可變線路公交服務(wù)時間窗對服務(wù)水平影響分析

孫春洋 李文權(quán) 鄭 樂 邵孜科

(南京交通職業(yè)技術(shù)學院1) 南京 211188) (東南大學交通學院2) 南京 211189)(南京郵電大學現(xiàn)代郵政學院3) 南京 210003)

0 引 言

可變線路公交是一種能夠應(yīng)對居民出行多樣化的新型公交模式，融合了常規(guī)公交和需求響應(yīng)式公交的特點，與常規(guī)公交相比，能夠為乘客提供個性化的門到門服務(wù)，與需求響應(yīng)式公交相比，可以降低運營成本[1-3]．

目前，國內(nèi)外對可變線路公交的研究成果較多．Koffman[4]將靈活型公交分類六大類，而可變線路公交正是靈活型公交的一種．鄭樂等[5]系統(tǒng)回顧了國內(nèi)外靈活型公交的發(fā)展歷史，指出在中國未來可變線路公交擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ甉uadrifoglio等[6-8]建立了可變線路公交的車輛調(diào)度模型，并設(shè)計了相應(yīng)的求解算法，對可變線路公交的相關(guān)運行指標進行了分析．邵孜科等[9]在建立雙層規(guī)劃調(diào)度模型基礎(chǔ)上，從服務(wù)人數(shù)最多和乘客出行時間最少角度出發(fā)，分別提出了2種優(yōu)化算法求解模型．Sun等[10]考慮拒絕率的影響，提出了優(yōu)化可變線路公交車輛調(diào)度的方法．而盧小林等[11]為可變線路公交構(gòu)建了一套評價指標體系，并建立了評價模型．

這些研究主要集中在模型和算法等方面，鮮少涉及服務(wù)時間窗對可變線路公交服務(wù)水平的影響，而時間窗會影響乘客的出行行為選擇[12]．文中在建立可變線路公交調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，用乘客平均出行時間和系統(tǒng)拒絕率來表征可變線路公交的服務(wù)水平，借助南京市淳化社區(qū)，通過仿真模擬的方法，研究服務(wù)時間窗對可變線路公交服務(wù)水平的影響．

1 可變線路公交系統(tǒng)

1.1 可變線路公交概述

圖1為可變線路公交服務(wù)示意圖．

圖1 可變線路公交服務(wù)示意圖

可變線路公交一般采取乘客提前預(yù)約的模式，系統(tǒng)根據(jù)此預(yù)約信息規(guī)劃車輛的路線，生成最佳行駛路線．

從組織形式來看，可變線路公交分為兩大類：①以接駁為主，在此種情況下，固定站點的乘客出行需求非常旺盛，可變線路公交的作用是集散固定站點的乘客出行；②以區(qū)內(nèi)出行為主，在此種情況下，固定站點沒有大量的乘客出行需求，僅僅是為了設(shè)置到站時間約束，保證公交的服務(wù)的水平．

1.2 服務(wù)時間窗

圖2為服務(wù)時間窗．

圖2 服務(wù)時間窗

系統(tǒng)接收到乘客的出行信息后，為了便于路線規(guī)劃，要將最早接車時間和最晚接車時間轉(zhuǎn)換成車隊中最早或最晚能夠服務(wù)乘客的班次．根據(jù)乘客的位置，估計可變線路公交接上乘客時的行駛時間，進而判斷班次能否為提供乘客服務(wù)．最早能服務(wù)乘客的班次和最晚能服務(wù)乘客的班次為

(1)

式中：m1為最早能服務(wù)乘客的班次；ETi為可變線路公交最早接車時間；DTi為可變線路公交接上乘客時預(yù)估的行駛時間；H為可變線路公交的發(fā)車間隔．

(2)

式中：m2為最晚能服務(wù)乘客的班次；LTi為可變線路公交最晚接車時間；M為可變線路公交最大的班次編號．

可變線路公交接上乘客預(yù)估的行駛時間DTi需要設(shè)計人員根據(jù)實際的乘客需求分布、路網(wǎng)條件、天氣等各種因素綜合確定，不同地區(qū)、不同地點甚至不同時間的預(yù)估差別都會比較大．對于理想條件下，如果可變線路公交服務(wù)范圍是矩形且乘客需求服從均勻分布，為

(3)

式中：Xi為乘客i的橫坐標位置；L為矩形服務(wù)區(qū)域的長邊；T為可變線路公交的運行周期．

2 可變線路公交調(diào)度模型與算法

2.1 可變線路公交調(diào)度模型

可變線路公交調(diào)度問題本質(zhì)上是帶時間窗的車輛路徑規(guī)劃問題．定義乘客出行時間的偏差與行程時間之和為乘客的出行時間，那么調(diào)度目標就是最小化乘客的平均出行時間．即

(4)

與普通的車輛路徑規(guī)劃模型相比，考慮服務(wù)時間窗的可變線路公交調(diào)度模型需要增加服務(wù)班次的區(qū)間約束：

m1≤Mi≤m2

(5)

式中：Mi為服務(wù)乘客i的班次編號．

2.2 簡單插入算法

選擇效率高的簡單插入算法，為每個乘客選擇出行班次，并將可變線路公交調(diào)度模型的目標作為將乘客安排至班次的標準，流程圖見圖3．

圖3 簡單插入算法流程圖

3 案例分析

選取南京市淳化社區(qū)為研究對象，結(jié)合周邊用地實際情況，服務(wù)淳化社區(qū)的可變線路公交可以簡化為以南京地鐵1號線南京交院站為固定站點，服務(wù)區(qū)域為5 km×2 km的矩形系統(tǒng)，見圖4．用乘客平均出行時間和拒絕率這兩個指標來表示可變線路公交的服務(wù)水平．

圖4 南京淳化社區(qū)周邊現(xiàn)狀圖

采用仿真實驗?zāi)M可變線路公交的服務(wù)情況，在仿真模擬中，可變線路公交的行駛速度假設(shè)為定值，取25 km/h；可變線路公交需要短暫停留讓乘客上下車，這個時間假設(shè)為18 s；同時，可變線路公交的服務(wù)時長為10 h．為了保證輸出結(jié)果的穩(wěn)定性，對每種組合進行200次的仿真模擬．

從可變線路公交的供需角度出發(fā)，乘客出行數(shù)量決定著需求的大小，可變線路公交發(fā)車間隔決定著供給的大小，所以會有四種組合，分別是高發(fā)車間隔+高出行需求、高發(fā)車間隔+低出行需求、低發(fā)車間隔+高出行需求和低發(fā)車間隔+低出行需求．在仿真實驗中，乘客出行需求假設(shè)服從均勻分布，高乘客出行需求取30人/h，低乘客出行需求取15人/h；高發(fā)車間隔取15 min，低發(fā)車間隔取30 min．

從組織形式來看，對于淳化社區(qū)，如果是接駁型可變線路公交，那么絕大多數(shù)乘客出行的起點或終點將在南京交院地鐵站；如果是區(qū)域型可變線路公交，那么會有相當一部分乘客的起點或終點都不在南京交院站．在仿真實驗中，如果是接駁型可變線路公交，那么出行起點或終點在南京交院站的乘客占比取90%；如果是區(qū)域型可變線路公交，那么出行起點或終點在南京交院站的乘客占比取50%．

在仿真實驗中服務(wù)時間窗寬度取四檔，分別是預(yù)約出行時間前后15、30、45和60 min，對應(yīng)的服務(wù)時間窗寬度為30、60、90和120 min．可變線路公交的運行周期按照乘客分布服從均勻分布計算獲取．

3.1 運行周期分析

表1為接駁型和區(qū)域型可變線路公交在四種組合下的運行周期．在同等出行需求和發(fā)車間隔條件下，接駁型可變線路公交的運行周期都比區(qū)域型可變線路公交短，四種組合分別短了2.85、5.70、5.70和10.60 min．這是因為，在同等條件下，接駁型可變線路公交的大量乘客是在南京交院站上下車，而區(qū)域型可變線路公交乘客的上下車點則比較分散，這就意味著與區(qū)域型相比，接駁型可變線路公交車輛停靠點數(shù)少，不僅能夠減少了車輛的行駛距離，還能減少了車輛的?？繒r間，因此能夠縮短運行周期．

表1 接駁型和區(qū)域型可變線路公交在四種組合下的運行周期 單位：min

3.2 服務(wù)時間窗寬度對乘客平均出行時間的影響分析

圖5為乘客平均出行時間仿真指標，在四種組合中，無論是接駁型還是區(qū)域型可變線路公交，不同服務(wù)時間窗寬度下，乘客平均出行時間的最大極差均出現(xiàn)在高出行需求與低發(fā)車間隔組合，分別是83.48和105 s，其余組合極差都在20 s以內(nèi)，所以可以認為服務(wù)時間窗寬度不會顯著影響乘客的出行體驗．

圖5 乘客平均出行時間仿真指標

結(jié)合可變線路公交運行周期表，乘客平均出行時間與運行周期高度相關(guān)：運行周期高的，乘客平均出行時間仿真結(jié)果也高；運行周期相同的，乘客平均出行時間仿真結(jié)果也非常接近．

3.3 服務(wù)時間窗寬度對拒絕率的影響分析

圖6為拒絕率仿真結(jié)果．由圖6可知:服務(wù)時間窗寬度對可變線路公交的拒絕率影響較大，主要呈現(xiàn)出以下幾個特征：

圖6 拒絕率仿真結(jié)果

1) 任何乘客出行需求與發(fā)車間隔組合，隨著服務(wù)時間窗寬度的增加，拒絕率都有明顯的下降，且當初始寬度較小時，拒絕率的邊際改善效果是最突出的．這是因為，當服務(wù)時間窗寬度較小時，乘客可選的出行班次較少，因此被系統(tǒng)拒絕出行的概率較大．

2) 在相同發(fā)車間隔下低出行需求時的拒絕率均高于高出行需求，而且兩者的差值隨著服務(wù)時間窗的變大而收窄，而且當服務(wù)時間窗大于等于90 min時，高出行需求下基本不再出現(xiàn)拒絕現(xiàn)象．這是因為，與高出行需求相比，低出行需求時乘客出行的時空波動性大，導致乘客被系統(tǒng)拒絕的概率就更高，但是隨著服務(wù)時間窗寬度的增加，乘客能夠選擇更多的出行班次，這降低了乘客出行時空波動性的不利影響，因此能夠降低拒絕率．

3) 當服務(wù)時間窗寬度較小時，發(fā)車間隔對接駁型可變線路公交有明顯影響，對區(qū)域型可變線路公交則影響不大．在服務(wù)時間窗為30 min時，對于接駁型可變線路公交，發(fā)車間隔由低轉(zhuǎn)換成高時，不同出行需求下的拒絕率都能改善2%以上；對于區(qū)域型可變線路公交，發(fā)車間隔發(fā)生變化時，不同出行需求下的拒絕率均下降不到1%．

3.4 時間窗寬度與運力設(shè)置

根據(jù)前文分析，服務(wù)時間窗寬度基本不影響乘客的平均出行時間，它主要是通過影響拒絕率來影響服務(wù)水平的．根據(jù)Mageean等[13]對歐洲需求響應(yīng)式公交的研究，歐洲需求響應(yīng)式公交的拒絕率普遍在1%～10%．作為求響應(yīng)式公交的一種，可變線路公交拒絕率指標閾值也可以取在1%～10%，此次淳化社區(qū)取5%．

在拒絕率低于5%的要求下，當服務(wù)時間窗不小于60 min時，所有出行需求與發(fā)車間隔組合都滿足指標要求．但當服務(wù)時間窗在30 min時，所有低出行需求組合的拒絕率在均10%左右，遠遠高于指標，此時服務(wù)水平極低；所有高出行需求組合的拒絕率也在5%左右，接近指標閾值，此時可服務(wù)水平也是一般．

因此，對于淳化社區(qū)，建議服務(wù)時間窗寬度取60 min，即預(yù)約出行時間前后30 min內(nèi)服務(wù)乘客，同時按照高出行需求設(shè)計可變線路公交，通過這種方式不僅可以將拒絕率控制在1%左右，也能為將來的客流增長提供彈性空間．

表2為不同組合下的車輛配置表．由表2可知:假設(shè)駕駛員的休息時間是10 min，如果是接駁型可變線路公交，那么在低發(fā)車間隔時可配置兩輛車，在高發(fā)車間隔時配置三輛車；如果是區(qū)域型可變線路公交，除低出行需求與低發(fā)車間隔組合配置兩輛車外，其余組合均配置三輛車．由于建議按照高出行需求設(shè)計可變線路公交，所以建議配置3輛可變線路公交，這樣能夠有效靈活地應(yīng)對接駁或者區(qū)域不同類型的組織要求．

表2 不同組合下的車輛配置表

4 結(jié) 束 語

文中用乘客平均出行時間和系統(tǒng)拒絕率作為可變線路公交服務(wù)水平的評價指標，以南京市淳化社區(qū)為設(shè)計對象，通過仿真模擬的方式，分析了接駁型和區(qū)域型可變線路公交服務(wù)時間窗寬度對可變線路公交服務(wù)水平的影響．從結(jié)果來看，無論是接駁型還是區(qū)域型可變線路公交，服務(wù)時間窗寬度對乘客平均出行時間指標基本沒有影響，對拒絕率指標有較大的影響，因此，在確定服務(wù)時間窗寬度時只需要關(guān)注拒絕率指標的變化．最后，本文分析服務(wù)時間窗對可變線路公交服務(wù)水平的影響是站在運營者角度，無法確定乘客是否接受這個時間窗寬度，因此，下一步研究將基于對乘客的SP調(diào)查，分析乘客對服務(wù)時間窗的接受程度．