一种综合优化片区城乡公交时刻表编制与车辆调度的方法技术

本发明专利技术公开了一种综合优化片区城乡公交时刻表编制与车辆调度的方法，包括以下步骤：构建双层规划模型；基于上层规划假设条件，以公交运营成本最小为目标，建立上层车辆调度模型；基于下层规划假设条件，以片区内乘客出行换乘总时间与换乘失败惩罚最小为目标，建立下层时刻表优化模型；下层时刻表优化模型求解，将已优化的可行任务班次集作为下层时刻表优化模型的满意解进行输出；上层车辆调度模型求解，输出完成可行任务班次集的所有任务链及对应所需车辆数；产生双层规划模型的最优解，完成最佳车辆调度方案及相应的片区城乡公交时刻表的输出。不仅可直观反映片区线路组织的运行计划，还能进一步满足乘客便捷换乘需求与企业车辆资源的有效配置。

A Method of Comprehensive Optimizing Urban and Rural Bus Timetable and Vehicle Scheduling

【技术实现步骤摘要】
一种综合优化片区城乡公交时刻表编制与车辆调度的方法
本专利技术涉及一种优化方法，特别是涉及一种综合优化片区城乡公交时刻表编制与车辆调度的方法，属于优化城乡公交运力资源的

技术介绍
城乡公交主要指联系乡村地区的公共交通，包含连接城区到镇(街道)的城镇公交干线、镇到村的镇村公交支线、相邻镇之间的镇镇公交支线。相较于区域公交的定义，片区城乡公交的范围稍微小些，以城区到乡镇的干线定位片区，关联性较强的乡镇到村及村村之间可形成多点放射型或区域内环型线网结构，使得镇－村、村－村线路与城镇公交主干线形成一个片区。片区城乡公交组织主要是通过调配相邻线路运力来实现片区内运力资源的整合，涉及片区时刻表编制与车辆调度两个子问题。为保证乘客换乘便捷性与企业运营效益，片区多线路时刻表编制过程中需要协同换乘点的发车时刻同步性，多线路运力调配在完成任务班次的基础上尽可能减少车辆数与空驶成本。基于区域公交时刻表与车辆调度两者的有机联系，国内外学者研究综合集成优化问题的解决方法。现有方法有两种：①顺序集成：依次解决时刻表或车辆调度子问题，该方法在筛选前序子问题的最优解时很可能会舍弃整体最优解；②完全集成：一个模型一个算法一次性解决两个子问题，相关成果如下：Chakroborty等研究了车辆数约束下的多线路单换乘点网络的优化问题；Castelli等研究基于车辆数约束的最小化运营成本基础上服务更多乘客；Guihaire等基于现有时刻表构建包含运营成本、车辆数、换乘节点数量与强度、等间隔发车、空驶时间的加权目标函数；IbarraRojas等研究限定时间窗的多线路单车场调度优化，以最小化车辆数和最大化同步换乘量为加权目标函数；Laporte等考虑乘客出行路径选择偏好与运营成本限制，两者均采用约束法求解帕累托最优解。Fonseca等人构建换乘成本与运营成本加权目标函数，提出一种精确启发式算法求解。由于城乡公交线路班次少，乘客一旦换乘失败会有很长的等待时间，片区城乡公交干支线客流量、换乘点需求差异明显，协同换乘点到发时间时需有先后顺序，现有研究引用经过换乘点线路数描述协同系数，或是将换乘量作为优化目标之一，但是如何更好地依据换乘量调整换乘点到发时刻的先后顺序是有待研究内容。另外，现有建模利用数学、运筹学等精确方法，或某种启发式算法进行求解，在工程实践中较难操作。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种综合优化片区城乡公交时刻表编制与车辆调度的方法，可直观反映片区线路组织的运行计划，实现满足乘客便捷换乘需求与企业车辆资源的有效配置，极具有产业上的利用价值。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种综合优化片区城乡公交时刻表编制与车辆调度的方法，包括以下步骤：1)构建双层规划模型；所述双层规划模型包括上层车辆调度模型和下层时刻表优化模型，其中，上层车辆调度模型实现以公交企业运营成本最小为目的的多线路多车辆多车场的车辆时序指派，下层时刻表优化模型实现以片区内乘客出行换乘总时间与换乘失败惩罚最小为目标的多条城乡公交线路时刻表优化；1-1)构建上层车辆调度模型；基于上层规划假设条件，以公交运营成本最小为目标，建立上层车辆调度模型；1-2)构建下层时刻表优化模型；基于下层规划假设条件，以片区内乘客出行换乘总时间与换乘失败惩罚最小为目标，建立下层时刻表优化模型；2)下层时刻表优化模型求解；采用枚举法求解出片区城乡公交线路班次；在已有时刻表基础上，通过平移运行图来优化时刻表，并依据换乘量依次调整换乘点时刻表，得到已优化的可行任务班次集；将已优化的可行任务班次集作为下层时刻表优化模型的满意解进行输出；3)上层车辆调度模型求解；将输出的下层时刻表优化模型的满意解作为上层车辆调度模型的可行输入解，采用禁忌搜索算法求解上层车辆调度模型的目标函数在各个可行任务班次的值，输出完成可行任务班次集的所有任务链及对应所需车辆数；4)产生双层规划模型的最优解；从输出的完成可行任务班次集的所有任务链及对应所需车辆数中，选择公交运营成本最小所对应的任务链及所需车辆数作为双层规划模型的最优解，完成最佳车辆调度方案及相应的片区城乡公交时刻表的输出。本专利技术进一步设置为：所述上层规划假设条件为：片区内城乡公交线路运行的每条线路每个车次都能按照时刻表执行且准时到站；所有车辆车型统一；每一条线路上下行被视作独立的研究对象，每个车次有且仅有一辆公交执行任务；所述上层车辆调度模型，具体为：其中，Ci,j＝c·ti,j，Ci,M+l＝c·ti,M+l，CM+l,j＝c·tM+l,j(1)上层车辆调度模型的约束条件为，yi,j∈(0,1)，i,j＝1,2,…,M+K，(i,j)≠(M+l,M+l′)，l,l′＝1,2,…,K(2)zi,l∈(0,1)，i＝1,2,…,M，l＝1,2,…,K(3)yM+l,j-zj,l≤0，j＝1,2,…,M，l＝1,2,…,K(7)yi,M+l-zi,l≤0，i＝1,2,…,M，l＝1,2,…,K(8)zi,lyi,j-zj,l≤0，i,j＝1,2,…,M，l＝1,2,…,K(9)ti+ti+1+…+tM+tl,i+ti,i+1+…+tM-1,M+tM,l′≤Tmax,yl,i·yi,i+1…yM-1,M·yM,l′＝1(10)上层车辆调度模型的约束条件中，式(2)、式(3)定义了yi,j、zi,l；式(4)确保每一辆公交车完成车次i后回到车场等候或执行下一车次j；式(5)确保每一车次都有车辆执行，该车辆从车场出发或完成上个车次后接着开始执行；式(6)确保每一车次仅有一个车场分配车辆；式(7)确保Dl的车辆分配给车次j，且j是车辆从开出后执行的第一个任务；式(8)确保车场Dl的车辆分配给车次i，且i是车辆回到车场前执行的最后一个任务；式(9)确保车辆完成车次i后直接执行j，若i由Dl分配，则j也由Dl分配；式(10)为车辆持续行驶时间约束；式中，Y为上层车辆调度模型可行解、映射S(X)→Y为下层时刻表优化模型生成的任务班次按照自然数编码形成上层车辆调度模型的可行输入解、S(X)为下层时刻表优化模型生成的若干个可行任务班次集、C为一辆公交车的固定成本、V为所需车辆数、M为班次总数、K为车场数、Ci,j为车次i终点到车次j起点的行驶成本、c为单位时间运营成本、ti,j为车次i终点到车次j起点的行驶时间、Ci,M+l为车次i终点到车场Dl的空驶成本、ti,M+l为车次i终点到车场Dl的行驶时间、CM+l,j为车场Dl到j起点的空驶成本、tM+l,j为车场Dl到车次j起点的行驶时间、Tmax为一辆公交车的最大持续行驶时间；yi,j表示若完成车次i后直接运行车次j则为1，否则为0；yi,M+l表示若车次i结束后直接回到Dl则为1，否则为0；yM+l,j表示若车次j是Dl发出车辆的第一个车次则为1，否则为0；zi,l表示若车次i是Dl发出的车辆则为1，否则为0；zj,l表示若j是Dl发出的车辆则为1，否则为0；ti为完成车次i的时间，i＝1,2,…,M；ti,i+1为车次i终点到车次i+1起点的行驶时间，i＝1,2,…,M-1；tl,i为车场Dl到车次i起点的行驶时间，tM,l′为车次M终点到车场Dl'的行驶时间；yM,l′表示若完成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种综合优化片区城乡公交时刻表编制与车辆调度的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建双层规划模型；所述双层规划模型包括上层车辆调度模型和下层时刻表优化模型，其中，上层车辆调度模型实现以公交企业运营成本最小为目的的多线路多车辆多车场的车辆时序指派，下层时刻表优化模型实现以片区内乘客出行换乘总时间与换乘失败惩罚最小为目标的多条城乡公交线路时刻表优化；1‑1)构建上层车辆调度模型；基于上层规划假设条件，以公交运营成本最小为目标，建立上层车辆调度模型；1‑2)构建下层时刻表优化模型；基于下层规划假设条件，以片区内乘客出行换乘总时间与换乘失败惩罚最小为目标，建立下层时刻表优化模型；2)下层时刻表优化模型求解；采用枚举法求解出片区城乡公交线路班次；在已有时刻表基础上，通过平移运行图来优化时刻表，并依据换乘量依次调整换乘点时刻表，得到已优化的可行任务班次集；将已优化的可行任务班次集作为下层时刻表优化模型的满意解进行输出；3)上层车辆调度模型求解；将输出的下层时刻表优化模型的满意解作为上层车辆调度模型的可行输入解，采用禁忌搜索算法求解上层车辆调度模型的目标函数在各个可行任务班次的值，输出完成可行任务班次集的所有任务链及对应所需车辆数；4)产生双层规划模型的最优解；从输出的完成可行任务班次集的所有任务链及对应所需车辆数中，选择公交运营成本最小所对应的任务链及所需车辆数作为双层规划模型的最优解，完成最佳车辆调度方案及相应的片区城乡公交时刻表的输出。...

【技术特征摘要】
1.一种综合优化片区城乡公交时刻表编制与车辆调度的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建双层规划模型；所述双层规划模型包括上层车辆调度模型和下层时刻表优化模型，其中，上层车辆调度模型实现以公交企业运营成本最小为目的的多线路多车辆多车场的车辆时序指派，下层时刻表优化模型实现以片区内乘客出行换乘总时间与换乘失败惩罚最小为目标的多条城乡公交线路时刻表优化；1-1)构建上层车辆调度模型；基于上层规划假设条件，以公交运营成本最小为目标，建立上层车辆调度模型；1-2)构建下层时刻表优化模型；基于下层规划假设条件，以片区内乘客出行换乘总时间与换乘失败惩罚最小为目标，建立下层时刻表优化模型；2)下层时刻表优化模型求解；采用枚举法求解出片区城乡公交线路班次；在已有时刻表基础上，通过平移运行图来优化时刻表，并依据换乘量依次调整换乘点时刻表，得到已优化的可行任务班次集；将已优化的可行任务班次集作为下层时刻表优化模型的满意解进行输出；3)上层车辆调度模型求解；将输出的下层时刻表优化模型的满意解作为上层车辆调度模型的可行输入解，采用禁忌搜索算法求解上层车辆调度模型的目标函数在各个可行任务班次的值，输出完成可行任务班次集的所有任务链及对应所需车辆数；4)产生双层规划模型的最优解；从输出的完成可行任务班次集的所有任务链及对应所需车辆数中，选择公交运营成本最小所对应的任务链及所需车辆数作为双层规划模型的最优解，完成最佳车辆调度方案及相应的片区城乡公交时刻表的输出。2.根据权利要求1所述的一种综合优化片区城乡公交时刻表编制与车辆调度的方法，其特征在于：所述上层规划假设条件为：片区内城乡公交线路运行的每条线路每个车次都能按照时刻表执行且准时到站；所有车辆车型统一；每一条线路上下行被视作独立的研究对象，每个车次有且仅有一辆公交执行任务；所述上层车辆调度模型，具体为：其中，Ci,j＝c·ti,j，Ci,M+l＝c·ti,M+l，CM+l,j＝c·tM+l,j(1)上层车辆调度模型的约束条件为，yi,j∈(0,1)，i,j＝1,2,…,M+K，(i,j)≠(M+l,M+l′)，l,l′＝1,2,…,K(2)zi,l∈(0,1)，i＝1,2,…,M，l＝1,2,…,K(3)yM+l,j-zj,l≤0，j＝1,2,…,M，l＝1,2,…,K(7)yi,M+l-zi,l≤0，i＝1,2,…,M，l＝1,2,…,K(8)zi,lyi,j-zj,l≤0，i,j＝1,2,…,M，l＝1,2,…,K(9)ti+ti+1+…+tM+tl,i+ti,i+1+…+tM-1,M+tM,l′≤Tmax,yl,i·yi,i+1…yM-1,M·yM,l′＝1(10)上层车辆调度模型的约束条件中，式(2)、式(3)定义了yi,j、zi,l；式(4)确保每一辆公交车完成车次i后回到车场等候或执行下一车次j；式(5)确保每一车次都有车辆执行，该车辆从车场出发或完成上个车次后接着开始执行；式(6)确保每一车次仅有一个车场分配车辆；式(7)确保Dl的车辆分配给车次j，且j是车辆从开出后执行的第一个任务；式(8)确保车场Dl的车辆分配给车次i，且i是车辆回到车场前执行的最后一个任务；式(9)确保车辆完成车次i后直接执行j，若i由Dl分配，则j也由Dl分配；式(10)为车辆持续行驶时间约束；式中，Y为上层车辆调度模型可行解、映射S(X)→Y为下层时刻表优化模型生成的任务班次按照自然数编码形成上层车辆调度模型的可行输入解、S(X)为下层时刻表优化模型生成的若干个可行任务班次集、C为一辆公交车的固定成本、V为所需车辆数、M为班次总数、K为车场数、Ci,j为车次i终点到车次j起点的行驶成本、c为单位时间运营成本、ti,j为车次i终点到车次j起点的行驶时间、Ci,M+l为车次i终点到车场Dl的空驶成本、ti,M+l为车次i终点到车场Dl的行驶时间、CM+l,j为车场Dl到j起点的空驶成本、tM+l,j为车场Dl到车次j起点的行驶时间、Tmax为一辆公交车的最大持续行驶时间；yi,j表示若完成车次i后直接运行车次j则为1，否则为0；yi,M+l表示若车次i结束后直接回到Dl则为1，否则为0；yM+l,j表示若车次j是Dl发出车辆的第一个车次则为1，否则为0；zi,l表示若车次i是Dl发出的车辆则为1，否则为0；zj,l表示若j是Dl发出的车辆则为1，否则为0；ti为完成车次i的时间，i＝1,2,…,M；ti,i+1为车次i终点到车次i+1起点的行驶时间，i＝1,2,…,M-1；tl,i为车场Dl到车次i起点的行驶时间，tM,l′为车次M终点到车场Dl'的行驶时间；yM,l′表示若完成车次M后直接回到车场Dl'则为1，否则为0；yl,i表示若从车场Dl直接到车次i则为1，否则为0；yi,i+1表示若完成车次i后直接运行车次i+1则为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜晓红，过秀成，沈涵瑕，龚小林，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32