考虑运行能效的公交区域时刻表优化研究

陈浩

摘要：为了确保公交区域时刻表运行效能明显提高，本文首先介绍了公交区域时刻表优化研究相关内容，其次分析了完整的双层规划模型，最后对模型求解内容进行论述，希望能给同行带来一定帮助。

关键词：运行效能；公交区域；时刻表；优化研究

引言

近年来，当地政府与交通运输管理部门紧密联系，运用先进的科学技术构建完整的城市公交运行系统，科研人员不断探索，采用多元管控措施将区域公交时刻表优化工作深入分析，全面满足乘客出行需求。与此同时，管理人员妥善利用随机客流与时刻表之间的关系，科学合理地对不同线路的公交车辆资源进行调配，有效提升城市公交系统的管理水平。

1.公交区域时刻表优化研究相关内容

1.1优化研究工作的主要意义

区域公交运营组织与管理模式下的发车间隔设置问题和时刻表编制一直是社会普遍关注的问题，对其进行科学合理的规划，可以确保当地政府公共交通企业及乘客获得诸多利益。一般情况下，针对政府部门而言，对城市交通运营管理系统进行改进可以改善交通拥挤现象，减少交通意外事故发生的概率；其次，对于公共交通企业来说，管理人员对区域公交运营组织模式下的发车间隔设置问题和时刻表统一安排后，可以清晰合理的对内部资源进行配置，在节省大量人力物力的基础上，帮助企业创造更多经济效益；最后，城市居民可在较短时间内到达出行的目地，在切身感受到良好的交通运营环境后，广大人民群众会纷纷选择低碳、环保的公交出行方式。

1.2时刻优化表与随机客流需求互动关系

（1）公共时刻表运行能效

公益性是公共交通服务的主要特征之一，如果管理人员将系统运营成本过分缩减，就达不到预设的运营效果。可以通过企业与乘客形成的社会效益进一步对公共运行能效进行综合探究，依照公交运营模式的社会公益性特征，平衡乘客波动效应与公交系统建设成本之间的关系，继而形成完整的运行时刻表，例如，公交企业投入的成本一般包含车辆累计折旧、驾驶员雇佣费、燃料（电力）消耗费及公交车辆采购成本等诸多内容，公交运营的产出主要看乘客出行的量与质，量是最明显的参数，而质是客流位移周转量的时间效率。兼顾公交乘客的量与质，可以更加全面客观地反映公交服务水平。

（2）互动关系分析

时刻表的编制主要是通过公交系统客流量完成的，乘客的候车时间与时刻表发车间隔、到发时刻存在着直接联系。对公交出行时间成本量化，可以进一步提升乘客的出行效率（乘客出行的质），通过公交系统运量和运能两者之间的联系，分析客流需求的质和量。例如，乘客乘坐公交系统的次数和频率及乘客公交出行的路径选择直接反映了当前公共服务的整体水平。此外，线路上客流的波动情况与时刻表运行方案的可行性有着密切联系，大多数乘客都会选择费用最少的乘车路线。在线路客流量逐渐增加的基础上，乘客出行费用最小的目的愈难实现，与此同时，一部分乘客也会根据实际的交通路况选择最佳的公共出行路径，在交通网络客流分布状态改变后，整体的出行费用也会随着客流量分布发生变化，加之乘客出行费用和客流量分布呈交替往复状态，当两者产生相应的平衡点即可。

2.建立完整的双层规划模型

2.1模型假设

模型构建人员应在周密分析的基础上，对主干线随机客流层、次干线随机客流层及支线随机客流层统一安排，多角度通过建立双层规划模型来呈现时刻表运行能效与随机客流需求之间的互动效果。首先，公交车站点用OD矩阵中的诸多点表示，提前获取各个层级的公交客流出行网换乘数据及实际的出行OD矩阵；其次，应确保乘客服从管理人员安排，均匀的分布在可控区域内；最后，在实际的优化研究工作中，应排除乘客滞留情况，确保所有公交主干、次干线路能按照运行时刻表发车且没有交通事故。

2.2上层时刻表运行能效模型

在能效模型建立之前，应处理好公共交通企业和乘客之间的波动情况，实际的公交区域时刻表运行能效优化模型如下[1]：

                  （1）

其中，区域公交时刻表运行能效优化值以表示，乘客候车时间成本以表示，将乘客换乘时间成本设定为，设定为乘客在车时间成本，与此同时，将乘客票款收入设定为，公交企业运营投入为H。

进一步了解后发现，公交车间隔时间会直接影响的变化，实际的计算公式[2]为：

                （2）

等式中，乘客出行时间费用系数主要是由候车时间决定的，公交车站集合以字母G表示，g代表公交线网中的第g个换乘车站，且，公交车站i与j间的第n条公交线路人数由表示，车站间路段总数为N，公交车站i-j之间的路段数为n,且；公交线路路段的发车间隔由表示。

2.3下层随机客流需求模型

在实际的公交系统运行期间，公交网络运行状态会造成客流出行需求的变化。为了把出行费降至最低最优，结合弹性需求特点建立相关网络流模型，将客流分配结果传输至上层模型，实际的下层随机客流需求模型计算公式为：

          （3）

且同时满足，

                     （4）

                              （5）

              （6）

以上等式中，路段i-j的通行能力上限由表示，公交客流出行需求层以e 表示，第e个客流出行需求层中i-j对之间第n条公交线路上的客流量为，0-1变量为，一旦路段a在连接i-j对的第n条公交线路上，数值为1，反之为0，i-j对之间的出行需求量由表示。

3. 模型求解

3.1下层规划模型求解

应用Dial算法嵌入Dial-MSA中，首先根据公交网络内车站i-j对之间全部无环简单路径的分层算法，找出合理的公交路径，对自由流行程时间进行系统分析，结合流量加载算法进行一次客流分配，产生路段初始公交客流量，（n=1）,w代表公交线路层级，1-3分别为主、次干线及支线，更新路段行程时间的计算公式设定为：

              （7）

通过以上计算方式结合求得一次客流量，得出更新后的路段客流量，各路段公交客流量计算公式为：

             （8）

3.2双层规划模型求解

首先，应将车站间的运行时间、乘客平均候车时间单位成本、乘客出行分布的模型数值确定，对变异概率、模型循环次数、交叉概率及初始种群大小统一规划，与此同时，对发车间隔的备选集合进行分析判断；其次，对发车间隔的初始化数值和发车次数按照模型算法进行分析；最后，通过随机用户的均衡配流模型分配结果得出完整的上层目标模型，求出种群中每个发车间隔的最佳数值，再根据发车间隔最佳适应值得出每个发车间隔进入到下一代的概率值[3]，对比后找出优胜发车间隔，在此期间，结合单点交叉方法和交叉概率对不同种群进行计算。

结束语：

对不同交通运输系统的时刻表进行优化是构建未来完整城市公共交通枢纽的必然趋势，科研人员应积极学习国内外先进的换乘时间调度管理方案，通过编制合理的公交区域时刻表及相关数学模型，为后期公交换乘管理工作奠定坚实基础，从而促进社会和谐与稳定。

参考文献：

[1]王瑜琼. 考虑常规线路影响的需求响应式公交协同优化方法研究[D].北京交通大学,2021.

[2]胡金成. 考虑运行能效的公交区域时刻表优化[J]. 交通运输系统工程与信息,2021,21(02):139-144.

[3]高姝敏. 考虑多线路间换乘选择的常规公交时刻表协调优化研究[D].吉林大学,2020.