（交通运输规划与管理专业论文）多目标公交线网优化模型及算法研究.pdf

摘要 随着我国社会经济的快速发展，城市化进程不断的加快，城市规模的快速增 长以及城市社会经济文化活动空前繁荣，导致居民出行需求增长，城市交通拥挤、 阻塞，同时交通事故和环境污染等问题也日益严重，这已经影响到城市的可持续 发展。优先发展公共交通可以优化城市交通结构，实现道路资源的高效利用，而 公交线网是公交运行的基础，优化线网则是提高公交系统服务水平和公交客流吸 引率的根本所在，也是最经济、最有效的手段。因此，对公交线网优化的研究具 有重要的意义。 本文指出了公交线网优化所面临的问题，在此基础上提出了公交线网优化的 具体方法；首先，介绍了当今城市公交线网优化的研究现状以及主要研究的内容， 简单概述了线网优化的一般方法和具体步骤；其次，介绍了公交线网优化的一些 基本的内容，包括公交线网优化的目的、原则，优化的基本思路，公交起终点的 选择、配对，线路运载能力的计算以及公交初始线路的生成；然后，在分析影响 公交线网优化的因素、目标和约束条件的前提下提出了以社会总出行时间最少、 车辆运营费用最低、线网日均满载率最高、线网覆盖率最高和乘客直达率最高的 多目标优化的数学模型。并介绍了求解此模型的几种常用的数学优化方法；然后， 重点介绍了蚁群算法在公交线网优化中的应用，并通过仿真实验对模拟区域进行 了线网的优化，仿真分析表明了利用蚁群算法对以上多目标函数进行求解得到的 优化线网具有一定的科学性和可行性，具有一定的理论和现实意义。通过分析得 出线网的优越性能。最后，对全文进行总结，指出了尚未进一步研究的问题。 关键词：公共交通；公交线网；线网优化；蚁群算法 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u r c o u n t r y se c o n o m i ca n du r b a n i z a t i o np r o c e s s ， t n e r a p l dg r o w t ho fc i t i e ss c a l ea n dt h e u n p r e c e d e n t e dp r o s p e r i t yo fu r b a n s o c l o 。e c o n o m i ca n dc u l t u r a l a c t i v i t i e s ， i tr e s u l t st h ei n c r e a s eo fr e s i d e n t s t r a v e i d e m a n d ，t h eu r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o na n do b s t r u c t i o n ，a tt h es a m et i m et h e i s s u e ss u c h a st r a f f i ca c c l d e n t sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na l s o b e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s a l lo ft h e s eh a v ea f f e c t e dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f o u rc i t i e s g i v ep r i o r i t yt o t h ed e v e l o p m e n to fp u b l i ct r a n s p o r tc a n o p t i m i z et h es t r u c t u r eo fu r b a nt r a f f i c a n d a c n l e v ee f j f i c i e n tu s eo f c i t yr o a d sr e s o u r c e s a n dt h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ki s t h eb a s i so fp u b l i ct r a n s p o r to p e r a t i o n ，a n db u s l i n eo p t i m i z a t i o ni sn o to n l vt h er o o t o ft h ep r o b l e mo fr a i s i n g t h el e v e lo fp u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sa n dp u b l i c s e r v l c e st oa t t r a c tt h ef l o wr a t e ，b u ta l s ot h em o s te c o n o m i c a la n d e f f e c t i v em e a n s 1n e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fo p t i m i z a t i o no fu r b a nc o n v e n t i o n a l p u b l i ct r a n s p o r t a t i o n n e t w o r ki so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i s p a p e r ，i tp o i n t e do u tt h a tt h e c i t yf a c e db yc o n v e n t i o n a l p u b l i c t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o np r o b l e m s ，a n db a s e do n w h i c hi tp r o v i d e dt h e c o n c r e t eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so fu r b a nc o n v e n t i o n a lp u b l i c t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k ： t l r s to ta l l ，l tp o i n t e do u tt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f u r b a np u b l i ct r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k o p t i m l z a t l o na sw e l la st h em a i nr e s e a r c h s t u d y ，a n dp r o v i d e sa no v e r v i e wo ft h e g e n e r a lm e t h o d sa n ds p e c i f i cs t e p so fl i n e o p t i m i z a t i o n ；s e c o n d l y ，i ti n t r o d u c e sa n a n a j y s l so fu r b a np u b l i c t r a n s p o r td e m a n df o r e c a s t ”t h r e e s t a g e m e t h o d a n d r e s p e c t i v e l yg e n e r a t e st h em a i nm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n ds p e c i f i cm e t h o d so f u r b a n t r a v e l f o r e c a s t i n g ，t r i pd i s t r i b u t i o na n dt r a v e lm o d es h a r ef o r e c a s t s p r e d i c t ，s o m e m e a s u r e sf o rl m p r o v e m e n tt h em o d e la r ep u tf o r w a r di no r d e rt o a d a p tt oi t so n l i n e n e t w o r ko p t i m i z a t i o n ； a n dt h e n ， i n t r o d u c e dt h ep u b l i c t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kt o o p t l m l z et h ec o n t e n to fs o m eo ft h eb a s i c ， i n c l u d i n gt h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o n n e t w o r ko p t i m i z a t i o n ，p r i n c i p i u m ，h eb a s i ci d e ao fo p t i m i z a t i o n ，t h eb u st e r m i n a l c h o i c e , m a t e h i n g ，l i n ec a l c u l a t i o no fc a r r y i n g c a p a c i t y ，a sw e l la sb u sl i n e st o g e n e r a t et h ei n i t i a l a n dt h e n ，b a s e do nt h ep r e v i o u sa n a l y s i so ff a c t o r st h a ta f f e c tt h e p u b i l ct r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k o p t i m i z a t i o n ，t a r g e ta n dc o n s t r a i n t s，i t p r o p o s e d o p t i m l z a t l o nm a t h e m a t i c a lm o d eo fu r b a nc o n v e n t i o n a lp u b l i ct r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k u n d e rt h et a r g e t so ft h el e a s tu r b a ns o c i e t y t o t a lt r a v e lt i m e ，t h el o w e s tv e h i c l e i i o p e r a t i n gc o s ta n dt h eh i g h e s td a i l ya v e r a g en e tl o a d e da n dm a x i m u mn e tc o v e r a g e a n di n t r o d u c e dt h i sm o d e lt os o l v es e v e r a lc o m m o n l yu s e dm e t h o d so fm a t h e m a t i c a l o p t i m i z a t i o n t h e n ，f o c u s e so nt h ea n tc o l o n ya l g o r i t h mi nt h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o n n e t w o r ko p t i m i z a t i o n a n d t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s c a r r i e do u to n l i n e s i m u l a t i o no ft h er e g i o n a ln e t w o r ko p t i m i z a t i o n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es u p e r i o r p e r f o r m a n c eo fn e t w o r k s i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tu n d e rt h ea n tc o l o n y a l g o r i t h m ，i ti ss c i e n t i f i ca n df e a s i b l ea sw e l la sh a sac e r t a i nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oo p t i m i z et h ec o n v e n t i o n a ll i n en e t w o r ko fc i t i e s f i n a l l y ，i ts u m m a r i z e s t h et e x t ，p o i n t so u tt h ef u r t h e rs t u d y i n gi s s u e s k e yw o r d s ：p u b l i ct r a n s p o r t a t i o n ；b u sn e t w o r k ；b u sl i n e ；o p t i m i z a t i o n ；a n tc o l o n y a i g o r i t h i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者答名。叶冰粤 日期：7 年歹月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者虢伊毛 翩躲崔竹初 vl 1 日期哆田j 7 年 歹月加日 1 1 研究背景 第一章绪论帚一旱 三百了匕 城市是一定区域的政治、经济和文化中心。1 9 9 3 年，雅典宪章明确了城 市的四大功能：居住、工作、游憩和交通。其中交通成为其它三项功能之间联系 的纽带，体现着城市的动态功能关系。城市的交通功能依靠交通运输系统来实 现，客运交通系统是交通运输系统的最主要组成部分。根据人们自发的意愿，城市 客运交通大致可分为步行交通、单独使用私人交通工具的自行车交通、摩托车交 通、小汽车交通以及使用公共交通系统的公共交通等几种。公共交通系统作为城 市客运交通主要载体，与城市的形成、发展和兴衰紧密相连。同时城市公共交通 体系又是国家综合客运网络的重要组成部分，是衔接城市对外交通和城市内部交 通的关键环节。城市公共交通是城市经济社会活动的“动脉 ，是联接城市工业 区、居住区、公用区、文教区、商业区、服务区、公园以及市郊的纽带，在发挥 城市功能、组织经济和社会发展方面起着十分突出的作用。 随着全球经济发展以及我国社会经济水平的大幅度提高，城市化进程不断的 加快，城市规模成倍的增长，城市社会经济文化活动空前繁荣，居民出行需求增 长，导致城市交通拥挤、阻塞、事故和环境污染等问题目益严重，已经影响到城 市的可持续发展。究其原因，除城市交通基础设施建设不能满足快速增长的交通 需求外，城市交通结构不合理，公共交通服务水平低，竞争力不强，自行车拥有 数量持高不下，以及私人小汽车猛增都促使了城市交通问题的日益严重。理论研 究与国内外城市交通建设实践表明，解决城市交通拥挤问题的根本出路在于：通 过优先发展公共交通以及优化城市交通结构，从而实现道路资源的高效利用。但 是优先发展公交并不是强制发展公交，剥夺出行者选择出行工具的权利，所以只 能通过优先发展公交、提高公共交通的竞争力和服务水平来吸引出行者。而公交 服务水平又与公交线路规模的选择密切相关。经调查，目前许多城市的公交线网 覆盖面不广，市区公交普遍存在线路长度不合理、间隔过大、候车过久等一系列 问题。 公交线路是城市公共交通依托城市道路布设的车辆行驶线路和车辆停靠站点 组成的城市客运交通线路船1 。而所有这些线路就组成了城市的公交线网。公交线 网是公交运行的基础，优化线网是提高公交系统服务水平和公交客流吸引率的根 本所在，也是最经济、最有效的手段。从目前国内城市的实际情况来看，公交线 网主要存在以下几个方面的问题： 1 由于线路过长，导致配车数要求高以及发车间隔大和候车时间长，且满载 率过高，准点率和可靠性降低，舒适度极其差； 2 由于线路过短，从而形成公交车班车化现象，导致规模效益差，效益一费用 比低，折返频率高以及占用道路与站点资源； 3 城市居民换乘次数多，导致公交线路在直达性方面尚不能满足乘客的需求； 4 车辆绕路现象严重，所以公交线路在快捷性方面不能满足乘客的出行需求； 5 线路之间客流拥挤程度差距较大，公交线路在客流分配方面不科学。 因此，一个科学合理的公交线网结构，对于提高公交系统的整体效率，减少 换乘次数、缩短居民出行时间以及均衡公交客流会产生积极影响；一个科学合理 的公交线网结构，也是一个城市改善其公交服务水平，实现城市可持续发展的重 要前提之一 1 2 国内外相关研究概况 1 2 1国外相关研究概况 公共交通线网的优化过程有多种线网优化方法。c h u a 将这些优化方法归纳为 规划手册法、系统分析法、市场分析计划法、数学寻优法和交互式图形系统分析 法等五类口1 。国外对公交线网的研究起步比较早，目前在公交线网的布局及优化 技术领域有较多的研究。早在5 0 年代，一些发达国家为了满足大规模城市道路交 通规划及其建设的需要，就开始研究城市交通规划，5 0 年代的一些著名交通规划 如伦敦、芝加哥、波士顿等不约而同的相继问世。至七十年代初，己经形成了具 有代表性的“四阶段 城市交通规划方法h 3 。在1 9 5 4 年，m i t c h e l l 等人就提出， 城市交通需要的是对其增长和发展的引导，而不是满足由市场发展带来的对进一 步机动性的渴求1 。在6 0 年代初，由于科技发展水平和投资条件的限制，公交线 网的布局优化采用专家定线的方式，即在线网布设过程中，采用某权威机构或专 家意见确定线网布局，这种方法只定义了布设公交线网应当遵循的原则，多数为 线网功能特性的叙述，很少使用量化的分析3 。从6 0 年代至8 0 年代初，随着工程 学和系统工程学科的迅速发展，线路网的确定多是运用系统工程和运筹学的相关 原理、方法，在既定的目标函数下进行线网的优化布设h 1 。具代表性的有l a m p k i n 等以乘客的舒适程度和出行时间一起作为公交线网的服务指标，建立的网络设计 模型1 。h i r s c h 等所做的公交网络优化问题研究，把公交线网优化模型设计成一 个固定需求模型旧1 。与此同时，数学寻优法开始运用于线网优化中，此法是将公 交线网的结构抽象为简单几何形状，在对出行供需关系分析的基础上，建立数学 模型来确定最优的公交线路，一般这种方法适用于简单的路网n 制。8 0 年代至今， j a n a t t h a n a n 等设计了公交线网设计专家系统，专家系统对设计方案进行模拟分 析，并提供交互式图形支持，借助该专家系统可有效提高公交线网设计效率3 。 2 d u b o i s 等人采用启发式搜索方法建立了线网生成模型n 别。f e r n a n d e z 等采用组合 数学方法，模拟决策者的决策过程建立了大容量公交站点布局和设计专家系 统：k i k u c h i 等提出了应用模糊逻辑设计公共交通网络n3 l 。f i t z a t r i c k 等通过乘客 问询调查、现状站点的观测以及对公交企业布设站点经验的总结，提出了用于指 导公交站点布局和优化设计的准则，并设计了相应的公交站点计算机辅助设计软 件n4 1 。p a t t n a i k 等将遗传算法应用到公交线网设计中，该模型以系统中乘客出行 费用和运营费用最小为目标，通过遗传算法进行优选n 朝。s u l l i v a n 等基于g i s 系 统，对生成等时线地图的可行性进行分析，提出了一种公交最佳路径的选择分析 方法n 6 1 。 1 2 2国内相关研究概况 国内关于公交线网优化的研究始于8 0 年代，较早进行公交线网研究的吴稼豪、 李硕、夏伟民等比较系统的叙述了有关城市公共交通网络优化问题的模型和方法。 杨兆升提出了在线网总长不超过一定值的限制下，将公交o d 分配到出行路径上， 获得客运工作量最小的方案n 。 张启人等针对长沙市公交线网优化问题进行了研究，他们提出了以直达乘客 量最大为优化目标，以线路长度、线路重复系数等为约束条件的公交线网优化模 型n 引。 在公交线网优化模型方面，王志栋提出以乘客总出行时间最小、客流直达率 最高、线网覆盖率最高、线路重复系数最低，公交经济效益最高共五个目标多目 标规划方法n9 1 。胡启渊也类似地提出的对乘客直达率最大、线网的日均满载率最 大、乘客的总出行时间最小、路线网络覆盖率最大、路线重复系数最低和公交企 业的经济利益最好这六个目标进行多目标规划乜们。 在求解公交线网优化模型方法方面，韩印等提出城市公交线网调整优化的p s o 算法，遗传算法等进化算法也被广泛地应用到公共交通网络设计中，并获得了很 大地成功心。 王炜提出一种相对比较实用的公交网络逐条布设方法，这种方法以直达客流 量最大为目标，采用“逐条布设，优化成网 的思路进行线网优化堙副。 刘清等提出了基于人工智能理论的广义a 六算法，以客流总出行时间、客流直 达率为目标，确立估计函数表达式，采用启发式搜索技术，从每对端点搜索出满 足有关约束条件的备选线路，然后以此为基础按二进制理论组合成若干优化网络， 经过比较而选定最优心驯。 林柏梁等从组合优化的角度，提出了公交网络优化设计的非线性o l 规划模 型，以乘客的出行时间最短和实现公交网络的资金投入最少为目标函数，在满足 车站容量限制的条件下，获得公交线路的优化决策：单连龙等提出了用双层规划模 型来描述连续平衡公交网络设计问题心4 1 。孙艳丰等和陈洪仁等使用遗传算法，从 3 不同的角度，对规划模型进行求解。杨超等人则用图论方法，以城市客流o d 分布 为基本依据，给出了城市公共交通线网优化的图论模型乜钉。 1 3 研究目的与意义 近几年来，国内各大城市都在加紧改善城市交通状况的有效措施的研究，其 中城市公交线网优化模型研究的宗旨在于运用现代化的交通规划理论及现代计算 技术，在现有城市道路系统和公共交通运力的基础上，通过对城市公交线网进行 合理布局乜6 1 。本文旨在公交优先发展的新理念下，结合城市有限的资源条件，着 眼未来，探求适合我国城市公交特点的公交线网形式，以及运用实用性较强的公 交线网优化理论和方法对公交线网进行合理、科学的优化，实现公交运能的科学 配置。 城市公交线网优化是公交系统发展的基础也是优先发展公共交通的一个重要 的内容。同时，公交线网优化设计在城市交通规划过程中也是最为重要的规划步 骤。如果城市公交线网规划不合理，将直接影响城市的交通服务水平，影响居民 的出行、生活，阻碍城市的可持续发展。本文正是在围绕提高公交线路的综合服 务水平的条件下，研究适合城市可持续发展的线网优化方法，以提升公共交通系 统的服务水平为目标，分析公交线网在各种因素影响的基础上的最佳形式。 1 4 研究内容与方法 本文主要介绍公交线网优化的影响因素以及主要的约束条件下提出公交线网 优化的数学模型，并结合常用的模型求解方法对其进行求解，从而得到优化的公 交线网，主要的章节安排如下： 第一章：简单介绍城市公共交通的发展背景，在对国内外的文献进行简单的 综述，了解国内外在公交线网优化方面对应不同的问题而采取的不同的优化方法， 从中了解公交优化的研究概况、发展动态以及在某些方面还存在的问题。并阐述 本论文的主要研究内容及意义。 第二章：介绍公交线网优化的目的和原则、公交线网优化的思路和基本内容、 公交线路起终点站的选择和配对、公交线路运载能力的计算以及公交初始线路的 生成等基础知识。 第三章：在分析公交线网优化的基本目标以及在优化过程中单条线路和线网 整体的约束条件下，提出以社会总出行时间最小、公交车辆运营费用最小、线网 日均满载率最大、线网覆盖率最高和乘客直达率最高的公交线网优化的数学模型， 在对模型进行分析后提出对模型进行求解的几种常用优化算法，并分别对其介绍 和简要的分析。 4 第四章：重点介绍蚁群算法的基本原理、特征和算法步骤，分析蚁群算法在 公交线网优化领域的实用性并结合公交线网提出该算法在公交线网中的计算方法 和步骤。 第五章：运用蚁群算法结合仿真进行区域公交线网的优化，具体详细的阐述 优化的过程及优化结果并对结果进行相应的评价。 第六章：总结文章在公交线网优化方面所做的主要研究方法、内容以及主要 的研究成果，并提出文章研究的不足，在总结全文的基础上对公交线网优化的方 法进行展望。 1 5 本章小节 本章在简单介绍城市公共交通的发展历史和发展现状和国内外研究概况的基 础上，阐述公交线网优化的研究目的和研究意义，在此基础上对文章的研究方向 进行定位，确定本文将要研究的主要内容以及将要采用的主要研究方法。 5 第二章公交线网优化基础 2 1 公交线网优化的目的和原则 2 1 1 公交线网优化的目的 公交线网优化的目的主要有： 1 为城市居民提供安全、高效、经济、方便以及舒适的公共交通服务 2 提高公共交通的运营效率，促进公共交通的健康发展 3 建设和维护良好的城市环境，推动土地开发和城市可持续发展 2 1 2 公交线网优化原则 公交线网优化需遵循以下基本原则： 1 适当考虑历史和现状：现有的公交线路一般情况下都是根据区域乘客的需 要而开辟的，一定程度上承担着一些固定的交通出行需求。因此对已有的比较合 理的公交线路要尽量保留，并适当考虑线路原行经区域的连通性和乘客的乘车习 惯。要充分考虑因城市扩张而需要增加和改变性质的新的公交线路与原来已经存 在的旧的公交线路的衔接关系，避免新旧线路之间的不利竞争。 2 保证共同交通线网结构和城市形态发展的协调：公交线网要结合土地利用 的不同性质、强度、模式，推动城市规划的顺利实施，另一方面在满足居民基本 公交出行需求的同时，充分考虑线网方案对城市土地利用产生的反作用，引导城 市发展。 3 尽量沿主要客流方向布设线路：优先大流量的直达客流，降低线路网的平 均换乘次数，优先满足客流量较大路段的线路布设，提高线路网的平均乘车距离， 保证设立的公交线路能覆盖这些出行需求最大的路段。 4 充分利用道路条件，均衡客流分布，配合道路建设：一方面线路的走向应 与主要客流方向一致；另一方面应保证适当的线网密度，使规划区域内的线路分 布均匀，减少公交盲区，实现良好的可达性。 5 公交首末站尽可能设在大的o d 发生源点和公交集散点，尽可能组织直达运 输，o d 量大的交通小区间以提高直达率为主。 6 尽可能按最短距离布设线路：使全服务区乘客总乘行时间最短，公交车辆 运行效率最大，同时尽可能减少车辆的空驶里程。 7 完善衔接：完善公共交通系统与其他方式客运系统的衔接。 8 体现和贯彻以人为本以及科学发展的思想：随着经济的快速发展，小汽车 保有量逐年增加，但是可以预见在未来一段时间内( 至少1 0 年) ，小汽车仍然是 6 家庭的奢侈品，大多数的家庭将不会拥有小汽车，随着汽油、停车费等外部因素 的影响，市民的大部分出行将还会以公共交通为主，因此公共交通特别是常规公 共交通在一段时间内将还是绝大多数市民的主要交通工具。贯彻以人为本的科学 发展的思想将有效促进城市居民的生活水平的健康发展。 2 2 公交线网优化的思路和基本内容 2 2 1 公交线网优化思路 城市公交线网优化的思路通常有两种模式( 如图2 一l 、图2 2 ) 图2 1 解优法图2 2 证优法 1 解优法( 或正推法) 即根据对城市交通需求的预测，通过求特定目标函数的最优解，获得优化线 网。 2 证优法( 或验算法) 即对一个或几个线网备选方案进行评价，证实或选择较优方案。 在实践应用中，两种方法常结合使用，如将解析优化线网与经验线网共同构 成备选线网集；对解析优化得到的线网根据实践经验进行调整；对经验线网的 解析优化调整等。 2 2 2 公交线网优化的基本内容 公交线网优化的基本内容主要包括： 1 交通需求分布预测 获得交通需求分布量( o - d 矩阵) 一般有两种方法： 按传统方法，根据居民出行调查和城市土地利用状况按“四阶段法”进行预 7 测。 由于居民出行调查工作量较大，公交系统内部规划和近期规划常常采用基 于线路客流量调查的客流估算方法。 2 线网的优化布设 线网优化布设一般在单条路线优化的基础上，考虑线网的整体优化，常采用 以下方法： “逐条布线，优化成网”法。按路线直达客流量最大布线，如王炜( 1 9 9 2 ) 将城市公交线网规划分为起讫站点拟定和线网生成两个部分，对所有起讫站点间 可能的路线按直达客流量最大“逐条布设。 经验法。如，“台北市大众运输路线研究规划采用事先设定的公交线网方 案，如方格线网，辐射型线网等。 拟合客流法。如在系统最优客流分配的基础上，用“取大法一。舍小法一 截取网络得到初始网络。 3 线网客流预测与评价 城市公交线网客流预测是指将前面预测的城市公共交通需求分布量( 0 一d 矩 阵) 分配到拟采用的公共交通网络上，确定公共交通网络中每一条公共交通线路的 断面客流量及站点上下客流量，具体方法将在第4 章中详细介绍。 城市公交线网评价是指根据城市的形态及预测的线网客流量，对设计的公共 交通网络布局方案进行网络形态及交通质量等多方面的评价乜引。 总之，城市公共交通线网优化目前尚无统一模型，方法较多，灵活性较大， 一般采用寻优法、拟优法或证优法求得较优可行解。 2 3 公交线路起终点站的选择 起讫站点的选址主要是依据公共交通出行o d 矩阵在各条线路上的分配量，同 时也要考虑城市主要客流集散点和现有起始站的分布以及现有终点站的分布。公 交网络服务区域的客流量经过交通调查及预测后得到目标年的出行0 一d ，便可根据 各交通区的总发生量和总吸引量确定需建设公交线路的起终点站。 1 按客流量设站 根据公共交通线路起终点站设置的基本原则可知，当某一个交通区高峰小时 的总发生量或总吸引量大于某一设站交通量标准时，该区域就必须设置公共交通 线路起终点站乜引。 一般情况下，各个小区发生或吸引的乘客量都由经过该交通区的公交线路中 间站点运送的。而当小区发生或吸引的乘客量超过该公交线路中间站点的运送能 力时，此公交中间站点就不能运载这些发生量和吸引量，则该交通区就必须设置 公交线路的起点站，以增加此站点的运载能力。所以，可以取交通区中间站点的 8 运载能力大小作为起终点站或终点站的设站标准。 一个中间站点的运载能力为如式( 2 1 ) ： c o = b 6 0 i t ： ( 2 1 ) 式中，c 0 一个中间站点的运载能力( 人次高峰小时) ； t ：一一高峰小时发车间隔，2 - 5 m i l l ； b 一一高峰小时平均每车从中间站点搭载的乘客数。 交通区中间站点的总运载能力( 即设站标准) 如式( 2 2 ) ： c i = c o j ( 2 2 ) 式中，c 一一f 交通区中间站点的总运载能力( 人次高峰小时) ； m 一一f 交通区内的中间站点个数。 交通区的中间站点的个数可根据公交线网密度及各交通区的出行量相对大小 来确定。 全规划区的站点个数为： n o 霉p s i d ( 2 3 ) 式中，川。一一全规划区的站点个数； p 一一公交线网密度( k i n k i n 2 ) ； s 一一规划区面积( k m 2 ) ； d 一一平均站点间距( k m ) 。 在规划城市公交线网时，参考城市道路交通规划设计规范，取全市平均 密度p = 3 4 k m l k m 2 ，平均站距d = 0 5 0 6 k m 心引。 因公交线路的站点的其他一些特性，在公交线路尚未确定前可根据以下两种 方法确定交通区的公交线路站点个数。 ( 1 ) 按出行量的大小确定 m = n o - 互i t ( 2 4 ) 式中，z 一一f 交通区的总共交乘客发生量或吸引量； 丁一一全规划区的总公交乘客发生量或吸引量： t = z i = 1 式中，m 一一全规划区内交通区个数。 ( 2 ) 按区域面积及密度确定 n i = p l s t d i 式中，m 一一f 交通区的站点个数； p ，一一f 交通区的路网密度( 市中心商业区p = 4 5 k m k m 2 ， p = 2 3 k m l k m 2 ，一般地区p = 3 4 k m l k m 2 ) ； 9 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 近郊地区 d ；一一f 交通区的平均站距( 市中心商业区d = 0 3 0 5 k m ，近郊地区 d = 0 6 0 8 k m ，一般地区d = 0 5 0 6 k m ) ； 墨一一f 交通区的面积( k m 2 ) 。 若计算结果各交通区站点数不等于全规划区总站点数按下式进行修正： 吖= o m m ( 2 7 ) j = l 式中，；一一f 交通区修正后的站点个数。 当交通区的总发生量或总吸引量超过它的中间站点运载能力时，需设置起终 点站。 一个起终点站的运载能力为： 巳= 6 0 r r ( t f ) ( 2 8 ) 式中，c 0 个起终点站运载能力( 人次高峰小时) ， r 一一公交车额定载客数，铰按车：1 2 9 人，单节车：7 2 人； ，一一高峰小时满载率，取，= 0 8 5 ； 一一高峰小时发车间隔； 一一线路上最大断面流量与起点站站前断面或终点站站后断面的流量 之比，k 0 = 1 5 - 2 5 。 可见，一个起终点站的运载能力为8 0 0 - 2 0 0 0 人次高峰小时( 铰接车) 或 5 0 0 1 2 0 0 人次高峰小时( 单节车) 。 2 按实际要求设站 对于某些特殊地区，如车站、码头、风景区、居民生活小区等，为满足乘客 的出行需要，方便居民生活，即使总发生( 吸引) 量未达到设站标准，也可考虑 设公共交通线路的起终点站。由于公交线路通常为双向线路，某点为某线路的起 终点站，则它必为另一方向该线路的终点站，故起终点站的个数应为双数，以便 形成双向线路，双向线路的条数为起终点站个数的一半口引。 3 参照现有首末站设站 现有公交首末站的设立在一定程度上反映了该公交站点的公交出行需求情 况，也影响着周边居民公交出行的习惯。参照现有公交首术站进行设站既能满足 设站的技术要求，也能体现人性化的设置方式。 综合考虑以上三种公共交通首末站设置的方法，便可以得到优化区域公交首 末站点的分布。 1 0 2 4 公交线路运载能力计算 公交线路的运载能力取决于公交线路的停靠能力口。根据前苏联的研究( 费 舍里松，1 9 8 4 ) ，公交路段的运载能力可用下式计算。 c i = r r nl i k i 式中，g 路段运载能力( 人次高峰小时) ； 尺公交车额定载客量( 单节车：7 2 人辆，铰接车：1 2 9 人辆) ； ，公交车辆满载率( 高峰小时取o 8 5 ) ； l 只设一个同名站点的设计停靠能力( 单节车：1 1 0 辆d , 时，铰接 车：7 5 辆4 , 时) ； f 同名站点的个数( fs3 ) ； k ，同名站点的利用系数( 取值为f = l 时，k ，z1 0 ，盏2 时，k 豁0 8 ； i = 3 时，k ，= 0 7 ) 。 由上式计算的线路运载能力，包括了一部分换乘乘客，不全是直达乘客。因 此，线路运载直达乘客量的能力，应从上式中扣除换乘乘客量，即乘上不换乘比 b 。不换乘比与城市的性质与规模有关，因此，仅含直达乘客的单条公交线路运 载能力为： c i = r 。r n l i k i b w 式中，曰。一一不换乘比； 其他符号同前。 2 5 公交线路起终点站配对 在确定城市公交线路的起终点站以后就可以对公交线路起终点站进行配对， 以形成初步的公交线路，从而形成城市初步公交线网，因为一条公交线路只能有 一个起点和一个终点，因此，起终点之间的优化配对问题实质上是一个指派问题 副，其数学模型为： m a x s = z i x oj 二一j 二一 = 1 = 1 ，2 ，z j = l s 一窆 = 1 i = 1 , 2 ，栉 j = i = 1 或。 式中，s 一一全服务区公交线网总直达乘客量； ( 2 9 ) 以一一线路起点或终点个数； z 扩一一f 起点与终点配对时，该线路所能运送的直达乘客量，它与线路走 向有关3 x 扩一一。一1 变量。若f 起点与_ ，终点配对，则乃：1 ，否则，x 扩：0 。 2 6 线路生成 初步公交线网生成主要是运用最短路径生成法，也就是d i j k s t r a 最短路径算 法。d i j k s t r a 法基本思想是：从出发点，逐步地向外探寻最短路，执行过程中， 与每个点对应，记录下一个数( 称为这个点的标号) ，它或者表示从起点到该点的 最短路的权( 称为p 标号) 、或者是从起点到该点的最短路的权的上界( 称为t 标号) ， 方法的每一步是去修改t 标号，并且把某一个具t 标号的改变为具p 标号的点，从而 使g 中具p 标号的顶点数多一个，这样至多经过n 一1 步，就可以求出从起点到各点 的最短线路。 2 7 本章小结 本章介绍了公交线网优化的目的、原则、思路及基本内容，总结归纳了公交 线路起终点站的选择和配对、路线运载能力的计算以及公交线路的生成等线网优 化的基础知识。 1 2 第三章多目标公交线网优化模型 3 1 影响公交线网优化的因素 每一个系统都受到诸多内在和外在因素的影响，公交线网优化是一个复杂的 系统工程，它受到很多因素的影响，在诸多因素中主要包括以下几个方面： ( 1 ) 交通需求的影响 城市客运交通需求是影响公交线网规划的重要因素之一，而城市客运交通需 求包括了交通出行数量、交通出行分布和出行路径的选择三个基本的因素。一般 来讲，在一定的服务水平要求下，交通客运需求量大的区域要求布置的公交线网 客运能力比较大；客运需求量过小的区域，由于路线客运能力太低，从经济的角 度来考虑是不经济的，是不宜开设的。因此，理想的公交线网布局应该满足大多 数交通出行的需求要求，使其能具有服务范围较广、非直线系数较小、出行时间 比较短、直达率高即公交换乘率低、可达性高( 步行距离短) 等特点。 ( 2 ) 道路条件的影响 城市道路是公交线网布置的物质基础和前提条件。对于常规公交线网，如果 没有道路网络，公交线路就没有了存在的依托。同时，即便是道路网存在，也并 不是所有的道路都能适合公交车辆的行驶，还要考虑道路几何线型、路面条件和 容量限制等诸多因素。如果道路条件差，如转弯半径过小、路面负荷有限、坡度 陡长、路宽不足( 当道路宽度小于7 米时将不适合公交车辆的行驶，因而不宜开设 公交线路) 时就不适合公交车辆行驶。所以，在进行公交线网优化以前，可以将 所有适合于公交车辆行驶的道路定义为公交线网优化的“基础道路网络”，然后， 将公交线网布置在这个基础的道路网络之上。 ( 3 ) 场站条件的影响 起、讫点生成线网，也可以在公交路线优化后，根据公交路线及车辆配置确 定起终点站的位置及其规模。一般情况下，公交车站可以在公交路线确定以后， 根据最优站距和车站长度限制等情况来确定。 ( 4 ) 车辆条件的影响 影响公交线网优化的车辆条件包括车辆的长度、宽度、高度、重量、操作性 能( 车速、加速能力、转弯半径等) 、载客指标( 坐、站位数、额定载客量等) 和车 队拥有车辆数等条件。考虑其中物理特性和操作性能与道路条件之间的协调关系， 可以确定公交线网规划的基础道路网络。根据车辆总数、车辆的载客能力和路线 的配车数可以决定公交路线总数、车辆总数来作为线网优化的限制条件；也可先 1 3 优化线网根据路线配置车辆所需的车辆总数，再来考虑数量的限制。 ( 5 ) 效率因素的影响 效率因素是指公共交通线网单位投入( 如每公里、每班次等) 所获得的服务效 益，反映路线效益的指标主要有：车辆每月行驶次数、每车次载客的人数、每车公 里载客的人数、每车公里的收入、每车次的收入和营运成本效益比等。它不仅能 反映路线的运营状况，还反映了路线经过地区的客运需求量和路线的服务吸引能 力，因而在线路优化中应特别考虑效益因素。 ( 6 ) 政策因素的影响 政策因素包括交通管理政策因素( 如车辆管制和优先措施) 、社会公平保障政 策因素( 如照顾边远地带居民出行) 和土地发展政策因素( 如通过开辟公共交通路 线诱导出行，促进沿途地带的发展等) 。 此外，还有文化因素、经济因素、城市居民的出行习惯因素和人口与年龄组 成因素等等。 3 2 公交线网优化目标 城市公共交通网络对城市居民的生活有着很大影响，公共交通网络的规划与 设计，必须以公交乘客分布量( o d 矩阵) 为依据，以方便居民出行为目的，并兼 顾公交企业效益3 1 。因此，在规划或设计