基于交通效率的城市公交线网优化
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摘 要:城市公交网络的优化是大力发展绿色交通、建立可持续发展交通运输系统的重要环节。引入交通效率的概念, 提出了基于交通效率的城市公交网络优化思路。与传统优化模型相结合, 将多线路用户平衡问题作为下层模型, 考虑乘客直达率、线路满载率和线路长限定等约束, 建立了城市公交网络双层优化模型, 并应用遗传算法和模拟退火混合算法进行了求解。
关键词:交通效率;公交线网;双层优化
由于公共交通对交通资源的高效利用,使得大力发展公共交通、实行公交优先成为缓解城市交通紧张状况的最佳选择。城市公交线网(常规公交)分布在城市道路网上,由若干公交线路组合而成;组成公交线网的公交线路是由起讫点及其间的多个中间停靠站点连接而成。公交线网是城市公交客流的主要承担者之一。合理的公交线网布局,可以充分发挥公共交通的优势,提高运营效率,改善服务水平,提高公共交通在居民出行方式中的分担率,减轻城市道路系统的交通压力,同时也是智能公交和公交导向开发(Transit - Oriented Development ,简称TOD)研究的基础。
现有的线网优化模型大部分都把公交企业的经济效益最佳作为优化目标之一。而通过世界银行的预计报告来看,中国大部分城市的公交出行分担率在6 %～25 %之间,与国外大城市的公交分担率一般在40 %～80 %之间相差甚远。所以笔者认为,在公共交通的社会效益还有很大潜力没有发挥时,不应把经济效益作为主要优化目标。本文在讨论了城市公交线网优化的各项重要指标的基础上,提出基于交通效率的城市公交线网优化的思路、模型和方法。
1 城市公交线网的优化原则、优化目标以及约束条件
1.1 优化原则
(1)尽可能组织直达运输,使全服务区乘客总换乘次数最小;
(2)尽可能按最短距离布设线路,使乘客总出行时间最小;
(3)尽可能使规划区的线路分布均匀,提高线网服务面积率;
(4)尽可能使线路的客流分布均匀,充分发挥运载工具的运力。
1.2 优化目标
(1)乘客总出行时间最小;;
(2)公交企业的经济利益最好。
1.3 约束条件
(1) 线路长度的限制。一般情况下,,为线路长度的上、下极限,按运行要求约为5km,按运行要求约为15km。
(2)线路非直线系数的限制。一般情况下,,为线路I的长度(km),d为线路起、终点站空间直线距离(km)。
(3)线路的路段(客流量)不均匀系数的限制。一般情况下, 为线路中最大断面客流量,为平均断面客流量。
(4)乘客平均转换次数的限制。一般情况下,城市居民单程出行换乘次数不超过2次。
2 基于交通效率的城市公交线网优化模型
2.1 建模思路
由于公交线网受到多方面因素的影响以及模型求解的困难, 直接对线网进行效率最大化的搜索是不可行的。首先设想形成最大可能线网, 即可能规划成线的所有起终站点所组成的线网。这样对每个或线路的通行能力进行优化, 得到优化线网。
基于交通效率的城市工交线网优化是以公交线网的总体交通效率最大化为目标的, 但是对于出行的个体来说, 他们在选择出行的线路时显然不会考虑个人出行对系统交通效率的影响。因此本模型将线网的优化模型作为上层次模型, 而将个人出行选择线路的用户平衡模型作为下层模型。上层次模型的区间交通量和出行时间由下层模型提供, 据此建立城市公交线网优化的双层模型。
2.2 模型结构
2.2.1上层模型
从以下方面来定义城市公交线网的交通效率。
1)公交出行总时间
式中为从交通小区i到交通小区j的公交乘客量(人次),为从交通小区i到交通小区j的公交出行总时间。
2) 公交运营收益
因公交运营成本计算比较复杂,仅将工交运营油耗计入成本,将其收益定义问票价收入扣除车辆油耗支出的部分,公式如下:
式中p为公交车的运营票价(元/(km•人次)),为公交车运营的油耗价值(元/km)。
2.3 模型说明及参数分析
2.3.1 模型说明
上层模型。目标函数minPT,就是在一定的乘客直达率、线路满载率和线路长限定条件下,如何以较小的出行费用来优化路网,使得出行总耗时最小以及工交运营收益最大。该模型体现了公交线网的交通功能目标、公交企业运营效益目标和乘客行为需求目标。
下层模型。在实际的公交线网规划中,可能对某些线路的客流通行能力作一些限制,或者某些线路的客流量之间存在着某种关系。对于前者可以在模型求解的编码中体现,而对于后一种情况,把存在相关关系的路段通行能力用一个决策变量的函数来表示。
2.3.2 参数分析
模型中涉及到出行时间向广义费用转化的问题。
时间价值分为资源价值和行为价值。从时间值研究的用途看,一是用于交通运输投资项目的价,包括财务评价、国民经济评价以及社会评价;二是用于交通规划, 如交通方式的分担分析与预测。时间的资源价值主要是为前者服务,强调的是全社范围内的时间价值计算;时间的行为价值为后者务,它通过对出行者行为的分析来揭示,是旅客对间价值的行为反映。因此本模型中的时间价值属行为价值。计算公式如下:
式中Y为人均年平均工资,n为每年工作周数,为每周工作小时数。本文设社会劳动者每年工作50周,每周40h, 则上式表示在时间利用系数为0.5的情况下,社会劳动者单位时间的行为价值。
3 结论
本文从城市交通效率准则出发, 提出了基于交通效率的城市公交网络优化的思路和模型, 设计了遗传算法与模拟退火法的混合算法进行求解。该模型年兼顾了乘客和公交企业双方面的利益,而且也考虑了整个城市的交通系统,所以它具有广泛的代表性和较高的使用价值。但对于现实中的公交线网优化问题,由于实际情况的复杂性,还需要考虑其他因素。
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