片区城乡公交时刻表编制与车辆调度综合优化

片区城乡公交时刻表编制与车辆调度综合优化

姜晓红*1，过秀成2，沈涵瑕2，龚小林1

【摘 要】 通过构建双层规划模型，综合优化片区城乡公交时刻表编制与车辆调度.其中，上层片区城乡公交车辆调度问题以公交企业综合运营成本最小为目标，实现多线路多车辆多车场的车辆时序指派，采用禁忌搜索算法求解；下层片区城乡公交时刻表优化问题为实现线路在所有换乘节点的换乘总时间及换乘失败惩罚最小，同时确保换乘节点的时刻表协同先后次序，采用运行图与枚举法进行求解；选用慈溪南片城乡公交线路进行实例应用.结果表明，该方法能较好地应用于工程实践中，直观反映片区线路组织的运行计划，进一步满足乘客便捷换乘需求与企业车辆资源的有效配置. 【期刊名称】交通运输系统工程与信息 【年(卷),期】2019(019)003 【总页数】8

【关键词】 交通工程；片区城乡公交；运行图；时刻表编制；车辆调度 修回日期：2019-02-25 录用日期：2019-03-07

基金项目：国家自然科学基金(青年)/National Natural Science Foundation of China(71701099)；江苏省社会科学基金/Social Science Research Foundation of Jiangsu Province(18WTA009).

0 引 言

城乡公交主要指联系乡村地区的公共交通，包含连接城区到镇(街道)的城镇公交干线，镇到村的镇村公交支线，相邻镇之间的镇镇公交支线.相较于区域公交的定义，片区城乡公交的范围稍微小些，以城区到乡镇的干线定位片区，关联

性较强的乡镇到村及村村之间可形成多点放射型或区域内环型线网结构，使得镇—村、村—村线路与城镇公交主干线形成一个片区.片区城乡公交组织主要是通过调配相邻线路运力来实现片区内运力资源的整合，涉及片区时刻表编制与车辆调度两个子问题.为保证乘客换乘便捷性与企业运营效益，片区多线路时刻表编制过程中需要协同换乘点的发车时刻同步性，多线路运力调配在完成任务班次的基础上尽可能减少车辆数与空驶成本.

基于区域公交时刻表与车辆调度两者的有机联系，国内外学者研究综合集成优化问题的解决方法.现有方法有两种：①顺序集成，依次解决时刻表或车辆调度子问题，该方法在筛选前序子问题的最优解时很可能会舍弃整体最优解；②完全集成，一个模型一个算法一次性解决两个子问题.相关成果如下：Chakroborty 等研究了车辆数约束下的多线路单换乘点网络的优化问题[1].Castelli等研究基于车辆数约束的最小化运营成本基础上服务更多乘客[2].刘志刚建立双层规划模型，上层车辆调度模型中以各线路所需车辆总数及空驶时间最小为目标，下层时刻表生成模型中以乘客总换乘时间最短为目标，引入协同系数描述换乘需求强度，提出禁忌搜索算法求解[3].Guihaire 等基于现有时刻表构建包含运营成本，车辆数，换乘节点数量与强度，等间隔发车，空驶时间的加权目标函数[4].Ibarra Rojas等研究限定时间窗的多线路单车场调度优化，以最小化车辆数和最大化同步换乘量为加权目标函数[5]；Laporte等考虑乘客出行路径选择偏好与运营成本限制，两者均采用约束法求解帕累托最优解[6].Fonseca等构建换乘成本与运营成本加权目标函数，提出一种精确启发式算法求解[7].

现有研究通常构建最小化乘客成本与运营成本的加权目标函数，本文考虑权重

取值问题而选用双层规划模型.由于城乡公交线路班次少，乘客一旦换乘失败会有很长的等待时间，因此有必要增加适当的失败惩罚.片区城乡公交干支线客流量、换乘点需求差异明显，协同换乘点到发时间时需有先后顺序，现有研究引用经过换乘点线路数描述协同系数[3]，或是将换乘量作为优化目标之一[4-7]，但是如何更好地依据换乘量调整换乘点到发时刻的先后顺序是有待研究的内容.另外现有建模利用数学、运筹学等精确方法，或某种启发式算法进行求解，在工程实践中较难操作；实践中易操作的运行图是轨道交通领域中的一种技术，已有学者将其应用至城市公共交通运营管理中[8-9].结合城乡公交特征，本文尝试发挥运行图简明、形象化、实践易操作等优点，将其应用于片区城乡公交时刻表与车辆调度综合优化中.

1 构建双层规划模型

1.1 问题描述

片区城乡公交时刻表编制与车辆调度综合优化问题，描述为一类双层规划问题：上层规划是实现公交企业运营成本最小化的多车场多线路的车辆时序指派问题；下层规划是以片区内乘客出行换乘总时间与换乘失败惩罚最小为目标的多条城乡公交线路时刻表优化问题.在现状时刻表基础上，下层时刻表优化模型产生1组满意解供上层车辆调度模型比选，进而产生最佳车辆调度方案及相应的片区城乡公交时刻表. 1.2 上层规划模型 (1)模型假设.

片区内城乡公交线路运行的每条线路每个车次都能按照时刻表执行且准时到站；所有车辆车型统一；每一条线路上下行被视作独立的研究对象，每个车次有且