（系统工程专业论文）公交车辆实时监控系统设计及调度专家系统研究.pdf

中文摘要 中文摘要 近年来，智能公交调度的发展对传统的手工车辆调度提出了强有力的挑战。 先进的车辆监控系统使得公交的动态调度成为可能，基于实时监控数据的公交调 度专家系统将人工智能与调度作业结合在一起。对提高公交作业管理水平以及公 交客运智能化调度有着特殊重要的意义。 本文是以北京公交运营组织与调度指挥系统的课题为背景撰写的，主要实现 了公交车辆实时监控系统的设计，以及在实时监控系统支持下的公交调度专家系 统的研究。本文在公交实时调度相关理论研究的基础上，分析了公交车辆实时监 控系统的原理和总体结构，在此基础上，对系统方案进行了设计。通过分析软件 开发和运行中需要解决的关键技术难题，提出了消息转发控制算法与协议解析算 法；在专家系统理论研究的基础上，将面向对象技术引入专家系统的知识表示和 推理机制中，采用基于产生式规则的知识表示方法设计了知识库，基于案例推理 和规则推理的推理机制构建此调度专家系统的推理机。并对相关算法进行了研究。 最后，对系统进行了实现，并针对公交调度中出现的部分异常情况，给出了系统 应用的实例。 关键词：城市公共交通，动态调度，实时监控系统，专家系统 北京交通人学硕十学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n c eb u sd i s p a t c h i n gh a sb r o u g h tf o r w a r d f o r c e f u l c h a l l e n g et ot h et r a d i t i o nh a n d w o r kb u sd i s p a t c h i n g a d v a n c e dv e h i c l e m o n i t o r i n gs y s t e ml e a dd y n a m i cd i s p a t c h i n gb e c o m e st r u e ；t h eu n i o no fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ea n dt h ed i s p a t c h i n gi si no w i n gt ot h ed i s p a t c h i n ge x p e r ts y s t e mb a s e do n r e a l - t i m em o n i t o r i n gm e s s a g e t h o s et or a i s i n gp u b l i ct r a n s i ta s s i g n m e n tc o n t r o ll e v e l a n dp u b l i ct r a n s i tp a s s e n g e rt r a n s p o r ti n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o l l e rh a v ep e c u l i a ri m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rb a s e do nb e i j i n gp u b l i ct r a f f i cd i s p a t c h i n gs y s t e m ，i ti m p l e m e n t st h e d e s i g no fp u b l i ct r a f f i cm o n i t o rs y s t e ma n dr e s e a r c ho nd i s p a t c h i n ge x p e r ts y s t e m t h es y s t e mt o o kt h ea d v a n t a g e so fa c c u r a t ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g ya n dt h er e a l - t i m e d a t at r a n s f e r r e dc h a n n e l i tr e a l i z e dt h ei n t e l l i g e n tr e a l - t i m em o n i t o r i n g ，s c h e d u l i n ga n d m a n a g e m e n tb e t w e e nt h eb u s e sm a n a g e m e n tc e n t e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h er e s e a r c h s t a t u so fp u b l i ct r a f f i cd i s p a t c h i n gt h e o r y t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fp u b l i c t r a n s p o r tm o n i t o r i n gs y s t e ma n dd i s p a t c h i n ge x p e r ts y s t e ma l ea n a l y z e d a n do nt h e b a s i so fa n a l y s i s ，h a r d w a r ea n ds o t h v a r ed e s i g no ft h i ss y s t e mw e r ec o m p l e t e d a n d t h e n ，t h ek e yt e c h n o l o g yo fs y s t e md e v e l o p m e n ti sa n a l y z e d t h ea l g o r i t h mo fm e s s a g e r e l a ya n dp r o t o c o lr e s o l u t i o ni si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e k n o w l e d g eo ft h eb u sd i s p a t c h i n ga r e a ，w ed e s i g nt h ek n o w l e d g em o d e lo ft h eb u s d i s p a t c h i n ge x p e r ts y s t e m - - t h em o d e lo ft h ei n t e g r a t i o no fp r o d u c t i o nr u l ea n d o b j e c t o r i e n t e d m e a n w h i l ew ep u tf o r w a r dt h er e a s o n i n gm o d e lo ft h es y s t e ma n d r e l a t i n gr e a s o n i n gs t r a t e g yb a s e do nc b ra n dr b r f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o no ft h e s y s t e ma n ds a m ee x a m p l e sa lei n t r o d u c e d k e yw o r d s ： u r b a np u b l i ct r a n s p o r t ，d y n a m i cd i s p a t c h ，e x p e r ts y s t e m ，m o n i t o r i n g s y s t e m 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人学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通人学可以将学能论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采h j 影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供夯阅和借阅。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： 张j 4 琵诫 签字日期：耖jy 年纱月7 日 导师签名：膨 签字日期：沙咯年占月罗日 独创性卢明 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究1 ：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人学或其他教育机构的学位或证侈而使川过的材料。与我一同：l ：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。 学位论文作者签名：缎蝴 签字日期 沪矿年莎月7 日 8 3 致谢 本论文的工作是在我的导师王喜富教授的悉心指导下完成的，王喜富教授严 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。在此衷心感谢两年来 王喜富教授对我的关心和指导。 关伟教授在工作和学习等方面都给与我大力支持和帮助，对我的科研工作和 论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 马继辉老师、李保文老师对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，韩海民、陈鹏、张学伟、牛虎、肖倩等同学 对我论文研究工作都给予了热情帮助和中肯的建议，在此向他们表达我的感激之 情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后，感谢在百忙中审阅本文的专家和评委，谢谢你们。 绪论 1 绪论 1 1 论文研究背景 城市公共交通是城市重要的基础设施之一，是城市交通结构中的重要组成部 分，发展公共交通是对城市的正常运转、社会发展、经济繁荣、方便城市居民生 活起着全局和先导性的作用。城市公共交通系统是一个多目标、多层次、多因素 的复杂大系统，包括城市公共电汽车、城市轨道交通( 地铁、轻轨) 、出租汽车 以及轮渡等交通方式，本论文研究的对象是公共( 电) 汽车的运营调度与组织问 题。 北京作为我们国家的首都，随着近年来经济的飞速发展和城市化进程的逐步 推进，城市规模和人口数量迅速膨胀，导致交通问题同益尖锐。北京的汽车保有 量急剧上升，交通拥挤现象同趋严重，并且随之而来的环境质量下降、能源问题、 以及由于交通拥堵引起的时间成本浪费等问题严重困扰着首都健康可持续的发 展。北京市的机动车保有量近年来一直保持很高的增长速度，2 0 0 6 年北京市小汽 车增量超过4 0 万辆。2 0 0 7 年虽然增速有所降低，但仍以1 0 的较高速度增长。2 0 0 8 年年初北京市六环路以内区域的r 均出行总量已达到3 0 7 2 万人次，机动车保有量 达到3 1 3 万辆。相对于机动车的飞速增长，北京的道路建设则相对滞后。过去的 五年中，北京的城市道路增长了百分之三十，而机动车保有量却增长了一倍【5 】。城 市快速增长的机动车辆与相对滞后的城市道路建设无疑加剧了城市交通问题恶 化，同样我国其他大中城市的交通也面临着类似的问题，我国的城市交通面临着 前所未有的挑战。 要解决城市交通问题，必须大力发展公共交通。而建立先进的公共交通系统， 有利于提高道路通行能力和公交车辆的运营管理水平和运行效率。目前，美国、 日本、加拿大、英国、法国、韩国都投入了大量的人力和物力从事智能公共交通 系统的研究，在国际上处于领先地位，并且卓有成效。我国开始研究智能公共交 通系统的时间较晚，但是由于国家政策资金和技术的大力支持，这些都为智能公 共交通系统在我国的实施提供了有利条件。如今，我国智能交通系统的实施已经 初见成效。上海、北京等大城市已在部分线路上建成了公交车辆跟踪调度系统， 安装了电子站牌、车载g p s 定位设备，实现了对车辆的实时跟踪、定位，使得调 度过程有据可依，同时提高了车辆的运行正点率和服务水平，吸引了大量客流， 总的来讲，智能公共交通系统在各大城市的实施，收到良好的经济和社会效益。 北京交通人学硕十学位论文 然而，城市阿不断发展要求我们必须结合中国城市交通的实际状况，深入地研究 智能公共交通系统的关键理论和实施技术，这对扭转我国在这一领域的研究相对 于其它发达国家相对落后的局面，以及解决我国城市交通存在的实际问题有着重 要的科学价值和现实的意义。 本论文的课题来源于北京公交运营组织与调度指挥系统项目( p t d s ) ，北京 公交运营组织与调度指挥系统是北京市迎接2 0 0 8 年奥运会的重点项目之一。它是 为解决北京市公共交通目前存在的车辆情况不明，缺乏乘客信息，调度指挥只靠 经验，调度过程全靠手工操作，工作效率低下且应变能力差的状况而提出的。整 个系统采用卫星定位技术、无线通信技术、地理信息技术、计算机网络技术、人 工智能技术实现对公交车辆的实时监控和智能调度指挥。它为缓解首都同益严重 的交通堵塞和贯彻国家优先发展公共交通战略提供了强有力的技术支持，并为北 京2 0 0 8 年奥运会的顺利进行提供有力的交通保障。 1 2 课题研究意义 目前，从我国公交车辆运营调度管理的现状来看，目前只能做到“一线两调” 的首末站管理，即车队作为运营组织调度实体，车队统辖几条公交线路，每条线 路的首术站均设调度员，并按照行车计划对线路车辆进行调度【4 j 。这种传统的调度 方式存在明显的弊端： ( 1 ) 缺乏必要的信息与辅助处理手段，调度员不了解车辆、客流、道路的实 际情况，如车辆在中途各站是否准点、具体位置、是否有意外事故发生、道路是 否有阻塞、是否社会活动等。 ( 2 ) 实际调度工作中的指挥灵活性差、对突发事件应变能力差。 ( 3 ) 对调度人员的技能要求较高，调度质量因调度员的经验不同而不同。缺 乏智能的辅助决策机制。 a p t s ( 先进的公共交通系统，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 ) 的应用 很好地解决了以上传统的调度方式所带来的指挥灵活性差、应变能力差等问题。 a p t s 采用先进的全球卫星定位技术、无线数据通信技术、传感器技术、g p s 、g i s 、 g p r s 等技术【2 】，可以采集和处理动态信息，例如客流量、交通流量、车辆位置、 紧急事件等，使得调度者对于道路情况了如指掌，对于一些突发性事件可以采取 及时措施，另外，以上技术与计算机技术以及人工智能的结合，使得系统可以模 仿人类专家实时地提出调度方案，从而实现了公交的自动调度和指挥，保证车辆 的准点运行，从而达到提高公交服务水平的目的。 2 绪论 然而，为使公共交通智能化调度系统得以实施，实时数据采集与处理技术和 公共交通智能调度系统基本理论与技术是两个必须要解决的问题。实施智能公共 交通系统需要用到大量的静态和动态的信息。静态数据包括：公交站点间距，站 点的位置坐标、居民出行量，居民收入水平等。动态数据如：全球卫星定位系统 ( g p s ) 定位数据、地理信息系统( g i s ) 中电子地图上的矢量数据、客流量、动 态交通数据、站点间行程时间数据、公交车发车间隔等等。现如今，g p s 和g i s 技术已经日趋成熟，基本可以满足智能公共交通调度对于定位精度和与车辆运营 相关数据准确度的要求，而且随着电子技术和无线通信技术的发展，公交车辆与 调度终端的双向通信的可靠性是可以保证的。那么如何解决异常情况下的车辆调 度所需要的技术支持是本文需要关注的问题，即在依据行车计划的基础上，根据 道路车辆的实际运行情况进行实时调度的问题。这需要我们必须建立一个基于实 时数据的专家系统，它可以根据动态交通信息和车辆定位信息，提出有效的调度 方案。虽然我国在公交智能调度系统方面的研究已经有了一些进展，但是由于它 们缺乏对许多基础理论的深入研究，一般没有将动态交通状态信息和车辆定位信 息与辅助决策技术有效融合，使得目前系统智能化程度大大降低。因此，研究公 交实时调度专家系统，有利于提高我国公交企业的智能化水平，是我国智能公交 调度系统研究的一个急迫的任务。 1 3 国内外研究现状 从2 0 世纪9 0 年代开始，对于公交调度的研究和探索大都集中在两方面：一 方面是如何应用a p t s 理论及其相关技术来集成调度系统，实现公交系统的智能 化；另一方面是调度问题优化算法和近似算法的研究，然而将人工智能领域中非 常活跃的专家系统应用公交实时调度方面的研究少之又少，正是通过国内外学者 在这两方面的深入研究为公共交通系统的完善奠定了丰富和实践的基础，为本文 的公交车辆监控系统设计和实时调度专家系统研究提供了很好的思路。 1 3 1 国外研究现状 西方国家在2 0 世纪5 0 年代就己开始对公交调度问题进行深入系统的理论研 究。1 9 8 1 年，c e d 一6 l 和s t e m 给出一种以赤字方程为概念的方法，利用不同首末 站间的车辆空驶以减少整个公交系统的车辆总数；1 9 9 3 年英国的m a l a d yc a r e v 7 】 研究了车辆的非准点到站分布，以及不同发车间隔下乘客的到达分布，基于个体 3 北京交通人学硕十学位论文 对费用、出行时间等因素的考虑研究了时刻表的制定问题；1 9 9 5 年美国的a d a m s k i 哺j 等运用s i m u l i n k 仿真工具对处于准点控制、发车间隔控制、协同控制和随机控 制四种调度控制模式下的公交线路运营状况进行了仿真研究【9 】；1 9 9 8 年p a o l od e l l e s i t e 9 】等研究公交客运走廊上的调度优化模型，研究线路在不同的运营模式下的调 度优化问题； 在技术方面，国外研究的主要精力集中在计算机辅助公交运营方面。最具代 表性的为i t s 技术支持下的公交调度系统。公交调度系统应用g p s 、g i s 、a p c ( 乘客技术系统) 、通信系统等技术，使公交调度措施更为有效。s b o n o r a 、 o k u n i e f f l o 】论述了在车辆自动定位系统a v l 中应用g p s 等技术实现控制中心对公 交车辆的自动跟踪，并借助无限通信技术建立公交司机与控制中心调度员的通信 联系，保证了调度措施的及时实施。在车辆跟踪的基础上，借助公交实时位置及 状态信息，对公交车内到站显示、公交路口优先、车辆运营中途调度、行车计划 的修改、电子站牌等方面进行了开发。改善了乘客信息提供的准确性、实时性。 m a l t e dd e s s o u k y 【j 论述了三种自动车辆定位( a v l ) 装置：信标及里程表( s o ) 、 全球卫星定位系统( g p s ) 、无限导航( r a d i on a v i g a t i o n ) 在公交调度中的应用。 综上所述，国外在智能交通理论和技术方面都是比较领先的，成功的将最先 进的技术应用到了公交调度系统中，并且实施了区域调度，实现了公交和其他交 通方式的融合，综合枢纽换乘等比较先进的研究工作。为我国的智能交通的发展 起到了指导作用。 1 3 2 国内研究现状 随着国外先进设备的引进，我国一些大城市相继尝试将g p r s g i s 等新技术运 用于公交调度配车，如重庆市1 9 9 6 年开始将g i s 技术引入到公共交通管理中，研 究开发了“重庆市公共交通管理信息系统”；1 9 9 8 年3 月北京市公交总公司决定 开展“北京市公交总公司智能化调度系统总体方案设计及示范工程”项目，这是 我国第一个综合性公交i t s 项目：上海市1 9 9 9 年第一条应用g p s 技术进行调度管 理的公交线路9 8 1 路在浦东投入运行；杭州市是我国第一个将g p s 定位技术应用 到公交车辆调度管理中的城市。系统具备一定的车辆监控、管理和查询功能。系 统还具备在电子地图显示车辆运行状态的能力，并且有报警以及运行车辆到达时 刻站台显示等功能。 在理论研究方面，我国仍以公交线路调度为主： 于海滨论述了在实现智能调度系统中采用的调度模型，包括o d 矩阵模型、 实时控制模型、区间车模型。然后分析了实时智能调度需要用到的调度算法，确 4 绪论 定了智能调度系统必须采用定性到定量集成的方法，重点在于综合、集成、协调 和创新。李跃鹏【l8 】运用遗传算法，为公交智能调度寻求最优排班方案；北京理工 大学的曹全新等，运用多目标规划方法建立了公交车辆配置模型，并且生成了可 实现计算机仿真的算法。耿金花【l5 】综合考虑乘客和公交公司两方面的利益因素， 将一天划分为几个时段，建立了一个分时段等间隔的公交优化调度模型。引入乘 客总的等车时间和公交公司总的发车车次两个目标函数，通过一定的转化加权， 将两个目标函数合并为一个单目标函数。并且提出了利用遗传算法来解决公交调 度问题。根据公交的实际情况设计出了适合该问题求解的具体算法。并给出了算 法的实现。盖凌云l l6 】使用动态规划的方法建立优化模型，对所需车辆趟数及所需 车辆数进行了估计，得到一个工作日的车辆趟数和车辆数的范围，用d a t a f i t 软件 拟合出上、下行路线各站从吣时间总的上、下车人数随时间变化曲线，并建立模 型，给出较为理想的调度优化结果。李煌化【1 。7 】根据乘客到站的密度、下车密度、 线路站间运行时间、车载容量、高低峰平均候车时问，确定该线路所需配车数量 以及发车频率。 综上所述，我国的智能公交的研究起步比较晚，无论在理论研究还是在技术 应用上都和国外的水平有一定的差距。同时由于我国的特殊国情，我国的公交智 能化又不能完全照搬国外的模式，我国的公交调度模式主要以线路调度为主，所 以我国的研究主要集中在线路调度方面的优化。所以我国的公交调度研究水平与 国外还有很大的差距，还处于起步的阶段。 1 4 论文主要的研究内容 结合目前北京公交的运营现状和存在的问题，依托于北京公交运营组织与调 度指挥系统( p t d s ) 的项目开发，本文计划从理论分析、算法研究、应用系统构 建与实现几个方面对公交车辆监控系统和调度专家系统进行系统化研究，各章研 究的主要内容如图1 1 所示： 第一章绪论。阐述公交实时监控系统和调度专家系统在先进的公共交通系统 ( a p t s ) 的作用，对于提高智能公交交通系统的智能化水平、改善我国公交事业 的管理水平和交通状况有着现实意义。分析公交调度专家系统的国内外的发展现 状的同时，指出结合我国的交通状况发展智能公交的意义。并给出了本文的结构 框架。 第二章公交实时调度相关理论概述。此部分论述了公交实时调度的基本原 理，公交常见异常的分类、针对不同异常的调度方法和实时调度处理异常的基本 5 北京交通人学硕十学位论文 第一。绪论 土 第二公交实时调度相关理论概述 上 第三公交车辆实时监控系统分析研打 上 第四公交调度专家系统分析研扫 上 i 第五公交车辆实时监控系统的设计及相关算法研扫 上 第六+ 公交调度专家系统的设计及相关算法研打 上 第七 系统的实现与应用实例 上 第八“总结与展望 图卜1 论文结构 f i g l 一1t h es t r u c t u r eo ft h i sp a p e r 流程。 第三章公交车辆实时监控系统分析研究。分析了车辆监控系统的原理与所用 技术，研究了公交调度的分布式系统架构。 第四章公交调度专家系统分析研究。介绍了专家系统的基本概念与原理，面 向对象技术的引入及其在专家系统的知识表示和推理机制中的应用。 第五章公交车辆实时监控系统的设计及其相关算法研究。针对公交调度系统 的特点，对系统的网络结构、各个子模块进行了分析与设计，之后并对相关算法 进行了研究。 第六章公交调度专家系统的设计及相关算法研究。分析了面向对象的公交调 度专家系统的知识表示和推理机制，采用基于产生式规则知识表示方法设计了知 识库。采用基于案例和规则复合推理的推理机制构建此调度专家系统的推理机。 并对相关算法进行了研究。 第七章系统的实现与应用实例。针对公交调度中出现的部分异常，给出了系 6 绪论 统应用的实例。 第八章总结与展望。对论文的研究工作进行了总结，提出了本文研究的结论， 并对进一步研究进行了展望。 1 5 本章小结 城市公共交通是城市重要的基础设施之一，是城市交通结构中的重要组成部 分，发展公共交通是关系国计民生的社会公益事业，在城市公共交通中公交车辆 的调度问题对提高公交运营水平，缓解交通压力有着不言而喻的重要作用，促进 公共交通的智能化、现代化、信息化是当前一个迫切需要解决的问题。同时国家 也对大力发展公共交通事业给予了大力的政策上的支持。随着北京奥运会的临近， 为解决奥运交通问题而启动的北京公交运营组织与调度指挥系统( p t d s ) 进入了 试运行阶段，本文作者在项目中参与了调度系统的开发，在此基础上撰写了本论 文。 本章进行了国内外公交调度系统的研究综述，在此基础上分析了我国建设先 进的公交调度系统的必要性与意义。结合我国公交调度系统的实际情况，确定了 论文的研究结构，提出了论文的研究起点和主要研究内容。 7 公交实时调度相关理论概述 2 公交实时调度相关理论概述 2 1 公交实时调度理论 根据我国目前i t s 的发展阶段来看，现在正处于研究公共交通系统改善方法 及交通信息化的阶段。我国大多数城市公共客运系统尚未引入先进的高新技术， 基本上还是采用“定点发车、两头卡点”的手工作业的调度方式，导致公交车辆 的行车间隔不均匀等问题，时常出现“串车”、“大间隔”现象，严重影响了公交 客运的服务质量。尤其是缺乏现代通信手段，调度人员无法实时了解运营车辆情 况，难以及时有效地采取调度措施。公交车辆调度处于“看不见 、“摸不着 的 落后状况，具有较大的盲目性和滞后性。因此，对公共交通系统运营调度管理的 智能化研究非常必要，利用先进的通信技术，在实现公交实时调度的情况下，可 以提高城市公共交通运营的管理水平，改善城市交通拥挤状况。 2 1 1 公交实时调度的概念 公交车辆调度是在运行线路的行车现场，调度人员为了使运营车辆运行与客 流变化相适应，根据行车组织实施方案( 如行车作业计划) ，直接对运营车辆及 有关人员下达调度指令的一系列活动。调度的目的根据行车计划方案以及运营线 路的现场的客流信息等各类信息，组织、指挥、调节、监督整个车队的运行，充 分利用车辆的运载能力，保证运行活动的j 下常运行，完成企业既定的目标。简单 的讲就是：充分合理地利用所有资源，获得经济和社会效益最大化的过程。 现场调度可以分为两种：静态调度和动态调度。静态调度是指行车计划的安 排，又称为原始调度。公交公司根据线路的客流规律、线路的运行条件、企业的 运输能力和公交企业的社会效益、经济效益的指标编制为乘客服务的行车时刻表。 通过执行行车计划表，将分散的各个车组纳入计划运行轨道，使公共交通线路运 行工作有计划、有节奏地进行。动态调度是指根据路况情况和突发事件，在原行 车计划基础上进行调整。 虽然行车计划是公交调度中最根本的依据，是静态调度一次性全局优化的最 优解，而静态调度是在假设公交车辆运行环境是一成不变的情况下进行，无法反 映和适应动态多变的道路环境。首先：在运营调度过程中，行车计划是根据以前 的经验而制定的，在实际运行过程中，推导行车计划的前提条件与实际运营情况 出入较大；其次，在实际的公交车辆运营中，突发事件、交通事故时有发生，行 9 北京交通人学硕十学位论文 车计划最终失去了最优性。虽然在理论上存在利用静态调度方法重新生成行车计 划存在可能性，但是静态调度一般需要较长的计算时间，而且实际的运行环境处 在不断的变化过程中，存在诸多的不可测和不确定的因素，重新生成的行车计划 很有可能失去意义。因此实时的动态调度将是本文重点讨论的内容。 2 1 2 车辆调度形式 车辆调度形式，是指营运调度措施计划中采取的运输组织形式。基本上有两 种分类：一是按车辆工作时间的长短与类型，二是按车辆运行和停站时间分类。 ( 1 ) 按车辆工作时间的长短与类型可分为：j 下班车、加班车、夜班车； j 下班车：主要指车辆在同问运营连续工作，相当于两个工作班的一种基本调 度形式，所以又称为双班车、大班车。 加班车：指车辆仅在某种情况下，在某段营业时间上工作，并且每同内工作 累计工作时间相当于一个工作班的一种辅助调度形式，所以又称为单班车。 夜班车：指车辆在夜间上线工作的一种调度形式。一般城市夜间客运量不大 的线路，夜班车的车辆连续工作时间不足一个工作班，因此常与同间加班车相兼 组织运营，只有夜问客运量较大的线路，夜班车连续工作时间相当于一个工作班。 ( 2 ) 按车辆运行和停站时间可分为：全乘车、区间车、快车、定班车、跨线 车h 1 ； 全乘车：指车辆从线路起点发车直到终点站止，必须在沿线固定停车站依次 停靠，按规定时间到达有关站点并驶满全程的一种基本调度形式，因此又称慢车。 区问车：指车辆仅行驶线路某一客流量的高路段或高区段的一种辅助调度形 式。 快车：是为适应沿线长乘距乘车需要，采取的一种越站快速运行的专线调度 形式，包括大站( 快) 车和直达( 快) 车两种。 定班车：是为接送有关单位职工上下班或学生上下学而组织的一种专线调度 形式。车辆可按定时间、定线路、定班次和定站点的原则进行运输。 跨线车：是为平衡相邻线路之间客流负荷，减少乘客转乘而组织的一种跨线 运行的调度形式。 实践表明，上述调度形式，对平衡车辆及线路负荷，改善拥挤，提高运输生 产率和运输服务质量以及促进客运发展都发挥了积极作用。 l o 公交实时调度相关理论概述 2 1 3 公交调度常见异常 在公交的实时调度中，针对不同的异常情况信息进行分类，可用方便我们进 行系统的分析与设计。根据北京公交运营调度管理手册的规定，在公交调度中涉 及的异常问题有1 1 个，这1 1 类问题基本能够覆盖所有的公交车辆运行管理中出现 的异常问题，在进行系统开发时可以根据这1 1 类问题的定义，为我们系统丌发中 的异常捕获提供参考h 1 。 ( 1 ) 车辆事故 ( 2 ) 车辆故障 ( 3 ) 车辆调出 ( 4 ) 司售人员迟到 ( 5 ) 无司机、无售票 ( 6 ) 个别车辆晚点 ( 7 ) 服务纠纷 ( 8 ) 串车 ( 9 ) 乘客滞留 ( 1 0 ) 线路严重堵塞 ( 1 1 ) 客流量变化 2 2 公交实时调度方法 公交线路的调度人员在遇到影响行车时刻表正常实施的上述异常问题后，必 须及时处理，采取相应的临时调度措施，最大限度的消除突发问题对线路运行所 造成的影响，以弥补可能出现的损失。 2 2 1 动态实时调度的基本处理方法 在公交动态调度中要求线路调度员不仅要了解本线路各时组、各站点的客流 动态，熟悉本线路行车时刻表及道路设施和通行能力，还要备有遇到特殊情况时 的多种临时调度方法，从而在遇到特殊情况时，可根据车辆晚点时间的多少、同 时到站的车辆数、出现大间隔的时问等，果断及时地采取方法，保证公交车辆行 车间隔的均衡。临时调度方法主要包括h 1 ： ( 1 ) 报保养公司组织抢修，使抢修车在最短时间到达事故及故障车辆地点。 ( 2 ) 调整行车顺序。调整前后车的发车时间，适用于车辆出现故障、司售人 北京交通人学硕十学位论文 员迟到、个别车组晚点等，在同常调度中较常见。 ( 3 ) 调整行车间隔。调整有关车次的发车时间。发现有的班次不能准时到达 首战( 或术站) ，或因个别车辆故障、调出或劳动力不足等因素，使计划的车辆 数和行车间隔不能保证时，可采取在所少车次之前( 或大的行车间隔之前) 的班 次推迟发车时间，在所少车次之后( 或大的行车间隔之后) 的班次提前发车时间 的办法，使行车问隔比较均匀，维持线路j 下常运行。因客流量增加需要加车时， 同样也要调点。调点是日常调度中最常用的方法，适应频繁的塞车、公交车不能 准时到站的情况。 ( 4 ) 调整中途站停站次数。包括三方面，一是空车发出中途载客( 放车) ， 在线路出现较大行车间隔，若干车辆同时到站，必须将其中部分车辆在本站不载 客发出。用放车的调度方法迅速疏散车辆，尽快恢复线路中途的计划行车间隔， 均衡中途各站待运乘客的候车时间，避免行车间隔过大，车辆堆积现象循环出现。 二是本站载客越站停车，车辆晚点、多车到站时，可采取将其中部分车辆在本站 载客、临近数站不停车的办法。三是临时大站快车，将班车改为中途上下乘客较 多的大站停车，可以疏敞客流，缩短车辆行驶时间。 ( 5 ) 调整车辆行驶区段( 区间车) 。缩短车辆在本线路行驶的里程，在线路 的某个区段开行区间车，可以缩短车辆的全程行驶时间。可指定一辆车或几辆车 改全程行驶为在部分区段间行驶。 ( 6 ) 安排机动车。机动车的安排包括两方面：一是根据客流的规律预先在某 地待命，需要时加入；二是临时加入机动车，根据车流情况，安排行驶路线，使 机动车能在最短时间内投入线路的运行，对于缓解客流高峰起重要作用。 ( 7 ) 改变车辆行驶路线。如果原线路中有的路段进行市政施工或举行某重大 活动，需要长期占用时，就必须采取改变车辆行驶线路的措施。 ( 8 ) 临时拟定行车计划。受客观条件的影响，车辆数和车辆的到达、发车时 间与行车时刻表要求差距过大，这时根据实有车数、单程行驶时间、停站时间、 客流量，计算出行车间隔，临时拟定行车计划。调度方法有：班车、快车、直达 车、区问车、跨线车、机动车等，通过这些方法逐步调整，力争不影响司售人员 交接班的时间和末班车前的班次。 ( 9 ) 分段行驶。如果重大活动或市政施工等影响到公交线路时，就要把整条 线路分成若干路段，不同车辆分区段行驶。 ( 1 0 ) 缩线。缩短车辆行驶路线，以对应市政施工。 ( 1 1 ) 放大行车问隔。 ( 1 2 ) 延长单程点。要求车辆在途中低速行驶，延长车辆单程行驶时间，这种 措施主要用于特殊的天气条件下。 1 2 公交实时调度相关理论概述 ( 1 3 ) 改变行车计划。行车计划有春夏秋冬、平时、周末、节假同、特殊天气 等行车时刻表，根据不同情况需选用不同的行车计划。 以上调度措施是同常调度中采用的临时调度措施。有些措施几乎每天都能用 到，当然也有个别措施只有在特殊条件下才能涉及。 车辆在运行过程中所遇到的问题当中的个别车组晚点、线路出现大间隔、若 干车辆同时到达终点站、线路客流量大、线路客流量小等问题必须随时进行处理， 而其它问题如车辆事故、车辆故障、车辆调出、司售人员迟到、劳动力不足、线 路严重堵塞、重大活动、特殊气候、道路施工、断线、绕行、全线停驶、紧急情 况等需要根据一些调度预案进行调度。与此相对应，调度方法中的有些方法如改 变调整行车顺序、改变车辆行驶路线、临时拟定行车计划、分段行驶、断线、延 长单程点、报保养公司组织抢修等，不能完全由相应的模型来决定而是由调度人 员的经验和调度预案来确定，而其它调度方法包括调整行车间隔、调整中途站停 站次数、调整车辆行驶区段、安排机动车、放大行车间隔等，则可以建立模型进 行优化，求出最优的调度方案。 2 2 2 动态实时调度的基本处理流程 公交车辆运营调度问题十分复杂，有许多因素难以准确地进行预测估计和建 模分析。因此建立在数学模型基础上的调度算法都只是在原调度问题的某种近似。 公交车辆的实时调度是根据调度系统参数及路况信息，行车计划和动态信息，适 当地修改初始调度，使得其变化对后续运营调度的影响达到最小。换句话讲，就 是要寻找一个动态变化条件下，对初始调度跟踪最好的新调度。因此这需要一个 动态维护调度的过程。动态调度的过程主要有四个环节：信息采集、信息处理、 调度方案生成、调度方案执行如图2 1 所示。 信息采集 上 信息处理 上 调度方案生成 j 调度方案执行 图2 - 1 动态调皮的过程 f i 9 2 1t h ew o r k f l o wo fd y n a m i cd is p a t c h 1 3 j 匕京交通人学硕十学位论文 实时调度专家专家系统由于应用领域、功能和规模的不同，体系结构与传统 的专家系统存在较大差异。首先，公交实时调度系统需要获取在线公交运营信息， 主要通过车载信息设备获取车辆运营的车辆定位信息( 经纬度、时间、速度、方 位等) 和车辆状态信息( 车辆线路号、车号、上下车人数、司机工号以及车辆状 态短信息如道路阻塞、车辆故障、交通事故、服务纠纷等) 。所以，信息采集是 公交实时调度专家系统的必须拥有组成部分之一。其次，公交车辆监控系统必须 具备特征识别的能力和信息处理能力。通过车载设备获得的车辆定位信息和车辆 状态信息需要转化为系统能够处理的信息格式。在对问题特征识别处理分类后， 系统对相应的问题进行处理，从而减少了推理知识的搜索范围，提高了专家系统 的推理效率。 2 3 本章小结 本章介绍了公交实时调度的相关理论，公交的调度方式分为静念调度和动态 调度，静态调度是在假设公交车辆运行环境是一成不变的情况下进行，无法反映 和适应动态多变的道路环境。动念调度是指根据路况情况和突发事件，在原行车 计划基础上进行调整。在现代化的智能调度系统中，凭借先进的i t s 技术可用实现 车辆信息的实时监控，调度平台可实时获得车辆的异常信息，之后可用使用动态 调度中常用的处理方法对行车计划进行调整，从而实现动态调度。但是由于进行 动态调度对调度人员的业务素质要求较高，仅凭借公交现在的人员素质并不能很 好的实现动态调度的优化效果，所以就有必要在调度系统中引入专家系统来进行 辅助决策。 1 4 公交车辆实时监控系统分析研究 3 公交车辆实时监控系统分析研究 根据北京公交调度指挥系统的实际项目架构，本文将公交实时调度系统分成 两个模块：车辆监控系统和调度专家系统。其中公交车辆实时监控系统是整个调 度系统的信息平台，在车载信息采集系统的辅助下，调度人员可以通过车辆的实 时位置信息、短信息和通话的方式来获取车辆的运行状态。调度人员也可以通过 车辆监控g i s 系统对车辆的实时位置进行监控。下面就公交车辆监控的相关技术 进行分析研究。 3 1 车载定位模块分析 在车载定位系统中，主要涉及到两个模块g p s 和g p r s g s m ，这两个模块形 成了车载定位系统的核心，g p s 模块进行实时定位，g p r s g s m 模块进行实时数 据传输，下面就这两个模块的原理与功能进行说明。 ( 1 ) 定位模块 车载数机采集系统中的全球卫星定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，简称g p s ) 是具有全球性、全能性( 陆地、海洋、航空与航天) 、全天候优势的导航定位、定 时、测速系统。 近几年来由于电子技术的发展使g p s 接收机的造价大幅度下降，体积越来越 小，快速定位能力和抗遮蔽能力也有提高。同时随着计算机和网络技术的发展， 相关软硬件设备的性价比有大幅度的提高，使得建立高性价比的g p s 综合服务系 统成为可能。在交通管理中，将g p s 导航系统和g i s 电子地图、无线通信网络及 计算机车辆管理信息系统相结合，可以构建高质量的车辆监控系统。 ( 2 ) 通信模块 g s m 全名为：g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，中文为全球移动通 讯系统，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开 发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机 就能行遍全球。g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称， 是一种以全球手机系统( g s m ) 为基础的数据传输技术，可说是g s m 的延续。 g p r s 和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包( p a c k e t ) 式来传输，因此使 用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，所以也较为 便宜。 g p r s 与原有的g s m 比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显 北京交通人学硕+ 学位论文 的优势：更有效的利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据 传输；支持的数据传输的速率更高，理论峰值达1 1 5 k b p s ；计费方式更加灵活，可 以支持按照数据流量来进行计费；g p r s 还能支持在进行数据传输的同时进行语音 通话等等。正因为g p r s 有这么多优点，所以在无线数据传输领域的应用越来越 广泛，北京公交采购的车辆定位模块也应用了这项技术同时也保留了g s m 的功能， 可以在没有g p r s 信号的区域使用g s m 模块发送消息和进行通话，以保证车辆监 控的可靠性。 3 2 数据传输技术 数据传输系统是公交实时调度系统的核心内容之一，是数据转发中心与各移 动目标和车队监控客户端进行信息交换的纽带，其重要程度不言而喻。数据传输 系统的核心是基于c s 架构的实时通信系统，主要包括作为通信核心的数据转发 中心模块和车队监控客户端模块。涉及到的通信技术主要包括t c p i p 协议和 s o c k e t 套接字编程。 3 2 1t c p i p 协议 数据传输系统主要依靠的是无线网络和有线网路。其主要使用的技术包括 t c p i p 协议和s o c k e t 套接字编程。网络的核心技术就是t c p i p 协议。t c p i p 的主要用途是在两个进程问提供可靠的数据传送服务。其最大的优势是在于它对 底层的传输子网并没有统一的标准，只规定了接口。t c p i p 协议是一个为广域网 设计的标准协议套件。如图3 1 所示，该协议可以用一个分为四个层次的模型来描 述，包括应用层、传输层、网络层和网络接口层啪1 。 ( 1 ) 应用层：是t c p i p 协议模型的最高层，是一个用户进程与其它用户进 程之间进行信息交换、协同处理的协约。 ( 2 ) 传输层：是网络系统中一台主机到另一台主机间的数据传递协议。传输 层有两种协议：传输控制协议( t c p ) 和用户数据报协议( u d p ) 。 1 ) 传输控制协议( t c p ) ：为某些应用软件提供面向连接的、可靠的通信。这 些应用软件通常需要一次传送大量数据，或需要一个对方收到数据之后发出的通 知。 2 ) 用户数据报协议( u d p ) ：提供无连接通信，因此不保证数据包将送达接 收方。使用u d p 的应用软件一般一次只传送少量的数据。应用软件本身应具有保 1 6 公交车辆实时监控系统分析研究