本發(fā)明屬于智能交通領(lǐng)域，尤其是一種基于大站快車的公交車線路組合服務(wù)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

大站快車指公交車輛從起點站至終點站過程中，僅?？垦鼐€客流集散量較大站點、越站快行的調(diào)度形式，采用大站快車與全程車的公交線路組合服務(wù)模式，可以在車輛資源有限的約束下，提高公交服務(wù)水平，降低系統(tǒng)運營成本。

目前大部分城市的公交運營管理者仍然采用“均勻發(fā)班、站站?？俊钡恼{(diào)度方式。隨著居民出行量的增長，越來越多的公交客流存在很大的時間不均衡性和空間不均衡性，傳統(tǒng)的站站停公交服務(wù)模式，已經(jīng)很難滿足居民出行需求，高峰時段公交車超載、乘客滯留在站臺等情況時有發(fā)生，公交服務(wù)水平難以得到保證。為了滿足公交沿線長距離出行需求，大站快車的調(diào)度方式逐漸得到重視。大站快車在公交線路沿線的部分站點?？浚哂羞\量大、站間距大、運行速度高等優(yōu)點。

大站快車與全程車的公交線路組合服務(wù)模式，包括快車?？空具x擇以及組合發(fā)車頻率，用于滿足不同乘客的出行需求，提升城市公交系統(tǒng)服務(wù)水平。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：提供一種基于大站快車的公交車線路組合服務(wù)優(yōu)化方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提高公交服務(wù)水平，降低出行成本和公交運營成本。

技術(shù)方案：一種基于大站快車的公交線路組合服務(wù)方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：考察客流、道路條件，選擇合適的公交線路，設(shè)計大站快車組合服務(wù)方案；

步驟2：調(diào)查選擇優(yōu)化的公交線路基本信息，包括：線路長度、站點布設(shè)、站間距、運營速度、車輛類型、車隊規(guī)模、發(fā)班計劃、高峰時段客流OD數(shù)據(jù)(上行及下行)；

步驟3：處理調(diào)查所得的站間距、客流OD數(shù)據(jù)，得到線路站間距矩陣、高峰小時上行和下行的客流OD矩陣；

步驟4：將公交線路上的出行方式，按照車站是否有快車停靠分為快車相關(guān)(純快車、快車換乘全程車、全程車換乘快車)出行、全程車出行兩種。利用BNL模型(二項Logit模型,Binary-nomialLogit)，以乘客的等車時間、在車時間、換乘等車時間為效用項建立效用函數(shù)，計算出行者選擇快車相關(guān)出行方式或全程車出行的概率，進而預測得到不同出行方式的OD矩陣；

步驟5：以所有乘客總出行時間成本與公交運營成本之和構(gòu)成的系統(tǒng)總成本最小為目標函數(shù)，以公交線路大站快車停靠站、快車和全程車的發(fā)車頻率為決策變量，建立大站快車?？空具x擇與線路組合發(fā)車頻率優(yōu)化模型；

步驟6：利用遺傳算法求解模型的近似最優(yōu)解，得到快車停站及組合發(fā)車頻率方案；

步驟7：做敏感度分析，研究乘客單位時間價值、公交運營成本單價、公交車輛容量、客流量等因素變化對各項成本和組合發(fā)車頻率的影響。

所述步驟4進一步包括如下步驟：

步驟41：對于站點數(shù)為n的公交線路，引入變量δ_k表示站點k是否為大站快車停靠站點，若，站點k是大站快車停靠站，則δ_k＝1，否則，δ_k＝0。討論起點站δ_i和終點站δ_j的4種組合情況構(gòu)造效用函數(shù)，用以計算乘客對快車和全程車的選擇概率。效用函數(shù)由乘客在起點站等待時間、乘客在車時間、換乘等車時間三部分構(gòu)成；

步驟42：當δ_i＝1,δ_j＝1，起點和終點站大站快車均?？?，乘客可以選擇乘坐大站快車或全程車直達目的地站，無需換乘。則兩種出行方式的效用函數(shù)為：

式中，V_ij11表示δ_i＝1,δ_j＝1時，乘客從起點站i到終點站j乘坐大站快車的效用函數(shù)；V_ij12表示δ_i＝1,δ_j＝1時，乘客從起點站i到終點站j乘坐全程車的效用函數(shù)；f_快為大站快車發(fā)車頻率；f_全為全程車發(fā)車頻率；l_i,j為起點站i和終點站j的距離；v_快為大站快車行駛速度；v_全為全程車的行駛速度；α為乘客等車時間系數(shù)；Δ_t為車輛平均停站時間，包括乘客在車站上下車的時間；θ₁、θ₂表示各效用項特性的權(quán)重系數(shù)，i、j、k為小于等于n的自然數(shù)；

否則轉(zhuǎn)步驟43；

步驟43：當δ_i＝1,δ_j＝0時，起點站有大站快車?？?，終點站無大站快車停靠，乘客可以選擇在起點站乘坐大站快車，在距終點站最近且有快車?？康拇笳鞠萝嚕瑩Q乘全程車至終點站，該方式簡稱快車換乘；或選擇乘坐全程車，無需換乘。兩種出行方式的效用函數(shù)為：

式中，V_ij21表示δ_i＝1,δ_j＝0時，乘客從起點站i到終點站j選擇快車換乘出行方式的效用函數(shù)；V_ij22表示δ_i＝1,δ_j＝0時，乘客從起點站i到終點站j乘坐全程車的效用函數(shù)；l_i,s為起點站i和換乘站k的距離；l_s,j為換乘站k和終點站j的距離，θ₁、θ₂、θ₃表示各效用項特性的權(quán)重系數(shù)；v_快為大站快車行駛速度；v_全為全程車的行駛速度；α為乘客等車時間系數(shù)；f_快為大站快車發(fā)車頻率；f_全為全程車發(fā)車頻率；l_i,j為起點站i和終點站j的距離；Δ_t為車輛平均停站時間，包括乘客在車站上下車的時間；

否則轉(zhuǎn)步驟44；

步驟44：當δ_i＝0,δ_j＝1時，起點站無大站快車?？?，終點站有大站快車停靠，乘客可以選擇在起點站乘坐全程車，在距起點站較近且有快車?？康拇笳鞠萝?，換乘大站快車至終點站，該方式簡稱全程車換乘；或選擇乘坐全程車，無需換乘。則兩種出行方式的效用函數(shù)為：

式中，V_ij31表示δ_i＝0,δ_j＝1時，乘客從起點站i到終點站j選擇快車換乘出行方式的效用函數(shù)；V_ij32表示δ_i＝0,δ_j＝1時，乘客從起點站i到終點站j乘坐全程車的效用函數(shù)；θ₁、θ₂、θ₃表示各效用項特性的權(quán)重系數(shù)；α為乘客等車時間系數(shù)；f_快為大站快車發(fā)車頻率；f_全為全程車發(fā)車頻率；l_i,j為起點站i和終點站j的距離；Δ_t為車輛平均停站時間，包括乘客在車站上下車的時間；l_i,s為起點站i和換乘站k的距離；l_s,j為換乘站k和終點站j的距離；

否則，轉(zhuǎn)步驟45；

步驟45：當δ_i＝0,δ_j＝0時，起點站和終點站均無大站快車?？浚绻俗燔?，乘客需要多次換乘，時間成本較高，認為所有乘客都乘坐全程車。兩種方式的效用函數(shù)為：

式中，V_ij41表示乘客從起點站i到終點站j選擇快車換乘出行方式的效用函數(shù)；V_ij42表示δ_i＝0,δ_j＝1時，乘客從起點站i到終點站j乘坐全程車的效用函數(shù)；

步驟46：根據(jù)BNL模型公式，計算四種情況下乘客快車相關(guān)出行概率：

式中V_ij1＝V_ij11·δ_i·δ_j+V_ij21·δ_i·(1-δ_j)+V_ij31·(1-δ_i)·δ_j+V_ij41·(1-δ_i)·(1-δ_j)

V_ij2＝V_ij12·δ_i·δ_j+V_ij22·δ_i·(1-δ_j)+V_ij32·(1-δ_i)·δ_j+V_ij42·(1-δ_i)·(1-δ_j)

b-BNL模型參數(shù)

計算四種情況下乘客全程車出行的概率P_ij2：

所述步驟5進一步為：

步驟51：計算乘客出行時間，其由等車時間和在車時間兩部分構(gòu)成，分4種情況討論不同δ_i和δ_j組合；

步驟52：當δ_i＝1,δ_j＝1時，兩種出行方式的時間為：

式中，t_ij11-δ_i＝1,δ_j＝1時，乘客從站i到站j選擇乘坐大站快車的出行時間；

t_ij12-δ_i＝1,δ_j＝1時，乘客從站i到站j選擇乘坐全程車的出行時間。

否則，轉(zhuǎn)步驟53；

步驟53：當δ_i＝1,δ_j＝0時，兩種出行方式的時間為：

式中，t_ij21-δ_i＝1,δ_j＝0時，乘客從站i到站j選擇快車換乘方式出行時間；

t_ij22-δ_i＝1,δ_j＝0時，乘客從站i到站j選擇乘坐全程車的出行時間。

否則，轉(zhuǎn)步驟54；

步驟54：當δ_i＝0,δ_j＝1時，兩種出行方式的時間為：

t_ij31表示δ_i＝0,δ_j＝1時，乘客從站i到站j選擇全程車換乘方式出行時間；t_ij32表示δ_i＝0,δ_j＝1時，乘客從站i到站j選擇乘坐全程車的出行時間；

否則，轉(zhuǎn)步驟55；

步驟55：當δ_i＝0,δ_j＝0時，兩種出行方式的時間為：

t_ij41表示δ_i＝0,δ_j＝0時，乘客從站i到站j的出行時間；t_ij42表示δ_i＝0,δ_j＝0時，乘客從站i到站j的出行時間；

步驟56：計算乘客出行總成本。利用變量δ_i和δ_j不同取值組合，將以上4種情況合并到一起考慮，則1名乘客從起點站i到終點站j選擇乘坐快車或通過換乘乘坐快車的時間為：

t_ij1＝t_ij11·δ_i·δ_j+t_ij21·δ_i·(1-δ_j)+t_ij31·(1-δ_i)·δ_j+t_ij41·(1-δ_i)·(1-δ_j)

從起點站i到終點站j選擇乘坐全程車的時間為：

t_ij2＝t_ij12·δ_i·δ_j+t_ij22·δ_i·(1-δ_j)+t_ij32·(1-δ_i)·δ_j+t_ij42·(1-δ_i)·(1-δ_j)

得到所有乘客的出行時間成本為：

式中，Cp-所有乘客出行總成本；

T-為所有乘客總出行時間

a-乘客單位時間價值；

D_ij-從起點站i到終點站j的客流量，包括上行和下行兩部分。

步驟57：計算公交運營成本：

式中，Cm-公交運營成本；

C_快-快車單位時間運營成本單價；

-快車的往返運行時間；

-上行快車的停站時間；

-下行快車的停站時間；

C_全-全程車單位時間運營成本單價；

-全程車的往返運行時間；

2(n-1)·Δ_t-全程車的往返停站時間；

步驟58：建立系統(tǒng)總成本優(yōu)化函數(shù)：

min Z＝Cp+Cm

步驟59：建立優(yōu)化模型約束條件。

最小發(fā)車頻率約束：

式中，d_快-乘坐大站快車乘客的高峰小時最大斷面流量；

β_快-大站快車的滿載率；

c_快-快車容量，即1輛大站快車能夠乘坐的乘客數(shù)；

d_全-乘坐全程車乘客的高峰小時最大斷面流量；

β_全-全程車滿載率；

c_全-全程車容量，即1輛全程車能夠乘坐的乘客數(shù)。

N^*-正整數(shù)

車隊規(guī)模約束：

式中，M-車隊車輛數(shù)。

有益效果：本發(fā)明提出的公交線路組合服務(wù)。使不同出行距離乘客得到有針對性的分類服務(wù)，相互影響減少，乘客的出行時間得到減少。利用BNL模型細致模擬了乘客對不同出行方式的選擇及換乘行為。建立優(yōu)化模型，解決了大站快車停站選址及組合發(fā)車頻率問題。減少乘客的公交出行時間成本，提高公交服務(wù)水平。加快公交車輛周轉(zhuǎn)速度，提高了車輛利用率，降低了公交運營成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖。

圖2是本發(fā)明實例優(yōu)化方案示意圖。

具體實施方式

結(jié)合圖1描述本發(fā)明的基于大站快車的公交線路組合服務(wù)方法，包括如下步驟：

步驟1：據(jù)調(diào)查，成都公交3路客流量較大，沿線道路較好，線路里程較長，站點較多。故選擇為研究對象，對3路的快車停靠站點選擇及發(fā)車頻率進行優(yōu)化；

步驟2：據(jù)調(diào)查，公交3路上行線路為九里堤公交站至城東客運中心，全長約18.3公里，沿線設(shè)站32個；下行線路為城東客運中心至九里堤公交站，全長約22.1公里，沿線設(shè)站30個；行駛車速約20km/h，全程運營時間約1.5h；采用分時段均勻發(fā)班，高峰時刻27班/小時；

通過電子地圖測距功能得到站間距，采用公交站間OD調(diào)查，獲得3路高峰時段公交OD數(shù)據(jù)；

步驟3：處理調(diào)查所得的站間距數(shù)據(jù)，得到上行線路站間距矩陣dissx、下行線路站間距矩陣dissxx；將客流OD數(shù)據(jù)修補和擴樣后，得到線路高峰小時上行客流OD矩陣Dsx和下行客流OD矩陣Dxx；

步驟4：在建模過程用到的參數(shù)，通過調(diào)查和參考相關(guān)文獻取經(jīng)驗值的方式，確定了全部參數(shù)的取值，結(jié)果如表1所示：

表1 參數(shù)取值匯總

將相應(yīng)參數(shù)帶入BNL模型中，分別得到快車相關(guān)出行方式和全程車出行方式的效用函數(shù)：

進而求得乘客選擇快車相關(guān)出行方式和全程車出行方式的概率：

步驟5：建立大站快車停靠站選擇與線路組合發(fā)車頻率優(yōu)化模型：

由上行平均出行時間tsx_ij，下行平均出行時間txx_ij，計算乘客總出行時間：

計算公交運營成本：

系統(tǒng)總成本：

min Z＝10·T+Cm

約束條件：

步驟6：利用遺傳算法求解模型，多次計算得到近似最優(yōu)解，從而得到最佳的大站快車停站選擇方案與組合發(fā)車頻率：

δ_上行＝[1,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,1,0,1,0,0,1,0,0,0,0,1,0,1,1,0,0,1,0,1]

δ_下行＝[1,1,0,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,1,0,1,0,0,0,1,1,0,0,1,0,1,1,0,1,1]

f_快＝9

f_全＝16

具體優(yōu)化方案如圖2所示。

步驟7：根據(jù)快車停站與組合發(fā)車頻率優(yōu)化方案，計算系統(tǒng)總成本、乘客出行總時間成本、管理方運營總成本、最小車隊規(guī)模。利用現(xiàn)狀高峰小時發(fā)車頻率f_現(xiàn)＝27、上行下行高峰小時OD矩陣及相關(guān)參數(shù)，也可以計算出現(xiàn)狀調(diào)度方案的系統(tǒng)總成本、乘客出行總時間成本、管理方運營總成本、最小車隊規(guī)模。表2描述了兩種方案的結(jié)果。

表2 快車組合調(diào)度方案與現(xiàn)狀調(diào)度方案對比

從表2看出，在基于大站快車的組合服務(wù)模式下，無論是乘客出行時間總成本，還是運營總成本，相比現(xiàn)狀都有顯著下降，系統(tǒng)總成本更是節(jié)省了約7.84％。究其原因，大站快車的出行方式減少了長距離出行乘客的大量時間，所以乘客總出行時間減少；大站快車組合調(diào)度的總發(fā)車頻率為25，小于現(xiàn)狀發(fā)車頻率，而且快車較短的行程時間縮短了車輛的周轉(zhuǎn)時間，所以減少了運營總成本，減少了所需車隊規(guī)模。

以每天早晚高峰4個小時、全年250個工作日計算，采用大站快車的組合服務(wù)模式能夠節(jié)省乘客出行時間費用2,410,000元，節(jié)省運營費用系統(tǒng)總費用1,170,000元，節(jié)省系統(tǒng)總費用3,570,000元，對出行者、對公交企業(yè)、對社會都有顯著效益。

敏感度分析：在快車停站方案不變的前提下，在一定范圍內(nèi)改變乘客時間成本、公交運營成本單價、公交車容量、客流量的取值，計算最優(yōu)發(fā)車頻率組合和各項成本，分析模型各參數(shù)的敏感性。

表3展示了乘客單位時間價值在[5,17]的范圍變化時，最優(yōu)發(fā)車頻率組合、運營總成本、乘客出行總成本、系統(tǒng)總成本的變化。從圖中可以看出，全程車發(fā)車頻率幾乎不變；快車發(fā)車頻率在乘客時間成本上升較多時，有小幅上升；由于總發(fā)車頻率變化不大，公交運營總費用的變化也不明顯；隨著乘客單位時間價值增加，乘客的出行時間成本明顯增加，也導致系統(tǒng)總成本線性增加。

表3 乘客單位時間價值敏感性分析

表4展示了公交運營成本單價在[50,150]的范圍變化時，最優(yōu)發(fā)車頻率組合、運營總成本、乘客出行總成本、系統(tǒng)總成本的變化。分析該圖可知，全程車發(fā)車頻率幾乎不變；在公交運營成本單價較低時，快車發(fā)車頻率較高，隨著運營成本單價增加，快車頻率趨于穩(wěn)定；由于總發(fā)車頻率整體來說較穩(wěn)定，乘客的出行時間沒有明顯變化，其出行成本也沒有明顯變化；隨著公交運營成本單價的增長，運營總成本顯著上升，也引起了系統(tǒng)總成本的增加。

表4 公交運營成本單價敏感性分析

表5展示了公交車容量在[70,150]的范圍變化時，最優(yōu)發(fā)車頻率組合、運營總成本、乘客出行總成本、系統(tǒng)總成本的變化。分析可知，當公交車容量較小時，為了滿足客運需求，快車和全程車的發(fā)車頻率都較高，隨著公交車容量變大，發(fā)車頻率逐漸下降；隨公交容量增加，發(fā)車頻率下降，乘客平均等車時間增長，故乘客總出行成本略有上升，但變化較??；受發(fā)車頻率影響，運營總成本隨公交容量增加而減小；系統(tǒng)費用受乘客出行成本與運營成本雙重影響，變化不大。

表5 公交車容量敏感性分析

表6展示了客流量在原客流量的[0.8,1.2]倍范圍變化時，最優(yōu)發(fā)車頻率組合、運營總成本、乘客出行總成本、系統(tǒng)總成本的變化。顯然，隨著客流量的增加，快車、全程車的發(fā)車頻率、運營總成本、乘客出行總成本、系統(tǒng)總成本都顯著增長。

表6 客流量敏感性分析

綜上，本發(fā)明提出大站快車與全程車的組合服務(wù)模式，利用BNL模型，充分考慮大站快車組合服務(wù)模式下，出行者對于快車與全程車之間的換乘、快車出行或全程車出行方式的選擇。以所有乘客總出行時間費用與運營總成本之和構(gòu)成的系統(tǒng)總成本最小為目標函數(shù)，建立優(yōu)化模型，并求解得到最優(yōu)的大站快車?？空具x擇與線路組合發(fā)車頻率方案。在案例分析中，應(yīng)用本發(fā)明得到的組合服務(wù)模式與現(xiàn)狀調(diào)度方案相比，能有效節(jié)約乘客出行時間、減少運營管理成本，對公交運營管理部門的調(diào)度工作具有現(xiàn)實意義。

以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。