考虑多种实际运行环境的城市公交时刻表的优化设计

This project focuses on bus timetabling problem (BTP) in the transit operations planning. This project studies the optimization design for BTP under real operation environments such as dynamic passenger demand, stochastic bus travel times, common lines and bus network. The following contents are studied: (1) quantitative description of dynamic passenger demand and fitting of bus travel time distribution; (2) analytical model of BTP with stochastic bus travel times; (3) model and algorithm for the BTP with dynamic passenger demand and stochastic bus travel times; (4) model and algorithm for the BTP with the consideration of dynamic passenger demand and common lines; (5) model and algorithm for bus network timetabling problem with dynamic passenger demand and passenger transfer behavior. This study not only expands the theories of BTP, having academic value, but also improves bus service quality and sharing rate, and mitigates traffic congestion, having practical significance.

本项目旨在以公交运营计划中的时刻表设计为研究对象，研究了动态乘客需求、车辆随机行驶时间、公交线路共线和公交网络等实际运行环境下公交时刻表设计问题的模型与算法。主要内容包括：(1) 动态乘客需求的定量描述和车辆行驶时间的分布函数拟合；(2) 车辆随机行驶时间下公交时刻表设计问题的解析模型；(3) 动态乘客需求和车辆随机行驶时间下公交时刻表设计的模型与算法；(4) 动态乘客需求和公交线路共线下公交时刻表设计问题的模型与算法；(5) 动态乘客需求和乘客换乘行为下公交网络时刻表设计的模型与算法。项目的研究不仅在理论上丰富和发展了公交时刻表设计问题，具有重要的学术价值，同时为提高公交服务质量和公交分担率、缓解城市交通拥堵，提供理论、方法和技术支持，具有重要的现实意义和广泛的应用前景。

公交时刻表设计是公交运营计划中最复杂和关键的问题之一，是公交车和驾驶员调度优化的依据。设计高质量的公交时刻表需要考虑公交系统运行的特点，如公交网络、乘客换乘行为、动态乘客需求等。项目应用运筹学的相关理论和方法对多种实际运行环境的城市公交时刻表设计问题进行了研究。针对要完成的研究目标，项目在研究过程中主要针对以下三个方面进行了探索。首先，考虑乘客换乘行为，以公交网络为研究对象，提出了公交网络时刻表协同优化设计的多目标优化问题，并证明其是NP-hard问题，设计了求解该问题的非支配排序遗传算法，结果表明协同设计的时刻表能减少乘客换乘等待时间，使更多乘客受益于平滑换乘服务。其次，研究了考虑允许调整原时刻表策略的公交网络时刻表优化设计方法，在允许调整偏离原时刻表发车时间的范围约束下，构建了公交网络时刻表设计的混合整数规划模型，提出缩减解空间的预处理方法，结合CPLEX优化软件对问题求解获得精确解，还设计了嵌入邻域搜索的遗传算法求解实际算例，并证明了算法的有效性。最后，从公平性视角，研究了动态乘客需求和乘客出行行为的单线路地铁时刻表设计问题，构建了以最小化最大不公平性指标为优化目标的混合整数规划模型，设计了变邻域求解算法。通过实际算例分析，发现在时刻表设计中采用跳站策略不仅减轻乘客间的不公平性，还能减少乘客出行时间和最大错过班次数。项目的研究为公交企业进行运营计划制定和提高公交服务质量，也为公交时刻表设计问题的理论研究提供了新思路和新方法。