（交通信息工程及控制专业论文）面向公交换乘枢纽的公共汽车协调调度理论与方法.pdf

摘要 摘要 公共交通智能化调度是先进的公共交通系统( a d v a n c e dp u b li ct r a n s p o r t s y s t e m ，a p t s ) 的核心功能，是提升公交系统运行效率、提高服务水平的重要 手段。在传统公交企业管理模式和调度体制下，公交调度权责仅限于单线路； a p t s 环境下，随着信息采集、处理、发布技术的完善，一种集约化的调度模式 区域调度成为公交调度的重要发展方向。这两类调度模式构成了智能公共 交通调度的基础调度模式。然而公交系统的运输对象乘客是不受调度范围 限制的，客流需求分布在整个城市公交网络上，因此协调基础调度模式从而实 现公交网络客流组织优化才是公交系统优化的最终目标。 本论文通过分析我国大城市公共交通运输组织方面的现状问题和发展需 求，在总结国内、外公交调度理论与方法的基础上，提出了面向公交换乘枢纽 的线路协调调度模式。旨在从公交网络运行层面初步建立起公共交通协调调度 体系，优化公交网络客流组织。文中设计了该协调调度模式与两类基础调度模 式功能上的协作关系并给出了计划调度和现场调度逻辑流程。同时还研究了支 持本调度模式的关键技术公交换乘枢纽客流o d 自动推算和预测方法。 本论文从计划调度和现场调度两个层面建立面向公交换乘枢纽的线路协调 调度方法。为与我国当前a p t s 研究进程相适应，文中设置了a p t s 非完全条件 和完全条件两种情形。计划调度层面，根据上述两种情形重点研究行车时刻表 优化，并就此建立了基本模型和协调模型。基本模型仅对行车间隔进行优化， 执行其计划的现场调度的主要方法是公交车辆行车间隔控制。协调模型同时对 行车间隔和离站松弛时间进行优化，执行其计划的现场调度的主要方法是公交 换乘枢纽车辆驻站控制。本文分别对上述模型进行解析、给出优化算法并举例 说明。文章最后，简要讨论了有待深入研究的内容。 本论文的研究成果为建立我国公共交通协调调度体系提供了系统工程层面 的理论支持，并初步形成了相应的公交智能化调度决策方法，为进一步开发有 我国自主知识产权的公交智能化调度系统提供了理论和方法指导。 关键词：协调调度，优化，枢纽，先进的公共交通系统 a b s t r a c t a b s t r a c t p u b l i ct r a n s p o r ti n t e l l i g e n td i s p a t c h i n gi st h ek e yf u n c t i o no fa d v a n c e dp u b l i c t r a n s p o r ts y s t e m ( a p t s ) a n da l li m p o r t a n tm e a r l so fi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo f p u b l i ct r a n s p o r ts y s t e ma n dt h el e v e lo fs e r v i c e u n d e rt h et r a d i t i o n a lm a n a g e m e n t m o d e sa n dd i s p a t c h i n gs y s t e m so ft h ep u b l i ct r a n s p o r tc o r p o r a t i o n s ，t h ed i s p a t c h i n g r e s p o n s i b i l i t i e sa l ea l w a y sc o n f m e dt os i n g l el i n e s u n d e ra p t se n v i r o n m e n t ，a st h e t e c h n o l o g i e so fi n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n ga n dd i s t r i b u t i o na d v a n c e s ，r e g i o n a l d i s p a t c h i n g ，a ni n t e n s i v i s md i s p a t c h i n gm o d e ，i sb e c o m i n go n eo ft h em o s ti m p o r t a n t d e v e l o p m e n tt r e n d so fb a s i cd i s p a t c h i n g t h es i n g l e l i n ed i s p a t c h i n ga n dr e g i o n a l d i s p a t c h i n ga r et h et w ob a s i cd i s p a t c h i n gm o d e so fp u b l i ct r a n s p o r ti n t e l l i g e n t d i s p a t c h i n g h o w e v e r , p a s s e n g e r s ，t h eo b j e c t so fp u b l i ct r a n s p o r t ，a l en o tc o n s t r a i n e d b yd i s p a t c h i n gb o u n d s p a s s e n g e rf l o w sa l ed i s t r i b u t e do nt h ew h o l ep u b l i ct r a n s p o r t n e t w o r k t h e r e f o r ec o o r d i n a t i n gt h et w od i s p a t c h i n gm o d e st oa c h i e v ep a s s e n g e r f l o wo r g a n i z a t i o no p t i m i z a t i o no fp u b l i ct r a n s p o r tn e t w o r ki st h eu l t i m a t eg o a lt o o p t i m i z et h ep u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ta n a l y z e dt h ec u r r e n tc o n d i t i o n s ，e x i s t i n gp r o b l e m sa n d d e v e l o p m e n tn e e d so fp u b l i ct r a n s p o r td i s p a t c h i n gi n c h i n a sb i gc i t i e s a f t e r s u m m a r i z i n gt h en a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a ld i s p a t c h i n gt h e o r i e sa n dm e t h o d s ，t h e m u l t i p l e l i n ec o o r d i n a t i o nd i s p a t c h i n gm o d ef o rt r a n s i tt r a n s f e r r i n gc e n t e r sw a s p r o v i d e d t h ep u r p o s ew a st os e tu pap r e l i m i n a r yc o o r d i n a t i o nd i s p a t c h i n gs y s t e m o nt h eo p e r a t i o nl e v e lo fp u b l i ct r a n s p o r tn e t w o r kt oo p t i m i z ei t sp a s s e n g e rf l o w o r g a n i z a t i o n t h e nt h ed e s i g n e dc o o p e r a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o o r d i n a t i o n d i s p a t c h i n gm o d ea n dt h et w ob a s i cm o d e sa n dl o g i cf l o w so fp l a n n e dd i s p a t c h i n g a n do n s i t ed i s p a t c h i n gw e r ed e s c r i b e d i na d d i t i o n ，t h ea u t o m a t i cc a l c u l a t i o na n d f o r e c a s t t e c h n o l o g y o fp a s s e n g e r o d ( o r i g i n d e s t i n a t i o n ) m a t r i x o ft r a n s i t t r a n s f e r r i n gc e n t e r s ，t h ek e yt e c h n o l o g ys u p p o r t i n gt h ec o o r d i n a t i o nd i s p a t c h i n gm o d e ， w a ss t u d i e di nd e p t h t h i sd i s s e r t a t i o ns e tu pt h em u l t i p l e l i n ec o o r d i n a t i o nd i s p a t c h i n gm e t h o df o r a b s t r a c t t r a n s i tt r a n s f e r r i n gc e n t e r sf r o mt w oa s p e c t s p l a n n e dd i s p a t c h i n ga n do n 。s i t e d i s p a t c h i n g i no r d e rt oa d a p tt ot h ec u r r e n td e v e l o p m e n tc o u r s eo fa p t si nc h i n a , t h em e t h o dw a sd e v e l o p e df o rt w os i t u a t i o n s i n c o m p l e t ea p t sc o n d i t i o n sa n d c o m p l e t ea p t sc o n d i t i o n s i na s p e c to fp l a n n e dd i s p a t c h i n g ，t w om o d e l s ，b a s i c m o d e la n dc o o r d i n a t i o nm o d e l ，w e r es e tu pf o rt h ea b o v et w oc o n d i t i o n st oo p t i m i z e v e h i c l es c h e d u l i n g t h eb a s i cm o d e l o n l yo p t i m i z e sh e a d w a ya n d t h em a i n c o r r e s p o n d i n go n s i t ed i s p a t c h i n gm e t h o di ss i n g l e l i n ev e h i c l eh e a d w a y c o n t r 0 1 t h e c o o r d i n a t i o nm o d e lo p t i m i z e sb o t hh e a d w a ya n ds l a c kt i m ea n dt h ec o r r e s p o n d i n g o n s i t ed i s p a t c h i n gm e t h o di sv e h i c l eh o l d i n gc o n t r o lf o rt r a n s i tt r a n s f e r r i n gc e n t e r s d e t a i l e di n f o r m a t i o n ，o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sa n de x a m p l e so ft h em o d e l sw e r ea l s o g i v e n i nt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h ea r e a sf o rf u t u r er e s e a r c hw e r eb r i e f l y d i s c u s s e d -ther e s e a r c hr e s u l t so ft h ed i s s e r t a t i o np r o v i d e dt h e o r e t i c a ls u p p o r t so nt h e s y s t e me n g i n e e r i n gl e v e lf o rs e t t i n gu pt r a n s i tc o o r d i n a t i o nd i s p a t c h i n gs y s t e m s i n c h i n a i ta l s o b a s i c a l l yf o r m e dt h ec o r r e s p o n d i n gp u b l i ct r a n s p o r ti n t e l l i g e n t d i s p a t c h i n gd e c i s i o n m a k i n gm e t h o d o l o g i e s ，p r o v i d i n g t h e o r e t i c a la n d m e t h o d o l o g i c a lg u i d a n c ef o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f c h i n a so w np u b l i ct r a n s p o r t i n t e l l i g e n td i s p a t c h i n gs y s t e m s k e yw o r d s ：c o o r d i n a t i o nd i s p a t c h i n g ，o p t i m i z a t i o n ，t r a n s i tt r a n s f e r r i n gc e n t e r ， a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 晦蛹 上。哼年7 月2 0 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：临仔象鬼 学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：膝萄 力o j 年7 月2 0 日 第1 章引言 1 1 课题来源 第1 章引言 本论文的研究基于以下三个科研项目而展开： ( 1 ) 十五国家科技攻关资助项目一一智能交通系统项目评价方法研究 ( 2 0 0 2 b a 4 0 4 a 0 1 ) 。 ( 2 ) 国家9 7 3 重点研究发展规划资助项目一一城市交通监控与管理系统 ( t g l 9 9 8 0 3 0 4 0 8 ) 。 ( 3 ) 中山市建设局项目中山市智能公共汽车交通系统实验工程方案研 究。 1 2 研究背景 1 2 1 我国大城市交通模式的选择 “九五、“十五”期间我国城市道路交通基础设施建设速度加快，2 0 0 2 年全 国城市道路里程较1 9 9 5 年增长4 7 ，城市道路网络得到相当拓展。然而一旦考虑 城市建成区的扩张和人口的增长，就会发现我国城市人均道路里程和道路网密度 指标并没有明显的提高，其中人均道路里程增长3 ，道路网密度增长8 。而相比 之下，行驶于城市道路之上的机动车拥有量却有了十足的增长，2 0 0 2 年民用载客 汽车拥有量较1 9 9 5 年增长了1 8 8 ，私人小汽车拥有量则几乎是翻了5 5 倍( 见图 1 1 ) 。可见城市交通的压力不能完全通过道路网络的建设得到有效缓解，改善城 市交通状况的任务相当程度上要靠发展集约化的公共交通系统才能实现。 城市交通模式选择是在综合考虑城市总体规划、经济发展计划及社会环境等 影响因素，面向交通供需矛盾提出的以实现城市交通可持续发展为目标的最佳交 通结构。当经济发展到一定水平之后，出行者有能力选择机动化、个性化的出行 方式，小汽车便进入自由发展时期。对此，欧洲的大城市采取了在发展小汽车的 第1 章引言 同时，保持较高服务水平的公交系统，形成市区以轨道交通为主，外围区以小汽 车为主的交通模式。香港、新加坡和日本东京，人口密度高、交通出行强度大、 土地资源匮乏，小汽车使用条件受到很大制约。东京采取了发展多层次、多模式 快速轨道交通系统的城市交通发展模式；香港和新加坡采取了以公共交通为主 导，限制个体交通增长的城市交通发展模式。 6 0 0 楚 5 0 0 迥望 g 遥 4 o o 蜷廿 罄莹 3 0 0 谁娶 2 o o j 卜 誉 1 0 0 n 0 0 0 珂”一谬僻”一黟鬻? 瑗鬈一强缪甲二= 鼍 纱 1 ； 纱 ：， 口燃_ j 彪 l沙 争 盔忽翻么嬲翟掣嘲 苏 城市建成区 城市人口数道路里程数 公交运营民用载客汽 私人载客汽 面积车数车拥有量车拥有量 1 3 51 4 31 4 71 8 02 8 85 4 6 图1 1 我国城市交通模式选择的影响因素变化情况【u 我国的特大城市和大城市，人口高度集中，城市道路资源有限，因此采取了 “优先发展城市公共交通，确立公共交通在城市交通中的主体地位”的城市交通 发展模式 2 1 ，具体要求在“特大城市基本形成以大运量快速交通为骨干，常规公 共汽电车为主体，出租汽车等其他公共交通方式为补充的城市公共交通体系”； 在“大中城市基本形成以公共汽电车为主体，出租汽车为补充的城市公共交通系 统” 2 1 。 1 2 2 居民出行影响因素的新变化 社会经济的快速发展导致交通出行需求的若干影响因素有了新变化。主要表 现在： ( 1 ) 城市人口迅速增加且出行需求多样化 2 第1 章引言 我国城市正在经历快速的城市化进程，城市人口急剧增加，2 0 0 2 年较1 9 9 5 年城市人口增长了4 3 ，见图1 i 。根据2 0 0 0 年的第五次人口普查，中国大陆城市 化水平已从1 9 9 0 年的1 8 9 6 提高至u 2 0 0 0 年的3 6 0 9 。预计至l j 2 0 1 0 年及2 1 世纪中 叶，大陆城市化水平将分别达蛰j 4 5 和6 5 ，城市人口将从1 9 9 9 年的3 8 9 亿增加到 2 0 2 5 年的8 3 亿8 7 亿，翻一番以上【3 】。城市人口的快速增加必然导致居民出行 需求总量的高速增长。 2 0 0 3 年中国城市居民消费水已达到农村居民消费水平的3 5 倍，城乡之间的 巨大经济差异是导致农民大量从农村流入城市的基本动因，预计从2 0 0 0 年至2 0 2 5 年，将有约两亿人口继续由农村转移到城市【3 】。消费水平上的差异导致交通出行 需求产生差异。差异化与下文分析的由城市居民机动化出行水平提高导致的居民 出行个性化交织在一起，使城市居民出行需求更加复杂化，并呈现多样化特征， 见图1 2 。和谐的社会要求能够提供更加公平的出行服务，这就要求公共交通系 统在居民出行服务中要占据城市交通主体地位并具备较高的服务水平。 总体交通消费水平升级 更高水准的出行服务 总体交通消费结构调整卜_ t 一1 满足出行多样化需求 交通消费水平差距增大 社会进步和科技发展 更注重社会公平 更注重出行效率 图i 2 居民出行需求的新变化 ( 2 ) 城市规模逐步扩大且城市形态发生变化 经济发展和城市化进程是城市规模扩大的主要原因，2 0 0 2 年我国城市建成区 面积较1 9 9 5 年增长了3 7 ，见图1 1 。在现代城市化进程中，空间的集中与分化已 成为一个普遍的特征。中国由于地区间经济发展的不平衡，集中的过程仍占主导 地位。而在经济发达地区，特别是沿海经济快速增长的大城市，分散化的趋势日 渐明显。主要表现在：经济的发展需要重新调整城市的产业布局和土地功能，如 工业部门逐年从市中心迁往市郊，让位于新型产业，进行空间置换以提高城市土 3 第1 章引言 地的利用率；城市化的加速致使大量人口向城市聚居，为了减轻城市的人口压力， 人口郊区化( s u b u r b a n i z a t i o n ) 需要同步进行吲。 上述原因使得处于经济高速发展中城市的规模急速扩展。然而一定交通设施 条件下居民平均出行距离是存在上限的，随着与城市中心区距离的加大，边缘区 域接受的城市服务功能逐渐弱化，一个或多个新的副中心区就必然会产生和繁 荣。集中型城市由单中心空间布局模式向多中心模式发展就成为了城市形态发展 的趋势【4 】。 多中心模式的城市面临的最核心的交通问题就是整合各中心内部交通出行 和中心之间交通出行，整合干道交通网和支路交通网、以及合理发挥多种交通方 式的优势实现城市交通的一体化运行。如何构建“无缝衔接 的、功能级配合理 的、高效运行且换乘便捷的公共交通网络就成为了解决城市交通问题的关键。 ( 3 ) 城市居民机动化出行水平提高且出行距离增大 根据国际经验，当人均g d p 达至u 3 0 0 0 美元，小汽车将开始进入家庭；当人均 g d p 超过1 万美元，小汽车私有化将逐步加快。2 0 0 3 年长江三角洲g d p 超3 0 0 0 美元 的城市就已达9 个。可以预见，今后1 0 - - 1 5 年，将是我国沿海经济发达城市将步 入小汽车进入家庭时期【5 】，也是居民出行机动化水平迅速增强时期。 城市化与机动化的联动发展是一个互为条件、相互促进的过程。交通工具的 进步使城市扩张成为可能，城市扩张也推进了居民出行机动化进程。人们可以在 相等的时间内到达更远的地方，出行距离便显著增长。从1 9 9 5 年至2 0 0 5 年，经居 民出行抽样调查统计北京、上海、厦门、济南等城市的居民平均出行距离增长了 1 3 3 1 6 l 倍。 图1 3 显示了客流密度和出行距离变化过程中，各种出行方式的适宜范围。 从中可见公共交通是唯一能够与小汽车分流机动化出行需求的集约型出行方式， 因此公交系统必须具备在居民出行距离逐步增大情况下的快捷运输能力。 综上所述，城市居民出行需求的新变化对公共交通系统服务提出了更高的要 求，集中体现在运力的增长、o d 复杂化和中长运输距离下系统运输效率的提高、 和相关系统服务指标的改善。 4 第1 章引言 1 2 3 公交网络运行存在的问题 居民出行需求对公共交通系统服务提出了更高的要求，而承载客流的公共交 通网络却不能以高效率、高服务水平运行。因此有必要对公交网络运行存在的问 题原因作以分析。 1 0 ( 如0 越 稚 磊绷 匠 ： 2 0 0 0 兰步行至 三及三 三自动三 三步行三 三传送= 三系统三 地铁、磁悬浮系统、 殇荔，夕，7 易j7 ，勿缓勿睦罄誉黧篓誉篓篓善薰 a g t 系统、轻轨系统、足墓薹墓蚕墓薹薹鬻墨翼喜薹塞 豸统、快萎公交系统亥 么幺缴 谶 常规公共屯、汽车 il i ihhh 1f ! 大众运 固 个体出行 ；南南 公里 25l o “2 出行距膏 图1 3 出行距离一客流密度条件下推荐的交通模式结构 ( 1 ) 既有公交网络优化对策的失效 根据上海、济南、合肥、厦门、中山等五个城市在2 0 0 0 , - - - 2 0 0 4 年间进行的居 民出行问卷抽样调查，居民考虑采用公共交通出行的主要影响因素是便捷性、经 济性、安全性和舒适性，其中便捷性是最重要的考虑因素。可见便捷性应当成为 公系统优化的首要目标。便捷性包含快速和方便两方面的内容。在适当的城市规 模和居民出行半径范围内，提高公交系统便捷性服务水平的一般对策可归纳为图 1 4 。 在1 2 2 节所述的影响因素作用下，居民出行o d 分布范围不断扩大、出行时 空分布愈加复杂，提高公交系统优化“便捷性 目标的某些常规改善对策不仅很 难奏效，反而加剧了城市交通系统的负担。图i 5 分析了这些改善对策失效的机 理。在线网拓展、加密，客流需求增大且分布空间离散的情况下，单纯追求公交 运输的直达率就必然会大大增加公交线网的重复系数并导致线路距离延长。其结 第1 章引言 果是加重公交路网的断面流量不均衡，降低公交系统运输效率；加重道路交通负 荷，降低整个交通系统运行效率。 提高 公交 服务 便捷 性的 主要 措施 措施类别改善措施 线网规划层面 营运调度层面 优先保障措施 。改善措施”图例 提高“快速”性 二提高“方便”性 = 图1 4 提高公交系统便捷性服务水平的常规对策 此时按运量和运输速度分层划分公交线网功能，构筑轨道网、地面公交干线 网、支线网之间一体化换乘网络，提高公交换乘效率就能够从系统整体上均衡公 交网络负荷、满足居民出行需求新变化。 ( 2 ) 既有公交调度模式不能提供公交网络客流组织功能 居民出行o d 是居民出行需求的空间分布形式，是城市交通设施网络的服务对 象。公交客流o d 是公共交通系统分担的居民出行o d ，是公共交通线网的服务对象。 公交线网以附属于交通设施网络的公交路网作为其公共交通工具行驶的载体。图 1 6 阐明了居民出行o d 、公交客流0 d 、公共交通网络( 这里指线网) 和交通设施 网络四者的空间投影关系和加载关系。从图中可以看到，公交客流0 d 是无序的， 而公交线路的布设是有序的，要用有序的线网组织相对无序的客流就必须充分发 6 第1 章引言 挥网络中节点的功能，使客流在网络中的流动畅通。 图1 5 既有公交网络优化对策实效机理及提高换乘服务水平的必要性分析 7 第1 章引意 月b 自 o d t 空递疗五升担 公必空嫩喇斯型兰坐：_ 篓： * f 变通设 舟络 断16 居民l i l l yo d 、公交客流0 d 、公麸交通阿络 和空通设施啊绍空间投影芙系和加载芙系 然而既有公交调度模式( 对应后文提出的基础调度模式单线路度调度模 式和区域调度模式) 都是面向公交营运企业、以实现车辆资源优化和车辆周转效 率提高为首要目标的运行组织方式，缺乏对公交网络整体运行效率和系统服务水 平的考虑。不【j 司营运企业的公交线路交织在一起共同为乘客服务，调度工作又各 自独立不予协调，就很容易产生公交运力的断面落差和换乘候车间隔的增大。这 一问题在换乘客流量大、搭接线路多的公交换乘抠纽会进一步激化，直接导致高 峰期枢纽客运服务周转困难，客流迅速累积且长时间无法疏散。由点至线、由线 至网，整个公交网络的服务水平都会由此受到影响。 ( 3 ) 公交换乘枢纽不具备协调调度能力就会成为网络上的瓶颈 随着太城市公交网络的快速拓展、客流换乘强度的增大，许多大城市公交系 统的运行效率都普遍出现了难以提高的局面。在此情况下，越来越多的城市都逐 渐注意到公交换乘枢纽对公交线网( 含轨道交通网络) 的锚固和级配优化作用 以殛对网络客流的优化组织作用。表11 列举了自1 9 9 9 年至2 0 0 3 年期间国内几个 主要大城市列项规划的大中型公变换乘枢纽数量。 第1 章引言 表1 1 国内几个主要大城市列项规划的公交换乘枢纽数量情况 自19 9 9 年至2 0 0 3 年列项规划北京上海天津沈阳南京深圳 大中型公交换乘枢纽数量 2 01 51 161 71 1 已建设的公交换乘枢纽中，如上海的人民广场大型换乘枢纽：共设置2 6 个常 规公交站位，衔接5 2 条公交线路，分属1 6 家公司管理；其中首末站1 1 个，始发线 路2 2 条，中途停靠站1 5 个，过境线路3 0 条；另外有地铁一、二号线两条轨道交通 线路经过，在枢纽内设置9 个出入口；2 0 0 3 年枢纽平均全日公交集散总量超过5 5 万人次，换乘结构见表1 2 。其中轨道交通和常规公交系统组成的公交系统内部 换乘量占枢纽客流集散量的5 8 7 ，常规公交子系统内部的换乘量高达3 1 1 。 表1 2 上海人民广场公交换乘枢纽的换乘结构叼 双向合计轨道交通常规公交其他交通方式小计 轨道交通1 3 1 1 4 5 2 7 5 5 5 1 常规公交3 1 1 1 3 8 4 4 9 然而，以上规划和建设的公交枢纽都很少考虑客流运输组织，缺乏对所衔接 公交线路的协调调度管理。其一结果是公交运力资源的浪费，据统计人民广场公 交枢纽日客运量不足1 万人次的线路有1 4 条，运力占总运力的2 8 ，但它们所承担 的客流量仅占9 8 ，运能浪费严重。第二结果是客流集散高峰期，部分换乘方向 的公交站点由于换乘线路之间运能不匹配，致使驻站候客累积，公交站点负荷严 重，大大增加了车辆驻站时间、打乱了公交线路车辆运行秩序，同时给道路交通 造成很大压力。其三结果是当发生交通系统故障时面对巨大的客流积聚束手无 策。如2 0 0 3 年7 月人民广场地铁一号线线路故障4 0 分钟，数万人积聚在枢纽内长 时间无法疏散、秩序混乱。 可见，公交换乘枢纽的客流换乘组织必须得到足够重视，它将直接影响公交 网络系统的总体运行效果和服务水平。发展面向换乘枢纽的公交协调调度模式是 实现公交网络客流组织的关键。 9 第1 章引言 1 2 4i t s 对公共交通系统的影响 ( 1 ) i t s 通过信息将交通网络运行、服务有效集成，为公共交通系统改造提供全新 平台 智能运输系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 是在较完善的基础 设施之上，将先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感技术和系统综合技术 有效地集成，并应用于地面运输系统，从而建立起在大范围内发挥作用的、实时、 准确、高效的运输系统口1 。i t s 的研究起步于2 0 世纪7 0 年代，至今已形成欧洲、 日本、美国三大研究体系并基本共识了i t s 的主体内容，即：先进的交通信息服 务系统、先进的交通管理系统、先进的公共交通系统、先进的车辆控制系统、货 运管理系统、电子收费系统、紧急事件管理与救援系统。可见i t s 几乎覆盖了地 面运输系统的各组成部分，从最广度上集成了交通网络的运行与服务。 我国的i t s 体系框架于2 0 0 3 年1 月正式出版，共定义了六大类用户主体、九大 类服务主体和8 个服务领域。其中涉及到公共交通系统的、较重要的服务内容见 表1 3 。 我国i t s 框架中定义的与公共交通有关的服务内容分布于整个交通系统服务 领域范围内，这表明先进的公共交通系统是建立在整个i t s 平台基础上的、与各 子系统密切交互的综合体系。i t s 为公共交通系统改造、升级提供了完整的信息、 技术支持平台。 表1 3 中国i t s 框架中与公共交通有关的、较重要的服务内容n 1 领域服务名称子服务名称 交通管理与规划 5 交通需求管理2 7 公交需求管理 电子收费 7 电子收费3 9 公交电子自动收费 4 1 出行前公共交通信息 8 出行前信息服务4 3 出行规划服务信息 出行者信息4 4 交通系统当前状态信息 4 5 车辆运行状态信息 9 行驶中驾驶员信息服务 4 9 交通状况信息 1 0 第1 章引言 领域服务名称子服务名称 9 行驶中驾驶员信息服务5 0 公共交通调度信息 5 6 换乘信息 出行者信息 5 7 车辆运行信息 1 0 途中公共交通信息服务 5 8 调度信息 5 9 票价信息 9 5 对公共运输设施及车辆的安全监控 紧急事件和安全2 3 公共出行安全 9 6 公共出行中紧急事件的报警 1 0 5 线路优化 1 调度优化 2 6 公交规划1 0 7 联营服务 1 0 8 经营计划 1 0 9 运营效能分析 1 1 0 监视车辆状况 运营管理2 7 车辆监视1 1 1 信息协商 1 1 2 实施公交优先 1 1 3 公交需求服务 11 4 公交基础设施的监视和维护 2 8 公交运营管理”5 公交车辆的调度管理 11 6 公交司售人员管理 1 1 7 费用管理 ( 2 ) 智能公共交通系统从功能上为公共交通系统发展构建了一个明晰框架 智能公共交通系统是i t s q 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 s y s t e m ，a p t s ) 的重要组成部分，它是在对公交系统优化的基础上，运用系统 工程理论和方法，将g p s 定位技术、g i s 及地图匹配技术、公交运营优化与评价 第1 章引言 技术、计算机网络技术、数据库技术、通信技术、电子控制技术、智能卡技术等 高新科技集成应用于公共交通系统；并通过建立公交智能化调度、公交电子收费、 公交信息服务、网络通信等系统，实现公共交通运营管理的信息化和现代化，为 出行者提供更佳安全、便捷、经济、可靠的公共交通服务隅1 。 智能公共交通系统( 下文简称智能公交系统) 的提出从功能上为公共交通系 统的发展构建了一个明晰的框架，见图1 7 。其中公交智能化调度是智能公共交 通系统的核心功能；公交网络优化是公交智能化调度的前提，公交信息服务是公 交智能化调度的重要目标，二者与公交智能化调度交互作用构成智能公共交通系 统的三大服务。数据采集、处理和融合是智能公共交通系统实施、运行的基础， 智能公交系统评价是实现智能公共交通系统自我完善、智能升级的工具。 图1 7 智能化公共交通系统功能构成 ( 3 ) 智能公交系统为发展面向换乘枢纽的公交线路协调调度模式提供了嵌入环境 面向换乘枢纽的公交线路协调调度本身作为公交智能化调度的一类模式需 要与单线路调度构成很好的互控关系。智能公交系统由于具有完备的信息采集、 处理、发布渠道，客观上为面向换乘枢纽的公交线路协调调度模式的植入提供了 良好的嵌入环境。 1 3 研究目的及意义 1 3 1 研究目的 1 2 第1 章引言 本论文基于我国大城市公共交通网络运行、服务存在问题的分析，通过对公 交智能化调度理论和方法的研究，提出我国大城市公共汽车调度的一类模式 面向换乘枢纽的公交线路协调调度，以指导智能公共交通系统的进一步发展。其 目的体现为以下几个方面： ( 1 ) 研究面向换乘枢纽的公交线路协调调度机理、建立该调度模式的功能体 系及与基础调度模式的互控关系，指导公交智能化调度系统的规划与设 计； ( 2 ) 研究面向换乘枢纽的公交线路协调调度模式的行车间隔优化问题，为编 制公交换乘枢纽线路协调时刻表提供理论依据和参考方法，指导公交智 能化调度系统之计划调度子系统的开发； ( 3 ) 研究面向换乘枢纽的公交线路协调调度模式的实时控制调度，用于公交 换乘枢纽调度中心的常态调度指挥，指导公交智能化调度系统之动态调 度子系统的开发。 1 3 2 研究意义 ( 1 ) 理论意义 交通系统理论层面，构筑公交换乘枢纽所衔接线路间的客流换乘关系， 解析公交网络协调调度的控制机理。在信息实时采集基础上提出面向换乘枢纽的 公交线路协调调度模型化控制方法，并在公交换乘枢纽这一较复杂的关系实体中 应用系统科学的方法按照最大效益和最小费用的标准优选可能的最优车辆控制 方案。 数学优化方法层面，实现面向换乘枢纽的公交线路协调调度必须解决的 三个基本问题是：面向换乘枢纽的公交行车间隔优化( 问题i ) 、公交车辆行车 间隔实时控制( 问题i i ) 和公交换乘枢纽车辆驻站控制( 问题i i i ) 。 问题i 是通过建立面向乘客和公交营运者的广义成本最小单目标规划模型， 实现对服务于公交换乘枢纽的公交线路行车间隔优化和离站松驰时间优化。问题 本身是n p 非线性规划问题，采用启发式算法寻优是解决问题的关键。 问题i i 是实现全线车辆离站行车间隔的方差最小的非线性规划问题，证明该 问题是凸规划，从而能够实现最优控制是解决本问题的关键。 第1 章引言 问题要建立面向乘客和公交营运者广义成本最小的单目标规划模型，实现 对服务于公交换乘枢纽车辆驻站控制时间优化。在公交车辆行程时间不确定的条 件下，该非线性优化问题满足f r a n k - w o l f e 算法收敛条件，可以直接寻优；在公 交车辆行程时间能够准确预测的条件下，该问题可采用直接计算取优的办法求 解。 ( 2 ) 应用价值 从实际应用来看，智能公共交通动态调度系统是围绕着提高公交网络车辆运 行效率、服务可靠性，提高公交行业服务质量、提高公交企业经济效益等调度优 化目标而设计的，其本身作为智能公交系统的核心功能具有极强的工程应用价 值。面向换乘枢纽的公交线路协调调度作为公交智能化调度的重要模式，体现如 下应用价值： 面向换乘枢纽的公交线路协调调度模式。该模式的功能及逻辑流程能够 较好地与两类基础调度模式单线路调度和区域调度模式结合，充分发挥各自 优势，从而为构建智能公共交通调度体系奠定基础； 面向换乘枢纽的公交线路协调调度的关键技术公交换乘枢纽换乘o d 自动推算和预测。该技术建立在i c 卡自动数据采集技术、自动乘客计数 ( a u t o m a t e dp a s s e n g e rc o u n t e r ，a p c ) 技术和车辆自动定位( a u t o m a t e dv e h i c l e l o c m i o n ，a v l ) 技术联合使用基础上，能够自动识别并预测公交换乘枢纽客流 状态，为面向换乘枢纽的公交线路协调调度提供可靠的数据输入。 面向换乘枢纽的公交线路协调调度的行车间隔优化和实时控制策略。这 是推广此调度模式的基础，为开发相关的调度决策支持软件提供模型和方法。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 研究范围及前提条件 研究对象及范围 本论文中，公共交通概念的范围限于城市公共电、汽车交通和轨道交通。研 1 4 第1 章引言 究对象实体是服务于大城市公共交通换乘枢纽( 下文简称换乘枢纽) 的常规公共 电、汽车线路( 下文简称常规公交线路) ，站点范围包含换乘枢纽及各线路途经 的其他站点；轨道交通线路仅作为常规公交线路在换乘枢纽接驳的对象，不研究 其本身客流组织和调度方法。 本文重点研究单枢纽的公交线路协调调度问题，抽象的物理研究对象见图 1 8 。涉及的换乘关系见图1 9 。 多在嬲萎毳嚣的 公交换乘枢纽j 1 多糍搿， 多 图1 8 本论文研究的调度实体示意图 曩秉抠丑内全膏曩秉行为奉文研冗帕挟秉行为 图1 9 本论文研究的换乘枢纽内换乘关系示意图 公交车辆运行条件 本文研究的公共交通系统的营运基于a p t s 环境，车辆运行分别考虑现状公 交运行条件和未来公交优先网络完备的运行条件。本文在现场( 动态) 调度中， 作如下处理：前者条件下的车辆到站时间无法精确预测，用概率分布描述；后者 能够精确预测，用数值表示。计划调度中，车辆到站时间均采用概率分布描述。 第1 章引言 调度方法的适用范围 本文协调调度方法的研究是在常态营运条件下展开的。常态营运条件下，要 求依据客流需求特征编制全年度各阶段营运时刻表并细化至日内各时段营运时 刻表；以行车时刻表为依据编制行车计划并在现场调度中执行。 这里对常态营运条件和异常营运条件作以说明。图1 1 0 从一般概念上区分 了公交系统营运的异常条件和常态条件。 常态条件下，公交系统经常会受到行驶干扰因素影响和站点客流波动影响。 如果不实时控制车辆运行状态( 站间运行和停站两阶段) ，局部扰动就会被放大 或累积以至最终打乱计划的行车秩序。因此必须对公交网络上车辆运行状况进行 监控，此称为常态调度。常态调度下，车队的行车次序不发生改变，以既定行车 计划为标准指挥车辆运行。 图1 1 0 公交系统营运条件区分不葸图 异常条件下，公交系统行车秩序受到强烈干扰或客流需求超出原行车计划运 力承载能力，致使原行车计划不能继续执行。为了尽快恢复服务水平或满足临时 激增的客流需求必须临时变更行车计划。在此情况下，通常车队的行