能夠滿足不同出行者多樣化的出行需求，旅客對(duì)夏季的列車開行方案評(píng)分值整體上評(píng)價(jià)優(yōu)秀。

哈大客運(yùn)專線列車開行方案整體上秋季比夏季和冬季要低，這一時(shí)期主要受學(xué)生開學(xué)客流及十一黃金周客流變化的影響。限于時(shí)間成本的考慮，上學(xué)及十一黃金周出行客流對(duì)時(shí)間要求很高，為了節(jié)約旅行時(shí)間，旅客會(huì)選擇動(dòng)車組出行，這導(dǎo)致鐵路客流在短期內(nèi)劇增。而鐵路應(yīng)對(duì)這種短期內(nèi)劇增客流的能力還有待加強(qiáng)，相應(yīng)配套服務(wù)水平還有待提高。由于有些旅客沒有購到票，或者在乘車的過程中自身的旅行效益沒有得到有效的滿足，所以在這一季節(jié)，哈大客運(yùn)專線列車開行方案綜合評(píng)價(jià)值略低。

冬季的哈大客運(yùn)專線列車開行方案，評(píng)價(jià)值受到的主要影響因素是由于受嚴(yán)寒氣候及線路條件的制約，列車最高運(yùn)營時(shí)速降為200 km/h，增加了旅客旅行時(shí)間支出，導(dǎo)致部分旅客會(huì)選擇其他種類的列車或者交通運(yùn)輸方式出行，這會(huì)導(dǎo)致鐵路相應(yīng)的客流量下降。鐵路應(yīng)采取增加行車間隔的方法來調(diào)整列車開行方案，因?yàn)閯?dòng)車組在應(yīng)對(duì)極端天氣以及安全性方面具有足夠的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，所以在冬季鐵路部門應(yīng)該藉此努力發(fā)展?jié)撛诘氖袌?chǎng)客流，合理組織運(yùn)營。

整體來說，哈大客運(yùn)專線列車開行方案總體上評(píng)價(jià)良好，但是會(huì)受到季節(jié)和節(jié)假日的影響。主要是節(jié)假日客流的波動(dòng)情況比較大，鐵路相關(guān)運(yùn)營管理部門應(yīng)該充分抓住客流的這種季節(jié)性變化，調(diào)查客流需求，采取“按流開車”的原則組織生產(chǎn)。鐵路可以增開臨客或者縮短列車發(fā)車間隔時(shí)間來滿足不同旅客多層次的出行需求；另外，鐵路運(yùn)營部門要提高自己的服務(wù)水平，開通便捷的旅客購票途徑，提高車站周圍相關(guān)的換乘交通設(shè)施的便捷性。

4結(jié)論

本文采用主成分分析與灰色評(píng)價(jià)模型組合評(píng)價(jià)法對(duì)哈大客運(yùn)專線列車開行方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)，不僅消除了在使用主成分分析法時(shí)部分定性指標(biāo)難以定量化的問題，增加了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性，同時(shí)用主成分分析法確定綜合權(quán)重作為灰色評(píng)價(jià)模型的初始權(quán)重，減少了灰色評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)的灰色性，表明該評(píng)價(jià)方法適用于客運(yùn)專線列車開行方案評(píng)價(jià)研究。但是，該方法針對(duì)綜合權(quán)重的確定還是依賴于專家打分，這將造成評(píng)價(jià)結(jié)果的主觀性因素較大，如何提高組合評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)的客觀性，以及如何繼續(xù)構(gòu)建完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將是下一步研究的主要內(nèi)容。

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【交通運(yùn)輸】

Evaluation of operation scheme for passenger dedicated line train

GAO Wei-dong，JIA Yuan-hua，ZHANG Liang-liang，JI Ya-peng

(School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract∶Evaluation of operation scheme for passenger dedicated line is the guarantee for railway operation revenue, and also the basis for train operation scheme optimization.We comprehensively construct it from operators and passengers and four dimensions (economy, technology, safety and service) based on its analysis.We further employ a principal component analysis and grey evaluation hybrid model to totally evaluate train operation scheme.We verify the correctness of the evaluation index system and its feasibility with practical cases.The evaluation index system and results will practically guide railway transportation.

Key words∶passenger dedicated line; operation scheme of passenger train; principal component analysis; grey evaluation method

中圖分類號(hào)：U292.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026(2015)04-0052-06

作者簡(jiǎn)介：高衛(wèi)東(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理。Email:14120824@bjtu.edu.cn

收稿日期：2015-04-13

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.010 10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.011