运输组织学课程设计正文.doc

《交通运输组织学》课程设计》
第一章 背景分析

1.1 社会背景
公共交通是城市发展的必然产物，也是城市赖以生存的重要基础设施之一，它作为城市交通系统中一个重要组成部分，是城市整体发展中不可缺少的物质条件和基础产业，也是联系社会生产、流通和人民生活的纽带。公交系统具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低等优点。因此，要解决大、中城市目前普遍存在的交通拥挤、交通事故频繁和环境污染等问题，应特别重视优先发展城市公共交通。它已经被世界各国公认为解决大中城市交通问题的最佳策略，是城市交通可持续发展的必由之路。
在城市交通系统中，公共交通客运的特点是定时、定线、定站。所谓定时是指公共交通线路的首末车时间、发车间隔等是根据运营作业计划事先确定的；所谓定线是指公共交通的线路走向按照客流规律设置；所谓定站是指公共交通线路所途经的停站地点是根据客流需要选定的，它们都具有相对稳定性，都是公交系统对社会的承诺，是衡量公交服务水平的指标。因此，它们在一定时期内都不能轻易改变。在公共交通运输管理工作中，运营组织与调度是核心的内容，是实现定时、定线、定站的基本保证。良好的运营组织与调度管理可保障公交系统以最少的人力、物力投入即可满足客流的需求，确保运营计划的执行。
随着社会经济的发展和城市人口的增长，城市居民出行量不断增加，道路交通容量日趋饱和，交通问题日益突出。由于城市公共交通具有运量大、相对投资少、人均占有道路少等优点，各地政府及交通管理部门逐渐认识到，解决城市交通问题必须优先发展城市公共交通。城市公交调度问题是城市公共交通的核心内容。合理的公交调度，可以有效地缓解运力和运量的矛盾，最大限度地平衡乘客和公交公司的利益，降低乘客的出行成本，改善市民的出行状况；同时也可以增加公交车辆的运行效率，提高城市公交系统的管理水平，提高公交公司的经济效益和社会效益。 对于一条大运量的城市公交线路，由于公交客流在空间、时间上存在着不均衡性，会经常出现高峰时段乘客过分拥挤、平峰时段车辆满载率不高的现象，造成了有限资源的大量浪费。城市公交车辆组合调度正是基于运力与运量相平衡的思想，以全程车为基本的调度形式，并根据线路客流的分布情况辅以其它调度形式的一种运输组织方式。 准确、合理的客流数据是进行公交车辆组合调度的前提和基础。

1.2 城市公交调度优化的目的和意义
运营调度是公共交通运输企业工作的核心部分，企业的经济效益和社会服务质量直接受此影响。根据客流分布特征和需求信息来确定公交车辆的发车间隔可以提高公交服务的可靠性，改善公交企业的服务质量，从而更多地吸引城市居民选择公共交通这种方式来完成出行。例如在客流高峰期，如果某条公交线路上出现某些站点或区段客流量较其他站点或区段明显增加的现象，我们如果再采用常用的均衡时刻调度表很难取得明显的效果，而此时若采用开行全程车同时辅以区间车或大站快车的方案，可以及时疏散客流量比较大的站点所在乘客，很明显可以降低企业的经济成本，从而解决均衡时刻表所不能解决的问题。因此如何优化公交系统调度问题，对于城市交通的各种问题的缓解、城市居民的出行状况的改善都具有重要的现实意义。

1.3 长沙市城市公交调度现状和问题
长沙市是湖南省的省会，是华中地区重要的工商业城市，长江中游城市群中心城市之一。长沙市位于湖南省东部偏北，湘江下游和长浏盆地西缘，东邻江西省宜春地区和萍乡市，南接株洲、湘潭两市，西连娄底、益阳两市，北抵岳阳、益阳两市。
长沙市人口稠密、外来人员众多，相当具有发展公交企业的条件。城区主干道有五一路、芙蓉路、韶山路、中山路、黄兴路、湘江路、潇湘路、人民路和“六桥三环” 。六桥三环：橘子洲大桥（一桥）、银盆岭大桥（二桥）、猴子石大桥（三桥）、三汊矶大桥（四桥）、黑石铺大桥（五桥）、月亮岛大桥（六桥）、一环线、二环线、三环线。由于跨越主城区的湘江一、二、三桥的过江交通流量一直处于超负荷运行，造成长沙交通拥堵，也长期为市民诟病。长沙也在城市的东南西北各设立了长途汽车站，在长沙火车站设立了长株潭客运汽车站，连接长沙国道有106国道、107国道和319国道。
在我国，越来越多的大城市面临着拥挤的交通问题，这一问题不仅严重影响了居民的出行，而且对社会经济的发展也有极大地制约。由于城市化进程的加快以及城市人口的增多，且交通需求在时间、空间上均存在不平衡性的特点，城市公共交通很难满足人们日益增长的出行需求，特别是在上下高峰期和节假日期间。乘客上车后车辆十分拥挤，还可能要换乘两次及以上的车辆才能到达目的地，还有因交叉口堵塞和车流过多而损耗时间，因此提高公共交通的服务质量以及运行效率成为了广大城市居民的迫切需求。
但在实际运行操作中，还是会遇到很多棘手的问题。城市公交调度系统主要还是采用的经验型调度方式，对发出的车辆是实际情况不能及时了解，无法科学合理的调度安排车辆，造成人力物力上的资源浪费。这种现行的调度机制还存在以下几个问题：
（1） 调度主要靠人力，技术手段落后。
很多公交调度仍然采用由线路主调度室签发路单，然后依靠司机传递路单，最后到站后依靠调度签发到站时间和车辆返程时间这种手工操作方式，很多新的公交调度技术如智能交通系统、GPS和乘客自动计数系统等都没有在现实中取得应用。调度人员不了解车辆在道路上的运行情况、线路上的客流量、已发车辆的运行情况，而是依然按照先前制定的时刻表进行调度，必然会造成资源的浪费或是乘客候车时间过长，而从乘客的角度来说，他们不清楚所乘坐车辆的信息从而无法做出最佳的出行选择。
（2）调度计划的制定主要以经验为主。
由于调度人员缺乏对乘客、车辆和道路信息的了解，往往只能依靠直觉和经验来制定调度计划。虽然根据以往的客流分布特征可以做出经验型决策，但客流在时间、空间、方向上均存在不平衡性，因此根据经验所做出的调度计划往往保障不了科学性和正确性，从而导致公交资源的不合理配置和公交企业的效益下降。
（3）调度计划的实时性不准确。
公交企业的调度一般集中在始发点和终点上，而对于沿线各站点的客流情况不能够做到实时监控，因此也就无法做到实时调度，此外企业在制定调度计划时的周期比较长，如果需要调整那么需要花很长时间。
（4） 运营调度管理人员素质亟待提高。
大部分公交企业基层运营调度人员众多，水平参差不齐，大多数人员只能按部就班，这些限制了公交调度管理的水平，而且新技术的应用需要有较高层次的专门人才来操作和使用。
（5） 制定调度运营指标的问题。
对每个城市的公家企业来说，都有一个最大发车间隔和最小发车间隔的指标，这些是政府部门为了保障居民的出行而做出的，从满足居民需求出发是好的，但是在很多城市，这些指标是没有经过仔细的调研而采取一刀切的方式，这样极大地损害了公交企业的利益，因为现在的公交企业也是市场经济的产物，不再是以前单纯的公益性事业。公交企业不能充分发挥灵活调度的特性，人为地制约了调度计划的更优化实施，甚至由此影响居民的出行质量。

第二章 长沙市104路公交客流调查结果分析

2.1 客运量分析
本课题选取具有代表性的104路公交车作为研究对象，并根据前期的调查研究所采集的数据进行统计处理，分析出104路公交线路客流的一些特征为优化调度提供准确的基础数据。
104路公交车从省交通运输厅开往长沙火车站，共计30个站点。具体如下题2-1所示。

图2-1 104公交路线图
通过计算可以得出104路各时断客运量及客运量小时系数的变化情况，考虑到一个星期内客流量变化，工作日（周一～周五）和周末（周六～周日）客流规律是不一致的，所以本文把客流按照周一～周五，周六～周日来进行分类汇总建库，如下表所示。
表2-1 104路公交各时段客运量及小时系数
时间段
客流量（人次/天）
小时系数(%)
周一 ~ 周五
周六 ~ 周日
周一 ~ 周五
周六 ~ 周日
6:00-7:00
68
48
0.30
0.22
7:00-8:00
466
355
2.08
1.63
8:00-9:00
1943
1258
8.70
5.77
9:00-10:00
2689
1645
12.04
7.54
10:00-11:00
1368
1287
6.13
5.90
11:00-12:00
987
943
4.42
4.32
12:00-13:00
1158
1045
5.19
4.79
13:00-14:00
1236
1687
5.53
7.73
14:00-15:00
1078
1342
4.83
6.15
15:00-16:00
1095
1487
4.90
6.82
16:00-17:00
1184
1329
5.30
6.09
17:00-18:00
1759
2275
7.88
10.43
18:00-19:00
3367
3278
15.08
15.02
19:00-20:00
2913
2874
13.04
13.17
20:00-21:00
1022
965
4.58
4.42
合计
22333
21818
100
100

表2-2 周一到周五和周六到周日的客流量趋势图

表2-3 周一到周五和周六到周日的小时系数趋势图
上表中，表2-2代表周一到周五和周六到周日的客流量趋势，表2-3代表着周一到周五和周六到周日的小时系数趋势，周一到周五上午就出现了客流高峰期，时间集中集中在8：00-11：00，小时系数分别为8.7%、12.04%、6.13%，下午的高峰期出现在17：00-20：00之间，小时系数分别为7.88%、15.08%和13.04%。
而在周末，上午的高峰期主要出现在9：00-11：00之间，小时系数分别为7.54%和5.90%，下午的高峰期出现在17：00-20：00，小时系数为10.43%、15.02%和13.17%。

2.2 公共汽车生产调度的基本思想
城市公共汽车现场调度是根据车辆运行作业计划的要求，结合现场客流的实际情况，在行车现场直接对车辆和行车人员发布行车指令的一项经济、频繁、基础的工作，它是保证行车作业计划切实执行的主要环节，是提高公共交通服务质量的一项综合性组织工作，公共交通线站现场调度的基本任务可归纳为：1.确保正常的行车间隔；2.及时恢复行车的次序；3.灵活调整车辆的行使线路；4.及时的增减车辆与运能。公共交通车辆线站现场调度的基本方法可归纳为：1.调频法、调能法、调线法；2.调站法、调程法和调向法。
通过公共交通企业建立的各级调度机构，及时而全面地了解公共交通生产进程，并进行不间断的组织指挥和监督检查，正确处理生产中出现的各种矛盾，使各个生产环节和作业能协调得工作，在确保运输质量的前提下，争取完成和超额完成客运任务。

2.2.1 车站乘客到达流
获取线路沿线车站乘客到达规律的最直接的办法是派工作人员进行各个车站调查，但这种方法需要的工作人员较多，获取线路沿线车站乘客到达规律的另一种办法是随车调查法，但在调查完成后要做换算将各车次的乘客上车流转换为各车站的乘客到达流，它的主要优点是调查所需要的工作人员较少。
所以，本论文研究采用了随车调查的方法。随车调查方法不仅可以减少工作人员，而且获取的数据均匀性好，便于采用典型抽样调查方法，另外，随车调查方法还便于采用车载记数仪器记录方法来代替人工作业。用车载记数仪器长期记录乘客上下车客流具有成本低，工作稳定的特点，采用车载记数仪器长期记录乘客上车客流代替大规模的工作人员随车调查记录将是今后发展的方向。

2.2.2 车站乘客流失率
从首站发出一个车次后，车辆依次到达各车站，各车站乘客上车的人数应服从车站乘客到达流规律，但如果乘客在车站等候时间过长，一部分人可能会离去或选择其他交通工具，等待的时间长短不同，流失的乘客比例是不一样的。本文用乘客流失率来表示乘客因等待而流失的情况。由于高峰时段和平、低峰时段乘客等车的耐心是不一样的，故对于不同的时段采用了不同的流失率。具体情况如下表所示。
表2-4 车站乘客流失率
等待时间（分）
早低峰
早高峰
平峰
晚高峰
晚低峰
3
0.00
0.10
0.00
0.10
0.00
4
0.00
0.11
0.00
0.12
0.00
5
0.00
0.15
0.10
0.14
0.00
6
0.00
0.20
0.13
0.18
0.00
7
0.00
0.29
0.14
0.25
0.00
8
0.00
0.36
0.18
0.30
0.12
9
0.09
0.51
0.24
0.35
0.15
10
0.16
0.56
0.30
0.47
0.20
11
0.17
0.75
0.36
0.53
0.26
12
0.26
0.83
0.41
0.57
0.32
13
0.29
0.90
0.46
0.62
0.43
14
0.41
0.93
0.52
0.70
0.62

第三章 公交调度模型及解析

3.1 概况
主要思想是通过逐步改变发车时间间隔用计算机模拟各个时间段期间的系统运行状态，确定最优的发车时间间隔，但计算量过大，对初值依赖性强。等效法是基于先来先上总候车时间和后来先上的总候车时间相等的原理，通过把问题等价为后来先上的情况，巧妙地利用“滞留人数”的概念，把原来数据大大简化了。很快而且很方便地就可求出给定发车间隔时的平均等待时间，和在给定平均等待时间的情况下的发车间隔，但该方法只能对不同时段分别处理。结合前两种方法的优点提出等效时间步长法，即从全天时段内考虑整体目标，使用等效法为时间步长法提供初值，通过逐步求精，把整个一天联合在一起进行优化。通过对模型计算结果的分析，我们发现由于高峰期乘车人数在所有站点都突然大量增加，而车辆调度有滞后效应，从而建议调度方案根据实际情况前移一段适当的时间。在模型的进一步讨论和推广中，我们还对采集运营数据方法的优化、公共汽车线路的通行能力以及上下行方向发车的均衡性等进行了讨论。
在求具体发车时刻表时，利用等效时间步长法，较快地根据题中所给出的数据设计了一个较好的照顾到了乘客和公交公司双方利益的公交车调度方案，给出了两个起点站的发车时刻表，得出了总共需要49辆车，共发440辆次。
早高峰期间等待时间超过5分钟的人数占早高峰期间总人数的0.93%，非早高峰期间等待时间超过10分钟的人数占非早高峰期间总人数的3.12%。引入随机干扰因子，使各单位时间内等车人数发生随机改变。在不同随机干扰水平下，对推荐的调度方案进行仿真计算，发现平均抱怨度对10%的随机干扰水平相对改变只有0.53%，因此该方案对随机变化有很好的适应性，能满足实际调度的需要。

3.2 问题的提出
公共交通是城市交通的重要组成部分，做好公交车的调度对于完善城市交通环境、改善市民出行状况、提高公交公司的经济和社会效益，都具有重要意义。下面考虑一条公交线路上公交车的调度问题，其数据来自我国一座特大城市某条公交线路的客流调查和运营资料。该条公交线路上行方向共14站，下行方向共13站，题中给出了典型的一个工作日两个运行方向各站上下车的乘客流量统计。公交公司配给该线路同一型号的大客车，每辆标准载客100人，据统计客车在该线路上运行的平均速度为20公里/小时。运营调度要求，乘客候车时间一般不要超过10分钟，早高峰时一般不要超过5分钟，车辆满载率不应超过120%，一般也不要低于50%。
试根据这些资料和要求，为该线路设计一个便于操作的全天（工作日）的公交车调度方案，包括两个起点站的发车时刻表；一共需要多少辆车；这个方案以怎样的程度照顾到了乘客和公交公司双方的利益。

3.3 模型假设与说明
1．题目中所给出的一个工作日的乘客流量统计数据是具有代表性的；
2．工作日每天同一时间的乘客流量大致相等；
3．在任何时刻车辆上的人数不能多于120人；
4． 每个乘客都严格遵守先到先上车的规则；
5． 在公交线路上所有车辆总能正常通行，不考虑诸如堵车、交通事故等意外情况；
6．不考虑公交车在各站的停车时间，即乘客上下车均在瞬间完成；
7．公交车在公路上行驶速度处处相等，都等于题目中给出的平均速度；

3.4 符号系统
l上：公交路线上行方向的总路程；
l下：公交路线下行方向的总路程；
v：客车行驶的平均速度；
u：上行车辆第i段时间内的发车时间间隔；
w：下行车辆第i段时间内的发车时间间隔；
ρ：乘客的抱怨度；
N：一共需要的车辆数；
S：一天总的发车次数；
η：平均每车次的载客率；
q：在第i时间段内上车的总人数；
r：一天的乘车总人数；

3.5 问题分析与模型的建立
3.5.1 问题分析
本题要求设计全天(工作日)的公交车调度方案，这里需要考虑乘客和公交公司两方面的利益，是一个多目标的优化问题。其中可以供选择的目标函数主要有：
1).乘客候车时间要尽量短；
2).候车时间超过5分钟乘客数要尽量少；
3).公交公司所需的总车辆数尽量少；
4).全天范围内，发车的总次数尽量少；
5).平均每车次的载客率尽量高等等。
以上的目标可以用乘客利益和公司利益分为两类，这两类目标是相互冲突的，不可能同时达到最大。工作日的早高峰正是多数乘客上班的时间，也是一天中乘坐公交车人数的高峰期，所以这段时间里所需的车辆数也是最多的。从乘客的方面考虑，早上上班迟到对他的利益的损失相当大，因此乘客希望候车时间一般不要超过5分钟。这时应以乘客的抱怨程度尽量小为主要目标，求得公交公司在早高峰期间的所需的最少车辆数。在其余时间段里，乘客候车时间一般不要超过10分钟，这时考虑到公交公司的利益使其在这段时间内所发的总共发车的车次总数最少，以及提高每车次的载客率为主要目标。
因此我们首先确定出早高峰期，针对早高峰期的数据，在一定的乘客抱怨水平下，求出共需多少辆车，然后再根据全天其它时段的数据，并综合其它指标求出两个起点站的发车时刻表。
由于题目中所给出的仅是各站一个小时上下车人数的数据，对于我们的计算而言太过粗糙。首先想到的是运用题中的数据对每一车站在各时段上车和下车的人数进行分布拟合，但这样做也有很大的缺点，因为各时段每个站点上下车人数受上下班时间以及道路沿线工厂等因素影响很大，从而导致各时段前后相关性很小。而对各时段上车和下车的人数进行分布拟合就人为的增加了各时间段的上下班人数的相关性，与实际情况不符。
实际中如果把统计做的更细致或者知道那些影响上下车人数分布的因素，就可以较好的求出这些分布；由于缺乏我们对这些情况得了解，所以我们假设各站的上下车人数在各个时间段（一小时）内分布是均匀的，即E[numik（t，Δti）]=λ（Δti）= numik/Δti，其中numik（t，Δti）表示在[t，Δti]内上车的人数。

3.5.2 模型的建立
为了更好的建立模型，首先要明确下面几个问题：
1）时间段的划分：假设在题目中给出的各时段（一小时）内，各车站上下车的乘客人数分布均匀，这样就可将全天分为18个时间段，分别对每一个时间段进行考虑，并认为每个时间段内的发车间隔时间Δti上和Δti下分别为常数，但两者不一定相等。
2）对下行方向的处理：从题中数据可以看出上行方向比下行方向多一个车站A1，我们对此的处理是在下行方向同样也补上一个车站A1，并且令这个车站在任何时段上车和下车的人数均为0。
3）对乘客平均抱怨度的定义：考虑到一个人的抱怨程度是一个模糊的表述，它与候车时间的长短有关，候车时间越长，抱怨程度越大，但候车时间足够短时又不会抱怨。
4)总车辆数的确定: 一天所需的总车辆数N等于各时段所需的总车辆数Ni中的最大值，即N=g（Δti上，Δti下）=max{N1，N2，„，N18}，而每一时段所需的总车辆数由上行车辆数、下行车辆数，加开车辆数三部分组成，有Ni=Ni上+Ni，下+ Ni。其中这里[·]表示对括号内的数取整。
5)对平均每车次的载客率的定义：考虑到每车次的运营成本基本不变，这样 平均每车次的载客数目的多少就能反映公司的利益。于是我们定义平均每车次载客率定义为：η=num总/S 即：
式中代表第i时段在第j车站到上车人数（包括上行和下行）；代表第
第i时段上行或下行的发车时间间隔。 时段的时间间隔；
平均每车次的载客率的高低直接反映了一个调度方案对于公交公司的收益率。一般地乘坐公交车是按次计费的，所以总上车人数即反映了公交公司一天的收入，而总发车次数则反映了公交公司一天的支出。
6）据以上分析，我们建立如下模型：目标：min E[ρ]=E[f（Δti上，Δti下）]，min N=g（Δti上，Δti下），minmax η=num总/S。
调度要求： 这里[•]表示对括号内的数取整，1．每辆车上承载的人数不超过120人；2．在给定时间段Ti＝60（分）内Δti上，Δti下为定值。

3.6 模型的求解
3.6.1 解法分析
在我们建立的模型中的多个目标中，总共需要的车辆数N 涉及到公司建立一条公交线路的初始投资，每辆车所需的资金巨大，应被首先考虑。而要确定总共需要的车辆数，只需求出早高峰期（我们根据题中给出的数据，假设早高峰期为7：00—8：00和8：00—9：00两个时段）内所需的车辆数即可。
考虑到实际求解过程中，对于前面模型中所定义的抱怨度在各个时间段内对于不同等待时间长度取值问题，可以通过实际的调查数据得到；简化地想，如果对应所有的区间，顾客等待时间长度大于5分钟时都取1，而小于5时都取0，那么这是所定义的抱怨度直观意义就是指所有时间内等待时间超过5分钟的人数占总人数的比值，但显然着这种定义太粗糙；由于缺乏实际的调查，我们在以下求解过程中对抱怨度在各个时间段内对于不同等待时间长度取值作以下假定：早高峰期间γ，γi1--γi4i1--γi4分别取[0 0.3 1 1.5 2.4]；而其它时间段内分别取[0 0.15 0.5 0.75 1.2]。

3.6.2 解法一：时间步长法
总体思路：在给定的假设原则下，通过逐步改变发车时间间隔用计算机模拟各个时间段期间的系统运行状态，确定最优的发车时间间隔。为简化计算，可以设定每个车站单位时间内上下车人数分别正比于该车站在这个时间段上下车的总人数，即numik（t，Δti）=λ（Δti）= numik/Δti。
运行步骤：
1)初始发车时间间隔，i=1,2,„,18；
2)设置初始状态。模拟时钟、终点时间；
3)设置每个车站等车人数以及待发车辆的最初状态；
4)判断是否需要发车以及是否有车到站，并更改一次各车站等车人数及运行车辆的状态。其中运行车辆的状态包括实际承载人数和空余座位数。判断是否到了终点时间？——若是，转5）；否则转2）；
5)统计整个过程中各区间等车时间超过5分钟以上的人数，对这些人加权求和，然后除以该过程总的上车人数得到平均抱怨程度。判断是否大于给定的目标抱怨度？——若大于给定值则转1），并改变发车时间间隔Δti；否则，给出结果并转公交车调度方案的优化设计；
6)结束。

3.6.3 解法二：等效时间步长法
时间步长法虽然将全天的数据作为一个整体来处理，充分考虑到各时间段的数据对相邻时间段可以较好的模拟出全天公交车的运营情况，并且给出对乘客抱怨度较为精确的描述；但Δti是一个向量，我们对于初值的确定缺乏依据，而导致大量盲目的搜索。
另一方面，等效法可方便快捷的给出在平均等待时间T平约束下各段的发车时间间隔；但其在于只对每个时间段内的数据进行处理，而没有考虑到上一时间段遗留下来的人对本时间段的影响及遗留的人对下一时间段的影响。因此算出的结果对于全天来说是就不见得特别好了。

第四章 总结

本课题意在研究现有条件下的城市公共交通调度优化问题，论文以长沙市104路公共汽车车辆调度决策为研究对象；通过对公交客流的发生机理的系统分析、公共交通线路每日客流的分析，在此基础上研究建立公共交通运输车辆优化调度理论，在保证满足客运服务需求的前提下，探求最经济有效的车辆调度对策方案。通过对此课题的研究，我了解到了城市公交优化对居民、社会所带来的深远意义，这不仅可以更好服务于市民，更有利于城市建设的加强。只有提高社会基础设施的建设，才能更好的发展、壮大国家。

参考文献
[1] 张庆年. 大城市公共交通发展研究. 武汉理工大学学报 2001
[2] 王炜，过秀成. 交通工程学.南京：东南大学出版社，2000
[3] 戴彤焱，孙学琴. 运输组织学. 机械工业出版社，2006

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