高 華沈國江

（1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息學(xué)院，杭州 311112；

2.浙江工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023）

多層次、多運輸方式下地面公交協(xié)同調(diào)度研究

高 華1沈國江2

（1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息學(xué)院，杭州 311112；

2.浙江工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023）

大力發(fā)展公共交通可以有效緩解城市區(qū)域內(nèi)日益嚴(yán)重的交通擁堵和汽車尾氣污染，科學(xué)合理的公交調(diào)度則是提高公交運營效益的關(guān)鍵所在。大中城市多層次、多運輸方式的綜合公交體系正在快速發(fā)展和完善，必須加強對多層次、多運輸方式下地面公交協(xié)同調(diào)度的研究和探索。本文分析了城市中公交出行的多樣性需求，以杭州為例介紹了多層次、多運輸方式的綜合公交體系，并對現(xiàn)在公交調(diào)度的研究和現(xiàn)狀進行了綜述概括。最后，重點論述了多層次、多運輸方式下地面公交協(xié)同調(diào)度的特點及實現(xiàn)途徑。

多層次；多運輸方式；協(xié)同公交調(diào)度

引言

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，汽車保有量迅猛增長，交通擁堵成為城市治理的難點之一。由于相對于家用轎車，公交車輛具有運載量大、運送效率高、能源消耗低、相對污染少、運輸成本低、人均占用道路少等一系列優(yōu)勢[1]，大力發(fā)展公交交通，引導(dǎo)人們公交出行已經(jīng)成為公認(rèn)的解決城市交通擁堵的根本措施，而科學(xué)合理的公交車輛和人員調(diào)度則是充分發(fā)揮公交運輸效益的前提條件和根本措施之一。有鑒于此，相關(guān)人員對公交調(diào)度進行了大量的研究[2]～[9],但相關(guān)研究主要集中在單條公交線路的調(diào)度，而在城市公交線路層次和運輸方式日益豐富下，如何有效實現(xiàn)多層次、多運輸方式下地面公交的協(xié)同調(diào)度，以提高公交運營的綜合效益，還有待進一步的深入研究。

1 多層次、多運輸方式的城市公交體系日益發(fā)展和完善

1.1 城市交通出行需求的多樣性日益顯著

隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，我國城市規(guī)模不斷擴大，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，截至2014年年底，我國人口城鎮(zhèn)化率已達54.77%，其中6個城市人口規(guī)模超過千萬，人口規(guī)模超過500萬的城市數(shù)量則達到80余個。城市人口總體規(guī)模的不斷擴大，一方面帶來城區(qū)常駐人口規(guī)模的相應(yīng)增長，另一方面則必然帶來交通出行的多樣化需求。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。其出行需求特點主要是時間段相對固定、出行需求規(guī)模龐大、潮汐現(xiàn)象明顯、上下車站點分散，對時間緊迫性要求較高。

1.1.2 中、小學(xué)生的交通需求

接送幼兒園以及中、小學(xué)生上下學(xué)也是現(xiàn)在城市交通出行的主要需求之一，相對于其他形式的交通需求，該出行需求具有時間段相對集中、中心點相對分散、公交出行需求強烈等特點。

1.1.3 晨練休閑人員的出行需求

隨著我國社會老齡化的日益發(fā)展和城市生活環(huán)境的不斷改善，以退休老人為主的晨練休閑交通需求日益顯現(xiàn)。此類交通出行的特點主要有：中心點相對集中，主要以老人較為集中的社區(qū)和城市適合晨練休閑的景點為主；但時間緊迫性要求相對寬松。

1.1.4 市區(qū)過境人流的出行需求

城市市區(qū)的過境人流主要是指作為區(qū)域交通樞紐的城市內(nèi)，市區(qū)外人口到市區(qū)換乘長途出行交通工具所形成的交通流量，如城市內(nèi)長途汽車站、火車站、較大型的水運碼頭之間的換乘客流。出行需求特點是：地點相對集中，主要集中在城市的長途汽車站、火車站、客運碼頭；時間段相對分散，與長途汽車、火車以及客輪的到達班次和時間密切相關(guān)；希望公交車輛能夠一站直達。

上述城市區(qū)域內(nèi)公眾出行的多樣化需求，對公交車輛和司乘人員的調(diào)度提出了不同的要求，是公交調(diào)度過程中必須考慮的主要因素。

1.2 城市公共交通體系在不斷發(fā)展和完善

為了適應(yīng)城市交通需求多樣化的發(fā)展，提高城市公共交通的運輸效率，越來越多的城市開始建設(shè)多層次、多運輸方式的綜合公共交通體系。以著名旅游城市杭州為例，市規(guī)劃局編制完成的《“公交都市”實施策略規(guī)劃研究》，明確提出了打造“五位一體”的綜合公共交通體系，主要包括：

（1）以軌道交通為主干的快速、大容量的公共交通通道。主要是規(guī)劃建設(shè)軌道交通網(wǎng)絡(luò)，打造市區(qū)和城市周邊之間的快速、大容量公共交通運輸通道。

（2）以快速公交BRT為骨干的地面公交干線運輸網(wǎng)絡(luò)。通過規(guī)劃和建設(shè)公交專用道、使用大容量公交車，打造地面公交干線網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)大運量公交走廊的客流運輸。

（3）以水上BUS、小區(qū)支線BUS、出租車、公交自行車為補充的公共交通支線和末端系統(tǒng)。其中小區(qū)支線BUS采用容量較小的公交車輛，線路設(shè)計主要穿行于一定區(qū)域的各住宅小區(qū)之間；公共自行車站點則盡量靠近住宅小區(qū)和工作場所周邊，水上BUS站點也主要設(shè)置于河道沿岸的住宅小區(qū)或沿岸景點和商業(yè)設(shè)施附近。人們可以先通過小區(qū)支線BUS、水上BUS和公共自行車到達相應(yīng)公交站點，再通過地面公交干線或軌道交通實現(xiàn)快速、較遠距離的公交出行?？梢?，公交支線和末端系統(tǒng)可以起到為地面公交干線和軌道交通匯聚和疏散客流的作用，以充分發(fā)揮地面公交干線和地下軌道交通的快速、大運量的優(yōu)勢。

從上述杭州的公交體系規(guī)劃可見，現(xiàn)在的綜合公共交通體系已經(jīng)呈現(xiàn)出多層次（公交干線、公交支線、末端的公共自行車）、多運輸方式（軌道交通、地面公交車輛、水上BUS、公交自行車）的明顯特點。據(jù)調(diào)查了解，國內(nèi)其他較大型城市的公共交通交通體系也已經(jīng)或正在向著多層次、多運輸方式的綜合公交體系發(fā)展。城市公交體系的多層次、多運輸方式的發(fā)展和完善，必然對地面公交的調(diào)度提出新的要求。

2 城市公共交通調(diào)度研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 公交調(diào)度相關(guān)研究情況

公交調(diào)度可以看作以客流量變化和各種運輸條件為變量，以乘客和公交企業(yè)的利益最大化為目標(biāo)的多目標(biāo)約束函數(shù)優(yōu)化。在特定約束條件下，通過合理安排行車時刻表和司乘人員排班表等來實現(xiàn)公交企業(yè)成本和乘客服務(wù)水平的最優(yōu)化。國內(nèi)、外相關(guān)人員對此進行了大量研究。

2.1.1 國外研究情況

西方發(fā)達國家對公交調(diào)度進行了深入研究。如1984年Ceder就提出了四種確定發(fā)車時刻表的方法，其中兩種是基于站點數(shù)據(jù)，另外兩種是基于斷面數(shù)據(jù)，分別是每日客流最大法，站點客流最大法，斷面客流法，基于斷面客流法同時保障服務(wù)水平的改進法[2]。1988年，Leblanc提出基于方式劃分配流模型，針對不同線路確定發(fā)車頻率，并同時考慮了居民不同出行方式、公交分擔(dān)率、道路擁擠對公交發(fā)車頻率的影響[3]。2001年，Ceder利用遺傳算法以同一時刻到達站點的車輛數(shù)最多為目標(biāo)對公交調(diào)度進行了研究[4]。在多場站、多車型的調(diào)度研究方面，2005年Natalia Kliewer等人提出基于時間空間網(wǎng)絡(luò)通過修正和優(yōu)化兩個階段的方法來獲取近似最優(yōu)解，但是對于實際需求的考慮有所欠缺[5]。國外其他人員也對公交調(diào)度的相關(guān)問題進行了研究。

2.1.2 國內(nèi)研究情況

國內(nèi)對于公交調(diào)度的研究起步較晚，但正日益受到相關(guān)部門和研究人員的重視。如牛學(xué)勤、王煒等于2003年就城市公交發(fā)車頻率模型進行優(yōu)化，考慮了乘客滿意度和企業(yè)滿意度，以它們的加權(quán)平均值最大為目標(biāo)，建立了發(fā)車頻率優(yōu)化模型，并給出了求解辦法[6]。2004年，沈吟東對公交區(qū)域運營模式在我國的應(yīng)用進行研究，論文對區(qū)域調(diào)度在我國應(yīng)用的可能性、必要性、效益做了一個評估[7]。童剛于2005年利用遺傳算法，以乘客和公交公司的利益最大化為目標(biāo)進行公交調(diào)度研究[8]。許夢菲2013年在碩士論文中基于Ceder確定發(fā)車頻率與發(fā)車間隔經(jīng)典算法，并考慮了行車延誤因素，提出改進后的模型[9]。

2.1.3 研究情況綜述

綜合來看，相關(guān)研究在公交調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)上，主要集中在車隊規(guī)模、乘客等待時間、擁擠費用、環(huán)境污染等方面；在優(yōu)化模型上，對于單車場的調(diào)度有最小分解模型、分配模型、網(wǎng)絡(luò)流模型等，對于多車場調(diào)度模型主要有單商品模型、多商品模型、時空網(wǎng)絡(luò)模型等；在研究方法上，主要包括數(shù)學(xué)解析方法、模擬方法、隨機模型方法、經(jīng)驗?zāi)Ｐ头椒ǖ取，F(xiàn)在研究比較成熟的公交單線調(diào)度和公交靜態(tài)調(diào)度，對于區(qū)域協(xié)調(diào)調(diào)度方面的研究還比較少，不夠全面。

2.2 公交調(diào)度的實際應(yīng)用現(xiàn)狀

國際上，日本在上世紀(jì)70年代率先采用公交車定位系統(tǒng)，以輔助公交車輛的調(diào)度，80年代又將乘客自動計數(shù)器運用到公交車上，實現(xiàn)了客流的實時統(tǒng)計，上世紀(jì)90年代則研發(fā)了城市公共交通綜合運輸控制系統(tǒng)(CTCS)，從而使日本的公交調(diào)度水平持續(xù)提高。美國早在上世紀(jì)80年代建立了智能公共交通系統(tǒng)(APTS)，實現(xiàn)了公交車輛的實時調(diào)度和公交信息的實時發(fā)布。在歐洲，城市智能公交調(diào)度管理系統(tǒng)也已被廣泛應(yīng)用，慕尼黑、羅馬、南安普敦、巴黎等城市利用智能公交監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)，來提高公交車輛運行速度、準(zhǔn)點到達率。

國內(nèi)來看，1998年北京公交總公司開展了我國第一個綜合性ITS項目即“北京市公交總公司智能化調(diào)度系統(tǒng)總體方案設(shè)計與示范工程”，同年，杭州第一次將GPS技術(shù)引入到公交調(diào)度管理中。1999年，上海第一條利用GPS技術(shù)進行公交調(diào)度的公交線路投入運行。2002年，國家選擇北京、杭州等十個城市進行智能交通示范城市試點。2004年， 海信智能公交調(diào)度系統(tǒng)示范工程在青島公交多條線路上正式啟用，實現(xiàn)了國內(nèi)公交智能調(diào)度的巨大飛躍。目前，國內(nèi)北京、武漢、上海、廈門、?？凇V州等多個城市正在建設(shè)智能公交系統(tǒng)。

3 多層次、多運輸方式下地面公交協(xié)同調(diào)度研究

較大城市的公交出行需求日益呈現(xiàn)出多樣化特征，公共交通體系正日益向著多層次、多運輸方式的方向發(fā)展，而現(xiàn)在的地面公交調(diào)度卻仍在沿用“計劃靠經(jīng)驗、調(diào)度靠人工”的傳統(tǒng)調(diào)度模式，且以各公交線路的單線靜態(tài)調(diào)度為主，嚴(yán)重制約了公交運輸效益的充分發(fā)揮。因此，必須對多層次、多運輸方式下地面公交的協(xié)同調(diào)度進行研究。

3.1 多層次、多運輸方式下地面公交協(xié)同調(diào)度的主要特點

多層次、多運輸方式下地面公交的協(xié)同調(diào)度，是指在考慮多層次、多運輸方式的公交綜合運輸體系的前提下，在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，通過多條公交線路與其他運輸方式的協(xié)同調(diào)度，更加高效地實現(xiàn)客流的快速疏解運輸，盡可能同時滿足乘客和公交運營企業(yè)利益的最大化需求。此處的“協(xié)同調(diào)度”，既指一定區(qū)域內(nèi)不同公交線路之間的協(xié)同調(diào)度，也指地面公交調(diào)度時和其他運輸方式之間的協(xié)同。相對于單條公交線路的調(diào)度而言，多層次、多運輸方式下地面公交的協(xié)同調(diào)度具有如下特點：

3.1.1 所涉主體更加多樣

多層次、多運輸方式下的地面公交協(xié)同調(diào)度，所涉及的運載工具主體和運營主體都具有較強的多樣性。從運載工具主體來看， 包含城市范圍內(nèi)承載公共運輸功能的軌道交通車輛、地面公交車輛、公交自行車、出租車等，對于像杭州這樣的多河道城市，甚至還要包括水上巴士，現(xiàn)在還要包括日益興起的網(wǎng)約車輛。一方面，不同的公共交通運載工具都會分擔(dān)一部分市區(qū)的出行客流；另一方面，不同的公共交通運載工具有著各自的運行特性，如：線路、速度、費用等，從而適合于不同的出行需求。從運行主體來看，不同形式的運載工具可能有著不同的運行主體，軌道交通、地面公交、長途客運、出租車、網(wǎng)約車往往分屬于不同的運營主體。

3.1.2 所需信息更加廣泛

多層次、多運輸方式下的公交協(xié)同調(diào)度需要采集所涉不同運載工具、不同運營主體的相關(guān)客流變化信息，所需信息更加廣泛。具體包括公交線路本身的車輛運行信息，歷史和實時客流信息，以及與公交線路相銜接的軌道交通、長途汽車客運、公共自行車等不同運輸方式的客流集散相關(guān)信息，公交線路所經(jīng)城市道路的施工、管制、擁堵相關(guān)信息等。

3.1.3 實現(xiàn)技術(shù)更加復(fù)雜

鑒于多層次、多運輸方式下地面公交協(xié)同調(diào)度所需信息的廣泛和繁雜，信息量的急劇增加不可避免地帶來信息分析和處理技術(shù)的復(fù)雜化；另一方面，在編制多層次、多運輸方式下地面公交協(xié)同調(diào)度的調(diào)度算法時，所要考慮的優(yōu)化目標(biāo)以及所涉及的約束條件都將增多，無疑也會帶來相應(yīng)建模和解算技術(shù)復(fù)雜程度的增加。

3.2 多層次、多運輸方式下地面公交協(xié)同調(diào)度的實現(xiàn)途徑

考慮多層次、多運輸方式下地面公共交通協(xié)同調(diào)度的上述特點，以及國內(nèi)公交運行的現(xiàn)實環(huán)境條件，實現(xiàn)多層次、多運輸方式下地面公共交通協(xié)同調(diào)度可采取如下可行途徑：

3.2.1 采用各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，及時獲取不同公共運載工具的實時運行信息

及時、正確地獲取公共交通運載工具的運行信息，是實現(xiàn)動態(tài)實時調(diào)度的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。對于多層次、多運輸方式下的地面公共交通協(xié)同調(diào)度而言，需要實時獲取各相關(guān)運載工具的實時運行信息，主要包括：相關(guān)車輛（船舶）運行的實時位置、預(yù)計到站時刻、車輛內(nèi)的乘客數(shù)量、車輛本身設(shè)施運轉(zhuǎn)情況、公交線路所經(jīng)市區(qū)道路的通行狀況等。對于上述信息的獲取，現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無疑為此提供了豐富的技術(shù)手段，因此，應(yīng)加大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通、智能化車輛相關(guān)領(lǐng)域的研究，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，及時獲取公交車輛調(diào)度所需的相關(guān)信息。

3.2.2 出臺相關(guān)管理政策，促進不同主體之間的信息共享

如前所述，在多層次、多運輸方式的綜合公共交通體系下，不同類型公共交通工具運行主體不同，通常牽涉到市內(nèi)地面公交公司、軌道交通運營公司、城市長途客運公司、船運公司等相關(guān)運營主體，而市內(nèi)道路的通行狀況信息則又往往掌握在交通管理部門手中?，F(xiàn)實情況下，不同運營主體和管理部門的相關(guān)信息往往互不相通，這無疑給多層次、多運輸方式下的地面公交協(xié)同調(diào)度帶來了困難。這就需要政府相關(guān)部門出臺相應(yīng)政策，促進不同主體之間的信息共享，通過信息共享，不僅可以實現(xiàn)不同公共交通運營主體之間的合作共贏，也可為政府相關(guān)部門的決策提供依據(jù)。據(jù)悉，浙江杭州已經(jīng)在建設(shè)城市“數(shù)據(jù)大腦”，整合了各相關(guān)部門的信息資源，利用大數(shù)據(jù)、云計算等相關(guān)技術(shù)對各種信息進行整合分析，其分析結(jié)果也可為城市多層次、多運輸方式下的公交協(xié)同調(diào)度提供決策依據(jù)和參考。

3.2.3 探索新的調(diào)度算法，實現(xiàn)城市公交智能化協(xié)同調(diào)度

由于多層次、多運輸方式下的地面公交協(xié)同調(diào)度，所需要的信息量更大，所牽涉到的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件更多，這就需要相關(guān)研究人員對傳統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化算法進行相應(yīng)的改進，甚至需要研究新的調(diào)度優(yōu)化模型，并探索新的調(diào)度模型解算方法，從而逐步實現(xiàn)多層次、多運輸方式的綜合公共交通體系下的公交智能化協(xié)同調(diào)度。

4 結(jié)束語

引導(dǎo)人們公交出行是緩解城市交通擁堵、減少城市大氣污染的重要途徑之一，而科學(xué)合理的公交調(diào)度則是提高公交運行效率、增強公交出行吸引力的基礎(chǔ)。隨著大中城市多層次、多運輸方式的綜合公共交通體系發(fā)展，公交調(diào)度迫切需要從傳統(tǒng)的單條公交線路的靜態(tài)調(diào)度，轉(zhuǎn)向多層次、多運輸方式下的區(qū)域協(xié)同調(diào)度，需要政府相關(guān)部門、公交運營企業(yè)以及相關(guān)研究人員對多層次、多運輸方式下的區(qū)域協(xié)同調(diào)度進行理論研究和實踐探索。

[ 1 ] 李晉.基于時空網(wǎng)絡(luò)的城市常規(guī)公交多車場車輛調(diào)度問題研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2012年學(xué)位論文.

[ 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 ] 牛學(xué)勤,陳茜,王煒.城市公交線路調(diào)度發(fā)車頻率優(yōu)化模型[J]. 交通運輸工程學(xué)報, 2003, 3(4): 69-72 .

[ 7 ] 沈吟東.《公交區(qū)域運營模式在我國的應(yīng)用研究》[J].科技進步與對策, 2004,21(8):88-90.

[ 8 ] 童剛.《遺傳算法在公交調(diào)度中的應(yīng)用研究》[J]. 計算機工程,2005,31(13):29-31.

[ 9 ] 許夢菲.《單線公交發(fā)車頻率優(yōu)化及行車時刻表編制研究》[D].武漢：華中科技大學(xué), 2013學(xué)位論文.

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

課題項目：浙江省交通運輸廳科技研究項目“多層次、多運輸方式下地面公共交通系統(tǒng)智能調(diào)度方法研究”

（項目編號：2014T08）階段性研究成果