基于BRT智能公交調(diào)度系統(tǒng)研究

楊 丹，王治東，陳 晨

(西南科技大學(xué)城市學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

1 智慧交通概念

隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的快速更新以及5G時(shí)代的到來(lái)，中國(guó)居民傳統(tǒng)生活模式逐漸被智慧化，“慧醫(yī)療、慧農(nóng)業(yè)”等如雨后春筍般迅速崛起，交通作為人們“衣食住行”的重要一環(huán)，因此“智慧交通”的快速發(fā)展必不可少?！爸腔劢煌ā笔侵附煌ㄟ\(yùn)輸、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互融合的現(xiàn)代化產(chǎn)物，是目前解決城市交通擁堵、交通安全、節(jié)能減排有效措施。以此建立起一種在實(shí)用范圍廣、作用發(fā)揮強(qiáng)的實(shí)用、智能、高效的交通管理運(yùn)輸系統(tǒng)，目前我國(guó)智能化交通建設(shè)主要涵蓋運(yùn)輸服務(wù)、公共交通服務(wù)、城市交通指揮及港行服務(wù)四個(gè)方面。

2 BRT快速公交

快速公交系統(tǒng)是順應(yīng)時(shí)代所需的一種新型的公共客運(yùn)系統(tǒng)，其建設(shè)投資成本比軌道交通低，而運(yùn)營(yíng)效果卻于軌道交通相似。充分結(jié)合了現(xiàn)代化公交技術(shù)和智能運(yùn)輸和運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)，開創(chuàng)了公交站臺(tái)售票的新理念，實(shí)現(xiàn)公共交通式運(yùn)營(yíng)服務(wù)，達(dá)到軌道服務(wù)水準(zhǔn)的一種獨(dú)特的城市客運(yùn)系統(tǒng)。

BRT快速公交系統(tǒng)目前在長(zhǎng)沙、鄭州等將近20多個(gè)城市推出和使用，快速公交的誕生大幅度緩解了大城市的交通壓力，緩解了公共交通乘車擁堵和時(shí)間等待的現(xiàn)象，與此同時(shí)這種交通形式涉及到城市發(fā)展、公共設(shè)施、市民出行心理、城市道路設(shè)置等諸多因素，在快速公交設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)充分考慮相應(yīng)因素，以期建立一個(gè)讓市民更加滿意的新型公共交通系統(tǒng)是BRT快速公交系統(tǒng)服務(wù)設(shè)計(jì)所努力的方向和動(dòng)力來(lái)源。

3 研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)大部分城市都采用傳統(tǒng)的公交調(diào)度模式，通過(guò)以往客流經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行制定發(fā)展頻率，并且在車輛發(fā)出后不在對(duì)其管控，該種方式雖然操作簡(jiǎn)單，但其實(shí)際效果并不好，每當(dāng)晚高峰來(lái)臨時(shí)，部分公交車站總會(huì)存在停車擁堵，甚至影響了其它路線車輛的正常行駛，出現(xiàn)同一線路公交同時(shí)?？吭谝粋€(gè)站臺(tái)的現(xiàn)象，同時(shí)由于調(diào)度中心無(wú)法及時(shí)指導(dǎo)站臺(tái)乘客的乘車需求，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)乘客等車時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或車輛滿載率過(guò)低等情況發(fā)生，從而導(dǎo)致公交服務(wù)水平底下，客流日益減少。

本文主要針對(duì)現(xiàn)有的城市公交運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)，著力解決調(diào)度系統(tǒng)與乘客乘車需求不平衡的問(wèn)題以及提高運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的抗干擾性能，特別是晚高峰，繁華地段的公交車站會(huì)出現(xiàn)大量公交車排隊(duì)停靠的現(xiàn)象，甚至有些公交車雖無(wú)乘客在該站臺(tái)上下車，但只是按運(yùn)營(yíng)制度?？俊＿@樣的擁堵對(duì)資源和時(shí)間都存在嚴(yán)重的浪費(fèi)，極大地延長(zhǎng)了公交的運(yùn)行時(shí)間，給乘客的出行帶來(lái)了極大的不便。造成這一現(xiàn)象的主要原因是城市道路擁堵擾亂了公交車的正常運(yùn)行秩序，公交的擁堵又反向加重道路擁堵，如此惡性循環(huán)，導(dǎo)致整個(gè)道路運(yùn)行效率降低。

4 研究方法

4.1 站臺(tái)操作

在BRT站臺(tái)，乘客可通過(guò)站臺(tái)售票機(jī)輸入目的地進(jìn)行路線查詢或者直接通過(guò)已定線路選擇站點(diǎn)，此時(shí)售票機(jī)會(huì)根據(jù)乘客的相應(yīng)操作做出路線推選，確認(rèn)操做完成后進(jìn)行付款方式選定購(gòu)票，支付成功后此時(shí)系統(tǒng)會(huì)將乘客的乘車數(shù)據(jù)傳送至指揮中心后臺(tái)，進(jìn)行下一步處理。

4.2 調(diào)度中心處理

調(diào)度中心作為車輛和乘客之間信息傳遞的紐帶，主要負(fù)責(zé)將乘客的乘車信息優(yōu)化處理后通過(guò)后臺(tái)終端設(shè)備將乘車信息傳送至車載設(shè)備，車載設(shè)備接收道調(diào)度中心傳來(lái)的信號(hào)后，通過(guò)相應(yīng)處理簡(jiǎn)化，以語(yǔ)音或信號(hào)燈的方式提醒司機(jī)，司機(jī)可根據(jù)車載設(shè)備提前預(yù)知下站是否有乘客上下車，若無(wú)可不進(jìn)站直接開往下一站。

4.3 運(yùn)行流程

(1)只上不下

乘客A在站臺(tái)X發(fā)出前往站臺(tái)Y的乘車需求，此時(shí)調(diào)度中心向離站臺(tái)X最近距離(≧50 m)的公交車傳遞乘車需求，此時(shí)司機(jī)做好?？空九_(tái)X準(zhǔn)備。若公交車在離站臺(tái)X很近(≦50 m)時(shí)收到乘客乘車需求，同時(shí)該車在進(jìn)入緩沖距離前沒有接到停靠站臺(tái)X的需求時(shí)，該公交車不再受理本乘客交由下一輛公交車受理。

(2)有上有下

若乘客A乘坐1路公交且目的地為下一站臺(tái)X，為優(yōu)先滿足下車乘客需求，無(wú)論下一站臺(tái)X是否有乘客上車，公交車都必須停靠站臺(tái)X。同時(shí)為滿足“有車必載”的運(yùn)營(yíng)理念，此時(shí)公交車無(wú)論離站臺(tái)X多遠(yuǎn)，只要乘客B在該公交車到達(dá)站臺(tái)X之前發(fā)出乘車需求，該公交車都必須受理本乘客。

(3)站臺(tái)重復(fù)

在城市眾多公交線路中，有相當(dāng)部分線路存在站點(diǎn)重合，及乘客出行存在多種路線選擇時(shí)，此時(shí)為了盡可能的減少公交車進(jìn)站停靠造成擁擠和節(jié)約車輛運(yùn)行時(shí)間，此時(shí)調(diào)度中心就需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行車輛安排，其原則如下：

若兩車均距離乘客起始站較近時(shí)，此時(shí)在該站臺(tái)有下車需求的車輛優(yōu)先；若另一路線上的公交車距離乘客起始站較遠(yuǎn)，此時(shí)由距離較近的車輛優(yōu)先。

5 流程量化

5.1 模型分析

最優(yōu)路線推薦主要針對(duì)乘客需要中轉(zhuǎn)情況，此時(shí)分兩種形式，一種是乘客知道終點(diǎn)站臺(tái)，另一種為乘客不知道終點(diǎn)站臺(tái)只知道目的地。對(duì)于第二種情況，站臺(tái)一體機(jī)需通過(guò)對(duì)目的地周圍500 m范圍內(nèi)的所有公交進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將范圍內(nèi)所有的站臺(tái)都默認(rèn)為乘客的終點(diǎn)站臺(tái)。當(dāng)終點(diǎn)站臺(tái)確定后，此時(shí)系統(tǒng)通過(guò)求解最優(yōu)數(shù)學(xué)模型將運(yùn)行時(shí)間最小值所在路徑作為最優(yōu)乘車方案推薦給乘客。

5.2 模型建立基礎(chǔ)

日常乘車中，乘客總需要一個(gè)路徑最短、時(shí)間最少、少轉(zhuǎn)車的乘車方案。但在現(xiàn)實(shí)生活中這同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)最優(yōu)幾乎是不可能事件。通過(guò)建立最優(yōu)數(shù)學(xué)模型、采用集合法將路徑、時(shí)間進(jìn)行量化，然后通過(guò)建立時(shí)間最優(yōu)模型求解最優(yōu)值。本文通過(guò)差分迭代方程的計(jì)算，這種方法與近似積分的數(shù)學(xué)模型等價(jià)，在一定范圍內(nèi)可與實(shí)際結(jié)果相似。建立數(shù)學(xué)模型主要需解決以下問(wèn)題:

——如何確立乘車路線；

——怎樣確定乘車路線最優(yōu)；

5.3 符號(hào)約定及說(shuō)明

5.4 模型的建立及求解

(1)乘車路線確定

Zmin=min{Z1、Z2、…、Zi}且Zmin=Y*

當(dāng)：

①乘客起始站與目的地?zé)o可乘車路線；

α、β，即相應(yīng)值不存在

②乘客起始站與目的地有乘車路線，但需要轉(zhuǎn)車；

Zmin={min(S1、S2、…、Si)+min(Z1、Z2、…、Zi)}

③乘客起始站與目的地有乘車路線，且不需要轉(zhuǎn)車；

Zmin=min{S1、S2、…、Si}

此時(shí)所有可乘路線都應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

B∈Ai∪Ai+n

(2)確定乘車路線最優(yōu)

英國(guó)TRRL認(rèn)為道路的通行速度主要與道路流量和行車道寬度有關(guān)，所研發(fā)的適用于城市中心區(qū)道路的交通阻抗模型為：

Vq=49.9-0.163(q+430)/(W-R)

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Vq=67.6-0.123(q+1 000)/(W-R)

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式中：Vq：路段交通量為q時(shí)的行車速度，km/h，此處取第一個(gè)模型；W：行車道寬度，單位m；R：行車道寬度的減少值，單位m。

美國(guó)聯(lián)邦公路局的路阻函數(shù)模型在路阻函數(shù)的研究中，其研究路阻函數(shù)模型BPR函數(shù)是最有代表意義的一個(gè)研究成果，此模型在交通規(guī)劃界應(yīng)用相對(duì)廣泛，具有一定的權(quán)威性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為。

Tq=T0[1+α(q/c)β]

式中：Tq：當(dāng)流量為q時(shí)路段上的行程時(shí)間；T0：零流量時(shí)車輛在路段上的行駛時(shí)間；c：路段的實(shí)際通行能力；α、β：模型參數(shù)，常取α=0.15，β=4.0。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在城市眾多公交線路中，由于道路實(shí)際情況以及乘客上下車的突發(fā)情況往往會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響，即使公交車行駛速度相同的條件下，距離最近的道路行駛時(shí)間不一定最短，理論運(yùn)行最優(yōu)時(shí)間路線不一定為最優(yōu)路線，為了提高模型的抗干擾性，減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差，通過(guò)建立多目標(biāo)函數(shù)，對(duì)不同函數(shù)加以權(quán)重約束，通過(guò)求解選定最優(yōu)乘車路線，其函數(shù)模型如下

此時(shí)系統(tǒng)將滿足條件的可乘路線作為最優(yōu)路線推薦給乘客。

5.5 模型評(píng)價(jià)與分析

模型借助了傳統(tǒng)多目標(biāo)函數(shù)規(guī)劃理念，通過(guò)集合知識(shí)將各線路站臺(tái)量化，一個(gè)站臺(tái)對(duì)應(yīng)一個(gè)子集， 最后采用差值比較法求出實(shí)際最小行車路線，同時(shí)為了提高行車路線的優(yōu)化程度，引入國(guó)外相對(duì)成熟的路阻模型作為理論依據(jù)，兩者相互制約完善，與差值比較法得出的結(jié)果共同構(gòu)成二元多目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)對(duì)其影響權(quán)重做出調(diào)整，最終建立多目標(biāo)函數(shù)規(guī)劃模型，得出滿足條件的最優(yōu)路線。

本模型的建立可為BRT快速公交調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化完善提供一定理論依據(jù)，解決了公交車輛“盲目進(jìn)站”的問(wèn)題，既在一定程度上緩解了公交車排隊(duì)進(jìn)站的擁擠場(chǎng)面，也縮短可乘客的乘坐時(shí)間，更好的平衡了需求、資源、時(shí)間三者間的關(guān)系，具有惠民互利的作用，一定程度上完善了“智慧交通”的發(fā)展缺陷，為我國(guó)交通行業(yè)飛速發(fā)展做出細(xì)微貢獻(xiàn)。

6 結(jié) 論

公共交通作為各大城市交通出行的重要組成部分，在人們?nèi)粘３鲂兄姓加信e足輕重的地位，公交系統(tǒng)的快速發(fā)展不僅會(huì)促進(jìn)居民外出消費(fèi)，而且也可作為城市綜合實(shí)力展現(xiàn)的名片。在未來(lái)，中國(guó)的交通必將朝著智能化、高效化、綠色環(huán)保的多元化方向發(fā)展，通過(guò)不懈努力，最終站在世界領(lǐng)域前端，讓我國(guó)人民充分感受“智慧生活”所帶來(lái)的舒適感。