（系统工程专业论文）城市公共交通区域运营调度系统协同优化问题研究.pdf

中文摘要 摘要： 随着我国经济的发展和城市化、机动化进程的加快，城市交通拥堵问题越来 越成为社会各界所关注的焦点。日益增长的城市居民公交出行需求同相对落后的 公交基础设施及管理手段之间的矛盾是城市公交系统发展的主要矛盾。作为当今 城市公共交通发展趋势之一的公交区域调度模式的提出为这一矛盾的缓解提供了 很好的思路。 开始于2 0 世纪5 0 年代末的对于城市公交运营调度优化问题的研究发展到今 天，已经在线网布局优化、区域换乘优化、跨线运营优化、业务流程优化和设施 选址优化等五个主要方面取得了众多突破。然而，国内外在该领域的研究与应用， 特别是在系统整体优化方面，到目前为止仍存在着一定的局限性与不足：首先是 缺少对于区域公交调度系统优化理论体系的研究；其次是难以保证公交运营调度 系统优化整体性；第三是区调模式、模型及算法不成熟、不完善；第四是尚未形 成对多模式公交换乘系统而深入的理论成果；最后是缺少对于公共交通发展态势 的系统判断。 针对以上既有研究中存在的问题，本文通过揭示协同优化问题的实质，对区 域公交调度协同优化问题的定义、内涵与外延进行了必要的阐述，建立起了区域 公交协同优化体系框架，设计出了区域公交调度协同优化目标实现的逻辑机理， 提出了在现实中的可能实现形式，并针对体系框架中的几个重点研究领域，从区 域、纵向和横向的角度，对三个协同优化关键问题展开了较为深入的研究。 ( 1 ) 针对常规公交区域调度不同公交线路协同发车问题进行了研究。在实际工 作中，编制出能够最大限度地减少乘客在不同线路交叉换乘点处换乘等待时间的 公交时刻表是实现公交调度区域化的关键任务之一，而协同发车是实现这一目标 的有效手段。针对这一问题，本文将以区域内乘客换乘时间最少为目标的区域公 交时刻表的编制问题归结为一类特殊的带有协同系数且无容量约束的0 1 背包问 题，并定义了协同系数，建立了相应的数学模型，给出了基于嵌套式的禁忌搜索 算法( n e s t i n gt a b us e a r c h ，n t s ) 的模型解法，最后利用具体算例对模型及算法进 行了必要的验证。 ( 2 ) 按照协同优化思想和多层规划原理构建了整合了时刻表生成和车辆、人员 调度功能的区域公交调度多三层协同优化管理系统。在模型的整体设计中，通过 设置资源、时间和均衡三个系统权衡参量指标，对整个调度计划的产生加以控制。 上层模型的目标函数主要综合考虑所需司售人员总数和司售人员待岗时间最优， 其约束条件主要是司售人员的最短当班出行时间、最大连续工作时间以及各种时 间窗限制。在中层车辆调度模型中，本文以区域内各条线路所使用的车辆总数以 及车辆总空驶时间最小为目标，考虑了车辆续驶时间、车场最大容量和最低存量 等三个约束条件。下层模型主要引用上一问题的主研究成果进行建模和求解。然 后，再依据所设定的满意度指标得出一组满意解供下一级模型比选，进而产生出 从系统的角度来讲更为理想的人员、车辆调度方案及与之对应的符合满意度评价 标准的公交发车时刻表。最后，本文给出了一个典型算例来验证模型的可靠性与 有效性。 ( 3 ) 综合考虑节约企业运力资源，改善居民出行环境和提高城市运行效率，对 多种公交运营模式之间的换乘效力进行评价。作为城市公交系统的服务对象的乘 客是不受公交公司运营调度管理所控制的，客流是按照其特定的规律分布在整个 区域公交网络上的。本文对多种公交模式下的城市公交枢纽换乘效力问题展开分 析，建立了系统的评价体系，并基于目前我国城市公交枢纽建设方面存在的问题 提出合理化建议。 最后，基于系统旋进原则方法论，并结合对上述三个问题的研究，在方法论 意义上对城市公共交通协同旋进发展进行了再思考，给出了城市公交系统三维协 同发展模型，并对未来公交发展趋势的做了系统判断，以及明确了面向协同发展 的公交企业发展定位。 关键词：区域调度；时刻表；车辆调度；人员调度；公共交通；协同优化 分类号：u 1 2 1 ；u 4 9 2 图2 4 幅，表1 0 个，参考文献1 2 5 篇。 a b s t r a c t a b s 。l 。r a c i t h e p r i m a r yc o n c e r n o fab u sc o m p a n yi st oa l l o c a t ei t sl i m i t e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o n r e s o u r c e st om e e tt h ep a s s e n g e r s t r i pd e m a n d se f f i c i e n t l y t h ee m e r g e n c eo ft h e r e g i o n a lo p e r a t i n gm o d a l ，a so n eo ft h ec u r r e n td e v e l o p m e n tt r e n d so ft h eu r b a np u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，p r o v i d e st h eo p p o r t u n i t yt os e e kt h et r a d e - o f f t h er e s e a r c ho no p t i m i z a t i o nf o ru r b a np u b l i ct r a n s p o r t a t i o no p e r a t i n g , w h i c h o r i e n t e df r o mt h e19 5 0 s ，h a sd e v e l o p e dt h ef o u rm a i nf i e l d s ，i e n e t w o r kr o u t i n g , r e g i o nt r a n s f e r r i n g , m u l t i - l i n eo p e r a t i n g ， b u s i n e s sp r o c e s sr e 圮n g i n e t t i n ga n d l o c a t i o np l a n n i n g u pt ot h ep r e s e n t ，s e v e r a ls h o r t a g e sr e m a i n ，e s p e c i a l l yi ns y n e r g e t i c o p t i m i z a t i o ni ns y s t e m ：l a c k i n gt h er e s e a r c ho nt h ee s s e n c eo fc r o s s s c h e d u l i n g b u sl i n e s ，b e i n gu n s u r et oo p t i m i z et h eb u ss c h e d u l i n gs y s t e ms y n e r g i s t i c a l l y , b e i n gn o tp e r f e c tf o rt h ep a t t e r n ，t h em o d e l ，a n dt h ea l g o r i t h mo fr e g i o n a ls c h e d u l i n g , h a v i n gn o tf o r m e dt h ec o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t0 1 1t h ei n t e r c h a n g ea b i l i t yo f u r b a np a s s e n g e rt e r m i n a l s ，a n ds e l d o mj u d g i n gt h et r e n do fu r b a np u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l y t os o l v et h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，t h ee s s e n c eo f s y n e r g e t i co p t i m i z a t i o ni s b r o u g h tt ol i g h t ，t h ed e f i n i t i o n ，t h ei n t e r n a la n dt h ee x t e r n a li m p l i c a t i o na r ed e f i n e df o r s y n e r g e t i co p t i m i z a t i o nf o r t h er e g i o n a lb u so p e r a t i n gs y s t e m ( s o r b o s ) ，t h e c o r r e s p o n d i n gt h e o r ya r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e d ，t h ep r o b a b l ew a y si sp r o p o s e dt or e a l i z e s o r b o s ，a n dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e sw o u l db ec a r d e do u ti nt h i sp a p e r ： i s y n e r g e t i cd e p a r t u r ep r o b l e m ( s d p ) i n v o l v i n gm u l t i - r o u t ei ss o l v e d i tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l e i nr e g i o n a lb u ss c h e d u l i n gt h a tc r e a t i n gt h et i m e t a b l ew h i c hc a n m i n i m i z et h et r a n s f e rt i m eo ft h ep a s s e n g e r si ne v e r yc o n n e c t i o ns t o p ；m e a n w h i l e ， s y n c h r o n i z a t i o nd e p a r t u r ec a r ld e a lw i t ht h ep r o b l e me f f e c t i v e l y i nt h i sp a p e r , t h e r e g i o n a lb u st i m e t a b l i n gi sf o r m u l a t e da sap e c u l i a rl 【i n do fn o n - c a p a c i t yk n a p s a c k p r o b l e mf n k p ) w i mt h es y n c h r o n i z a t i o nc o e m c i e n tt h a ti sd e f i n e db yt h ea u t h o r t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e nb u i l ta n dt h en e s t i n gt a b o os e a r c h ( n t s ) a l g o r i t h mh a s b e e nd e v e l o p e dt os o l v et h ep r o b l e m t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e 1 1 i g hq u a l i t ys o l u t i o n st ot h en k pc a nb eo b t a i n e db yu s i n gt h em o d i f i e dt a b o os e a r c h a l g o r i t h m v i i a c c o r d i n gt ot h es y n e r g e t i co p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dt h em u l t i l e v e lp r o g r a m m i n g p r i n c i p l e , t r i - l e v e ls y n e r g e t i co p t i m i z a t i o ns y s t e mf o rb u ss c h e d u l i n gi se s t a b l i s h e d b y t h em e t h o do fs e t t i n gu ps y s t e mp a r a m e t e r s ，i e r e s o u r c e , t i m ea n de q u i l i b r i u m p a r a m e t e r , t h eo u t p u t so ft h ew h o l es c h e d u l i n ga r ec o n t r o l l e d i nt h eu p p e rm o d e l ，t h e o b j e c t i v eo ft h ec r e ws c h e d u l i n gw i t ht i m ew i n d o w si st om i n i m i z et h en u m b e ro ft h e r e q u i r e dc r e w sa n dt h et o t a lw a i t i n gt i m ei nr e l i e fp o i n t s i nt h em i d d l em o d e l ，t h e r e g i o n a lb u sv e h i c l es c h e d u l i n g , w h i c hi sd e s i g n e dt om i n i m i z et h et o t a ln u m b e ro ft h e r e q u i r e dv e h i c l e sa n dt h et o t a lt i m eo ft h ed e a d h e a d i n gt r i p s ，i sf o r m u l a t e d 蠲ac l a s so f t h es c h e d u l i n gp r o b l e mc o m p l y i n gs t r i c t l yw i t l lt h ev e h i c l ec h a i n - r u n n i n gt i m e ，t h e m a x i m u mc a p a c i t ya n dt h er e q u i r e dr e t a i n i n gv e h i c l e si nt h ee a c hd e p o t t h el o w e r m o d e lc i t e st h ep r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s t h es a t i s f a c t i o nc r i t e r i aw h i c hc a ns e l e c tas e t o ft h es a t i s f i e ds o l u t i o n sf o rt h ep r e v i o u sm o d e lt od e c i d ea r ed e f i n e d f i n a l l y , t h e e f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h mi sd i s c u s s e d ，a n dt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h em o d e li sr e a s o n a b l ea n dt h ea l g o r i t h mi se f f i c i e n ta n df e a s i b l e i i i d i f f e r e n tp u b l i ct r a n s p o r t a t i o np a t t e r n sa r ei n t e g r a t e dt os a v et h et r a n s p o r t a t i o n r e s o u r c e so fab u sc o m p a n y , t o i m p r o v et h ee n v i r o n m e n to ft h ep a s s e n g e r s t r i p ，a n dt o i m p r o v et h er u n n i n ge f f i c i e n c yo fc i t i e s p a s s e n g e r s ，嬲t h eo b j e c to fu r b a np u b l i c t r a n s p o r t a t i o n ，a r eo u to fb u sc o m p a n i e s c o n t r 0 1 p a s s e n g e r s ，a b i d i n gb ys p e c i f i cr u l e s ， a r ed i s t r i b u t e di ns o m ew h o l er e g i o n t h ei n t e r c h a n g ea b i l i t yo fa l lu r b a np a s s e n g e r t e r m i n a li sa s s e s s e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ep r o m i n e n tp r o b l e m so ni n t e r c h a n g e a b i l i t yo fu r b a np a s s e n g e rt e r m i n a l s ，s o m ec o n s t r u c t i v es u g g e s t i o n sa b o u ti m p r o v i n gt h e i n t e r c h a n g ea b i l i t yo f u r b a np a s s e n g e rt e r m i n a l sa r eg i v e nf i n a l l y f i n a l l y , b a s e do l ls p i r a lp r o p u l s i o np r i n c i p l e ，t h es y n e r g e t i cd e v e l o p m e n tp a t t e r n f o ru r b a np u b l i ct r a n s p o r t a t i o ni sd e m o n s t r a t e di n i t i a l l yi nt h es e n s eo fm e t h o d o l o g y 3 - d e m e n t i o nd e v e l o p i n gm o d e li sc o n s t r u c t e d ，t h et e n d e n c yo fp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ni s j u d g e ds y s t e m a t i c a l l y , a n dt h ei n t e g r a t i o n - b a s e dd e v e l o p m e n tp o s i t i o no f b u sc o m p a n i e s i sg i v e no u t k e y w o r d s ：r e g i o n a ls c h e d u l i n g ；b u st i m e t a b l i n g ；v e h i c l es c h e d u l i n g ；c r e w s c h e d u l i n g ；p u b l i ct r a n s p o r t a t i o n ；s y n e r g yo p t i m i z a t i o n c l a s s n o ：u 1 2 1 ；u 4 9 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 一躲p 叭p 期：如g 年7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 躲与、磐叭、 签字日期：j 伊驴年7 月弓j 日 导师签名： 签字日期：h 田年夕月3f 日 致谢 本文的选题、研究、撰写和成稿都是在我的导师张智文教授的悉心指导和热 忱关怀下完成的。张智文教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮 助和影响。在此，我衷心地感谢张智文教授对我的指导和关怀。 同时，我尤其要感谢申金升教授在我研究生阶段这五年的时间里给予我的无 私的熏陶与教诲。他思想深邃，学识渊博，治学严谨，为人豁达，眼光敏锐，见 地入木而独到。和申老师的每一次相处，都会使我茅塞顿开、获益匪浅。正是申 老师在学术上的真知灼见和在生活上的一言一行深深地激励着我、影响着我、改 变着我，使我能够在探求科学真理的道路上一往无前，使我能够始终向着踏实勤 奋的做事态度和忠实厚道的为人品格的方向而不懈努力。在此，我向尊敬的申老 师致以最崇高的敬意，并祝福申老师及其家人阖家幸福、万事如意。 系统工程与控制研究所的关伟教授、王喜富教授、纪寿文老师、卫振林老师、 马继辉老师、朱广宇老师、李宝文老师、黄爱玲老师、刘志硕博士后和王海星博 士悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关 心和帮助。在此，向诸位老师表示诚挚的谢意。此外，北京交通大学理学院的商 朋见教授和中国城市规划设计院的马林总工程师对于我的科研工作和论文都给予 过帮助，在此同样表示感谢。感谢运输学院赵映奎书记、孙东梅书记和辅导员李 涛老师对我工作上的指导和支持。感谢对外经贸大学的舒玉敏教授和王汉民教授 给予我生活上的关心和照顾。感谢北京市委组织部的冷强田老师和北京经济技术 开发区市政管理局的袁立洪局长、张忠坤局长等各位领导给予过我的无私帮助。 感谢曾对我公开发表的文章提出宝贵修改意见的我至今也不知姓名的系统工程 理论与实践、交通运输系统工程与信息、交通运输工程与信息学报和中国 科技论文在线等杂志的各位审稿专家。 在实验室工作及撰写论文期间，杨威、王振华、冯清维等同学对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。五年的研究生生活， 使我与马旭辉、徐扬、魏炜、王传涛、陈小明、赵峰、李凌锋、董传波、李根柱 等同学结下了深厚的友谊，在此也祝愿他们今后能够事业有成、风帆永顺。 最后，我更要感谢我的父母、兄嫂和妻子，是他们的无私的关爱、深深的理 解和大力的支持才使我能够顺利完成我的学业。 笔不前驰，恩情永志! 刘志刚 2 0 0 8 年7 月 于红果园 1 引言 我想引用德国著名物理学家赫尔曼哈肯的一句话来展开本文的论述。 。在复杂系统的变化过程之中。存在着某种必然的发展规律它们是不以个 人意志为转移的，而探究并翻甩隐藏在这些自动机钢后面的普适性原理可以在 更高层面上为人类造福。” 自从1 6 0 0 年英国伦敦出现了第一辆马拉式公共马车以来，城市公共交通系统 经历了四个多世纪的发展、跃迁，从萌芽、成长、兴盛、衰退又走向了如今的复 兴。城市公交系统本身是开放而复杂的，她正沿着自己独特的运动轨迹不断地向 前发展，且作为城市重要的基础设施和关系到国计民生的社会公益性事业已经与 城市居民的生产、生活融为一体了。 1 1 研究背景 随着我国经济的发展和城市化进程的加快，城市交通拥堵问题越来越成为社 会各界所关注的焦点。据我国建设部于2 0 0 6 年底公布的数据显示，北京市机动车 保有量已达2 8 2 万辆，每天仍以平均1 0 0 0 辆的速度在增长，干道平均车速比1 0 年前降低约5 0 ，市区1 8 3 个主要路口中，严重阻塞的达6 0 。面对人口、资源、 环境矛盾日益突出的压力，优先发展公共交通仍是我国各大中型城市必须长期坚 持的任务。 事实表明，公共交通在城市交通中的重要地位是任何其他交通方式不可取代 的。公共交通因其人均占用道路面积少( 约为小汽车方式的1 1 0 、自行车方式的 1 6 ) ，相对于众多的小汽车交通具有节能减污优势，因此而成为城市交通的首选方 式。然而，倡导了多年的公共交通优先战略，各地的实际情况是公交发展仍然滞 后。虽然近年来北京等少数几个大城市在公交发展方面已经取得了一定的成绩， 但是在我国6 0 0 多个城市中公交出行率仍然大多在1 0 以内，极少数城市达到 2 5 - 。3 0 或略多【2 ，3 1 。 虽然城市公共交通已经体现出了私人交通方式更高的运输效率，在缓解交通 拥堵、节约土地资源、引导城市的空间布局和土地开发等方面具有巨大作用，但 是就我国实际发展而言，“总体发展滞后”依然是我国城市公共交通的一大缺憾。 为了充分适应大城市经济发展带来的巨大交通需求，必须首先加快城市公共交通 系统的建设，真正实现“公交主导 ，切实提升公共交通的竞争力、吸引力，提高 公交出行方式相对于私人小汽车的竞争力。 当然，城市公交系统的发展与城市机动化的大背景是密不可分的。公共交通 与城市机动化之间相互关联、相互作用、相互影响，共同构成了一个典型的复合 系统，如图1 1 所示。城市公共交通正是在这样一种复杂环境的背景下，通过各种 反馈关系，不断地去寻求每一个自适应状态。作为城市交通系统而言，虽然可以 通过系统自组织进行适当的调节，但是这种调节毕竟是有限的，而且很多时候是 滞后的，这就需要及时对城市交通系统进行研究，提前制定切实的扶植政策，予 以充足的资金支持，同时更需要在系统运营模式和关键技术上有所创新。 图1 1 城市机动化与公共交通发展复合系统 f i gl - 1 t h ec o m p o u n ds y s t e mi n c l u d i n ga u t o m o b i l i z a t i o na n du r b a n p u b l i ct r a n s p o r t a t i o n 实际上，我国公共交通系统自身发展相对滞后存在着诸多制约因素。这其中， 公交调度模式始终没有取得突破性的变革，是导致公交发展相对滞后的重要原因 之一。日益增长的城市居民公交出行需求同相对落后的公交基础设施及管理手段 之间的矛盾是城市公交系统的主要矛盾，是公交系统发展的真正动力所在。目前， 在公交基础设施投资建设与政策扶持方面，我国政府已经投入了大量的资金，并 予与了政策倾斜，而对于这种占主体地位的常规公交形式的运营模式及管理技术 的研究和开发却远远滞后于当今社会的发展，甚至可以说是一直都没有“实质性 的改变。在注重公交基础设施建设和公交领域技术进步的同时，以系统工程思想 2 为指导，来重新审视公交系统组织运营管理中存在的突出问题，从组织管理上提 升整个公交系统的效力效果、效率、效益，这是社会必然的选择。 国内各城市的公交运营调度管理形式目前仍以单线调度为主，实行定时、定 线、定站的单线调度方式。调度的具体实施是以线路( 车队) 为运营组织调度实 体，人员、车辆按线路( 车队) 固定配属，以线路为单位编制运营计划进行实时 调度。这在一定程度上严重限制了本就相对匮乏的公交资源效益的发挥，同时也 制约了政府已经投入大笔资金建设的城市公交硬件设施及各种新技术、扶持政策 的应用潜力。如图1 2 所示，公交运营组织管理模式这种“生产关系 的相对滞后， 已经在一定程度上影响到了城市公交系统整体“生产力”的发展了。 需求供给能力 图1 2 公交需求与公交运营管理能力供给关系示意图 f i gi - 2 t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ed e m a n da n dt h eo p e r a t i n gm a n a g e m e n ta b l i t yo f u r b a nb u ss y s t e m s 对于公交企业来讲，其基本任务就是如何调配好有限的运力资源以求更好地 满足城市居民的出行需求。作为当今城市公共交通发展趋势之一的公交区域调度 模式的提出为这一目标的实现提供了很好的解决思路。所谓区域公交调度就是要 强调车场对运力资源的配置作用，利用耦合性较强的公交线路不同高峰期最大断 面客流在空间和时间上的不均衡来实现车辆、人员调度在不同路段间运力的动态 组合，达到节约人力、物力、财力，并且提高车辆和人员的使用效率，增加不同 线路的协调性的目的。 目前，我国虽然已经在较为先进的公交运营调度模式区域调度的研究方 面取得了一定的进展，但是许多关键环节仍未能实现实质性突破，特别是在系统 整体优化方面，更是很少得到关注。因此，真正意义上的区域公交调度在我国的 实现仍然有许多关键环节和重点领域需要攻克。 3 1 2研究意义 区域调度模式是一种能够充分发挥公交资源效益的运营模式，相对于目前我 国公交企业普遍施行的单线模式而言有着巨大的效益优势。而目前，我国关于这 一问题的研究尚处于起步阶段，能够应用于实际工作中去的研究成果还不是很多， 很多运营调度管理关键技术还没有取得突破，主流的研究方向还不算明晰。城市 公交调度由单线模式向区域模式的转变，对于公交系统而言可谓是重大的运营组 织管理变革，而本文的研究重点正是对如何更加有效地实现这一转变的具体的可 行途径及其发展理论的研究。因此，本文的研究具有如下理论和现实意义。 1 2 1 理论意义 本文所研究的区域公交运营调度协同优化问题，是系统工程与区域公交调度 相结合的一次有益尝试。无论是对城市公交的系统性分析，还是系统协同优化再 设计，协同模型与算法的实现，多模式枢纽协同换乘效力评价，甚至是城市公交 协同发展在方法论层面上的再思考，对于区域公交调度理论体系的完善，都有一 定的理论贡献。 第一，将国外公交区域调度理论与实践经验进行必要的“实用化 改造与创 新。区域调度模式在公交运营调度管理先进的国家是一种已经得到成功应用的公 交运营组织模式。然而，该模式在我国尚处于理论探索和示范应用的初级阶段， 对于与之相关的核心模型与算法的微观层面的研究还基本处于“照搬”状态，况 且这些研究在很大程度上不符合我国具体的实际需要。在“继承”的基础上，本 文会在系统的协同优化方面有所“创新 ，为区域调度模式在我国的实际运用提供 必要的理论和方法上的支持。 第二，将协同论的基本理念、基本原则和基本方法引入到公交运营调度管理 的研究范畴之中，建立起区域公交运营调度协同发展理论体系。将系统科学中的 协同优化理论应用于公交区域运营调度管理的微观、中观和宏观的不同环节，开 拓了系统协同理论的应用领域和应用空间。本文从系统工程的角度，将传统的人 为分割的多阶段公交调度系统统筹考虑，确保了所产生的调度结果的全局最优性， 这也为全局优化理论的丰富提供了一种定性与定量相结合的方法性工具。 第三，从方法论意义上对公交系统三维协同旋进发展进行了再思考j 从公交 系统的横向协同、纵向协同和区域协同逐一进行了理论上的阐述，并提出了旋进 原则方法论指导下的城市公共交通发展的新模式，为城市公共交通理论研究体系 开辟了新的研究领域。 4 1 2 2现实意义 区域公交调度的实现，协同优化效果的体现，必将在一定程度上能够缓解交 通对于城市交通发展的瓶颈作用，能够提升公交企业的运力水平，为“公交优先 发展战略的全面实施提供必要的技术支持与保障，以节约资源使用的方式去“创 造”新的价值。 首先，对于政府来讲，城市公共交通运营调度管理水平的提升必然会增强城 市的综合实力，创造更大的社会效益。协同化的区域调度模式的实现可以在一定 程度上缓解交通拥堵带来的巨大压力，使得城市交通秩序更为井然，使得城市居 民的出行环境得以改善，使得因交通拥堵带来的经济损失减少，使得城市运行效 率提高，使得城市的竞争力得以进一步提升。 其次，对于公交企业来讲，城市公共交通运营管理水平的提升可以给企业带 来更大的经济效益。按照国外的有关统计测算，区域调度与传统单线调度相比， 会节约1 0 - 2 0 的运力资源【3 6 l 。区域调度模式的实现可以有效地解决现有的公交 运营现状中存在的问题：车辆可以集中停放，节约了大量城市用地；人员可以集 中管理，提高了企业的工作效率；计划可以统一编制，实现了运输资源在多条线 路之间的优化配置；运营调度系统可以借助监控定位系统来支持，增强了调度员 的处理能力和应付突发事件的反应能力；保养、生活等设施可以集中建设，集中 了财力、物力，以提供更加完善的后勤保障。 最后，也是最重要的，那就是对于城市的所有居民来讲，公共交通的发达与 否直接关系着人民生活的质量。无论一个人的出行首选是否是公交车，公交的健 康、持续发展都会在一定程度上给人们带来便捷与实惠。因为选择私人交通工具 出行与选择公共交通工具出行之间是一种竞争合作式的关系。公共交通的良性发 展也同样会给私人交通创造更为宽松的用车环境。因此，通过采用效率更高的公 交调度组织模式，同样的公交资源可以提供更优质、更完善的公共出行服务，居 民的日常出行将更为便捷，出行效率将进一步提高。 1 3文献综述 本文研究的重点是如何更加有效地实现城市公交区域换乘和跨线运营组织模 式。由于公交调度问题的复杂性和繁琐性，现有的研究通常将公交运营调度核心 问题依照功能划分为四个顺次的部分5 】：公交网络设计及优化、时刻表编制、车辆 调度和人员调度，且前一部分的解决方案是后一部分实施的前提和基础。其中， 公交时刻表是公交企业组织线路运营的具体作业计划，是由发车频率( 发车时间 5 间隔) 来确定的。它指导着公交线路运营的全过程，是城市公交企业管理的基础 工作之一。车辆调配是目前公交企业日常工作的核心。对于车辆调度而言，众多 相互关联的班次、线路所组成的复杂网络只有多参数、多约束的复杂模型才能加 以描述。公交人员调度一般是在车辆调度完成的基础上进行的。 区域公交人员调度与单线调度最大的不同之处就在于人员被安排在几条线路 上工作，从比较直观的角度来看，当某条线路处在高峰时段，就可以从处在低峰 时段的线路抽调人员。这些调度模型及其算法是公交调度系统中的核心部分，它 决定着系统能否快速而准确地分析、处理所采集的数据，并有效地生成一个可行 的行车调度方案。 1 3 1国外研究综述 区域公交调度，无论是理论研究，还是实际应用，在一些国家均取得了不同 程度的进展。它是相对于单线调度来说，整合度更高的调度模式，通过取消了车 队( 线路) 管理层，而强化了车场对运力资源的配置作用。 ( 1 ) 关于时刻表编制问题的研究 传统的单线调度还可以勉强靠手工来编制，但是区域调度的复杂性与繁琐性 决定了用电子计算机来辅助编制发车时刻表成为了业内研究热点。到目前为止， 国外的很多专家、学者都已经对时刻表的编制问题进行了深入的研究。 c e d d l 6 】给出了四种不同发车频率确定方式，其中有两种方式是基于在某个站 点某个时间段统计得到的乘客到达数量来确定，用客流量最大的那个时间段的某 个站点乘客到达的数量除以所期望的公交载客量就得到发车频率( 这也是目前我 国公交企业普遍采用的确定发车间隔的方法) 。另外两种方式是基于某个时间段 内，整个线路乘客的周转量来确定，用线路通过的乘客周转量除以所期望的载客 量得到发车频率。c e a e r 和s t e n l 【l 7 】对于该问题，建立了一种整数规划模型，使用 启发式算法，借助计算机程序，实现了模型的求解过程。c e d 一墙】研究了基于不同 类型的发车时间间隔和不同方式所确定的发车频率以及特殊情况下的发车需求来 编制公交时刻表的三种不同方式。c e d e s 5 】还以同时到达换乘枢纽车辆最大化为目 标建立了优化模型并设计了遗传算法，并以以色列某公交公司实际运营情况为例 验证了该模型的有效性。应当说，该模型虽然能够快速实现换乘枢纽多线路的车 头时距优化，但是没有考虑到调度实施层面的问题和客流需求波动问题。 l e 圮- k k - t 和s h o u f d d ，em t l 4 】提出了换乘枢纽协调调度的时刻表编制和动态 调度模型，研究了公交起点站和终点站实时调度控制中，对即将发出的公交车实 行屯车策略，确定优化的行车间隔，并将枢纽协调调度时刻表编制模型分为了两 6 个步骤，第一步是不考虑调度实施层面的协调关系，仅通过对各条线路车辆发车 间隔的优化实现换乘客流候车时间最小化，其相关的支持技术是公交本线车辆运 行实时控制，对发车间隔大的线路要控制其车辆运行正点率，对发车间隔密集线 路要控制其车辆运行间隔的均衡；第二步是从时刻表编制和调度实施两个层面考 虑对多条公交线路进行协调调度，建立待协调线路集，然后以线路发车间隔和离 站松弛时间为决策变量建立相关成本目标函数对待协调线路集的时刻表进行联合 优化，并在调度实施中通过驻站时间控制来实现相关线路的协调动态控制。 此外，f u r t h 和w i l s o n 1 5 】采用了在总成本、公交运力和载客率确定的约束条件 之下，以乘客等待时间最少，社会效益最大为目标确定公交发车频率。a d e b i s ，o 和x uj 【1 3 】研究了行车间隔对公交服务水平的影响，如何通过间隔控制来改善公交 服务的可靠性，维护发车时刻表的正常执行。 总体看来，关于公交时刻表编制问题的研究路线主要是围绕如何确定合理的 发车频率来展开，通过各种不同的方法合理确定发车频率进行时刻表优化。而区 域调度中的公交时刻表的编制与单线调度相比，一个重要的不同之处，就是调度 中心在确定各条线路的发车频率或间隔之后，还要尽可能地考虑乘客在区域内换 乘的方便性，从而编制出能够最大限度地减少乘客在不同线路交叉点处换乘等待 时间的公交时刻表。虽然v o s s 6 和c e d e 9 5 】曾经提出过使乘客换乘等待时间最小的 模型，也使用过启发式算法进行了求解，但是他们所构造的算法设计相对简单， 未能真正实现区域调度。 ( 2 ) 关于公交车辆及人员调度问题的研究 公交区域调度与单线调度最大的不同之处就在于车辆、人员安排在几条线路 上，从比较直观的角度来看，当某条线路处在高峰时段，就可以从处在低峰时段 的线路抽调车辆和司售人员进行跨线运营。依照调度范围的大小，车辆调度问题 可以分为单车场车辆调度问题( s i n g l ed e p o r tv e h i c l es c h e d u l i n gp r o b l e m ，s d v s p ) 和多车场车辆调度问题( m u l t i p l ed e p o r tv e h i c l es c h e d u l i n gp r o b l e m ，m d v s p ) 。 s d v s p 也可以理解为m d v s p 的子问题。s d v s p 是公交车辆区域车辆调度的典型 问题，即 一个中心车场，多个班次，每个班次均有不同的线路与起止时间； 如果一个班次的开始时间大于另一班次的结束时间则此二班次可由同一 车辆执行； 优化目标是满足相关约束的条件下使执行所有班次所需车辆数最小。 s d v s p 可在多项式时间内加以解决。事实上，s d v s p 问题可以被描述为一个 最小费用流问题、线性指派问题、运输问题、近似指派问题或是匹配问题【_ 7 1 。 近三十年来，国内外许多研究人员都从不同角度对这一问题作了深入的研究。 7 g a v i s h 和s h i f l e 9 2 0 j 将车辆调度问题( v e h i c l es c h e d u l i n gp r o b l e m ，v s p ) 转化成了 在满足行车班次需求约束条件下，使得车辆数量以及车辆在运行过程中空驶时间 最小的数学模型。定义了大型公交企业的车辆调度问题：公交车辆调度问题解决 如何合理的规划车辆配置来执行给定的班次任务；班次时刻表是根据客流量情况 事先编制的；优化目标是满足相关约束的条件下使所需车辆数最小和车辆空闲时 间最少。 b o d i n 和g o l d e l l 【2 l 】采用两阶段法对s d v s p 进行了求解。b e r t o s s i 等人瞄1 研究 了区域内有多个停车站场情况下的车辆调度问题，建立了使得车辆数量最少和每 辆车停放在恰当地点从而减少运行成本的数学模型。l 锄a t s c h 【2 3 】将m d v s 问题转 化成为一个多种货物从不同的源点运往不同的目的地的网络流量问题。m e s q u i t a 和p a i x a o 冽将上述模型进行了简化，并用分枝定界法进行了求解，取得了较好的 效果。 f r e l i n g , r ，a p m w a