基于站点协调的公交车辆智能化调度方法

摘要

传统公交车辆调度中，通常先制定公交行车计划，然后进行现场调度。公交行车计划更新周期长，通常一个季度或半年更新一次。这种更新速度不能满足实时客流变化的需要，也导致了日常行车组织工作必须通过大量的人工现场调度来完成。而现场调度由于缺少实时的数据反馈和高效的分析方法，难以实时更新行车计划，只能依赖调度员的素质和经验，调度的科学依据不足。传统调度方法通常采用首末站发车时刻表，缺少对中间站点的考虑，难以控制车辆在中间站点的运行状态；且只能实现多线路的首末站协调，难以实现多线路换乘和多站点的区域协调。而且由于行车计划更新周期长，这种首末站的协调往往也不能实现。
　　 公交站点是城市公交线路的节点，很多也是公交线网的结点。公交车辆在站点处的运行效率直接影响到整条线路甚至多条线路的运营效率，因此应尽量避免公交站点处的交通拥堵。然而在很多城市都可以看到，高峰时段，部分公交站点处公交车辆排长队进站，大量乘客在站台和道路上来回跑动，公交车辆进出站运行延误大大增加；而且也影响相邻道路交通的正常运行，公交站点附近俨然成了道路交通的瓶颈。
　　 论文正是考虑到传统公交车辆调度方法的不足、考虑到站点对公交车辆中途运行的影响，考虑公交站点在区域协调中的作用，以行车计划实时更新机制和站点通行能力的研究为基础，开展基于站点协调的公交车辆智能化调度方法的研究。
　　 论文从公交车辆智能化调度策略的研究着手，在总结现有公交行车计划编制优缺点的基础上，提出“区域点控”的宏观调度策略和“分线路、分方向、分时段、分目标”的微观调度策略。在区域范围内，以关键公交站点为协调控制点，进行多条线路的区域优化；对不同的线路，同一线路不同的方向，同一方向不同的时段，采用不同的微观调度目标，优化公交线路运营的特征参数。
　　 论文综合分析了公交行车计划编制过程中各个环节的数据需求，设计了各类数据的数据结构并开展了数据流向分析，为公交行车计划编制优化模型的计算机实现提供支撑。考虑到公交车辆智能化调度对数据时效性的要求，论文研究了基础数据的实时更新机制，提出一种基于周期的实时数据更新方法和实时行车计划更新方法，有一定的可操作性。
　　 客流时段特性是调度策略中最微观的因素，所有调度方案都应以时段为单位，因此论文开展了公交客流时段划分方法的研究。通过推导二维有序样品聚类的递推计算公式，建立了以断面客流量的时空分布特性为基础的二维有序样品聚类的时段划分方法，实例计算表明二维方法较一维方法的收敛速度明显加快，大大提高了公交客流时段划分的精度和合理性。
　　 考虑到站点在公交系统运行中的重要性，论文开展了公交站点通行能力的分析研究。首先参照道路通行能力的分类方法，定义三种不同的站点通行能力；然后从高峰时段，站点处公交车辆的运行特性分析着手，构建站点可能通行能力的计算方法；考察站点公交车辆服务水平的评价指标，并对站点公交车辆的服务水平进行分级；最后选用生灭系统拟合站点运行系统，从而建立高峰时段一定公交车辆服务水平下的站点服务通行能力的计算方法。从计算结果来看，站点服务通行能力比传统通行能力计算方法的计算结果更接近高峰时段站点的运行状态，更能反映高峰时段站点的真实服务能力。论文还根据站点处公交车辆运行与上下游交叉口交通信控的关系，建立了间断流条件下，上游信控方式与站点服务通行能力的关系，从而为实际站点的规划建设提供参考依据。
　　 在完成了调度策略和站点服务通行能力研究的基础上，论文深入分析了关于发车频率或发车间隔研究成果，建立了基于站点协调的公交平均发车间隔区域优化模型。模型以关键站点为优化位置，综合考虑公交企业利益与乘客利益，建立二者的组合目标函数。并以平均满载率作为组合目标的组合系数，不同的时段采用不同的组合系数，充分体现“分时段”调度策略，从而实现优化目标的动态化。考虑到线路间的相互协调，模型以站点服务通行能力和车内服务质量作为约束条件。在“区域点控”策略的指导下，将公交发车间隔优化模型区域化，从宏观上控制站点公交车辆的平均到达率，保证站点处交通秩序的稳定运行。
　　 公交线路平均发车间隔确定后，公交车辆调度即进入公交时刻表的编制环节。论文分析了现有时刻表编制方法的缺陷和不足，以站点作为协调位置，将“同步到站最大”的优化思想进行扩展，提出了基于“同时到站次数最多”和“同时到站车辆数最多”的双目标时刻表区域优化模型。现有方法对时段特性考虑不足，时刻表编制中容易产生大间隔现象，论文采用“末车定时”和车内服务质量的约束条件大大提高了时刻表在时段间的协调；同时，论文仍然以公交站点服务通行能力作为约束，在离散化条件下，限制同步到站公交车辆的数量，避免车辆的短时到达率超过站点的泊位数造成公交车辆排队的情况。考虑模型的复杂性，论文建立了基于两重规则下的启发式算法。通过单时段、两条线路、两个站点的计算实例与现有方法进行了比较分析，同时展示了多时段、多线路、多站点同步公交时刻表的实例计算过程，有效地验证了模型的合理性。
　　 由于时刻表分方向编制，因此线路公交时刻表确定后，需要对时刻表中的车次进行配班优化，以保证车辆运行效率的最大化，即进入车次配班的过程。论文分析了传统车次配班方法的过程，通过推导线路配车数的计算公式论证了休整时间最小化作为车次配班优化目标的合理性。在此基础上，论文采用两种方法--“全班优先”和休整时间最小化方法进行实例计算，详细介绍了休整时间最小化车次配班方法的配班过程，并对计算结果进行比较分析，验证了休整时间最小化车次配班方法的合理性。

目录

文摘

英文文摘

前言

图目录

表目录

主要变量与符号注释表

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 传统公交车辆调度方法

1.2.1 传统公交运营调度流程

1.2.2 传统公交行车计划编制方法

1.2.3 传统现场调度方法

1.2.4 传统公交车辆调度存在的问题

1.3 论文选题的依据

1.4 国内外研究及应用概况

1.4.1 国外概况

1.4.2 国内概况

1.4.3 当前理论和应用研究的不足

1.5 研究目标与主要研究内容

1.5.1 研究目标

1.5.2 研究内容

1.6 研究思路及难点分析

1.6.1 研究思路

1.6.2 难点分析

1.7 本章小结

第2章 公交车辆智能化调度策略与数据更新机制

2.1 公交车辆智能化调度目标及调度策略

2.1.1 公交车辆智能化调度目标

2.1.2 公交车辆智能化调度策略

2.2 公交行车计划智能优化的数据需求分析

2.2.1 数据需求分类

2.2.2 数据结构设计

2.2.3 数据获取方法

2.3 公交行车计划智能优化的数据预处理分析

2.3.1 调度模型的数据需求分析

2.3.2 数据流向分析

2.4 公交行车计划智能优化的数据更新机制

2.4.1 客流标准信息周期更新机制

2.4.2 客流标准信息实时更新机制

2.4.3 车辆运行信息更新机制

2.5 公交行车计划的实时更新机制

2.6 本章小结

第3章 公交运行时段划分技术及方法

3.1 时段划分技术概述

3.1.1 时段划分方法和技术

3.1.2 客流分布曲线

3.2 有序样品聚类的时段划分方法

3.2.1 一维有序样品聚类

3.2.2 二维有序样品聚类

3.2.3 基于最大断面客流量的一维聚类时段划分方法

3.2.4 基于断面客流量的二维聚类时段划分方法

3.3 本章小结

第4章 常规公交站点通行能力分析

4.1 常规公交站点通行能力概述

4.1.1 公交站点通行能力的研究意义

4.1.2 公交站点通行能力分类

4.1.3 公交站点通行能力研究现状

4.1.4 公交站点服务通行能力的研究思路

4.2 高峰时段站点可能通行能力计算方法

4.2.1 影响因素

4.2.2 站点可能通行能力分析

4.2.3 站点可能通行能力的计算方法

4.2.4 计算分析

4.3 公交站点公交车辆服务水平分析

4.3.1 公交站点公交车辆服务水平研究现状

4.3.2 公交站点公交车辆服务水平分级

4.4 高峰时段公交站点服务通行能力计算方法

4.4.1 生灭过程基本原理

4.4.2 站点服务通行能力公式构造

4.4.3 计算分析

4.4.4 实例分析

4.5 线路发车频率与上游交叉口信控参数的关系

4.5.1 间断公交车流特性分析

4.5.2 基于有限总体的公交站点生灭系统

4.5.3 线路发车频率与上游交叉口信控参数的关系方程

4.5.4 实例分析

4.6 本章小结

第5章 基于站点协调的公交平均发车间隔区域优化方法

5.1 公交发车间隔优化概述

5.1.1 公交发车间隔与公交车辆调度的关系

5.1.2 现状研究总结

5.2 基于站点协调的平均发车间隔模型分析

5.2.1 平均发车间隔优化模型的目标函数选择

5.2.2 时段调度策略及目标函数的构建

5.2.3 平均发车间隔的上、下限

5.2.4 站点服务通行能力对发车间隔影响

5.3 基于站点协调的平均发车间隔模型的构建及实例分析

5.3.1 基于站点协调的平均发车间隔模型构建

5.3.2 基于站点协调的平均发车间隔优化模型的求解算法

5.3.3 基于站点协调的平均发车间隔优化模型的实例分析

5.4 本章小结

第6章 基于站点协调的公交时刻表区域优化方法

6.1 公交时刻表优化概述

6.1.1 传统公交时刻表生成的一般过程

6.1.2 传统公交时刻表生成方法的不足

6.1.3 公交时刻表区域优化思路

6.2 基于站点协调的公交时刻表区域优化模型

6.2.1 公交时刻表优化区域优化模型选择

6.2.2 公交时刻表区域优化目标函数分析

6.2.3 公交时刻表区域优化模型的约束条件

6.3 基于站点协调的公交时刻表区域优化模型及算法设计

6.3.1 公交时刻表区域优化模型

6.3.2 公交时刻表区域优化模型算法设计

6.4 实例分析

6.4.1 单时段公交时刻表计算实例

6.4.2 多线路多时段同步公交时刻表计算实例

6.5 本章小结

第7章 公交线路车次配班优化方法

7.1 车次配班方法概述

7.1.1 车次配班的概念

7.1.2 传统方法的基本原理

7.1.3 车次配班方法分类

7.2 上下行不同步车次配班方法

7.2.1 车次配班优化目标

7.2.2 车次配班要求

7.2.3 车次配班方法

7.3 本章小结

第8章 总结

8.1 论文工作总结

8.2 论文创新点

8.3 研究展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表论文与科研情况