基于移动终端的主动预约式智能公交调度系统

刘世忠,卓亚娟,于媛媛,段和柱,富云燕

(太原科技大学 交通与物流学院,太原 030024)

目前,我国城市近郊区居民的公共交通出行方式主要以常规公交(Fixed Route Transit Service)为主,其到站准确率较低、可达性差、乘客候车时间长,严重降低了居民绿色出行意愿。作为常规公交重要补充方式的需求响应式交通(DRT,Demand Responsive Transport)系统,由运输经营者或调度中心按乘客的需求派遣车辆接送乘客至目的地,是一种动态的公交服务系统,能够在较短的时间内对变化的交通情况做出反应,提供符合个性化的路线与时刻规划,满足乘客对交通出行便捷性与舒适性的要求[1,2]。已有研究表明,DRT系统能有效改善出行密度较低地区常规公交发车间隔长、居民出行不便等交通问题,是合理配置公交资源与优化公交运营成本的有效方式。

国内外许多学者与交通工程师对DRT系统已开展了大量的研究工作。Daganzo[3]于1984年首次提出了类似于可变线路公交的需求响应式公交概念,在特定情形下可以提供更加高效的运输服务,并证实了需求响应式公交在低出行密度区域内相比常规公交出行可以提供更好的出行服务;Savelsbergh[4]等人就需求响应式公交系统的一些关键问题进行了理论探讨,并提出了一些有针对性的解决方案;Cortes[5]等人采用仿真分析的方法评估了需求响应式公交系统的可行性,结果表明在一定的服务水平与出行需求量条件下需求响应式公交比常规公交具有更好的成本效益;孙芙灵[6]基于乘客出行需求来确定发车时间间隔,通过引入时段配车数概念并结合西安客流统计调查数据分析了发车时间间隔的确定方法;同济大学的李璠[7]基于DRT系统的基本理论,结合其在法国的具体交通实践案例,探讨了DRT模式下公交巴士服务研究思路,构建了相关交通服务流程与运营管理方式。国内对于DRT系统的研究起步较晚,理论研究与实践经验十分匮乏,对于公交的运营与规划缺乏系统深入的研究;而国外对于需求响应式公交系统的研究大多集中在未设置停靠站点的一类,无法直接应用于国内的公共交通系统。因此,结合国内城市近郊区居民交通出行特点,开展以满足居民出行需求为目的的智能化公交调度系统研究具有十分重要的现实意义。

本文笔者在综合分析现有需求响应式交通系统特点的基础上,结合互联网主动预约技术与车辆智能定位技术,提出了一种基于移动终端的主动预约式智能公交调度系统。将移动终端、总调度控制中心与公交车辆通过互联网实现信息交换与实时共享,以乘客预约候车总人数与乘客最长等待时间为决策变量,通过引入相关阈值建立了基于乘客需求的发车间隔优化模型,并给出了发车时间间隔的确定方法。

1 系统的组成架构与功能

基于移动终端的主动预约式智能公交调度系统是在DRT系统研究领域内的补充与优化,是先进公共交通系统的延伸,该系统通过对车辆自动定位技术[8](Automatic Vehicle Location,AVL)、移动终端软件技术(Application)、无线数据通信技术等先进技术的科学集成,实现乘客与车辆信息数据的实时通信与处理,达到在满足乘客出行需求前提下的智能化公交调度。

1.1 系统的组成架构

基于移动终端的主动预约式智能公交调度系统主要由总调度控制中心子系统、集成化车载设备子系统、移动终端应用程序子系统及GIS地理信息子系统组成,其基本组成结构框图如图1所示。

图1 基于移动终端的主动预约式智能公交调度系统组成结构框图Fig.1 Composition block diagram of the intelligent transit operation system with active reservation based on mobile terminals

(1)总调度控制中心子系统。总调度控制中心子系统主要包括无线局域网模块、信息汇总及处理模块、分析决策模块、调度管理模块。总调度控制中心子系统在这些模块的集成辅助下,实现对乘客出行与车辆运营信息的处理、公交车辆的运营指挥调度、合理发车方案的制定等功能。

(2)集成化车载设备子系统。集成化车载设备子系统主要包括无线局域网模块、实时监控模块、GPS车辆定位模块与信息收集与储存模块,实时向控制中心及移动终端设备提供车辆位置信息及车载情况,并实时动态监控车辆的运行状况。

(3)移动终端设备子系统。移动终端设备子系统包括移动网络模块与主动预约APP程序模块,乘客通过主动预约APP程序获取车辆信息并进行车辆预约。

(4)GIS地理信息子系统。GIS地理信息子系统通过对空间地理信息数据的采集、存储、处理与显示,为总调度控制中心与移动终端设备提供精确的车辆位置与运行信息[9]。

1.2 系统的功能

基于移动终端的主动预约式智能公交系统通过乘客在移动终端主动预约APP软件上的预约操作,把乘客的乘车信息实时反馈发送给总调度控制中心,同时利用全球定位系统(GPS)等集成化车载设备将车辆的运行状况、载客信息等实时发送给总调度控制中心及移动终端设备;总调度控制中心根据乘客的出行需求对公交车的发车间隔进行优化,制定合理的发车方案并实时反馈给车辆与乘客,实现公交车辆的智能化调度,整个系统实现的原理如图2所示:

该系统具有的主要功能如下:

(1)采集信息功能。利用移动终端采集乘客的预约信息,通过集成化车载设备与GIS地理信息子系统获取公交车的位置、运行状态等动态信息。

(2)分析与决策功能:将采集到的车辆与乘客出行需求信息进行统计分析,利用基于乘客需求的发车间隔优化模型确定合理发车间隔。

(3)公交车智能调度功能:依据已确定的合理发车间隔,通过调度管理模块对公交车辆下达发车指令。

(4)信息反馈功能:乘客与总调度控制中心之间通过移动网络进行车辆预约信息、车辆实时运行信息的传递与反馈;公交车与总调度控制中心之间通过无线局域网实现车辆位置信息与调度指令等信息的传递。

图2 基于移动终端的主动预约式智能公交调度系统实现原理图Fig.2 Schematic diagram of the intelligent transit operation system with active reservation based on mobile terminals

2 基于乘客需求的发车间隔优化模型

基于乘客需求的发车间隔优化模型是对目前公交车调度方案固定发车时间间隔的优化调整,该模型的核心思想是在保证低运营成本的基础上,根据某线路上的预约人数,合理地规划公交车的发车间隔,提高公交车的服务水平,减少乘客的候车等待时间,提高出行效率,增加居民的公交出行意愿[10]。

2.1 模型的假设

(1)该模型仅考虑公交车辆正常行驶状况,忽略突发的特殊情况;

(2)以乘客预约候车总人数与乘客最长等待时间为决策变量来综合确定最优发车时间间隔;

(3)不考虑公交车行驶过程中对后续车站乘客候车等待时间的影响,乘客候车等待时间从该乘客预约时刻开始计算,直至预约车辆发车时刻为止,以此时间间隔作为该乘客的候车等待时间。

(4)发车间隔时间从某车次初始预约时刻算起,且忽略总调度控制中心发车指令决策下达与实际执行时间。

2.2 符号及变量说明

Tk(k=1,2,…)表示第k位乘客预约时刻;Tinitial表示某车次初始预约时刻,即某车次第1位预约乘客预约时刻,Tinitial=T1; Δt表示系统采集数据的时间间隔,可根据经验进行取值;ti表示第i次系统采集数据时刻(i=1,2,…,n),初始时刻以Tinitial开始计算,ti可按式(1)计算:

ti=Tinitial+i×Δt

(1)

(2)

ΔTOP表示总调度控制中心确定的最优发车间隔;ΔTmax表示最大发车时间间隔,可根据乘客所能容忍的最长等待时间或常规公交车的固定发车间隔确定;Pf表示乘客预约总人数阈值,可根据各公交车的固定乘客座位数及车厢的有效站立面积综合确定。

2.3 模型分析与建立

图3为最优发车间隔ΔTOP计算流程框图,具体计算步骤如下:

Step 1:确定系统采集数据的时间间隔Δt,乘客预约总人数阈值Pf,最大发车时间间隔ΔTmax,公交线路上的车站总数m等模型参数;

Step 2:通过数据采集,确定公交线路上第一位乘客的预约时刻Tinitial=T1,并将此时刻的数据采集次数记为i=1;

图3 最优发车时间间隔计算流程框图Fig.3 Flow diagram of computing theoptimal departure time interval

Step 5:根据预约乘客总人数判断最优发车间隔:判断Pi是否小于Pf,若是,返回Step 3;若否,最优发车间隔ΔTOP=ti-Tinitial;

Step 6:输出最优发车间隔ΔTOP.

3 结语

基于移动终端的主动预约式智能公交调度系统运用车辆定位技术、移动终端技术及无线数据通信技术,通过互联网移动终端、总调度控制中心与公交车辆之间的实时信息传递,实现对城市近郊公交运营调度管理的智能化与信息化。以乘客预约候车总人数与乘客最长等待时间为决策变量,建立基于乘客需求的发车间隔优化模型,实现对公交车辆发车间隔的实时优化。

基于移动终端的主动预约式智能公交调度系统不仅能满足乘客对公交车辆进行预约出行需求,而且通过对车辆的运行状况以及预约情况等信息的预先掌握,合理地选择乘车方案,减少乘客候车等待时间,改善“超载”与“挤公交”现象。基于移动终端的主动预约式智能公交调度系统能有效改善城市近郊公交服务水平低、发车间隔大等交通问题,有效地弥补常规公交系统的不足,增大了公交吸引力,大大推动城市公共交通系统的可持续发展,实现真正意义上的绿色出行。