城市地铁站点接驳公交多目标优化方法_韩月一.pdf

第21卷 第1期2023年03月交通运输工程与信息学报Journal of Transportation Engineering and InformationVol.21 No.1Mar.2023文章编号：1672-4747（2023）01-0006-14城市地铁站点接驳公交多目标优化方法城市地铁站点接驳公交多目标优化方法韩月一1，王登忠*2，王如杰3，马东方1，袁 超2（1.浙江大学，海洋学院，杭州 310058；2.浙江省交通运输科学研究院，杭州 310023；3.浙江大学中原研究院，郑州 450000）摘要：多方式无缝衔接，尤其是公交和地铁的便利衔接是提高居民出行品质、提升绿色方式分担率的重要前提。目前，已有很多公交和地铁换乘优化的研究，但大多基于网络可达性、换乘距离最短等单一目标设置静态方案，缺乏对接驳站点和运营优化的同步兼顾，致使现有优化方法的实际应用效果欠佳。为解决上述问题，本文首先提出一种改进DBSCAN聚类算法，引入站点隔离度和客流需求量两个因素完成公交站点聚类划分，确定接驳站点候选集合。其次，以兼顾系统效益和个体利益为目标，融合宏观社会层面和微观个人层面的多维因素，建立接驳公交多目标双层规划模型，打破单一维度和单一目标优化的局限。最后，设计了一种基于精英非支配排序遗传算法（NSGA-II）的模型求解方法，并依据杭州市的实际数据对模型进行了验证，结果表明新方法可以有效串联公交站点，提高客流服务率。本文成果对实际接驳公交设计有一定的参考价值。关键词：城市交通；公交出行；多目标优化；接驳；聚类分析；双层规划模型中图分类号：U293.6；U491.1+7文献标志码：ADOI：10.19961/ki.1672-4747.2022.08.001Multi-objective optimization method for connecting buses in urbansubway stationsHAN Yue-yi1,WANG Deng-zhong*2,WANG Ru-jie3,MA Dong-fang1,YUAN Chao2(1.Ocean College,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2.Zhejiang Scientific Research Institute ofTransport,Hangzhou 310023,China;3.Zhejiang University Zhongyuan Institute,Zhengzhou 450000,China)Abstract：The seamless connection of multiple modes,in particular the convenient connection be-tween bus and subway,is an important prerequisite for improving the travel quality of residents andincreasing the rate of residents traveling in an eco-friendly manner.Bus and subway transfer optimi-zation has been investigated extensively.However,most of the studies conducted involve the deriva-tion of static solutions based on single goal,such as network accessibility and the shortest transferdistance,which do not simultaneously consider bus stops and operation optimization,thus resultingin an unsatisfactory practical application of existing optimization methods.In this study,to considersystem benefits and individual interests and to integrate multidimensional factors at the macro-socialand micro-personal levels,a multi-objective two-level planning model for connecting public trans-port is established that transcends the limitations of single-dimensional and single-objective optimiza-tion.Additionally,a model solving method based on the NSGA-II algorithm is designed,and the收稿日期：2022-08-01录用日期：2022-10-03网络首发：2022-10-19审稿日期：2022-08-0108-02；08-2208-30；09-1509-21；10-03基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFB1600300）；浙江省交通运输厅科技项目（2021018）作者简介：韩月一（1996），女，博士研究生，研究方向为交通规划与设计，E-mail:通信作者：王登忠（1984），男，高级工程师，研究方向为智能交通、交通规划与设计，E-mail:引文格式：韩月一，王登忠，王如杰，等.城市地铁站点接驳公交多目标优化方法J.交通运输工程与信息学报，2023，21(1)：80-93.HAN Yue-yi,WANG Deng-zhong,WANG Ru-jie,et al.Multi-objective optimization method for connecting buses in urban subwaystationsJ.Journal of Transportation Engineering and Information，2023，21(1)：80-93.model is verified based on the actual data of Hangzhou.The results show that the proposed methodcan connect more bus stops and improve the service rate to ensure smooth passenger flow.The re-sults presented herein can serve as a basis for the actual connection bus design.Key words:urban traffic;public transportation;multi-objective optimization;connection;clusteranalysis;two-level planning mode0引言目前，轨道交通承担了大城市主要交通走廊和长距离客流的输送任务，是保障城市网络运行效率的重要组成部分。然而，由于轨道交通站点分布密度低，乘客往往无法依靠单一轨道交通网络完成个体出行，出行过程中需要一次甚至是多次换乘。根据有关调研，局部城市的地铁出行换乘距离高达1 km以上，迫使部分出行者只能通过骑行、出租车等方式完成公交与地铁的衔接，大大降低了城市交通网络的运行效率和居民的出行体验。为解决乘客的换乘需求，充分发挥城市轨道交通和城市地面公交网络联合运行的作用，接驳式定制公交愈发受到研究者关注，衍生了众多接驳定制式公交线路规划方法1-5。同时，自20世纪60年代起，亦有很多学者从优化既有公交线网或公交线路的角度来提高多方式换乘的便捷性，其优化策略也已从传统的经验规划向模型优化转变。这些模型的优化目标包含服务人数最大、运营成本最低或者多个指标的加权均值最优，属于单目标优化范畴。近年来，部分学者在优化过程中不断融入出行时间、乘客舒适度等多种约束，建立更为细致、更有针对性的优化模型6-13，尤其是国内学者针对不同的问题背景提出多样化的接驳公交线路优化方法。从服务对象的角度考虑，现有研究大多设定固定的客流需求，存在优化效果短时波动的问题，甚至会影响全局的最优性。为此，王志美等人8在充分考虑目的地不是地铁站的可变客流的基础上构建了接驳公交线路的优化模型；Huang 等人6提出了一种以交互方式动态插入乘客需求（动态阶段）和基于总体需求静态优化服务网络（静态阶段）的两阶段公交网络设计模型。此外，还有学者从微观角度考虑乘客自身需求的多样性，如换乘需求9、预约需求13等，建立更为细致的公交网络优化方法。将现有技术与方法从网络形态、优化目标、需求设定三个维度总结如表1所示。表1 文献内容总结Tab.1 Summary of literature content作 者Huang等6王志美等8宋俪婧等10张思林等7胡继华等9奇格奇等11吴典文等13网络形态线网规划单轨道站点周边布局双轨道站点周边布局单轨道站点周边布局线网规划单轨道站点周边布局单轨道站点周边布局优化目标最大化运营商收益最小化管理者、出行者和社会运营费用的总费用最小化乘客总出行时间和运营成本最小化乘客出行成本和企业运营成本之和最大化线网的需求密度最小化公交运营成本最小化系统中企业运营成本需求设定以交互的方式动态插入乘客需求可变客流需求固定客流需求固定客流需求乘客换乘需求乘客异质化需求乘客的预约需求在实际应用方面，接驳公交网络优化也在不少城市进行了落地应用14，如2013年8月国内首批定制式接驳公交在青岛市开通。然而，接驳公交在实际运营中存在服务率低、客流量少、亏损严重等诸多现象，究其原因主要包括如下两点：一是候选站点选择作为接驳公交线路规划的基础一环，是决定网络合理性的重要因素，而现有研究缺少对站点选定优化方面的探索，致使实际应用中的站点设置不尽合理；二是现有理论研究和实际应用多从系统优化的角度设计接驳方案，对线路运营过程中影响乘客接受度的制约因素考虑不足（如路线设置过远、票价设置过高等），导致服务率大大降低。本文系统梳理乘客的出行选择机制，从系统和个体双层优化的角度对现有的方法进行改进、设计并规划地铁站点与周围区域公交站点的接驳路线。接驳公交线路规划首先要确定候选站点，可采用聚类方法完成。由于地铁站附近公交站点数量较多，应根据其空间分布将多个站点聚合成一个接驳公交候选站点。DBSCAN 算法（Density-韩月一 等：城市地铁站点接驳公交多目标优化方法81第1期Based Spatial Clustering of Applications with Noise）是一种基于密度的空间聚类算法，需要有固定的邻域半径15。但公交站点的疏密程度存在很大差异性，直接应用DBSCAN算法容易造成单簇面积过大或者过小的情况，对线路设计产生很大的负面影响。基于此，本文融入站点隔离度16和客流需求量两个因素，对DBSCAN算法进行改进，以期实现对站点的合理划分。为了从宏观和微观两个角度设计接驳公交路线，即充分考虑整个系统的运行效率、收益和乘客个体的成本，在建立模型时应采用双层规划。双层规划模型是用来解决优化问题的经典模型，在交通领域中有许多应用：叶鑫宇等17考虑电动公交车充电需求，运用双层规划模型对新型电动公交线路的发车频率、运营车辆数、车辆充电计划进行优化设计；王丰等18运用双层规划模型设计了老城区自行车专用道网络，采用新建自行车专用道和限行机动车的方式构建连通的自行车交通网络；石敏涵等19考虑要素协同，提出了高铁列车运行图双层优化模型，协同优化列车停站方案、列车运