校车管理正文.doc

引言1一、选题背景及意义21.1 国内外校车制度介绍21.2 国内校车的管理现状以及校车制度存在的问题21.2.1 国内校车的管理现状21.2.2 国内校车制度存在的问题31.3 本文的研究意义4二、以常州市某小学为例的校车现状分析42.1 该校校车的现状42.2 影响该校校车乘车点分布的因素分析42.2.1 学生家庭住址的影响42.2.2 学生选择上车位置的偏好52.2.3 单位人数上车时间的描述5三、校车路线的优化53.1 线路的优化理论53.1.1 双层规划53.1.2 遗传算法63.1.3 优化约束条件及假设83.2 模型的构建83.3 模型的求解113.3.1 已知参数常量初始化113.3.2 随机信息基本设置11关于校车线路的优化配置与研究 -以常州市某小学为例引言近年来，根据政府政策要求，农村小学的数量在大幅下降，已经有不少乡镇只保留镇中心小学。虽然这样做可以很好的集中师资力量、平衡农村与城镇学生的受教育水平，但是学生家庭与学校的距离却不是人为能够控制的，于是越来越多的学校为了保证生源，施行校车制度。就目前来看，校车在我国许多地方的已经成为一道亮丽的风景线，校车制度的施行给学生的上学放学带来了方便，也为父母解决了孩子上下学的安全问题。然而，由于受到种种因素的影响，它的安全还是十分令人担忧的。自2010年3月起，因为甘肃等地校车安全事故频发，引发了社会对校车安全的关注。2011年11月27日，温家宝国总理在第五次全国妇女儿童工作会议时指出，中国将制订校车安全条例。要通过中央、地方和社会各界共同努力，使校车成为学生安全的流动校舍，为孩子们建立起安全无忧的绿色通道。其实，校车安全在国际上早就引起高度重视。例如，美国校车的安全系数是小轿车和公共汽车的40倍，并拥有优先路权；英国、日本等国家也根据各自的情况，通过立法等手段，以避免不达标车辆上路和超载等问题发生。今天，这组从美英日发来的报道，详细论述了校车安全方面可资我们借鉴的经验和做法，希望能对有关部门有所帮助。一、选题背景及意义1.1 国内外校车制度介绍美国：校车坚固安全系数高且有优先权据美国校车委员会介绍早在1910年起，美国大约有30个州开始运作校车制度。在过去的一百年中，全美的校车运载了至少5亿名学生，同时，乘车上下学的12年制学校学生也占到了整个在校生总数的54%。 在美国，校车的安全系数是家庭轿车和公共汽车的40倍。校车事故发生率是所有交通工具中最低的，百万公里事故发生率仅为0.01，火车是0.04，飞机是0.06，其他公路车辆是0.96。如今全美每天有47500辆黄色校车奔驰在公路上；有2600万学生乘校车上学和回家；每天乘坐校车的学生为5000万人次；每天因参加课外活动乘校车的学生为500万人次。每年，校车行驶43亿英里，有110亿次学生旅行，并有220亿次学生上下车。每年每个学生花在校车上的费用为520美元。校车行业是美国少数几个为政府严格管制的行业。政府在这个行业中涉入极深，远远胜过其他行业，对该行业的立法也多过其他行业。美国的校车上有一个写着“STOP”的标志牌。对于整个美国社会来说，这是一个必须令行禁止的标志。当校车一到达目的地，司机就会将它显示出来，这时校车前后各25米的车辆要全部停下，甚至对面车道的车也要停下。如果在校车停下来之后，后面的车超越它行驶就是严重违章。美国的各个州早已经有了相应的交通法规，会对肇事者给予非常严厉的惩罚。校车在美国有优选通行权，所有车辆必须自觉避让，甚至总统的“座驾”也不能例外。中国：历经时间短，管理不完善在我国，校车制度只是在进入本世纪后才得到了较快的发展。然而在本世纪初的几年里，由于校车的状况较差、经济水平跟不上（许多农村的中小学、幼儿园普遍买不起车，农民也出不起这个钱，所以只能租车，如小面包车和三轮车）、驾驶员的素质不高、运营单位管理不善、国家政策不完善等原因，校车安全违法行为屡禁不止，校车事故又经常发生，其中还包括了一些重特大事故。政府面对这些事故所做的却只是简单地对相关部门的负责人进行问责，这远远不够，政府需要做的还有很多，我们需要从根本上改变这种状态，加强管理，保证每一个环节的安全才是真正的安全，学生也才有了真正的保障。1.2 国内校车的管理现状以及校车制度存在的问题1.2.1 国内校车的管理现状我国政府为了保障校车安全，防止和减少校车对孩子们造成伤害，提高了对校车安全问题的重视程度，纷纷通过各种方式、采取各种措施加强校车安全管理工作。根据校车安全条例，各级政府制定了具体的方案，例如：辽宁省针对校车运力不足的情况，将18所寄宿制的学校分别安排在周一至周日的不同时间休息；浙江省德清县的人大常委会在2011年9月通过了“校车享有优先便利通行的权利”的决议；山东各市更是出台了各色各样的方案，威海市微笑车减负，校车无需缴纳费用，税费可以缓缴，无棣为每名学生发放乘车卡、学生上车刷卡后系统就自动免费给家长手机发去提示信息。由此可见，地方政府为了响应中央政府号召、保障学生安全也是各出奇招。在管理思想方面，中央和地方政府颁布的一些相关规范性文件对此作了规定；在管理体制方面，国家对校车安全的管理基本上属于中小学幼儿园安全管理的范围，应遵循中小学幼儿园安全管理办法中有关中小学幼儿园安全管理体制的规定：各级教育、公安、司法行政、建设、交通、文化、卫生、工商、质检、新闻出版等部门在本级人民政府的领导下，依法履行学校周边治理和学校安全的监督与管理职责；在管理内容方面，根据相关立法和实践中的情况，国家对校车安全的管理当前主要包括对校车的安全技术管理、对校车的准入管理、对校车驾驶员的准入管理、对专业校车运营企业的准入管理、对校车运营活动的管理、对校车的路面交通管理、校车交通安全教育等；在管理措施方面，就中央政府而言，对校车安全的管理措施主要包括发布实施部门规章、发布实施技术性规范、相关职能部门的行政执法、对地方政府及其职能部门行政执法的监督等。其中，相关职能部门的行政执法主要表现为组织领导全国范围的校车集中整治或专项整治等活动。通过对中国校车制度现状的描述以及对思想、体制、内容、措施四方面问题的分析，不难看出我国目前的校车制度并不完善，在管理方面还存在着相当多的问题，接下来就对这些问题进行阐述。1.2.2 国内校车制度存在的问题 校车制度尚未得到足够重视：各级地方政府出台了许多关于加强校车管理的方案与文件，可是，这些文件的内容却并不是很具体，真正重视的才只是凤毛麟角而已。许多地方政府依旧把校车与普通车辆划等号，觉得只要是车就一样，有些地方甚至觉得校车是没有必要的。 缺少专门针对校车安全管理的思想：校车制度是从国外引进的，但是我们需要引进的不仅仅是学生需要校车这个想法，在我们学习别人的一些行为的同时，我们更加需要学的是人家如何将这些行为做到最好，安全管理的思想要落实在每一个环节。 尚未建立起合理、高效的校车安全管理体制：目前的国人心中依旧存在着“除了我份内的事，别人的事我不会做，也不能做，那样会被人说闲话”心态，这也是我国政府各机关的处事方式，虽然主张要独立行权，但是在某些方面是应该联合起来管理的，例如110、120以及119三线就合一了，这样对于市民来说利绝对大于弊，所以政府部门在校车管理方面应该建立合理、高效的安全体制。 校车安全管理内容存在一些缺失和问题：规定个学校应该严格按照法律执行校车制度，不得出现超载的情况，特别是对驾驶员的审核制度要严格。按照国家相关规定，校车应该是免费的，这对于财力雄厚的地区来说这是可以负担的，但是许多地方是不给予财力支持的，用运营资格进行招标，实行“社会运营”，这就相对带来了许多问题。 缺少系统的校车安全管理措施：由于校车增长速度之快，加之上述安全管理体制的限制，校车的安全管理措施是很难从全方位实施的。1.3 本文的研究意义现在很多学校为了招揽更多的生源，加上国家合并学校的政策，很多乡镇只设置了镇中心小学，并且在各村口配置了校车。学生乘坐校车本来是很安全的事情，家长也图的方便，但是近期频繁发生校车事故使得所有人对校车的安全产生疑虑，因此校车安全显得尤为重要。本文以常州市某小学为例，研究了该校的校车配置状况，并且运用数学方法对该校的校车配置路线进行优化，做到以最短总路径为目标的校车优化路线配置。二、以常州市某小学为例的校车现状分析2.1 该校校车的现状该校位于常州市的北部的一所乡镇中心小学，该校是新政策下的新型小学，即它是由该镇的所有乡村小学合并而成，于是问题就随之产生了。生源是来自镇上以及农村的，学生家住的有远近之分，学校为了确保生源就在几个定点的村口安排了校车，这样就形成了一个双赢的局面：家长不必为需要接送儿女上下学而愁苦，学校也因为家长满意学校的贴心的安排而保证了生源。该校目前有三个乘车点，三个乘车点之间还是有一定距离的，但是该校只有一辆校车，每天早上6:30之前必须已经到达事先安排好的其中某一个乘车点，而这个乘车点周围的学生的家长就必须在6:40之前将学生送到乘车点，否则就会错过校车。校车在接完这一站点的学生之后，就必须立即赶往下一个站点去接下一个站点的学生，这辆校车的核定载客量是52个人，目前所存在的问题是： 这辆校车的载客量是一定，三个乘车点的学生数量也是有差距的，因此先去哪个站点等候的时间短时规划时需要考虑的问题；三个乘车点只有一辆校车，这对于学校来说纵然是可以节约成本，但是对于学生来说却不是最方便的，先前的两个站点的学生需要起早赶时间，而如果遇上天气不好或者车辆中途出现故障，下一站点学生就无法按时到校，这会很大程度上影响教学质量的。2.2 影响该校校车乘车点分布的因素分析2.2.1 学生家庭住址的影响由于是在农村，村民居住的地点并不是那么集中，所以学校在安排校车乘车站点时不能只从学校考虑，更需要从学生方面考虑。需要考虑的分为两点：学生步行或者家长送达所需要的时间的长短；还有就是对于住在相邻站点之间的学生来讲，他们所要考虑的就是路况以及这两个站点校车分别抵达的时间。2.2.2 学生选择上车位置的偏好学生在进行乘车站点选择的时候，会对影响其作出决策的一些因素(如步行时间，对站点本身的喜恶以及车辆到达站点的时间等)有所衡量。而不同的学生可能会对这些因素有不同的偏好，在不同的偏好选择下乘车站点的最终结果可能也会不同。通过引入学生站点偏好概率从步行时间和校车到达站点的时间两方面对学生群的站点选择偏好进行研究。值越大，说明学生群在进行站点选择时越重视步行时间，而对车辆到达时间的关注程度较小。反之，说明学生群比较关注车辆的到达时间而对步行时间的关注次之。不同学生群在站点选择时对于步行时间和校车到达站点的时间偏好往往是不同的。因此，一般会随着学生群的不同而有所差异。2.2.3 单位人数上车时间的描述以往路径优化问题都是在假设单位乘客上车时间相同的情况下进行车辆总运行时间的计算。但是，在实际的运行过程中，乘客的上车时间与站点乘坐该车的总候车人数是相关的。而对于该小学而言，单位时间上车的人数也是需要关注的，因为校车数量是有限的，因此只有确保在固定的时间内达到最多的上车人数，这样才能保证现有的校车资源被充分使用。三、校车路线的优化3.1 线路的优化理论3.1.1 双层规划双层规划(Bilevel Programming)是在研究非平衡经济市场竞争时首先提出的。Bracken和Mcgill在1973年提出了双层规划数学模型。1977年，在Candler和Nonton的科学报告中，正式出现了双层规划和多层规划名词。从20世纪80年代起，双层规划开始引起大家的关注。双层规划的研究在数学规划领域里有了迅速的发展，现在已经成为一个新的运筹学分支。双层规划问题一般描述为；上层先给定一个决策，下层各子系统则以这个决策为参量，根据自己的目标在可能的范围内选定一个最优决策，并将自己的最佳反应反馈给上层，上层再在下层的最佳反应的基础上，在可能的范围内作出整体的最优决策。双层规划研究的是两个各具目标函数的决策者之间按有序和非合作方式进行的相互作用，上层决策者优先作出决策，下层决策者在上层决策信息下按自己的利益作出反应，由于一方的行为影响另一方的的策略选择和目标的实现，并且任何一方又不能完全控制另-方的选择行为，因此上层决策者要根据下层的反应做出符合自身利益的最终决策。双层规划问题的一个重要特点是可以应用在双层决策问题中，在两个层次上的决策者都有其各自的目标函数，在某种程度上，本层的决策空间是由另一层决定的。此外，本层上的决策者通过特定的方法和手段影响另一层的决策制定，从而达到优化其自身目标函数的目的。双层规划问题的另一个重要特点是决策变量的控制权分别属于各层的决策者，而在传统的单层规划中，决策者同时控制所有的决策变量。但在很多的实际决策过程中，对决策变量的控制和处理并不是同时进行的，而是采用自上而下的双层决策方法。在双层规划中，以优化自己的目标函数为目的的决策者在高层决策者事先确定决策变量值之后，对自己能控制的决策变量进行优化，以达到最优目的。双层规划比单层规划具有优势，包括能够明确建模表示顺序决策过程的能力，能够明确表示不同层次优化过程或不同决策系统之间的相互作用的能力3.1.2 遗传算法遗传算法（Genetic Algorithm）是一类借鉴生物界的进化规律（适者生存，优胜劣汰遗传机制）演化而来的随机化搜索方法。它是由美国的J.Holland教授1975年首先提出，其主要特点是直接对结构对象进行操作，不存在求导和函数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力；采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的规则。遗传算法的这些性质，已被人们广泛地应用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域。它是现代有关智能计算中的关键技术。 对于一个求函数最大值的优化问题(求函数最小值也类同)，一般可以描述为下列数学规划模型： 式中为决策变量，式3-1为目标函数式，式3-2、3-3为约束条件，是基本空间，是的子集。满足约束条件的解称为可行解，集合表示所有满足约束条件的解所组成的集合，称为可行解集合。 遗传算法的基本运算过程如下： 1)初始化:设置进化代数计数器，设置最大进化代数，随机生成个个体作为初始群体。 2)个体评价：计算群体中各个个体的适应度。 3)选择运算:将选择算子作用于群体。选择的目的是把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。选择操作是建立在群体中个体的适应度评估基础上的。 4)交叉运算；将交叉算子作用于群体。所谓交叉是指把两个父代个体的部分结构加以替换重组而生成新个体的操作。遗传算法中起核心作用的就是交叉算子。 5)变异运算：将变异算子作用于群体。即是对群体中的个体串的某些基因座上的基因值作变动。群体经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体。 6)终止条件判断:若,则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。遗传操作是模拟生物基因遗传的做法。在遗传算法中，通过编码组成初始群体后，遗传操作的任务就是对群体的个体按照它们对环境适应度(适应度评估)施加一定的操作，从而实现优胜劣汰的进化过程。从优化搜索的角度而言，遗传操作可使问题的解，一代又一代地优化，并逼进最优解。 遗传操作包括以下三个基本遗传算子(genetic operator):选择(selection)；交叉(crossover)；变异(mutation)。这三个遗传算子有如下特点：个体遗传算子的操作都是在随机扰动情况下进行的。因此，群体中个体向最优解迁移的规则是随机的。需要强调的是，这种随机化操作和传统的随机搜索方法是有区别的。遗传操作进行的高效有向的搜索而不是如一般随机搜索方法所进行的无向搜索。1）选择算子选择算子是决定父代种群中每个个体都以多大的可能性被遗传到下一代的进化操作，它模拟的是“优胜劣汰、适者生存”的自然进化原理。选择算子以对个体的适应度评价为基础，其主要作用是对GA 的搜索提供导向：挑选优秀个体，使算法避免无效搜索且能以较快的速度搜索到问题的最优解。2）交叉算子在生物的自然进化过程中，两个同源染色体通过交配重组，形成新的染色体，从而产生出新的个体或物种。模拟这种交配重组过程的进化操作即交叉算子。本文求解公交静态调度模型选择实值编码，表3-1中列出三种适用于实值编码的交叉算子。表3-1 交叉算子列表算子名称算子说明交叉1（线性重组）两个父染色体的所有基因位以相同的幅度 交叉，生成子代个体，每个基因位的取值为。交叉2（中间重组）中间重组与线性重组相似，只是每个基因位对应不同的幅度进行交叉。交叉3（离散重组）对父染色体的各个基因位进行等概率随机选择，生成子个体。3）变异算子变异算子独立地分别作用于种群上的每一个个体上，以某种概率方式生成变异后的个体。下表列出两种适用于实值编码的变异算子。表3-2 变异算子列表算子名称算子说明变异1（扰动变异）父染色体的各个基因位以不同的幅度变异，由变异为为0 到1 之间的随机数，对于父染色体的每一个基因位都要随机产生这样一个随机数。 分别为的左边界和右边界。为算子的可设置参数，根据实验分析可取0 到0.1之间的数。变异2（自适应变异）染色体的各个基因位以不同的幅度变异，由变异为其中，其中为演化代数，代表最大代数，的随机数，对于父染色体的每一个基因位都要随机产生这样一个随机数。遗传操作的效果和上述三个遗传算子所取的操作概率，编码方法，群体大小，初始群体以及适应度函数的设定密切相关。 遗传操作N确定实际问题参数集对参数集进行编码初始化群体P(t)评价群体满足停止规则结束产生新一代群体三个基本算子：1) 选择2) 交叉3) 变异1）位串解码的参数2）计算目标函数值3）函数值相适应值映射4）适应值调整Y图3.1 遗传算法的过程3.1.3 优化约束条件及假设双层规划的模型对于校车线路的研究可以分为单校车和多校车两种类型。单校车线路优化模型指的是只涉及一个服务学校且只拥有一辆校车；多校车线路优化模型指的是在一个服务区内拥有多个学校合营的多辆校车，在固定的时间内同一个乘车点有大于等于两辆校车经过。基于该学校目前的情况来看是属于单校车的优化模型，一方面该校的校车时间是固定的且只有一班。为了更方便于模型的建立，做出如下的有一些建设：学生可以有多个乘车的站点选择；学校将从一系列候选站点中选择停车站点并且安排行驶路径。其中，学生群分布情况、车辆总的候选站点、运输设备(车型，装载量等)、道路属性情况条件已知，并且假设学生不换车。决定校车应在哪些站点停车、校车经过这些站点的顺序以及学生群的乘车站点分配，使得(1)各站点的学生能准时到达学校；(2)学生对所花费的实际乘车时间满意；(3)运输总成本(包括站点建设固定成本和实际运输成本)经济合理。与一般校车路径优化问题所不同的是，这里通过双层规划模型充分考虑了学校与学生在作出决策时的互相影响机制。校车路径优化的目的是通过确定合适的站点，编制合理的校车行驶路径，进行校车优化调度，使校车运行既满足客户服务需求，又使运输总成本最小。本文主要从以下两个优化目标实现：(1)最小化校车运作成本(固定成本停车站点构建成本；变动成本车辆具体运行成本)：(2)最小化学生所花费的总步行时间成本。在模型构建前，首先对所研究的校车路径问题进行如下假设，使问题得到简化：1).同一个学生群选择偏好度相同；2).不需要考虑道路的状况，忽略车辆本身的性能问题；3).校车的数量以及车上的座位数量是一定的，且学生总人数小于单车容量，所有学生均可上车；4).不考虑校车从学校驶出到第一个站点的空行驶成本；5).只考虑运行和上车停滞成本以及站点建设成本，其他(如空驶成本，车辆固定成本等)不予考虑。3.2 模型的构建校车线路优化问题是一个涉及多方面利益和要求，是一个多目标、多约束的组合优化问题，其目标涉及到公平、效益、效果等多个方面。因此对于模型的构建需要构建两个具有明显目标函数的决策对象：进行站点选址及运行决策的学校和进行乘车站点决策的学生，因此可以将该问题看成一个(LeaderFollower)问题，其中学校是指导者(Leader)，学生是跟随者(Follower)。学校可以通过政策和管理来改变某个或者某几个停车站点的位置及由此导致的运输成本的变化，从而影响学生对乘车站点的选择，但不能控制他们的选择。学生则对乘车站点进行比较，根据自己的需求特点和行为习惯来选择乘车站点。因此，用双层规划模型来描述这种关系是适宜的，本文将针对单校车优化问题构建双层规划模型。为了使研究问题简化，本文将以早晨接学生到学校的问题为背景，假设每个学生群的选择偏好相同，在只考虑一辆校车情况下进行校车路径优化问题的双层规划模型构建。下面首先进行主要参数和变量的定义。已知参数：第i个站点； 车辆从站点i到j的行驶成本；学生群l到站点i的步行时间；学生l到站点i的步行时间成本；学生群l的人数； 车辆可选站点集合；学生群集合； 上车所消耗的单位停滞时间；校车从始点沿既定路径到达i所花费的行驶时间；学生群l在进行站点选择时的偏好概率；车辆在站点i的总上车人数所消耗的停滞时间；将候选站点i作为乘车点的单位运输次数所分摊的固定成本。决策变量：；。模型描述目标函数的：（1）车辆总运行成本最小(3-4)（2）乘客总步行时间最少 (3-5)约束条件 (3-6) (3-7) (3-8) (3-9) (3-10) (3-11) (3-12) (3-13)这是一个多目标的混合整数规划模型，其中和目标优先级分别为第一级、第二级。上层规划可以描述为学校确定合适的停车站点并据此安排行驶路径以使总成本最小(包括固定成本、变动成本和服务成本)。上层目标函数(3-4)是从学校的角度出发使总的运输成本、固定投资成本和学生服务成本最小。约束(3-6)保证至少有一个停车站点；约束(3-8)保证进入站点的车辆经上人后必须离开且保证一个站点只能驶向唯一的下一个站点；约束(3-9)表示从学校出发的车辆必须返回到学校：约束(3-7)(3-10)为变量的0-1束。下层规划描述了在多个停车站点存在的条件下，学生选择不同停车站点候车的分配模式。下层目标函数(3-5)是使每个学生群的乘车站点的选择时间成本最低。约束(3-11)确保任意学生群只能且必须选择一个站点乘车；约束(3-12)为变量的非负约束。需要说明的是，由式(3-4)可以看到，从学校角度来进行的对学生服务成本的衡量主要是以学生总的步行时间成本为标准。根据世行的研究报告可推出，上学出行的时间成本可以用如下公式表示：。在校车优化问题的一般模型中，各站点的学生乘车人数是既定的并且学生上车的所需要的平均时间也是固定不变的，优化决策主要是从学校的角度进行。而在实际情况中，学生对乘车站点有一定的选择权，并且学生在每一站点所花费的总的上车时间并不完全与学生人数成线性相关关系。本文校车优化问题的双层模型一方面对学生的上车时间函数进行了更符合实际的调整，另一方面则充分考虑了学生的自主选择性，即在