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        時(shí)變路網(wǎng)下機(jī)場(chǎng)接駁車輛-用戶共享路徑優(yōu)化

        2020-10-24 01:39:48歐陽(yáng)瑞祥周和平劉靜波郭權(quán)
        交通科學(xué)與工程 2020年3期
        關(guān)鍵詞:用戶模型

        歐陽(yáng)瑞祥,周和平,劉靜波,郭權(quán)

        (長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

        民航運(yùn)輸是人們出行不可或缺的方式。目前,機(jī)場(chǎng)接駁運(yùn)輸智能化水平較低,而研究機(jī)場(chǎng)接駁車輛-用戶選擇方法有助于構(gòu)建智慧化民航接駁運(yùn)輸系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)需求響應(yīng)式接駁進(jìn)行了深入研究。靳文舟[1]等人通過(guò) K-means 算法,響應(yīng)公交臨時(shí)??奎c(diǎn)規(guī)劃的需求。并基于精英選擇遺傳算法,選擇公交線路規(guī)劃方案。申嬋[2]等人基于可靠性時(shí)空網(wǎng)絡(luò),建立了定制公交線路優(yōu)化模型,并采用禁忌搜索算法進(jìn)行求解。Zheng[3?4]等人研究了可變線路與可變站點(diǎn)的公交模式選擇,且提出了一種動(dòng)態(tài)離站時(shí)間窗的策略。Sun[5?6]等人考慮了乘客滿意度和軌道站點(diǎn)同步換乘的需求響應(yīng),建立了接駁公交調(diào)度模型。Li[7]等人研究了集成站點(diǎn)選址的需求響應(yīng),建立了接駁公交調(diào)度模型。

        機(jī)場(chǎng)接駁車輛-用戶選擇過(guò)程,實(shí)質(zhì)上是考慮新增用戶需求的動(dòng)態(tài)車輛路徑問題(Dynamic Vehicle Routing Problem,簡(jiǎn)稱為DVRP),國(guó)內(nèi)外對(duì)DVRP進(jìn)行了許多的研究。Abdallah[8]等人對(duì)新增客戶需求,構(gòu)建了帶容量約束的DVRP 模型,按時(shí)間段將動(dòng)態(tài)需求的車輛路徑問題轉(zhuǎn)化成靜態(tài)車輛路徑問題,并采用遺傳算法進(jìn)行求解。Chen[9]等人考慮新增客戶需求對(duì)車輛容量和時(shí)間窗的影響,建立了容量和時(shí)間窗約束的DVRP 模型,采用生成初始路徑和按時(shí)間段定期更新路徑的兩階段策略。Ulmer[10]等人將隨機(jī)顧客請(qǐng)求的多周期車輛路徑問題視為馬爾可夫決策,以接受服務(wù)請(qǐng)求數(shù)最大化作為優(yōu)化目標(biāo),提出了一種基于近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃的預(yù)期動(dòng)態(tài)策略。祁航[11]等人基于交通網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性及乘客需求的定制性與動(dòng)態(tài)性,建立了高鐵站定制性靈活線路接駁巴士路徑優(yōu)化模型,并采用改進(jìn)的蟻群算法求解。智路平[12]等人先對(duì)路段行程時(shí)間進(jìn)行分狀態(tài)的隨機(jī)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),然后建立以行程時(shí)間可靠性為關(guān)鍵控制變量的三階段單車輛路徑選擇模型。作者在時(shí)變路網(wǎng)下,對(duì)新增用戶需求進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng),擬建立共享式機(jī)場(chǎng)接駁車輛-用戶選擇模型,根據(jù)約束規(guī)劃和分枝定界算法,設(shè)計(jì)了算法并進(jìn)行求解。以期實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)接駁運(yùn)輸系統(tǒng)中有限資源的共享,提高接駁效率。

        1 問題描述及符號(hào)注明

        設(shè)預(yù)排班方案Y=(U,H),接駁車輛在tp時(shí)刻,從車場(chǎng)p出發(fā),接n個(gè)預(yù)定用戶需求點(diǎn)w,去機(jī)場(chǎng)e。其中:U為接駁車輛路徑集,接駁車輛在預(yù)排班方案Y中接駁路徑u∈U;H為用戶出發(fā)時(shí)刻集,w用戶的出發(fā)時(shí)刻tw∈H。

        在預(yù)排班方案Y和時(shí)變路網(wǎng)RN=(V,E,M,C)的基礎(chǔ)上,對(duì)已出發(fā)接駁車輛和實(shí)時(shí)新增用戶需求進(jìn)行匹配,判斷接駁車輛能否滿足,并生成接駁車輛-用戶實(shí)時(shí)共享方案,如圖1 所示。其中,新增用戶需求w*是在接駁車輛出發(fā)以后,隨機(jī)出現(xiàn)的;V是道路節(jié)點(diǎn)集,路網(wǎng)中任意節(jié)點(diǎn)i∈V;E是道路路段集,(i,j)∈E;時(shí)間間隔集M={0,1,2,…,m},任意m表示間隔長(zhǎng)度為 Δm的時(shí)間間隔[t,t+Δm](如:將10:20-11:20,按每10 分鐘,間隔離散,t=0 對(duì)應(yīng)10:20-10:30);C為路段時(shí)間阻抗集,路網(wǎng)中任意路段時(shí)間阻抗∈C,表示在m間隔內(nèi),路段(i,j)的時(shí)間阻抗值;U*是共享路徑集,接駁車輛在實(shí)時(shí)共享方案;中的共享路徑中用戶出發(fā)時(shí)刻集。

        從圖1 可以看出,當(dāng)4 節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生實(shí)時(shí)新增用戶需求w*時(shí),接駁車輛已行駛到(p,1)路段上。在保證原有預(yù)定用戶準(zhǔn)時(shí)到達(dá)機(jī)場(chǎng)e的情況下,需要快速地判斷此接駁車輛能否滿足w*需求,并送其到達(dá)機(jī)場(chǎng)。既找到一條考慮原有用戶航班時(shí)間以及接駁車輛空余資源等約束,且能滿足w*需求的共享路徑u*。

        圖1 時(shí)變路網(wǎng)圖Fig. 1 Time-varying network diagram

        其中,to為路徑中共享起點(diǎn)的出發(fā)時(shí)刻;為乘客登機(jī)緩沖時(shí)間;為用戶需求點(diǎn)的隨行人數(shù);Q為車輛容量;Qu為路徑u的總?cè)藬?shù);為車輛繞行系數(shù);為用戶需求點(diǎn)w在tw時(shí)刻自行出發(fā)到機(jī)場(chǎng)的最小旅行時(shí)間;Lmax為最大??看螖?shù);Tmax為乘客最大候機(jī)時(shí)間閾值;N0為已過(guò)節(jié)點(diǎn)集,接駁車輛在新增用戶需求出現(xiàn)前已過(guò)的節(jié)點(diǎn)i∈N0;N為未過(guò)節(jié)點(diǎn)集,N=V?N0;W:用戶需求點(diǎn)集,為車輛從p出發(fā)的時(shí)刻;為在m間隔內(nèi)路段(i,j)的時(shí)間阻抗;tw為w用戶的出發(fā)時(shí)刻;to為車輛在預(yù)排方案中到達(dá)機(jī)場(chǎng)的時(shí)刻;O為共享路徑的起點(diǎn);為車輛在共享方案中到達(dá)機(jī)場(chǎng)的時(shí)刻;為實(shí)時(shí)新增用戶需求;tw為用戶的航班時(shí)間。

        2 模型建立

        為響應(yīng)機(jī)場(chǎng)接駁過(guò)程中實(shí)時(shí)出現(xiàn)的新增用戶需求,建立時(shí)變路網(wǎng)下共享式機(jī)場(chǎng)接駁車輛-用戶選擇模型,并使用該模型對(duì)機(jī)場(chǎng)接駁車輛路徑進(jìn)行優(yōu)化。

        2.1 假設(shè)條件

        為方便建立模型和求解,假設(shè):①每個(gè)預(yù)約用戶的出發(fā)位置和航班時(shí)刻表等信息,可在終端獲得。②所有用戶的登機(jī)緩沖時(shí)間相同。③乘客上車時(shí)間忽略不計(jì),即接駁車輛到達(dá)w節(jié)點(diǎn)的時(shí)間就是乘客的出發(fā)時(shí)間。④若接駁車輛在t時(shí)刻位于路段(i,j)∈u之間,即ti<t≤tj,則規(guī)定j節(jié)點(diǎn)為重新規(guī)劃的共享起點(diǎn)O。⑤假設(shè)系統(tǒng)一次只能判斷一個(gè)用戶需求點(diǎn),是否可以共享,且判斷時(shí)間忽略不計(jì);⑥所有路段任意間隔內(nèi)的時(shí)變阻抗已獲得,在m間隔內(nèi),路段阻抗是相同的。

        2.2 目標(biāo)函數(shù)與決策變量

        為了快速響應(yīng)機(jī)場(chǎng)接駁過(guò)程中實(shí)時(shí)出現(xiàn)的新增用戶需求,以接駁車輛總運(yùn)行時(shí)間最小為目標(biāo)函數(shù),考慮在滿足約束條件的情況下,對(duì)機(jī)場(chǎng)接駁車輛路徑進(jìn)行優(yōu)化,生成實(shí)時(shí)共享路徑方案。其目標(biāo)函數(shù)公式為:

        2.3 約束條件

        1) 流量守恒約束

        起終點(diǎn)約束:接駁車輛運(yùn)營(yíng)從起點(diǎn)出發(fā),到終點(diǎn)機(jī)場(chǎng)結(jié)束,需滿足節(jié)點(diǎn)進(jìn)、出次數(shù)約束。

        其中,i=0 表示變量x的起點(diǎn);i=e表示變量x,y的終點(diǎn);i=w表示y的起點(diǎn)。

        中間節(jié)點(diǎn)約束:車輛到達(dá)中間節(jié)點(diǎn),提供接駁服務(wù)后,又離開中間節(jié)點(diǎn),需滿足節(jié)點(diǎn)進(jìn)出守恒。

        必經(jīng)節(jié)點(diǎn)約束:系統(tǒng)中未上車的原有預(yù)定用戶需求必須被滿足。

        2) 車輛繞行約束

        為使乘客有較好的服務(wù)體驗(yàn)感,乘客接受服務(wù)的時(shí)間,不能超過(guò)其自行出發(fā)最小旅行時(shí)間的(1+ε)倍,本研究ε=1.4。w乘客接受服務(wù)的時(shí)間為Tw。

        3) 容量限制約束

        在提供接駁服務(wù)的過(guò)程中,車內(nèi)的乘客數(shù)不能超過(guò)車輛的容量。

        4) 航班信息約束

        空余時(shí)間約束:已出發(fā)車輛還有空余時(shí)間共享給新增用戶。

        用戶航班約束:不能讓w的候機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),Tmax是已經(jīng)在車上用戶最大候機(jī)時(shí)間的μ倍,本研究中μ=1.5。

        5) 最大停靠次數(shù)約束

        為保證接駁服務(wù)的質(zhì)量,接駁車輛在途中??康拇螖?shù)不宜過(guò)多,本研究最大停靠次數(shù)Lmax=10。

        3 算法設(shè)計(jì)

        根據(jù)約束規(guī)劃和分枝定界算法設(shè)計(jì),相應(yīng)求解算法,對(duì)新增用戶需求進(jìn)行實(shí)時(shí)共享判斷。通過(guò)將分枝定界算法中的分枝策略,運(yùn)用到計(jì)算過(guò)程中,從而達(dá)到減少存儲(chǔ)空間和加快求解速度的目的。其算法流程圖如圖2 所示。

        圖2 算法流程Fig. 2 Algorithm flow diagram

        4 算例分析

        設(shè)有13 個(gè)提前預(yù)約用戶,向機(jī)場(chǎng)接駁需求響應(yīng)系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求,提前預(yù)約用戶需求信息見表1;設(shè)置2 組實(shí)時(shí)預(yù)約用戶組,每組4 個(gè)實(shí)時(shí)預(yù)約用戶,多組實(shí)時(shí)預(yù)約用戶需求信息見表2。機(jī)場(chǎng)接駁車輛采用10座車,從辦理登機(jī)牌到登機(jī)的緩沖時(shí)間最少45 min,即 Δt=45 min。時(shí)變路網(wǎng)中所有路段的阻抗值是由10:20~12:30 以10 min 為間隔,13 個(gè)隨機(jī)離散值組成的。13 個(gè)提前預(yù)約用戶預(yù)排班方案Y見表3,在Y中,只有路徑u2,可對(duì)表2 中的實(shí)時(shí)預(yù)約用戶進(jìn)行共享,因此,對(duì)u2進(jìn)行重點(diǎn)分析。實(shí)時(shí)預(yù)約用戶為1 組時(shí),路徑u2的實(shí)時(shí)共享方案圖如圖3 所示。

        多組實(shí)時(shí)預(yù)約用戶共享對(duì)比見表4,預(yù)約用戶2 組通過(guò)機(jī)場(chǎng)接駁需求響應(yīng)系統(tǒng),拒絕6,10 節(jié)點(diǎn)的預(yù)約請(qǐng)求,得到u2共享路徑為p→2→7→15→18→13→14→G→e。

        由表4 可知,通過(guò)對(duì)1,2 組實(shí)時(shí)預(yù)約用戶共享進(jìn)行比較,車輛的滿載率均從70%增加到100%,機(jī)場(chǎng)接駁系統(tǒng)對(duì)用戶請(qǐng)求響應(yīng)率均增加15.3%,候機(jī)時(shí)間利用率分別提高了66.7%和 58.9%。表明:該共享模型可靠,增加了車輛滿載率,減少了運(yùn)營(yíng)成本,提高了接駁效率和用戶滿意度。該模型和算法能處理機(jī)場(chǎng)接駁需求響應(yīng)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)新增用戶需求的動(dòng)態(tài)車輛路徑優(yōu)化,具有良好的適用性。

        表1 提前預(yù)約用戶需求信息表Table 1 Demand information of advance booking user

        表2 多組實(shí)時(shí)預(yù)約用戶需求信息表Table 2 Demand information of Multi-group real-time booking user

        表3 預(yù)排班機(jī)場(chǎng)接駁方案Table 3 Pre-scheduling of airport feeder

        圖3 實(shí)時(shí)共享方案Fig. 3 Real-time shared diagram

        表4 多組實(shí)時(shí)預(yù)約用戶共享對(duì)比表Table 4 Multi-group real-time booking user sharing comparison

        5 結(jié)論

        根據(jù)機(jī)場(chǎng)接駁響應(yīng)系統(tǒng),建立了共享式機(jī)場(chǎng)接駁車輛-用戶選擇模型,對(duì)實(shí)時(shí)新增用戶需求進(jìn)行響應(yīng),并設(shè)計(jì)相應(yīng)的算例進(jìn)行分析。得到的結(jié)論為:

        1) 在機(jī)場(chǎng)接駁預(yù)排班的基礎(chǔ)上,建立了時(shí)變路網(wǎng)下共享式機(jī)場(chǎng)接駁車輛-用戶選擇模型,及時(shí)快速的響應(yīng)了實(shí)時(shí)新增用戶需求,實(shí)現(xiàn)了有限資源的共享,提高了接駁效率和用戶滿意度。

        2) 根據(jù)約束規(guī)劃和分枝定界算法,設(shè)計(jì)了模型求解方法,對(duì)車輛路徑進(jìn)行了優(yōu)化,滿足了新增用戶需求的實(shí)時(shí)共享。以期為構(gòu)建智慧化民航接駁運(yùn)輸系統(tǒng)提供參考。

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