多层次、多运输方式下地面公交协同调度研究

高 华沈国江

（1.浙江交通职业技术学院信息学院，杭州 311112；

2.浙江工业大学计算机科学与技术学院，杭州 310023）

多层次、多运输方式下地面公交协同调度研究

高 华1沈国江2

（1.浙江交通职业技术学院信息学院，杭州 311112；

2.浙江工业大学计算机科学与技术学院，杭州 310023）

大力发展公共交通可以有效缓解城市区域内日益严重的交通拥堵和汽车尾气污染，科学合理的公交调度则是提高公交运营效益的关键所在。大中城市多层次、多运输方式的综合公交体系正在快速发展和完善，必须加强对多层次、多运输方式下地面公交协同调度的研究和探索。本文分析了城市中公交出行的多样性需求，以杭州为例介绍了多层次、多运输方式的综合公交体系，并对现在公交调度的研究和现状进行了综述概括。最后，重点论述了多层次、多运输方式下地面公交协同调度的特点及实现途径。

多层次；多运输方式；协同公交调度

引言

随着我国社会经济的发展，汽车保有量迅猛增长，交通拥堵成为城市治理的难点之一。由于相对于家用轿车，公交车辆具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低、人均占用道路少等一系列优势[1]，大力发展公交交通，引导人们公交出行已经成为公认的解决城市交通拥堵的根本措施，而科学合理的公交车辆和人员调度则是充分发挥公交运输效益的前提条件和根本措施之一。有鉴于此，相关人员对公交调度进行了大量的研究[2]～[9],但相关研究主要集中在单条公交线路的调度，而在城市公交线路层次和运输方式日益丰富下，如何有效实现多层次、多运输方式下地面公交的协同调度，以提高公交运营的综合效益，还有待进一步的深入研究。

1 多层次、多运输方式的城市公交体系日益发展和完善

1.1 城市交通出行需求的多样性日益显著

随着我国城镇化的不断发展，我国城市规模不断扩大，据相关统计，截至2014年年底，我国人口城镇化率已达54.77%，其中6个城市人口规模超过千万，人口规模超过500万的城市数量则达到80余个。城市人口总体规模的不断扩大，一方面带来城区常驻人口规模的相应增长，另一方面则必然带来交通出行的多样化需求。比如：

1.1.1 工作人口上、下班的出行需求

工作人口上、下班的出行需求是城市公交出行需求的主力，也是城市交通早、晚高峰形成的主要原因。其出行需求特点主要是时间段相对固定、出行需求规模庞大、潮汐现象明显、上下车站点分散，对时间紧迫性要求较高。

1.1.2 中、小学生的交通需求

接送幼儿园以及中、小学生上下学也是现在城市交通出行的主要需求之一，相对于其他形式的交通需求，该出行需求具有时间段相对集中、中心点相对分散、公交出行需求强烈等特点。

1.1.3 晨练休闲人员的出行需求

随着我国社会老龄化的日益发展和城市生活环境的不断改善，以退休老人为主的晨练休闲交通需求日益显现。此类交通出行的特点主要有：中心点相对集中，主要以老人较为集中的社区和城市适合晨练休闲的景点为主；但时间紧迫性要求相对宽松。

1.1.4 市区过境人流的出行需求

城市市区的过境人流主要是指作为区域交通枢纽的城市内，市区外人口到市区换乘长途出行交通工具所形成的交通流量，如城市内长途汽车站、火车站、较大型的水运码头之间的换乘客流。出行需求特点是：地点相对集中，主要集中在城市的长途汽车站、火车站、客运码头；时间段相对分散，与长途汽车、火车以及客轮的到达班次和时间密切相关；希望公交车辆能够一站直达。

上述城市区域内公众出行的多样化需求，对公交车辆和司乘人员的调度提出了不同的要求，是公交调度过程中必须考虑的主要因素。

1.2 城市公共交通体系在不断发展和完善

为了适应城市交通需求多样化的发展，提高城市公共交通的运输效率，越来越多的城市开始建设多层次、多运输方式的综合公共交通体系。以著名旅游城市杭州为例，市规划局编制完成的《“公交都市”实施策略规划研究》，明确提出了打造“五位一体”的综合公共交通体系，主要包括：

（1）以轨道交通为主干的快速、大容量的公共交通通道。主要是规划建设轨道交通网络，打造市区和城市周边之间的快速、大容量公共交通运输通道。

（2）以快速公交BRT为骨干的地面公交干线运输网络。通过规划和建设公交专用道、使用大容量公交车，打造地面公交干线网络，承担大运量公交走廊的客流运输。

（3）以水上BUS、小区支线BUS、出租车、公交自行车为补充的公共交通支线和末端系统。其中小区支线BUS采用容量较小的公交车辆，线路设计主要穿行于一定区域的各住宅小区之间；公共自行车站点则尽量靠近住宅小区和工作场所周边，水上BUS站点也主要设置于河道沿岸的住宅小区或沿岸景点和商业设施附近。人们可以先通过小区支线BUS、水上BUS和公共自行车到达相应公交站点，再通过地面公交干线或轨道交通实现快速、较远距离的公交出行。可见，公交支线和末端系统可以起到为地面公交干线和轨道交通汇聚和疏散客流的作用，以充分发挥地面公交干线和地下轨道交通的快速、大运量的优势。

从上述杭州的公交体系规划可见，现在的综合公共交通体系已经呈现出多层次（公交干线、公交支线、末端的公共自行车）、多运输方式（轨道交通、地面公交车辆、水上BUS、公交自行车）的明显特点。据调查了解，国内其他较大型城市的公共交通交通体系也已经或正在向着多层次、多运输方式的综合公交体系发展。城市公交体系的多层次、多运输方式的发展和完善，必然对地面公交的调度提出新的要求。

2 城市公共交通调度研究及应用现状

2.1 公交调度相关研究情况

公交调度可以看作以客流量变化和各种运输条件为变量，以乘客和公交企业的利益最大化为目标的多目标约束函数优化。在特定约束条件下，通过合理安排行车时刻表和司乘人员排班表等来实现公交企业成本和乘客服务水平的最优化。国内、外相关人员对此进行了大量研究。

2.1.1 国外研究情况

西方发达国家对公交调度进行了深入研究。如1984年Ceder就提出了四种确定发车时刻表的方法，其中两种是基于站点数据，另外两种是基于断面数据，分别是每日客流最大法，站点客流最大法，断面客流法，基于断面客流法同时保障服务水平的改进法[2]。1988年，Leblanc提出基于方式划分配流模型，针对不同线路确定发车频率，并同时考虑了居民不同出行方式、公交分担率、道路拥挤对公交发车频率的影响[3]。2001年，Ceder利用遗传算法以同一时刻到达站点的车辆数最多为目标对公交调度进行了研究[4]。在多场站、多车型的调度研究方面，2005年Natalia Kliewer等人提出基于时间空间网络通过修正和优化两个阶段的方法来获取近似最优解，但是对于实际需求的考虑有所欠缺[5]。国外其他人员也对公交调度的相关问题进行了研究。

2.1.2 国内研究情况

国内对于公交调度的研究起步较晚，但正日益受到相关部门和研究人员的重视。如牛学勤、王炜等于2003年就城市公交发车频率模型进行优化，考虑了乘客满意度和企业满意度，以它们的加权平均值最大为目标，建立了发车频率优化模型，并给出了求解办法[6]。2004年，沈吟东对公交区域运营模式在我国的应用进行研究，论文对区域调度在我国应用的可能性、必要性、效益做了一个评估[7]。童刚于2005年利用遗传算法，以乘客和公交公司的利益最大化为目标进行公交调度研究[8]。许梦菲2013年在硕士论文中基于Ceder确定发车频率与发车间隔经典算法，并考虑了行车延误因素，提出改进后的模型[9]。

2.1.3 研究情况综述

综合来看，相关研究在公交调度优化目标上，主要集中在车队规模、乘客等待时间、拥挤费用、环境污染等方面；在优化模型上，对于单车场的调度有最小分解模型、分配模型、网络流模型等，对于多车场调度模型主要有单商品模型、多商品模型、时空网络模型等；在研究方法上，主要包括数学解析方法、模拟方法、随机模型方法、经验模型方法等。现在研究比较成熟的公交单线调度和公交静态调度，对于区域协调调度方面的研究还比较少，不够全面。

2.2 公交调度的实际应用现状

国际上，日本在上世纪70年代率先采用公交车定位系统，以辅助公交车辆的调度，80年代又将乘客自动计数器运用到公交车上，实现了客流的实时统计，上世纪90年代则研发了城市公共交通综合运输控制系统(CTCS)，从而使日本的公交调度水平持续提高。美国早在上世纪80年代建立了智能公共交通系统(APTS)，实现了公交车辆的实时调度和公交信息的实时发布。在欧洲，城市智能公交调度管理系统也已被广泛应用，慕尼黑、罗马、南安普敦、巴黎等城市利用智能公交监控与调度系统，来提高公交车辆运行速度、准点到达率。

国内来看，1998年北京公交总公司开展了我国第一个综合性ITS项目即“北京市公交总公司智能化调度系统总体方案设计与示范工程”，同年，杭州第一次将GPS技术引入到公交调度管理中。1999年，上海第一条利用GPS技术进行公交调度的公交线路投入运行。2002年，国家选择北京、杭州等十个城市进行智能交通示范城市试点。2004年， 海信智能公交调度系统示范工程在青岛公交多条线路上正式启用，实现了国内公交智能调度的巨大飞跃。目前，国内北京、武汉、上海、厦门、海口、广州等多个城市正在建设智能公交系统。

3 多层次、多运输方式下地面公交协同调度研究

较大城市的公交出行需求日益呈现出多样化特征，公共交通体系正日益向着多层次、多运输方式的方向发展，而现在的地面公交调度却仍在沿用“计划靠经验、调度靠人工”的传统调度模式，且以各公交线路的单线静态调度为主，严重制约了公交运输效益的充分发挥。因此，必须对多层次、多运输方式下地面公交的协同调度进行研究。

3.1 多层次、多运输方式下地面公交协同调度的主要特点

多层次、多运输方式下地面公交的协同调度，是指在考虑多层次、多运输方式的公交综合运输体系的前提下，在一定的区域范围内，通过多条公交线路与其他运输方式的协同调度，更加高效地实现客流的快速疏解运输，尽可能同时满足乘客和公交运营企业利益的最大化需求。此处的“协同调度”，既指一定区域内不同公交线路之间的协同调度，也指地面公交调度时和其他运输方式之间的协同。相对于单条公交线路的调度而言，多层次、多运输方式下地面公交的协同调度具有如下特点：

3.1.1 所涉主体更加多样

多层次、多运输方式下的地面公交协同调度，所涉及的运载工具主体和运营主体都具有较强的多样性。从运载工具主体来看， 包含城市范围内承载公共运输功能的轨道交通车辆、地面公交车辆、公交自行车、出租车等，对于像杭州这样的多河道城市，甚至还要包括水上巴士，现在还要包括日益兴起的网约车辆。一方面，不同的公共交通运载工具都会分担一部分市区的出行客流；另一方面，不同的公共交通运载工具有着各自的运行特性，如：线路、速度、费用等，从而适合于不同的出行需求。从运行主体来看，不同形式的运载工具可能有着不同的运行主体，轨道交通、地面公交、长途客运、出租车、网约车往往分属于不同的运营主体。

3.1.2 所需信息更加广泛

多层次、多运输方式下的公交协同调度需要采集所涉不同运载工具、不同运营主体的相关客流变化信息，所需信息更加广泛。具体包括公交线路本身的车辆运行信息，历史和实时客流信息，以及与公交线路相衔接的轨道交通、长途汽车客运、公共自行车等不同运输方式的客流集散相关信息，公交线路所经城市道路的施工、管制、拥堵相关信息等。

3.1.3 实现技术更加复杂

鉴于多层次、多运输方式下地面公交协同调度所需信息的广泛和繁杂，信息量的急剧增加不可避免地带来信息分析和处理技术的复杂化；另一方面，在编制多层次、多运输方式下地面公交协同调度的调度算法时，所要考虑的优化目标以及所涉及的约束条件都将增多，无疑也会带来相应建模和解算技术复杂程度的增加。

3.2 多层次、多运输方式下地面公交协同调度的实现途径

考虑多层次、多运输方式下地面公共交通协同调度的上述特点，以及国内公交运行的现实环境条件，实现多层次、多运输方式下地面公共交通协同调度可采取如下可行途径：

3.2.1 采用各种物联网技术，及时获取不同公共运载工具的实时运行信息

及时、正确地获取公共交通运载工具的运行信息，是实现动态实时调度的基础和关键。对于多层次、多运输方式下的地面公共交通协同调度而言，需要实时获取各相关运载工具的实时运行信息，主要包括：相关车辆（船舶）运行的实时位置、预计到站时刻、车辆内的乘客数量、车辆本身设施运转情况、公交线路所经市区道路的通行状况等。对于上述信息的获取，现在蓬勃发展的各种物联网技术，无疑为此提供了丰富的技术手段，因此，应加大物联网技术在智能交通、智能化车辆相关领域的研究，充分利用物联网技术，及时获取公交车辆调度所需的相关信息。

3.2.2 出台相关管理政策，促进不同主体之间的信息共享

如前所述，在多层次、多运输方式的综合公共交通体系下，不同类型公共交通工具运行主体不同，通常牵涉到市内地面公交公司、轨道交通运营公司、城市长途客运公司、船运公司等相关运营主体，而市内道路的通行状况信息则又往往掌握在交通管理部门手中。现实情况下，不同运营主体和管理部门的相关信息往往互不相通，这无疑给多层次、多运输方式下的地面公交协同调度带来了困难。这就需要政府相关部门出台相应政策，促进不同主体之间的信息共享，通过信息共享，不仅可以实现不同公共交通运营主体之间的合作共赢，也可为政府相关部门的决策提供依据。据悉，浙江杭州已经在建设城市“数据大脑”，整合了各相关部门的信息资源，利用大数据、云计算等相关技术对各种信息进行整合分析，其分析结果也可为城市多层次、多运输方式下的公交协同调度提供决策依据和参考。

3.2.3 探索新的调度算法，实现城市公交智能化协同调度

由于多层次、多运输方式下的地面公交协同调度，所需要的信息量更大，所牵涉到的优化目标和约束条件更多，这就需要相关研究人员对传统的多目标优化算法进行相应的改进，甚至需要研究新的调度优化模型，并探索新的调度模型解算方法，从而逐步实现多层次、多运输方式的综合公共交通体系下的公交智能化协同调度。

4 结束语

引导人们公交出行是缓解城市交通拥堵、减少城市大气污染的重要途径之一，而科学合理的公交调度则是提高公交运行效率、增强公交出行吸引力的基础。随着大中城市多层次、多运输方式的综合公共交通体系发展，公交调度迫切需要从传统的单条公交线路的静态调度，转向多层次、多运输方式下的区域协同调度，需要政府相关部门、公交运营企业以及相关研究人员对多层次、多运输方式下的区域协同调度进行理论研究和实践探索。

[ 1 ] 李晋.基于时空网络的城市常规公交多车场车辆调度问题研究[D]. 北京：北京交通大学，2012年学位论文.

[ 2 ] Ceder A. Bus frequency determination using passenger count data[J]. Transportation Research Part A: General, 1984, 18(5): 439-453 .

[ 3 ] Leblanc L. J.. Transit system network design[J]. Transportation Research Part B: Methodological, 1988, 22(5): 383-390 .

[ 4 ] Ceder A,Golany B,Tal 0.Creating bus timetables with maximal synchronization[J]．Transportation Research Part A：Policy and Practice，2001，35(10)：913-928．

[ 5 ] Vitali Gintner, Natalia Kliewer, and Leena Suhl.Solving large multiple-depot multiple-vehicle-type bus scheduling problems in practice[J].Operations Research-Spektrum,2005,27(4):507-523 .

[ 6 ] 牛学勤,陈茜,王炜.城市公交线路调度发车频率优化模型[J]. 交通运输工程学报, 2003, 3(4): 69-72 .

[ 7 ] 沈吟东.《公交区域运营模式在我国的应用研究》[J].科技进步与对策, 2004,21(8):88-90.

[ 8 ] 童刚.《遗传算法在公交调度中的应用研究》[J]. 计算机工程,2005,31(13):29-31.

[ 9 ] 许梦菲.《单线公交发车频率优化及行车时刻表编制研究》[D].武汉：华中科技大学, 2013学位论文.

The Research on Bus Cooperative Scheduling Under the View of the Multi-level and Multi-transport Mode

(1.college of information , Zhejiang Institute of Communication, Hangzhou 311112;
2. College of Computer Science and Technology, Zhejiang University of Technology Hangzhou 310023)
Gao Hua1Shen Guojiang2

By vigorously developing public transport in city, the traffi c congestion and air pollution can be reduced, and scientifi c bus scheduling is the key factor to improve the benefi t of public transport.In the Large and medium-sized cities, the integrated public transport system with multi-level and multi-transport mode is developing and improving rapidly, the research on bus cooperative scheduling under the view of the multi-level and multi-transport mode must be studied and practical explored. In this paper, the sundry travel demands in city is analyzed, then, the integrated public transport system with multi-level and multi-transport mode in Hangzhou is introduced as an example, the researching and applying present situation of the bus scheduling is reviewed. At last, the features and realizing method of bus cooperative scheduling under the view of the multi-level and multi-transport mode are discussed emphatically.

Multi-level; Multi-transport Mode; Cooperative Bus Scheduling

U491.1+22

A

课题项目：浙江省交通运输厅科技研究项目“多层次、多运输方式下地面公共交通系统智能调度方法研究”

（项目编号：2014T08）阶段性研究成果