“碳中和”視域下城市公交線路運(yùn)行效率模糊專家預(yù)測(cè)

艾倩楠，張 俊，陸丹丹 AI Qiannan,ZHANG Jun,LU Dandan

（1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院 公用事業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213147；2.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上鄭重宣布， “中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。作為節(jié)能減碳重要一環(huán)，交通運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放一直是相關(guān)研究重點(diǎn)話題。交通領(lǐng)域占全國(guó)終端碳排放15%，過(guò)去9年年均增速5%以上，預(yù)計(jì)到2025還要增加50%。 “公交優(yōu)先”上升為國(guó)家戰(zhàn)略， “綠色出行”已成為行業(yè)共識(shí)。在新一輪科技革命的影響下，如何利用新技術(shù)推動(dòng)新能源汽車和智慧城市、智能交通、清潔能源體系、信息通信產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，整體提升交通運(yùn)輸融合創(chuàng)新能力，成為節(jié)能減碳關(guān)鍵。

公交線路運(yùn)行效率一直是交通工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此領(lǐng)域也進(jìn)行了研究。Zhang yu等利用DEA方法對(duì)公共交通運(yùn)行的成本效率和服務(wù)效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Fielding為評(píng)估公共交通營(yíng)運(yùn)績(jī)效，以美國(guó)198條公交車路線的營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，將營(yíng)運(yùn)績(jī)效分為12個(gè)績(jī)效概念和60個(gè)初選評(píng)估指標(biāo)，并以多變量分析中的因素分析法從中選取9個(gè)代表性指標(biāo)，結(jié)果顯示所構(gòu)建的營(yíng)運(yùn)績(jī)效指標(biāo)能有效地衡量公共運(yùn)輸營(yíng)運(yùn)績(jī)效；Kittleson&Assioociate從公交時(shí)刻表的執(zhí)行水平評(píng)價(jià)公交系統(tǒng)的服務(wù)可靠性；Sami Jarboul運(yùn)用SFA方法對(duì)64個(gè)國(guó)家的18條公共道路的效率進(jìn)行研究。由此可以看出，目前針對(duì)公交線路運(yùn)行效率的研究較為分散，考慮因素不全面，只是從單一視角對(duì)公交運(yùn)行效率進(jìn)行分析。為此，本文綜合考慮影響公交線路運(yùn)行效率的因素，將模糊專家系統(tǒng)理論用于分析公交線路運(yùn)行效率，并得到各指標(biāo)對(duì)運(yùn)行效率的影響，同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)影響大的關(guān)鍵路段與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別與優(yōu)化，以提高線路整體運(yùn)行效率。

1 模糊專家系統(tǒng)

1.1 模糊規(guī)則

模糊規(guī)則的基本形式分為：語(yǔ)言式（Mamdani）模糊規(guī)則、函數(shù)式（Sugeno）模糊規(guī)則、Tsukamoto模糊規(guī)則。

（1）語(yǔ)言式（Mamdani）模糊規(guī)則

（2）函數(shù)式（Sugeno）模糊規(guī)則

（3）Tsukamoto模糊規(guī)則

此模糊規(guī)則可以視為Mamdani模糊規(guī)則的簡(jiǎn)化，區(qū)別在于Tsukamoto模糊規(guī)則把后件的模糊規(guī)則限定為只能擁有單調(diào)性的隸屬函數(shù)?？紤]到城市公交運(yùn)行的客觀實(shí)際，本文選用適合語(yǔ)言表達(dá)的Mamdani模糊規(guī)則。

1.2 隸屬度函數(shù)

常用的隸屬函數(shù)的形式有S形函數(shù)、形函數(shù)、三角函數(shù)和梯形函數(shù)等，一般來(lái)說(shuō)，三角函數(shù)和梯形函數(shù)就足以表達(dá)專家知識(shí)了，并且還能極大簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。梯形隸屬度函數(shù)表達(dá)式為：

式中：、、、均為實(shí)數(shù)；μ（）為輸入變量的隸屬度。

本文采用梯形隸屬度函數(shù)，其形式如圖1所示。

圖1 梯形隸屬度函數(shù)

2 城市公交線路運(yùn)行效率影響因素分析

城市公交運(yùn)行效率的影響因素很多，主要包括：路段通行能力、車輛停靠特征以及運(yùn)行組織特征。

（1）路段通行能力

公交車輛的運(yùn)行依托于城市道路，因此公交線路經(jīng)過(guò)路段的通行能力將直接影響公交線路的運(yùn)行效率。當(dāng)路段通行能力較高時(shí)，公交能以較高的期望速度在路段上行駛，減少了運(yùn)行過(guò)程中的時(shí)間延誤，提高運(yùn)行效率。

（2）車輛停靠特征

公交車輛的?？刻卣髦饕憩F(xiàn)為?？繒r(shí)間，即一輛公交車從進(jìn)站停車到駛出車站的總時(shí)間，是確定公交站點(diǎn)通行能力和客運(yùn)能力的關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)直接影響到一條公交線路總運(yùn)行時(shí)間。

（3）運(yùn)行組織特征

公交系統(tǒng)的運(yùn)行組織會(huì)直接影響到企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。公交調(diào)度方案的制定要考慮乘客的需求，同時(shí)也要考慮公交企業(yè)的財(cái)政收入和運(yùn)營(yíng)成本。因此，獲取合理的發(fā)車時(shí)刻是優(yōu)化公交運(yùn)行組織方案的關(guān)鍵之處。公交車輛在特定線路上運(yùn)行時(shí)，一方面若發(fā)車頻率過(guò)低，乘客候車的時(shí)間費(fèi)用會(huì)上升，候車滿意度隨之下降，時(shí)間價(jià)值較高的乘客群體會(huì)轉(zhuǎn)向私家車、地鐵或者出租車等；另一方面若發(fā)車頻率過(guò)高，公交運(yùn)營(yíng)公司配備的車輛數(shù)會(huì)隨之上升，單趟車的滿載率也會(huì)下降，進(jìn)而其票價(jià)收入則無(wú)法達(dá)到公交公司期望值，相反還會(huì)導(dǎo)致公交公司總收益的下降。

3 基于模糊專家系統(tǒng)的城市公交線路運(yùn)行效率研究

3.1 指標(biāo)模糊化

根據(jù)第二節(jié)的分析以及相關(guān)研究成果，取得路段通行能力、?？繒r(shí)間、發(fā)車頻率3個(gè)指標(biāo)的輸入值，確定輸入值對(duì)應(yīng)于相應(yīng)模糊集的程度，輸出結(jié)果為某條公交線路的運(yùn)行效率以及各影響因素所占的比重。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)與各個(gè)指標(biāo)的關(guān)系，利用專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各個(gè)輸入量與輸出量語(yǔ)言變量及其范圍，所設(shè)置的具體屬性閾值見(jiàn)表1至表2所示。

表1 路段通行能力等級(jí)與范圍

表2 公交線路運(yùn)行效率等級(jí)與范圍

3.2 建立模糊集

圖3 車輛?？繒r(shí)間的模糊集

以某條公交線路的路段通行能力、車輛?？繒r(shí)間、發(fā)車頻率為3個(gè)輸入變量，該條公交線路的運(yùn)行效率為輸出變量，同時(shí)得到每一個(gè)指標(biāo)對(duì)輸出結(jié)果的影響比例，采用梯形隸屬度函數(shù)的形式，按表2設(shè)計(jì)語(yǔ)言變量的模糊集，如圖2至圖4所示。

圖2 路段通行能力的模糊集

圖4 發(fā)車頻率的模糊集

3.3 建立模糊規(guī)則庫(kù)

本文構(gòu)建的公交線路運(yùn)行效率模糊專家系統(tǒng)將路段通行能力、車輛?？繒r(shí)間、發(fā)車頻率作為輸入變量，每個(gè)模糊輸入量均對(duì)應(yīng)3個(gè)模糊量，由組合原理得到27條模糊規(guī)則。見(jiàn)表3，表中、T、分別表示路段通行能力、車輛停靠時(shí)間、發(fā)車頻率；表示運(yùn)行效率等級(jí)。

表3 模糊規(guī)則

3.4 建立公交線路運(yùn)行效率模糊專家預(yù)測(cè)模型

在確定模糊集和模糊規(guī)則后，利用模糊邏輯開(kāi)發(fā)工具箱建立城市公交線路模糊專家預(yù)測(cè)模型。模糊專家系統(tǒng)的推理過(guò)程如圖5所示，通過(guò)拖動(dòng)圖中虛線來(lái)確定標(biāo)準(zhǔn)化后的路段通行能力、車輛?？繒r(shí)間T、發(fā)車頻率的值，同時(shí)可以得到相應(yīng)于運(yùn)行效率的值。值越大，表示效率越高。根據(jù)建立的模糊專家規(guī)則庫(kù)，通過(guò)FIS輸出曲面觀測(cè)器觀測(cè)不同輸入量對(duì)輸出值的影響，其三維輸出效果如圖6至圖8所示。

圖5 模糊專家推進(jìn)過(guò)程規(guī)則庫(kù)

圖6 D與C、Td的關(guān)系

圖8 D與Td、t的關(guān)系

利用所構(gòu)建的模糊專家預(yù)測(cè)模型，公交規(guī)劃人員可以對(duì)已開(kāi)通線路進(jìn)行運(yùn)行效率檢驗(yàn)，識(shí)別運(yùn)行效率低的線路以及主要影響指標(biāo)與節(jié)點(diǎn)，以便采取相應(yīng)的改善措施，提高相應(yīng)線路的運(yùn)行效率。

圖7 D與C、t的關(guān)系

4 實(shí)例驗(yàn)證

本文選擇常州市8條公交線路進(jìn)行運(yùn)行效率研究，依次將每一條公交線路所經(jīng)過(guò)的路段以及站點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。按照本文的方法，依據(jù)路段通行能力計(jì)算公式，分別計(jì)算8條公交線路所經(jīng)過(guò)路段的通行能力，同時(shí)計(jì)算每條線路所經(jīng)過(guò)路段的通行能力的均值作為路段通行能力的輸入值。根據(jù)公交車輛?？繒r(shí)間的計(jì)算模型，分別計(jì)算每條公交線路每個(gè)站點(diǎn)的?？繒r(shí)間，得到每條線路所有?？繒r(shí)間的均值，同時(shí)記錄每條公交線路高峰期間的發(fā)車頻率。最終獲得8條線路路段通行能力、車輛?？刻卣饕约鞍l(fā)車頻率3個(gè)指標(biāo)的輸入值。結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 研究線路指標(biāo)

按照本文的方法，將調(diào)查以及模型計(jì)算得到的各條線路的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獲得路段通行能力與車輛?？繒r(shí)間的均值，并輸入至訓(xùn)練好的模糊專家系統(tǒng)中，將輸出結(jié)果進(jìn)行整理，得到每條公交線路的實(shí)際運(yùn)行效率以及各個(gè)指標(biāo)對(duì)運(yùn)行效率影響的程度，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 輸出結(jié)果 單位：%

通過(guò)對(duì)輸出結(jié)果的整理，可以得到每一條公交線路的實(shí)際運(yùn)行效率以及每個(gè)指標(biāo)對(duì)運(yùn)行效率的影響程度，進(jìn)而為相關(guān)規(guī)劃人員提供改善依據(jù)，針對(duì)運(yùn)行效率低的線路以及影響程度最大的指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。為了具體分析每條線路各路段通行能力、各站點(diǎn)車輛停靠時(shí)間以及發(fā)車頻率對(duì)運(yùn)行效率的影響，將各部分調(diào)查數(shù)據(jù)輸入模糊專家系統(tǒng)中，輸出部分結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 部分路段及車站的輸出值 單位：%

從輸出的結(jié)果可以看出不同路段的通行能力、不同站點(diǎn)的車輛?？繒r(shí)間以及各條線路的發(fā)車頻率對(duì)線路整體的運(yùn)行效率有不同的影響程度，對(duì)于某些運(yùn)行效率低的線路可以具體分析影響程度最大的因素，并采取有針對(duì)性的改善措施，優(yōu)化城市公交網(wǎng)絡(luò)。本文對(duì)5路公交車的關(guān)鍵路段通行能力和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)車輛停靠時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，前后對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化結(jié)果

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，對(duì)5路公交線路的三個(gè)關(guān)鍵路段通行能力進(jìn)行優(yōu)化后，整體線路的運(yùn)行效率提高15%，對(duì)8個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)?？繒r(shí)間優(yōu)化后，整體線路的運(yùn)行效率提高22%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文響應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略，深入研究城市公交運(yùn)行效率預(yù)測(cè)方法，為提升城市公交運(yùn)行效率提供依據(jù)，推動(dòng)城市交通出行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本文首先分析城市公交線路運(yùn)行效率的影響因素，并根據(jù)已有的研究成果，提出各影響因素的指標(biāo)與計(jì)算模型，同時(shí)根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)車輛?？繒r(shí)間模型中的參數(shù)進(jìn)行擬合，以確定標(biāo)定后的模型，對(duì)城市公交線路運(yùn)行效率的計(jì)算結(jié)果可以幫助規(guī)劃、管理者明確各條公交線路的運(yùn)行情況，對(duì)運(yùn)行效率較低的線路采取有效改善措施，以提高整個(gè)城市公交系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)可以針對(duì)某些關(guān)鍵路段以及關(guān)鍵車站進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高公交系統(tǒng)的服務(wù)水平，吸引客流。本文在分析影響城市公交線路運(yùn)行效率的因素時(shí)，對(duì)運(yùn)行組織特征的分析只簡(jiǎn)單地分析了發(fā)車頻率，不涉及其他方面，顯然與實(shí)際情況有一定差距，在下一步的研究中，將進(jìn)一步分析運(yùn)行組織的其他特征對(duì)公交線路整體運(yùn)行效率的影響，使得所訓(xùn)練的模糊專家系統(tǒng)更加符合實(shí)際。