一种模块化公交营运调度优化方法、装置及存储介质

1.本发明涉及公共交通营运调度领域，尤其涉及一种模块化公交营运调度优化方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.在特大城市公交系统中，不确定的乘客需求与固定运输能力之间长期存在着冲突，这会导致大量的乘客等待时间成本和车辆容量浪费。模块化公交的提出为解决该问题提供了可能，通过公交车队在站点上相同车厢中进行动态拆卸和重新组装，实现动态修改车辆容量。目前，尚缺少一种较好的模块化公交的调度方案。


技术实现要素：

3.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种模块化公交营运调度优化方法、装置及存储介质。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.一种模块化公交营运调度优化方法，包括以下步骤：
6.s1、确定提供模块化公交服务的公交线路和涉及站点范围，采集不同站点间往来的客流需求数据；
7.s2、根据公交线路的运行特性和地理环境因素，确定模型参数值，并搭建模型；
8.s3、根据客流需求数据和公交运营特性，求解模型，获取在系统总成本最低的情况下的营运调度方案；其中，系统总成本包括运营成本和乘客等待成本；
9.s4、对模块化公交系统的营运调度方案进行优化，实现在经济、能源和环境效益方面的最优平衡。
10.进一步地，所述步骤s1，具体包括：
11.确定调度方案覆盖的模块化公交服务的公交线路和站点，确定站点数、每个站点的车厢数、站点间的距离，采集不同站点间往来的客流需求数据，所述客流需求数据包括从每个站点出发和到达每个站点的乘客数量和时间。
12.进一步地，所述确定模型参数值，包括：
13.根据模块化公交车的运行特征，确定车厢的载客人数，每节车厢的平均运营成本，乘客平均等待时间成本，车辆平均行驶速度，最小设计车头时距；
14.其中，每节车厢的平均运营成本包括折旧成本、克服空气阻力的能源消耗成本和二氧化碳排放造成的环境污染成本。
15.进一步地，所述模型通过以下方式进行搭建：
16.a1、根据乘客需求和模块化公交营运特性，确定模型需满足的假设条件；
17.a2、确定模型需满足的约束条件，所述约束条件包括车辆运行约束、最小车头时距约束和满足乘客需求服务的约束；
18.a3、确定模型的目标函数为系统总成本最小；系统总成本包括运营成本和乘客等
待成本，运营成本包括车辆运营成本、克服风阻所产生的能耗成本、温室气体排放造成的环境成本；
19.a4、利用等价的数学变换将建立的非线性规划模型线性化。
20.进一步地，步骤a1中的假设条件包括：
21.①
每个站点都不允许过饱和，乘客到达站点后会登上到达的第一节车厢；
22.②
每节车厢在站点停留的时间是恒定的，在站点间运行的速度也是恒定的；
23.③
所有站点都有足够的车厢，系统的整体容量没有限制。
24.进一步地，所述车辆运行约束的表达式为：
[0025][0026]
其中，x
tis
为二进制变量，当系统在t时刻从站点i调度s节车厢时值为1，否则为0；表示地铁站点的集合，表示地铁站点的集合，表示时间点的集合，表示时间点的集合，表示每个站点车厢数量的集合，
[0027]
所述最小车头时距约束的表达式为：
[0028][0029]
其中，y
t
为二进制变量，当一节车厢在t时刻从一个站点出发时值为1，否则为0；h表示车厢间的设计最小车头时距；t
′
表示该站点上一节车厢的出发时刻；
[0030]
所述满足乘客需求服务的约束的表达式为：
[0031][0032][0033][0034][0035][0036]
其中，u
ijt
′
t
为整数变量，表示在时间[t
′‑
1，t
′
]内到达站点i，并下车前往站点j，等待乘坐t时刻出发的车辆的乘客数；z
ijt
′
t
为整数变量，表示在时间[t
′‑
1，t
′
]内登上站点i，并想要下车前往站点j，等待乘坐t时刻出发的车辆的乘客数；v
ti
表示在t时刻出发车辆上离开站点i的乘客数；p
ijt
′
表示在任意给定时间[t
′‑
1，t
′
]内到达站点i并前往站点σ的乘客，满足是服从泊松分布的随机变量。
[0037]
进一步地，所述目标函数的表达式为：
[0038][0039]
其中，表示每节车厢的平均运营成本，c
s_wind
表示每节车厢克服风阻产生的能耗成
本c
s_ghg
表示每节车厢温室气体排放造成的环境成本，d
i，i 1
表示站点i到站点i 1间的距离，c
time
表示乘客等待时间成本，δti表示从第一个站点到站点i的时间，δ表示时间间隔。
[0040]
进一步地，所述利用等价的数学变换将建立的非线性规划模型线性化，包括：
[0041]
将模型需满足的需求服务约束(1)转化为以下线性约束：
[0042][0043][0044][0045]
其中m表示一个给定的较大正数；
[0046]
引入辅助变量w
tis
＝x
tisyt
，将模型需满足的需求服务约束(5)转化为以下线性约束：
[0047][0048]wtis
通过以下公式线性化：
[0049]wtis
≤x
tis
t∈t，i∈i，s∈s
[0050]wtis
≤y
t
t∈t，i∈i，s∈s
[0051]wtis
≥x
tis
y
t-1t∈t，i∈i，s∈s
[0052]
p
ijt
′
在需求服务约束(2)和(3)中表示服从泊松分布的随机变量，表示为以下公式：
[0053][0054]
其中，表示在时间[t-1，t]内登上站点i，并想要前往站点j，等待乘坐t时刻出发的车辆的平均乘客数；
[0055]
引入满足机会约束的辅助变量来将需求服务约束(2)和(3)线性化：
[0056][0057]
其中，ε表示可接受错误，当p
ijt
′
和ε已知时，通过求解以下公式得到的最小值：
[0058][0059]
当值给定时，值也是一定的，因此在求解目标函数时可被看作常量，需求服务约束(2)和(3)转化为：
[0060][0061][0062]
此时目标函数被转化成以下线性问题：
[0063][0064]
本发明所采用的另一技术方案是：
[0065]
一种模块化公交营运调度优化装置，包括：
[0066]
至少一个处理器；
[0067]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0068]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
[0069]
本发明所采用的另一技术方案是：
[0070]
一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。
[0071]
本发明的有益效果是：本发明考虑了客流到达的不确定性和随机延误，更符合乘客在乘坐公交时的实际情况，能为模块化公交的调度提供一种更加切实、低碳和环保的方案，提高公交系统的服务效率和社会效益，具有实际推广价值。
附图说明
[0072]
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
[0073]
图1是本发明实施例中一种考虑乘客到达随机性的模块化公交营运调度优化方法的运行流程图；
[0074]
图2是本发明实施例中各站点乘客到达情况图；
[0075]
图3是本发明实施例中一种模块化公交营运调度优化方法的步骤流程图。
具体实施方式
[0076]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0077]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0078]
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、
小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0079]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0080]
本发明在模块化公交设施的基础上，考虑客流到达的不确定性和随机延误，对公交系统的运营成本、乘客等待成本、能源消耗和环境成本进行综合分析，寻求其在不同调度方案下的最优解。本发明能为模块化公交的调度提供一种更切实、低碳和环保的方案，能够提高公交系统的服务效率和社会效益，具有实际推广价值。
[0081]
如图1和图3所述，本实施例提供一种模块化公交营运调度优化方法，该调度优化方法可在考虑客流不确定性和随机延误前提下，通过公交车队在站点上相同车厢中进行动态拆卸和重新组装，建立非线性规划模型，实现公交系统经济、能源和环境成本最低的调度。该方法具体包括以下步骤：
[0082]
s101、确定提供模块化公交服务的公交线路和涉及站点范围，采集不同站点间往来的客流需求数据。
[0083]
确定调度方案覆盖的模块化公交线路和站点，确定站点数、每个站点的车厢数、站点间的距离，采集不同站点间往来的客流需求数据，包括从每个站点出发和到达每个站点的乘客数量和时间。
[0084]
s102、根据公交线路的运行特性和地理环境因素，确定模型参数值，并搭建模型。
[0085]
在本实施例中，根据模块化公交车的运行特征，确定车厢的载客人数，每节车厢的平均运营成本，乘客平均等待时间成本，车辆平均行驶速度，最小设计车头时距。其中，每节车厢的平均运营成本包括折旧成本、克服空气阻力的能源消耗成本和二氧化碳排放造成的环境污染成本。
[0086]
s103、根据客流需求数据和公交运营特性，求解模型，获取在系统总成本最低的情况下的营运调度方案；其中，系统总成本包括运营成本和乘客等待成本。
[0087]
所述模型通过以下方式进行搭建：
[0088]
b1、根据乘客需求和模块化公交营运特性，确定模型需满足的假设条件。
[0089]
所述步骤b1中模型假设为：
[0090]
①
每个站点都不允许过饱和，乘客到达站点后会登上到达的第一节车厢。
[0091]
②
每节车厢在站点停留的时间是恒定的，在站点间运行的速度也是恒定的。
[0092]
③
所有站点都有足够的车厢，系统的整体容量没有限制。
[0093]
b2、确定模型需满足的各项约束条件，包括车辆运行约束、最小车头时距约束和满足乘客需求服务的约束。
[0094]
所述步骤b2中车辆运行约束为：
[0095][0096]
其中x
tis
为二进制变量，当系统在t时刻从站点i调度s节车厢时值为1，否则为0；表示地铁站点的集合，表示地铁站点的集合，表示时间点的集合；每
个时间点有相等的时间间隔δ；表示每个站点车厢数量的集合，
[0097]
模型需满足的最小车头时距约束为：
[0098][0099]
其中y
t
为二进制变量，当一节车厢在t时刻从一个站点出发时值为1，否则为0；h表示车厢间的设计最小车头时距。
[0100]
模型需满足的乘客需求服务约束为：
[0101]
①
[0102]
②
[0103]
③
[0104]
④
[0105]
⑤
[0106]
其中：u
ijt
′
t
为整数变量，表示在时间[t
′‑
1,t
′
]内到达站点i，并下车前往站点j，等待乘坐t时刻出发的车辆的乘客数；z
ijt
′
t
为整数变量，表示在时间[t
′‑
1,t
′
]内登上站点i，并想要下车前往站点j，等待乘坐t时刻出发的车辆的乘客数；v
ti
表示在t时刻出发车辆上离开站点i的乘客数；p
ijt
′
表示在任意给定时间[t
′‑
1,t
′
]内到达站点i并前往站点j的乘客，满足是服从泊松分布的随机变量。
[0107]
b3、确定本模型的模板函数是系统总成本最小，包括车辆运营成本、克服风阻所产生的能耗成本、温室气体排放造成的环境成本以及乘客等待时间成本。
[0108]
所述步骤b3中模型目标函数为：
[0109][0110]
b4、利用等价的数学变换将建立的非线性规划模型线性化。
[0111]
所述步骤b4中模型线性化过程为：
[0112]
将模型需满足的需求服务约束
①
转化为以下线性约束：
[0113][0114][0115][0116]
其中m表示一个给定的较大正数。
[0117]
引入辅助变量w
tis
＝x
tisyt
，将模型需满足的需求服务约束
⑤
转化为以下线性约束：
[0118][0119]wtis
可以通过以下公式线性化：
[0120]wtis
≤x
tis
t∈t,i∈i,s∈s
[0121]wtis
≤y
t
t∈t,i∈i,s∈s
[0122]wtis
≥x
tis
y
t-1t∈t,i∈i,s∈s
[0123]
p
ijt
′
在需求服务约束
②
和
③
中表示服从泊松分布的随机变量，可表示为以下公式：
[0124][0125]
其中表示在时间[t-1,t]内登上站点i，并想要前往站点j，等待乘坐t时刻出发的车辆的平均乘客数，可从历史数据中获得。
[0126]
我们引入满足机会约束的辅助变量来将需求服务约束
②
和
③
线性化。
[0127][0128]
其中ε表示可接受错误，当p
ijt
′
和ε已知时，通过求解以下公式得到的最小值。
[0129][0130]
当值给定时，值也是一定的，因此在求解目标函数时可被看作常量。需求服务约束
②
和
③
转化为：
[0131][0132][0133]
此时目标函数被转化成以下线性问题：
[0134][0135]
s104、对模块化公交系统的营运调度方案进行优化，实现在经济、能源和环境效益方面的最优平衡。
[0136]
通过利用上述方法，求解得到在系统总成本最小条件下的车辆调度方案，对现有模块化公交系统的营运调度方案进行优化，实现在经济、能源和环境效益方面的最优平衡。
[0137]
以下结合图1、图2及具体实施例对上述方法进行详细解释说明。
[0138]
如图1所示，本实施例提供了一种考虑乘客到达随机性的模块化公交营运调度优化方法。在一条全长为31.3公里的公交线路上，共设有15个公交站点，每个站点配备6节车
厢，每节车厢载客量350-700人，公交车设计运行速度为1.33公里/分钟；其中，图2为各站点乘客到达的情况图。采集每个站点乘客到达离开的需求数据。计算参数如表1所示：
[0139]
表1实施例计算参数表
[0140][0141][0142]
使用上述数据和参数作为输入，求解得到模块化公交系统的最小成本，及其在最小成本下的调度方案。将该方案与已经存在的系统调度方案进行对比，得到结果如表2所示。除运营成本外，本方案能够显著降低系统的各项成本，总成本也大幅减少。
[0143]
表2实施例方案与基准方案结果对比情况
[0144][0145]
综上所述，本发明至少具有如下优点和有益效果：与其他模块化运输系统的调度方法相比，本发明考虑了客流到达的不确定性和随机延误，更符合乘客在乘坐公交时的实际情况。同时在考虑公交系统运营成本和乘客等待成本的基础上，引入能源消耗和环境成本，寻求其在不同调度方案下的最优解。本发明能为模块化公交的调度提供一种更切实、低碳和环保的方案，提高公交系统的服务效率和社会效益，具有实际推广价值。
[0146]
本实施例还提供一种模块化公交营运调度优化装置，包括：
[0147]
至少一个处理器；
[0148]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0149]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如图3所示方法。
[0150]
本实施例的一种模块化公交营运调度优化装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种模块化公交营运调度优化方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
[0151]
本技术实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图3所示的方法。
[0152]
本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种模块化公交营运调度优化方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
[0153]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0154]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0155]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0156]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0157]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0158]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述
实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0159]
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
[0160]
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0161]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。