（交通运输规划与管理专业论文）基于可靠性的公交时刻表优化设计研究.pdf

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感谢我的父母和姐弟，多年来他们一直给予我无私的帮助和支持，让我在近 二十年的求学生涯中始终感受到温馨的亲情。他们的理解和鼓励是我专心完成学 业的前提。 最后，向百忙之中审阅本文的专家老师们表示衷心的感谢! 北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 随着我国社会经济的快速发展、城市规模的不断扩大，城市交通拥堵现象日 趋严重。优先发展城市公共交通是解决城市交通问题的主要出路，所以提高公交 系统对乘客的吸引力便成为迫在眉睫的问题，而这个吸引力的体现就是公交系统 的可靠性。目前，公交可靠性虽然有了较为深入研究，但是大多停留在对公交系 统可靠性评价指标体系建立方面，并没有将公交可靠性的理论应用到公交系统改 善之上。为此，本文阐述公交系统可靠性的定义，分析公交系统可靠性的影响因 素及其组成，探讨提高公交系统可靠性的措施；阐述公交时刻表制定问题，并从 调整公交时刻表的角度来提高公交系统的可靠性，设计时刻表优化方案，确定发 车间隔，最后用北京公交6 9 8 线路( 下行) 的数据对优化方法进行验证。论文的 主要内容包括以下几个方面： 1 在分析工程可靠性理论的基础上，阐述公交系统可靠性的定义及表示方法。 探讨公交系统可靠性的影响因素，定义公交系统可靠性的三个组成要素，分析提 高公交系统可靠性的措施。 2 讨论公交时刻表编制的依据和流程，选取公交时刻表设计的关键发车 间隔做重点分析。分析确定发车间隔的方法，探讨不同组合形式下的公交时刻表 形式，并通过调整公交时刻表来提高公交系统可靠性。 3 分析时刻表优化的目标函数，选取公交系统三个可靠度作为约束条件，构 建基于可靠性的公交时刻表优化设计模型，给出求解算法，优化发车间隔，确定 发车时刻表，提高公交可靠性。 4 结合案例进一步验证了论文理论方法的合理性和可行性，并对案例的计算 结果进行了分析，取得了较好的效果。 关键词：公交系统；可靠性；时刻表；发车间隔；遗传算法 分类号：u 4 9 2 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t 、m mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i o - e c o n o m i ca n dt h ec o n t i n u e de x p a n s i o no f c i t y s i z e ，t h et r a f f i cc o n g e s t i o nb e c o m e se v e nm o r es e r i o u s a st od e v e l o pt h eu r b a np u b l i c t r a n s p o r ti s t h em a i nw a yt oe a s et r a f f i c p r e s s u r e , e n h a n c e i t sa t t r a c t i v e n e s st o p a s s e n g e r si s a n u r g e n tp r o b l e m y e t ，t h em a n i f e s t a t i o no ft h i s a t t r a c t i o ni s h i g h r e l i a b i l i t yo fp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m s a tp r e s e n t ，a l t h o u g hs t u d yo ft h ep u b l i ct r a n s p o r t s y s t e mr e l i a b i l i t yh a v eac e r t a i nd e p t h ，b u tm o s ts t a yi nt h ea s p e c t so fe v a l u a t i o ni n d e x s y s t e mo fp u b l i ct r a n s i t ，a n dt h i sr e l i a b i l i t yt h e o r yh a sn o ta p p l i e dt oi m p r o v et h eu r b a n p u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m t ot h i se n d ，w ee l a b o r a t e dt h ed e f i n i t i o no fp u b l i ct r a n s p o r t s y s t e mr e l i a b i l i t y , a n a l y z e di t s f a c t o r sa n de l e m e n t s ，a n dd i s c u s s e dt h em e a s u r e st o i m p r o v ei t a l s oe l a b o r a t e dt h et i m e t a b l e sf o r m u l a t i o n , i m p r o v e du r b a np u b l i ct r a n s p o r t s y s t e mr e l i a b i l i t yb ya d j u s t st h eb u ss c h e d u l i n g , d e s i g no p t i m i z a t i o np r o g r a mo ft h e s c h e d u l e ；d e t e r m i n et h eh e a d w a y f i n a l l y , w ev a l i d a t e di tw i t ht h ed a t af r o mt h eb u sl i n e 6 9 8o fb e i j i n g t h em a j o rw o r k sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do na n a l y z i n gt h ee n g i n e e r i n gr e l i a b i l i t y , t h ed e f i n i t i o no fp u b l i ct r a n s p o r t s y s t e mr e l i a b i l i t ya n di t sr e p r e s e n t a t i o ni se l a b o r a t e d i n v e s t i g a t e dt h ef a c t o r so fp u b l i c t r a n s p o r ts y s t e m ，d e f i n e di t st h r e ee l e m e n t s ，a n da n a l y z e dm e a s u r e st oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo f p u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m 2 b a s e do nd i s c u s s i n gt h eb a s i sa n dp r o c e s so fb u ss c h e d u l i n g ，h e a d w a yi sc h o s e t ob ea n a l y z e da st h ek e yp r o b l e m t h em e t h o d st od e t e r m i n eb u sh e a d w a yi sa n a l y z e d ， a n dt i m et a b l ef o r m sa r ea l s oa n a l y z e dw h e nu n d e rd i f f e r e n ts c h e d u l ef o r m s a l s ou r b a n p u b l i ct r a n s p o r ts y s t e mr e l i a b i l i t yi si m p r o v e d b ya d j u s tt h et i m e t a b l e 3 a no p t i m i z a t i o np r o g r a mo ft i m e t a b l eb a s e do nr e l i a b i l i t yi se s t a b l i s h e d i nt h i s p r o g r a m ，o b j e c t i v ef u n c t i o ni sa n a l y z e da n dt h et h r e ee l e m e n t sa r es e l e c t e da st h e c o n s t r a i n t s a l g o r i t h mi sg i v e n ，t h eh e a d w a yi so p t i m i z e d ，t i m et a b l ei sd e t e r m i n e d ，a n d t h er e l i a b i l i t yi si m p r o v e d 4 f i n a l l y , t h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h et h e o r i e si se x e m p l i f i e db yac a s e a n dt h er e s u l t si sa n a l y z e dw h i c ho b t a i n e dg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：p u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ；r e l i a b i l i t y ；b u st i m e t a b l e ；h e a d w a y ； g e n e t i ca l g o r i t h m c l a s s n o ：u 4 9 2 北京交通大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 a b s t r a c t i i i l 绪论1 1 1 研究背景一1 1 2国内外研究综述。2 1 2 1 公交系统可靠性研究现状2 1 2 2 公交时刻表研究现状3 1 3 研究目的和意义一4 1 4研究的内容与结构5 2公交系统可靠性7 2 1可靠性及其基本概念7 2 2公交系统可靠性分析8 2 2 1 公交系统可靠性定义8 2 2 2 公交系统可靠性的影响因素1 0 2 2 3 公交系统可靠性的组成1 1 2 3提高可靠性的措施1 4 2 4公交可靠性相关数据获取15 2 4 1 调查内容15 2 4 2 调查方法。16 2 4 3 数据分析处理1 7 2 5本章小结1 9 3公交时刻表编制问题分析2 0 3 1公交时刻表编制问题概述2 0 3 1 1 公交时刻表编制的依据2 0 3 1 2 公交时刻表编制的流程2 l 3 1 3 发车间隔与频率2 2 3 2公交发车间隔确定方法2 3 3 2 1 发车间隔确定的一般方法一2 4 3 2 2 最优发车间隔的确定2 4 3 3 时刻表表现形式2 6 北京交通大学硕士学位论文 目录 3 4从调整公交时刻表的角度提高公交系统可靠性2 7 3 5本章小结2 9 4基于可靠性的公交时刻表优化模型。3 0 4 1模型假设3 0 4 2 模型建立3 0 4 2 1 参数定义3 0 4 2 2 约束条件3 2 4 2 3 目标函数3 2 4 2 4 模型3 3 4 3 求解算法3 4 4 3 1 遗传算法3 4 4 3 2 算法设计3 6 4 4本章小结3 8 5案例分析。3 9 5 1基本数据3 9 5 2 案例计算4 1 5 2 1 可靠性分析一4 1 5 2 2 发车时刻表的制定4 3 5 2 3 结果分析一4 6 5 3本章小结4 8 6结论与展望。4 9 6 1研究结论4 9 6 2研究工作展望4 9 参考文献51 附勇乏5 4 作者简历5 6 独创性声明5 7 学位论文数据集5 8 北京交通大学硕士学位论文图目录 图目录 图1 1 论文组织构架6 图2 1 串联系统7 图2 2 并联系统8 图2 3 公交系统可靠性分析9 图2 4 行程时间可靠度示意图12 图2 5 某线路一天各时段客流量1 9 图2 - 6 某线路各站点一天客流量1 9 图3 1 运行时刻表编制流程图2 2 图3 2 全程车调度形式2 6 图3 3 全程车公交时刻表。2 6 图3 4 区间车调度形式2 6 图3 5 含区间车的公交时刻表2 7 图3 - 6 大站快车调度形式2 7 图3 7 含有大站快车的公交时刻表2 7 图3 8 公交运行可靠性框图2 8 图4 1 遗传算法求解流程图3 7 图5 1 公交6 9 8 线( 下行) 线路图3 9 图5 2 现状南坞站点的到站偏离时间4 1 图5 3 现状丽泽桥站点的到站偏离时间4 2 图5 - 4 现状各时刻发车车次的行程时间4 3 图5 5 某天各时段的客流量汇总4 4 图5 - 6 最优解迭代过程4 5 图5 7 目标函数值的迭代过程4 5 图5 8 优化后南坞站点到站偏离时间4 6 图5 - 9 优化后丽泽桥站点到站偏离时间4 7 北京 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 研究背景 目前，经济迅速发展，无论是在发达国家还是发展中国家，人们对交通的需 求持续增长，城市交通问题日趋严重【lj 。而解决城市交通拥堵问题的关键，就是如 何建立高效率的交通运输体系。但是，交通需求的增长速度与道路交通基础设施 建设速度的不平衡，使得交通供需矛盾日益突显出来。许多专家学者提出“发展 公共交通才是解决城市交通拥堵问题的唯一出路 ，这也是无数西方国家在解决城 市交通问题上得出的真理。大力发展公交优先，已经成为世界性的共识。 尽管城市公共交通能够一定程度上缓解城市交通拥堵现象，但是很多时候人 们并不选择公共交通作为出行的主要方式。公交服务水平低导致大量的客流流失。 随着社会经济的发展，居民生活水平持续上升，交通工具逐渐多样化，人们对城 市公交服务质量的要求越来越高，提出了上档次、多样化、便利性等需求。公共 交通能否为乘客提供安全、便捷、经济、舒适的乘车环境，能否成为高效率，为 大多数人所接受的交通系统，成为人们是否选择公共交通的重要依据。 人们对交通系统的可靠性越来越重视，许多专家学者开始把可靠性理论应用 到交通系统中。交通系统可靠性研究始于2 0 世纪8 0 年代。目前可靠性技术已经 在道路交通系统以及公共交通系统中得到了初步的研究【2 捌，但是仍处于起步阶段。 一些专家学者应用可靠性理论对公交线网进行评价【4 5 】，建立了公交系统可靠性指 标评价体系，为政府和公交企业提供决策依据。国内外评价可靠性的方法主要有 五种，分别为：终端可靠性评估方法、博弈论技术、蒙特卡罗方法、吸收马尔科 夫链方法和微观交通仿真技术【6 】。 公共交通是城市交通的重要组成部分，做好公共交通的调度对于完善城市交 通环境、改进市民的出行状况、提高公交公司的经济效益，都具有重要意义。公 交调度工作中，关键是公交时刻表的编制。长久以来，交通调度优化领域的研究 有了长足的发展。城市中一条公共交通线路中车辆的时刻表方案是整个公交系统 合理运营的基础，适当的车辆配置和合理的发车间隔可以减少乘客的等待时间， 提高公交公司的经济效益和社会效益，使乘客和公交公司双方都比较满意。公共 交通系统的可靠性提高了，自然就会吸引更多的乘客。公交系统的优化成为目前 解决城市交通问题的一个有效途径。因此，运用可靠性理论分析公交系统的运营 状况，并根据分析结果对公交时刻表做出优化方案无疑是一个好办法。 q 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 2 国内外研究综述 1 2 1 公交系统可靠性研究现状 可靠性概念本身属于系统工程学科的范畴【_ 7 1 ，它描述在工程系统里提供质量服 务水平的稳定性，它一般通过在特定的时间和给定的环境、运行条件下，实现某 种预期的功能并达到可接受的服务水平的概率来计算。 在公交系统中，可靠性可以这样描述：当乘客到达站点后，通常对公交服务 有一定的期望，如候车时间短、到达车辆满载率较低、乘车时间短、乘车舒适等。 对于需要规律性( 如上下班或者上下学) 乘坐公共汽车的乘客来说，车辆能否保 持每天的某一时段在固定时间到达具有重要意义。公交系统可靠性【2 】是指在交通条 件( 道路交通、车辆、站点) 处于动态变化的情况下，公交系统在规定班次及服 务时间内将乘客按时送达目的地的概率。 在国外，公交系统可靠性的研究起步较早，起初的研究主要在路网可靠性方 面。1 9 8 2 年，日本的m i n e & k a w a i t 8 】最早提出路网连通可靠度的概念，表示为交 通网络节点间保持连通的概率；此后，i i d a 9 l 、饭田恭敬【1 0 】等人对此做了进一步的 研究。1 9 9 9 年，a s a k u g l l , 1 2 将连通可靠度和运行时间可靠度的计算方法结合，建 立了利用随机用户均衡模型( s t o c h a s t i cu s e re q u i l i b r i u mm o d e l ) 求解交通系统可 靠度的方法。c h e r t 等【l3 】提出路网容量可靠性的概念，其含义是：在一定服务水平 下，路网容量能满足一定交通需求水平的概率。他所用的方法是基于灵敏度分析 和蒙特卡洛的方法来估计路网的容量。y a n g 等【1 4 , 1 5 】对运行时间和可靠度两者进行 了整合，提出了一个全面的评价指标，即路网行程时间可靠性指标( t r a v e lt i m e v e r s u sc a p a c i t yr e l i a b i l i t y ) 。y i n 掣1 6 】在公共交通的等候时间可靠度方面做了相关研 究。a n d r z e j 等【1 7 】在公共交通的服务可靠度方面做了相关研究。h e i l s h e 【1 8 1 对公共汽 车服务质量中潜在、重要维数的集合识别进行研究，探讨建立一种测定每个特性 以及识别他们之间相对重要性的方法，并且研究了一种定量计算服务质量和比较 在相同和不同公共汽车司机之间的服务水平的方法。a l t e r 1 9 】将可达性、出行时间、 可靠性、直达系数、服务频率和客流密度作为吸引潜在乘客流量的5 项服务质量 水平评价指标。 近年来，国内对公交系统可靠性的研究有了很大的发展。毛林繁将可靠性指 标引入公交网络的设计中，采用图论的方法，并依据图的弧连通度等刻画图的连 通性的概念，分析公交网络的可靠性指标，同时采用组合优化的方法，建立一种 包含可靠性指标的公共交通网络的双层规划模型【2 0 1 。 彭庆艳，杨东援认为公交车停靠时间与上下车乘客数成线性关系，建立二元 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 线性模型根据多组调查数据回归分析得到模型系数，从而得到公交车停靠时间基 本模型：针对时段、地段、候车点位置给出修正系数的取值范围，针对公交车等 待、数次停靠给出模型的变化形式【2 1 】。 孙喜梅等利用随机服务系统理论，给出了进入路段车辆数服从p o i s s o n 分布的 实时动态公共交通站点间行程时间预测的基本模型和公式【2 2 】。 朱炜等分析了影响多线路公交站点车辆停靠延误的主要影响因素，通过对车 辆进出站时间和乘客上下车时间的分析给出不同站台形式、车站停靠组织方式、 车辆类型、收费方式和拥挤程度下的车辆停靠或乘客上下车耗费时间【2 3 1 。 王晓丽【2 4 】以弹性需求随机路网为研究对象，以系统最优为目标，建立了基于 运行时间可靠性的随机路网双层规划模型。采用h o o k e j e e v e s 搜索算法和l o g i t 模型，设计了基于双层规划的求解算法。 熊志华等【2 5 】针对路段之间的相互影响模式分析了路网行程时间可靠性。 目前，国内外开始关注公交系统可靠性这一话题，并有了深入的研究，但是 研究大多停留在对公交系统评价指标体系的建立之上，并没有将公交可靠性的理 论应用到公交系统改善层面上。 1 2 2 公交时刻表研究现状 在时刻表编制过程中，关键的工作是公交发车间隔和频率的确定。早在上世 纪7 0 8 0 年代，n e w e l l e 2 6 】提出了受公交车容量的影响，发车频率与乘客到达率的关 系。c e d e 产7 】阐述了利用公交乘客数据制定公交发车时刻表的可选择的不同方法， 根据不同的要求计算六个主要评价目标，按照乘客的要求选择不同的发车方案。 近年来，国外的公交发车间隔优化理论得到进一步发展和深化。p a l m a 和 l i n d s e y 提出了在给定公交车辆数量的前提下，当乘客对出行次数和时刻延误成本 有不同的期望时，单条线路的发车时刻表的优化设计方法【2 8 1 。c e d e r 等阐述了给定 公交网络同步性最大化的时刻表的制定问题，考虑了用户的满意度和方便性，使 同时到达网络连接( 换乘) 点的公交车的数量最大，从而使换乘乘客在最短的等 待时间内在换乘站点从一条线路换乘到另一条线路上，该研究成果应用于以色列 的公交调度系统，取得一定的效梨四j 。h a n g h a n i 等研究了多车场车辆调度问题和 有时间窗的多车场车辆调度和时刻表制定问题的模型，并且阐述了相应的启发式 算法【3 0 1 。 在国内，公交时刻表设计研究起步较晚，但也有很多学者对发车间隔和频率 的确定进行了大量研究：孙芙灵【3 l j 探讨了根据乘客需求确定一个可供选择的发车 间隔，当车辆供给受到约束时，相应地改变发车间隔，在相邻的时间段使用平滑 3 北京交通大学硕士学位论文绪论 法调节发车间隔，在一个发车时刻表中综合利用不同间隔的设置的方法确定发车 间隔。杨新苗和王炜【3 2 】提出了发展基于准实时信息的公交调度优化系统的设想， 并进行了相应的设计。牛学勤掣3 3 】建立了以客流需求为基础数据，以乘客满意度 和企业满意度加权平均值最大为目标的公交线路发车频率优化模型。徐向阳等【3 4 】 以公交线路乘客等待公交车辆总延误成本最小为目标函数建立了发车间隔确定的 数学模型，该方法可以减少乘客总等车时间，调节线路车辆的正常运营。李宁【3 5 】 改进了现有的公共交通实时调度准点控制模型，综合考虑乘客总的等车时间损失 和公交企业的成本，用最优控制的理论使偏离时刻表运行的公交车以最低成本尽 快恢复时刻表运行，以提高公交服务水平。宋瑞等【3 6 】针对需求随机变动条件下公 交运营设计的综合优化问题，构造基于随机期望值规划的公交时刻表设计与车辆 运用综合优化模型，该模型综合考虑了公交企业的经济效益和公交乘客所得到的 公交服务水平的优化，并给出公交服务频次和车辆分配协调的启发式算法。 目前国内外的一些研究中的公交车辆时刻表优化设计模型，大多没有考虑公 交系统的可靠性因素，因此，研究考虑可靠性的公交时刻表问题具有较大的意义。 1 3 研究目的和意义 随着城市化程度的提高，城市公共交通就越显得重要。城市公共交通不仅是 城市居民的出行需要，从某种意义上讲它对城市功能起到一定的组织作用，这种 组织作用主要表现为：大城市已定的道路空间上，依靠公共交通运行时刻表，可 有效缩短城市各种出行的时间。如果由个体交通取代公共交通，必将造成道路阻 塞，甚至可能造成瘫痪的局面，越是大城市，这个现象就越明显。许多发达国家 都把发展公共交通，限制个体交通，作为城市发展、强化城市功能的政策加以实 施。其原因就是为了城市各种机能得以充分的发挥。所以，只有作为城市“主动 脉 的公共交通才能完成这一使命。一旦“动脉阻塞，城市的活动就会瘫痪，可 见公共交通在城市中的地位和作用是非常重要的。 研究公交系统可靠性能够充分考虑乘客的需求。公交系统可靠性综合反映了 公交系统的服务水平，明确供需矛盾的主要表现形式。提高公交系统可靠性是优 化公交系统的基础工作，也为公交企业进行车辆调度提供依据。 本文分析影响城市公共交通可靠性的各种因素，确立研究指标。选取一条公 交线路作为研究对象，根据可靠性评价结果建立发车间隔即时刻表优化模型，分 析能够提高可靠性的时刻表方案，确立发车间隔，提高公交系统的可靠性，进一 步提升公交分担率，在一定程度上解决了实际问题，可以为相关部门提供参考。 4 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 4 研究的内容与结构 本文研究地面公交时刻表的设计，将公交系统可靠性作为优化的依据，因此 先概述国内外的公交系统可靠性研究现状及各国在公交时刻表制定相关方面的研 究，在对研究背景及现状评述后，对公交系统可靠性影响因素及组成进行分析， 选取三个可靠度作为本文研究的重点，并从调整公交时刻表的角度来提高公交系 统可靠性。在研究可靠性方面需要大量的数据，本文也对数据的获取及整理进行 了分析。在地面公交时刻表优化设计方面，发车间隔的确定是主要的问题，因此 在前人基础上建立分时段的发车间隔优化模型，并使用遗传算法对模型进行求解。 时刻表确定后，公交车按照时刻表发车。本文最后以北京公交6 9 8 线路的客流数 据对前述模型及方案进行验证。 全文共分为六章，结构如图1 1 所示。 第一章为绪论，首先介绍了论文研究的背景以及公交可靠性和时刻表制定国 内外研究现状，然后阐述本文的研究目的及意义。 第二章为公交系统可靠性分析，包括公交系统可靠性的定义、影响因素分析、 组成等；分析提高公交系统可靠性的各种措施；对数据的获取和整理方法进行分 析。 第三章是地面公交时刻表编制问题分析。阐述公交时刻表编制的依据及流程， 分析发车间隔确定的一般方法及最优间隔的确定计算方法，分析不同调度形式下 的时刻表表现形式，调整公交时刻表提高公交系统可靠性。 第四章是时刻表优化方案设计。首先确定公交车辆的发车间隔，以三个可靠 度作为约束条件，建立模型，设计算法，得到时刻表优化方案。 第五章为实例分析。利用北京6 9 8 线路的客流数据验证了上述模型的可行性， 求解得出6 9 8 线路高峰时段的发车时刻表及调度形式调整策略。 第六章为结论与展望。对本文的研究进行总结，阐述了本文的结论，并提出 需要进一步研究的方向。 5 北京交通大学硕士学位论文 绪论 ( 1 绪论 ) j l 厂、 2 公交系统可靠性 f 公交 交 + 叫公交系统町靠性组成 系 系统 i 士 二：匕 - - t - - 。i 彳j ： 服 统可 i 到程务 l 可靠 i 站 时 间 i 靠性 i 准间隔 i 性影 i 点可 可 i 定响 i 率 靠靠 i 义因 i 度度 i k 素 ll i 一一一一一一一一一l j ，r 、 3 公交时刻表制定问题分析 i 时刻表编制依据ii 时刻表编制流程i i 厂一一一一一一一i l 发车间隔的确定 - 、 i 一 一i r4 公交时刻表优化方案设计 、 基丁可靠性的公交时刻表优化模型 l j l ( 5 实例分析) - ( 6 结论与展望) 图1 1 论文组织构架 f i g 1 - 1f r a m e w o r ko f t h ed i s s e r t a t i o n 6 北京交通大学硕士学位论文 公交系统可靠性 2 公交系统可靠性 2 1 可靠性及其基本概念 “可靠性的定义有广义和狭义之分。把“可靠性 看作一门学科，根据国 家标准，产品可靠性是指产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能 的能力。如果把“可靠性看作是一个质量指标，那么指的是“产品在规定的条 件下和规定的时间内，完成规定功能的概率”【3 7 】。两者的区别仅在于，后者把能 力 换为“概率 。我国专业工作者为了区别这两种解释，把可靠性的狭义解释称 为可靠度。 “可靠性是部件、元件、产品或系统的完整性的最佳数量度量。可靠性工 程提供理论和实用的工具，从而使部件、元件、产品或系统在规定的环境下、规 定的时间内以给定置信水平无故障地执行其设计功能的概率和能力，可以规定、 预测、设计、试验或演示部件、元件、产品或系统的可靠性，可以监测并反馈到 有关的组织，提高可靠性。同样，可靠性工程也提供理论和实用工具使企业以有 竞争力的价格水平获得产品系统最优可用性、可维修性、安全性和质量。 系统的可靠性分析分为简单系统的可靠性分析和复杂系统的可靠性分析，简 单系统一般指串联系统、并联系统和复合串并联系统等。复杂系统是非简单系统 的总称，如网络系统等。 1 串联系统的可靠度 如图2 - 1 ，假设有甩个子系统组成的系统，当且仅当胛个子系统全部正常工作 时候，系统才能正常工作，则称系统是由咒个子系统构成的串联系统。 图2 - 1 串联系统 f i g 2 - 1s e r i e 8s y s t e m 设事件4 为第f 个元件能正常工作，其概率为p ( 4 ) ，则系统正常工作的概率 为： 广n1n p = p ln 4i = 兀p ( 4 ) ( 2 - 1 ) 2 并联系统的可靠度 若系统由刀个子系统构成，只要有一个子系统正常工作时候，则系统就能正 7 北京交通大学硕士学位论文 公交系统可靠性 常工作，如果系统不能正常工作，那么必然是所有子系统都出现了故障，这时我 们将这种系统称为并联系统，如图2 2 所示。 图2 2 并联系统 f i g 2 - 2p a r a l l e ls y s t e m 若所有子系统的工作是相互独立的，则系统正常工作的概率为各子系统故障 概率的交集，则系统可靠度的表达式为： p = 1 1 7 p ( 4 ) = 1 一兀( 1 - p ( a ，) ) ( 2 - 2 ) i = 1 i = 1 3 复合系统的可靠度 复合系统是由简单的串并联系统复合而成的，在计算复合系统的时候可以将 复合系统进行串并联的拆分，将系统简化，来计算系统可靠度。 可靠性工程的诞生、发展是社会的需要，与科学技术的发展，尤其是电子技 术的发展是分不开的。虽然可靠性工程起源于军事领域，但从它的推广应用和给 企业与社会带来的巨大经济效益事实中，人们更加认识到提高产品可靠性的重要 性。世界各国纷纷投入大量人力、物力进行研究，并在更广泛的领域推广应用。 我国可靠性工程虽发展很快，但与发达国家相比还有差距。行业相关人员应转换 观念，树立当代质量观，把产品性能和可靠性同等看待。同时，应将可靠性理论 研究成果和可靠性工程技术应用于可靠性工程实践中，以有效推动可靠性工程的 发展。 2 2 公交系统可靠性分析 2 2 1 公交系统可靠性定义 文献 5 】把公交系统可靠性定义为：公交系统在现有的道路交通、车辆、站点 情况下，安全地、准时地、便捷地、舒适地将乘客送达目的地的能力。公交作为 8 北京交通大学硕士学位论文 公交系统可靠性 一种为服务大众的交通方式，衡量其可靠性关键在于定义何种情况下为正常服务， 并确定其上下限值。本文用公式2 3 表示公交系统可靠性，即公交可靠性指标在政 策范围内的概率。 d ( x ) = 以x 0 x 1 。 q 。按照规定进行取值。对公交车辆的准点率以及准点率评价等级的讨论，参 考建设部关于优先发展城市公共交通的意见【3 9 1 中对公交准点率应达到9 0 发 展目标的建议，并考虑目前各个城市公交的普遍服务状况与广大乘客可接受服务 北京交通大学硕士学位论文公交系统可靠性 质量，认为当达到c 级水平以上时，服务的准点性可靠；c 级以下认为服务不可 靠。用数值表示即为，当公交车辆在预定时间的5 m i n 内到达站点，认为本次公交 车辆能够准点( 正点) 到站服务；当准点到站的公交服务在首站、主站与高峰期 主站的次数分别占到总次数的9 0 、8 0 和7 5 以上时，认为该条线路( 公交线 网) 服务可靠。因此，旺。的取值可为5 m i n 。y 考虑不同服务功能的公交线路，对 限定标准进行适当调整。 2 行程时间可靠度 行程时间可靠度是衡量公交服务水平最直接的指标之一。关于行程时间可靠 性的定义有以下几个版本： ( 1 ) b e l l 等m 】研究了在日常交通量变动情况下的行程时间可靠性，将行程时 间可靠度定义为在特定服务水平下出行者能够在给定时间内完成出行的概率。 ( 2 ) a s a k u r a t 】考虑了由于道路损坏而造成路段通行能力下降时的行程时间可 靠性，将行程时间可靠度定义为路网在下降和非下降状态下行程时间比率的函数。 当这个比率接近1 时，表明路网在理想路网容量下工作。当这个比率趋向无穷大时， 表明某些路段已经严重损坏，目的地不可达。这种极端的情况与连通可靠性是一 致的，可见连通可靠性是行程时间可靠性的一个特例。 ( 3 ) i i d a t 9 】将行程时间可靠性定义为：出行者在指定时间范围内到达目的地的 概率。 本文在借鉴前人研究成果的基础上，将行程时间可靠性解释为在一定条件下， 公交车辆在乘客可接受出行时间范围内到达目的地的概率，用于衡量公交线路的 服务能力和服务水平。行程时间可靠度可以表示如下： 图2 _ 4 行程时间可靠度示意图 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft r a v e lt i m er e l i a b i l i t y 行程时间可靠度可以按下式计算： = p ( t o t t o ) ( 2 - 5 ) 式中：只行程时间可靠度； f 实际的行程时间； 1 2 北京交通大学硕士学位论文公交系统可靠性 可接受的行程时间下限值； “可接受的行程时间下限值； 公交线路的运行时间可靠性取决于公交线路在正常行驶路段、道路交叉口及 公交停靠站的时间可靠性，因此，如果一条公交线路在其中任何一部分发生行驶 时间的延误，都将可能影响整个线路的时间可靠性。 c h e l l 等【4 l 】利用蒙特卡罗法分析了对应于不同的路段容量，能够满足的最大 o d 需求系数的分布。y 肌g 等【4 2 】计算了行程时间可靠性和路网容量可靠性。随着 研究的不断深入，m o n t ec a r l o 模拟技术【4 3 】将会在交通领域得到更广泛的应用，在 计算公交系统可靠性各种指标时蒙特卡罗法是不错的方法。 蒙特卡罗法中，单个站点的行程时间可靠性可以这样表示： t r i l j ( t ) = 墨) = p ( k ) p ( s l k ) - 4 - p ( k ) p ( sk ) ( 2 6 ) 式中：以七) 为车辆到达中间站点k 正常的概率； 尸( 后) 为车辆到达中间站点k 延误的概率； 刀以) 为公交车辆在规定时间t 内从i 站点到达，站点的行程时间可靠性； 墨如) 为公交车辆在规定时间t 内从f 站点到达j f 站点的概率； p ( s l k ) 为车辆到达k 站点时间正常的条件下，到达，站点正常的概率； p ( s l k ) 为车辆到达k 站点时间延误的条件下，到达，站点正常的概率。 若考虑公交线路每个车站的行程时间可靠性，即车辆准时到达各站的行程时 间可靠性，则公交线路上任一停靠站上发生时间延误，则产生行程时间不可靠现 象，所以，公交到达每一站点时间均正常实际上是各停靠站点相互串联的系统。 公交线路行程时间可靠性数学模型为： t r , ( f ) = i i 巩( f ) ( 2 - 7 ) 蒙特卡罗方法是一种随机模拟方法i l 它是利用随机数或某种概率现象模拟现 实问题，该方法可以对现实问题进行分析和作出预测。由于蒙特卡罗方法比较简 单，能够保证结果依概率收敛，所以适合用于可靠度的计算。下面介绍运用蒙特 卡罗方法计算公交网络行程时间可靠性的步骤： 第一步，确定公交线路的停靠站点总数，l ，用随机变量生成器生产n 列o 1 的 随机数，分别用p 。，p ：，p 。表示，n 为公交站点的索