（系统工程专业论文）城市公共交通客流规律研究.pdf

摘要 城市交通需求的不断增加与公共交通发展相对滞后的矛盾已经成为一项需 要迫切解决的任务。国内外经验证明，优先发展城市公共交通，改善公交服务水 平，吸引更多乘客乘坐公共交通出行无疑是解决这一矛盾的首选途径。公共交通 在运营方面的发展方向，就是建立智能公共交通系统。但是实现这些技术的基础 性工作之一就是掌握城市公共交通客流的变化规律。本论文正是基于此研究思 想，运用系统工程的研究方法，研究城市公共交通系统这一复杂巨系统中既有线 路客流的中宏观变化规律。本论文主要有以下创新性的研究： 1 本论文首次提出将系统聚类法与有序样品聚类法结合起来，根据一周内 客流变化的统计数据，确定每天客流的峰值区间，为调度人员进行车辆安排 计划提供科学的依据。其创新思路为：研究一周内七天客流的分布曲线，发 现其具有相似性，首先采用系统聚类法对一周七天的客流数据根据其相似性 进行分类，得到七天的一个分类，然后再利用有序样品聚类法对每类中的客 流分布曲线划分峰值区间，最后的结果符合客观现实。此创新在第三章中体 现。 2 根据城市公共交通各种运输方式客运量变化的特点，分别建立各种运输 方式的预测模型，然后把各种运输方式客运量的预测值相加，得到城市公共 交通总客运量的预测值。本论文建立了公共汽车、无轨电车、小公共汽车年 客运量的灰色预测模型，建立了地铁年客运量的新陈代谢灰色模型，建立了 客运出租汽车年客运量的修正l o g i s t i c 模型。经过验证，这些模型的精度 符合要求，并预测了北京市2 0 0 5 年公共交通总客运量。此创新在第四章中 体现。 3 首次将灰色关联分析应用到城市公共交通系统中。研究客运量在城市公共 交通各种运输方式之间随社会的发展如何变化。从静态分析上来讲，利用灰 色关联分析计算各种公共交通运输方式的关联度，研究哪种运输方式承担了 主要的公共交通客运量；从动态分析上讲，建立关联动态矩阵，分析公共交 通客运量在城市公共交通各种交通方式之间随时间变化的规律。此创新在第 五章中体现。 4 从宏观的角度研究城市公共交通供给与需求的变化规律，建立城市公共交 通供给与需求的动态模型，此动态模型表示的系统为非线性自治系统。分析 平衡点的存在性及其稳定性，用相位图来分析上述非线性动态系统中供给与 需求的运动变化过程。此创新在第六章中体现。 北京交通大学博士学位论文 5 为了解决城市交通拥挤的问题，需要有计划的、按一定的增长率把客流 吸引到公共交通系统上来，这就需要进行城市交通基础设施的投资。依据此 思想，建立了投资控制模型。在这个模型中，把投资看作是决策输入变量， 把需求看作输出变量，也就是说，应该采取什么样的决策输入，使得输出的 变化符合某一个目标。分析了模型的能控性和稳定性。由于此系统不是渐进 稳定，所以投资策略只能采用有状态反馈的极点配置策略。用待定系数法得 出投资策略的数学表达式。此创新在第六章中体现。 关键词：系统工程城市公共交通客流聚类分析客运量预测灰色模型 供给需求 i i 第一章绪论 第一章绪论 随着我国社会经济高速增长和城市化进程步伐的加快，城市交通量急剧增 加，城市交通已经成为影响城市功能正常发挥和城市可持续发展的一个突出问 题。大力发展城市公共交通是解决城市交通问题的有效措施。本章分别论述了城 市交通发展概述、城市公共交通发展概述、本论文确定研究的主要内容的理论与 实践意义、论文的结构、用系统工程的方法研究城市公共交通系统和本论文的创 新点。 1 1 城市交通发展概述“” 11 1 城市交通系统 城市交通系统是城市大系统中的一个重要子系统，是由人和物在城市空间内 采用一定乘载方式、在一定设施条件下的流动所构成，其功能之一是为城市居民 的各种出行活动提供必要运输方式和实现条件的条件。城市交通系统不仅是为城 市提供服务，也是城市社会、经济、物质结构的基本组成部分。 城市交通系统是一个动态而复杂的太系统，是城市社会活动、经济活动的纽 带和动脉。城市的形成和演变的一个重要原因取决于交通条件，城市的布局结构、 规模大小、生活方式都需要城市交通系统的支撑，城市的发展又反过来促进了交 通的发展。随着人口的增长、国民经济的高速发展以善袖三藿饕爹氢藿! 零蠹 = 驴训 幽曼薷刿要= 喜夤霎墓譬，静兰妻；喾社善囊鎏禽蓬捡器重罂流量大小， 作为调度方案的调整参考。 乘客卡编号线路号司机卡号余额线路收费乘车日期处理日期 表2 1 青岛市公交乘客记录查询报表( 部分) x 第一章绪论 人口的增加和私人汽车拥有量的增加，使得城市交通变得十分拥挤。城市交通拥 挤的加剧，不仅会造成巨大的经济损失，而且还会导致城市功能的低效率。交通 拥挤的直接危害是使交通延误增大，行车速度降低，带来时间损失；低速行车增 加了油量消耗和尾气排放。美国德州运输研究所的研究表明，美国3 9 个主要的城 市每年因交通堵塞而造成的经济损失约为4 l o 亿美元，1 2 个最大城市每年的损失 均超过约为l o 亿美元：日本东京都的专业运输成本1 9 8 5 年与1 9 8 0 年相比，年成本 增加8 4 2 亿日元，也主要是因为交通拥挤造成的：欧洲每年因交通事故、交通拥 挤和环境污染造成的经济损失分别为5 0 0 亿欧元、5 0 0 0 亿欧元和5 0 亿5 0 0 亿欧 元。同样，在我国每年因交通拥挤堵塞造成的损失也非常之大。我国是一个人口 众多的国家，在城市现有的交通流中，人流、车流等多种交通流，多种交通方式 的存在，使得我国的城市交通呈现出多种交通工具共存的混合交通，形成了混合 交通流，这种混合交通流是我国目前城市交通的主要特征，也使解决我国城市交 通问题更为复杂。 1 1 4 解决城市交通问题的措施 解决城市交通问题是一个系统工程，既要考虑交通基础设施的科学规划与建 设，也要考虑建好的交通基础设施的有效利用；既要考虑最大限度地满足交通需 求，又要通过土地利用形态调整努力创造交通负荷小的城市结构，进行交通需求 管理；既要考虑交通的畅通，又要考虑交通的安全；既要做好交通硬环境的建设， 也要形成良好的交通软环境。因此，解决城市交通问题，应从如下“三个层次、 两个方面”着手，采取系统的对策与措施。 所谓“三个层次”是指：其一是从城市规划、土地利用的角度，避免城市人 口、城市功能的过度集中，造成交通总需求超过城市的交通容量极限，避免城市 中心商务区等局部土地利用强度过大而使交通问题无法解决；其二是从交通结构 的角度，采取各种有效措施优先发展公共交通，形成以公共交通为主体、以轨道 交通为骨干的多种交通方式共存、相互协调和补充的综合运输系统，从而达到合 理利用城市有限的土地资源和交通设旆的目的；其三是通过提高路网容量和合理 性，以及借助科学化、现代化的交通管理手段充分有效地利用现有交通基础设旆 等综合对策，提高道路网的整体容量并使现有的交通设施发挥最大作用。 所谓“两个方面”是指：要从提高交通供给能力和实施交通需求管理( 创造 负荷小的城市结构，调整交通需求的时间、空间分布特性和需求强度以及需求总 量特性等) 这两个方面着手，实现交通供求关系的动态平衡。 对于“三个层次”中的第三个层次，本论文作者已经发表了一篇文章，具体 内容见参考文献1 1 ，主要研究混合动态系统在交通信号控制这方面的应用。本 北京交通大学博士学位论文 论文研究的重点是“三个层次”中的第二个层次，就是研究城市公共交通客流的 规律，为制订城市公共交通运营和发展政策提供可靠的依据，从而实现缓解城市 交通的问题。 1 2 城市公共交通概述 城市的交通功能需依靠交通运输系统来实现，对城市交通问题的研究从运输 对象的角度，包括货运交通和客运交通。在交通运输系统中最主要的组成部分是 客运交通系统，客运交通系统以满足城市不断增长的人的乘车需求为目的，凭借 着四通八达的道路网络和现代化运输工具，把居住地点和工作学习地点联系起 来，把生产中的购物、娱乐、探亲访友等活动联系起来的系统的总称。因此，客 运交通系统是整个城市发展中不可缺少的重要组成部分。一般说来，客运交通系 统是为城市服务的，它的发展取决于城市的发展，但在一定条件下客运交通系统 又决定和影响着城市的规划和建设，这已为国内外城市发展的实践所证明。城市 客运交通系统包括公共交通和个体自我服务交通。城市公共交通系统与城市交通 系统的关系如图1 1 所示。个体交通主要包括自行车、摩托车、私人小汽车等。 各种交通工具都有着各自的功能与地位，从而形成为满足城市交通需求而互为补 充的双重结构。 图1 1 城市交通系统与公共交通系统的关系 1 2 1 城市公共交通的定义 为了论文研究的展开，有必要对城市公共交通的内涵进行定义。本论文从狭 义和广义两个方面定义城市公共交通。狭义的方面主要是从公共交通有别于个体 交通的使用人的排他性的特征，因而核心是以“公共性”来讨论公共交通，因此 4 第一章绪论 狭义公共交通定义为：在城市中居民、旅游者、公司职员和公务人员等出行时选 用由他人经营而运行路线固定的某种具有较大承载客运量的运载工具来实现位 移的城市交通方式的总称为公共交通。广义公共交通定义除了以上所定义的内容 外，若还包括载客量较小而运行路线不固定由他人经营实现位移的城市交通方式 的总称为广义的公共交通。本论文所研究的公共交通主要指广义的公共交通。城 市公共客运交通系统是由人一车( 公共交通工具) 一路( 途径、交通线路) 三方 面共同组成的，既包括硬件( 设施、设备) ，也包括软件( 法规、政策) ，有着整 体、综合和动态的内外部关系，是与城市交通系统和城市社会经济环境相联系的、 复杂的、开放的大系统，具有多变量、多目标、多层次、多属性等特点。 按照广义公共交通的定义，可将城市公共交通系统分为常规公共交通系统、 快速大运量( 公共交通系统、辅助公共交通系统和特殊公共交通系统四类， 如图1 2 所示。快速大运量公共交通( m r t ，m a s sr a p i dt r 卸s i t ) 系统是指“可以 快速地运送大批量乘客的系统”限o g e ra l l p o n ，1 9 9 5 ) ，它运量大，速度快，可靠 性高，并可促进城市土地开发，但造价很高，一般是城市公共交通系统的骨架； 常规公共交通系统灵活机动，成本较低，是使用最广泛的公共交通系统，一般是 城市公共交通系统的主体；辅助公交系统在城市公交系统中起着辅助和补充作 用；特殊公交系统在特殊条件下采用。良好的城市公共交通系统应是多种方式的 灵活组合，形成多层次的立体网络。 北京交通大学博士学位论文 塑l 厂 i 特殊公共交通系统卜- 一 l 塑垦坐主l 广i i 塾皇兰堕i _ j 架空索道缆车 图1 2 城市公共交通系统的层次与分类 1 2 2 城市公共交通的地位和特点 城市公共交通最早出现于英国，1 8 2 9 年英国伦敦出现了第一辆马拉式公共 马车，至今已有1 6 0 多年的历史，其间经历了发展、兴旺、衰退和目前的复兴阶 段。欧美一些经济发达国家在发展城市交通方面曾走过一段弯路，在本世纪进入 6 0 年代后，城市小汽车发展过量，公共交通萎缩，造成城市交通拥挤，道路交 通事故增多和城市空气、噪声等污染日趋严重，使城市交通陷入了混乱的状态。 因此，日益恶化的城市交通迫使发达国家不得不转向重视城市公共交通的发展。 在发达国家重视发展公共交通以后，公共交通发挥着很大的作用，这些国家中公 共交通所占比例是很高的，私人小汽车一般只占到客运总量的2 0 一3 0 。表 1 1 是世界主要城市公共交通设置的基本情况。 6 第一章绪论 城市名称人口( 百万人)公共交通方式每人每年出行次数 莫斯科 8 公共汽车、有轨电车、地铁 7 1 3 乐尿1 1 6公共汽车、有轨电车、地铁、市郊铁路 6 5 0 汉城 8 7 公共汽车、地铁 4 5 7 吉隆坡 1 _ 0 公共汽车、小公共汽车 2 2 4 多伦多 2 8 公共汽车、地铁、无轨电车 2 0 0 北京8 7公共汽车、地铁、无轨电车1 0 7 芝加哥 6 7 公共汽车、地铁、市郊铁路 1 0 1 表1 1 世界主要城市公共交通设置情况 城市公共交通具有以下特点1 16 j ： 城市公共交通是大规模、高效率的运输方式，比较适合城市交通的特点和要 求。随着国民经济的发展和社会交往的日益频繁，交通需求不断扩大，特别 是城市交通面临着日益繁重的运输任务。城市交通不仅规模庞大，而且定时、 定点要求很高。在这种情况下，城市交通必然对那些运量大、网络多、频率 高、速度快、费用低的交通系统产生很大的依赖性，公共交通恰能满足这些 方面的要求。 城市公共交通建设用地少，运输成本低，环境破坏性小，是比较经济的交通 方式。城市交通方式虽然很多，但有的并不属于经济型方式，在城市交通中 难以发挥较大的作用。公共交通由于运量大，可以进行集中运输，从而能大 幅度减少占地面积。从城市的整体利益看，公共交通是一种耗费少、效能高 的交通方式，具有私人交通不可替代的长处。表1 2 列出了地面交通中各种 客运方式人均占用道路的情况。城市用地是有限的，现在和未来都是制约城 市发展的主要因素，为保持城市的聚集经济效益，对城市土地必须注重集约 化的使用。人均占用道路面积多的私人个体交通工具的盲目发展，必然使城 市交通陷入瘫痪，这已被发达国家的交通发展史所证明。目前世界各大城市 纷纷采取扶植公共交通的措施，公交车辆与私人小汽车相比对环境的破坏性 也较小，表1 。3 是车辆排放废气量的比较。快速轨道交通具有运量大、速度 快、无污染、舒适准点的优势，使其成为许多发达国家大城市的优先选择和 7 北京交通大学博士学位论文 发展主流。 客运方式公交车服务水平+自行车摩托车单位及私人小汽车出租车 高 由 低 占路面积( m 1 7 510 73 7 51 1 6 61 41 0 5 人) 占路长度( m )7771 5233 占路宽度( m ) 3 j 3 53 5 1 - 53 53 53 5 纵向安全净空3331333 ( m ) 平均乘载人数 2 0 3 55 0 l1 51 5 2 表1 _ 2 客运方式人均占用道路面积比较 公交车服务水平分高、中、低三级 高级指单节车2 0 个座位，航空椅，定员2 0 人 中级指单节车3 5 个座位，普通椅，定员3 5 人 低堑指单节车3 5 个普通座位，定员5 0 人( 有1 5 人无座位) ，相当于建设部道路交通规划标准定额指标 交通工具碳氢化合物一氧化碳( 1 0 0 人衄)氮氧化物 快速轨道 0 213 0 公共汽车 1 2 1 8 99 5 小汽车( 单人使用)1 3 0 9 3 41 2 8 表1 3 各种车辆排放废气量的比较 因此，城市公共交通在不断提高整体服务水平的同时，必将在城市客运交 通中占据主导地位。 1 2 3 政策上扶持公共交通的合理性“” 8 第一章绪论 城市公共交通作为城市的基础设施，以提高全社会的总体效益为宗旨，体现 了城市有限空间中对土地、能源、环境等稀有资源的集约化使用。但是对于公共 交通的经营者，又必须完成和超额完成各项经济指标，提高企业自身的经济效益， 维持企业正常的生产和经营。没有社会效益，公共交通就丧失了存在的价值基础， 没有企业效益，公共交通则无法经营，社会效益也就无从实现。显然，两个效益 缺一不可，必须协调统一。 公共交通提供的并不仅仅是对乘客的直接服务，它以提供乘客空间位移的 特殊形式，将其创造的价值溶于生产、流通等社会的各个领域的经济活动之中。 而且，由于公共交通的高效率，其对社会的贡献还包括缓解交通拥堵、改善环境 质量、降低交通事故、提高能源利用率、改进经济结构、提高城市中心区效率等。 因而，公共交通的发展应当得到应有的支持。 公共交通创造了巨大的社会经济效益，其成本是不能直接通过调整票价水平 完全得到补偿的。这是因为出行者总是从直接的利益出发选择交通方式的，只有 当出行者认为某种交通方式的直接的性能价格比是最优的，他才可能选择这种交 通方式出行。由于与个体交通相比，城市大容量公共交通在服务性能方面存在着 出行路线不能灵活改变、出行时间选择自由度差、不能实现门到门运输、需要换 乘、舒适性差等缺陷。因此，如果公共交通票价完全涵盖了其为社会经济效益的 付出，公共交通的性能价格比就会处于较低的水平，势必导致出行者向其他方式 转移。这样不但获得补偿的初始动机会落空，而且还会影响社会的总体效益。因 此，从全社会的利益出发应使公共交通的性能价格比处于相对的优势。 既然公共交通为社会做出了巨大的贡献i 而相关的付出又不能从票价上得到 相应的补偿，那么政府在政策上给予各种必要的扶持就是合情合理的，否则公共 交通的经营者就无法维持生产和经营。 公共交通是一个庞大复杂的开放系统，公共交通政策必然关系到各社会团体 的利益，因而政府必须站在全社会总体利益的立场上，以其权威的地位进行利益 综合，制定合理的公共交通政策。 1 2 4 城市公共交通系统内部和外部关系。” 1 2 4 1 城市公共交通系统外部关系 城市公共交通系统是一个开放式的系统，与外部环境有密切的联系。城市 公共交通系统与社会环境的关系如图1 1 3 所示，城市公共交通外部关系是公共交 通系统外部交通方式结构设计的基础，各种公共交通系统的特点是系统内部方式 结构设计的基础。公共交通系统的作用在于：满足相应的交通需求；满足不同交 通方式与最佳服务范围的匹配；形成不同交通方式的有效衔接。 9 北京交通大学博士学位论文 图1 3 城市公共交通系统与社会经济活动系统的关系 1242城市公共交通系统内部关系 组成城市公共交通系统的三个基本要素是：人、车(公共交通工具)、路(途 径) 。城市公共客运交通系统的内部结构如图1 4 所示。 图1 4 城市公共客运交通系统 1 2 5 城市公共交通发展趋势 未来公共交通的发展趋势可从两个方面考虑：一是公交运营的发展方向；二 是公交车辆的发展方向。在公交运营方面，就是建立智能公共交通系统(含智能 面，其发展方向主要体现在大型化、舒适化和环保化上。 智能公共交通系统就是在公交网络分配、公交调度等关键基础理论研究的前10 第一章绪论 通各种运输方式年度总的客流数据称为宏观客流数据，主要为制定公共交通长期 发展规划服务。本论文研究的主要内容是从中观与宏观的角度去分析城市公共交 通客流的规律，为制订城市公共交通运营与发展政策提供科学的依据。具体地说， 从城市公共交通整体来看，公共交通的运营管理研究属于中观方面的研究，本论 文主要研究某条线路全日客流一周内峰值区间的划分；公共交通的发展政策研究 属于宏观方面的研究，本论文主要从公共交通总客运量预测、公共交通供给与需 求的动态平衡、为保持客运量按比例增长投资应该满足的关系式、各种公共交通 的客流随时间演变的规律等几个方面进行论述。 1 4 论文的结构 本论文分为七章，第一章为绪论，第二章为客流数据采集方法，第三章从中 观层面上研究城市公共交通客流规律，第四、五、六章从宏观层面上研究城市公 共交通客流规律，第七章是结论和展望。具体结构如下( 图l _ 5 ) ： 北京变通大学博士学位论文 第一章绪论 城市交通发展概述、城市公共交通发展概述、用系统工程的 方法研究城市公共交通系统、主要内容和创新点 第二章城市公共交通客流数据的采集 非自动客流数据采集方式、自动客流数据采集方式、客流数据的表现形式 第三章一周内峰值区间的聚类确定法 用系统聚类法和有序样品聚类法确定一周内峰值调度区间 第四章城舀硼噔闭琦型商弦心 最小系数法。只要将最大系数法的( 31 1 3 ) 式改为： i 么t 小 k ki ：m i n i 么。bi ，i 巧小。k ki ) 。，4 ， 3 1 3 有序样品的聚类方法 滂薪 i 托廊i ) ( 3 1 3 ) 这节讨论这样一种问题：所给变量具有一定的顺序，其顺序在分类过程中是 不能打乱的，而只能按其顺序分成若干段。例如在石油勘探中，需从钻井中获得 的岩心标本对地层分类，只能按由浅层到深层( 或者由深层到浅层) 的标本分成 若干段，而不能跳跃，把不同的地层( 中间有间断) 标本分为同一类，因为这不 符合地质形成历史的事实。又如对一年中的降雨资料需要划分降雨季节，也只能 按时间先后的顺序分成若干降雨时段，而不能随意打乱顺序划分，因为也不符合 实际。对于这一类有序样品的分类采用以下的费歇算法解决，而且费歇算法已经 得到了广泛地应用陆”。 n 个变量分成k 类，如果变量是彼此平等的，一切可能的分法有： r 0 ， 七) 2 音荟( 一矿。1 q 2 “ ( 3 1 5 ) 第一章绪论 1 5 用系统工程的方法研究城市公共交通系统 1 5 1 系统工程的定义 系统工程是一门正在发展中的新学科，其应用范围特别广，涉及到许多领域 和学科，至今还没有一个统一的定义。下面引述一些国内外具有代表性的定义【1 9 】。 ( 1 ) 系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的 科学方法，是对所有系统都具有普遍意义的科学方法( 1 9 7 8 年钱学森) 。 ( 2 ) 系统工程认为虽然每个系统都是由许多不同的特殊功能部分所组成， 而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每个系统都是完整的整体，每一个 系统都有一定数量的目标。系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得最优 解的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相适应( 1 9 6 7 年美国切斯纳) 。 ( 3 ) 系统工程是一门综合性科学技术，研究对象是大型复杂系统的设计和 运行( 一般更偏重于设计) ，有目的地对新工程对象进行研究与设计，对已有工 程对象进行运行、管理与改进，以达到总体最佳的效果为目标。它既是一门跨各 专业领域的总体工程学，也是一种思想方法论与工作方法论( 1 9 7 9 年王慧炯) 有关定义还有很多，根据这些定义，我们归纳为： 系统工程是一门边缘学科，是一门工程技术。它把自然科学和社会科学中有 关的思想、理论、方法、策略和手段，根据系统总体协调的需要，进行有机联系， 综合运用。对系统构成要素、组织机构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、 设计、试验、实施和运行，实现系统整体的综合最优化，达到最优设计、最优控 制和最优管理的目标。 1 5 2 城市公共交通系统是复杂巨系统 1 9 9 0 年自然杂志第1 期发表钱学森、于景元、戴汝为三人署名的一篇 论文“一个科学新领域开放的复杂巨系统及其方法论”【2 伽，首次向世人公布 了复杂巨系统这一新的科学领域及其基本观点，它是在钱学森领导的持续多年的 系统学讨论班上，用系统的观点研究了范围广泛的横跨自然科学和社会科学的问 题后，从中提炼出来的。在钱学森总结出“开放的复杂巨系统”的同时，还十分 明确地指出，采用以往还原论的方法不能解决这类复杂系统的问题。他同时提出 了处理开放的复杂巨系统的方法论，即“从定性到定量的综合集成法” ( m e t a s y n t l l e s i s ) 【“l 。综合集成法可简单概括为：将专家群体( 各方面的专家) 、 数据和各种信息与计算机软硬件技术有机地结合起来，把各种学科的科学理论知 识和经验知识结合起来，这三者( 专家群体及数据和各种信息，计算机软硬件， 各种学科的理论知识和经验知识) 本身也构成一个系统；综合集成法的成功应用 北京交通大学博士学位论文 就在于发挥这个系统的整体优势和综合优势瞄】。 系统工程主要是以大规模复杂系统为研究对象的。这些系统规模庞大，结构 复杂，环节数量大或层次较多，且关系复杂，影响因素众多，并常带卜时f 餮誉裂； 嚷强蓬氆罐黧恽坚灌嚼捌旧瀛j 璀甥舅聱拴辱至余爿籀羁烈谒| 、，i 栅； i r i 遵测罐臻霈似竖酾纂蠢到墨譬醣雌嘏黝钏茹士妄谷篓孙j 薪一是说 斑牡透甄 也就是说，把七天看作七个变量x ；，i ：1 ，7 。 其中每个变量的分量为5 点到2 3 点每小时的客流量。用数学语言描述就 是把这七个变量( 每个变量有1 8 个数据) 看作r ”中的七个向量，对它 们进行分类，因为这种分类不涉及有序的问题，所以用系统聚类法进行 分类。 假设在上一步中我们得到了七天的一个分类，每个类别中客流都具有相 似性，当我们求每个类别中的峰值区间时，可以以每个类别中变量的平 均值为基础，求出平均值，也就是r ”中的一个向量，再对其应用有序样 品的聚类分析法，求出峰值区间的划分。这样就可以得到这七天每天的 峰值区间的确定，调度人员就可以以此为基础，安排好这一段时间内车 辆调度工作。 3 3 案例分析 下面我们以一周七天的数据为例，阐述一下过程。精确的数据收集要等自动 采集设施应用之后，而某段时间内到达公交车站的乘客数服从泊松分布，泊松分 布具有可加性，所以可以以计算机模拟生成的数据为例计算。 在这一周内，某条线路某一方向每天小时总客流量( 每站小时客流数相加) 可以模拟生成如下： x t = 9 8 84 9 7 71 0 1 7 87 1 113 0 4 82 0 0 22 0 3 81 9 5 61 9 2 81 7 l o1 7 7 75 9 0 89 0 3 02 5 4 0 1 1 891 0 5 79 9 01 0 6 1 x f 9 7 24 8 7 89 9 4 37 0 4 73 0 3 42 0 3 02 0 3 21 9 0 21 9 4 21 6 7 61 8 1 35 9 3 88 8 0 12 5 1 5 1 18 4 1 0 7 69 4 29 8 】 x f 1 0 4 84 8 9 41 0 0 3 96 9 7 73 1 1 82 0 5 l2 0 7 91 8 7 01 8 5 51 7 2 91 8 7 06 0 4 88 9 3 42 5 0 5 1 2 5 41 0 8 3 1 0 6 01 0 1 x 。= 9 6 74 9 6 51 0 1 4 l7 0 6 63 0 1 11 9 8 72 0 8 31 9 0 31 9 3 01 7 1 21 7 5 36 0 1 59 0 3 62 4 2 0 1 24 21 0 6 69 8 11 0 3 l x 。= 9 9 55 0 0 49 8 2 56 8 6 l2 9 8 71 9 7 92 1 0 81 9 5 21 9 3 61 6 5 11 7 9 05 9 3 39 2 0 l2 4 4 2 1 20 61 1 9 81 0 1 31 0 1 4 1 第一章绪论 1 5 4 4 灰色系统理论呻1 1 9 8 2 年，我国著名学者邓聚龙教授创立了灰色系统理论。第一篇灰色系统 的文章发表在由北荷兰出版公司出版的s y s l e m s a n dc o n t r o li e t r e r 刊物上，题为“c o n t r 0 1p m b l e m so fg r e ys y s t e m s ”。这一新的学说很快得到国内 外众多学者和实际工作者的关注。它不仅在理论上迅速发展，而且在社会、经济、 科技、农业、工业、交通、生态、水利、气象、地学、医学、金融、法律、军事 等系统的分析、建模、预测、决策、控制中得到日益广泛和深入的应用o ”，取 得了一系列成果，已成为认识客观系统改造客观系统的一个新型理论工具。 社会、经济、农业、工业、生态、生物等许多系统，是根据研究对象所属的 领域和范围命名的，而灰色系统却是按照颜色来命名的。在控制理论中，人们常 用颜色的深浅来形容信息的明确程度，如艾什比将内部信息未知的对象称为黑 箱，这种理解和称谓已为人们普遍接受。再如在政治生活中，人民群众希望了解 决策及其形成过程的有关信息，就提出要增加“透明度”。我们用“黑”表示信 息未知，用“白”表示信息完全明确，用“灰”表示部分信息明确、部分信息不 明确。相应地，我们将信息完全明确的系统称为白色系统，信息未知的系统称为 黑色系统，部分信息明确、部分信息未知的系统称为灰色系统。 灰色概念与模糊概念的主要区别在于研究对象的内涵与外延的性质上。灰色 系统着重外延明确、内涵不明确的对象，模糊数学着重外延不明确、内涵明确的 对象。比如说“年轻人”这个概念是个模糊概念，因为人人都知道年轻人的内涵， 但是要划分出一个确切的范围，在这个范围之内的是年轻人，范围之外的都丕是 年轻人，则很难办到，因为年轻人这个概念的外延不明确。灰概念与随机概念没 有本质的区别，灰色系统理论将一切随机过程看作是在一定范围内变化的灰色量 将随机过程看作是在一定范围内变化的、与时间有关的灰色量过程。但是灰色系 统与随机理论研究问题、解决问题的方法和思路则截然不同。 灰色理论的产生，从思维逻辑的观点看，是由“黑箱”到“灰箱”再到“灰 色系统”。“黑箱”指内部结构、特性、参数全部未知的对象，只从对象外部来研 究它。“灰箱”指对象中有了部分明确的信息，但其框架没有打破，箱的约束依 然存在，因此其研究方法和黑箱方法一样还是从对象外部进行。“灰色系统”不 同于“灰箱”，它突破了箱的约束，主张从事物内部去研究系统，充分利用那部 分白色信息。 灰色理论的产生，从系统控制理论的观点看，是由经典控制理论到现代控制 理论( 包括大系统理论) ，再由现代控制理论到模糊控制理论再到灰色系统理论。 经典控制理论研究的对象是单输入、单输出的线性定常系统，建立的数学模型是 传递函数，采用的分析方法是频率法与根轨迹法，其特点是从外部研究系统。现 第一章绪论 2 ) 层次观。在强调系统本身层次性的同时，从抽象地研究系统的特征这个 层次上深化到具体研究系统各因素的数量特征、关联程度及其组织结构。 3 ) 递进性。分析表象数据；挖掘本质特征，由表及里，由浅入深，由定性 到定量，由抽象到具体，呈现出一种递进层次。 4 ) 灰色观。视随机变量为灰变量，随机过程为灰过程；借助灰元，把系统 的认识过程归结为由灰到白的“白化”过程。 5 ) 微分观。把时间过程分成足够密集细小的时间单位，从微观上研究随机 过程。并把这种细小的时间单位上的随机变化与“长期”的随机变化有机地结合起 来，使“宏观”过程与“微观”过程得到了统一。 6 ) 映射观。把系统概念性的特征映射到数量指标上，把过于分散的信息浓 缩密化，映射成集中的信息( 如季节灾变) ；把系统的表象数据看成是系统内在 规律的折射，建立起种种映射关系。 7 ) 动态观。把系统看成是连续不断的动态流，定量地研究系统的动态品质、 动态结构及其反馈过程。 8 ) 结构观。注重系统内部结构方面数量关系的分析及其结构变动方向与变 动程度的研究。 9 ) 实用观。从实际出发，根据实际情况确立数据的准确程度、样本容量及 其分布规律；充分挖掘现有数据包含的信息；提供了实用的数据处理方法；强调 实际应用。 1 0 ) 模型观。灰色系统理论广泛吸收其它学科的建模思想与建模方法，发展 比一整套建模的方法和完整具体的动态建模技术，把预测、决策、控制纳入了科 学化的轨道。 1 6 论文的创新点 本论文的创新点如下： 本论文首次提出将系统聚类法与有序样品聚类法结合起来，根据一周内 客流变化的统计数据，确定每天客流的峰值区间，为调度人员进行车辆安排 计划提供科学的依据。其创新思路为：研究一周内七天客流的分布曲线，发 现其具有相似性，首先采用系统聚类法对一周七天的客流数据根据其相似性 进行分类，得到七天的一个分类，然后再利用有序样品聚类法对每类中的客 流分布曲线划分峰值区间，最后的结果符合客观现实。此创新在第三章中体 现。 根据城市公共交通各种运输方式客运量变化的特点，分别建立各种运输 第一章绪论参考文献： 1薛华成管理信息系统m清华大学出版社199954 4 页 2 施锡铨，范正绮数据分析方法 m 上海：上海财经大学出版社1 9 9 7 1 0 2 页 3 张金水经济控制论 m 北京：清华大学出版社，1 9 9 9 1 2 1 页 4 胡国定，张润楚多元数据分析方法一纯代数处理 m 天津：南开大学出版社，1 9 9 0 2 8 6页 5邓聚龙灰色系统理论教程m武汉；华中理工大学出版社，1990 7 王学萌，张继忠，王荣灰色系统分析及实用计算程序 m 武昌：华中科技大学出版社， 2001 8 易德生，郭萍灰色理论与方法 m 北京：石油工业出版社，1 9 9 2 9袁嘉祖灰色系统理论及其应用m北京：科学出版社，1991 10景国勋灰色系统理论在安全中的应用研究d北京：北京理工大学，20006 1 1 b a o f，tangz m t h ea p p l i c a t i o no fw a t e r tankhybridd y n 栅i cs y s t e mi n t r a f f i cj s e r v i c es y s t 删sa n d servicem a n a g 唧一p r 0 c e e d i n g s0 fi c s s s m 0 4 ，v o l s 1a n d 2：8 4 1 8 4 3 。2 0 0 4 12陆化普，王建伟，李江平，兰荣，王京城市交通管理评价体系m北京；人民交通出版社，2 0 0 3 13任福田，刘小明，荣建交通工程学m北京：人民交通出版社，2003 14陆化普变通规划理论与方法m北京：清华大学出版社，199815王华城市交通需求特性和公共交通的定位j交通标准化，20041l：929516李江，傅晓光，李作敏现代道路交通管理m北京：人民交通出版社，200017李建国，林正，倪彬华，古今姝，魏民公共交通扶持政策及法规研究ebolhttp：2107612539rkxharvestarticle1we99htm，1999，在线文献18王炜，杨新苗，陈学武城市公共交通系统规划方法与管理技术m北京：科学出版社，20022426页19肖艳玲系统工程理论与方法帕北京：石油工业出版社，200220一21页20钱学森、于景元、戴汝为一个科学新领域开放的复杂巨系统及其方法论j自然杂志，1990，13(1)：3一lo21戴汝为从定性到定量的综合集成技术j模式识别与人工智能1991，4(1)：51022】许国志，顾基发，车宏安系统科学与工程研究m上海：上海科技教育出版社，200056页23韩艺城市公共交通智能化调度系统开发的理论与方法研究d北京：北方交通大学。200010 北京交通大学博士学位论文 第二章城市公共交通客流数据的采集 城市公共交通客流数据是交通工程学中的一种最基本的资料，客流资料根 据不同的目的，有着广泛的应用。本章分别论述了城市公共交通客流的特征、客 流数据采集的目的和意义、非自动客流数据采集技术以及随着科技的进步应运而 生的自动客流数据采集技术。在自动客流数据采集技术中，重点介绍了地铁( 轻 轨) 、公共汽车( 电车) 客流数据采集方式。最后总结出客流数据的表示方法。 2 1 城市公共交通客流的特征 客流是交通系统安排运力、编制运输计划、组织行车和分析运营效果的基础， 因此要抓住客流变化的特征，通过分析将得出的结果运用到工作中，不断地完善、 不断地改进使工作计划更贴近实际情况。客流是动态流，它随天、时、地的变化 而改变，这种变化是城市社会经济活动和生活方式以及交通系统本身特征地反 映。 2 1 1 小时客流量在一日内的变化 小时客流量是用以确定城市轨道交通出入口、通道或公交站台等设备容量的 基础数据，尤其是在计算全日行车计划和车辆配备计划时。车站单向高峰小时客 流量是确定车站出入口、楼梯、售检票设备数量，计算站台、通道宽度和配备车 站定员的依据。当车站设备的数量、容量不够时，会给行车秩序。站厅秩序、乘 车秩序和乘客的安全带来不利的影响。 2 1 2 全日客流量在一周内的变化 由于人的活动是以周为循环的，星期天大都休息，在以通勤、通学客流为主 的交通线路上，客流有所减少；而在连接商业网点、旅游景点的线路上，客流有 所增加。全日客流量在一周之内呈有规律性的变化。从运营经济性考虑，应根据 不同的客流量在一周内实行不同的全日行车计划。 2 1 3 客流的不均衡性 其中一个方面是分时客流的不均衡性。在分时客流不均衡时，为达到运输组 第二章城市公共交通客流数据的采集 织的合理和运营的经济性的目的，运营部门可考虑采用小编组、高密度的行车组 织方式，即在客流高峰时间段开行较多的列车以满足运输需求，而在客流低谷时 间段则减少开行列车数以提高车辆平均满载率。 2 1 4 客流量的其它变化 客流量随季节变化，或者在节假日、举行重大政治、商务集会等都会引起客 流量激增。当客流量在短期内增加幅度较大时，交通运营部门要针对某些作业组 织环节、某些设备的运用方案做出局部性的调整措施，以适应一定时期的客流特 征。 2 2 客流数据采集的目的和意义 客流数据采集的目的在于通过长期连续性观测或短期间隙和临时数据采 集，了解客流在时间、空间上的变化和分布规律，为交通规划、道路建设、交通 控制与管理等提供必要的数据。 客流数据可以应用到以下方面： 由同一地点长期连续性观测，掌握客流的时间分布规律，探求各种与客 流有关的系数，并为客流预测提供历年以往长期可靠资料。 众多的间隙性观测调查，可用以了解客流在地域等空间上的分布规律， 为了解全面的交通情况提供数据。 公交线路客流预测是运营调度优化的基础。公交企业的运营调度管理主 要包括两个内容，一是运营调度计划的制订，二是运营调度计划的执行 和监控。在根据客流资料进行分析、掌握客流变化规律的情况下，企业 才能做到科学地制订运营计划，合理地调配使用人、车资源，达到既满 足人们出行地需求，又创造较高运营效益的目标。 客流信息可以作为相关决策的指导，可以充分发挥公共交通的运营能力， 节约全社会的总乘车出行时间，也可以找出影响事物发展的主要因素， 合理有效的控制事物的发展，优化公交网络。所以分析这些随机过程的 规律、掌握研究对象各部分之间的辨证关系以及外部的相关要素，都具 有重要的现实意义。 2 3 非自动客流数据采集技术 从6 0 年代到7 0 年代中期，在工业化国家的城市和许多发展中国家的重要城 北京交通大学博士学位论文 市，采用随机抽样技术进行了大量o d 调查，这些调查花费了大量费用和时间。 事实上，在大多数情况，收集数据所花费的时间与费用在总研究资源中占相当大 的比重，而关键的准备阶段的开销很少。“1 根据不同的情况和不同的需要，客流调查种类主要有：0 3 全面客流调查 全面客流调查是对全线客流的综合调查，通常也包括了乘客情况抽样调 查。这种类型的客流调查时间长、工作量大、需要较多的调查人员。但 通过调查及对调查资料进行整理、统计和分析，能对客流现状及出行规 律有一个全面清晰的了解。全线客流调查一般应连续进行二到三天，在 全天运营时间内，调查全线各站所有乘客的下车地点和票种情况，并将 调查资料以五分钟作为间隔分组记录下来。乘客情况抽样调查通过问卷 方式进行，内容包括乘客构成情况调查和某类乘客情况调查两项。乘客 构成情况调查通常在车站进行，而某类乘客情况调查可在特定的地点进 行。 断面客流目测调查 断面客流目测调查是一种经常性的客流抽样调查，根据需要，可选择一 或二个断面进行调查，一般是对最大客流断面进行调查，调查人员用目 测估计各车辆内的乘客人数。 节假日客流调查 节假日客流调查是一种专题性客流调查，重点对春节、元旦、国庆节、 双休假臼和若干民间节日期间的客流进行调查。调查的内容包括机关、 学校、企业等单位的休假安排，都市旅游业、娱乐业的发展程度，城市 居民生活方式的变化等。该项调查一般是通过问卷方式进行的。 2 4 自动客流数据采集技术 2 4 1 地铁客流数据自动采集 基于计算机技术、网络技术、现代通讯技术、自动控制技术、非接触i c 卡 技术、大型数据库技术、机电一体化技术、模式识别技术、传感技术、精密机械 技术等多项高新技术于一体的自动售检票( a f c ) 系统投入地铁运行后，实现了自 动售票方式。 自动售检票( a u t o m a t i cf a r ec o l l e c t i o n a f c ) 系统是由计算机集中控制进 行自动售票、自动检票及自动结算的自动化管理系统，是地铁综合自动化管理不 可缺少的重要组成部分。它基于计算机网络和多种形式的车票技术，对车票数据 第二章城市公共交通客流数据的采集 进行处理，实现自动发售车票，自动计费的功能；并将采集到的信息和数据进行 存储、计算、分析，达到随时查看数据，及时了解运营情况，妥善管理的目的。 地铁a f c 系统发展已有3 0 多年的历史，在世界各国地铁中广泛应用，对地铁现 代化运营和管理起着十分重要的作用。 采用自动售检票方式后，可以实现购票、检票、计费、收费、统计的全过程 自动化，减少票务管理人员，提高地铁系统的运行效率和效益，使乘车收费更趋 合理，减少现金流通，堵塞人工售检票过程中的各种漏洞和弊端，避免售票“找 零”的繁琐，方便乘客，增强客流分析预测的能力，合理地调配车辆，提高了运 营公司地经营管理水平，为联网结算提供了基础。 地铁a f c 系统发展到现在，主要有磁卡式a f c 系统、磁卡和i c 卡并用式a f c 系统、i c 卡式a f c 系统等三种制式。0 1 其中，磁卡式a f c 系统应用的时间最早、 技术比较成熟，目前在世界各国的地铁中被普遍使用。它以磁卡作为信息载体， 在纸或塑料卡片上涂上磁介质存储信息。信息分为固定信息( 如密码、编号等) 和可变信息( 如进站地点、时间以及存储的资金等) 。 磁卡a f c 系统的读写设备含有精密的机械及信号转换装置，结构复杂、成本 较高，在使用频率较高的情况下易出故障，整个系统维护费用高，加之作为零售 票的磁卡成本较高，因而整个系统运行成本较高。由于磁卡的存储量较小，信息 在磁条上静态存储，磁条内部没有数据存储的安全机制，读写技术是顺序的和机 械的，所以一般磁卡的加密性自& 较差，很容易被复制。” i c 卡根据卡与读写器的信息交换方式可分为接触式i c 卡和非接触式i c 卡。 因此，i c 卡式a f c 系统也划分为这两种方式。非接触式i c 卡存储容量大( 从几 字节到几兆字节) ，可分为若干应用区，便于一卡多用，可记录保存每笔交