徐晨暢，錢松榮

(復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200433)

0 引言

在城市出行方式中，公共交通作為一種價格低廉的出行方式深受人民的喜愛，公交車作為公共交通工具之一，同樣在高峰時期承載著大量的乘客出行。然而，在復(fù)雜的道路交通情況下，乘坐公交車一般耗時較長。主要體現(xiàn)在等車時間和靠站時間。靠站所消耗的時間是公交車本身的特性決定的，無法避免，但通過合理的調(diào)度策略，我們能夠有效降低乘客的等車時間，提升整個公交系統(tǒng)的運行效率。對于乘客個人而言，選擇更合適的乘坐線路，避開擁堵，同樣可以減少乘車耗時。

移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給予公交調(diào)度更多的可能性。對于車輛調(diào)度而言，通過實時的道路交通數(shù)據(jù)和基于GPS的車輛定位數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實際情況，觸發(fā)合理的調(diào)度策略。對于乘客而言，使用移動互聯(lián)網(wǎng)也可以快速查詢到公交換乘方案、到站時間等，從而自己調(diào)整乘車策略，減少自身的乘車時間。

張飛舟等[1]提出動態(tài)調(diào)度能夠克服靜態(tài)調(diào)度的局限性，構(gòu)建一種交互式調(diào)度方法，能夠得到良好的調(diào)度方案。21世紀以來，國內(nèi)外學(xué)者對公交動態(tài)調(diào)度進行了大量研究，從多種視角提出公交動態(tài)調(diào)度策略。Paolo等[2]構(gòu)建了一種控制發(fā)車策略，以油耗降低為目標，構(gòu)建車輛的多種運營模式，分別進行發(fā)車的調(diào)度優(yōu)化。Fu等[3]提出了一種公交車輛跳站運行的方法，兩輛車協(xié)同運行，分別跳過一些?？空军c，以提高整體的效率。楊曉光等[4]針對國內(nèi)公交出行中非常常見的換乘問題進行研究，構(gòu)建了一種協(xié)同調(diào)度的方法，最小化全局的換乘時間，以優(yōu)化乘客的出行體驗。張澍裕[5]對常用的公交調(diào)度方法進行了總結(jié)，如在出現(xiàn)大間隔時采用重新調(diào)整發(fā)車間隔的策略，在出現(xiàn)部分道路擁堵的情況下采用加車策略。

本文設(shè)計了一種全新的乘客協(xié)同下的公交動態(tài)調(diào)度方法。我們構(gòu)建了一個閉環(huán)的系統(tǒng)。首先，乘客通過手機軟件查詢前往目的地的多種換乘方案及其實時耗時；其次，調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)乘客查詢信息按需進行車輛調(diào)度；隨后，乘客可在手機軟件中實時查看車輛調(diào)度后新的換乘備選方案。通過這樣的閉環(huán)調(diào)節(jié)，提高公交系統(tǒng)整體運作效率。下文將給出調(diào)度方法詳細介紹及仿真實驗分析。

1 調(diào)度方法

設(shè)計了一種針對突發(fā)交通情況的加車調(diào)度方法，以單條線路為例，當3站點到5站點之間發(fā)生道路擁堵時，如果站點5和站點8之間有較為通暢的道路，則可從站點8派遣車輛到站點5，以減少乘客的等車時間。如圖1所示。

圖1 突發(fā)情況調(diào)度示意圖

通過對這種場景進行數(shù)學(xué)建模，利用GPS獲取到的車輛位置數(shù)據(jù)，刷卡機、攝像頭獲取到的站點乘客到達率信息，以及通過大數(shù)據(jù)采集計算出的道路交通數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)模型進行求解，即可給出合適的調(diào)度策略。

這種方法主要是從減少乘客的等車時間的角度提高公交運行效率，對于車輛的調(diào)度，采用了加車調(diào)度的方式。加車調(diào)度必然會增加運營成本，主要是車輛運行成本和乘務(wù)人員的成本，但我們認為，在道路上運行的車輛間隔，已經(jīng)是根據(jù)長期的歷史數(shù)據(jù)進行優(yōu)化的結(jié)果，對于道路的實時突發(fā)狀況而產(chǎn)生的調(diào)度需求，由加車調(diào)度滿足更為合適。盡管加車調(diào)度會產(chǎn)生額外的成本，但由于公交具有公共服務(wù)屬性，只要加車調(diào)度后節(jié)省的時間成本大于額外的運營成本，調(diào)度即是合理有效的。

在本文中，在此基礎(chǔ)上重新設(shè)計了一套調(diào)度方案。不僅能夠節(jié)省乘客的等車時間，同時也能節(jié)省乘客的乘車時間，從而更大程度的提高整體的運行效率。

新的調(diào)度方法分為以下兩個部分。

(1) 乘客調(diào)度

現(xiàn)今乘客主要采用通過公交查詢軟件或地圖軟件查詢始發(fā)地到目的地的換乘策略。此類軟件會基于歷史交通數(shù)據(jù)，通過估算給出在每種換乘策略下從始發(fā)地到目的地的乘車時間，并根據(jù)換乘方案給出對應(yīng)方案需要花多少錢。而乘客則會根據(jù)這些數(shù)據(jù)綜合考慮選擇哪種方案。

然而，通過歷史數(shù)據(jù)給出的乘車時間信息并不能根據(jù)真實路況給出實時預(yù)測時間。我們知道，目前在許多城市，利用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們能夠查詢到每輛公交車的實時到站時間，表明公交公司有足夠的數(shù)據(jù)對每輛車的未來動向做較為準確的預(yù)測。同時，公交公司也掌握了每條線路的未來發(fā)車時間。利用這些數(shù)據(jù)，設(shè)計一款能夠讓乘客查詢每一種換乘策略的實時預(yù)測時間的軟件有著很強的可行性。

對于乘客而言，通過這樣一款軟件可以選擇合適的換乘策略，以避開擁堵線路，減少自身的乘車時間；同時在乘車過程中，也能夠根據(jù)實時情況調(diào)整換乘策略。對于公交公司而言，一方面能夠引導(dǎo)乘客選擇更快捷的換乘策略，同時利用乘客的查詢數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)更合理的車輛調(diào)度方案。

(2) 車輛調(diào)度

利用上文所述軟件中乘客的查詢記錄，我們可以獲取到大量乘客的乘車意圖，其反映了短時的乘客出行需求，基于此可以對車輛進行調(diào)度。這種短時需求和前文所述的突發(fā)情況屬于同類，所以，車輛調(diào)度仍采用加車調(diào)度的方式。在圖1所示的調(diào)度方案中，方案的節(jié)省成本,如式(1)。

Csave=ρTsave-Cextra

(1)

式中，Tsave為節(jié)省的時間成本，ρ為單位時間等效成本，Cextra為由于加車增加的額外運營成本。在本文提出的新方案中，我們假設(shè)調(diào)度前后，沒有使用軟件的乘客乘車策略不變，使用軟件的乘客采用了調(diào)度之后的更優(yōu)策略，則方案的節(jié)省成本,如式(2)。

Csave=ρ(Tsave+T′)-Cextra

(2)

式中，T′為使用軟件的乘客在調(diào)度之后節(jié)省的總時間。通過求得Csave的最大值，即可得到合適的調(diào)度方案。

式(2)中節(jié)省的總成本體現(xiàn)了一次調(diào)度之后，車輛和乘客作為整體的系統(tǒng)效率提升。其中，在乘客效率的提升方面，對于使用調(diào)度軟件的乘客，根據(jù)調(diào)度前后節(jié)省的出行總時間作為量化指標，對于其他乘客，由于乘車時長不變，則以節(jié)省等車時間為量化指標；乘客節(jié)省的時間成本和額外的必要運營成本之差，反應(yīng)了整體效率的提升。如圖2所示。

圖2 乘客協(xié)同公交調(diào)度方法

乘客調(diào)度和車輛調(diào)度在這種方案下形成了一個閉環(huán)。乘客使用軟件查詢，在獲得合適的乘車方案的同時，給車輛調(diào)度提供了大數(shù)據(jù)參考，車輛調(diào)度執(zhí)行后，乘客可以通過軟件及時查詢到最新的乘車策略，從而及時調(diào)整乘車方案(即使已經(jīng)在車上)，選擇更優(yōu)的方案。在互相調(diào)節(jié)之下，通過多次的車輛調(diào)度，以不斷優(yōu)化乘客的等車、乘車時間為目標，提高整個公交系統(tǒng)的運行效率。

2 實驗及仿真

為了驗證調(diào)度方案的可行性，我們抽象了一個實際場景進行仿真。仿真線路圖,如圖3所示。

圖3 仿真線路圖

圖中三種線條分別代表3條公交線路，從實際公交線路抽象而來，1、2、3路分別共有33站、26站、28站。a,b,c,d為三條線路之間的4個換乘站點。其中，a為1路的第14站，2路的第12站；b為2路的第13站，3路的第8站；c為1路的第23站，2路的第17站；d為2路的第20站，3路的第24站。

定義如下場景，有200位乘客通過第一章中所描述的手機軟件查詢線路信息。其中有120位位于1路8～13站的乘客想要前往1路的24～33站，且當前沒有車輛在1路的8～13站之間；有80位位于3路的4～7站的乘客想要前往3路的25～28站，且當前沒有車輛位于3路的4～7站之間。120位乘客有兩種乘車方案，第一種為乘坐1路直達終點，第二種為在a站點和c站點換乘兩次的方式到達終點。同理80位乘客也有直達和換乘兩次兩種乘車方案。假定此時1路和3路的路線上道路較為擁堵，這200位乘客選擇直達方案耗時較長，2路雖然道路通暢，但車次較少，換乘方案無法節(jié)省時間，在沒有加車支援的情況下，直達方案為最優(yōu)方案。

在這種場景下，對第1章的調(diào)度方法進行仿真，以式(2)作為目標函數(shù)進行建模，在隨機初始化的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法[6]進行迭代和求解，最終得到合適的調(diào)度建議。

本文采用Matlab工具，如圖3所示,從真實的3條公交線路抽象而出的線路圖上，以某時刻在地圖軟件上獲得的真實的站點間運行時間和公交車發(fā)車間隔為基礎(chǔ)，結(jié)合上文所述仿真場景調(diào)整了部分數(shù)據(jù)后，設(shè)定當前時刻車輛位置、各站點乘客到達率、站點間運行時間等信息，進行仿真，如圖4所示。

圖4 仿真迭代曲線

圖4為上述方法所構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型，使用遺傳算法進行求解的迭代曲線，縱坐標為此代最優(yōu)方案的等效節(jié)約成本，橫坐標為迭代代數(shù)。最終給出了如下調(diào)度方案；

(1) 向線路2的11站點加派一輛車；

(2) 向線路1的16站點加派一輛車；

(3) 向線路3的12站點加派一輛車。

以仿真場景中的200位乘客說明調(diào)度方案的有效性。所述120位乘客，若不選擇換乘方案，從1路的14站到24站共需花費28分鐘，而加派車輛后，120位乘客分別能夠在a站點和c站點的乘坐上加派的(1),(2)車，從1路的14站到24站，花費時間為21分鐘，節(jié)省7分鐘；所述80位乘客，若不選擇換乘方案，從3路的8站到25站共需花費41.5分鐘，而加派車輛后，80位乘客分別能夠在b站點和d站點乘坐上加派的(1)，(3)車，從3路的8站到25站，花費時間34分鐘，節(jié)省7.5分鐘。由此可見，該方法提供了合理有效的調(diào)度策略。另外，仿真中同時考慮了加派車輛的增加成本，將節(jié)約的總時間轉(zhuǎn)換為等效節(jié)省成本后，總能確?？偟刃Ч?jié)省成本(即式(2)的計算結(jié)果)為正。

3 總結(jié)

本文在傳統(tǒng)車輛調(diào)度的基礎(chǔ)上，引入乘客調(diào)度，提出一種乘客協(xié)同下的公交調(diào)度方法。這種新的調(diào)度方法，使乘客調(diào)度和車輛調(diào)度形成閉環(huán)，能生成更加高效的調(diào)度方案，提高公交系統(tǒng)的整體效率。同時，通過對這種方案的實驗和仿真，驗證了新的調(diào)度方法能夠給出合理的調(diào)度建議，派遣車輛前往合適的站點進行支援，在仿真層面驗證了新方法的有效性，為移動互聯(lián)網(wǎng)時代的公交調(diào)度提供了可行參考。