基于GPS GIS技术的公交行车时刻表优化方法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 4.15MB 70 页 15积分

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摘要

当前交通拥挤成为大、中城市亟待解决的问题，优先发展城市公共交通系统

不失为解决交通问题的有效途径。在国家大力发展公共交通、提倡“节约、减排、

低碳、环保”的大背景下，论文围绕智能公交调度系统以及行车计划表的相关理

论与实现技术展开研究，主要包括常规公交线路的客流采集、处理、预测，公交

线路行车计划表优化的流程与方法，以及设计与实现等内容。

论文首先在公交行车计划表理论研究和技术应用综述的基础上，针对现有研

究与应用的不足，引入了论文研究的切入点——以准实时公交客流信息为基础，

研究公交行车计划表优化方法。论文的研究是以满足多变的客流需求为背景，并

以提高公交的服务水平和企业的营运效率为目标。根据这一优化方法，论文研究

了公交行车计划表优化所需的关键技术，在海量数据能够寻找到客流变化的规律

后，与车辆资源和人力资源较好得结合。在准实时公交客流采集技术的基础上，

论文指出了以视频图像技术为基础的客流采集系统的优势，提出了相应的客流数

据异常分析和处理逻辑，以及有针对性的客流动态预测和 OD 反推方法。论文以乘

客出行费用和公交营运者维护费用的总和最小为目标，构建非等效实时优先协同

优化公交网络调度模型。论文以一种基于改进型遗传算法为求解方法，该算法引

入模拟退火拉伸思想，运用改进了遗传算法的遗传选择操作。论文结合我国公交

企业实际营运模式，建立了以公交企业营运成本最小化为优化目标的“人车对应”

排班优化模型，并人性化地考虑了法定日工作时间和连续工作时间限制等，同时

根据模型特点，引入遗传算法进行求解。此外，论文结合了实际案例，并将优化

成果与现行方案进行对比分析，以此验证了上述模型和算法的科学性和合理性。

本论文的研究成果在理论层面建立了一套完整的从现代客流采集技术应用、

客流预测到公交线路行车计划表优化模型建立、算法实现的公交行车计划表编制

体系；在应用层面为开发先进的公交行车计划表优化系统提供相关理论指导，为

开发智能公交调度平台奠定系统工程基础。

关键词：智能公共交通行车计划表编制客流信息改进型遗传算

法

ABSTRACT

Giving priority to urban public transport is one of the best ways to solve traffic

problem in middle and large cities. In the context of government promoting the

development of public transport, the thesis, researched on Theory and Method of

Dispatching Public Transportation Oriented to Transfer Hub, the theories related with

public transportation schedule and technologies for applying them. The content of this

research including: Technologies of collecting and managing passenger flow

information of regular public transport lines; Process and method of optimizing bus

route scheduling; Analyzing and designing the optimizing system for bus transit

scheduling.

On the basis of reviewing theories of bus transit scheduling and practical

application, this thesis firstly analyzed shortcomings of former researches and

applications, then pointed out this research’s staring point, i.e., based on semi-realtime

information of bus transit passengers, researching the method of optimizing scheduling.

The research is oriented to satisfy changing passenger flow demand and improve the

service level of public transportation and operation effectiveness of public

transportation corporations. Based on this optimizing goal, thesis researched key

technologies for realizing bus schedule optimizing system, especially found out the

rules of passenger flow change in mass data and matching them with the resource of

vehicle and worker. Then, the thesis specified the role of bus transit scheduling in

intelligent public system, explained the importance of bus transit scheduling in its

operation and management, and proposed the process of bus transit scheduling. The

semi-realtime passenger flow information is an important premise for planning bus

transit schedule. Based on comparing several types of technologies of automatically

collecting passenger flow information, this thesis pointed out the advantages of one

passenger collecting system which is based on video image technology and proposed

the logic to do abnormal analysis and manage passenger flow data and method for

dynamically predicting passenger flow and passenger’ OD matrix. A bus timetable

optimization model was proposed which takes waiting passengers’ satisfaction as goal

and passenger comfort and operation cost of corporation as restriction. An algorithm is

also designed which based on simple genetic algorithm and adapted its genetic choose

operation by introducing the idea of simulated anneal. Then, this research, combined

with the practical operation model of China public transportation corporations, designed

a schedule planning optimizing model which minimizes corporation’s costs and

considers the limitation of legal working time and continuing driving time. According to

the characteristics of this model, genetic algorithm was introduced to solve it. Besides,

combining practical cases and comparing the optimized result with present scheme, this

thesis proved the reasonability and scientificness of proposed model and algorithm.

Lastly, oriented to application, this thesis researched goal of develop and design bus

scheduling optimization system, function module design, logical flow design and

realization method of prototype system.

This research established a complete bus scheduling system which includes

applying modern passenger collecting technology, predicting passengers volume,

schedule optimization model and algorithm realization. This research provides

theoretical guidance for developing advanced transit schedule optimizing system

oriented to practical application.

Key Word: Intelligent Public Transportation, Bus Transit Scheduling,

Passenger Flow Information, Genetic Algorithm

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 研究背景 .............................................................................................................. 1

§1.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 1

§1.2.1 国外研究现状 ................................................................................................1

§1.2.2 国内研究现状 ................................................................................................2

§1.3 研究目的与意义 .................................................................................................. 3

§1.3.1 研究目的 ........................................................................................................3

§1.3.2 理论与实用价值 .............................................................................................3

§1.4 研究定位、内容与方法 ....................................................................................... 4

§1.4.1 研究定位 .........................................................................................................4

§1.4.2 主要研究内容 .................................................................................................5

§1.4.3 技术线路 .........................................................................................................5

§1.5 论文结构 ............................................................................................................... 6

第二章研究综述 .............................................................................................................9

§2.1 常规公交行车计划表相关理论研究 ................................................................... 9

§2.1.1 公交发车频率优化理论 .................................................................................9

§2.1.2 公交车辆与司售人员排班 ...........................................................................10

§2.2 常规公交行车计划相关技术应用 ..................................................................... 11

§2.2.1 国外知名应用软件 .......................................................................................11

§2.2.2 国内成熟应用软件 .......................................................................................12

§2.3 我国现行编制方法和技术及其存在问题 ......................................................... 13

§2.4 研究评述 ............................................................................................................. 14

第三章公交行车计划表内容编制与关键技术研究 ...................................................15

§3.1 公交行车计划表概述 ......................................................................................... 15

§3.1.1 公交线路行车计划表 ...................................................................................15

§3.1.2 公交线路行车计划表作用分析 ...................................................................15

§3.2 公交行车计划表编制方法与流程 ..................................................................... 16

§3.2.1 线路营运信息的采集与处理 .......................................................................18

§3.2.2 线路发车频率表编制 ...................................................................................18

§3.2.3 车辆与司售人员排班 ...................................................................................19

第四章公交客流信息采集与处理方法研究 ...............................................................20

§4.1 公交客流信息采集 ............................................................................................. 20

§4.1.1 自动客流信息采集技术 ...............................................................................20

§4.1.2 各类自动客流信息采集技术对比 ...............................................................20

§4.1.3 基于视频图像计数的客流信息采集系统 ...................................................21

§4.2 客流数据的异常处理分析及处理逻辑 ............................................................. 24

§4.2.1 客流数据异常类型分析 ...............................................................................24

§4.2.2 客流数据异常处理逻辑 ...............................................................................25

§4.3 常规公交客流实时预测 ..................................................................................... 26

§4.3.1 ARMA 模型原理 ..........................................................................................27

§4.3.2 ARMA 预测模型的建立 ..............................................................................27

§4.3.3 大型商业区枢纽站客流预测 ......................................................................31

§4.3.4 与灰色模型预测结果分析比较 ..................................................................32

§4.4 常规公交客流 OD 反推 ..................................................................................... 33

§4.4.1 现行 OD 反推方法 .......................................................................................33

§4.4.2 基于站点上下车乘客人数的 OD 反推 .......................................................34

§4.4.3 常规公交客流数据处理与 OD 反推 ...........................................................34

第五章基于客流 OD 反推的公交行车计划表优化方法研究 .................................36

§5.1 构建面向公交网络化的基于非等效实时优先协同优化调度模型 ................. 36

§5.1.1 问题描述 .......................................................................................................36

§5.1.2 优化模型 .......................................................................................................36

§5.1.3 改进型遗传算法在公交线网发车间隔优化中的应用 ...............................40

§5.1.4 算例分析 .......................................................................................................46

§5.2 人车排班优化模型与算法 ................................................................................. 50

§5.2.1 问题描述 .......................................................................................................50

§5.2.2 优化模型 .......................................................................................................51

§5.2.3 模型求解算法 ...............................................................................................53

§5.3 优化评价 ............................................................................................................. 55

第六章结论与展望 .....................................................................................................60

§6.1 主要研究成果与创新点 ..................................................................................... 60

§6.2 研究不足与展望 ................................................................................................. 61

参考文献 .........................................................................................................................62

攻读硕士期间参与的课题与取得的成果 .....................................................................66

第一章绪论

§1.1 研究背景

随着城市人口的不断增加，交通问题成为政府和市民越来越关心的问题。城

市公共交通为社会大众提供了比较稳定的、系统的各种机动车运输与非机动车运

输方式的混合交通模式[1]，做好常规公交的调度对于完善城市交通环境、改善居民

出行状况、增加公交公司的经济效益，都具有较为重要的意义[2]。

公交线路行车计划表是营运调度的基础，在我国以往都是公交调度人员凭借

经验手工编制，编制过程十分繁杂，同时这种编制方式受人为因素影响较大。随

着现代社会公交出行需求越来越多变，其客流出现了多种新特征，如：公交线路

对于轨道交通、捷运系统的接驳客流，大型活动所产生的非常客流等。随着智能

交通理论的长足发展和，为公交线路行车计划表的优化和编制过程的自动化提供

了可能，公交线路行车计划表编制优化研究，已成为公共交通系统中亟待解决的

问题。

§1.2 国内外研究现状

§1.2.1 国外研究现状

发达国家对于公交调度优化研究很重视，开始研究的时间较早，已经有大量

的研究成果和应用实例，主要体现在公交营运车辆调度相关信息的自动采集、传

输、处理和输出显示等几个方面。

（1）理论研究

1998年Paolo Delle Site等研究公交客运走廊上的调度优化模型，研究线路在不

同的营运模式下(例如不同车型配置)的调度优化问题，优化的内容包括：公交客运

走廊上的车型配置、发车频率和区间车的设置等；1999年美国的Maged Dessouky

等运用车辆跟踪技术研究了大间隔发车的公交车辆到站的延误分布，发现车辆的

晚点与起始时间无关，为实时控制提供了一定依据；

2000年Shangyao Yan用多时空

网络描述了城市间的长途客运的调度优化问题，并提出用拉格朗日遗传算法和流

量分解算法求解此类问题的思路。美国的Randolph Hall等于2001年提出以线路上固

定的控制站对公交车辆到站时刻进行控制的调度控制策略，有效解决了控制信息

传输的延误。

（2）技术应用

上世纪80年代以来，美国、欧盟、日本、新加坡等发达国家对于公交智能调

度的研究给予了高度重视和巨大的投入，已经有大量研究成果和先进技术付诸应

基于 GPS/GIS 技术的公交行车时刻表优化方法研究

用。这些国家在系统设计和集成方面的基本思路是通过大量地应用通讯、控制等

领域的新技术手段，使得调度管理者能获得充分的实时信息，保证管理者与被调

度管理者之间的信息交流畅通。目前应用较成熟的技术主要有：公交车辆自动定

位技术、车载设备、地面无线电通讯调度网络等。巴黎公交总公司建立的无线电

调度网络可实现指挥中心与各有关部门的联络功能，调度分中心和指挥中心的工

作人员依靠该系统可随时准确了解公共汽车所在地位置和采取各种必要的措施，

从而为乘客提供尽可能好的服务。

§1.2.2 国内研究现状

公共交通是城市的重要基础设施，是客流运力的主要提供者，如何使公交系

统拥有更高的效率，关键是良好的系统管理。目前我国大多数公交企业运营调度

管理采用的是靠调度人员手工填写路单发布调度指令，此种运营方式容易出现“人

情路单”和 “虚假路单”，一定程度上影响线路运行质量和公交服务水平。

我国发展智能运输的基础较差，因此理论研究虽在进行，但相应技术却得不

到推广。智能公共交通研究多限于对系统模式的探讨和硬件设备的选择，在信息

采集、传输、处理和输出显示等方面缺乏系统研究。

（1）理论研究

吉林的杨兆升对智能公交系统框架做了一定研究；同济大学的杨晓光在研究

了国外智能运输系统的基础上提出了构筑适应于中国的先进的公共汽车交通优先

结构体系的一些见解；东南大学杨新苗等研究了基于准实时信息的公交调度优化

系统，提出了公交调度峰值曲线的优化方法；西安公路交通大学孙芙灵依据西安

市部分公交客流调查数据，探讨了几种确定发车间隔的方法；北方交通大学ITS研

究中心黄溅华等人对公共交通实时调度控制模型和方法做了深入研究；北京航空

航天大学张飞舟对公交车辆智能调度及相关技术进行了研究；上海同济大学陈继

军结合上海市公交自动调度系统的开发侧重于计算机在公交调度方面的应用做了

一定研究。

（2）技术应用

最近十多年在北京、上海、杭州等城市进行了公交营运调度系统和优化技术

的研究，但研究的深度和广度都有限。上海市1999年第一条应用GPS技术进行调度

管理的公交线路—981路在浦东投入运行。该系统选择了无线通讯技术来传送定位

信息，其车载设备用液晶显示和语音提示相结合的方式提示驾驶员，有利于驾驶

员安全驾驶。该系统的监视软件提供了行驶速度预警，预测车辆到达站点时间，

并且具有较为完善的电子地图显示功能。

杭州市是我国第一个将GPS定位技术应用到公交车辆调度管理中的城市。系统

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摘要：

摘要当前交通拥挤成为大、中城市亟待解决的问题，优先发展城市公共交通系统不失为解决交通问题的有效途径。在国家大力发展公共交通、提倡“节约、减排、低碳、环保”的大背景下，论文围绕智能公交调度系统以及行车计划表的相关理论与实现技术展开研究，主要包括常规公交线路的客流采集、处理、预测，公交线路行车计划表优化的流程与方法，以及设计与实现等内容。论文首先在公交行车计划表理论研究和技术应用综述的基础上，针对现有研究与应用的不足，引入了论文研究的切入点——以准实时公交客流信息为基础，研究公交行车计划表优化方法。论文的研究是以满足多变的客流需求为背景，并以提高公交的服务水平和企业的营运效率为目标。根据这一优化方...

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