（计算机应用技术专业论文）城市公交系统模型与算法研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 优先发展城市公共交通系统是解决大i 中城市交通问题的最佳途径。近年来，城市 公交系统的智能化已经成为公共交通领域研究的主要方向。本文以大连市公交系统为工 程背景，研究了蚁群算法、s c e u a 算法以及支持向量机等智能算法在公共交通规划和 调度中的应用。城市公交系统是一个巨系统，其相关的模型和方法都非常复杂，为此， 本文引入了高性能计算来提高智能算法的优化质量和收敛速度。本文的主要内容如下： 1 ) 公交线路网是城市公共交通系统的根本和基础，其设置得是否合理会直接影响乘 客的出行时间、换乘以及系统运营成本。本文提出了以直达客流密度最大为目标的公交 线网优化模型。该模型综合考虑了乘客和运营者双方的利益，通过一种模拟进化算法一 一蚁群算法，来优化该模型。为了提高蚁群算法的搜索效率，采用了综合考虑全局和局 部信息的信息素增量更新策略：a n t w e i g h t 策略和基于粗粒度模型的并行方案。以大 连市主城区的公交数据对该模型和算法进行了检验，与大连市现状的公交网络相比，基 于本文模型优化的公交网络的效率更高。另外，结果还表明a n t w e i g h t 策略和粗粒度 模型可以提高蚁群算法的效率。 2 ) 发车频率的制定是公交系统日常运营工作的核心，它决定了运行时刻表、车辆调 度以及分派司机等其它的日常调度工作。本文提出了一个双层规划模型来优化公交线路 发车频率，该模型可以反映运营者( 供给者) 和出行者( 需求者) 之间的相互作用。其中， 上层模型以整个公交系统总成本最小为目标，通过进化算法一s c e u a 算法来优化公 交线路的发车频率；下层模型基于最优出行策略，进行公交客流分配。以大连市主城区 的公交系统为计算实例分析了该双层模型及其解法的效率，结果表明，该双层模型可以 有效地节省系统的总成本。 3 ) 开发能准确预测公交车辆到站时间的方法，是提高公交车辆准时性，减少乘客等 待时间，从而提高公交吸引力的重要手段。本文提出了一种基于支持向量机( s v m ) 和 k a l m a n 滤波的混合模型，来预测公交车辆到站时间。在该混合模型中，s v m 模型基于 历史数据预测路段的基线运行时间；基于k a l m a n 滤波的动态算法结合基线时间和最新 的车辆运行信息，预测车辆到达各站点的时间。以大连市开发区7 路公交线路的数据对 该方法进行了检验，实例分析表明，与s v m 模型相比，该混合模型的稳定性和预测精 度都较高。 4 ) 实时调度策略就是利用先进的技术手段，动态地获取实时交通信息，实现对车辆 的实时监控和调度。本文主要研究了实时调度中最常用的滞站调度策略，提出了两种滞 i 一 城市公交系统模型与算法研究 站调度策略：协控准点滞站调度策略和动态滞站策略，两种策略综合考虑车辆在当前站 点和下一站点的准点情况来确定滞留车辆，可以有效减少“误”控制。不同之处是，前 者是依据时刻表确定车辆的滞留时间，而后者则通过并行遗传算法优化车辆的滞留时 间。以p a r a m i c s 的仿真数据对两种策略进行了检验，结果表明，两种策略都可以大幅的 降低乘客的出行成本，而动态滞站策略的效率稍好于协控准点滞站策略。 论文最后对全文进行了总结，并对有待于进一步研究的问题进行了展望。 关键n - 直达客流密度；a h i w e i g h t 策略；混合时间预测模型；协控准点滞站策略 动态滞站调度策略 奎垄望三盔堂堡主堂垒丝苎 a b s t r a c t p r e f e r e n t i a ld e v e l o p m e n to fu r b a np u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi sau n i v e r s a l l ya c c e p t e d a p p r o a c ho fs o l v i n gu r b a nt r a f f i cp r o b l e m r e c e n t l y , i n t e l l i g e n tp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m h a s b e c o m et h ei m p o r t a n td e v e l o p m e n tt r e n do fp u b l i ct r a n s p o r t a t i o nf i e l d b a s e do nt h ep r o j e c tb a c k 铲o u n do f p u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi nd a l i a nc i t y , t h ea p p l i c a t i o n so ba n tc o l o n yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ，s e e - u aa l g o r i t h m ，e t ci nt h ep l a n n i n ga n dt h eo p e r a t i o no fu r b a np u b l i ct r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，a r cs t u d i e d s i n c eu r b a np u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi sag i a n ts y s t e m t h ec o r r e s p o n d i n gm o d e l sa n d s t r a t e g i e sa r ev e r yc o m p l e x i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ep a r a l l e li n t e l l i g e n ta l g o r i t h m sr u n n i n gi np cc l u s t e ra r e a d o p e dt oi m p r o v et h eo p t i m i z a t i o nq u a l i t ya n ds p e e d t h em a j o rc o n t e n t sa n dr e s e a r c hp r o g r e s sa r ea s f o l l o w s ： nb u sn e t w o r ki st h eb a s i so fu r b a np u b l i ct r a n s p o r t a t i o n n l er a t i o n a l i t yo ft h eb u s n e t w o r k ，t h e r e f o r e ，d i r e c t l yi n f l u e n c e st h et r a v e lt i m ea n dt r a n s f e rr a t eo fp a s s e n g e r s ，a n dt h e o v e r a l lr u n n i n gc o s to f t h et r a n s p o r ts y s t e m s t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sa no p t i m i z a t i o nm o d e l f o rb u sn e t w o r kd e s i g n ，w h i c ha i m st om a x i m i z et h en u m b e ro fd i r e c tt r a v e l e r sp e ru n i tl e n g t h ， i e d i r e c tt r a v e l e rd e n s i t y ，s u b j e c tt or o u t el e n g t ha n dn o n l i n e a rr a t ec o n s t r a i n t s a n tc o l o n y o p t i m i z a t i o n ( a c o ) ，an e we v o l u t i o na l g o r i t h m ，i su s e dt os o l v et h em o d e l t oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo f t h em e t h o d ，t w oi m p r o v e ds t r a t e g i e sa r ep r o p o s e d ：1 ) d e v e l o p sa n e ws t r a t e g yt o u p d a t et h ei n c r e a s e dp h e r o m o n e ，c a l l e da n t w e i g h t ，w h i c hc o n s i d e r i n gt h eg l o b a la n dl o c a l i n f o r m a t i o n ；2 ) u s e sp a r a l l e l i z a t i o ns t r a t e g i e so fa c oi m p r o v et h ec a l c u l a t i o nt i m ea n dt h e q u a l i t yo f t h eo p t i m i z a t i o n t h ed a t ao f d a l i a nc i t yi nc h i n aa r eu s e dt ot e s tt h em o d e la n dt h e a l g o r i t h m t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i mt h ep r e s e n gt r a n s i tn e t w o r kt h eo p t i m i z e do n e i sm o r ee f f e c t i v ea n de f f i c i e n t t h e ya l s or e v e a lt h a tt h ea n t - w e i g h ts t r a t e g ya n d c o a r s e g r a i ns t r a t e g ya r ee f f e c t i v e 2 ) t h eo p t i m i z a t i o no ft h ef r e q u e n c i e si st h ek e yo ft h eo p e r a t i o np l a n ，w h i c hd e t e r m i n e t h es i t u a t i o no ft h er u n n i n gs c h e d u l e ，v e h i c l ea d j u s t m e n ta n dd r i v e ra s s i g n m e n t c o n s i d e r i n g t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h eo p e r a t o r s ( t h ed e m a n d ) a n dt h eu s e r ( t h es u p p l y ) ，i nt h i s d i s s e r t a t i o n , ab i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e lf o rt h eb u sf r e q u e n c i e sd e s i g ni nt h eg i v e n n e t w o r ki sp r e s e n t e d i nt h eb i l e v e lm o d e l ，t h eu p p e r l e v e li st h el e a d e ra n do p t i m i z e st h eb u s f r e q u e n c i e sb ys c e - u a 1 1 1 el o w e r - l e v e li st h ef o l l o w e ra n di t so b j e c t i v ei st oa s s i g nt r a n s i t t r i p st ot h en e t w o r kb a s e do nt r a v e ls t r a t e g ya n dt h eo p t i m a lf r e q u e n c i e s f i n a l l yt h em o d e l a n dt h ea l g o r i t h m sa r ei l l u s t r a t e dw i t ht h eb u sn e t w o r ki nt h ec i t yo fd a l i a ni nc h i n a 1 1 1 e r e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lc a ne f f e c t i v e l ys a v et h et o t a lc o s to ft h eo p e r a t o r sa n du s e r s v 城市公交系统模型与算法研究 c o m p a r ew i 也t h ec u r r e n tt r a n s i ts y s t e m 3 1t h ed e p l o y m e n to fv e h i c l ea r r i v a lt i m ep r e d i c t i o nm o d e l si sa l li m p o r t a n tm e a d so f r e d u c i n gw a i t i n gt i m e so fb u sp a s s e n g e r sa n di m p r o v i n gt h es e r v i c eq u a l i t ya n da t 廿a c t i o no f u r b a np u b l i ct r a n s p o r t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f lh y b r i dm o d e l ，b a s e do ns u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) a n dk a l m a nf i l t e rt e c h n i q u e ，i sp r e s e n t e dt op r e d i c tt h ea r r i v a lt i m e i nt h em o d e l ，t h e s v mp r e d i c t sab a s e l i n ea r r i v a lt i m eb a s e do nh i s t o r i c a lt r i pd a t af o rat r i po c c u r r i n ga ta g i v e nt i m e o f - d a y ，w e a t h e ra n dr o u t es e g m e n t ；t h ek a l m a nf i l t e r b a s e dd y n a m i ca l g o r i t h m u s e st h em o s tr e c e n tb u sa r r i v a li n f o r m a t i o n t o g e t h e rw i mt h ee s t i m a t e db a s e l i n ea r r i v a lt i m e g e n e r a t e db yt h es v mm o d e l ，t op r e d i c tt h ea r r i v a lt i m ea td o w n s t r e a mp o i n t s t h ep r e d i c t e d b u sa r r i v a lt i m ei se x a m i n e dw i t l lt h ed a t ao fb u sn o 7i naz o n eo fd a l i a ni nc h i r l a t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eh y b r i dm o d e lc a no f f e rt h eh i g h e rp r e d i c t i o np r e c i s i o n 4 ) t h er e a l t i m ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r et h ek e yo fa p t s ，w h i c ha r ed e s i g n e dt oe n h a n c e t h es y s t e m sa b i l i t yt or e m e d ys p e c i f i cp r o b l e m sa st l l e yo c c u r a m o n ga l lt h es t r a t e g i e s ， h o l d i n gs l r a t e g i e sa r et h ef o c u so f t h i sd i s s e r t a t i o nd u et ot h e i rp o p u l a r i t ya m o n gp r a c t i t i o n e r s i np u b l i ct r a n s i ts y s t e m s t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sa ni m p r o v e dh o l d i n gs t r a t e g yb a s e do n s c h e d u l ea n dad y n a m i ch o l d i n gs t r a t e g yb a s e do ns c h e d u l e ，w h i c hs i m u l t a n e o u s l yc o n s i d e r t h ep u n c t u a l i t yp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l ea tt h ec u r r e n ta n dt h ef o l l o w i n gs t o p w ea l s o d e v e l o pm e t h o d st of o r e c a s tb u sa r r i v a lt i m et ot h ef o l l o w i n gs t o p i nt h ei m p r o v e dh o l d i n g s t r a t e g y ，t h eh o l d i n gt i m ei sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h es c h e d u l ew h i l ei nt h ed y n a m i c h o l d i n gs t r a t e g yt h eh o l d i n gt i m ei so p t i m i z e db yp a r a l l e lg e n e t i ca l g o r i t h m f i n a l l yt h et w o s t r a t e g i e sa n da l g o r i t h ma r ei l l u s t r a t e dw i t l lt h em i c r o s c o p i cs i m u l a t i o nm o d e lp a r a m i c s t h e r e s u l t ss h o wt h a tb o t hh o l d i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sc a nr e d u c et o t a lu s e rc o s t si nc o m p a r i s o n w i t ht r a d i t i o n a lh o l d i n gs t r a t e g y f i n a l l y ，as u m m a r yi sg i v e na n ds o m ep r o b l e m st ob ef u r m e rs t u d i e da r ed i s c u s s e d k e y w o r d ：d i r e c tt r a v e l e rd e n s i t y ；a n t - w e i 【g h ts t r a t e g y ；h y b r i dp r e d i c t i o nm o d e l ； i m p r o v e dh o l d i n gs t r a t e g yb a s e do ns c h e d u l e ；d y n a m i ch o l d i n gs t r a t e g y 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：堑垄： 日期： 大连理工大学磺士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”同意 大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权大连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，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名叠遣 导师签名： 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 城市公共交通概述 1 1 1 城市交通问题提出 随着经济社会发展和城镇化进程的加快，我国的机动车拥有量和道路的交通量急剧 增加，尤其在大城市，交通拥堵以及和由其引起的交通事故的增加，环境的污染加剧， 已经是我国城市面临的极其严重的“城市病”之一，严重影响了城市发展和人民群众生 活水平的提高。 解决这些问题的传统途径是拓展道路，但是我国土地资源稀缺，城市内的可供拓展 道路空间非常有限，城市人口也非常密集，不可能仅靠拓展道路来解决这些问题，必须 想办法提高道路的利用率。有关专家指出，在多种城市交通构成中，城市公共交通在占 用道路空间、道路环境污染和能源消耗等三个方面，具有其它交通方式无法比拟的优越 性。若按在市区同样运送1 0 0 名乘客计算，使用公共汽车与使用小汽车相比，道路占用 长度减少近9 倍，节省油耗约5 倍，排放的有害气体最多的可降低1 5 倍左右。另外， 城市公共交通也是解决低收入人群出行难的基本保障。世界范围的研究表明，对低收入 家庭而言，交通费占收入的l o 至1 2 比较合理，超过1 2 就成为负担了。因此，要解 决大、中城市目前存在的交通拥挤、交通事故频繁和环境污染严重等问题，应特别重视 优先发展城市公共交通。 1 1 2 优先发展城市公共交通 城市公共交通是指在城市及其近郊范围内为方便居民和公众的出行，使用各种客运 工具的旅客运输体系，是国家综合运输网中的枢纽和节点，是城市交通体系的主体，是 城市建设和发展的重要基础之一，是生产和生活必不可少的社会公共设施，也是城市投 资环境和社会生产的基本物质条件。 公共交通具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低等优 点。优先发展城市公共交通是提高交通资源利用效率，缓解交通拥堵的重要手段，它也 是世界各国公认的解决大、中城市交通问题的最佳策略。一些发展较快的亚洲城市在这 方面已取得成功。在欧洲、北美以及澳大利亚，虽然小汽车私人拥有率非常高。但仍有 成功的范例，他们的经验证明，通过对城市公共交通的发展和对以城市公共交通为基础 的城市规划进行大量投入，结果令人满意，不仅降低了人们对小汽车的依赖程度，而且 使城市的环境质量与舒适程度都有较大提高。我国政府也一直非常重视城市公共交通的 发展，中共中央政治局常委、国务院总理温家宝，中共中央政治局委员、国务院副总理 城市公交系统模型与算法研究 曾培炎都分别做出重要批示，要求优先发展城市公共交通。 但是，目前我国城市公共交通明显滞后于经济社会的发展。公交车辆速度慢、不准 时降低了对大众的吸引力，使其在交通结构转化过程中处于劣势。据估计。公共交通在 城市出行中的比例仅为2 0 ，有限的道路资源被大量低效的个体交通所占用。因此，只 有在公交网络规划、公交调度等关键基础理论研究的前提下，利用系统工程理论和方法， 将现代通信、信息、电子控制、计算机、网络、g p s 和g i s 等高新科技继承应用于公共 交通系统，并通过建立公交智能化管理系统等实现公交调度、运营、管理的信息化和智 能化，为出行者提供更加安全、舒适、便捷的公交服务，从而吸引公交出行，缓解城市 交通拥挤，才能从根本上解决城市交通的问题【l 】。 1 2 城市公共交通研究现状 城市公交系统的智能化是公共交通研究的一种主要发展方向，其可以引导城市有序 发展、促进城市土地资源的合理开发和利用，从而降低城市基础设施建设费用，提高城 市相关设施的利用率和经济价值。公共交通智能化最大的吸引力在于它是现代城市解决 所面临的诸多困扰和环境保护问题的一个有效途径。这不仅可以减少能源需求，降低城 市机动车尾气排放和噪音污染，而且因为它有潜力节省大量的用地，促进城市结构和城 市布局的合理性，实现城市环境和城市经济的同步改善。 自八十年代以来，许多国家公共交通部门开始应用先进的信息与通信技术进行公交 车辆定位、车辆监控、自动驾驶、计算机辅助调度及提供各种公共交通信息以提高公交 服务水平。美国城市公共交通管理局( u m t a ) 已经启动了智能公共交通系统项目 “a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( a p t s ) 州“2 1 。经过现场试验，u m l a 关于a p t s 的评价是：“a p t s 可以显著提高公共交通服务水平，吸引更多乘客采用公交和合伙乘车 的出行模式，从而带来了减少交通拥挤，空气污染和能源消耗等一系列社会效益”。根 据1 9 9 8 年美国运输部的联邦公共交通管理局( f t a ) 出版的“a p t s 发展现状”，美国的 a p t s 主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布理论，以及使用 先进的电子、通讯技术提高公交效率和服务水平的实施技术。具体包括：车队管理、出 行者信息、电子收费和交通需求管理等几方面的研究。其中车队管理主要研究通信系统、 地理信息系统、自动车辆定位系统、自动乘客计数、公交运营软件和交通信号优先。出 行者信息主要研究出行前、在途信息服务系统和多种出行方式接驳信息服务系统。 日本城市公共交通智能化的发展，经历了3 个阶段【l ，3 】：7 0 年代末开始应用公交车 辆定位系统一公共汽车接近显示系统；8 0 年代初开始应用公共交通运行管理系统，其中 包括乘客自动统计，运行监视和运行控制：进入9 0 年代，由于机动车数量的增长和严 重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度是十分困难的，由此引起的公共交通的不便 大连理工大学博士学位论文 性和不可靠性导致乘客数量的急剧减少。东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控 制系统( c t c s ) ，旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客。在c t c s 中，公共交通运营管 理系统是一个基本的框架，其目的是通过掌握运行情况以及积累乘客数据实现精确平稳 的公共交通运营服务。它将运营中的公共汽车和控制室之间建立信息交换，并利用诱导 和双向通信的方法，将服务信息提供给公共汽车运营人员和驾驶人员，同时这些信息也 通过进站汽车指示系统和公交与铁路接驳信息系统提供给乘客。公共交通综合管理系统 包括累积运营数据、乘客计数、监视和控制公共汽车运营和乘客服务等功能，其中乘客 服务功能中包括进站汽车指示、信息查询和公共交通与铁路接驳信息提示。公共交通综 合管理系统的硬件包括公交主控中心、区域中心以及路边、车库和车载设备等。 欧洲许多国家同中国一样具有悠久的历史，城市街道一般都比较狭窄。但是，它们 通过实施公交优先政策，设立公交专用道，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交 监控与调度系统等措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车 出行，从而有效地缓解了城市交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明显的社会经 济效益，这些经验值得中国许多大、中城市借鉴。 近来，我国很多城市的公交系统也越来越重视公交系统的智能化，杭州、上海、北 京以及大连等城市先后安装或准备安装电子站牌，车载g p s 定位设备等，实现了车辆 的实时跟踪、定位、公交车与调度室的双向通讯，以及电子站牌上实时显示下班车位置 信息等功能。由于上述功能，使得调度过程有据可依，并实现了计算机辅助管理，节约 了劳动力，减轻了劳动负担，同时，提高了车辆运行正点率和服务水平，吸引了大量客 流。这些系统虽然使得中国迈入了公交智能化时代，但是与国外先进的公交系统相比， 国内城市公交系统的智能化水平还很低，它们很少利用动态交通信息和车辆定位信息对 系统进行深层次的开发。杨兆升【l j 总结了国内的智能公交系统的缺陷：( 1 ) 不是以公交线 网优化为基础，致使调度效果欠佳；( 2 ) 大多数系统线路与线路间缺乏联系，未能实现网 络上的整体协调调度；( 3 ) 缺少信息服务系统，使系统智能化程度大大降低。( 4 ) 由于站 点间运行时间单纯由距离比车辆运行速度求得，没有先进的算法作保证，致使在电子站 牌上显示的下班车到达时间不准确。 1 3 城市公共交通的系统性和智能性 根据我国公交系统的研究现状和存在的问题，我们发现，建立和完善城市公交系统 的关键，不仅是设备和技术上的问题，更应该加强对公共交通中的关键理论和方法的研 究以及提高系统的智能化程度。 下面，我们分析一下公共交通系统。首先，它是一个“系统”，这个系统非常复杂， 由若干子系统组成，另外，这个“系统”还应具有一些“智能”特性。因此，本节先从 城市公交系统模型与算法研究 系统工程的角度来分析城市公共交通系统的内部结构关系：然后，讨论一下如何提高系 统的智能化水平。 1 3 1 公共交通的系统性 城市公共交通是一个复杂开放、随机可控的大系统，它由许多子系统组合而成。由 于城市公交系统的复杂性，因此，很少有人对整个公交系统进行整体研究，通常，都被 分成若干子系统进行分析。 1 3 1 1 系统组织结构 ， 一般而言，它可以按照不同阶段分为两个子系统：规划子系统和运营调度子系统 4 1 。 ( 1 1 规划子系统 ， 规划阶段可以分为战略规划、战术规划和实施计划。战略规划是指相对长期的决策， 例如，战略规划中最重要的公交线路网的规划，它是整个公交系统的根本，其通常是在 客流分布、道路情况以及运营的预算等条件下，最大化系统的服务水平，有时可能还涉 及客流的分配等问题。 战术规划主要是指与公交系统提供的服务相关的规划，例如，线路的发车频率和时 刻表的设计。这些规划通常都具有周期性或季节性，会随外界条件的变化适当调整，它 们是衡量系统提供服务的重要指标。 实施计划通常是针对运营者来说的，它的目的是以最小成本维持系统的服务水平， 它包括很多的任务，例如，车辆调度、司机调度、停车、维修保养等。这些计划制定的 频率不同，有的可能一个月调整一次，有的可能每天都需要重新制定。 ( 2 ) 运营调度子系统 运营调度阶段主要包括信息服务和实时调度。信息服务主要是为出行提供动态或静 态的公交信息，使出行者可以选择合理的线路或车辆，以及更有效的安排出行计划，其 最重要的部分就是电子站牌的准确性；实时调度是智能公交系统的核心，它基于公交线 路网布局、运行时刻表以及车辆的运行情况来保证车辆的准点运行，提高服务质量。 这些子系统及子系统中的各个要素关系到公共交通系统的效率，因此对其中的理论 ， 模型及算法进行深入的研究是非常必要的。而且，城市公共交通的有效运行还取决于其 子系统间的关系。下面我们分析一下城市公共交通系统中各要素的内部联系。 1 3 1 2 系统内部联系 要真正解决城市公共交通问题，必须了解系统内部各要素之间的联系，认识系统运 行的规律。从系统工程的角度看，城市公共交通系统的本质特征包括以下几个方面【5 】： ( 1 ) 相关性。作为城市公共交通系统的组成要素，各个子系统都有其独立的内在构成 方式和运行机制，但各要素的独立机能只能统一和协调于系统的整体之中，它们之间相 互联系、相互依存、相互制约。以公交线路网为例，它由若干条公交线路和站点组成。 大连理工大学博士学位论文 但是，公交线路网的要高效运转，并不完全取决于它本身，还取决于线路的发车频率以 及实时调度等要素的运行条件和水平。例如，一条线路的客流非常稀少，但是却设计了 非常高的发车频率，必然由于空载率较高而导致线路的效率较低。 ( 2 ) 动态平衡性。城市公共交通系统供求关系总是处于不断运动、动态平衡之中。例 如，一条公交线路的客流量较大，比较拥挤，为了改善服务质量，运营者提高了发车频 率。增加线路发车频率改善了线路的拥挤情况，但是，其往往会被从其它线路或其他交 通方式吸引的客流量逐渐抵消，然后重新达到平衡。这种动态平衡性也可以称为自适应 性。 ( 3 ) 结构性。结构性是系统有机联系的反应。当系统的组成要素具有不同的结构形式 时，该系统就会产生不同的功能和效果。对城市公共交通系统而言，各子系统内部不同 的结构，是直接影响城市交通系统运行质量的重要因素。以公交线路网为例，两个同样 规模的线网，由于结构不同( 长线与短线的比例，重复系数的大小等) ，因而反映出的效 率也不同。 城市公共交通的有效运行取决于其内部诸要素的整合协同，运用系统工程理论和现 代先进技术，是提高公交系统的效率和交通资源的利用率，缓解城市交通紧张状况的有 效手段和方法。 。 1 3 2 计算智能理论及概念 城市公交系统的智能化主要表现在两个方面，一个是在运营管理中应用定位、通信 等高新技术：另一个是指通过一些先进的智能算法来提高优化、调度的智能程度。很多 学者对前一个方面已经进行了大量的研究【l ，本论文主要讨论智能算法在公共交通优 化中的应用。 这里首先介绍智能的概念。b e z d e k 将智能分为3 个层次【7 ，8 】：第1 个层次是生物智 能，它是人脑的物理化学过程反映出来的，人脑是智能的物质基础。它是对智能的产生、 形成和工作机理的直接研究，主要是生理学和心理学研究者所从事的工作；第2 个层次 是人工智能，是非生物的，研究始于1 9 5 6 年，主要目标是应用符号逻辑的方法模拟人 的问题求解、推理、学习等方面的能力；第3 个层次是计算智能，计算智能，广义的讲 就是借鉴仿生学思想，基于生物体系的生物进化、细胞免疫、神经细胞网络等某些机制， 用数学语言抽象描述的计算方法。是基于数值计算和结构演化的智能，是智能理论发展 的高级阶段。计算智能有着传统的人工智能无法比拟的优越性，它的最大特点就是不需 要建立问题本身的精确模型，非常适合于解决那些因为难以建立有效的形式化模型而用 传统的人工智能技术难以有效解决、甚至无法解决的问题。 1 9 9 4 年，关于模糊系统、人工神经网络、进化计算的3 个i e e e 国际学术会议在美 国奥兰多联合举行了首届计算智能世界大会【9 】。会议上，原本属于3 个不同学科的学者 城市公交系统模型与算法研究 们聚集在一起，进行了关于“计算智能：模仿生命”的专题讨论，计算智能技术的研究 由此被提升到一个前所未有的高度。计算智能的提出对促进人工智能领域中各种理论和 方法的集成，对推动人工智能的发展起到了非常重要的作用。 下面从计算智能的三个组成部分出发，研究计算智能的基本理论和概念i l o ： ( 1 ) 模糊系统：为了表示和处理现实世界中的许多不精确和不确定性，z a d e h 于1 9 6 5 年提出了模糊集合理论。在模糊集合中，集合的边界并不清晰，集合成员的资格也不是 肯定或否定，它采用隶属函数来描述现象差异的中间过渡，从而突破了古典集合中属于 或不属于的绝对关系。在模糊集合中，每个个体被分配一个值以表示它隶属于该集合的 程度，这个值反映的是该个体与模糊集合所表示的概念的相近似程度：隶属度越大，属于 该集合的程度也越大，反之亦然。模糊系统以模糊集合理论、模糊逻辑推理为基础，它 试图从一个较高的层次模拟人脑表示和求解不精确知识的能力。在模糊系统中，知识是 以规则的形式存储的，它采用一组模糊f t h e n 规则来描述对象的特性，并通过模糊逻 辑推理来完成对不确定性问题的求解。模糊系统善于描述利用学科领域的知识，具有较 强的推理能力】。近l o 多年来，模糊系统已被广泛地应用于专家系统、智能控制、故 障诊断等领域，并取得了一些令人振奋的成果。但它在模糊规则的自动提取及隶属函数 的自动生成等问题上还需要做进一步的研究。 ( 2 ) 人工神经网络：人工神经网络系统是由大量简单的处理单元，即神经元广泛地连 接而形成的复杂网络系统。在人工神经网络中，计算是通过数据在网络中的流动来完成 的。在数据的流动过程中，每个神经元从与其连接的神经元处接收输入数据流，对其进 行处理以后，再将结果以输出数据流的形式传送到与其连接的其它神经元中去。网络的 拓扑结构和各神经元之间的连接权值是由相应的学习算法来确定的。算法不断地调整网 络的结构和神经元之间的连接权值，一直到神经网络产生所需要的输出为止。通过这个 学习过程，人工神经网络可以不断地从环境中自动地获取知识，并将这些知识以网络结 构和连接权值的形式存储于网络之中。 人工神经网络具有良好的自学习、自适应和自组织能力，以及人规模并行、分布式 信息存储和处理等特点，这使得它非常适合于处理那些需要同时考虑多个因素的、不完 整的、不准确的信息处理问题。目前，人工神经网络已经受到学术界的高度重视，并在 众多领域得到了越来越广泛的应用。但应该看到，在神经网络的设计过程中，对各种参 数的设置及网络结构的确定等都带有很强的经验性，无完整的理论可循，其规模也远未 达到人脑所具有的上百亿个神经元的规模。而且，人工神经网络是基于脑模型的，它的 研究受到脑科学研究成果的限制，在没有对人脑的思维规律和认知过程有个清楚的了 解之前，很难真正实现对人脑的模拟。 ( 3 ) 进化计算：在几十亿年的进化过程中，自然界中的生物体己经形成了一种优化自 大连理工大学博士学位论文 身结构的内在机制，它们能够不断地从环境中学习，以适应不断变化的环境。进化计算 受这种自然界进化过程的启发，它从模拟自然界的生物进化过程入手，从基因的层次探 寻人类某些智能行为发展和进化的规律，以解决智能系统如何从环境中进行学习的问 题。 进化计算的理论基础是达尔文的迸化论，它是计算机科学和生物遗传学相互结合渗 透而形成的一种新的计算方法。进化计算采用简单的编码技术表示各种复杂的结构，并 通过对一组编码表示进行简单的遗传操作和优胜劣汰的自然选择策略来指导学习和确 定搜索方向。通过对群体进行复制、杂交和变异等遗传操作来进行学术研究。进化算法 可以在解空间的不同区域中对多个点进行搜索，它能以很大的概率找到全局最优解而不 易陷入局部最优情况。 进化算法对待求解问题本身一无所知，但只要给出了表示方案、适应函数、遗传算 子、控制参数、终止准则等内容，算法就可以按不依赖于问题本身的方式对未知空间进 行有效的搜索，最后找出问题的解。进化算法还具有简单、通用、稳健性强、适合于并 行处理等特点，及自组织、自适应、自学习等智能特性，己被成功地应用到那些难以用 传统的方法进行求解的复杂问题之中。特别是在系统识别、故障诊断、机器学习及神经 网络设计等领域，进化计算已经显示出它的魅力。然而，作为一个新的、跨学科的研究 课题，进化计算的理论研究还有待进一步完善，其中包括基础理论、编码机制、控制参 数的选择策略、收敛性分析等等。 先进的公共交通系统应该是一个智能系统，它需要具有记忆与思维能力、感知能力、 自适应能力和表达与决策能力等【6 1 。计算智能是使公共交通系统具备这些智能特性的最 佳途径，如何使计算智能完美的融合到公共交通中，是城市公共交通中的一个非常关键 的问题。 1 4 论文的研究内容 优先发展城市公共交通系统是世界各国公认的解决大、中城市交通问题的最佳途 径。城市公交系统是一个非常复杂的系统。定位、通信等高新技术在交通中的广泛应用 使公共交通智能化成为可能，这也成为了城市公交系统发展的主要方向。本论文以大连 市公交系统为工程背景，研究了蚁群算法、遗传算法以及支持向量机等智能算法在公共 交通规划和调度中的应用。城市公交系统是一个大系统，其相关的模型和方法都非常复 杂，为此，本论文引入了高性能计算来提高智能算法的优化质量和收敛速度。本论文的 主要内容如下： 第一章，绪论。该部分是论文的基础，论述我国城市公共交通的发展状况，明确公 共交通智能化战略的正确性与效率性，并提出将公共交通规划和调度阶段中的优化模型 城市公交系统模型与算法研究 和智能算法相结合的思路。 第二章，公交线路网优化研究。公交线路网是城市公共交通系统的根本和基础，其 设置得是否合理会直接影响乘客的出行时间、换乘以及系统运营成本。本章提出了以直 达客流密度最大为目标的公交线网优化模型。该模型综合考