城市轨道交通接运公交线网规划与运营方案优化方法研究

摘要

公共交通系统是解决城市交通拥堵和降低环境污染的重要手段，发展换乘便捷、到发准时、服务全面、环境友好的公共交通一体化系统是推进城市交通运营组织现代化发展的重要内容。然而，从公共交通现实发展历程来看，基于大运量的城市轨道交通为骨干、小运量的地面公交为补充的城市公共交通规划策略，虽解决了一部分城市交通问题，但总体而言，公交车辆延误、候车时间较长、客流上车困难、运行效率低下、车内过度拥挤等公共交通服务水平不足的现象时有发生，尚未从根本上缓解客流高峰时交通服务单位各自为政、换乘同步协调效率低下、污染物排放量较大、车型单一、车辆资源浪费等公共交通运营管理方面的关键性问题。综合原因，目前我国的公共交通系统中多种交通方式依然整合不足、甚至孤立运行，无论在运营管理的实践上还是理论指导方面都与先进的公共交通系统存在较大差距。解决上述问题将为新建、整合和优化公共交通设施提供技术指导和评价手段，是实现乘客与交通和谐发展的重要途径。本论文对国内外研究现状和成果进行总结，分析公共交通规划与运营管理理论框架及具有代表性的研究方法，阐述既有研究中的薄弱环节，确定本论文围绕城市轨道交通接运公交线网规划与运营方案优化的理论方向和研究内容。主要研究工作如下:
　　(1)分析出行者路径选择行为和客流分布状况，构建考虑多交通方式下弹性需求的接运公交线网规划的双层规划模型。在上层规划中，提出以系统内出行成本、公交企业运营成本和私家车出行者数量最小为目标的混合整数规划模型，基于候选线路集合的方法，引入0-1变量以优化接运公交线路的组合方案，生成接运公交线网，同时以车队规模为约束优化线路发车频率和配置车型方案;在下层规划中，考虑不同交通方式对接运公交客流的弹性影响，采用Logit模型进行客流分配，并返回上层模型得目标函数值。基于模型特点，设计双层遗传算法进行求解，基于案例验证模型和算法的可行性，通过敏感性分析理清车辆结构和线路规模对线网规划和运营方案的影响机理。
　　(2)基于对既有接运公交线网运营污染状况的认识，为实现政府节能减排的规划目标，提出车辆配置和发车频率同步优化方法。在分析乘客出行行为、整合企业运营成本支出和量化污染气体排放量的基础上，综合考虑线路特征和客流分布特点，以公交乘客的出行成本、公交企业的运营成本和政府的碳排成本最小为目标，在既定车队规模的约束下，优化调整车辆配置和发车频率。以北京市某接运公交线网的运营实际为例，证明所提模型和算法具有较好的优化效果和较高的运算效率。研究结果表明:优化后的接运公交线网在保障公交服务水平的同时，可减少车队配置车辆数，降低接运公交线网总污染物排放量，利于实现公共交通绿色环保的运营效果。
　　(3)在公交企业面临车辆结构调整，购置新能源和清洁能源车辆的实际需求背景下，提出购车计划与时刻表同步优化的方法。考虑不同车型的车容量、能耗、碳排放量等运营特征的差异性，以购置预算、客流需求和车容量等为约束，以乘客出行成本、企业运营成本和政府碳排成本最小为目标，提出混和车型模式下的购车计划和时刻表优化模型。首先，以企业的购置预算为约束优化不同车型的购置数量;其次，基于有限的车辆资源，分别采用枚举法和改进遗传算法生成均匀发车间隔时刻表和非均匀发车间隔时刻表2种方案，上述方案涵盖各班次车辆的首站发车时刻和车辆配置计划;最后，以北京市某快速直达专线为案例验证模型算法的实用性，综合对比单一车型模式下的均匀发车间隔时刻表方案、混和车型模式下的均匀发车间隔时刻表方案、单一车型模式下的非均匀发车间隔时刻表方案和混和车型模式下的非均匀发车间隔时刻表方案的运营效果，分析结果发现，混和车型模式下的购车计划和时刻表优化方案可更好地满足公交客流时变需求，利于实现企业效益和政府节能减排的均衡目标，为北京市公交企业车辆结构的调整提供科学依据。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 研究内容和论文结构

2 国内外研究综述

2．1 公交线网规划研究

2．1．1 城市轨道交通线网规划研究

2．1．2 常规公交线网规划研究

2．1．3 接运公交线网规划研究

2．1．4 其他接驳方式的线路设计问题

2．2 运营方案优化研究

2．2．1 城市轨道交通运营方案优化研究

2．2．2 常规公交运营方案优化研究

2．2．3 接运公交运营方案优化研究

2．2．4 其他接驳方式运营方案优化研究

2．3 现状研究存在问题总结

2．4 本章小结

3 考虑多交通方式下弹性需求的接运公交线网规划建模

3．1 接运公交系统分析

3．1．1 接运公交系统的组成

3．1．2 接运公交线网的评价指标

3．1．3 接运公交系统的车型结构

3．2 接运公交线网规划模型

3．2．1 问题描述

3．2．2 模型假设

3．2．3 符号定义

3．2．4 构建模型

3．3 求解算法

3．3．1 接运公交候选线路集合生成

3．3．2 双层遗传算法的关键参数

3．3．3 双层遗传算法的流程

3．4 案例分析

3．4．1 模型参数

3．4．2 优化结果与分析

3．5 本章小结

4 考虑碳排放的接运公交车辆配置和发车频率优化

4．1 问题描述与分析

4．2 模型的构建

4．2．1 模型假设

4．2．2 符号定义

4．2．3 目标函数和约束条件

4．3 求解算法

4．3．1 算法设计

4．3．2 具体步骤

4．4 案例分析

4．4．1 实证调研和参数标定

4．4．2 优化结果与分析

4．5 本章小结

5 混和车型模式下的购车计划和时刻表优化

5．1 问题描述

5．2 模型的构建

5．2．1 模型假设

5．2．2 符号定义

5．2．3 模型目标和约束

5．3 求解算法

5．3．1 枚举法生成均匀发车间隔时刻表

5．3．2 基于改进遗传算法生成非均匀发车间隔时刻表

5．4 案例分析

5．4．1 输入条件

5．4．2 优化结果

5．4．3 敏感性分析

5．5 本章小结

6．1．1 主要结论

6．1．2 创新点

6．2 研究展望

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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