（交通运输规划与管理专业论文）启发式公交网络设计方法.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 良好的公交网络设诗是提高城市公交客流分担率以及提高公交运输鼹 务水平的主要保障之一。公交优先的首要任务是面向用户的公交网络设计， 论文设计目标是建立用户出行成本最小的公交网络，其中出行成本以出行时 间度量。出行时间因素包括：在车时间、等车时间、换乘时间以及换乘惩罚。 在车时问和等车时间是公交网络中的主要时问因素，在车时间与网络形 态有关，等车时间与线路发车频率有关。提供较短在车时问的公交网络会导 致较长的等车时间，论文通过反馈过程协调在车时间与等车时间的关系，从 最小在车时闻、最大等车时间的初始网络开始，通过增加用户的在车时间、 减少等车时间，并引入反馈机制优化网络设计，从而达到减少用户总出行时 问的目的。 论文嗣时考虑了网络形态以及线路发车频率，给出了以用户出行时间最 小为秘标的公交网络设计方法( 非单一路线设计方法) 启发式公交网络 设计方法。该方法包括四个步骤：网络生成、网络分析、网络优化和站点设 置，随后引入反馈机制逐步优化网络设计。 网络生成产生在车时闻最小、直达率最高的公交初始网络；网络分析设 置线路发车频率并计算公交网络的评价指标值；网络优化通过改变网络物理 形态以减小用户总出行时闻；站点设置给出了公交始末站以及枢纽站的选址 方法。反馈机制优化网络直到不能再降低用户的总出行时间并且线路发车频 率收敛为l 。 实例计算表明，启发式公交阏络设计方法的结果在用户总出行时间最小 以及直达率指标方面优于其它方法的研究结果。 关键词：公交网络；在车时间；等车时间；换乘时间；换乘惩罚；启发 式方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s o p h i s t i c a t e dt r a n s i tn e t w o r kd e s i g nr e s u l ti nh i g h e rr a t i oo ft r a n s i tm o d e l s h a r ea n db e t t e rt r a n s p o r t a t i o ns e r v i c el e v e l t h em a i nt a s ko ft r a n s i tp f i o d 时i s d e s i g nt r a n s i tn e t w o r kf a c et ou s e r s ，n a m e l ym i n i m i z eu s e r st r a v e lc o s tw h i c h m e a s u r e db yt r a v e lt i m e t h et r a v e lt i m ei nt h et r a n s i tn e t w o r ki n e l u d ei n - v e h i c l e t r a v e lt i m e ，w a i t i n gt i m e t r a n s f e rt i m ea n dt r a n s f e rp e n a l t y t h em a i nt i m ec o m p o n e n t si nt h et r a n s i tn e t w o r ka r ei n - v e h i c l et r a v e lt i m e w h i c hr e l a t e dt on e t w o r kc o n f i g u r a t i o na n dw a i t i n gt i m ew h i c hr e l a t e dt o f r e q u e n c yo ne a c hr o u t e s i n c r e a s ei n v e h i c l et r a v e lt i m ew i l lr e s u l ti nw a i t i n g t i m ed e c r e a s e da n dd e c r e a s ei n - v e h i c l et r a v e lt i m ew i l lr e s u l ti nw a i t i n gt i m e i n c r e a s e d t h ee s s e n t i a lo f m i ss t u d yi ss t a r t sf r o mt h em i n i m u mi n v e h i c l et r a v e l t i m en e t w o r k a n dt h e ni n c r e a s ei n v e h i c l et 1 - a v e lw h i l ei td e c r e a s ew a i t i n gt i m e b vt h ef e e d b a c kp r o c e s st or e d u c eu s e rt o t a lt r a v e lt i m e t h i s s t u d yp r e s e n t sh e u r i s t i cm e t h o d o ft ra n s i tn e t w o r kd e s i g n ( h e m - t r a n di nb r i e f ) 、w h i c ha i mi sm i n i m i z e st o t a lt r a v e lt i m ef o rt r a n s i t n e t w o r k h e m t r a n dd e s i g nt r a n s i tn e t w o r kc o n f i g u r a t i o na n df r e q u e n c yo nt h e r o u t e ss y n c h r o n o u s l y h e m - t r a n dc o n s i s t s4p r o c e d u r e s ，w h i c hw e r en e t w o r kg e n e r a t ep r o c e d u r e m g pi nb r i e f ) 、n e t w o r ka n a l y s i sp r o c e d u r em a p ) 、n e t w o r ko p t i m a lp r o c e d u r e m o p ) a n dt r a n s i tt e r m i n a ls e t t i n g ( t t s ) a n daf e e d b a c km e c h a n i s mf o l l o w e d f o ro p t i m i z i n gn e t w o r k n g pi n i t i a l i z e st r a n s i tn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ，i nw h i c h t h ei n v e h i c l et r a v e lt i m ei sm i n i m a la n dd i r e c tr a t i oi sm a x i m a l ：n a ps e t st h e f r e q u e n c yo nr o u t e sa n dr e d u c en u m b e ro fr o u t e sb vo la s s i g n m e n ta n d c a l c u l a t e se v a l u a t ei n d e x e sa b o u tn e t w o r k ：f i n a l l y ：t o t a lt r a v e lt i m ed e c r e a s e d a n dp h y s i c a l c o n f i g u r a t i o nc h a n g e db vn o p ：g u i d e l i n e f o rt h el o c a t i o no f t e r m i n a l si sg i v e nb yt t s f e e d b a c km e c h a n i s mi sa p r o c e d u r eo fd i s t r i b u t et h e p a s s e n g e rf l o wa g a i na f t e rt h en e t w o r kp h y s i c sc o n f i g u r a t i o nc h a n g e du n t i lu s e r s t o t a lt r a v e lt i m et i n d e c r e a s e da n df r e q u e n c yc o n v e r g e n c e t h ee x a m p l ep r e s e n t st h er e s u l tb yh e m - t r a n di sm o r eo p t i m a lt h a l lo t h e r m e t h o di nt h em i n i m u mu s e r st o t a lt r a v e lt i m ea n dt h ed i r e c tr a t i o k e y w o r d s ：t r a n s i tn e t w o r k ；t i m ec o m p o n e n t s ，i n v e h i c l et r a v e lt i m e ， w a i t i n gt i m e ，t r a n s f e rt i m e ，t r a n s f e rp e n a l t y , h e u r i s t i ca l g o r i t h m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 不断增加的城市交通需求以及交通设施供应的矛盾产生了诸如交通拥 堵、停车困难以及环境恶化等城市交通问题，在没有新运输模式出现的情况 下，大力发展公共交通是解决这类问题的首要选择。 发展公共交通是对公众出行机动性最有效率的投资，因为城市生态环境 的改善、建设用地、运输成本、运输效率、燃料消耗等方面都比个体交通具 有更大的优势，其技术经济比较如表1 1 ；发展公共交通体现了社会公平， 因为收入的差异决定了大多数人的出行选择是公共交通，现有的道路资源应 该为大多数人服务而不是少数的个体交通。 表1 1 公共汽车与小汽车的技术经济比较 城市公共交通系统可以分为四大系统( 表1 2 ) ：快速大运量( m r t ) 公共交通系统、常规公共交通系统、辅助公共交通系统和特殊公共交通系统。 常规公交仍是将来长时间的选择。因为城市轨道交通建设投资高昂( 地 铁造价为4 8 亿元公里，轻轨造价为1 2 亿元公里) ，技术要求高、建设周 期长，国内大多数城市目前还不具备大规模建设轨道交通的经济实力。在这 种情况下，常规公共交通系统仍然占城市公交系统运输的主体部分，即使建 有完善轨道网络的城市也不能忽视常规公交的重要性，本文研究的公交系统 指地面常规公交系统中的公共汽车。 公共汽车运行在固定的线路上、这些线路依附于城市道路网，由起讫站 点及若干中途停靠点连接而成。若干公交线路组和成城市公交网络，合理的 公交线网布局可以提高运营效率、改善服务水平、方便居民出行。本文从用 户角度出发，以用户出行总时间为目标，给出了公交网络的启发式设计方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 1 ，2 1 国内研究现状 本文主要从理论研究和技术应用研究回顾我国国内公交网络研究现状， 其中理论研究主要是数学模型的建立以及求解方法；技术应用研究主要是公 交网络系统设计流程，其中包括了理论研究的成果，也包含了专家经验。 1 2 1 1 理论研究 林柏梁m ，等人以所有用户出行时间最小和公交网络的资金投入最小为费 用目标函数，考虑了起讫点站场的容量约束，重复线路约束等因素，建立了 公交网络非线性0 - 1 规划模型。 王志栋n 1 提出了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、公交经济效益最高的多目标公交优化模型，最终化 为单目标的优化模型求解。 刘清5 1 等人基于人工智能理论，采用启发式搜索算法，从每对端点搜索 出满足相关约束的备选线路，按照二进制理论将备选线路组合成若干优化网 络，然后评价比较确定最优。 杨超旧等人则用图论方法，给出了城市公交线网优化的图论模型。 高自友啪8 1 等提出了公交网络的连续平衡网络设计的双层规划模型和求 解算法，上层模型是一个网络规划问题，下层的模型实际上是一个公交网络 均衡配流问题。 张国伍。1 等在扩展f l o y d 福劳德算法的基础上，提出了公交线网的多条 最短路径算法。 目前，由于解决复杂模型的求解算法不断被提出或完善，如模拟退火法、 高级神经网络法、遗传算法等演化算法，已能较好的求解大规模复杂问题， 因此，近来研究中，数学模型在公交规划中的应用难点已不再是模型的求解， 而偏向于建模技术的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1 2 技术应用研究 城市公交网络系统设计研究具有代表性的有：专家经验法；“逐条布设、 优化成网”的规划方法和p s o 方法。 专家经验法调整线网的方法是在评价基础上的线网优化调整。通过设立 评价指标对现行公交网络的评价，在征求专家建议的基础上调整公交网络， 改善网络性能，达到优化目的，这种方法虽然提出优化的目标，但由于是人 工调整，无法进行整体优化，也无法考虑资金的最佳利用。 “逐条布设、优化成网”由王炜n m 等人提出，该方法在定线过程中，尽 量选取与客流走向一致的线路方向。通过采取线路长度限制、线路运载能力 限制、复线数量约束等措施，基本上满足乘客量最大化、线路均匀分布、客 流均匀分布等优化目标，其流程如图1 - 1 所示。 韩印等人提出城市公交网络优化调整的p s o 方法。p s o 的基本含义 是预选( p r e d e t e r m i n a t i o n ) 、搜索( s e a r c h ) 、优化( o p t i m i z a t i o n ) 。该方法通 过人工选取线路，选取的线路满足线路客流的均匀分配、乘客的换乘次数、 公交线路的长度等约束，以平均出行距离最短、直达率最高、线网平均满载 率最高的目标。 上述模型和方法是我国的公交网络优化代表性方法，此类方法能优化部 分公交线路，但对于多条线路组成且线路之间互相影响的公交网络却没有系 统研究，对于各线路之间的内在联系没有清楚的表述。 1 2 2 国外研究现状 国外对公交网络的研究主要可以分成两类。第一，按照研究的范围可分 为宏观研究和微观研究。微观研究主要对象是单一线路，其目标是确定路线 的走向、站点的优化设置、优化发车频率等：宏观尺度的则研究并不专注于 站点的设置以及每条线路上网络参数的确定，更多的是分析了公交线路之间 的相互关系，确定公交网络的整体布局形态。第二，按照研究路线的规模可 以分为单一路线研究、多路线研究和公交网络研究。 1 2 2 1 单一线路研究 单一线路的研究属于微观的研究。其研究对象主要是线路的合理长度、 合理的站间距、站点的优化设置、发车频率和运行速度等因素。 r l c r e i g h t o n 等建立了确定快速公交线路最优路线长度的模型。该模型 将公交线路的长度看成是旅客密度、运作成本和建设成本等因素的函数。 v r v u c h i c 等以出行时间最小、满座率最高和运做成本最低为目标，应 用动态规划算法，确定了线路最优站点数量以及站间距离( 约5 0 0 m ) 。 s k i k u c h i 和v r v u c h i c n ”分析了单一公交线路上运行时的最优停车次 数和最优停车策略，最后给出了3 种参考停车策略一站站停车、响应需求 停车和跨站停车。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 h d u f o u r d 和mg e n d r e a u “”等利用禁忌搜索启发式算法求解了地铁或快 速公交等大容量公交系统的线路设置问题，其目标是为更多的客流服务。 1 2 2 2 多线路研究 多线路研究属于宏观尺度的研究，其研究方向有两个，第一多运输模式 下线路之间的相互关系，另一类则是同一运输走廊中多线路的相互关系。 r b d i a l 开发了公交路线搜索算法，事实上它是一个路线选择和分配模 型。在给定o d 需求量下，该模型可以预测多模式的运输系统中各条线路的 客流量。但是该方法只限于分析现有线路面不能用于线路设计。 s c w i r a s i n g h e 、v e h u r d l e 和g e n e w e u “”建立了铁路和接驳公交协 调运输系统。其研究目标是最小化广义成本( 系统运作成本和用户成本) ， 重点是确定铁路和接驳公交三大关联参数：接驳公交的服务范围、接驳枢纽 站的站间距和列车车头时距。 l n s p a s o v i e 和p m s c h o n f e l d “”分析了从c b d 到市郊的多线路公交运 输系统。其研究目标是最小化广义成本( 系统运作成本和用户成本) ，同时 得到线路长度、线路之间的距离、车头时距、站间距的最优解。 1 2 2 3 公交网络设计 i b u sr o u t ea n ds c h e d u l ep l a n n i n gg u i d e l i n e s ) ) “”以美国和加拿大等城市 为经验，描述了公交网络规划方法，该报告也作为公交网络指导性文件应用 于很多城市中。 p g f u r t h 。e b d a y , 和j p a t t a n u c c i “”把公交网络规划分为4 个层次，包括： 确定公交服务走廊、确定局部服务区、确定快速直达服务地区、详细路线设 计。但是他们的方法仅适用于放射状道路布局城市的公交网络设计。 伴随着计算机图形技术的发展，尤其是g i s 的应用为城市空间数据分析 提供了很好的手段。很多公交规划中都采用了计算机图形技术及g i s 来辅助 规划，这些工具为公交规划的可视化以及网络特征分析提供了很好的手段。 1 2 2 4 公交网络集成研究 公交网络设计的三大参数是线路布设、发车频率和运营车型，由于同时 考虑这三大参数非常复杂，很多研究者都是它们分开研究，然而事实表明， 这三者之间有很强的依赖关系，分开研究往往会更大程度的偏离最优解。 a c e d e r “”将公交网络设计的三大参数分开研究，确定了公交规划的4 个基本步骤，如图卜2 ，其中每一步的输出都是下一步的输入。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 输入乘客o d 矩阵及道路嘲结构i ，j 确定公交线网优化的日标系统 按客流量确定拟设线路条数 n 及起讫点站 特殊地区起讫点站要求输入 确定各起讫点对之间的最短路权矩阵 辨识各起讫点对之间的最短路线 即确定备选线路( n 知条) 计算各备选线路的直达客流量 确定最大直达客流量所对应的 起讫点对( i ，j ) 按最短路线向设公交线路i j 线路i j 上形式时间复线修正 线路断面新增加流量计算 线路总流量计算 线路运输能力计算 确定每一o d 量的留剩量 确定线路i j 的运送乘客o d 量 线路断面流量存储 乘客o d 矩阵修正 起点号集，终点号集中除 去本线路的起讫点i ，j 最后一起讫点对? y e s 公交客流网络交通分配 确定每条公交线路的实际断曲流量 断面流量方向均匀性榆验 断面流量分布均匀性榆验 路段停靠能力检验 公交路嗍局部调整 输出规划的公交线网 图1 - 1 逐条布线，优化成网流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 j o h nc r e a “”强调了线路与频率组合设计的重要性。因为，对于小汽车 来说，由于交通需求的增加造成交通拥堵，从而使小汽车的出行时间增加； 然而，对于公共交通，当交通需求增加时，为了满足增加的交通需求必须提 高服务频率，从而导致乘客的等车时间减少，所以出行时间随着交通需求的 增加反而减少。在r e a 的研究中，假设用户选择最短路径出行，采用o 一1 分 配法。在第一次交通分配之后，每条路线上的公交出行流量和发车频率都会 发生改变，用户也可能会改变出行路线，所以还必须修正交通分配。反复进 行0 - 1 分配直到每段弧上的出行时间和流量稳定不变为止。 d i e kh a s s e l s t r o m 在公交网络规划方面作了深入的研究。他致力研究将 三大参数统一设定的公交网络优化设计问题。在给定费用、运作成本等约束 下，建立了最大化消费剩余为且标的双层优化模型。求解方法是首先排除用 户不会选择出行的路段减小网络规模，然后用剩下的路段建立初始线路集 合，最后又通过一个线性规划模型为公交网络的线路设置发车频率。 h a s s e l s t r o m 的研究提供了非常广泛和有价值的应用，但是同时求解其数学模 型十分复杂，需要对现实问题给出很多的简化和假设，也因其复杂性，所以 模型求解算法需要规划者和计算机交互工作，因此确定一定条件下居民出行 的公交路线和发车频率的计算很费时间。 a c e d e r 和n h m w i l s o n 拉”把公交网络规划分成5 个规划步骤，这五个 步骤包括：第一个步骤是公交网络设计、第二个步骤是频率设置、第三个步 骤是公交车时刻表设置、第四步骤是公交行车时刻安排、第五层是驾驶员工 作时刻安排。该规划过程能够很好的表示公交服务过程。在进一步规划中， 采用了双层规划方法设计公交网络，其中第一层次是考虑乘客因素，第二层 次考虑了乘客和公交运作这者之间的博弈关系。 b a a j 和m a h m a s s a n i 啪采用3 阶段法设计网络。主要包括：( 1 ) 路线生 成算法；( 2 ) 公交网络分析；( 3 ) 网络改善。在路线生成算法中，基于需求 矩阵和规划者的知识生成不同的路线集合。路线分析过程主要是检验生成的 公交网络的换乘次数和出行时间( 包括乘车时间、候车时间、换成时间和总 出行时间) 。最后一阶段的路线改进算法主要是通过合并、分离和改变支线 等方法改善路线。b 她i 和m a h n m s s a n i 的研究中首先产生了路线的可行集， 接着是交通分配，这种配流过程比r e a 和h a s s e l s t r o m 的研究更接近事实。 虽然规划过程运用了网络设计者的丰富知识，并且第三阶段的路线改进对第 一阶段产生的网络的确有所改进，但是无疑初始路线生成过程是十分重要 的，只有生成了很好的初始路线，才能得到更接近于目标的结果。 i s r a e l i 和c e d e r 例考虑了用户出行时间最优和运作约束条件建立了公交 网络的多目标规划模型，该模型首先创立所有的可行路线，然后采用路线长 度、路线出行时问等约束排除不符合条件的线路。在他们的研究中，服务频 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 率是满足最大断面流量需求的最小发车频率。i s r a e l i 和c e d e r 的模型是非线 性混合整数规划问题，要产生可行路线需要复杂的程序并且花费很长的计算 时间。 y j l e e 和v r v u c h i e 认为，在总需求固定的情况下，公交出行的需求 是有弹性的，这种弹性表现在公交用户可能会选择小汽车出行或者小汽车用 户可能会选择公交出行。他们建立了基于总出行时间最小的数学模型，并且 采用启发式算法把路线设计和发车频率组合考虑，最后进行灵敏度分析，得 出了出行时间最小化的公交网络并且进行了灵敏度分析。 输入构成输出 政策约束 道路环境约秉 出行需求分配 公交线路 公夺时捌害桂。_ 需求服务永平、 适时交通需求分配协调到发时间 一 1 玉 车辆时刻表 驾驶员名录，资历 g - 驾驶员时刻表 图l - 2 九c e d e r 公交规划步骤 。爱爨蜷fj蚺 。# ，甘忌、f，辞幡键牺卿叫蠖眯好篷铸蝈僻赫旧嚣i|蛊器普忙姑 牛 。勰 器鑫袢，静爨议匾，营舒心画 琏* 骶求 舡螓，密餐 磕求副糕硪 铸榧锹 乳孙弪n一 墨盎袢，路爨删叵，蛰螂侧围 齄辚埝求 静曝，蛰鼎 驻求剥粼蚺 错榷议回 孵鑫粹，静曝删匠，瀣繇删回 鹱秭蚺匿 静臻，蛰螺 口呈一事il譬量 _ 【a 6 i 驻畚刮糕蛾 辚幅锹 嘲船茁魍删 酉。蛐舵砩旷 6 l 器盎爿乍，静爨馊匾，藩繇删凰 鐾* 抵求 糌爨，蟹繇 髓求刹粼榆 餐框嫂匣 廛营双l 罂盎特，静嚣删回，蟹繇披匿 琏* 氯求 静骚，蟹搿 酲求到糕掩 错柜锹 始蘸敲漂 _8兽事ooqou o m _ l go扫一譬甓z _ 【m 一 匿拳粹，静骚艘匠，蟹螺删匿 罄锑骶隶 静曝，留蝌 髓求副糕精 * 崾艘回 重茁双l 2dii一一百t0口；q a & 一 器鑫粹，静爨删匿，留鼎删匦 琏并龄娘 静爨，留妪 阻隶静粼特 餐崾删凰 旺瓤双l h 四k 战一一拦击葺着h蛊 器塞并，静爨删匿，留婿删叵 黠错媳求 静臻，蛰繇 驻求刹粼辞 错椎嫂凰 。 p 囡 骘鑫井，静爨璎凰，密鼎删叵 瑶* 埝隶 瓣爨，蟹骶 硅焱剥糕 篑曜删凰 星莒双l 2目暑g壹旨骞 寸卜西一 n 卜小_ 【 剥称妹警 燃椒篷错 阍锹撒锥 船求嘲双 飓筹错雠 嚣叮晕s 枢世 躁叮 ；僻嫂肇蠼捉+t鄢辨匿似冬n；懈 西南交通大学硕士论文第9 页 1 3 研究内容与方法 1 3 1 概念界定 公交网络设计研究常常被抽象成图的形式，因此首先定义本文使用专用 名词的含义： 弧( l i n k ) ：弧是抽象的公交网络中两个节点之间的部分。 线路( r o u t e ) ：线路是由一系列弧组成。线路形态构成了公交线路由规 划确定的，是固定的，通常在一条路线上有相对的两个开行方向。一条线路 的影响区域就是一条走廊。 路径( p a t h ) ：路径代表了用户出行时选择的线路集合，如果一条路径存 在多条线路，那么线路的交汇处就是换乘点。 走廊( c o r r i d o r ) ：走廊是围绕公交路线形成的一个想象的区域，公交走 廊里面的需求将采用走廊里面的线路出行。一般一条走廊中仅存在一条线路。 如图卜3 所示公交网络组成元素之间的关系。表示了由两条路线，两个 走廊，以及一条出行路径。 1 3 2 层次划分 节点 路线1 路线2 路径 图1 3 公交网络组成元素之间的关系 城市交通规划步骤主要按照“四阶段法”进行。即交通生成、交通分布、 方式划分、交通分配。图1 - 4 表示城市交通规划四阶段法的流程。 西南交通大学硕士论文第l o 页 图1 - 4 城市交通规划4 阶段法 城市公交网络规划分为4 个层次，首先是按照城市的地理条件以及经济 辐射范围确定公交服务区域；其次是依据客流需求特征确定网络形态；再次 是交通小区内公交站点设置：最后是布设运营线路。如图1 - 5 所示。其中第 2 层属于宏观层次的规划，它为微观层次( 第3 、第4 层次) 的规划提供了 非常有用的网络基础形态。 本文研究范围是第2 层次，属于公交网络形态的规划，其规划内容并不 涉及到第3 层次的站点选择和第4 层次的运营线路规划，因此在论文中的时 间将不考虑到达时间和离去时问，如图1 _ 6 所示。 本文中提到的节点是交通小区的质心，弧段是小区质心之间的连线，发 车频率是交通小区之间需求的总频率。 西南交通大学硕士论文第l l 页 终点 公 交 莲 行 距 离 起点 i第1 层 l确定服务区域 i j l 确溢廊 j i第3 层 i 站点选择 l i l第4 层 l线路规划 l 图i - 5 公交网络设计层次 f 小胖笋问司 到站 乘车离开i 时问 时间时闻j ，一 i ，o h ， ，l ，赞且蚰 ， ， 一 ， 小汽车| ，公交车， ，。二 ，广换乘站 ，：研究时间 ， ，+ 一：非研究时问 少+ 戡蛄 到站等车乘车换乘等车乘车 离开 时间时同时问时间时间 时间 一 公交运行时间 一 图1 - 6 公交车与小汽车的出行时间构成比较 终点 小 汽 生 出 行 距 离 起点 西南交通大学硕士论文第1 2 页 1 3 3 论文内容 本论文详细分析了公交网络中与时间相关的各种因素之间的关系并且 给出了一种新的启发式公交网络设计方法，论文内容共分为7 部分。 第l 章，绪论。介绍了论文研究意义、国内外研究现状以及研究的方法。 第2 章，设计方法综述。介绍了公交网络特点，详细分析了公交网络相 关要素之间的关系，提出了设计思想并概要描述了设计步骤。 第3 章，网络生成。首先回顾了公交网络生成算法的现状，然后描述了 本文的公交网络生成思想与详细流程。 第4 章，网络分析。确定了网络分析的两个主要任务一设定发车频率 和网络性能评价，并给出了其主要方法。 第5 章，网络优化与站点设置。给出了稳定网络的优化过程和网络形成 后公交站点的枢纽站点的选择与设置方法。 第6 章，实例。运用本方法对实例网络进行计算，将本研究结果与以往 研究成果的性能评价指标比较，确定了本研究的可行性。 最后是结论。总结了论文的研究过程以及成果，分析了本研究与传统研 究的区别，指出了将要进行进一步研究的问题。 图1 7 论文结构 西南交通大学硕士论文第t 3 页 第2 章设计方法综述 2 1 公交网络特点 公交网络中出行时间的组成非常复杂，包括在车时间、等车时间、换乘 时间、换乘惩罚等时间因素，而各种时间对于用户路线选择的影响不一样。 为了规划高效的公交网络，必须考虑公交网络的如下特性： 第一，路线固定。私人交通可以自由选择线路出行，而公交用户必须按 照公交系统确定的线路出行，即使这种线路并不能提供直达服务。 第二，需要等车。每条线路的公交服务都有时刻表，即存在发车频率， 用户必须在车站等候才能乘车，由此会产生等车时间。 第三，公交存在到达时间和离去时间。到达时间是用户从出发点到第一 个公交出行站点，离去时间是从最后一个站点到达目的地。 第四，换乘。考虑运营方的情况，公交系统不可能为所有的o d 对问提 供直达的服务，因此必定会存在换乘，而换乘会带来额外的到达时间、等车 时间以及对顾客心理的影响( 称为换乘惩罚) 。 尤其是路线和发车频率，分别决定了公交系统中两个最重要的时间 在车时间和等车时间，在公交规划中必须重点考虑。以往的研究大都把线路 设计与发车频率的设置分开考虑，但是事实上发车频率和线路之间互相依 赖，独立的研究有可能失去公交网络系统的优化形态。同时，从系统工程角 度考虑，单一线路的优化并不表示公交网络是优化的，因此公交网络设计应 该从网络角度出发，详细分析线路之间的相互关系。 2 2 相关要素分析 从系统的角度进行公交网络优化，首先必须清楚发车频率与公交线路必 须同时确定，其次是网络优化和单一线路优化的区别，进行公交网络优化， 首先必须对公交网络中要素之间的关系清楚的认识。 2 2 1 线路与发车频率 公交线路和发车频率是公交网络中互相联系的两个主要目标。要同时考 虑这两个目标的实现十分困难，因此许多学者在研究时都是先设计路线再确 定频率。但是该过程没有考虑发车频率对于用户线路选择行为的影响。显然， 西南交通大学硕士论文第1 4 页 当发车频率改变会改变用户的等车时间，那么用户就有可能选择其他线路出 行，那么流量就会从新分配，而从新分配的流量又将影响线路的发车频率。 因此，线路和发车频率不能分开研究，应该统一起来。图2 1 为线路和发车 频率统一研究的示意图，在传统的网络设计方法上加入了“反馈”过程。 图2 - 1 公交网络设计关系图 如图2 - 1 所示：站点位置设置决定了到离站时间，发车频率决定了等车 时间，线路设计决定了在车时间和换乘状况，所有时间因素与费用共同影响 交通分配，从而影响到每条公交线路的流量，公交流量又将影响发车频率和 线路形态，因此发车频率与线路形态存在耦合关系，不能单独研究。图中虚 线部分不在本轮文研究之内。 2 2 2 网络优化与单线路优化 在公交路线规划过程中，对单一线路优化研究的方法比较成熟，但是单 一线路的优化结果不能得到网络优化。将发车频率引入网络设计，能得到相 对优化的公交网络，图2 2 给出了单线路优化与网络优化的区别。对于a c 西南交通大学硕士论文第1 5 页 和b c 之间的公交用户，路线a c 和b - c 是在车时间最小的优化线路，属于 单线路优化，而线路b a c 是网络优化的结果。虽然b c 之间的用户在车 时间增加了5 m i n ，但是线路发车频率增加减少了系统用户的等车时间，因此 出行总时间由于线路的绕行反而减少了。 7 m i l l 容量：5 0 人库 t t t ：总出行时间 图2 - 2 单一路线优化与网络优化对比 2 2 3 在车时间与等车时间 公交网络中，在车时间由线路形态决定；等车时间由线路发车频率决定。 公交总出行时间主要由在车时间和等车时间构成。研究表明，随着线路绕行 度的增加，在车时间的变化与等车时间的变化表现出相反的趋势。 由于公交车有发车有时间间隔，因此，用户到达公交站点不可避免的会 产生等车时间，b o w m a n & t u m q u i s t ( 1 9 6 5 ) 提出了等车时间的计算公式2 1 ， 至今仍被人们广泛采用： e ) = _ 1 1l l 扎，2 】 ( 式2 一1 ) 其中：暑( w ) 一期望等车时间 日平均车头时距； c 一车头时距协变参数。 如图2 - 3 ，假设区域a r e a 中只采用一种车型，任意两个点之间的客流需 求强度是常数：d 。= p ， 西南交通大学硕士论文第1 6 页 图2 - 3 公交线路示意图 ( 1 ) 连续型。如图2 - 3 ( a ) ：断面x 处的需求为： g ) = f p 出+ ( ，一茗) ( f p 出) = 一彤2 + p q + 1 ) x ； 因此，当了：掣时，公交线路断面客流需求最大值为 一厂g ) ：伴卜。 对于连续型的需求，当绕行增加时( ，变大) ，在车时间增加，断面需求 ，0 ) 增加，公交运营者需要增加发车频率，从而公交车车头时距变小，按照 公式2 1 ，用户等车时间减小。 ( 2 ) 离散型。如图2 3 ( b ) ：断面x 处的需求为： ，扛) = ( x 一1 ) 尹+ ( 一x 妇一1 ) - p = 一p x 2 + p ( + 2 ) x p ( n + 1 ) 因舻辟。淼一一 m a x f ( x ) = 防p 。 西南交通大学硕士论文第1 7 页 车头时距小，按照公式2 1 ，用户等车时间减小。 由于等车时间与在车时间的大小以及它们相对于绕行度的变化率不能 清除描述，因此，在车时间与等车时间的概念关系表述成如图2 4 所示的3 种关系。 绕行度( d e g r e eo fc i r c u i t y ，d o c ) 表示附加的时间或空间距离。如果 所有节点之间由最短路连接，那么d o c = o ，此时，线路数量大，运营成本 高，单条线路的客流需求少，公交服务水平差；当合理增加绕行度时，可以 减少线路数量，增加单条线路的客流需求，使更多用户向公交线路集中。 d o c 有两种，一种是空间绕行度( 非直线系数) ，以空间几何距离的非 直线性来度量，计算公式为： d 4 一d h d o c = 二= = 坦1 0 0 ( 式2 1 ) d 品。 其中：d “点，到点t 的实际路线长度； 谚二，点8 到点t 的最短路线长度。 另一种绕行度称为是时间绕行度，它不但反映了空问几何距离的非直线 性，也把出行时间因素_ 换乘时间和换乘惩罚包含在内，计算公式为： d ：! ：二! 琏2 叠竺1 0 0 ( 式2 - 2 ) s h a r t e 蚵 其中：t “点s 到点t 的实际路线在车时间。 瑶，点s 到点t 的最短路线运行时间； 。衙点j 到点t 的最短路线换乘时间； p 点s 到点t 的最短路线换乘惩罚。 因为本文主要从时间角度来研究公交网络，而空间绕行度不能反映换乘 时间、换乘惩罚等因素，因此本文选用时间绕行程度作为研究对象。 从时间角度考虑，本研究的初始网络具有“在车时间小，等车时间大” 的特点。如果满足： ( 1 ) 在车时间一等车时间0 ，则考虑采用相关优化方法调整d o c ； ( 2 ) 在车时间一等车时间 e o ，表示该路径比原最优路 径更佳，记下该路径为当前最优公交线路，并令e - - e o ，转s t e p 2 。 s t e p 4 ：如果节点在该路径中已经存在或路径长度已超过路线长度约束， 转s t e p 2 。 s t e p 5 ：令s = d ，转s t e p 2 西南交通大学硕士论文第3 0 页 3 1 2 。3 国外研究方法总结 从大量的国外文献发现，线路生成主要由3 部分组成：线路主干骨架生 成；路线主干骨架扩展；最后是终止条件判吲2 5 1 。 线路主干结构生成主要有3 个步骤：首先，通过确定规划服务区域内的 最少公交线路数量( m ) ；其次，依次选择在公交网络中交通需求高的前2 m 个节点：最后，节点配对。为了提供更多的直达服务，应依次选择需求最高 的起讫点配对，然后通过最短路算法连接配对节点形成路线主干结构。 线路主干结构扩展主要方法为：在主干结构上按照一定的规则选择插入 节点，把路线主干结构扩展为完备的公交线路。该过程会增加线路的长度， 同时也会为更多的用户提供服务。 终止条件判断是线路生成的最后步骤，当生成的公交线路满足了系统服 务需求和覆盖率水平等条件之后就可以终止线路生成过程。否则，应该继续 选取公交起讫点配对生成线路。线路生成的流程图如图3 2 表示。假设已知 公交需求矩阵、服务地区公交站点之间的网络连接和一些参数，线路生成的 步骤概述如下： s t e p l ：设置公交线路的初始集合，b r i ，； s t e p 2 ：按照降序的方法将o d 对中的站点两两配对，形成分类节点对 ( s n p ) 表单； s t e p 3 ：假设s n p 中的分类节点对为n ( 可行公交始末站点对) ，并从 s n p 中移去。如果n s f ，那么供给频率就是实际的发车频率，在此情况 下，公交运营商提供的运输能力不能满足公交用户出行需求，所以，应该增 加车队的大小以提供更大的发车频率满足用户行需求，直到达到理想状态 d f = s f 。从用户需求出发，只有提供满足用户需求的服务，才是公交优先 的基本保障，因此，本研究采用需求频率作为研究对象，见4 1 2 。当确定 了发车频率后，就能确定所有的时间信息，如图4 - 6 所示。 l 搜索线路| 的最大断面流量 口峪 纠 上 i 线路| j 的发车频率：九纠= 吒衄。】c 印口 l i 线路后的车头时距；h e a d w a y k = 6 0 f k 上 i 平均候车时间： 胛= h e a d w a y k 2 4 2 网络性能评价 图4 - 6 时间信息确定流程图 h e m - t r a n d 中网络性能评价主要内容有以下的内容： 1 ) 在车时间( i n - v e h i c l et r a v e lt i m e ，i v t t ) ： 在车时间反应组成公交线路的所有路段上走行时间之和。 2 ) 等车对闻( w a i tt i m e , w t ) ： 由于公交车有发车有时间间隔，因此，用户到达公交站点不可避免的会 产生等车时间，b o w m a n & t u m q u i s t l 9 6 5 年提出了等车时间的计算公式2 1 。 至今仍被人们广泛采用： 3 ) 换乘惩罚( t r a n s f e rp e n a l t y , t p ) ： 公交用户出行不可避免的存在换乘，一般要求规划网络中换乘次数最高 为2 次，超过3 次的换乘用户将不考虑，每次换乘会对用户线路选择产生一 西南交通大学硕士论文第4 6 页 定的影响，在本文研究中，这种换乘影响将以时间值度量，见表4 1 。 4 ) 总出行时间( t o t a l t r a v e lt i m e , t t t ) ： 总出行时间为各条线路在车时间、等车时间换乘时间以及换乘惩罚之 和。其计算公式如：式4 - 2 式4 _ 4 。 5 ) 路线数量( t h en u m b e ro fr o u