基于移動終端的主動預(yù)約式智能公交調(diào)度系統(tǒng)

劉世忠,卓亞娟,于媛媛,段和柱,富云燕

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院,太原 030024)

目前,我國城市近郊區(qū)居民的公共交通出行方式主要以常規(guī)公交(Fixed Route Transit Service)為主,其到站準(zhǔn)確率較低、可達(dá)性差、乘客候車時間長,嚴(yán)重降低了居民綠色出行意愿。作為常規(guī)公交重要補(bǔ)充方式的需求響應(yīng)式交通(DRT,Demand Responsive Transport)系統(tǒng),由運輸經(jīng)營者或調(diào)度中心按乘客的需求派遣車輛接送乘客至目的地,是一種動態(tài)的公交服務(wù)系統(tǒng),能夠在較短的時間內(nèi)對變化的交通情況做出反應(yīng),提供符合個性化的路線與時刻規(guī)劃,滿足乘客對交通出行便捷性與舒適性的要求[1,2]。已有研究表明,DRT系統(tǒng)能有效改善出行密度較低地區(qū)常規(guī)公交發(fā)車間隔長、居民出行不便等交通問題,是合理配置公交資源與優(yōu)化公交運營成本的有效方式。

國內(nèi)外許多學(xué)者與交通工程師對DRT系統(tǒng)已開展了大量的研究工作。Daganzo[3]于1984年首次提出了類似于可變線路公交的需求響應(yīng)式公交概念,在特定情形下可以提供更加高效的運輸服務(wù),并證實了需求響應(yīng)式公交在低出行密度區(qū)域內(nèi)相比常規(guī)公交出行可以提供更好的出行服務(wù);Savelsbergh[4]等人就需求響應(yīng)式公交系統(tǒng)的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了理論探討,并提出了一些有針對性的解決方案;Cortes[5]等人采用仿真分析的方法評估了需求響應(yīng)式公交系統(tǒng)的可行性,結(jié)果表明在一定的服務(wù)水平與出行需求量條件下需求響應(yīng)式公交比常規(guī)公交具有更好的成本效益;孫芙靈[6]基于乘客出行需求來確定發(fā)車時間間隔,通過引入時段配車數(shù)概念并結(jié)合西安客流統(tǒng)計調(diào)查數(shù)據(jù)分析了發(fā)車時間間隔的確定方法;同濟(jì)大學(xué)的李璠[7]基于DRT系統(tǒng)的基本理論,結(jié)合其在法國的具體交通實踐案例,探討了DRT模式下公交巴士服務(wù)研究思路,構(gòu)建了相關(guān)交通服務(wù)流程與運營管理方式。國內(nèi)對于DRT系統(tǒng)的研究起步較晚,理論研究與實踐經(jīng)驗十分匱乏,對于公交的運營與規(guī)劃缺乏系統(tǒng)深入的研究;而國外對于需求響應(yīng)式公交系統(tǒng)的研究大多集中在未設(shè)置?？空军c的一類,無法直接應(yīng)用于國內(nèi)的公共交通系統(tǒng)。因此,結(jié)合國內(nèi)城市近郊區(qū)居民交通出行特點,開展以滿足居民出行需求為目的的智能化公交調(diào)度系統(tǒng)研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文筆者在綜合分析現(xiàn)有需求響應(yīng)式交通系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上,結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)主動預(yù)約技術(shù)與車輛智能定位技術(shù),提出了一種基于移動終端的主動預(yù)約式智能公交調(diào)度系統(tǒng)。將移動終端、總調(diào)度控制中心與公交車輛通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息交換與實時共享,以乘客預(yù)約候車總?cè)藬?shù)與乘客最長等待時間為決策變量,通過引入相關(guān)閾值建立了基于乘客需求的發(fā)車間隔優(yōu)化模型,并給出了發(fā)車時間間隔的確定方法。

1 系統(tǒng)的組成架構(gòu)與功能

基于移動終端的主動預(yù)約式智能公交調(diào)度系統(tǒng)是在DRT系統(tǒng)研究領(lǐng)域內(nèi)的補(bǔ)充與優(yōu)化,是先進(jìn)公共交通系統(tǒng)的延伸,該系統(tǒng)通過對車輛自動定位技術(shù)[8](Automatic Vehicle Location,AVL)、移動終端軟件技術(shù)(Application)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的科學(xué)集成,實現(xiàn)乘客與車輛信息數(shù)據(jù)的實時通信與處理,達(dá)到在滿足乘客出行需求前提下的智能化公交調(diào)度。

1.1 系統(tǒng)的組成架構(gòu)

基于移動終端的主動預(yù)約式智能公交調(diào)度系統(tǒng)主要由總調(diào)度控制中心子系統(tǒng)、集成化車載設(shè)備子系統(tǒng)、移動終端應(yīng)用程序子系統(tǒng)及GIS地理信息子系統(tǒng)組成,其基本組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于移動終端的主動預(yù)約式智能公交調(diào)度系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Composition block diagram of the intelligent transit operation system with active reservation based on mobile terminals

(1)總調(diào)度控制中心子系統(tǒng)?？傉{(diào)度控制中心子系統(tǒng)主要包括無線局域網(wǎng)模塊、信息匯總及處理模塊、分析決策模塊、調(diào)度管理模塊?？傉{(diào)度控制中心子系統(tǒng)在這些模塊的集成輔助下,實現(xiàn)對乘客出行與車輛運營信息的處理、公交車輛的運營指揮調(diào)度、合理發(fā)車方案的制定等功能。

(2)集成化車載設(shè)備子系統(tǒng)。集成化車載設(shè)備子系統(tǒng)主要包括無線局域網(wǎng)模塊、實時監(jiān)控模塊、GPS車輛定位模塊與信息收集與儲存模塊,實時向控制中心及移動終端設(shè)備提供車輛位置信息及車載情況,并實時動態(tài)監(jiān)控車輛的運行狀況。

(3)移動終端設(shè)備子系統(tǒng)。移動終端設(shè)備子系統(tǒng)包括移動網(wǎng)絡(luò)模塊與主動預(yù)約APP程序模塊,乘客通過主動預(yù)約APP程序獲取車輛信息并進(jìn)行車輛預(yù)約。

(4)GIS地理信息子系統(tǒng)。GIS地理信息子系統(tǒng)通過對空間地理信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理與顯示,為總調(diào)度控制中心與移動終端設(shè)備提供精確的車輛位置與運行信息[9]。

1.2 系統(tǒng)的功能

基于移動終端的主動預(yù)約式智能公交系統(tǒng)通過乘客在移動終端主動預(yù)約APP軟件上的預(yù)約操作,把乘客的乘車信息實時反饋發(fā)送給總調(diào)度控制中心,同時利用全球定位系統(tǒng)(GPS)等集成化車載設(shè)備將車輛的運行狀況、載客信息等實時發(fā)送給總調(diào)度控制中心及移動終端設(shè)備;總調(diào)度控制中心根據(jù)乘客的出行需求對公交車的發(fā)車間隔進(jìn)行優(yōu)化,制定合理的發(fā)車方案并實時反饋給車輛與乘客,實現(xiàn)公交車輛的智能化調(diào)度,整個系統(tǒng)實現(xiàn)的原理如圖2所示:

該系統(tǒng)具有的主要功能如下:

(1)采集信息功能。利用移動終端采集乘客的預(yù)約信息,通過集成化車載設(shè)備與GIS地理信息子系統(tǒng)獲取公交車的位置、運行狀態(tài)等動態(tài)信息。

(2)分析與決策功能:將采集到的車輛與乘客出行需求信息進(jìn)行統(tǒng)計分析,利用基于乘客需求的發(fā)車間隔優(yōu)化模型確定合理發(fā)車間隔。

(3)公交車智能調(diào)度功能:依據(jù)已確定的合理發(fā)車間隔,通過調(diào)度管理模塊對公交車輛下達(dá)發(fā)車指令。

(4)信息反饋功能:乘客與總調(diào)度控制中心之間通過移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車輛預(yù)約信息、車輛實時運行信息的傳遞與反饋;公交車與總調(diào)度控制中心之間通過無線局域網(wǎng)實現(xiàn)車輛位置信息與調(diào)度指令等信息的傳遞。

圖2 基于移動終端的主動預(yù)約式智能公交調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the intelligent transit operation system with active reservation based on mobile terminals

2 基于乘客需求的發(fā)車間隔優(yōu)化模型

基于乘客需求的發(fā)車間隔優(yōu)化模型是對目前公交車調(diào)度方案固定發(fā)車時間間隔的優(yōu)化調(diào)整,該模型的核心思想是在保證低運營成本的基礎(chǔ)上,根據(jù)某線路上的預(yù)約人數(shù),合理地規(guī)劃公交車的發(fā)車間隔,提高公交車的服務(wù)水平,減少乘客的候車等待時間,提高出行效率,增加居民的公交出行意愿[10]。

2.1 模型的假設(shè)

(1)該模型僅考慮公交車輛正常行駛狀況,忽略突發(fā)的特殊情況;

(2)以乘客預(yù)約候車總?cè)藬?shù)與乘客最長等待時間為決策變量來綜合確定最優(yōu)發(fā)車時間間隔;

(3)不考慮公交車行駛過程中對后續(xù)車站乘客候車等待時間的影響,乘客候車等待時間從該乘客預(yù)約時刻開始計算,直至預(yù)約車輛發(fā)車時刻為止,以此時間間隔作為該乘客的候車等待時間。

(4)發(fā)車間隔時間從某車次初始預(yù)約時刻算起,且忽略總調(diào)度控制中心發(fā)車指令決策下達(dá)與實際執(zhí)行時間。

2.2 符號及變量說明

Tk(k=1,2,…)表示第k位乘客預(yù)約時刻;Tinitial表示某車次初始預(yù)約時刻,即某車次第1位預(yù)約乘客預(yù)約時刻,Tinitial=T1; Δt表示系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的時間間隔,可根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行取值;ti表示第i次系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時刻(i=1,2,…,n),初始時刻以Tinitial開始計算,ti可按式(1)計算:

ti=Tinitial+i×Δt

(1)

(2)

ΔTOP表示總調(diào)度控制中心確定的最優(yōu)發(fā)車間隔;ΔTmax表示最大發(fā)車時間間隔,可根據(jù)乘客所能容忍的最長等待時間或常規(guī)公交車的固定發(fā)車間隔確定;Pf表示乘客預(yù)約總?cè)藬?shù)閾值,可根據(jù)各公交車的固定乘客座位數(shù)及車廂的有效站立面積綜合確定。

2.3 模型分析與建立

圖3為最優(yōu)發(fā)車間隔ΔTOP計算流程框圖,具體計算步驟如下:

Step 1:確定系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的時間間隔Δt,乘客預(yù)約總?cè)藬?shù)閾值Pf,最大發(fā)車時間間隔ΔTmax,公交線路上的車站總數(shù)m等模型參數(shù);

Step 2:通過數(shù)據(jù)采集,確定公交線路上第一位乘客的預(yù)約時刻Tinitial=T1,并將此時刻的數(shù)據(jù)采集次數(shù)記為i=1;

圖3 最優(yōu)發(fā)車時間間隔計算流程框圖Fig.3 Flow diagram of computing theoptimal departure time interval

Step 5:根據(jù)預(yù)約乘客總?cè)藬?shù)判斷最優(yōu)發(fā)車間隔:判斷Pi是否小于Pf,若是,返回Step 3;若否,最優(yōu)發(fā)車間隔ΔTOP=ti-Tinitial;

Step 6:輸出最優(yōu)發(fā)車間隔ΔTOP.

3 結(jié)語

基于移動終端的主動預(yù)約式智能公交調(diào)度系統(tǒng)運用車輛定位技術(shù)、移動終端技術(shù)及無線數(shù)據(jù)通信技術(shù),通過互聯(lián)網(wǎng)移動終端、總調(diào)度控制中心與公交車輛之間的實時信息傳遞,實現(xiàn)對城市近郊公交運營調(diào)度管理的智能化與信息化。以乘客預(yù)約候車總?cè)藬?shù)與乘客最長等待時間為決策變量,建立基于乘客需求的發(fā)車間隔優(yōu)化模型,實現(xiàn)對公交車輛發(fā)車間隔的實時優(yōu)化。

基于移動終端的主動預(yù)約式智能公交調(diào)度系統(tǒng)不僅能滿足乘客對公交車輛進(jìn)行預(yù)約出行需求,而且通過對車輛的運行狀況以及預(yù)約情況等信息的預(yù)先掌握,合理地選擇乘車方案,減少乘客候車等待時間,改善“超載”與“擠公交”現(xiàn)象。基于移動終端的主動預(yù)約式智能公交調(diào)度系統(tǒng)能有效改善城市近郊公交服務(wù)水平低、發(fā)車間隔大等交通問題,有效地彌補(bǔ)常規(guī)公交系統(tǒng)的不足,增大了公交吸引力,大大推動城市公共交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,實現(xiàn)真正意義上的綠色出行。