基于乘客協(xié)同的公交調(diào)度方法

徐晨暢，錢松榮

(復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200433)

0 引言

在城市出行方式中，公共交通作為一種價(jià)格低廉的出行方式深受人民的喜愛，公交車作為公共交通工具之一，同樣在高峰時(shí)期承載著大量的乘客出行。然而，在復(fù)雜的道路交通情況下，乘坐公交車一般耗時(shí)較長(zhǎng)。主要體現(xiàn)在等車時(shí)間和靠站時(shí)間?？空舅牡臅r(shí)間是公交車本身的特性決定的，無法避免，但通過合理的調(diào)度策略，我們能夠有效降低乘客的等車時(shí)間，提升整個(gè)公交系統(tǒng)的運(yùn)行效率。對(duì)于乘客個(gè)人而言，選擇更合適的乘坐線路，避開擁堵，同樣可以減少乘車耗時(shí)。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給予公交調(diào)度更多的可能性。對(duì)于車輛調(diào)度而言，通過實(shí)時(shí)的道路交通數(shù)據(jù)和基于GPS的車輛定位數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實(shí)際情況，觸發(fā)合理的調(diào)度策略。對(duì)于乘客而言，使用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)也可以快速查詢到公交換乘方案、到站時(shí)間等，從而自己調(diào)整乘車策略，減少自身的乘車時(shí)間。

張飛舟等[1]提出動(dòng)態(tài)調(diào)度能夠克服靜態(tài)調(diào)度的局限性，構(gòu)建一種交互式調(diào)度方法，能夠得到良好的調(diào)度方案。21世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)公交動(dòng)態(tài)調(diào)度進(jìn)行了大量研究，從多種視角提出公交動(dòng)態(tài)調(diào)度策略。Paolo等[2]構(gòu)建了一種控制發(fā)車策略，以油耗降低為目標(biāo)，構(gòu)建車輛的多種運(yùn)營(yíng)模式，分別進(jìn)行發(fā)車的調(diào)度優(yōu)化。Fu等[3]提出了一種公交車輛跳站運(yùn)行的方法，兩輛車協(xié)同運(yùn)行，分別跳過一些?？空军c(diǎn)，以提高整體的效率。楊曉光等[4]針對(duì)國(guó)內(nèi)公交出行中非常常見的換乘問題進(jìn)行研究，構(gòu)建了一種協(xié)同調(diào)度的方法，最小化全局的換乘時(shí)間，以優(yōu)化乘客的出行體驗(yàn)。張澍裕[5]對(duì)常用的公交調(diào)度方法進(jìn)行了總結(jié)，如在出現(xiàn)大間隔時(shí)采用重新調(diào)整發(fā)車間隔的策略，在出現(xiàn)部分道路擁堵的情況下采用加車策略。

本文設(shè)計(jì)了一種全新的乘客協(xié)同下的公交動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。我們構(gòu)建了一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)。首先，乘客通過手機(jī)軟件查詢前往目的地的多種換乘方案及其實(shí)時(shí)耗時(shí)；其次，調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)乘客查詢信息按需進(jìn)行車輛調(diào)度；隨后，乘客可在手機(jī)軟件中實(shí)時(shí)查看車輛調(diào)度后新的換乘備選方案。通過這樣的閉環(huán)調(diào)節(jié)，提高公交系統(tǒng)整體運(yùn)作效率。下文將給出調(diào)度方法詳細(xì)介紹及仿真實(shí)驗(yàn)分析。

1 調(diào)度方法

設(shè)計(jì)了一種針對(duì)突發(fā)交通情況的加車調(diào)度方法，以單條線路為例，當(dāng)3站點(diǎn)到5站點(diǎn)之間發(fā)生道路擁堵時(shí)，如果站點(diǎn)5和站點(diǎn)8之間有較為通暢的道路，則可從站點(diǎn)8派遣車輛到站點(diǎn)5，以減少乘客的等車時(shí)間。如圖1所示。

圖1 突發(fā)情況調(diào)度示意圖

通過對(duì)這種場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用GPS獲取到的車輛位置數(shù)據(jù)，刷卡機(jī)、攝像頭獲取到的站點(diǎn)乘客到達(dá)率信息，以及通過大數(shù)據(jù)采集計(jì)算出的道路交通數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行求解，即可給出合適的調(diào)度策略。

這種方法主要是從減少乘客的等車時(shí)間的角度提高公交運(yùn)行效率，對(duì)于車輛的調(diào)度，采用了加車調(diào)度的方式。加車調(diào)度必然會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本，主要是車輛運(yùn)行成本和乘務(wù)人員的成本，但我們認(rèn)為，在道路上運(yùn)行的車輛間隔，已經(jīng)是根據(jù)長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果，對(duì)于道路的實(shí)時(shí)突發(fā)狀況而產(chǎn)生的調(diào)度需求，由加車調(diào)度滿足更為合適。盡管加車調(diào)度會(huì)產(chǎn)生額外的成本，但由于公交具有公共服務(wù)屬性，只要加車調(diào)度后節(jié)省的時(shí)間成本大于額外的運(yùn)營(yíng)成本，調(diào)度即是合理有效的。

在本文中，在此基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)了一套調(diào)度方案。不僅能夠節(jié)省乘客的等車時(shí)間，同時(shí)也能節(jié)省乘客的乘車時(shí)間，從而更大程度的提高整體的運(yùn)行效率。

新的調(diào)度方法分為以下兩個(gè)部分。

(1) 乘客調(diào)度

現(xiàn)今乘客主要采用通過公交查詢軟件或地圖軟件查詢始發(fā)地到目的地的換乘策略。此類軟件會(huì)基于歷史交通數(shù)據(jù)，通過估算給出在每種換乘策略下從始發(fā)地到目的地的乘車時(shí)間，并根據(jù)換乘方案給出對(duì)應(yīng)方案需要花多少錢。而乘客則會(huì)根據(jù)這些數(shù)據(jù)綜合考慮選擇哪種方案。

然而，通過歷史數(shù)據(jù)給出的乘車時(shí)間信息并不能根據(jù)真實(shí)路況給出實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)時(shí)間。我們知道，目前在許多城市，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們能夠查詢到每輛公交車的實(shí)時(shí)到站時(shí)間，表明公交公司有足夠的數(shù)據(jù)對(duì)每輛車的未來動(dòng)向做較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。同時(shí)，公交公司也掌握了每條線路的未來發(fā)車時(shí)間。利用這些數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一款能夠讓乘客查詢每一種換乘策略的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)時(shí)間的軟件有著很強(qiáng)的可行性。

對(duì)于乘客而言，通過這樣一款軟件可以選擇合適的換乘策略，以避開擁堵線路，減少自身的乘車時(shí)間；同時(shí)在乘車過程中，也能夠根據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)整換乘策略。對(duì)于公交公司而言，一方面能夠引導(dǎo)乘客選擇更快捷的換乘策略，同時(shí)利用乘客的查詢數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)更合理的車輛調(diào)度方案。

(2) 車輛調(diào)度

利用上文所述軟件中乘客的查詢記錄，我們可以獲取到大量乘客的乘車意圖，其反映了短時(shí)的乘客出行需求，基于此可以對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)度。這種短時(shí)需求和前文所述的突發(fā)情況屬于同類，所以，車輛調(diào)度仍采用加車調(diào)度的方式。在圖1所示的調(diào)度方案中，方案的節(jié)省成本,如式(1)。

Csave=ρTsave-Cextra

(1)

式中，Tsave為節(jié)省的時(shí)間成本，ρ為單位時(shí)間等效成本，Cextra為由于加車增加的額外運(yùn)營(yíng)成本。在本文提出的新方案中，我們假設(shè)調(diào)度前后，沒有使用軟件的乘客乘車策略不變，使用軟件的乘客采用了調(diào)度之后的更優(yōu)策略，則方案的節(jié)省成本,如式(2)。

Csave=ρ(Tsave+T′)-Cextra

(2)

式中，T′為使用軟件的乘客在調(diào)度之后節(jié)省的總時(shí)間。通過求得Csave的最大值，即可得到合適的調(diào)度方案。

式(2)中節(jié)省的總成本體現(xiàn)了一次調(diào)度之后，車輛和乘客作為整體的系統(tǒng)效率提升。其中，在乘客效率的提升方面，對(duì)于使用調(diào)度軟件的乘客，根據(jù)調(diào)度前后節(jié)省的出行總時(shí)間作為量化指標(biāo)，對(duì)于其他乘客，由于乘車時(shí)長(zhǎng)不變，則以節(jié)省等車時(shí)間為量化指標(biāo)；乘客節(jié)省的時(shí)間成本和額外的必要運(yùn)營(yíng)成本之差，反應(yīng)了整體效率的提升。如圖2所示。

圖2 乘客協(xié)同公交調(diào)度方法

乘客調(diào)度和車輛調(diào)度在這種方案下形成了一個(gè)閉環(huán)。乘客使用軟件查詢，在獲得合適的乘車方案的同時(shí)，給車輛調(diào)度提供了大數(shù)據(jù)參考，車輛調(diào)度執(zhí)行后，乘客可以通過軟件及時(shí)查詢到最新的乘車策略，從而及時(shí)調(diào)整乘車方案(即使已經(jīng)在車上)，選擇更優(yōu)的方案。在互相調(diào)節(jié)之下，通過多次的車輛調(diào)度，以不斷優(yōu)化乘客的等車、乘車時(shí)間為目標(biāo)，提高整個(gè)公交系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2 實(shí)驗(yàn)及仿真

為了驗(yàn)證調(diào)度方案的可行性，我們抽象了一個(gè)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行仿真。仿真線路圖,如圖3所示。

圖3 仿真線路圖

圖中三種線條分別代表3條公交線路，從實(shí)際公交線路抽象而來，1、2、3路分別共有33站、26站、28站。a,b,c,d為三條線路之間的4個(gè)換乘站點(diǎn)。其中，a為1路的第14站，2路的第12站；b為2路的第13站，3路的第8站；c為1路的第23站，2路的第17站；d為2路的第20站，3路的第24站。

定義如下場(chǎng)景，有200位乘客通過第一章中所描述的手機(jī)軟件查詢線路信息。其中有120位位于1路8～13站的乘客想要前往1路的24～33站，且當(dāng)前沒有車輛在1路的8～13站之間；有80位位于3路的4～7站的乘客想要前往3路的25～28站，且當(dāng)前沒有車輛位于3路的4～7站之間。120位乘客有兩種乘車方案，第一種為乘坐1路直達(dá)終點(diǎn)，第二種為在a站點(diǎn)和c站點(diǎn)換乘兩次的方式到達(dá)終點(diǎn)。同理80位乘客也有直達(dá)和換乘兩次兩種乘車方案。假定此時(shí)1路和3路的路線上道路較為擁堵，這200位乘客選擇直達(dá)方案耗時(shí)較長(zhǎng)，2路雖然道路通暢，但車次較少，換乘方案無法節(jié)省時(shí)間，在沒有加車支援的情況下，直達(dá)方案為最優(yōu)方案。

在這種場(chǎng)景下，對(duì)第1章的調(diào)度方法進(jìn)行仿真，以式(2)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行建模，在隨機(jī)初始化的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法[6]進(jìn)行迭代和求解，最終得到合適的調(diào)度建議。

本文采用Matlab工具，如圖3所示,從真實(shí)的3條公交線路抽象而出的線路圖上，以某時(shí)刻在地圖軟件上獲得的真實(shí)的站點(diǎn)間運(yùn)行時(shí)間和公交車發(fā)車間隔為基礎(chǔ)，結(jié)合上文所述仿真場(chǎng)景調(diào)整了部分?jǐn)?shù)據(jù)后，設(shè)定當(dāng)前時(shí)刻車輛位置、各站點(diǎn)乘客到達(dá)率、站點(diǎn)間運(yùn)行時(shí)間等信息，進(jìn)行仿真，如圖4所示。

圖4 仿真迭代曲線

圖4為上述方法所構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型，使用遺傳算法進(jìn)行求解的迭代曲線，縱坐標(biāo)為此代最優(yōu)方案的等效節(jié)約成本，橫坐標(biāo)為迭代代數(shù)。最終給出了如下調(diào)度方案；

(1) 向線路2的11站點(diǎn)加派一輛車；

(2) 向線路1的16站點(diǎn)加派一輛車；

(3) 向線路3的12站點(diǎn)加派一輛車。

以仿真場(chǎng)景中的200位乘客說明調(diào)度方案的有效性。所述120位乘客，若不選擇換乘方案，從1路的14站到24站共需花費(fèi)28分鐘，而加派車輛后，120位乘客分別能夠在a站點(diǎn)和c站點(diǎn)的乘坐上加派的(1),(2)車，從1路的14站到24站，花費(fèi)時(shí)間為21分鐘，節(jié)省7分鐘；所述80位乘客，若不選擇換乘方案，從3路的8站到25站共需花費(fèi)41.5分鐘，而加派車輛后，80位乘客分別能夠在b站點(diǎn)和d站點(diǎn)乘坐上加派的(1)，(3)車，從3路的8站到25站，花費(fèi)時(shí)間34分鐘，節(jié)省7.5分鐘。由此可見，該方法提供了合理有效的調(diào)度策略。另外，仿真中同時(shí)考慮了加派車輛的增加成本，將節(jié)約的總時(shí)間轉(zhuǎn)換為等效節(jié)省成本后，總能確?？偟刃Ч?jié)省成本(即式(2)的計(jì)算結(jié)果)為正。

3 總結(jié)

本文在傳統(tǒng)車輛調(diào)度的基礎(chǔ)上，引入乘客調(diào)度，提出一種乘客協(xié)同下的公交調(diào)度方法。這種新的調(diào)度方法，使乘客調(diào)度和車輛調(diào)度形成閉環(huán)，能生成更加高效的調(diào)度方案，提高公交系統(tǒng)的整體效率。同時(shí)，通過對(duì)這種方案的實(shí)驗(yàn)和仿真，驗(yàn)證了新的調(diào)度方法能夠給出合理的調(diào)度建議，派遣車輛前往合適的站點(diǎn)進(jìn)行支援，在仿真層面驗(yàn)證了新方法的有效性，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的公交調(diào)度提供了可行參考。