支持信號優先的快速公交行車時刻表優化算法

論文類別:理學論文 > 統計學論文
論文作者: 熊桂喜 馬樹東
上傳時間:2008/5/1 15:25:00

摘 要 行車時刻表是公交運營調度的基础,對公交的服務水平、运營收入和車輛的周轉效率起着重要的作用。本文根據快速公交的特點,建立了支持信號優先的快速公交行車時刻表優化模型,旨在降低車輛在交叉口的等待時間,提高周轉效率。在此基礎上提出了快速公交行車时刻表優化算法,並且针對北京市某快速公交線路的行車時刻表進行了優化實驗。實验結果表明,算法可以有效地降低車輛在交叉口的等待時間。
  關鍵詞 信號優先;快速公交;公交調度;行車时刻表;優化算法

1 引言

  運營調度是公交企業的核心工作,一般分為行車時刻表編制、現場調度和统計分析三個階段。其中,行車時刻表也叫行車計劃,是組織和指導公交企業運營生產全過程的生產作業性計劃,是公交運營調度的基礎。對於行車時刻表優化,國内外許多學者做過相關研究。Scheele[1]提出了基於最小乘客出行時間的公交線路发車頻率優化模型,Koutsopoulos等[2]提出了一個以乘客等待費用、運營成本和擁擠費用最小為目標的非線性規劃模型。孫芙灵[3]探討了不同客流狀態下確定時段配車数和發車頻率的方法,楊兆升[4]提出了一個最大化社會效益的發車頻率優化模型。
  研究表明,交叉口延誤占公交整個行程時間的10%~20%,占整個延誤時間的50%[5]。因此,只有降低了交叉口延误,才能顯著降低公交車輛的行程延誤,真正實現快速公交的快速。因此,本文提出了一种旨在降低公交車輛在交叉路口等待時間的快速公交行车時刻表優化模型,並在模型的基础上建立了行車時刻表優化算法。

2 快速公交運行描述

  快速公交車輛有序地運行在一系列的站臺與路口之間,在每個站臺停車上下乘客,在需要的路口停車等待绿燈。考慮一條典型的快速公交線路(如圖1所示),與传統公交線路相比,快速公交线路具有如下特征:
  1) 公交專用道
  公交專用道將其他交通與快速公交相隔離,給與了快速公交道路优先權,從而避免了其他交通流對快速公交運營速度的影響。
  2) 交叉口公交信號優先
  快速公交的交叉口一般設置公交專用信號燈,並對快速公交給與信號優先,從而提高快速公交的運营速度。
图1 快速公交線路示意圖

  對線路上的所有站臺和交叉路口分別進行編號,在AB方向,站臺順序為<1>,<2>,……,<M-1>,<M>,在BA方向站臺编號依次為<M+1>,<M+2>,……,<2M-2>,<2M-1>,<2M>。路口顺序在AB方向為<1>,<2>,……,<N-1>,<N>,在BA方向依次為<N+1>,<N+2>,……,<2N-2>,<2N-1>,<2N>。定義站臺k和k+1之間的路段為路段k,則在AB方向上路段編號為<1>,<2>,……,<M-1>,在BA方向上路段編號為<M+1>,<M+2>,……,<2M-1>。
同样地,對行車時刻表中的所有車次按照發車时刻的順序進行編號,假設共有K次行車計劃,則按照發車時刻將行車時刻表中的所有計劃依次编號為<1>,<2>,……,<K>。以上標來表示車次編號,下標表示站臺编號,則第i次公交車到達第k個站臺的時刻可以表示為(如圖2所示):
  其中,Tk-1i為第i次車到达k-1站臺的時刻;tsk-1i為第i次車在站臺k-1的停靠時間;trk-1i為第i次車在路段k-1的行駛時間;twk-1i為第i次車通過路段k-1上的交叉口所用的時間。
支持信号优先的快速公交行车时刻表优化算法
圖2 快速公交車輛運行示意圖
  即公交車輛從到達某一站點到到達下一站點的行程時間分為三部分,分別為站点服務乘客的停靠時間,所經路段上的行駛時間和途中通過交叉口的時間。即:
  行程時間 = 站台停靠作業時間 + 路段行驶時間 + 通過交叉口时間。

3 快速公交行車時刻表優化模型

  模型的目標是使公交車輛在交叉口的等待時間最小,但應同時兼顧乘客的利益和公交公司的收入。因此,選定考慮的因素為車輛在交叉口的等待時間、乘客的候車時間、车輛的滿載率和企業的运營收入。下面首先分別對這四個因素建立數學模型,最終建立快速公交行車时刻表的優化模型。

3.1 車輛交叉口等待時間建模

  對車辆交叉口等待時間,使用隸属度函數來表示。假設當公交車辆通過路口不需要等待綠燈,即等待時間為0時,隸属度為1;當車輛需要在路口停車等待綠燈時,隶屬度隨著車輛在路口等待時間的增加而降低。因此,使用函數μj(x)來表示第j輛車交叉口等待時間的隸屬度:
  式中:x為車辆的交叉口等待時間;qwj為第j次車的交叉口等待時間的期望值;m0為等待時间小於期望值qwj時的車輛交叉口等待時間隸屬度值;Tsj為第j次車通過的所有路口的信號機紅灯時長之和。其中,車輛的交叉口等待時間的計算公式如下:
  其中,kj為第j次車通過的路口数量,wij為第j次車通過第i個路口的等待時間。

3.2 乘客候車時間建模

  乘客在等待公交車輛時,都希望候車時間越短越好,因此,在模型中應考慮乘客的候車时間。為了計算的方便,采用候車时間小於耐受時間的乘客數與總乘客人數的比例,作為乘客候車時间的度量。
  當公交車辆到達站臺時,如果候车人數超過在耐受時間內到達的乘客數,則候車乘客中必定存在候車時間超過耐受時間的乘客,這一部分人數等於該站候車总人數減去在耐受時間內到達的乘客人數。計算公式如下:
  其中,uij為第j次車在i站停靠時的候車超過耐受時間的乘客數;pij為第j次車到達i站時的候車人數;tij為第j次車到達i站的時間;L為乘客能夠接受的最大候車時间;λi(t)為i站t時刻的乘客到達率(人/分鐘)。
  在給定初始狀態的情况下,可以逐站計算出候車時間超過耐受時間的乘客數,從而得到乘客候車時間的隸属度計算公式如下,其中mj為第j次車經過的站臺数量:

3.3 滿載率建模

  滿載率是公交企業制定運營計劃時的一个重要指標,如果滿載率過高,將造成車上過於擁擠,服務質量下降,從而引起乘客不滿;如果滿載率過低,則浪費運力,增加了企業的運營成本。使用函數μj(x)來表示第j輛車的滿載率隸屬度:
  式中:x為車輛的平均满載率;lej為第j次車的满載率指標;其中,車輛平均滿载率x的計算公式如下:
  其中,mj为第j次車經過的站臺數量,lij為第j次車在i站臺上下客後的滿載率。

3.4 企業運營收入建模[6]

  公交企業在運營滿足客流需求的前提下,總是希望運營成本較小,企業收入較高。假设每發一輛車企業對收入都有一個最低期望值和一個滿意期望值,當實际收入低於最低期望值時,企業收入隸屬度為0;當實际收入大於滿意期望值時,企業收入隸屬度為1。因此,企業運營收入隸屬度使用如下公式表示:
  
轉贴於 免費論文下載中心 http://www.hi138.com 式中:x為公交車輛客票收入;b1為企業對每一車次客票收入的最低期望值;b2為企業對每一車次客票收入的滿意期望值。其中,客票收入x計算公式如下:
  其中,Bij為第j次車在站臺i上車的乘客數;ρ為客票價格;mj為第j次車經过的站臺數量。

3.5 優化模型

  綜上所述,建立快速公交行車時刻表優化模型如下:
  其中,Si、Sw、Sc和Sc的意義如上所述,Swe、Sce和See分別為Sw、Sc和Se的最低期望值。

4 快速公交行車時刻表優化算法

  優化算法建立在優化模型之上,主要輸入數据為:初始發車時刻表、客流數據和交叉口信號機配時信息。算法主要有兩個步驟:搜索尋求最優解和二次掃描消除不可行解。

4.1 搜索尋求最優解

  搜索尋求最優解是優化算法的核心部分,主要任務是針對初始行車時刻表的每一車次,計算相應的指標Si,如果Si大於等於期望值Sie,則不進行優化;如果Si小於期望值Sie,則在可行域內搜索尋找最優解,即在滿足乘客候車時間、滿載率和企業運營收入指標的條件下,尋求Si的最大值。具體步驟如下:
  (1) 判斷是否所有車次已經優化完畢,是則轉(5),否則執行(2)。
  (2) 計算下一次行車計劃的交叉口等待時间指標Si,如果Si大於等于期望值Sie,則轉(1),否則轉(3)。
  (3) 在發車間隔的可行区間內進行搜索,找到使指標Si值最大且滿足约束條件的最優發車間隔。
  (4)修改本次行車計劃,使發車間隔为最優發車間隔,轉(1)。
  (5) 結束。
  在Si小於Sie時,需要在發車間隔的可行區間內進行搜索,以尋找最佳發車間隔,假設發車間隔的最小值和最大值分別為min_inter和max_inter,以分鐘为單位;orig_inter為原計劃的發車間隔,orig_si為按原計劃發車時的Si指標值,則搜索方法如下:
optimized_inter = orig_inter
max_si = orig_si
inter = min_inter
while (inter <= max_inter) do
   if (inter = orig_inter) then
     inter = inter + 1
     continue
   compute si,sw,sc,se
   if (si > max_si and sw >= swe and sc >= sce and se >= see) then
     optimized_inter = inter
     max_si = si
   inter = inter + 1
set the inter of the plan as optimized_inter

4.2 二次掃描消除不可行解

  在使用上述算法對發車時刻表进行優化後,可能出現發車间隔不合理的車次,即發車間隔小于最小發車間隔min_inter或大於最大發車間隔max_inter,所以在优化後還需要再次對發車時刻表進行檢查,如果存在發车間隔不合理的車次,則應进行調整。
  這裏采用一種簡單的調整策略,即針對發車時刻表中的每一車次,檢查其发車間隔,如果發車間隔小於min_inter或大於max_inter,則將該次計劃的發车時間調整為其前一車次和后一車次計劃發車時間的中點。實際計算表明,這種調整策略雖然簡單,但是卻能有效地消除發車時刻表中的不可行解。

5 計算實例

  使用本算法對北京市某快速公交线路的行車時刻表進行了優化分析,下面就該線路的基本情況、采用的評價指標和实驗結果進行說明。

5.1 線路基本情況

  該線路全長32km,共有站臺17座,交叉路口21個,發车時間為5:00到22:30,單車載額180人,單一票價1元。線路最小發車間隔1分鐘,最大发車間隔5分鐘;低峰滿載率60%,高峰滿載率80%;最小乘客候車時間指標0.8,最小滿載率指標0.6,最小企業運營收入指標0.6,交叉口等待时間指標期望值0.8。

5.2 評價指標

  對於快速公交行車時刻表優化的評價,本文采用的評價指標為路口平均等待時間、路口無等待通過率和旅行時間。
  路口平均等待時間是指BRT車輛在交叉路口等待綠燈相位的平均時間,計算公式如下:
  其中,Waittimeij是第i次BRT车輛在第j個路口的等待時間,Waittimeave是路口平均等待時间。
  路口無等待通過率是BRT車輛路口無等待通過的比例,計算公式如下:
支持信号优先的快速公交行车时刻表优化算法
  其中,Nowaitrate是總的無等待通過率,Nowaitratei是第i個路口的無等待通過率,Nbusnowaiti是第i個路口無需等待通過的BRT车輛數。
  旅行時間是指BRT車輛旅行完整個線路的平均行駛時間。

5.3 計算結果

  使用本文提出的优化算法對該線路行車時刻表优化前後的對比結果如表1所示。由表1中的數據可以看出,使用本算法進行優化後,路口平均等待時間降低了3.73秒,路口無等待通過率提高了15.40%,旅行時間下降了約2分鐘。
表1 行車時刻表優化前後指標对比
路口平均等待時間(秒)
路口無等待通過率
旅行時間
(分鐘)
優化前
優化後
優化前
優化後
優化前
優化後
19.32
15.59
0.4605
0.6154
80.11
78.07

6 結語

  在充分分析快速公交特點的基礎上,本文建立了一個簡單有效的优化模型,模型在優化車輛交叉口等待時間的同時,考慮了乘客的利益和公交公司的收益,以乘客候車時間指標和滿載率指標保證公交公司为乘客提供優質的服務,以公司的運營收入指標保證公交公司的利益。模型較為準確地描述了快速公交運營中的各種因素,反映了客觀實際情況。
  優化算法以优化模型為基礎,通過搜索尋優和二次掃描消除不可行解两個步驟實現了對快速公交行車時刻表的優化,通過計算實例的驗證,算法可以有效地降低車輛在交叉口的等待時間。但是,對於算法在實際運用中的效果,還需要進一步的驗證。

參考文獻

[1]     Scheele S. A Supply Model for Public Transit Services[J]. Transportation Research Part B,1980(14):133-146
[2]     Koutsopoulos H. N.,Odoni A.R.,Wilson. Determination of Headways as a Function of Time Varying Characteristics on a Transit Network. Computer Scheduling of Public Transport 2,1985: 391-414
[3]     孫芙靈. 公交調度中发車間隔的確定方法討論[J]. 西安公路交通科技大學學報,1997,17(2B):44-48
[4]     楊兆升. 城市智能公共交通系统理論與方法. 中国鐵道出版社,2004
[5]     Herbert S.L.,Scott R.,Eric B. TCRP Report 90:Bus Rapid Transit[R]. Transportation Research Board,2003
[6]     牛学勤,陳茜等. 城市公交線路調度发車頻率優化模型[J]. 交通運輸工程學報,2003,3(4): 68-72
[7]     Andre de Palma,Robin Lindsey. Optimal Timetables for Public Transportation[J]. Transportation Research Part B,2001(35):789-813
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