（系统工程专业论文）城市轨道交通与常规公交运营协调优化技术研究.pdf

中文摘要 城市轨道交通与常规公交协调优化研究主要包括规划设计协调与运营管理协 调两方面内容，在既有公交线网的规划条件下，本文立足于轨道交通与常规公交 运营协调优化技术研究，旨在通过运营管理、控制手段使城市轨道交通与常规公 交进行最优组合和相互协调，以实现公共交通系统整体服务水平最高，促进公共 交通一体化发展。 首先，本文综述了国内外在城市轨道交通与常规公交运营协调优化领域的研 究现状，并总结了目前国内外在该领域的研究成果和所存在的问题，在此基础上， 分析了轨道交通与常规公交运营协调的基本内涵与原理，进而提出了轨道交通与 常规公交运营协调的方法。 其次，考虑乘客、公交车辆的随机性以及现实中公交企业的车辆配置、人员 配班等约束条件，建立了以公交系统中运营商和公交乘客总成本最小为目标的轨 道交通与常规公交运营协调模型。通过实行运营协调控制以优化公共交通行车计 划表，包括各公交线路的发车间隔、松弛时间等运营参数，实现城市轨道交通与 常规公交的运营管理组织协调。 然后，以最小化城市轨道交通与常规公交系统的总成本为目标，用解析的方 法求解了非运营协调模型；对于运营协调模型求解，设计开发了混合遗传算法 基于p o w e l l 的遗传算法，并运用英国谢菲尔德大学开发的基于m a t l a b 的遗传算 法工具箱完成了算法的程序开发。 最后，选取北京市的现实公交网络进行了实例分析，通过对比混合遗传算法 与标准遗传算法所求的运营协调优化结果，以验证本文所开发混合遗传算法的有 效性和准确性。同时，分别在高峰小时和平峰小时下对比分析了运营协调与非运 营协调优化的公交系统各部分成本，并提出了相应的结论。此外，对高峰小时下 运营协调的优化发车间隔与公交系统各部分成本的关系进行了灵敏度分析，分析 得到系统优化的发车间隔由于受部分公交线路的实际车辆配置的约束而限制了公 交系统的进一步优化，并针对该问题提出了相应的建议。 关键词：城市轨道交通；常规公交；运营协调优化；模型；混合遗传算法 分类号：u 4 9 1 1 a bs t r a c t s t u d yo nc o o r d i n a t e do p t i m i z a t i o no fu r b a nr a i lt r a n s i ta n d b u ss e r v i c ei n c l u d e s t w oa s p e c t sw h i c ha r ep l a n n i n ga n dd e s i g nc o o r d i n a t i o na n do p e r a t i o nm a n a g e m e n t c o o r d i n a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e so ns c h e d u l eo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yo fc o o r d i n a t e d r a i lt r a n s i ta n db u ss e r v i c ei nt h ee x i s t i n gt r a n s i tn e t w o r k i ti si n t e n d e dt o r e a l i z e o p t i m i z a t i o na n dc o o r d i n a t i o nb e t w e e nu r b a nr a i lt r a n s i ta n db u s s e r v i c eu s m go p e r a t t o n m a n a g e m e n tc o n t r o lm e a s u r e s ，w h i c h w i l li m p r o v es e r v i c el e v e lo fp u b l i ct r a n s i ts y s t e m a n dp r o m o t ei n t e g r a t e dd e v e p l o m e n to fp u b l i ct r a n s i t f r i s t l y , t h i st h e s i sr e v i e w sd o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e sa n ds u m m a r i z e st h e r e s e a r c hr e s u l t sa n dp r o b l e m si nt h ea r e ao fs c h e d u l eo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yo f c o o r d i n a t e du r b a nr a i lt r a n s i ta n db u ss e r v i c e b a s e do nt h a t ，b a s i cp h i l o s o p h ya n d m e t h o d o l o g yo fs c h e d u l eo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yo fc o o r d i n a t e dr a i lt r a n s i t a n db u s s e r v i c ea r ep r o p o s e d s e c o n d l y , s c h e d u l eo p t i m i z a t i o nm o d e lo fc o o r d i n a t e du r b a n r a i lt r a n s i ta n db u s s e r v i c ei se s t a b l i s h e dt om i n i m i z et h et o t a lc o s tc o n s i s t so fo p e r a t o rc o s ta n dp a s s e n g e r c o s tb yc o n s i d e r i n gr a n d o m n e s so fp a s s e n g e r sa n db u s e sa n da c t u a ls i t u a t i o n so fb u s a n ds t a f fc o n f i g u r a t i o n t r a n s i ts c h e d u l ei n c l u d i n gp a r a m e t e r ss u c ha sh e a d w a y sa n d s l a c kt i m e si so p t i m i z e db yi m p l e m e n t i n go p e r a t i o nc o o r d i n a t i o nc o n t r o lf o rr e a l i z i n g c o o r d i n a t i o no fo p e r a t i o nm a n a g e m e n to r g a n i z a t i o n t h i r d l y , i no r d e rt om i n i m i z et h et o t a lc o s to fr a i l t r a n s i ta n db u ss e r v i c es y s t e m ， a n a l y t i c a lm e t h o di su s e di nu n c o o r d i n a t e do p e r a t i o n m o d e l f o rc o o r d i n a t e do p e r a t i o n m o d e l ，h y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，w h i c h i sp o w e l l ， b a s e do ng a t h eh y b r i dg ai sp r o g r a m m e du s i n gg a t o o l b o xi nm a t l a b ，w h i c hi s d e v e l o p e db yu n i v e r s i t yo fs h e f f i e l di nu k f i n a l l v t h i st h e s i sa n a l y z e sac a s es t u d yw i t har e a lt r a n s i tn e t w o r k i nb e i ji n g t h e v a l i d i t va n da c c u r a c yo fh y b r i dg ai st e s t e db yc o m p a r i n gt h er e s u l t c a l c u l a t e db y h y b r i dg a a n dt h a tc a l c u l a t e db yg a m e a n w h i l e ，v a r i o u sp a r t so fc o s t sm t r a n s i t s v s t e r na r ec o m p a r e da n da n a l y z i e db e t w e e nc o o r d i n a t e do p e r a t i o na n du n c o o r d i n a t e d o p e r a t i o nb o t hi np e a kh o u ra n do f f - p e a kh o u r i na d d i t i o n ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i sb e t w e e n o p t i m i t a lh e a d w a ya n dv a r i o u sc o s t si nt r a n s i ts y s t e mi sc o m p l i e d i tp r o v e st h a tf u r t h e r o p t i m i z a t i o nf o rt h es y s t e mi sl i m i t e d ，b e c a u s eo p t i m i t a lh e a d w a y i sr e s t r i c t e db ya c t u a l b u sc o n f i g u r a t i o no fs o m eb u sl i n e s f o rt h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e ss o m e s u g g e s t i o n s k e y w o r d s ：u r b a nr a i lt r a n s i t ；b u ss e r v i c e ；c o o r d i n a t e do p e r a t i o no p t i m i z a t i o n ； m o d e l ；h y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h m c l a s s n 0 ：u 4 9 1 1 v 图目录 图1 1 研究技术路线图1 0 图2 1 轨道交通与常规公交换乘时空图1 7 图2 2 常规公交与常规公交换乘时空图1 9 图3 1 公共交通乘客出行流程图2 4 图3 2 轨道交通与常规公交系统总成本组成图2 5 图3 3 协调控制下的轨道交通与常规公交到站时间分布示意图3 2 图3 4 第一种情况下换乘等待时间延误的联合概率示意图3 4 图3 5 第二种情况下换乘等待时间延误的联合概率示意图3 5 图3 6 第一种情况下换乘失败时间延误的联合概率示意图3 6 图3 7 第二种情况下换乘失败时间延误的联合概率示意图3 6 图4 一l 多变量非线性模型求解算法分类图4 0 图4 2 基于p o w e l l 的遗传算法的求解流程4 3 图5 1 现实公交网络示意图4 6 图5 2 高峰小时下混合遗传算法运行效果图5 2 图5 3 平峰小时下混合遗传算法运行效果图5 2 图5 4 高峰小时下标准遗传算法运行效果图5 3 图5 5 平峰小时下标准遗传算法运行效果图5 3 图5 - 6 高峰小时内运营协调下发车间隔与运营成本关系图5 9 图5 7 高峰小时内运营协调下发车间隔与乘客候车成本关系图6 0 图5 8 高峰小时内运营协调下发车间隔与乘客在车成本关系图6 0 图5 - 9 高峰小时内运营协调下发车间隔与乘客换乘成本关系图6 l 图5 一l o 高峰小时内运营协调下发车间隔与系统总成本关系图一6 1 表目录 表1 1 城市轨道交通与常规公交协调优化研究概况一2 表2 1 轨道交通与常规公交属性特征对比表1 2 表2 2 轨道交通与常规公交换乘协调的实现条件1 8 表2 3 常规公交与常规公交换乘协调的实现条件1 9 表5 1 现实公交网络概况表4 7 表5 2 所选现实公交网络运营参数表4 7 表5 3 高峰小时常规公交线路客流输入表4 8 表5 - 4 高峰小时轨道线路客流输入表4 8 表5 5 平峰小时常规公交线路客流输入表4 9 表5 - 6 平峰小时轨道线路客流输入表4 9 表5 7 其它输入参数表5 0 表5 8 轨道交通线路与常规公交线路发车间隔约束条件表5 0 表5 - 9 非运营协调情况下发车间隔求解结果表5 1 表5 一1 0 非运营协调情况下的公交系统费用表。5 l 表5 一l l 混合遗传算法与标准遗传算法运算效果比较表5 3 表5 1 2 运营协调情况下优化结果表。5 4 表5 1 3 运营协调情况下的公交系统费用表5 4 表5 1 4 高峰小时下非协调与协调公交系统成本及成本效益对比表。5 5 表5 1 5 平峰小时下非协调与协调公交系统成本及成本效益对比表5 6 表5 1 6 运营协调下优化发车间隔与其约束条件对比表5 8 表5 1 7 高峰小时内运营协调下不同发车间隔所对应的公交系统费用表5 9 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。 虢可矽k 期：哆年月少日 7 4 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) 学位论文作者签名： 签字日期：沁夕年 j 百舡 、j i 6 月吕日 导师签名： 7 拿旭拈 签字日期2 。q 年月日 致谢 本论文是在导师陈旭梅教授的悉心指导下完成的，从论文选题、资料收集到 完成撰写整个过程中，都包含了陈旭梅教授的大量心血。陈旭梅教授严谨的治学 态度、丰富的学术经验和忘我的敬业精神给了我极大的帮助，让我留下了深刻的 印象。两年的研究生生活转瞬即逝，在科研工作方面，陈旭梅教授的严格要求与 悉心指导使我积累了大量知识和实践经验，让我感觉研究生生活过得既充实而有 意义；在日常生活方面，陈旭梅教授也给予了我极大帮助和支持。在此衷心感谢 两年来陈旭梅老师对我无微不至的关心和指导。 感谢予雷教授给我们提供了良好的科研环境并悉心指导我们完成了实验室的 科研工作。于雷教授学识渊博、谈吐风趣、平易近人，具有独特的人格魅力，每 次与于雷教授交流都能使我受益匪浅，于雷教授对我们的工作和生活也给予了很 多关心和帮助，在此由衷表示我对于雷教授的敬意和感谢! 这两年来，实验室成了我日常生活的另一个重要场所，实验室的所有兄弟姐 妹们让我深刻体会到了在这个大家庭下的团结、友爱与互助，在此向实验室所有 的兄弟姐妹们表达我的感激之情! 感谢郭淑霞师姐、郝艳召师兄给我的论文提供 了宝贵意见! 感谢朱琳、刘衍希、郭芸、胥耀芳、涂钊以及我的室友刘岩同学这两年里对 我的关心和照顾! 最后，特别要感谢我的家人和我的女友，他们的关怀、鼓励、理解和支持陪 伴着我走完了这两年的研究生生活，让我在遇到困难与挫折时，仍有勇气和力量 继续前进，使我不断成长并顺利完成学业! 谨以此文献给所有关心、帮助我的老师、同学和朋友们，再次向你们表示我 最诚挚的谢意! 序 本论文以8 6 3 课题“基于多方式协调的综合公共交通运营优化技术 为依托， 以城市轨道交通与常规公交组成的联合公交网络为研究对象，基于城市轨道交通 与常规公交运营协调理论，针对我国公交运营特性，充分考虑现实公交运营中的 影响因素，开展轨道交通与常规公交运营协调优化研究。通过对城市轨道交通与 常规公交系统进行运营协调优化，以最大限度地提高公交系统运营效率和服务水 平，促进城市公共交通一体化运营发展，并为公共交通多方式动态运营协调优化 研究提供理论基础。 l 绪论 1 1研究背景 近年来，随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，交通需求不断增大， 机动车保有量急剧增加，而国内各大城市土地资源日益紧张，交通基础设施的相 对匮乏，规划和管理水平的相对落后，从而使交通拥堵、环境污染和停车困难等 交通问题日益严重。为改善交通状况，国内各大城市已陆续实施“公交优先”的 交通管理模式。通过优先发展公共交通，以建立一个以轨道交通系统为骨架，以 常规公交为主体，多种交通方式相互协调的综合客运交通体系，从而提高城市的 整体客运服务水平。 在实施“公交优先 的发展策略下，为有效解决城市交通问题，并满足日益 增大的交通需求，必须发展既与现有城市土地资源供应能力、交通基础设施现状 以及环境容量相适应，又能在城市社会和经济活动中起到全局性、先导性作用的 客运交通运输方式。为此，轨道交通因其运量大、运行速度快、环境污染小以及 与地面交通相隔离等优势，已成为根治城市交通问题的必然选择。然而，轨道交 通投资昂贵，技术要求高，建设周期长，要形成系统的运营网络需要一个长期的 发展过程。此外，城市中心地区与外围边缘地区、卫星城镇的轨道联系依然不够， 导致了轨道交通承担的客运量因其总运力有限，运量和服务范围短时间内很难有 大的增长，并且轨道交通特殊的结构形式、空间形态和资源占用情况，也决定了 其线网密度和覆盖程度都难以与常规公交相比【l 】【到。因此，轨道交通作为城市公共 交通系统的骨干，迫切需要使轨道交通客流的吸引与疏散得到常规公交以及其他 交通方式的有力支持，而常规公交作为城市公共交通系统的另一重要组成部分， 更加需要配合轨道交通系统进行整合、协调。 与此同时，由于城市规模的不断扩大，居民出行距离的不断增加，出行者将 不可避免的需要进行换乘以借助多种交通方式完成一次出行。因此，不同交通方 式之问的换乘衔接成为出行者出行的重要一环，其直接影响到城市公共交通系统 的服务质量。作为城市公共交通系统的主体，轨道交通与常规公交的换乘衔接尤 为重要。轨道交通与常规公交的换乘协调优化研究主要表现在规划设计和运营管 理两方面，从这两方面对轨道交通与常规公交进行整合设计、协调优化，将加强 轨道交通客流与常规公交的换乘衔接，扩大轨道交通的客流吸引范围，吸引更多 的出行者，形成一体化的城市公共交通系统，并最大限度地提高城市公共交通系 统的运营效率和服务水平。因此，对各种公共交通方式进行有效整合、协调，尤 其是对轨道交通与常规公交进行整合优化和相互协调，是当前城市公共交通发展 的必然要求。 目前，关于城市轨道交通与常规公交协调优化研究，欧美、日本在该方面的 研究起步较早，并己获得了相关的研究成果。国内也有不少关于轨道交通与常规 公交协调优化方面的研究，具体研究概况如表1 1 所示。其中，规划设计方面，国 内相关的协调优化研究较多，但主要集中在宏观的规划设计方面，包括公交线网、 公交换乘枢纽的规划设计；运营管理方面，其运营协调研究较少，且主要是定性 研究。这也是制约我国城市公共交通服务一体化发展的因素之一。 表i 1 城市轨道交通与常规公交协调优化研究概况 研究项日 协调层面 具体协凋内容研究现状 线网规划协调 研究内容较多；主要集 规划设计协调 中宏观的规划设计方 面，以定性分析为主， 站点规划协调 定量分析为辅 城市轨道交通与常规公交 协调优化研究 运能匹配 调度协调 研究较少，且以定性分 运营管理协调 析为主，缺乏具体的定 合理票制票价 量分析 统一管理机制 国外对于轨道交通与常规公交运营协调的研究结果表明已经过协调控制的运 营计划，能够有效降低出行者的换乘费用，提高公交系统的运营效率和服务水平。 此外，轨道交通与常规公交运营协调研究是公共交通多方式动态运营协调优化的 理论基础，更是促进公共交通一体化运营发展的必要条件。因此，针对我国公交 运营特性，开展轨道交通与常规公交的运营协调优化研究，具有很强的理论与现 实意义。 1 2国内外研究综述 1 2 1 国外研究综述 随着城市客运交通的不断发展，城市公共交通一体化运营已成为国内外各大 城市客运交通运输体系的研究重点和发展方向。城市公共交通一体化运营主要是 通过实现对轨道交通与常规公交的运营协调优化，以吸引更多的出行者乘坐公共 交通，在保障公交运营商的效益的前提下，使公共交通乘客以合理的费用获得更 为便捷、安全、舒适的公共交通服务。 2 国外关于轨道交通与常规公交运营协调优化的研究主要研究集中在定量分析 上，以运营商和乘客出行成本函数的建立为出发点，考虑乘客与公交车辆的到达 分布，结合常规公交车辆的离站控制策略，通过对运营协调模型进行求解最终得 到优化后的发车间隔、松弛时间等运营参数，从而完成对轨道交通与常规公交的 运营组织协调优化【3 】- 【5 1 。以下将从运营协调模型、公交车辆离站控制策略、乘客与 公交车辆到达分布、模型优化算法四个方面，对国外轨道交通与常规公交运营协 调优化研究的研究现状与发展趋势进行详细介绍。 l 、运营协调模型 轨道交通与常规公交运营协调模型包括两部分，即运营商成本函数和乘客出 行成本函数。以总成本函数的最小化为目标来求解模型，得到公交线路行车时刻 表优化后的发车间隔以及松弛时间。 h u 耐l e 【6 】( 1 9 7 3 ) 通过建立运营商成本与乘客出行成本的总函数，求解得到了优 化后的接运公交线路位置和发车间隔。 w i r a s i n g h e t 7 】( 1 9 8 0 ) 通过总成本函数的最小化求解，得到了优化后的接运公交 线路位置、发车间隔以及轨道站点位置。 k u a h 与p e n 【8 】( 1 9 8 8 ) 开发了一个接运公交系统的优化模型，并将线路间距、 发车间隔、站点间距作为优化决策变量。 c h i e n 和s c h o n f e l d t 9 1 ( 1 9 9 7 ) 考虑了更多的决策变量，他们提出了基于一条轨道 线和多条接运公交线的运营协调模型，并假定轨道和公交车辆的发车间隔是确定 的，以此得到优化后的轨道线路长度、轨道站点间距、轨道车辆发车间隔、公交 车辆发车间隔、公交线路和站点间距。 2 、公交车辆离站控制策略 在常规公交车辆的实际运行中，由于社会车辆、站点停留时间以及交叉口的 影响，公交车辆往往不能严格按照行车时刻表规定的时间到达换乘站点，导致公 交乘客未能连续、顺畅地完成换乘。为此，松弛时间的概念得以提出。所谓松弛 时间即将常规公交时刻表中车辆的规定到站时刻提前的一段时间，通过增加的松 弛时间，以增加轨道交通与常规公交换乘衔接的可能性。 l e e 和s c h o n f e l d t l o 】( 1 9 9 1 ) 基于多条公交接运线路与轨道交通的协调，建立了 含有松弛变量的运营协调模型。从优化结果中，他们发现公交车辆到站方差是松 弛时间设置的一个重要影响因素。 b o o k b i n d e r 和d e s i l e t s 1 1 1 ( 1 9 9 2 ) 通过一个含有松弛变量的优化模型，给出了车 辆到达时间确定和随机两种情况下，最优离站时间的确定步骤。 c h o w d h u r y 和c h i e n 1 2 】( 2 0 0 1 ) 建立了一个基于已知常规公交到达时间分布的公 交协调模型，对非协调控制和协调控制两种情况，分别给出了模型的求解方法。 3 3 、乘客到达分布与公交车辆到站分布 在运营协调模型的建立过程中，乘客的平均候车时间和换乘等待时间都需要 根据乘客与公交车辆的到站分布运用数理统计理论进行计算。 国外研究对于乘客到达分布主要采用均匀分布、对数正态分布、正态分布等； 对于常规公交车辆到站时间分布，通常采用离散分布、正态分布以及甘布尔分布。 当车辆的发车间隔稳定且乘客随机到达的情况下，乘客的平均候车时间可以 近似为发车间隔的一半。然而，有些情况下这种近似计算并不有效，在发车间隔 长且乘客到达并不随机时，这种情况并不成立。 w e l d i n g t l 3 1 ( 1 9 5 7 ) 在研究乘客平均候车时间的计算方法时，提出了一个新的计 算公式，即e ( 计= e ( h ) 2 + v ( h ) e ( h ) ，其中e ( h ) 和y ( 办) 分别表示发车间隔的期 望和方差。然而，该模型成立的前提条件是乘客的到站分布为均匀分布。目前， 该模型已被应用到不同的研究中。 s e d d o n 和d a y 1 4 1 ( 1 9 7 4 ) 用一个回归模型预测了乘客随机到达情况下的期望平 均候车时间，而t u m q u i s t 1 5 】f 1 9 7 8 ) 在此基础上提出了一个新的模型，该模型考虑 了非随机到达的乘客，表达式为e ( 叻= p e ( ) + ( 1 - p ) e ( w ，) ，其中层( ) 和 e ( m ) 分别表示了非随机到达和随机到达两种情况下乘客的期望候车时间，而p 表 示乘客在非随机到达情况下的比例。 4 、模型优化算法 在建立了运营协调优化模型后，需要选取直接有效的算法进行模型求解。目 前用于求解多变量非线性规划模型的算法较多，相关研究概况如下。 h o o k e 和j e e v e s 1 6 】【1 7 1 提出了被称为模式搜索的n 维启发式算法，该算法执行 两种类型的搜索，包括探索性的搜索和模式搜索。 r o s e n b r o c k 1 7 】提出了一种直接而有效的单向搜索方法，该算法类似于h o o k e 和j e e v e s 开发的探索性搜索方法。 p o w e l l 1 8 】开发了一个求解二次非线性方程最小化的算法，该方法可以从一个初 始点沿着两个方向搜索胛个独立变量的最优解，并且该搜索方法直接有效。 综上所述，国外在轨道交通与常规公交协调优化方面的研究，其研究时间较 长，研究内容较广，研究成果较为成熟。关于国外在运营协调优化方面的研究结 论可总结为两方面： l 、轨道交通与常规公交运营协调优化的条件是两类客运模式的发车间隔较 长、换乘客流较大，当行车密度高时，两类客运模式的协调效果不明显； 2 、轨道交通与常规公交运营协调优化对象是公共交通行车计划，当常规公交 的服务可靠性较高，即常规公交车辆的到站时刻方差较小时，轨道交通与常规公 交运营协调才具有实际意义。 4 1 2 2 国内研究综述 国内针对城市综合公共交通一体化运营的研究起步较晚，但随着国内各大城 市陆续开始轨道交通的规划、建设与运营，以及大力推行“优先发展公共交通” 政策，国内各大城市的公共交通得到不断发展壮大，如北京、上海、广州等等。 轨道交通与常规公交作为城市公共交通的主体，如何使城市轨道交通与常规公交 进行有效的运营协调衔接并实现公共交通出行者换乘的连续、畅通，已引起了交 通界学者的广泛关注和探讨。以下将从规划设计和运营管理两方面，对国内的轨 道交通与常规公交协调研究现状进行详细介绍。 l 、规划设计协调 在轨道交通与常规公交协调优化研究的规划设计方面，其主要研究内容包括： 公交线网规划、换乘枢纽设计以及接运线路优化。以下将分别对这三方面内容进 行介绍。 ( 1 ) 公交线网规划 公交线网规划是城市综合交通规划的重要组成部分，更是轨道交通与常规公 交协调发展的基础。 蒋冰蕾和孙爱充【l9 】在“城市快速轨道交通接运公交线网规划”中提出，合理 的接运公交线网规划是城市快速轨道交通系统充分发挥作用的保证，其关键在于 接运站点的选取和接运线路的优化：姜帆【2 0 】在“城市轨道交通与其它交通方式衔 接的研究”中从公交线网和车站相互关系的角度，分析论述了城市轨道交通规划 中轨道交通与其它交通衔接的方式及技术问题；谢玉洁、韩宝明【2 l 】在“城市轨道 交通与地面常规公交的客运一体化 中探讨了地面常规公交的路线布局以及实现 客运体化的公交换乘布局；范海雁、杨晓光【2 2 】在“基于轨道交通的常规公交线 网调整方法”中提出了基于当前城市轨道交通网络的建设，对公交线网进行调整 的原则与方法，具体调整内容包括公交站点、线路的调整与公交网络的优化。 ( 2 ) 换乘枢纽设计 换乘枢纽是轨道交通与其它交通方式换乘衔接的纽带，当前我国城市轨道枢 纽换乘仍然存在许多问题，就该问题的相关研究如下： 袁振洲【2 3 】在“城市轨道交通规划与其它交通衔接换乘问题的研究中，分析 了国外典型城市的轨道交通换乘系统，并对轨道交通与其它交通方式的衔接换乘 问题进行了分析；叶霞飞、谭复兴【2 4 】在“城市公交的换乘与接驳”中提出了国外 几个典型城市公交换乘的主要方式，并分析了我国城市轨道交通换乘所存在的问 题；蒋永康【2 5 】在“城市轨道交通换乘方式探讨”中，介绍了城市轨道交通线路之 间的各种换乘方式。 ( 3 ) 接运线路优化 接运公交线路的服务水平与城市公共交通系统规划与管理密切相关，对现有 的公交线路进行优化有助于提高城市公交线网的服务水平。 李默涵【2 6 】在“城市公交线网优化方法的应用研究”中提出了公交线网优化的 方法，该方法通过定量研究公交现状网络，采用o d 分布与聚类分析相结合的方 式，提出线网优化方案；康拥政、牛学勤【2 。7 】在“城市公交线网优化模型研究 中 通过研究出行者的公交需求，分析了居民公交出行的主要因素，并构建了以换乘 次数最少为第一目标，所经过公交站点数最少为第二目标的线网优化模型；姚本 伦、张卫华【2 8 】在“城市公交线网优化的非线性模型”中给出了公交线网优化的主 要内容、优化原则及主要因素，提出了线网优化的约束条件和三大优化目标，并 建立了相应的数学表达式，同时还建立了公交线网整体优化的模式。 2 、运营管理协调 在公共交通运营管理协调方面，当前国内相关研究的主流已从定性分析转为 定量分析。如：覃煜、晏克非、赵童1 2 9 】在“城市综合客运交通体系换乘研究”中， 建立了换乘系统评价指标体系和评价指标的量化方法，此外，还给出了运能匹配 度、平均换乘时间和人均换乘设施面积三个衡量衔接状态的定量指标；王秋平和 李峰f 3 0 】在“城市其它客运交通换乘轨道交通协调探讨 中，根据到达轨道交通车 站时间分布的随机性与否，以及换乘轨道交通前所采用交通方式的不同，分别推 导出不同情况下通过其它交通方式换乘轨道交通时在其车站的平均换乘时间计算 公式，并提出了保证轨道交通与其它交通方式换乘协调的措施，以达到乘客换乘 时间短，轨道交通运营效率高的目的；林国鑫【3 l 】在“城市轨道交通与常规公交运 营调度协调研究”中，从运营计划和动态调度两方面开展了轨道交通与常规公交 运营调度协调研究，实现了轨道交通与常规公交运营组织协调动、静态模型的建 立；张宇石【3 2 】在“城市轨道交通和常规公交运营调度协调研究 中，基于数理统 计的方法提出了四种不同类型的换乘形式下乘客换乘成本的确定方法，并建立了 轨道交通与常规公交运营协调模型。 随着智能公共交通的发展，以i t s 技术为基础，国内许多学者对公共交通的 调度问题展开了研究，如：杨晓光、周雪梅、臧华【3 3 】在“基于i t s 环境的公共汽 车交通换乘时间最短调度问题”中，基于i t s 的背景，研究了在已知公共交通信 息的条件下，公交换乘时间最短的调度问题，提出了线性规划模型，并用算例进 行了演示；邹迎【3 4 】在“公共交通区域调度系统理论方法及应用研究中，对公共 交通区域调度行车计划编制方法进行了具体研究，研究分别以区域内各线路各车 次同时到达次数最大和总运营成本最小为目标，建立客流模型和车流模型，以进 行多线区域优化，然而该模型忽略了乘客换乘时间，具有一定局限性，仅适用于 6 多线路同站台的情况。此外，国内部分城市还展开了交通枢纽的智能调度研究和 建设，如北京市完成了“动物园交通枢纽区域调度系统示范工程”；上海市完成了 “铁路南站公共交通枢纽智能化系统【3 5 】【3 7 】。 综上所述，现阶段国内在规划设计协调方面研究内容较广、研究成果较多， 相对运营管理协调方面的研究更加成熟。虽然国内对轨道交通与常规公交运营协 调优化的研究己转为定量分析，但该方面的研究仍有许多不足，其主要表现在以 下几方面： l 、在运营协调内容方面，以调度协调的优化内容为主，而未充分结合运能匹 配的优化内容； 2 、在运营协调方法方面，忽略了乘客与公交车辆的随机因素，导致理论研究 与实际情况有较大差异； 3 、在运营协调模型方面，乘客出行的步行成本往往被忽略，且未考虑运营成 本与乘客出行成本的权重，导致模型的建立不够完整； 4 、在运营协调模型求解方面，现有的求解算法仍有待改进，以提高模型求解 的效率和精度。 1 3论文研究特色 针对国内外关于城市轨道交通与常规公交运营协调优化研究的研究成果与所 存在的问题，本文结合我国公交运营特性，在开展轨道交通与常规公交运营协调 优化研究时，具有以下研究特色： l 、关于轨道交通与常规公交运营协调原理与方法方面，本文基于运营协调的 内容、目标与原理，考虑了现实公交线路车辆配置的约束，将运能匹配、调度协 调相结合，以贴近实际情况为前提，提出了本文的运营协调方法； 2 、关于轨道交通与常规公交运营协调模型方面，本文设置了运营商运营成本 与乘客出行成本的权重系数，在分析乘客出行成本时，对通常被忽略掉的乘客步 行成本进行了分析与函数构建，使得轨道交通与常规公交运营协调模型的建立更 加完善； 3 、关于轨道交通与常规公交运营协调模型求解方面，为提高运营协调模型求 解的效率与准确度，本论文结合传统优化算法与启发式算法的特征，将p o w e l l 算 法嵌入到遗传算法中，开发得到性能更优的混合遗传算法基于p o w e l l 的遗传 算法，并运用该算法求解轨道交通与常规公交运营协调模型； 4 、关于轨道交通与常规公交运营协调优化研究的应用方面，为体现理论应用 于实际，本文选取了北京市的现实公交网络进行了实例应用分析，通过对协调控 7 制与非协调控制的求解结果进行对比分析，验证了运营协调优化的有效性，同时， 根据实际情况，为进一步实现公交系统的优化提出了相关建议。 1 4研究目的与意义 随着城市规模的不断扩大，城市居民出行距离的不断增加，公共交通作为城 市居民的主要出行方式，如何提高公共交通的服务水平，以吸引更多的城市居民 乘坐公共交通，是当前城市公共交通发展需要解决的重要问题。轨道交通是城市 公共交通的骨干，而常规公交则为轨道交通客流的集疏散提供接运服务，这两者 都是城市公共交通的主体。在既有公交网规划条件下，以轨道交通与常规公交的 运营协调优化理论为基础，合理安排轨道交通与常规公交运营计划的衔接，使乘 客的出行连续顺畅并减少乘客的换乘时间，同时保障运营商的效益，以提高公共 交通服务水平，促进城市公共交通的一体化运营，这就是本文的研究目的所在。 本文将以城市轨道交通与常规公交的运营协调优化作为主要研究内容，其研 究意义包括以下三方面： l 、加强公交优先发展策略的实施 伴随着城市化进程的加快，人民生活水平的提高，城市居民出行日趋频繁， 而城市交通基础设施的相对匮乏，使交通拥堵、环境污染和停车困难等交通问题 日趋严重，大力发展公共交通已成为解决城市交通问题的根本途径。为此，我国 各大城市已陆续实施公交优先发展策略。轨道交通与常规公交作为城市公共交通 的两大重要组成部分，合理安排轨道交通与常规公交运营计划的衔接，提高整个 公共交通系统的服务水平，才能进一步加强公交优先发展策略的实施。 2 、优化城市公共交通运营管理工作 城市公共交通运营管理工作是公交企业的核心基础工作，而轨道交通与常规 公交的运营管理工作分属不同的公交企业。通过研究轨道交通与常规公交的行车 时刻表编制模式，对轨道交通与常规公交进行运营组织协调，以实现对轨道交通 与常规公交运营管理工作的优化，保证公共交通的运营效率。 3 、促进公交一体化运营的发展 公共交通作为城市居民的主要出行方式，必须通过提高自身运营效率和服务 水平以吸引更多的乘客，才能有助于城市交通的良性发展。乘客在公共交通出行 中，由于城市规模的不断扩大，出行距离的不断增加，换乘已不可避免，通过对 轨道交通与常规公交的运营协调优化研究，促进公交一体化运营的发展，可以很 好地保障乘客在出行过程中的连续性和顺畅性，从而大大提高公共交通的运营效 率和服务水平。 1 5研究内容与技术路线 在既有公交线网规划下，利用运营协调优化技术，加强轨道交通与常规公交 的一体化运营，以提高城市公共交通服务水平，使出行者顺畅、有效地完成一次 出行，是促进公交运营一体化发展，缓解城市交通拥堵问题的有效、简便手段。 本文通过对城市轨道交通与常规公交进行运营协调分析，开发运营协调模型并优 化求解，同时选取北京市的现实路网进行实例应用分析，验证该模型算法的优化 效果，在进行协调控制后出行者的换乘成本是否得以减少，以及公交服务水平是 否得到提高。本论文的主要研究内容包括以下四个方面： l 、根据国内外公交运营协调理论的相关研究，针对我国实际情况，对城市轨 道交通与常规公交运营协调理论进行充分分析，包括运营协调的基本内涵、乘客 和公交车辆对运营协调的影响以及运营协调原理与方法； 2 、基于轨道交通与常规公交运营协调理论的分析，根据乘客换乘的各种情况， 同时考虑公交车辆运用、人员配班等实际约束条件，建立乘客出行成本函数和运 营商成本函数，以完成轨道交通与常规公交运营协调模型的建立； 3 、通过对求解多变量非线性规划模型的常用算法( p o w e l l 算法和遗传算法) 进行对比分析，根据该两种算法的优缺点开发设计混合遗传算法用于求解本文建 立的运营协调模型； 4 、选取北京市现实网络，通过调研获得客流数据，以进行实例应用分析，并 通过开发的混合遗传算法( h y b r i dg a ) 和标准遗传算法( g a ) 对模型进行求解， 比较这两种算法的求解结果，验证该混合遗传算法的有效性和准确性。然后，通 过对比分析非运营协调与运营协调下的公共交通乘客与运营商的费用变化，并给 出相应的结论。最后，对运营协调下优化的发车间隔与公交系统各部分成本进行 灵敏度分析，并针对该实际问题提出建议。 本文总体思路是以城市轨道交通与常规公交运营协调理论为基础，从实际情 况出发，考虑乘客、公交车辆的随机因素对轨道交通与常规公交运营协调造成的 影响，并结合运能匹配、调度协调等协调优化内容，建立轨道交通与常规公交运 营协调模型，开发优化算法进行模型求解，并选取现实公交网络进行实例应用分 析，通过对比分析协调控制与非协调控制下的系统费用变化，以验证运营协调控 制的优化效果，研究技术路线如图1 1 所示。 9 罗运1 ；营 轨道交通与常规公交 协 国外研究综述h 运营协调分析 i 调。 h 研究主要内容卜- 呻 协调的概念与内容 ；理 国内研究综述卜j 。 垮调尊霉则亨9 孽 流 协调的原理与方法 网 曦蝴莎，r 馐鼍 l 模型的目标与假设li 模型的构造与组成一 运营成本函数 f 营i r 一i i 。 。1。叫乘客出行成本函数 协j l 调 ；模模型建立 运营影响冈素 ；型 建、 非运营协调模型 车辆配置 运营协调模型劳动配班 整尊主 、曦滋；矿 联二礴 ；还 ， 营 i 非运营协调模型运营协调模型： 协： t 一 、l p o w e l l 方法 震 _ 二l 一+ j 解析的方法 模型求解算法 遗传算法 i ；型： 混合遗传算法 1上 求j 优化实施步骤 u 基于p o w e l l 的遗传算法 己解二 算法程序开发 曦：；矿 隧r ”匍，一一一 一 r 实例求解结果 瞄 例j 现实公交网络选取h 结果对比与分析 应i g a 与h y b r i dg a ( 研究成果与结论) ；用i 协调与非协调 卜 模型参数输入设置u 灵敏度分析总结 范 、一一， 图1 1 研究技术路线图 f