公交运输组织优化设计

-PAGEII-摘要随着时代的进步与经济的飞速发展，汽车保有量逐年增加，由此带来的交通管理，交通拥堵等问题迫切需要解决。公交作为交通系统的重要组成部分，具有载客量大、票价低等优点，因此大力发展公交是解决此类问题的重要途径。而合理编制公交发车时刻表是公交运营调度过程中的关键工作之一，传统的发车时刻表编制较为复杂，为了简化公交的发车时刻表编制流程，降低编制难度，平衡公交企业和乘客在发车运营过程中的利益，采用一种单线发车时刻表优化方法。该方法考虑了运营和服务平衡，建立相应的模型来计算乘客的出行成本和公交运营成本。模型中考虑了车辆到达各站时刻滞后于发车时刻的情况，根据各站点以往客流数据拟合乘客到达率函数，以整个出行系统总成本最低为目标，迭代求解出各班车发车时刻。本文以重庆373路公交晚高峰时段为例进行发车时刻表优化，优化调整后的公交发车时刻表与现状发车时刻表进行比较。结果显示，经过优化调整后的公交公司的运营成本降低了7.14%，乘客的等车时间成本降低了10.68%，整个出行系统的成本降低了8.51%。本文在考虑公交发车运营成本和乘客出行成本的同时，对提出的方法进行了定量验证，证明了该方法的可行性和有效性。关键词：公交调度;公交时刻表;迭代求解;发车时刻PAGE2Optimizationdesignofbustransportationorganizationof373RoadinChongqingAbstractWiththeprogressofthetimesandtherapiddevelopmentoftheeconomy,thenumberofcarsinusehasbeenincreasingyearbyyear,whichhasbroughtabouturgentproblemssuchastrafficmanagementandcongestionthatneedtobesolved.Asanimportantcomponentofthetransportationsystem,publictransportationhastheadvantagesoflargepassengercapacityandlowticketprices.Therefore,vigorouslydevelopingpublictransportationisanimportantwaytosolvesuchproblems.Reasonablepreparationofbusdepartureschedulesisoneofthekeytasksintheprocessofbusoperationscheduling.Traditionaldepartureschedulepreparationisrelativelycomplex.Inordertosimplifytheprocessofbusdepartureschedulepreparation,reducepreparationdifficulty,andbalancetheinterestsofbusenterprisesandpassengersinthedepartureoperationprocess,asinglelinedeparturescheduleoptimizationmethodisadopted.Thismethodconsidersthebalancebetweenoperationandservice,andestablishescorrespondingmodelstocalculatethetravelcostsofpassengersandtheoperatingcostsofpublictransportation.Themodelconsidersthesituationwherethearrivaltimeofvehiclesateachstationlagsbehindthedeparturetime.Basedonpastpassengerflowdataateachstation,apassengerarrivalratefunctionisfitted,withthegoalofminimizingthetotalcostoftheentiretravelsystem.Thedeparturetimeofeachbusisiterativelysolved.ThisarticletakestheeveningpeakhoursofChongqingNo.373busasanexampletooptimizethedepartureschedule.Theoptimizedandadjustedbusdeparturescheduleiscomparedwiththecurrentdepartureschedule.Theresultsshowedthatafteroptimizationandadjustment,theoperatingcostsofthebuscompanydecreasedby7.14%,thewaitingtimecostofpassengersdecreasedby10.68%,andthecostoftheentiretravelsystemdecreasedby8.51%.Thisarticlequantitativelyvalidatestheproposedmethodwhileconsideringtheoperatingcostsofpublictransportationandpassengertravelcosts,provingitsfeasibilityandeffectiveness.Keywords:busdispatching;Busschedules;Iterativesolution;Departuretime目录TOC\o"1-3"\h\u1429776162摘要 II1909768667Abstract III1191398207第1章绪论 16921404211.1研究背景 120326235951.2研究目的和意义 21349046891.3国内外研究现状 317478604381.3.1国外研究现状 38615741531.3.2国内研究现状 421420413971.3.3研究现状总结 58739010711.4主要研究内容 510146384641.5技术路线 620085072681.6本章小结 7686206083第2章公交时刻表编制相关理论概述 810784525912.1发车时刻表定义及分类 87907162572.1.1发车时刻表定义 89393237632.1.2发车时刻表分类 810621956442.2发车时刻表编制原则与方法 92906311972.2.1发车时刻表编制原则 912607147012.2.2发车时刻表编制方法 917583184052.3发车时刻表编制关键点 105349664682.3.1客流数据采集 1018148813342.3.2客流数据特性 1220003421972.3.3确定发车间隔 138948111942.4发车时刻表编制基本步骤 143751206682.5本章小结 151788563131第3章发车综合效益模型建立 1620519356583.1问题描述 164427168333.2模型假设 1618584590233.3模型变量定义 1621186375933.4模型构建 175156746443.4.1系统总成本 1718472260633.4.2乘客出行成本 181573561623.4.3公交企业发车运营成本 1811326452773.4.4目标函数及约束条件 1910741235313.4.5时刻表优化流程 1910466488353.5本章小结 20988417268第4章实例分析 2115430137314.1373线路基本概况 214192557454.2站点选取与数据拟合 235374604084.3基本参数设置 277808579744.4优化结果 286074022014.5可行性验证 2916190180164.5本章小结 3270503775第5章总结与展望 3316934569285.1全文总结 3313298152055.2研究展望 3413418361065.3本章小结 351513656395致谢 36931748403附录A跟车调查数据 39444655297附录B373公交与始发站 4178485119附录C模型求解代码 42第1章绪论1.1研究背景随着时代的进步与经济的飞速发展，机动车保有量逐年增加，机动车从以前的奢侈品到现在已经成为了大众的普遍消费品，大多数家庭都拥有机动车。根据资料显示，在2010年我国的机动车保有量仅8606万辆，经历短短12年发展，到2022年年底，我国的机动车保有量为4.17亿辆之多，平均每3人就有1人拥有机动车。机动车拥有量的快速增长导致了道路上交通量的快速增加，而本应与之匹配的道路基础设施建设的速度，却由于各种实际条件的限制，远远低于道路上交通量增加的速度。为此，交通拥堵成为了许多大中型城市所面临的严重问题，降低了原料、工业生产品的运输效率，增加了居民上下班时的通勤时间，严重影响了整个城市的生产生活水平，制约整个社会的经济发展的速度。此外，交通拥堵还带来了一系列的衍生问题，如环境污染、能源浪费等。环境污染方面，上世纪90年代伦敦的一份关于环境的研究报告显示，因汽车尾气排放产生的氮氧化物约占大气中该类污染物总量的74%。交通拥堵使得机动车不得不以低速状态行驶,也大大增加了废气排放量。同时，路面堵车时，发动机的不断运转和车辆鸣笛噪声又加大了噪音方面的污染。能源消耗方面，以西安市为例，2019年，因道路拥堵造成带来的各种损失接近1400亿人民币，浪费的燃料约16亿加仑。其他中大型城市，如北京、上海、广州、郑州、济南等，由于交通拥堵造成的能源损失同样是不可估量的。由于交通需求与交通供给之间的不平衡导致了交通拥堵。国内外许多学者为了解决交通拥堵问题，通常从增加交通供给和抑制交通需求两个方面入手。随着社会的不断发展，仅仅从这两方面入手已经不能满足保证交通正常运转的需求。在此背景下，城市公交作为城市交通系统的重要组成部分，具有容量大，出行经济，安全系数高等优点。因此大力发展公交，合理设置发车时刻表以平衡公交企业与乘客出行成本是解决此类问题的重要途径。2012年12月，国务院发布了《关于城市优先发展公共交通的指导意见》，这一举措为城市公共交通的优先发展提供了重要战略支持，开启了我国城市公共交通发展的新时代[1]。2013年6月，交通运输部也发布了《关于贯彻落实国务院城市优先发展公共交通的指导意见的实施意见》，并提出了具体的措施，以进一步推进城市公共交通优先发展[2]。到2019年9月，中共中央、国务院也印发了《交通强国建设纲要》，强调继续推进城市公共交通设施建设，同时加强各种交通方式之间的有效衔接。可以看出，在我国交通系统建设中，大力开展公共交通建设仍然是未来的主流趋势。重庆373路公交隶属于重庆南部公交回龙湾分公司，该线路单向有32个站点和20辆正常运营的公交车，路线全长22.8公里，2023年计划营运收入708.41万元。早上6:20开班，晚上20:30收班，发车间隔为10分钟。通过实地调查相关数据和走访相关工作人员，发现该线路的早高峰是早上7点到9点，晚高峰是晚上5点到7点。由于信号配时延误，沿途学校的人流量集中以及道路的狭窄等因素造成了局部的拥堵，造成了公交车辆之间分布不均匀，进而影响乘客出行的等待时间和公交企业的运营成本。因此，在重庆373路公交线路中，公交运营企业需要编制一个科学合理的发车时刻表，以确保公交车辆的有序运营，并满足乘客的出行需求。这是公交运营管理工作中的重要任务，也是公交运营企业必须认真考虑的问题。1.2研究目的和意义目前，许多城市的交通系统都存在着低效率和低服务水平的问题。一方面，公共交通车辆的准点率低、车辆交叉等现象比较严重、公交线路满座率高，乘坐舒适度差等问题导致人们选择公共交通出行的越来越少；另一方面，由于公共交通企业缺乏有效的运营计划和管理模式，导致公交资源利用不足、车辆发车间隔加长、乘客等待时间增加等方面的运营效率问题。这些问题相互作用，导致公共交通运营质量不断下降，公交吸引力缺乏，乘客流失严重。公交规划和运营计划的不合理是导致公交吸引力不足和公交企业经营亏损的重要原因。编制公交时刻表是公交运营调度中一项关键性工作，对于乘客、公交企业、社会都有积极正面的影响。对于乘客而言，制定合理的发车时刻表，能够更好的提升运营的服务水平，有效地降低乘客的候车时间，同时将乘客换乘时的候车时间保持在一个较低的水平，提高乘客出行的便利性。此外，还可以保持车辆在一个合适的拥挤状况，提高乘客乘车时的舒适性。对于公共交通运营企业来讲，如何在有限的运力资源下，最大可能地满足居民的日常出行需求，是其主要的运营目的。通过制定科学合理的发车时刻表，充分利用公交运力资源，以实现各方利益的最大化，可以有效的帮助运营企业实现其运营目的；对于整个社会来讲，改善公共交通运营服务水平，可以鼓励更多乘客乘坐公共交通出行，增加公共交通分担率，降低道路交通需求，从而缓解道路上交通拥堵状况。编制时刻表的目的是从优化目标出发，根据客流数据确定公共交通线路的发车间隔，并根据发车间隔确定每班车辆的发车时间。本文建立了一个综合考虑公交运营成本和乘客出行成本的时刻表优化模型，判断和确定每辆公交车的发车时间，并优化乘客在车站等待时间的计算，以制定更高效可行的公交发车时刻表。科学合理地编制时刻表对于减少交通拥堵，保障城市交通的正常运行，降低由于交通拥堵导致的能源消耗和环境污染。对于整个城市的发展具有重要战略意义。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状世界上一些发达国家对公交时刻表优化研究开始比较早，且已有大量研究成果在实践中得到应用，推进了公交的发展，为解决城市交通拥堵问题提供了一些可行的方案。CED-ER（1984）［4］提出了四种确定公交发车频率的方法，包括确保服务水平的改进断面客流法、站点最大客流法、每日客流最大法和断面客流法，这些方法都是基于不同的客流数据调查。。HERBON（2015）［5］通过建立一种考虑各种成本的报童模型，为编制公交时刻表提供了新思路。PeñaD等人（2019）[6]提出了一种创新的基于多目标元胞遗传算法的时刻表优化方法，旨在解决公交多车型的问题，通过确定每个时段的公交分配量来平衡发车运营成本和优化服务水平。因此，服务质量的保证不仅包括良好的体验、舒适、安全和可用性等方面，还包括改善乘客对等待时间的影响，从而提高乘客满意度，有助于减少交通堵塞、未填充车辆的流量和燃料消耗，有助于降低对环境的负面影响。WihartikoF等人（2019）[7]在进行公交时刻表问题求解时，使用了整数规划模型。此外，改进了染色体设计、初始群体恢复技术、染色体重构以及特定世代染色体灭绝等方面。该模型得到的最优解精度为99.1%。YasukiS等人（2021）[8]利用一种基于K-means的方法和一种遗传算法对某一公交时刻表进行优化。将K-means算法的结果作为目标适应度值,利用遗传算法对公交调度进行优化。该模型既能有效优化财政开支,又能使公交运营企业以相互满意的方式满足乘客需求。1.3.2国内研究现状我国开始实施公交时刻表优化发展战略较晚，大约是在20世纪80年代。目前，我国的公交系统建设和优化调度研究仍处于发展和探索的初级阶段。近年来许多学者积极投身于公交运输组织优化中，致力于改善公交随着时代发展所面临的问题。蓝天钰（2019）[9]通过建立相关指标并应用k-means聚类方法对接驳轨道公交时刻表进行优化，减少了乘客换乘等待时间。王惠敏等学者（2021）[10]运用BP神经网络建立客流量预测模型，基于遗传算法建立了优化的公交调度模型，进而提高了公交运行效率。陈鹏（2021）[11]采用平均发车间隔和平滑过渡的方法计算相邻时段的拥挤成本，比较了两种过渡方法，并制定了考虑乘客和公交企业双方利益的两种发车时刻表方案。Andrii（2021）[12]提出了一种进化算法，将改进的遗传算法与仿真模型相结合，为大规模问题的输入参数向量提供了一条智能搜索路径。这项工作对于公交换乘站点时刻表协调和城市公交线路网络的车辆实时动态优化具有现实意义。刘立强（2021）[13]基于多目标优化模型，使用非支配排序遗传算法(NSGA-II)寻找了一个答案，使得公交车辆尽量少，并且乘客换乘时间最小化。使用不均匀发车间隔时刻表方案，可以减少乘客的等待时间，提供多个选择给决策者。石弘毅（2021）[14]基于冶剑退火算法，能够解决带有分支线路的公交车辆调度问题。相较于基于传统退火算法的车辆调度方法，该方法生成的调度方案可以减少公交车辆覆盖时刻点和重复覆盖时刻点。田乐（2021）[15]建立了一个列车时刻表调整模型，以确保乘客在不间断区间内的出行需求，并尽可能减少乘客在站台的等待时间。使用小交路运营策略，重构轨道交通线路客流的时空分布。张为雄（2021）[16]在分析已有公交信号优化方法存在的某些不足的基础上,提出了以公交优先窗为约束条件、以交叉口公交时刻表偏差最小为优化目标的单交叉口公交信号优化模型,为提高公交系统的准点率和服务水平提供了参考。代聪聪（2022）[17]通过建立复杂的非线性规划模型，利用线性化方法将其转化为线性规划并求解。进而获得公交发车时刻表和车辆调度计划，为公交时刻表方面的研究提供了新的思路和方向。李景涛（2022）[18]基于LightGBM模型的公交站点间行程时间预测方法预测了不同时段车辆于站点间的行程时间，采用二项Logistic模型对调查数据进行拟合，最后，使用基于动态拓扑结构的改进粒子群优化方法来解决问题，最终得到优化后的发车时刻表，降低了企业的运营成本。1.3.3研究现状总结总的来说，现今国内外学者建立的公交时刻表优化模型主要采用多目标优化模型。其主要目的在于最小化乘客费用或公交公司成本，但并未兼顾整体的最优解决方案。由于过度追求服务水平，这可能导致公交网络容量不平衡并浪费车辆资源。此外，在计算车站乘客的累计等待时间时，通常假设乘客均匀到达站点，这与实际情况不符。为了简化公交时刻表编制流程，方便公交企业进行自我调整，在本文中，我们综合考虑了乘客的出行成本和公交企业的发车运营成本。以整个出行系统总成本最低为目标，建立了综合发车效益模型，对重庆373路公交时刻表进行了优化设计。1.4主要研究内容本文首先概述公交发车时刻表编制相关理论，结合重庆373公交线路运行实际情况，兼顾乘客出行成本与公交运营成本，以达到整个系统出行总成本最低的目的。提高乘客满意度和公交吸引力，减少交通拥堵，提高通行效率。建立综合发车效益模型对该线路公交时刻表进行优化，将优化后的时刻表与原时刻表相对比，验证该优化方案的可行性。第1章：绪论。首先阐述了本文研究的背景和意义，接着探讨了公交发车时刻表的国内外研究现状。在借鉴国内外公共汽车调度的成功经验基础上，总结了当前形势下公交调度系统中所使用优化方法的缺点；最后，针对这些存在的问题，提出了本文所采用的公交首站发车时刻表优化方法，最终确定本文的技术路线和主要研究内容。第2章：公交时刻表编制的相关理论。强调时刻表的定义和分类以及它们的主要功能。详细介绍了时刻表编制的原则和基础，并描述了编制过程中的要点，其中包括确定发车间隔和收集客流量数据等方面。第3章：建立优化模型。概述整个出行系统总费用的影响因素，考虑乘客出行成本和公交运营成本建立综合发车效益模型，并提出该模型的优化求解方法。第4章：实例分析。概述将收集到的重庆373线路公交运营客流量数据结合综合发车效益模型进行时刻表的优化，将优化后的时刻表与原时刻表产生的效益相对比，验证该优化方案的可行性。第5章：总结与展望。对本文研究内容进行归纳总结，并对未来还需要做出的相关工作提出展望。1.5技术路线本文的研究路线如下：图1.1技术路线图1.6本章小结本章的主要内容包括阐述选题背景、研究目的和研究意义，同时综合国内外学者对公交发车时刻优化的研究现状进行了总结，为本文的研究提供了思路。最后，结合重庆373公交线路的实际情况，确定了本文研究的内容和研究技术路线。第2章公交时刻表编制相关理论概述2.1发车时刻表定义及分类2.1.1发车时刻表定义发车时刻表是指公交车辆在固定时间内从起点站开始出发，按照预定的路线和时间表途经各中间站点，最后到达终点站的计划表格。时刻表中通常记录了每辆公交车具体出发的时间，以及每个时间点所对应的车辆状态等信息。通过时刻表，乘客可以清楚地了解公交车的发车时间，从而合理安排乘车时间。公交发车时刻表是公交系统运营调度的重要组成部分，它考虑乘客的出行需求、服务质量、成本和行车条件等因素，经过综合分析和计算，确定了公交发车间隔和频率，从而合理地编制了发车时刻表。合理的发车时刻表可以减少乘客等待时间，降低公交运营成本，提高服务质量，增加公交吸引力，实现乘客和公交企业的总体利益最大化。公交车调度是公交运行系统规划的重要组成部分，由静态调度和动态调度组成。其中公交发车时刻表是静态调度的核心部分，也是连接公交公司和乘客之间最重要的桥梁。2.1.2发车时刻表分类公交发车时刻表是公共交通工具运营的基础，也是广大民众获取出行信息的重要渠道之一。针对不同的城市和公交运营模式，公交发车时刻表的分类也存在差异。总体而言，可以根据公交线路运营时间、路线类型、运营频率、线路站点设置、发车间隔变化、车队是否固定等方面进行分类。下面将对这些分类进行简要介绍。（1）按照运营时间分类：根据公交线路运营时间的不同，公交发车时刻表可以分为平日、周末、节假日等类型。平日时刻表是指除周末和法定节假日以外的工作日，周末时刻表的发车时间相对宽松，而节假日时刻表则通常比周末时刻表更加宽松。（2）按照路线类型分类：根据公交线路的类型，公交发车时刻表可以分为快线、普通线、支线、夜班车等类型。快线和普通线的区别在于前者收费更贵，但行驶速度更快。支线是指连接主要公交线路和次要城市节点的线路，夜班车则是在晚上运营的公交线路。（3）按照运营频率分类：根据公交线路的运营频率，公交发车时刻表可以分为高峰时段和低峰时段。高峰时段是指工作日上下班时间，人流量较大的时段。在高峰时段，公交车辆的运营频率更加密集，发车时间更加规律。低峰时段则是指非高峰时段的其余时间，这时公交车辆的运营频率会相对减少。（4）以线路站点设置分类：中间站时刻表、首末站时刻表以及首站时刻表。目前，大多数城市选择采用首站时刻表，而中间站时刻表被视为一种备选方案。（5）按车队是否固定可划分为：固定车队发车时刻表和可变车队发车时刻表。固定车队是严格执行线路安排的原始车辆及人员调配；而可变车队则是将实际运行中线路中未运行的车辆合理的安排至其他线路，实现资源利用最大化。本文采用的是对373线路的首站发车时刻表进行优化。2.2发车时刻表编制原则与方法2.2.1发车时刻表编制原则根据时刻表的定义和功能，发车时刻表的编制要遵循以下原则：（1）乘客角度：公交发车时刻表应该考虑在乘客出行高峰期和繁忙路段增加公交车班次，保证足够的运力，让乘客能够及时抵达目的地。同时，考虑到不同时间段乘客的出行需求差异，应该合理安排发车时间，避免公交车的班次过于集中或过于稀少，保证乘客的出行能够得到充分的保障。（2）公交企业角度：公交发车时刻表应该按照公交车辆数量和运营线路的特点，合理分配车辆资源，保证线路的运行效率和经济效益。同时，应该考虑车辆的维护保养和驾驶人员的工作时间，安排适当的休息时间，避免车辆故障和驾驶人员疲劳驾驶。（3）社会角度：公交发车时刻表应该遵循公平、公正和公开的原则，充分考虑不同人群的出行需求，保证公共交通的服务质量和效率。同时，应该尽可能减少对城市交通的影响，在出行高峰期和繁忙路段适当增加公交车班次，以缓解交通拥堵和减少由于交通拥堵产生的环境污染。2.2.2发车时刻表编制方法编制公交发车时刻表最重要的是合理确定发车间隔和发车频率以及准确获取和处理客流数据。相邻两辆公交车在首站发车的时间间隔称为发车间隔，一般以分钟为单位。对于乘客而言，为了减少出行时间，提高出行效率，希望增加公交车辆的发车频率，减少公交车辆的发车间隔。对于公交公司而言，为了增加公司效益，最大化利用公交资源，减少空驶率和降低成本，希望发车间隔更大，发车频率更低。为了合理地确定发车间隔进而设计首站发车时刻表，必须权衡乘客和企业的出行成本，以达到整个出行系统成本最低的目的。当前根据发车间隔编制公交发车时刻表的方法可大致分为以下五类[19]：（1）固定发车间隔法：即每辆公交车发车时间相等，这种方法适用于公交线路容易预测乘客数量的情况。（2）渐进式发车间隔法：即前面的车越多后面的车发车间隔越长，这种方法可以避免繁忙时段出现车多人少的情况，但会带来操作管理难度。（3）排队式发车间隔法：即等待车辆队列顺序依据到站顺序依次出发，这种方法可以保证公交车按照时刻表频繁出发，但是需要班线统筹管理。（4）单位行车时间间隔法：即按照行车时间间隔来安排车辆发车，这种方法可以考虑车辆行驶路况，但可能会影响精简调度。（5）建模寻优法：以发车间隔为决策变量，考虑影响发车间隔的因素建立优化模型，针对约束条件得到最优目标函数，即最优发车间隔。本文对公交客流数据进行了收集、分析、整理，并建立了综合发车效益模型以确定各个时段内的最优发车间隔，最终得出了更优的公交发车时刻表。2.3发车时刻表编制关键点2.3.1客流数据采集采集公交客流数据是公交企业进行调度、配备、优化和规划的重要基础，但如何实现高效精确的采集一直是公交行业研究的难点。早期，由于技术的不足，只能采取人工调查方式来采集客流数据。虽然这种方式灵活，设备便宜且所得数据比较全面，但需要耗费大量人力、物力和时间成本，并且受调查人员素质和客观条件等因素的影响，数据的准确性和可靠性很难得到保证。近年来随着科学技术不断发展，现代信息技术采集方法发展迅速，能够节省大量人力、物力和财力，极大提高了数据采集准确度。目前，城市公交客流数据采集方法主要有人工计数法、线圈感应法、视频监控法以及刷卡数据采集法、GPS地理定位法、移动测量法。（1）人工计数法：人工计数法是最为传统的数据采集方法，即对进出站点的乘客进行人工计数。这种方法缺点在于准确性低、成本过高、容易产生误差，而且需要在较长时间内持续不断地进行统计监测。（2）线圈感应法：线圈感应法是利用感应线圈在车站旁边埋设磁感应线圈或建立无线网络，通过对车辆通过时的电子信号进行计数。该方法优点在于可以有效地减少人工成本和缩短统计周期，但是对于拥有多条车道的站点来说，统计面积无法完全覆盖，会造成一定程度的数据误差。（3）视频监控法：视频监控法是指在公交车站等交通场站内部安装有摄像头等设备，通过对客流进行拍摄和监测，利用图像识别技术对客流进行采集。该方法优点在于对客流数据的准确性较高、不受统计周期限制，缺点在于设备成本较高、需要专人进行数据采集与分析。（4）刷卡数据采集法：刷卡数据采集法是利用公交IC卡或者二维码进行乘车时的数据采集，可以方便地断面、线路、时间分析人流情况。刷卡数据采集法在数据获取的同时可以具备广播、广告和公告功能，可以有效地提高现场客流观测效率，是目前应用比较广泛的数据获取方式。乘客刷卡后数据会传输到IC数据管理中心，最后传输到信息数据库进行存储。公交IC卡数据采集流程如图2.1所示：图2.1IC卡数据采集收集流程图（5）GPS地理定位法：利用GPS地理定位技术可以对公交运行轨迹、车速等信息进行监控和记录，并得到车辆实时位置信息以及到达各站点的时间等数据。该方法优点在于可以对公交车实时追踪，准确记录下行驶路径、速度以及停留时间等信息。（6）移动测量法：利用移动设备比如手机app中收集的定位数据、wifi热点数据以及交通GPS信号，可以进行移动测量和客流行为模拟，对公交线路进行客流密度研究以及运力和适用性分析。2.3.2客流数据特性通过对公交客流数据的统计分析，了解乘客在公交线路上的时空分布状况。对不合理的客流数据进行恰当处理。为制定合理的时刻表建立一定的基础。客流数据主要两个特性：在空间和时间上的分布不均匀性[11]。空间特征：首先，不同线路的公交客流差异很大。在城市的不同区域会有明显的客流变化情况。不同路段的客流量也表现出不均匀性。对于同一条公交线路上的不同路段，由于周边环境和路况的不同，客流量会发生明显变化。例如，在一条贯穿市中心的公交线路上，停靠在市中心的一些车站客流量要比路线两端的车站高得多。其次，不同断面的空间客流量分布也不一致，在某一特定路段上，公交线路的客流量也会受到路面宽度、临近道路交通拥堵情况等的影响，通常会形成一些客流密集的断面。例如，一些客流密集的车站进出口或公交专用道的断面，都会在公交客流分析中被重点关注。图2.2客流在线路断面上的不均匀性最后，不同方向的客流也表现出不均匀性。对于公交客流来说，在某些线路上，在同一时间段内，上行和下行客流量并不相同。为了解决这种不均匀性，可以利用单向调度方法来节省车辆资源。然而采用这种方式也可能导致起点站和终点站的车辆闲置。因此，在调度过程中，需要确保线路起点站和终点站之间的连接以及车辆调度的合理设置。图2.3客流在线路上下行方向上的不均匀性时间特性：公交客流量在一天中的不同时段会有明显的周期性变化，例如早高峰、晚高峰和非高峰时段。这种周期性变化一般与人们的上下班、上学放学时间有关。还会随着季节的变化而发生变化。例如，在学校周边地区，公交客流量在学期期间会明显高于寒暑假期间。在节假日时段也会有明显变化，例如春节期间，公交客流量会明显减少。图2.4客流在不同时段的不均匀性2.3.3确定发车间隔编制公交发车时刻表的关键是确定发车间隔，发车间隔的影响因素主要有满载率，车辆核载，客流量等。目前确定发车间隔的方法主要有以下两种：（1）按客流分布情况计算根据客流的分布情况，常采用以下方式来计算发车间隔：∆t=60DC*M/P（2.1）式（2.1）中，DC表示为公交车型的乘客定员数；M表示计划的满载率；P表示一天中高峰小时内最大的断面客流量。(2）按线路配车数计算根据线路上所配备的车辆数以及线路行驶时间来确定发车间隔：∆t=(Tup+Tdown+2t0)/Y（2.2）公式（2.2）中，Tup表示线路上行的单程运行时长；Tdown表示线路下行的单程运行时长；t0表示车辆在首末站停靠等待发车的时长；Y表示线路的配车数量。2.4发车时刻表编制基本步骤公交时刻表编制主要分为以下三步：确定基础数据：制定公交线路的时刻表需要依据基础数据进行计算，这些基础数据包括公交线路的长度、道路情况、车辆的平均行驶速度、车辆发车站点的位置和数量、交通枢纽的位置等。这些数据的准确性对于时刻表的编制至关重要。确定参数，计算发车间隔：一旦收集了所需的基础数据，运营企业需要使用这些数据来确定各个公交站点的发车间隔。发车间隔指的是两辆车相继发车时间的间隔，旨在让公交车在最短的时间内满足所有乘客的出行需求，并且避免车辆之间的拥堵与碰撞。编制时刻表：根据之前确定好的基础数据和发车间隔参数，开始编制时刻表。编制时刻表的过程需要考虑到公交车辆的班次和行驶时间，以及在道路上需要克服的交通瓶颈和堵塞状况。时刻表也应该考虑到客流高峰期和低谷期，最终实现客运的平稳和高效。编制时刻表可能需要多次修改和调整，以确保最终时刻表的准确性和实用性。2.5本章小结本章介绍了发车时刻表的含义、用途、类型，并详细阐述了发车时刻表的编制原则和方法，包括客流数据的采集与发车间隔的确定。同时介绍了发车时刻表编制过程中的关键因素，并总结了基本的时刻表编制步骤：确定基础数据、计算发车间隔、编制时刻表。第3章发车综合效益模型建立3.1问题描述在公交运营调度中，发车时刻表的编制是至关重要的，而合理地确定发车间隔则是编制发车时刻表的关键。在公交运营过程中，公交企业和乘客是最重要的参与者，而发车间隔的设置对这两者有较大的影响。对于公交企业而言，发车间隔越小，发车频率越高，总发车次数会增加，导致车队规模变大，进而增加公交运营成本。对于乘客而言，发车间隔越小，发车频率越高，乘客的候车时间越短，进而提高公交吸引力和乘客满意度。考虑到这些因素，两者的利益存在着矛盾冲突。因此，如何设置合理的发车间隔，均衡乘客和公交企业两者的利益是当前学者应该密切关注的问题。本文综合考虑乘客出行成本和公交运营成本建立综合发车效益模型，迭代求解每辆公交车的发车时间，并在计算乘客在站点的等待时间和客流到达率方面进行优化，以制定更高效可行的公交发车时间表。3.2模型假设公交车辆在运行途中受多种外界环境因素的影响，为了更好地阐述研究问题，并使构建的模型易于操作和适用于广泛的情况，在进行模型构建时，需要理想化部分外部环境。本文在总结公交实际运行情况的基础上，做出如下假设：在线路上，所有公交车型相同，并且只考虑单向情况;各站点的候车环境基本相同;所有乘客都能够在其等到的第一辆车到达时上车，且不考虑排队情况；公交车按时刻表依次发车，依次到达，道路环境畅通且无交通事故的发生;每个乘客的单位等待时间成本相同；3.3模型变量定义模型中使用的符号说明如下：γ：乘客单位时间候车成本，元/min；Φ：每辆车每趟的折旧费用，元；δ：单位里程能耗成本，元/km；L：单趟行驶里程，km；S：每趟车单程运行的维护保养费用，元；R：每辆车单趟运行所需司机工资费用，元；ti：第i班车的发车时刻；tmin：最小发车间隔，min；tmax：最大发车间隔，min；Wj：站点j的乘客预计等待第i班车辆的时间成本，min；Ps：乘客出行时间总成本，元；Wc：公交企业发车运营成本，元；Q：整个出行系统成本，元；t(i－1，j)：第(i－1)班车到达站点j的时刻;t(i，j)：第i班车到达站点j的时刻；λj：站点j的客流到达率;Tk：表示公交车从站点(k－1)行驶至站点k的平均时间，min；m：表示站点数量，个；B：表示每趟车单程行驶总能耗费用。3.4模型构建3.4.1系统总成本本文公交系统的总成本由公交企业运营成本和乘客出行成本两大部分构成。乘客出行成本可细分为乘客等待时间成本和票价支出费用。公交企业运营成本可细分为司机工资、能耗费用、折旧费用、保养费用等组成。系统总成本构成结构如图3.1所示：图3.1系统成本结构构成3.4.2乘客出行成本乘客出行成本由乘客出行等待时间和票价支出两部分组成，由于所建立的综合发车效益模型是站在整个出行系统的角度合理设置发车间隔以保障乘客出行成本与公交运营成本的均衡。对于整个出行系统而言，乘客支付的票价是公交企业运营利润的一部分，因此在模型中，票价并未被纳入考虑。由于乘客数量和偶然因素的影响，公交车从发车到各站点的行驶时间并不相同，因此不能将各站点乘客候车时间等同于相邻两辆公交车的发车时间间隔。模型在此进行了优化，以同一线路上相邻两辆公交车到达各站的时间间隔作为计算区间，来计算站点乘客的累计等待时间。对于站点j，该站乘客预计等待第i班车辆的时间成本为[21]：（3.1） （3.2）若在时刻ti发出第i班车，则该班车所创造的服务价值即乘客出行时间总成本为：（3.3）3.4.3公交企业发车运营成本对于公交企业而言，每发出一辆公交车都要承担相应的公交车辆运营成本。公交车运营成本主要由车辆的行驶能耗费用，司机工资，折旧维护费用等组成。即公交企业发车运营成本为[21]： （3.4） （3.5）3.4.4目标函数及约束条件为达到整个出行系统成本最低的目的，需综合考虑公交公司发车运营成本与乘客等待时间成本。通过求解综合发车效益模型迭代后的发车时刻ti以制定发车时刻表。目标函数为以整个系统总成本最小为目标函数，可以表示为：minQ=Wc+Ps(3.6)受公交企业发车运营成本等因素影响，公交公司规定的最小发车间隔为，为保证公交服务水平的最大发车间隔为，则。3.4.5时刻表优化流程由公交发车运营成本公式（3.4）可得，针对某一特定线路，各参数是定值的情况下，每趟车的发车运营成本是固定的，因此公交运营成本可由发车班次确定。而乘客出行成本受车辆到站时刻和乘客到达率的影响，利用公式（3.3）进行迭代求解可得到乘客等待时间成本。以整个出行系统成本最低为目标函数建立综合发车效益模型，迭代求出各班次车辆的发车时刻，进而编制优化后的时刻表。本文所采用的综合发车效益模型进行时刻表优化流程如图3.2所示：图3.2时刻表优化流程图3.5本章小结本章在综合考虑乘客出行成本和公交企业运营成本的情况下，以发车间隔在最小发车间隔与最大发车间隔之间为约束条件，以整个出行系统成本最低为目标函数的优化模型。进而确定合理的发车时刻，为后续的实例分析编制时刻表打下基础。第4章实例分析4.1373线路基本概况重庆373路公交隶属于重庆南部公交回龙湾分公司，该线路上行方向为兰湖天至五江路，单向有32个站点和20辆正常运营的公交车，路线全长22.8公里，2023年计划营运收入708.41万元。早上6:20开班，晚上20:30收班，平均发车间隔为10分钟。该线路的早高峰是早上7点到9点，晚高峰是晚上5点到7点。该线路的具体站点分布情况如图4.1所示。图4.1重庆市373路公交路线图根据实地调查结合实习期间在公交公司获取的数据资料，373路公交上行(兰湖天-五江路)方向首站现状发车时刻表如表4.1所示：表4.1373线路上行方向现状首站发车时刻表首站发车时刻6:206:296:386:476:567:057:147:227:307:387:467:548:038:128:218:308:398:488:579:069:159:259:359:459:5510:0510:1510:2510:3510:4510:5511:0511:1511:2511:3611:4812:0012:1212:2412:3612:4813:0013:1013:2013:3013:4013:5014:0014:1014:2014:3014:4014:5015:0015:1015:2015:3015:4015:5016:0016:1016:2016:3016:4016:5017:0017:0917:1817:2717:3617:4517:5418:0318:1218:2118:3018:3918:4518:5419:0319:1219:2119:3019:4019:5020:0020:1020:2020:30根据实地调查结合在公交公司实习时获取的相关资料，373线路早上6:20开班，晚上20:30收班，日计划出车20辆，日计划班次176班，日计划公里3978.6km。现状各时段发车间隔如表4.2所示。该线路各站点站间距分布如表4.3所示：表4.2现状各时段发车间隔时段早高峰（7:00-9:00）晚高峰（17:00-19:00）平峰发车间隔（min）8-999-13表4.3373线路站点具体情况站点序号站点名称站间距（km）站点序号站点名称站间距（km）1兰湖天0.517海棠烟雨公园0.92回龙湾0.618龙门皓月13阳光美地0.319东水门大桥0.94南湖路0.620字水宵灯0.75南坪中学0.721玄坛庙0.96春风绿苑0.322南滨路钟楼0.57麦德龙0.423呼归石0.68大石路0.924南滨路工行0.79四小区0.825卫国路0.710南城大道0.426卫国路口0.811响水路0.727腾龙大道路口2.512南坪东路0.928轨道弹子石0.713福利社0.929朝天门大桥西0.814晓月路0.530五里店0.915晓月路口0.431珠江太阳城0.816总计海棠烟雨广场0.532五江路0.822.84.2站点选取与数据拟合通过跟车调查结合公交大数据平台调取的重庆373路公交2023年3月客流数据，得到该线路上行方向（兰湖天——五江路）空间和时间特征分布如图4.2，4.3所示：图4.2373路公交客流空间分布图图4.3373路公交各时段客流分布图上述公交客流时空分布图显示，该线路的早高峰是7:00-9:00。晚高峰是17:00-19:00，客流呈现双峰型分布。该线路各站点上下车人数差异较大，因此需要考虑不同时段不同站点的客流量差异合理设置发车间隔，以达到降低公交运营成本和减少乘客出行等待时间的目的。由于该线路单向有32个站点，且一天中有早晚高峰时段，为了简化计算，综合选取该线路上车人数较大以及具有代表性的15个站点(站点1、3、6、7、8、9、10、11、18、21、22、23、27、29、32)作为研究站点，本文最终的研究目的是优化晚高峰时段(17:00-19:00)的首站发车时刻表，由于单趟车辆的运行时间在70分钟左右，因此在晚高峰时段最后一辆车经过各站点时已经不在晚高峰时段，为了便于后续计算乘客等待时间成本，以(17:00-20:00)为研究时段,以30min为一间隔对各站点高峰客流进行统计，统计结果及各站站间距和站间平均行驶时间如表4.4所示:表4.417:00-19:00各站点上车人数情况时段17:00-17:3017:30-18:0018:00-18:3018:30-19:0019:00-19:3019:30-20:00站点站间/km行驶时间/min日均上车数/人100101113931031641865710770.42685661280.92104644690.811111137613100.420410653114.81515192412911182.6113118121210.92593557220.55324398230.6310132011272.816653356293.25200101322.710000000为得到各站点乘客到达率函数表达式，以便得出模型求解参数λj，需要通过上车人数求得乘客的到站规律，即拟合线路的公交客流期望到达率曲线，运用Excel对17:00-20:00各站点客流到达率进行多项式拟合。将选取的15个站点各时段客流数据代入Excel中选取适宜的函数进行拟合，P1，P2，P3，P4，P5为多项式系数，拟合过程图如4.4所示:图4.4部分站点客流数据拟合图为了减小计算误差，使得拟合函数符合实际客流情况，以可决系数Ｒ2≥0.8为目标进行拟合。运用不同函数进行多次拟合，最终采用四次多项式作为拟合函数，373线路的各站点客流数据拟合后的可决系数均大于0.8，得到拟合结果如表4.5所示：表4.5各站点客流到达率拟合结果站点jP1P2P3P4P5拟合结果10.2233-2.965412.204-17.90518.39130.3538-5.408827.968-58.73848.69360.0763-1.775213.87-42.10747.8987-0.07441.3404-7.516915.685-3.3194续表(4.5)各站点客流到达率拟合结果站点jP1P2P3P4P580.147-2.356913.167-30.4429.3590.0743-0.77751.9037-0.2569.8712100.0912-1.15723.61641.0952-3.8544110.0806-0.57-1.869914.6522.349118-0.32075.1368-29.85566.798-38.889λj=P1t4+P2t3+P3t2+P4t+P521-0.2063.2862-17.49835.357-15.72822-0.12031.6557-7.121911.583-3.169823-0.40096.3522-33.35163.571-25.89527-0.09431.3868-6.39629.85711.2534290.0751-1.20996.7237-15.0311.47632000004.3基本参数设置 （1）乘客单位时间候车成本根据重庆市统计局公布的数据，重庆市2022年城镇就业人员年平均工资为69819元，按照一年工作时间250日×8h/日计算，乘客的单位时间候车成本为：γ=年平均工资250×8×每辆车每趟的折旧费用根据商务部等五部委2013年颁布实施的《机动车强制报废标准规定》，公交客运汽车的使用年限为13年。373线路公交单辆购买费用为70万，每辆车单日运行4个来回记作8趟，每辆车每趟的折旧费用为：φ=购买费用13×365×8（4.每辆车单趟司机费用根据公交公司提供的数据，373线路公交司机平均月薪为5000元，每辆车单趟司机费用为：R=平均月薪每月工作趟数（4每趟车单程保养维护费用每辆车每天都要例行维修保养，则每趟车单程的维修保养费用为：S=日保养费用日运行趟数（4.单位里程能耗成本根据重庆市目前的用电收费标准和该型号公交车的发电机功率，可计算出每辆车单位里程能耗费用δ。其余各项参数值依据重庆市南部公交回龙湾分公司相关规定，具体的设置值如表4.6：表4.6各参数取值符号参数含义取值γ单位时间候车成本0.6元/minφ每辆车每趟的折旧费用18.44元δ单位里程能耗成本2.8元/kmL单趟行驶里程22.8.kmS每趟车单程的保养维护费8.33元R每辆车单趟司机工资费用30元tmin最小发车间隔7mintmax最大发车间隔13min4.4优化结果将17:00作为晚高峰第一班车发车时间，此时时刻记做0。即t1=0，随后将整理的各项参数和数据代入所建立的综合发车效益模型（公式3.6，求解代码和结果见附录3）中。利用Dev-C++迭代求得后续各班次车辆发车时刻为t2,t3,t4ti（ti<120)。整理后得优化后的首站发车时刻表如表4.7所示：表4.7309线路优化后的晚高峰首站发车时刻表班次发车时刻班次发车时刻班次发车时刻班次发车时刻117:00517:35918:161318:57217:08617:461018:24317:16717:541118:35417:24818:051218:46优化后的373线路在晚高峰(17:00-19:00)时段上行方向(兰湖天-五江路)首站共计发车13班次，相较于优化前在高峰时段减少了1班次。原时刻表在晚高峰时段为均匀发车，发车间隔均为9分钟，在实际的跟车调查过程中发现均匀发车并不能将公交资源利用最大化，公交车辆经过部分路段时空驶率较高。优化后的时刻表为不均匀发车，不仅充分利用了公交资源，合理降低了站点乘客等待时间，还降低了公交企业发车运营成本，更适用于该路段的实际情况。4.5可行性验证为了验证所采用的综合发车效益模型的可行性，需要对优化前后的公交企业发车运营成本、乘客等待时间成本、以及整个系统的出行成本进行求解。若优化后的时刻表所对应的整个出行系统成本相较于优化前有所降低，则验证了该模型的有效性。根据公式（3.3、3.4）结合相关参数利用Dev-C++求解出优化前以9分钟为发车间隔的晚高峰时刻表所对应的公交企业运营成本和乘客等待时间成本如图4.5所示。根据综合发车效益模型（3.6）迭代求解出优化后的各班次发车时刻以及对应的公交企业运营成本和乘客等待时间成本如图4.6所示：图4.5优化前公交运营成本和乘客等待时间成本图4.6优化后各班次发车时刻与成本为了定量验证优化方案的可行性，采用公交企业运营总成本、乘客等待时间成本、以及出行系统总成本三项指标衡量优化后对公交企业和乘客双方的影响效果，各项数值及变化率结果如表4.8所示：表4.8优化前后晚高峰时段各成本对比时刻表方案公交企业运营成本/元乘客等待时间成本/元出行系统总成本/元现状时刻表方案1688.541058.412746.95优化后的时刻表方案1567.93945.332513.26与现状方案对比/%-7.14-1