基于啟發式算法的校車運營管理研究

耿 揚，鄭長江，李麗利

（河海大學土木與交通學院，江蘇 南京210098）

基于啟發式算法的校車運營管理研究

耿 揚，鄭長江，李麗利

（河海大學土木與交通學院，江蘇 南京210098）

隨著社會經濟的發展，道路交通壓力日漸增加，人們的出行安全問題越來越受到關注，尤其是學生上下學安全問題。以校車公交化為理念，提出以政府為主導，依托公交公司統一調度的集約化運營思想，并利用啟發式算法，使用計算機編程技術實現該思想下的行車方案。將該集約化運營模式應用于廣州市天河區部分民辦小學，優化完善校車公交化的運營方案。

校車公交化；啟發式調度模型；集約化運營；優化完善

1 研究背景

1.1 中小學生出行現狀

學生上下學時段，尤其上學時間正值道路交通高峰時段，與社會交通早高峰重疊，短時間內校園周邊形成了高強度的交通流且交通秩序混亂，給學生交通安全及校園周邊的交通帶來巨大壓力，嚴重影響學校周邊的交通運行，也嚴重影響社會交通的運行，成為目前需要重視的社會問題。

根據調查顯示家庭對校車持贊成態度以上的比率高達67%，而反對的比重僅占4.57%。據此，從家庭角度來看，對設立校車將家庭成員從接送兒童上下學約束中解放出來持肯定態度的居多。家庭對于設立校車主要考慮的因素是安全方面以及校車運營管理方面。不同收入階層的家庭對校車持肯定態度的均在65%之上。對于校車運行的出行距離，隨著距離的增長，同意實施校車的人數愈多。出行距離的增長，更希望能使用校車上下學。然而由于校車管理需要花費大量精力費用，政府監管不力等因素導致校車事故頻發，校車運行效率低下，并在一定程度上增加了交通壓力［1］。日益突出的校車問題，引起了社會各界的重視，但仍然缺少科學合理的運行方案［2］。

調查顯示，廣州市大部分校車使用者是民辦學校，學生離家遠，居住點分散，組織難度大，效率低。遍觀國內其他城市，相當多一部分學校尤其是民辦學校及城郊地區生源分散地區學校，必須提供校車服務。并且很多城市校車面臨同樣的問題:①安全系數低；②效率低；③增大交通壓力。

1.2 研究目標

基于對廣州市區校車調查和研究，以校車公交化理念為依托［3］，提出公共校車運作模式，在此模式下結合實際情況使用集送一體化算法優化行車［4］，利用計算機技術實現行車排班定線的自動化，并且將優化校車調度方案（以公交化為理念，運用啟發式算法優化行車），非優化校車調度方案（以公交化為理念，非集約化思想，校車行駛固定路線）以及學校自配校車方案（私有化，各自學校使用各自學校自己的校車）進行了比較分析。對多所學校校車聯合管理，給校車公交化提供了實際數據支持，使運營模式研究與行車方案研究有機結合，提出了效率、安全、系統的校車綜合運營方案，實現了社會資源集約化，社會利益最大化:① 保障學生安全；② 減輕交通壓力，順利接送學生；③ 提高校車運行效率，節省運營成本，提高資源集約程度。

2 方案設計

2.1 運營模式的建立

為解決校車管理不規范，不統一的問題，提出一套完整的校車運營模式。該校車的綜合方案具體包括校車監管、校車管理、校車運行和服務反饋。該校車綜合方案體現了由政府主導、公交公司負責的校車統一管理思想，在司機培訓，校車標準保證，檢修和更換上得以統一，形成的校車綜合方案會使得校車營運更加專業化、安全化，社會資源更加集約化。

2.2 行車方案方法研究

2.2.1 技術路線

依附于上述運營模式，對天河區八所民辦學校的調查與研究，得到其校車運行現狀相關數據。采用集貨送貨一體化問題的啟發式算法［5］，利用Visual Basic程序設計語言編寫程序，優化線路排班，得到一套更加合理的校車營運方案；創建面向對象的窗口，實現校車線路排班動態查詢。

2.2.2 模型假設

校車線路安排是一個集貨和送貨一體化的車輛調度問題，采用組合啟發式算法解決該問題:① 將所有任務分成若干組；② 對組內的線路進行安排；③ 建立組間的線路［6］。

1）分組模型建立。設任務i中的上車點坐標為（fai，fbi），下車點坐標為（sai，sbi）。設組k上車點重心坐標為，下車點重心坐標。任務點i到類k的距離定義為

式中:q為假設車輛額定載客量；gi為任務點i上車人數，且gi≤q；l為任務點i到類k的距離。

2）模型求解。設組間線路鏈接時間限制60 min。對時間較短的線路，可用一輛校車來完成運輸。計算每兩兩線路間的起終點距離，從小到大排序，符合線路時間則鏈接，模型求解步驟見圖1。圖中k為分類數；Mi為超出人員和時間限制M類中距離重心最遠的任務分給另一支它最近M類；Q為計數器。

圖1 系統VB編程原理流程圖示Fig.1 Flow chart of system VB programming principle

3 案例研究

3.1 數據收集

我們以廣州市天河區的八所主要民辦學校為研究對象展開調查。分別是育華學校、思源學校、科技園中英文學校、培藝學校、同仁學校、新昌學校、華師附屬南國實驗學校、東泰學校。八所學校及生源分布如圖2所示。

圖2 八所學校分布及生源圖示Fig.2 The number and the distribution of students at eight schools

針對研究對象生源分布劃分區域，選取區域重心為參考上落點，再以學生方便性、車輛可達性為原則調整參考上落點P′，調整后，選定的學生上落點。將20個主要生源地分成10個初始組，各個初始組的學生是斷斷續續的上車，初始組的特征及要求如表1所示。

表1 初始組的特征及要求表Tab.1 Characteristics and requirements of the initial group

在以上兩步基礎上，規定校車最高行駛速度不超過60 km·h-1，10個初始組對應10項運送任務（編號1，2…，10），各項任務之間的距離及行駛時間分別由表2，表3給出。

表2 各初始組間的距離Tab.2 Distance between initial groups km

表3 各初始組間的行駛時間Tab.3 Travel time between initial groups min

3.2 運行結果及簡要分析

圖3表示下拉圖示每條線路詳情圖。根據所得程序操作指示，在圖3所示操作界面可查看各條線路的具體信息。圖3下拉菜單可以選擇線路編號，選擇線路編號后，在圖中可以看到班車行駛路線，還可以知道在某點上車去哪所學校的人數。

圖3 下拉圖示每條線路詳情Fig.3 Drop－down graphic details of each line

3.2.1 運行結果及簡要分析

經過實際調查與驗證，校車公交化的運營模式，啟發式調度模型下運行所需的車輛小于非集約化安排的校車數量，同時運行效率也有較大幅度提高。各項參數比較如表4所示。

由表4可得，①優化后的方案與非優化方案及學校自配方案比較校車數量明顯減小優化后的方案比學校自配方案少了12輛車；②所用成本明顯降低，每日節省24.6萬元；③且安全性及緩解交通壓力方面均明顯優于另外兩種方案。

3.2.2 方案的反饋與調整

1）學生信息追蹤系統。學生信息追蹤系統是保障學生安全的重要部分。學生通過繳費領卡，上車刷卡的同時計算機終端接收到上車學生的信息，追蹤統計學生出行的信息，進而向學生家長反饋信息［8］。

2）線路調整。運營方案中公交化校車的運行線路是運用啟發式算法確定的，但是實際情況的變動會引起已設計線路的不合理性［9-10］。通過定期對線路進行考察，同時接受學生以及家長關于線路設計的合理建議，及時對運行線路不合理的地方進行調整改進。

表4 優化前后狀況對比情況表Tab.4 Comparison table before and after optimization

4 結論

1）“公交化”運營使多個學校使用共同的校車，混裝搭載，充分體現了“集約化”的思想，在節約能源的同時，也在一定程度上減輕了交通壓力。

2）集約化校車采取政府監管，委托公交公司負責的運營模式，更加便于校車的統一管理，減少校車運行中的安全隱患，進而保障學生的安全。

3）運用物流學中解決集貨送貨一體化問題的啟發式算法，建立啟發式調度模型為公交化校車制定科學合理運行線路以及運行方案，確保了校車運行的效率。

4）學生打卡系統以及信息追蹤反饋系統便于公交公司負責部門統計上車學生，對每個學生負責，確保每個學生的安全，更加體現了人性化的服務。

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［4］李軍，郭耀煌.物流配送車輛優化調度理論與方法［M］.北京:中國物資出版社，2001:59.

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［7］唐燕雯.一種基于K-means的自適應聚類算法的研究［J］.科技致富向導，2012（2）:143.

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［9］祖巧紅，張立志，陳利.MAS與啟發式算法結合的汽車滾裝碼頭堆場作業調度［J］.東南大學學報:自然科學版，2010，40（S2）: 297-300.

［10］范士娟，李偉.高速公路隧道照明自動控制系統［J］.華東交通大學學報，2011，28（5）:9-13.Research on School Bus Operation Management Based on Heuristic Algorithm

Geng Yang，Zheng Changjiang，Li Lili
（School of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

With the development of social economy，pressure from road traffic is increasing and travel safety issues are getting more and more attention，especially students'safety in school commuting.With the concept of“school bus”，this paper puts forward an intensive operation thought which is led by government and relies on bus company’s unified scheduling.Through heuristic algorithm and computer programming technology，driving program is established.Finally，the intensive operation mode is applied to optimize the operation plan of school bus for some non-governmental schools in Tianhe District，Guangzhou.

school bus；heuristic scheduling model；intensive operation；optimization and improvement

U491

A

1005-0523（2016）05-0039-06

（責任編輯 姜紅貴）

2016－04－28

江蘇省自然科學基金項目（BK2011745）

耿揚（1991—）男，碩士，研究方向為交通規劃與管理。

鄭長江（1966—）男，教授，博士，研究方向為交通運輸規劃與管理。