摘 要

随着居民生活水平的提高，人们的出行要求也越来越高，尤其在城市生活的居民，他们大部分的出行是要依靠城市公共交通，而其中最为广泛且使用人数最多的就是公交车，它遍及大部分的城市，是城市居民主要的出行方式。公交车虽然是一种非常便捷的交通方式，但它有时却会在很大程度上影响乘客的出行体验，比如公交车难等、公交车车内拥挤、公交车车站分布不均匀等问题，其中影响最大的就是乘客等待公交车到站的时间，等待时间过长可能会影响到乘客的正常生活。公交车的发车间隔与乘客的等待时间息息相关，除去交通路况等不可控因素外，改善公交车的发车间隔计划以应对公交车客流的高低峰期，可以有效减少总体的乘客等待时间，提升乘客的出行体验。

本文以呼市某路公交车为研究对象，先是对它的现状进行了调查分析，分析出了其乘客流量大、地理位置重要等特点，明确了它在呼市公共交通中占有重要的地位。之后又具体分析了它的车站分布以及公交车所需的行驶时间，为之后的优化奠定了基础，然后分析了他的运营时间以及发车间隔，结合如上下班时间、上下学时间等高客流量时间段，分析出了其发车频率与公交车客流量不匹配的问题。然后针对这个问题建立了以最小化乘客在站等待时间的优化模型，再对每个车站的具体客流量进行分析以及函数的拟合，为之后的优化工作做了一定的准备。最后介绍了遗传算法工具的特点，分析了它可以解决本文主要问题的优越性。然后结合之前对客流量的分析，将公交车的具体发车时间作为决策变量，将乘客的总等待时间为优化目标，运用MATLAB软件中Genetic Algorithm算法工具对目标函数进行优化，最终得到的方案相对于原方案的乘客等待时间有了大幅度的下降，完成了优化乘客出行体验的目标。

关键词：公交车发车间隔；乘客等待时间；公交客流量；遗传算法

Abstract

With the improvement of residents' living standards, people's travel requirements are becoming higher and higher. Especially for residents living in cities, most of their travel depends on urban public transportation, and the most extensive and most used are buses. It spreads over most cities and is the main mode of travel for urban residents. Although the bus is a very convenient mode of transportation, it sometimes affects the travel experience of passengers to a large extent, such as the difficulty of the bus, the congestion of the bus, and the uneven distribution of bus stations. The biggest impact is the time that passengers wait for the bus to arrive at the station. If the waiting time is too long, it may affect the normal life of passengers. The departure interval of the bus is closely related to the waiting time of the passengers. In addition to uncontrollable factors such as traffic conditions, improving the departure interval plan of the bus to respond to the peak and low periods of the passenger flow of the bus can effectively reduce the overall passenger waiting time and improve the passenger Travel experience.

This article takes a bus in Hohhot as the research object. First, it investigates and analyzes its current status, analyzes its characteristics such as large passenger flow and important geographic location, and makes it clear that it occupies an important position in public transportation in Hohhot. After that, it analyzed the distribution of its stations and the travel time required by the bus, which laid the foundation for the subsequent optimization, and then analyzed his operating time and departure interval, combined with high passenger flow time such as commuting time, commuting time, etc. Section, the problem of mismatch between the departure frequency and the passenger flow of the bus is analyzed. Then for this problem, an optimization model was established to minimize the waiting time of passengers at the station, and then the specific passenger flow of each station was analyzed and the function was fitted, which made certain preparations for the subsequent optimization work. Finally, the characteristics of the genetic algorithm tool are introduced, and the advantages that it can solve the main problems in this paper are analyzed. Then combined with the previous analysis of passenger flow, the specific departure time of the bus is used as a decision variable, and the total waiting time of passengers is used as the optimization goal. The objective function is optimized using the Genetic Algorithm algorithm tool in MATLAB software. The passenger waiting time of the original scheme has been greatly reduced, and the goal of optimizing passenger travel experience has been achieved.

Keywords: Bus departure interval; passenger waiting time; bus passenger flow; Genetic Alg

目录

呼市某路公交发车间隔优化研究 1

摘要 3

第1章 绪论 1

1.1背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 2

1.3研究内容及目标 3

1.4本章小结 3

第2章 相关技术与理论 4

2.1公交客流量 4

2.2公交车发车间隔 4

2.3遗传算法 4

2.4本章小结 5

第3章 现状调查 6

3.1该路公交车的基本信息 6

3.2该路公交车存在的问题 8

3.3本章小结 8

第4章 建立发车间隔优化模型 9

4.1建立模型的假设条件 9

4.2目标函数 9

4.3目标函数及约束条件 10

4.4本章小结 11

第5章 遗传算法 12

5.1编码 12

5.2种群初始化 12

5.3选择、交叉、变异 12

5.4算法的演示步骤 13

第6章 实例分析 14

6.1呼市某路公交车的客流情况 14

6.2运营公交车分析 17

6.3算法计算参数的给定及准备工作 17

6.4 对目标函数进行优化 18

6.5本章小结 18

第7章 总结与展望 20

第1章 绪论

1.1背景及意义

随着我国经济的稳步发展，我国的城市居民对于城市交通的需求量有了很大的增长。在居民的巨大出行量下，各城市的交通压力也越来越大，许多城市的交通道路已经不堪重负，城市居民日常的出行需求已经无法被现有的城市道路和交通条件所满足，人们的正常生活已经在很大程度上受到了影响。2012年国家针对这些问题提出了“优先大力发展城市公共交通”的战略，旨在从根本上解决城市交通问题，明确了优先发展公交交通的目标^[1]。但由于目前的交通路线规划比较乱，公交车以及公交车站牌等资源配置得不合理，公交车发车间隔比较紊乱，很多城市的公共交通为了满足城市居民的出行情况还需要做出持续的改善^[2]。

公交车是城市居民出行的主要方式，也是城市公共交通的重要组成。公交系统的高效率运营除了与车辆车站等基础设施有关外，还会受到公交公司对公交车辆合理管理的影响。其中公交车发车间隔的管理是公交车辆管理的重要部分。只有公交车运营公司对公交客流信息进行系统准确的把握，才能比较深入的了解城市居民的出行规律与特点，进而才能对公交客流量做出一个正确的判断，而公交客流量是公交车发车间隔管理的重要依据^[3]。因此我们需要对公交车客流量数据进行收集与分析，才能对公交车发车间隔进行改善，从而改善城市公共交通的不良现状。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

公交车公司的运营是很多人关注的问题，国内的很多学者对于公交车发车间隔以及公交客流量有着深刻的研究。叶清等人以最低化乘客出行成本以及公交车运营公司的成本为优化目标，并且把公交车车次和发车间隔作为约束条件，建立一个多目标的优化模型，最后使用了遗传算法进行优化^[4]。张思林等人思考到了乘客去公交车车站的时间、在车站等车的时间、在车内等待下车的时间、公交车公司的运营成本这四个问题，以公交车车站的分布和发车时间为约束条件，然后运用遗传算法对发车时间以及车站的分布做进一步的优化^[5]。孟子悦等人思考到了不定时的交通堵塞的这个问题，然后对发车时间进行改进，他们不仅考虑这方面，而且将客流情况与公交车发车时间相匹配，完成优化的目标^[6]。郝小妮等人思考到了公交车客流量的分布情况，而且一条公交线路会受到其他线路的影响，尤其在客流高峰时期会造成巨大的影响，为了解决这个问题他们提出了可以在客流高峰时期暂时停止一些客流量很低的公交线路，从而形成一个新的公交车发车计划，并且以车辆运行时间最小和车辆等待时间占公交车使用时间比例最小为优化目标，使用MMAS算法对这两个优化目标进行优化^[7]。黄艳国等人分析了公交车运营成本、乘车体验以及乘客的出行所消耗的时间这三个方面，然后使用NSGA-Ⅱ算法来求出最优的发车计划^[8]。王康分析了公交客流量在时间分布以及空间分布上的特征，并且思考了道路状况对公交车调度的影响，然后通过对公交车公司的运营模式的研究，提出了新的公交车发车计划，完成将公交车客流量与发车时间以及发车次数的匹配 ^[9]。吕鹏等人研究了多目标优化的公交车发车计划模型。并且根据具体的客流量数据把将公交车的运行时间按客流量高低峰的标准分为5个部分，最后将乘客的等待时间、公交车车内的拥挤程度以及车辆的满载率这三个目标通过加权处理成一个目标函数，并且运用MATMAB软件求出优化后的公交车发车计划^[10]。曹延斋等人先是运用MATLAB软件计算了换乘公交车的最短路径，然后初步计算出不同时间段的发车计划，并且根据这个结果对其他几条公交车线路的发车计划进行优化，最终完成在一片区域内乘客在换乘公交车时的等待时间最小化的优化目标 ^[11]。

1.2.2国外研究现状

这个问题在其他国家也是有重要影响的，国外的很多学者在这个方面也有一些很好的研究。Zhao，J，S.Bukkapatuam等人考虑到了乘客在公交车站的等待时间和在公交车内的等待时间，建立以乘客总等待时间最短的优化目标的发车计划模型^[12]。Shao-Wei Lam等人提出了一种基于综合仿真模型和服务可靠性度量的多目标优化方法，以此来优化公交车的发车间隔规划^[13]。K. Gkiotsalitis等人将公交策划的运行时间和客流量这两个问题结合起来，并且使用了周期性的优化方法，建立了滚动区间调度时间控制问题的模型。这种模式为交通规划者提供了更大的灵活性，使公交车运营公司能够在日常的运营中调整公交车的发车计划，在最后证明了这个模型的解可以做到全局最优 ^[14]。E.C. van Berkum等人引入了一个非线性的函数，并且提出了一种新的限制优化问题递推关系的新优化模型。证明了在有限的计算代价下可以求解到全局最优 ^[15] 。B. Anil Kumar等人提出了一个适合乘客需求和行程时间为目标的优化模型，在最小化乘客在站等待时间的前提下，通过制定一个能够适应乘客出行需求和交通状况变化的最优时间表，最大化运营公司的利益以及乘客的出行满意度 ^[16] 。

1.3研究内容及目标

本文主要是对呼市某路公交车的运营进行分析改善。为了完成这个目标，本文先是通过对这路公交车客流量历史数据进行行分析研究，得到各公交车车站客流的时间特征与空间特征，然后再对该公交车运营公司的车型、公交车载客量以及发车间隔进行调查，然后通过对这些信息的分析明确优化的目标，然后选择合适的算法工具针对优化目标对发车间隔进行优化，得到优化后的公交车调度计划，最后通过对比分析优化前的发车计划和优化后的发车计划，得到改善成果，这对现实的公交车发车计划具有一定的指导意义。

1.4本章小结

本章介绍了公交系统在城市公共交通的重要地位，在交代了目前许多城市公交调度水平参差不齐的现状下，引出对公交客流量和公交发车计划分析的重要性，进而提出了论文的研究背景和重要意义，最后又介绍了国内外学者对公交客流量以及公交发车计划的研究现状。

第2章 相关技术与理论

2.1公交客流量

公交客流量是居民通过乘坐公交车斌且通过车辆运行到特定的站点而到达目的地的人群。在总体上来看，它的大小会直接影响到该城市公交车的运行数量。它的组成成分有很多，比如因为上班、上学、旅游等需要用到公共交通工具到达目的地的居民。客流的分类主要依靠的是乘客的出行要求，其中包括上下班客流、上下学客流、生活需求客流、旅游需求客流。根据所在区域可以分为：市区客流、市郊客流、郊区客流、长途客流。公交客流由流量、流时、流向以及流程等四大内容所构成。流量指的是乘客的数量；流向指的是乘客大致的出行方向；流时指的是乘客在车内的等待时间；流程指的是乘客乘坐的公交车的路线。

城市公交客流有以下的特点；乘客数量大、时间特征比较明显、高低峰明显、乘车距离比较灵活、转乘车次比较多。郊区客流有以下的特点：乘车人数少、乘客乘车的距离比较长、一般都是早晚的乘客流量比较大。而且客流量也会受到季节以及节假日的影响，春秋两个季节的客流量比较多，冬夏两个季节的客流量比较小，而且在工作人员和学生休息的时候会影响到客流的分布。公交客流量的大小有很多的影响因素：城市规模的大小、人口数量的多少、员工以及学生数量的多少、城市的公共设施是否完善、公交车的票价以及乘车体验等。公交客流可以通过多种方式来统计，比如查询IC卡的数据、实际调查等方法。

2.2公交车发车间隔

公交车发车间隔是公交车运营公司依据乘客的客流量以及路线的分布对公交车的发车计划进行调度，也就是公交车发车间隔。公交车的发车间隔会考虑到公交车运营公司以及乘客的成本，很多的发车间隔是根据乘客出行成本的最小化以及公交车运营公司利益的最大化进行调整的。公交车客流量比较大的时间段可能会将发车间隔调整为5分钟，而有些地理位置比较偏且乘客数量比较少的路线可能会是30分钟的发车间隔，乘客出行成本最小化和公交车运营公司收益最大化这两个影响因素是最主要的。怎么样才能在较低成本的运营下，将公交车的发车计划与公交客流量相匹配，减少乘客在公交车站的等待时间，这些是改善公交车发车计划的重要内容。

2.3遗传算法

遗传算法（Genetic Algorithm，GA）最早是由美国学者 John holland所提出，这个算法是对现实世界中生物的进化过程的一种模拟，是将达尔文生物进化论中自然选择部分以及遗传学机理的生物进化过程转换成一种数学模型，同时也是一种通过模拟生物进化过程去求得问题最优解的方法。这个算法是利用计算机的仿真运算以及高速计算能力，将问题的求解过程转变成生物染色体基因的交叉、变异等过程。在求解复杂的多目标问题以及约束条件比较复杂的问题时，与常规的优化算法相比较，遗传算法通常能够又快又方便地获得较好的优化结果。

2.4本章小结

本章主要介绍了公交客流量，公交发车间隔以及优化算法工具等的基础含义，为后面的优化工作做了一定的准备，同时也方便了对于这些基础概念的理解。本章介绍的遗传算法是本文比较主要的一个部分，它为一些复杂的目标优化问题提供了很便捷的优化方式。

第3章 现状调查

3.1该路公交车的基本信息

公交车就是一种沿着固定的道路、发车次序不定、以把乘客送到相应目的地的车辆。大多数的公交车为了承载更多的乘客、扩大可以同时乘坐的人数，车内大部分的地方都放置了公交车座椅，而且没有座椅的地方会设置把手来方便乘客可以在车内安全地站立。随着城市经济的发展，城市居民生活水平也日益提高，他们对像公交车这样便捷的出行方式的需求也越来越高，这需要城市有更多的公交车投入使用。公交车大部分都是基层群众的主要出行方式，出行成本很低的公交车为普通百姓、学生以及上下班的员工创建了良好的出行条件。本文主要研究的是呼市某路公交车发车间隔优化研究，以下是关于这路公交车的基本信息。

本文选择的研究对象是呼市的某一路公交车，这路公交车的始发站为内蒙古大学创业学院公交站，末站为呼和浩特火车站公交站。途中共经过农科院站、南茶坊站、通达南站、公园南门站、火车站等15个公交车车站。这路公交车全程票价一元，是该城市公交车线路最重要的部分之一，途中经过许多重要站点，包括长途客运站：通达南站、火车站、大型商业区：海亮广场站、大型城市公园:公园南门站、呼市第一医院站等重要站点，具体站点如图3.1所示。