多目標(biāo)快速公交多車型優(yōu)化調(diào)度研究

鄭營

（中國交通信息中心有限公司，北京 100088）

當(dāng)下經(jīng)濟快速發(fā)展的同時也帶動著我國快速公交實現(xiàn)了迅速發(fā)展。但從當(dāng)下快速公交發(fā)展現(xiàn)狀來看，很多快速公交運營部門仍采用傳統(tǒng)的調(diào)度方法進行快速公交的運營調(diào)度，從而導(dǎo)致各種問題發(fā)生，例如快速公交車功能作用難以充分發(fā)揮，出現(xiàn)忙閑不均問題，導(dǎo)致乘客在高峰期很難及時乘車，車內(nèi)過于擁擠，對于乘客乘車舒適度造成了不利影響等，因此有必要通過對快速公交進行多目標(biāo)、多車型的優(yōu)化調(diào)度，優(yōu)化車輛滿載程度與發(fā)車頻率，靈活進行車型組合，使得快速公交車優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。

1 公交調(diào)度問題研究結(jié)果分析

公交調(diào)度問題在學(xué)術(shù)界中一直被廣泛關(guān)注，同時也是運營者在進行公交調(diào)度中面對的主要問題。對于運營者來說，總是希望公交發(fā)車間隔盡量大一些，這樣一來可以有效減少公交整體運營成本，提高運營效益。而對于乘客來講，則希望公交提供的服務(wù)更加快捷，以減少等車時間、換乘次數(shù)帶來的時間成本與費用成本，要想達到這一目標(biāo)要盡可能減小公交發(fā)車間隔?；趦烧咧g存在的矛盾問題，就需要對公交調(diào)度加以優(yōu)化，使得公交車運營成本與乘客費用成本之和達到最小，從而獲得最大的社會效益，使得經(jīng)營者與乘客之間實現(xiàn)“雙贏”。

牛學(xué)勤、陳維亞、姚寶珍等在發(fā)車頻率方面進行了相應(yīng)研究，其以乘客與公交公司（經(jīng)營者）兩方面為切入點，從乘客滿載率水平、乘客候車期望、運營總費用的角度對公交車服務(wù)頻率優(yōu)化問題進行了研究分析。于濱、黃正風(fēng)等通過借助雙層規(guī)劃模型對發(fā)車頻率問題的優(yōu)化進行了相應(yīng)研究分析。葉青等從乘客出行的成本與快速公交車的實際運營成本作為優(yōu)化目標(biāo)，對車輛數(shù)約束發(fā)車時間約束加以考慮分析，建立了快速公交發(fā)車間隔的優(yōu)化模型。張小慧從乘客等車時間成本與公交公司收益兩方面入手，對最大最小發(fā)車間隔、兩相鄰的發(fā)車間隔與滿載率約束加以考慮分析，制定了快速公交發(fā)車頻率優(yōu)化模型。王紅霖等利用排隊理論對公交調(diào)度問題進行了相應(yīng)的研究，并從乘客滿意度的角度去考慮，通過建立兼顧經(jīng)營者與乘客雙方利益的目標(biāo)函數(shù)，制定了公交線路發(fā)車頻率求解模型。孫傳皎等以快速公交乘客出行時間與快速公交車輛出行時間為研究基準(zhǔn)，建立了最小化快速公交車發(fā)車間隔的模型。

通過上述相關(guān)研究來看，在研究公交車發(fā)車頻率時，主要以公交公司與乘客兩方為切入點進行研究。但從上述研究結(jié)果來看，其在公交車型方面很多都只對一種車型加以考慮，但從當(dāng)下部分城市快速公交系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀來看，其在車型方面都有兩種以上的車型，并且對于不同的城市來說，車型種類也都不一樣，因此文章從快速公交容量、多種快速公交車型、服務(wù)能力等角度考慮，對多目標(biāo)快速公交多車型優(yōu)化進行了相應(yīng)研究。

2 建立多目標(biāo)快速公交多車型優(yōu)化模型

通過上文敘述已知乘客與經(jīng)營者之間的問題矛盾，因此為有效提升快速公交的社會效益，需要對快速公交發(fā)車頻率加以優(yōu)化調(diào)整，具體優(yōu)化時需要對車輛滿載程度即公交運營成本進行綜合考慮，除此之外，還要結(jié)合快速公交不同的車型以及不同車型自身能夠承載多少乘客加以考慮分析，以某地快速公交系統(tǒng)為例，該地快速公交系統(tǒng)有兩種車型，一種為12m，一種為18m，當(dāng)處于高峰時段時，發(fā)車間隔在1～1.5min范圍內(nèi)，由于缺乏對車型與發(fā)車頻率的優(yōu)化調(diào)度，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生很多快速公交排隊等候進站的問題，基于此，需要對該公交系統(tǒng)車型與發(fā)車頻率進行優(yōu)化調(diào)度，以解決上述問題。

2.1 模型符號及變量說明

N→上下行站點數(shù)量的總和；

Nv→v 站站臺最高的容客數(shù)量；

M→模擬期間的發(fā)車數(shù)量；

Qb→快速公交車b 的載客能力，其中b∈B；

Cb→快速公交車往返一次所需的運營成本；

2.2 分析快速公交車運行狀況

分析停站時間。停站時間主要由三部分組成，分別為開門時間、乘客上下時間及關(guān)門時間。對于快速公交站系統(tǒng)來說，售票、檢票方式在車站外進行，對于乘客來講，也可以在所有的車門處同時上下車，上述這些特點與城市軌道交通列車乘站特點相同。因此在算法方面可以借助城市軌道交通列車停站計算方法，具體公式如下：

在（1）式中，t1用來表示每位乘客的上下車時間，n表示快速公交車車門的數(shù)量，快速公交車進出站及開關(guān)門的時間用t2表示。

在文獻中作者統(tǒng)計了常州快速公交中途?？空军c乘客上下車速度，得到平均值為0.72s/人。通常情況下，對于快速公交車來說，其進出站及開關(guān)門的時間為10s，但從快速公交車車型進行考慮，如果車輛（長度）較大，那么相應(yīng)的進出站時間也會增加，因此可以按照以下公式對快速公交車開關(guān)門時間t2與平均進出站時間進行計算。其中車輛b 的長度可以用lb表示。相應(yīng)公式如下：

分析快速公交車到站時間?？焖俟卉嚨秸緯r間為快速公交車到上一站時間及相應(yīng)?？繒r間、上一站至本站行車時間及乘客排隊等待時間之和。用以下公式表示：

分析快速公交車上下車人數(shù)。當(dāng)公交車b在車站v時，其下車人數(shù)為該站下車率與公交車上乘客數(shù)的乘積，用以下公式表示：

乘客在車站v的上車人數(shù)為快速公交車剩余容量與該站本時間段需要上車人數(shù)的較小值。該站本時間段需要上車人數(shù)可用本時間段內(nèi)陸續(xù)到達的乘客數(shù)與未能上前一輛公交車的乘客數(shù)之和表示，那么在車站v的上車人數(shù)可以用下列公式表示：

分析快速公交車站沒有上車的人數(shù)?？焖俟卉囌緵]有上車的人數(shù)為該站本段時間內(nèi)需要上車人數(shù)與實際上車人數(shù)之差。用以下公式表示：

分析快速公交車上人數(shù)。快速公交車上人數(shù)為上一站上車的人數(shù)與下車人數(shù)之差再加上上一站人數(shù)，用以下公式表示：

分析快速公交車站臺聚集人數(shù)。站臺上聚集的人數(shù)由以下三部分組成，分別為該時間段內(nèi)到達的乘客人數(shù)、未能上車的人數(shù)與該站臺下車人數(shù)，用以下公式表示：

2.3 分析目標(biāo)函數(shù)

對快速公交車滿載程度加以衡量。乘客的乘車舒適度與快速公交車滿載程度之間關(guān)系密切，快速公交車滿載程度越高，相應(yīng)的乘客舒適度越低，因此南京市城市公交行業(yè)管理規(guī)范中就對營運車輛滿載率進行了規(guī)定，為保證乘客乘車具備一定的舒適度，全日線路營運車輛平均滿載率在80%以下。文獻對營運車輛滿載率進行了等級劃分，并將其劃分為5個等級，當(dāng)車輛滿載率到達80%時，此時對于站立的乘客來說，其人均有效面積為0.25m2，這一數(shù)值已經(jīng)是乘客心理擁擠的臨界值，等級評價為良好，車內(nèi)舒適度適中。一旦車輛滿載率大于80%這一臨界值，站立的乘客與乘客之間的安全距離便會被打破，乘客的舒適度會迅速降低?；诖耍谀M期間，將車輛滿載率控制的80%。此時對快速公交車滿載程度衡量可用下列公式表示：

分析運營成本。運營成本與兩個因素有關(guān)，分別為快速公交車輛往返一次所需成本及模擬期間的發(fā)車數(shù)量?？梢砸韵鹿奖硎荆?/p>

分析快速公交車輛等候進站排隊的時間。對于快速公交車站來講，首先我們可以假設(shè)其只進行一個停車位的開放，如果快速公交車b行駛到v 站的時間比快速公交車b?1的出站時間要早，那么對于快速公交車b來說，需要排隊等候進站，排隊時間總和為快速公交車b?1出站時間與快速公交車b 行駛到站之差再加上司機啟停反應(yīng)時間。否則，快速公交車b 可以不用排隊直接進站。由此可以得出，快速公交車b 等候進站排隊的時間用以下公式表示：

2.4 完成多目標(biāo)快速公交多車型優(yōu)化模型構(gòu)建

建立多目標(biāo)快速公交多車型優(yōu)化模型如下公式表示：

在上述式子中，（12）式說明了對于快速公交車來講，其平均的滿載程度越接近80%乘客的舒適度越好；（13）式對公交車公司最小化運營成本進行了說明；（14）式對快速公交車最小化的排隊等候時間進行了表示；（15）式表示調(diào)度時間段約束；（16）式表示快速公交車容量限制約束；（17）式為發(fā)車時間限制約束；（18）式表示服務(wù)能力的約束；（19）式表示快速公交站臺約束。

3 模型求解算法分析

3.1 求解分析

首先對于快速公交車輛是否排隊等候進站這一問題來說，我們可以先假設(shè)兩種情況，分別為需要排隊進站情況與不需要排隊進站情況。以下是對這兩種情況的具體分析。

當(dāng)快速公交車b 需要排隊進站，那么此時快速公交車b 到站時間一定會比快速公交車b?1的出站時刻要早，當(dāng)此時車站未能上車的乘客數(shù)量為0時，說明對于運輸能力來說是可以滿足乘客需求的，若在這種情況下對發(fā)車頻率進一步提升，會增加目標(biāo)函數(shù)z2與z3的值，由于快速公交車b 正在排隊，使得快速公交車在此站的車頭時距變?yōu)閠停+t ，顯然要比為排隊的車頭時距要

bv啟停大，因此也不會明顯改善目標(biāo)函數(shù)z1的值，由此可見，在需要排隊進站的的情況下，當(dāng)時車站未能上車的乘客數(shù)量為0時，提高發(fā)車頻率這一做法明顯不利于車輛優(yōu)化調(diào)度，因此只需優(yōu)化車型即可。反之，當(dāng)車站未能上車的乘客數(shù)量不為0時，說明對于運輸能力來說難以以滿足乘客需求，采取同樣的做法（提高發(fā)車頻率）也不會降低進站排隊后車頭時距，因此只需對車型優(yōu)化即可，如可以采用承載量大的車型進行載客。

當(dāng)快速公交車b不需要排隊進站，那么此時快速公交車b 到站時間一定會比快速公交車b?1的出站時刻要晚，在這一情況下，目標(biāo)函數(shù)z3的值為0，因此不需再對目標(biāo)函數(shù)z3加以分析計算。

3.2 Pareto 解集搜索算法

通過上述分析，對該問題進行設(shè)計時的Pareto解集P搜索算法分以下步驟進行：第一步，以最大發(fā)車間隔h2為依據(jù)，通過計算得出窗口內(nèi)最小的發(fā)車數(shù)量M；第二步，上述M個快速公交車輛在車型選擇方面全選運營成本最小的車型，并滿足服務(wù)能力的約束與快速公交站臺約束。對目標(biāo)函數(shù)z1、z2、z3加以計算，若得出的最終解能夠被Pareto 解集P中任一解進行支配，并且能夠滿，則計算停止，否則進行第三步驟；第三步，如果在快速公交車b需要排隊進站情況下（z3＞0），則進行第四步。如果在快速公交車b 不需要排隊進站情況下（z3=0），則進行第五步；第四步，對大車型數(shù)量依次增加，如果滿足服務(wù)能力的約束與快速公交站臺約束，對目標(biāo)函數(shù)z1、z2、z3加以計算，若得出的最終解能夠被Pareto 解集P中任一解進行支配，那么計算停止，否則對Pareto解集P加以更新；第五步，對大車型數(shù)量依次增加，如果滿足服務(wù)能力的約束與快速公交站臺約束，對目標(biāo)函數(shù)z1、z2、z3加以計算，并對Pareto 解集P加以更新，如果M個車輛都是大車型或者得出的最終解能夠被Pareto解集P中任一解進行支配，并且能夠滿足，那么令M=M+1，轉(zhuǎn)向第二步驟。

4 結(jié)語

綜上所述，要想提升快速公交車的服務(wù)能力與水平，合理兼顧經(jīng)營者與乘客之間的利益關(guān)系，對發(fā)車頻率與滿載程度加以合理安排是不錯的選擇。以上通過對快速公交車車型、快速公交車容量、快速公交車服務(wù)能力等因素進行考慮，制定建立的基于快速公交車平均滿載程度、運營成本及排隊進站等候時間最優(yōu)化多目標(biāo)快速公交多車型優(yōu)化調(diào)度模型，并且設(shè)計了求解該模型的Pareto 解集算法。

參考文獻：

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