現(xiàn)代有軌電車與地面公交運行協(xié)調(diào)技術(shù)研究

張夢軒，劉珊珊，龍振，李怡，徐姝祺江蘇省南京市東南大學(xué)交通學(xué)院

現(xiàn)代有軌電車與地面公交運行協(xié)調(diào)技術(shù)研究

張夢軒，劉珊珊，龍振，李怡，徐姝祺
江蘇省南京市東南大學(xué)交通學(xué)院

大力發(fā)展公共交通一直是我國建設(shè)的重點。近年來，部分城市選擇建設(shè)現(xiàn)代有軌電車以緩解交通壓力。由于其正處于或即將處于運營初期階段，與常規(guī)公交協(xié)調(diào)等方面存在諸多問題。本文結(jié)合國內(nèi)外公共交通運營協(xié)調(diào)研究成果，建立基于成本優(yōu)化的運行計劃協(xié)調(diào)模型，以成本最小為優(yōu)化目標(biāo)求解，得到理想的發(fā)車時刻表。考慮實際情況中公交車的行程時間和站臺等待人數(shù)是變化的，進(jìn)一步預(yù)測公交車行程時間和站臺等待乘客數(shù)進(jìn)行，對時刻表再行優(yōu)化。

運行協(xié)調(diào)；時刻表；成本優(yōu)化；換乘

1.研究背景及意義

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市居民出行距離的不斷增加，公共交通是城市居民的主要出行方式，如何提高其服務(wù)水平，以吸引更多乘客，是當(dāng)前城市公共交通發(fā)展需要解決的重要問題?，F(xiàn)代有軌電車在我國大部分城市還屬于新建項目，其運行協(xié)調(diào)方面的研究仍處于起步階段，需要進(jìn)一步研究和完善。本文主要針對我國公共交通的特點，開展了對現(xiàn)代有軌電車與常規(guī)公交運行協(xié)調(diào)優(yōu)化的研究，通過對公交車發(fā)車時刻表進(jìn)行優(yōu)化，減少系統(tǒng)運用的總成本和乘客的換乘時間，進(jìn)一步提高公共交通一體化。

2.優(yōu)化設(shè)計方案

基于現(xiàn)代有軌電車和地面公交的技術(shù)特性，綜合考慮公共交通系統(tǒng)運行成本和乘客成本，以線路配車數(shù)為約束條件，分別建立非運行協(xié)調(diào)和運行協(xié)調(diào)情況下的模型。以總成本最小為優(yōu)化目標(biāo)對模型求解從而制定地面公交發(fā)車時刻表。

現(xiàn)代有軌電車與常規(guī)公交系統(tǒng)的總成本函數(shù)為：CT=αCO+βCU，α+β=1

CT--現(xiàn)代有軌電車與常規(guī)公交系統(tǒng)總成本(元)；

CO--現(xiàn)代有軌電車與常規(guī)公交系統(tǒng)的運行成本(元)；

CU--現(xiàn)代有軌電車與常規(guī)公交系統(tǒng)的乘客出行成本(元)；

（1）現(xiàn)代有軌電車車輛的運行成本

根據(jù)公共交通車輛在運行過程中的時間價值來計算損耗成本，可得到現(xiàn)代有軌電車車輛的運行成本為：COS=Ts×Ss×μos×ns

有軌電車占用道路資源，在運行時與城市道路上其它交通方式也存在一定的沖突和干擾，但由于大多數(shù)干擾對其不會造成太大影響，可認(rèn)為行駛時間只受交叉口受信號燈和停站時間的影響。即： Ts=t1+t2+dωs+dsda+dw+dsw

Hr--現(xiàn)代有軌電車線路車輛的發(fā)車間隔(分)。

Ns--現(xiàn)代有軌電車線路的客流需求配車數(shù)(輛)；

NS--現(xiàn)代有軌電車線路在現(xiàn)實中的車輛配置數(shù)(輛)。

（2）常規(guī)公交的運行成本

常規(guī)公交各條線路的全程運行損耗時間包括常規(guī)公交車輛的雙向行駛時間、站點松弛時間、站點停留時間以及首末站停留時間等。

Hbi--常規(guī)公交線路i的發(fā)車間隔(分)。

Nbi--常規(guī)公交線路i的客流需求配車數(shù)(輛)；

NBI--常規(guī)公交線路i在現(xiàn)實中的車輛配置數(shù)(輛)。

（3）乘客出行成本函數(shù)

乘客的出行時間可以細(xì)分為四個組成部分：步行時間、在車站的候車時間、上車后在車時間以及換乘時間。CU=Cα+CW+CI+Ct

乘客換乘成本是乘客出行成本的重要組成部分，也是協(xié)調(diào)優(yōu)化的主要內(nèi)容。現(xiàn)代有軌電車與常規(guī)公交的換乘候車時間受公共交通運營組織方式的影響，需要根據(jù)是否實行協(xié)調(diào)控制的情況分別表示。

在實際運營中，公交車輛運行并不一定能夠嚴(yán)格遵循時刻表，乘客的換乘需求也是變化的。對未來的客流、延誤、行程時間、到站時間進(jìn)行合理的預(yù)測，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)車時刻表。首先基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的公交車行程時間和等待乘客預(yù)測模型。（1）等待乘客預(yù)測模型：基于實測的數(shù)據(jù)，對未來乘客的變化情況做出預(yù)測，并調(diào)整運行協(xié)調(diào)模型所得的時刻表，以達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)的目的。（2）常規(guī)公交車輛行程預(yù)測模型：對公交車的行駛情況進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)不同情況下公交車的行程時間進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)車時刻表。

本文基于MATLAB進(jìn)行編程和相關(guān)開發(fā)，主要利用Neural Network Toolbox（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱）進(jìn)行編寫，結(jié)合上述模型研究基礎(chǔ)。

3.實例分析

選取新民村站對蘇州現(xiàn)代有軌電車與公交333路進(jìn)行分析。以6:00～21：00為研究時段。工作日：早高峰、晚高峰、平峰；節(jié)假日全天。輸入?yún)?shù)分為公共交通網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)、換乘客流需求數(shù)據(jù)、其他模型輸入?yún)?shù)三類。通過對模型求解，分別輸出工作日和節(jié)假日理想發(fā)車時刻表、最小總成本和與之對應(yīng)的換乘總時間。使用協(xié)調(diào)運行模型后，系統(tǒng)的總成本明顯減少，乘客的換乘總時間也明顯縮短。工作日總成本減少37.6%；節(jié)假日總成本減少39.4%。工作日換乘時間減少40.8%，節(jié)假日換乘時間減少41.7%；說明基于成本優(yōu)化的運行協(xié)調(diào)模型優(yōu)化有效。采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算的運行協(xié)調(diào)模型后，發(fā)車班次有所減少，系統(tǒng)總成本比調(diào)整前減少11.67%。早高峰前、晚高峰后對時刻表的調(diào)整更及時。在客流較少、路況更順暢的情況下合理延長發(fā)車間隔，使得發(fā)車班次減少5輛。在不擴(kuò)大乘客換乘成本的基礎(chǔ)上也避免公共資源的浪費。