艾倩楠，張 俊，陸丹丹 AI Qiannan,ZHANG Jun,LU Dandan

（1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學院 公用事業(yè)學院，江蘇 常州 213147；2.揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重宣布， “中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。作為節(jié)能減碳重要一環(huán)，交通運輸過程中產(chǎn)生的碳排放一直是相關(guān)研究重點話題。交通領(lǐng)域占全國終端碳排放15%，過去9年年均增速5%以上，預(yù)計到2025還要增加50%。 “公交優(yōu)先”上升為國家戰(zhàn)略， “綠色出行”已成為行業(yè)共識。在新一輪科技革命的影響下，如何利用新技術(shù)推動新能源汽車和智慧城市、智能交通、清潔能源體系、信息通信產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，整體提升交通運輸融合創(chuàng)新能力，成為節(jié)能減碳關(guān)鍵。

公交線路運行效率一直是交通工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題，國內(nèi)外學者在此領(lǐng)域也進行了研究。Zhang yu等利用DEA方法對公共交通運行的成本效率和服務(wù)效率進行了評價；Fielding為評估公共交通營運績效，以美國198條公交車路線的營運數(shù)據(jù)為研究對象，將營運績效分為12個績效概念和60個初選評估指標，并以多變量分析中的因素分析法從中選取9個代表性指標，結(jié)果顯示所構(gòu)建的營運績效指標能有效地衡量公共運輸營運績效；Kittleson&Assioociate從公交時刻表的執(zhí)行水平評價公交系統(tǒng)的服務(wù)可靠性；Sami Jarboul運用SFA方法對64個國家的18條公共道路的效率進行研究。由此可以看出，目前針對公交線路運行效率的研究較為分散，考慮因素不全面，只是從單一視角對公交運行效率進行分析。為此，本文綜合考慮影響公交線路運行效率的因素，將模糊專家系統(tǒng)理論用于分析公交線路運行效率，并得到各指標對運行效率的影響，同時根據(jù)分析結(jié)果，對影響大的關(guān)鍵路段與節(jié)點進行識別與優(yōu)化，以提高線路整體運行效率。

1 模糊專家系統(tǒng)

1.1 模糊規(guī)則

模糊規(guī)則的基本形式分為：語言式（Mamdani）模糊規(guī)則、函數(shù)式（Sugeno）模糊規(guī)則、Tsukamoto模糊規(guī)則。

（1）語言式（Mamdani）模糊規(guī)則

（2）函數(shù)式（Sugeno）模糊規(guī)則

（3）Tsukamoto模糊規(guī)則

此模糊規(guī)則可以視為Mamdani模糊規(guī)則的簡化，區(qū)別在于Tsukamoto模糊規(guī)則把后件的模糊規(guī)則限定為只能擁有單調(diào)性的隸屬函數(shù)。考慮到城市公交運行的客觀實際，本文選用適合語言表達的Mamdani模糊規(guī)則。

1.2 隸屬度函數(shù)

常用的隸屬函數(shù)的形式有S形函數(shù)、形函數(shù)、三角函數(shù)和梯形函數(shù)等，一般來說，三角函數(shù)和梯形函數(shù)就足以表達專家知識了，并且還能極大簡化計算過程。梯形隸屬度函數(shù)表達式為：

式中：、、、均為實數(shù)；μ（）為輸入變量的隸屬度。

本文采用梯形隸屬度函數(shù)，其形式如圖1所示。

圖1 梯形隸屬度函數(shù)

2 城市公交線路運行效率影響因素分析

城市公交運行效率的影響因素很多，主要包括：路段通行能力、車輛停靠特征以及運行組織特征。

（1）路段通行能力

公交車輛的運行依托于城市道路，因此公交線路經(jīng)過路段的通行能力將直接影響公交線路的運行效率。當路段通行能力較高時，公交能以較高的期望速度在路段上行駛，減少了運行過程中的時間延誤，提高運行效率。

（2）車輛?？刻卣?/p>

公交車輛的?？刻卣髦饕憩F(xiàn)為停靠時間，即一輛公交車從進站停車到駛出車站的總時間，是確定公交站點通行能力和客運能力的關(guān)鍵參數(shù)，同時直接影響到一條公交線路總運行時間。

（3）運行組織特征

公交系統(tǒng)的運行組織會直接影響到企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量和經(jīng)濟效益。公交調(diào)度方案的制定要考慮乘客的需求，同時也要考慮公交企業(yè)的財政收入和運營成本。因此，獲取合理的發(fā)車時刻是優(yōu)化公交運行組織方案的關(guān)鍵之處。公交車輛在特定線路上運行時，一方面若發(fā)車頻率過低，乘客候車的時間費用會上升，候車滿意度隨之下降，時間價值較高的乘客群體會轉(zhuǎn)向私家車、地鐵或者出租車等；另一方面若發(fā)車頻率過高，公交運營公司配備的車輛數(shù)會隨之上升，單趟車的滿載率也會下降，進而其票價收入則無法達到公交公司期望值，相反還會導致公交公司總收益的下降。

3 基于模糊專家系統(tǒng)的城市公交線路運行效率研究

3.1 指標模糊化

根據(jù)第二節(jié)的分析以及相關(guān)研究成果，取得路段通行能力、?？繒r間、發(fā)車頻率3個指標的輸入值，確定輸入值對應(yīng)于相應(yīng)模糊集的程度，輸出結(jié)果為某條公交線路的運行效率以及各影響因素所占的比重。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)與各個指標的關(guān)系，利用專家經(jīng)驗，對各個輸入量與輸出量語言變量及其范圍，所設(shè)置的具體屬性閾值見表1至表2所示。

表1 路段通行能力等級與范圍

表2 公交線路運行效率等級與范圍

3.2 建立模糊集

圖3 車輛?？繒r間的模糊集

以某條公交線路的路段通行能力、車輛?？繒r間、發(fā)車頻率為3個輸入變量，該條公交線路的運行效率為輸出變量，同時得到每一個指標對輸出結(jié)果的影響比例，采用梯形隸屬度函數(shù)的形式，按表2設(shè)計語言變量的模糊集，如圖2至圖4所示。

圖2 路段通行能力的模糊集

圖4 發(fā)車頻率的模糊集

3.3 建立模糊規(guī)則庫

本文構(gòu)建的公交線路運行效率模糊專家系統(tǒng)將路段通行能力、車輛?？繒r間、發(fā)車頻率作為輸入變量，每個模糊輸入量均對應(yīng)3個模糊量，由組合原理得到27條模糊規(guī)則。見表3，表中、T、分別表示路段通行能力、車輛停靠時間、發(fā)車頻率；表示運行效率等級。

表3 模糊規(guī)則

3.4 建立公交線路運行效率模糊專家預(yù)測模型

在確定模糊集和模糊規(guī)則后，利用模糊邏輯開發(fā)工具箱建立城市公交線路模糊專家預(yù)測模型。模糊專家系統(tǒng)的推理過程如圖5所示，通過拖動圖中虛線來確定標準化后的路段通行能力、車輛?？繒r間T、發(fā)車頻率的值，同時可以得到相應(yīng)于運行效率的值。值越大，表示效率越高。根據(jù)建立的模糊專家規(guī)則庫，通過FIS輸出曲面觀測器觀測不同輸入量對輸出值的影響，其三維輸出效果如圖6至圖8所示。

圖5 模糊專家推進過程規(guī)則庫

圖6 D與C、Td的關(guān)系

圖8 D與Td、t的關(guān)系

利用所構(gòu)建的模糊專家預(yù)測模型，公交規(guī)劃人員可以對已開通線路進行運行效率檢驗，識別運行效率低的線路以及主要影響指標與節(jié)點，以便采取相應(yīng)的改善措施，提高相應(yīng)線路的運行效率。

圖7 D與C、t的關(guān)系

4 實例驗證

本文選擇常州市8條公交線路進行運行效率研究，依次將每一條公交線路所經(jīng)過的路段以及站點進行編號。按照本文的方法，依據(jù)路段通行能力計算公式，分別計算8條公交線路所經(jīng)過路段的通行能力，同時計算每條線路所經(jīng)過路段的通行能力的均值作為路段通行能力的輸入值。根據(jù)公交車輛?？繒r間的計算模型，分別計算每條公交線路每個站點的?？繒r間，得到每條線路所有?？繒r間的均值，同時記錄每條公交線路高峰期間的發(fā)車頻率。最終獲得8條線路路段通行能力、車輛?？刻卣饕约鞍l(fā)車頻率3個指標的輸入值。結(jié)果見表4。

表4 研究線路指標

按照本文的方法，將調(diào)查以及模型計算得到的各條線路的指標數(shù)據(jù)進行整理，獲得路段通行能力與車輛?？繒r間的均值，并輸入至訓練好的模糊專家系統(tǒng)中，將輸出結(jié)果進行整理，得到每條公交線路的實際運行效率以及各個指標對運行效率影響的程度，結(jié)果見表5。

表5 輸出結(jié)果 單位：%

通過對輸出結(jié)果的整理，可以得到每一條公交線路的實際運行效率以及每個指標對運行效率的影響程度，進而為相關(guān)規(guī)劃人員提供改善依據(jù)，針對運行效率低的線路以及影響程度最大的指標進行優(yōu)化。為了具體分析每條線路各路段通行能力、各站點車輛?？繒r間以及發(fā)車頻率對運行效率的影響，將各部分調(diào)查數(shù)據(jù)輸入模糊專家系統(tǒng)中，輸出部分結(jié)果見表6。

表6 部分路段及車站的輸出值 單位：%

從輸出的結(jié)果可以看出不同路段的通行能力、不同站點的車輛?？繒r間以及各條線路的發(fā)車頻率對線路整體的運行效率有不同的影響程度，對于某些運行效率低的線路可以具體分析影響程度最大的因素，并采取有針對性的改善措施，優(yōu)化城市公交網(wǎng)絡(luò)。本文對5路公交車的關(guān)鍵路段通行能力和關(guān)鍵節(jié)點車輛?？繒r間進行優(yōu)化，前后對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化結(jié)果

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，對5路公交線路的三個關(guān)鍵路段通行能力進行優(yōu)化后，整體線路的運行效率提高15%，對8個關(guān)鍵節(jié)點停靠時間優(yōu)化后，整體線路的運行效率提高22%。

5 結(jié)束語

本文響應(yīng)“碳達峰、碳中和”國家戰(zhàn)略，深入研究城市公交運行效率預(yù)測方法，為提升城市公交運行效率提供依據(jù)，推動城市交通出行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本文首先分析城市公交線路運行效率的影響因素，并根據(jù)已有的研究成果，提出各影響因素的指標與計算模型，同時根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)對車輛?？繒r間模型中的參數(shù)進行擬合，以確定標定后的模型，對城市公交線路運行效率的計算結(jié)果可以幫助規(guī)劃、管理者明確各條公交線路的運行情況，對運行效率較低的線路采取有效改善措施，以提高整個城市公交系統(tǒng)的運行效率，同時可以針對某些關(guān)鍵路段以及關(guān)鍵車站進行優(yōu)化，進而提高公交系統(tǒng)的服務(wù)水平，吸引客流。本文在分析影響城市公交線路運行效率的因素時，對運行組織特征的分析只簡單地分析了發(fā)車頻率，不涉及其他方面，顯然與實際情況有一定差距，在下一步的研究中，將進一步分析運行組織的其他特征對公交線路整體運行效率的影響，使得所訓練的模糊專家系統(tǒng)更加符合實際。