基于随机运营时间的公交车辆调度研究

摘要

在公共交通领域，车辆（包括公共汽车、电车、快速公交车、轻轨、地铁和火车等）调度问题是指将时刻表中给定的单程运营任务分配给一组车辆执行，要求用最少的车辆数和最低的运营成本完成所有给定的运营任务。时刻表中的单程任务代表了公交服务企业计划向公众提供的服务：单程任务的发车间隔依据乘客的需求而确定；单程任务的运营时间则必须符合实际运营中车辆在线路上的行驶时间。在传统的车辆调度问题中，单程任务的运营时间被假设为固定值（称为计划单程时间），然而在车辆调度方案执行的过程中，受到运营环境中复杂因素的影响，单程任务的真实运营时间存在随机性，进而导致车辆调度方案难以准确执行。在保证合理成本的前提下，提高车辆方案的执行率，能够帮助公交有序运营，更重要的是，通过提升服务的可靠性可以帮助改善公交的服务质量，吸引乘客选择公交作为出行方式。
　　计划单程时间是影响车辆调度方案成本和准点率的重要参数，参数的设置工作繁杂，且难以平衡方案成本与准点率。本文将公交服务可靠性研究中对车辆自动定位（AVL）数据的分析方法，与车辆调度问题相结合，提出基于随机运营时间的车辆调度问题。通过对现有车辆调度模式和模型的改进，在车辆调度阶段提前考虑运营过程中将会出现的随机运营时间，以期更好地平衡方案成本和运营时的准点率，同时降低调度计划编制人员设置计划单程时间参数的工作量。本研究包含以下三个主要部分：
　　（1）分析我国公交规划调度中存在的问题，为提高车辆调度方案的准点率，提出基于AVL数据的车辆调度框架。设计AVL数据处理方法和计划单程时间参数的方法。最后基于海口4路公交和十堰4路公交的真实AVL数据，验证方法的有效性。
　　（2）为编制成本最优且能尽量满足期望准点率的车辆方案，提出带有可变运营时间的单程，其运营时间表示为一个可变运营时间区间，并可根据AVL数据自动进行设定。此外，每个单程任务对应一个期望单程时间，可以依据服务政策或服务标准中制定的期望准点率进行设置。随后建立基于可变运营时间的车辆调度模型，模型目标是最小化总成本，同时尽量达到期望准点率。通过基于真实数据的实验发现，与采用传统的车辆调度相比，该方法不仅能够在不增加车辆数的基础上提高方案的准点率，同时也能在一定程度上降低调度计划编制人员设置调度参数的工作量和难度。
　　（3）研究基于随机运营时间的车辆调度问题。将每一个单程任务的运营时间视为一个服从给定概率分布的随机变量，其概率分布函数从AVL数据中提取。为更准确地描述该问题，提出改进的车辆调度网络流模型。在此基础上，定义单程间的兼容概率，并重新定义单程连接弧的存在性和成本。此外，通过对弧的无效连接时间进行惩罚，提高车辆方案的准点率。最终建立基于随机运营时间的车辆调度模型，并通过考虑晚点传递对模型进行改进。通过基于真实案例的实验，检验了模型和方法的有效性，发现使用基于随机运营时间的车辆调度模型，可以在不增加车辆数的前提下，明显提高车辆方案的准点率。通过考虑晚点传递，可以进一步提高方案的准点率，并且方案的车辆数不会受到影响，仅小幅提高运营成本。此外，基于随机运营时间的车辆调度模型使用从AVL数据中提取的单程时间概率分布作为输入，因而调度人员设置参数的工作得以进一步减轻。

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1 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景与研究问题

1.3 国内外研究综述

1.4 存在的问题、难点以及研究思路

1.5 论文组织结构

2 基于AVL数据分析的公交车辆调度

2.1 引言

2.2 对国内公交规划调度中存在问题的分析

2.3 基于AVL数据的车辆调度框架设计

2.4 基于AVL数据的计划单程时间设置方法

2.5 实施与案例分析

2.6 小结

3 基于可变运营时间和期望准点率的车辆调度

3.1 引言

3.2 基于固定运营时间的车辆调度问题

3.3 基于可变运营时间的车辆调度问题

3.4 实验结果与分析

3.5 小结

4 车辆运营时间概率分布建模方法

4.1 引言

4.2 文献综述

4.3 运营时间的波动与分析

4.4 利用分布拟合方法建立运营时间模型

4.5 小结

5 基于随机运营时间的车辆调度

5.1 引言

5.2 基于随机运营时间的车辆调度模型

5.3 考虑晚点传递的随机车辆调度模型改进

5.4 求解随机车辆调度问题的启发式方法

5.5 小结

6 基于随机运营时间的车辆调度的实验

6.1 引言

6.2 基于传统确定性车辆调度模型的实验

6.3 基于随机运营时间车辆调度模型的实验

6.4 对启发式求解方法的有效性测试

6.5 基于带晚点传递的改进模型的实验

6.6 基于不同单程时间分布概率模型的实验

6.7 小结

7 研究总结与展望

7.1 本文研究和创新点总结

7.2 未来的研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表学术论文

附录2 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系

附录3 攻读博士学位期间参与的科研项目