一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法技术

本发明专利技术公开了一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法，充分考虑了自动驾驶公交的容量可变特性对提高公交服务质量和减少运营成本的可能性；对乘客而言，该联合调度优化方法根据乘客需求动态调整自动驾驶公交容量和发车频率，缩短了乘客候车时间，降低了在高峰期乘客不能上车的风险；对公交管理部门而言，该联合调度优化方法保证了人工驾驶公交和自动驾驶公交的充分利用，提升了调度效率，通过在高峰和平峰期动态调整自动驾驶公交容量节约了运营成本。

An Optimal Method for Joint Dispatching of Artificial Driving and Automatic Driving Buses

【技术实现步骤摘要】
一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法
本专利技术涉及智能交通信息处理
，更具体的说是涉及一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法。
技术介绍
公交出行呈现普遍的早晚高峰乘客需求态势，其中早晚高峰乘客需求大，平峰乘客需求小。在此背景下，公交部门面临车辆调度和管理的巨大挑战，即如何在一定运营成本条件下保证高峰期和平峰期的服务质量，如缩短乘客站台等待时间和减小车内拥挤等。当前，公交车辆调度主要采用以下两种方式来应对乘客的高峰和平峰出行：(1)划分高峰和平峰时段，并分别制定高峰和平峰车辆调度时刻表，其中高峰时段公交发车频率大于平峰时段。该方法通过提高高峰时段车辆调度频率和降低平峰时段车辆调度频率来控制运营成本，且最大程度保证高峰出行时段的服务质量；然而该方法降低了平峰期发车频率，势必会延长平峰期乘客站台候车时间；(2)制定需求响应的公交调度方案。该方法通过历史乘客需求数据、车辆GPS数据及乘客IC卡刷卡数据预测未来一段时间内的乘客出行需求，并以此为据制定动态的公交车辆调度方案。与方法一相比，该方法在运营成本控制和提高服务质量方面有更多的优势，然而由于公交车辆容量固定，在平峰期该方法可能存在车辆油耗浪费的问题，如上客率低，车辆有效利用率低等；在高峰期间，由于公交车辆容量固定，乘客也存在不能上车的风险。随着车辆传感、人工智能和车联网等技术的发展，自动驾驶公交(autonomousbus)在进一步提高城市公交系统的需求响应性和调度灵活性上有独特的优势，现有研究指出自动驾驶公交能够提高道路驾驶安全、减少公交系统总油耗、减少司机人力成本、及最优化公交行程时间以减少公交串车等。此外，通过连接或组装容量较小的自动驾驶公交单元，能够实现自动驾驶公交的车辆容量动态调整，如在高峰期多个自动驾驶公交单元组合在一起，形成公交车队，从而提高车辆容量，减少乘客站台候车时间；在平峰期，各自动驾驶公交单元则分开调度，最终在不减小公交发车频率条件下降低运营成本。因此，对公交管理部门而言，其不仅能通过优化公交发车频率来提高服务质量，还能同时优化自动驾驶公交车辆容量来进一步减小运营成本。与此同时，完全自动驾驶技术由于技术不成熟、安全性和政府法规等问题被预测需要较长时间才能完全占有市场。在未来一段时间内，人工驾驶公交和自动驾驶公交并存的可能性较大。因此，如何高效调度人工驾驶公交和自动驾驶公交，以提升服务质量，减少运营成本的是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法，保证了人工驾驶公交和自动驾驶公交的充分利用，提升了服务质量，节约了运营成本。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法，包括：步骤一：将调度周期离散化为均匀分布的时间节点，并设置决策变量；其中，所述决策变量为不同时间节点的发车类型；步骤二：基于发车数量、车辆离站时间、乘客上下车时间、上车需求、实际上车人数、下车人数、滞站人数和车上人数建立公交车辆运行仿真模型；步骤三：设置人工驾驶公交和自动驾驶公交运营成本函数；步骤四：确定乘客候车时间成本；步骤五：基于运营成本函数和乘客候车时间成本建立人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化模型；步骤六：对优化模型进行求解，得到人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度方案。优选的，步骤一具体包括：将调度周期T离散化为nk+1个均匀分布的时间节点，离散化时间节点表示为κ＝[0,1,...,nk]，则单位离散时间长度为δ＝T/nk；决策变量xmk为不同时间节点的发车类型，xmk为0-1变量，表示是否在时间节点k发出一辆类型为m的公交车辆。优选的，步骤二具体包括：根据所有时间的发车情况求得总公交发车数量为在每一时间节点、至多有一辆公交车从站台发出，且总发车数量不超过现有公交数量：其中，N0为现有人工驾驶公交数量，Na为现有自动驾驶公交数量；根据决策变量xmk求得所有车辆的发车时间dv,1和发车类型θv为：其中，δ为离散化时间后的单位时间长度；相连两车离开初始站台的时间间隔不小于h0：dv,1-dv-1,1≥h0v＝2,...,n(7)设公交车辆v在站台s和站台s+1的行程时间为tv,s，在站台s的离站时间为dv,s，乘客上下车时间为uv,s，则公交车辆在站台的离站时间表示为该车辆在前一站台的离站时间加上公交在两站台间的行程时间，再加上公交在当前站台的乘客上下车时间：dv,s＝dv,s-1+tv,s-1+uv,sv＝1,...,n；s＝2,...,ns(8)其中，ns表示公交线路的站台数量；对于公交系统而言，乘客通过车辆前后门同时上下车，乘客上下车时间为乘客上车和下车耗时的最大值：其中τb和τa分别为一个乘客上车和下车平均耗时，为实际上车人数，αv,s为下车人数；上车需求βv,s包括在公交行驶过程中到站的乘客和由于前车车满而不能上车的乘客ωv-1,s，βv,s＝ωv-1,s+λs(dv,s-dv-1,s)v＝1,...,n；s＝1,...,ns-1(10)其中λs为站台s的乘客到达率，dv,s-dv-1,s为车辆v在站台s的车头时距；由于车辆容量限制，实际上车人数不能超过车辆的可用容量，即其中为车辆v的剩余可用容量，lv,s和αv,s分别表示车辆v的最大乘客容量，刚到站台s时的载客人数和车辆在站台s的下车人数；上车需求βv,s与实际人车人数的差值为车辆v在站台s留下的乘客人数根据公交车辆在所有站台的下车乘客数量历史统计，得到车辆v在站台s的下车人数与实际车载人数比值为ρs，则车辆v在站台s的下车人数为αv,s＝ρslv,sv＝1,...,n；s＝2,...,ns(13)最后，求得车辆v到达站台s时的载客人数lv,s为该车辆到达前一站台时的载客人数加上一站实际上车人数，减去上一站下车人数，即其中lv,1＝0表示车辆初始载客人数为0。优选的，步骤三具体包括：所有车型的运营成本为：其中，对于人工驾驶公交而言，运营成本表示为c0为人工驾驶公交车辆容量，和分别表示人工驾驶公交的固定运营成本和边际运营成本；对于自动驾驶公交而言，运营成本表示为其中mc为自动驾驶公交车型m的车辆容量，和分别表示自动驾驶公交的固定运营成本和边际运营成本。优选的，步骤四中，乘客候车时间包括两部分，一部分为乘客到站后等待第一辆到站公交车的时间，另一部分为由于车辆容量限制乘客不能上车而多等待的时间；对于第一部分，设定乘客随机到达，乘客平均候车时间为车头时距的一半，即而总到达乘客数量为λs(dv,s-dv-1,s)，故车辆v到站台s时该站台乘客候车时间为对于第二部分，乘客候车时间为滞留乘客人数ωv,s和车头时距之积。优选的，在步骤五中，优化模型为：Eqs.(1)-(15)其中，ρ1和ρ2分别为两部分候车时间对应的成本参数。优选的，所述优化模型为非线性整形优化模型，通过商业优化软件Cplex或gurobi直接求解。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法，具有如下优点：1、本专利技术充分考虑了自动驾驶公交可变容量设计对传统公交调度的影响，可实现在不降低公交发车频率条件下，通过调整公交容量减少管理部门运营成本。2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法，其特征在于，包括：步骤一：将调度周期离散化为均匀分布的时间节点，并设置决策变量；其中，所述决策变量为不同时间节点的发车类型；步骤二：基于发车数量、车辆离站时间、乘客上下车时间、上车需求、实际上车人数、下车人数、滞站人数和车上人数建立公交车辆运行仿真模型；步骤三：设置人工驾驶公交和自动驾驶公交运营成本函数；步骤四：确定乘客候车时间成本；步骤五：基于运营成本函数和乘客候车时间成本建立人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化模型；步骤六：对优化模型进行求解，得到人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度方案。

【技术特征摘要】
1.一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法，其特征在于，包括：步骤一：将调度周期离散化为均匀分布的时间节点，并设置决策变量；其中，所述决策变量为不同时间节点的发车类型；步骤二：基于发车数量、车辆离站时间、乘客上下车时间、上车需求、实际上车人数、下车人数、滞站人数和车上人数建立公交车辆运行仿真模型；步骤三：设置人工驾驶公交和自动驾驶公交运营成本函数；步骤四：确定乘客候车时间成本；步骤五：基于运营成本函数和乘客候车时间成本建立人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化模型；步骤六：对优化模型进行求解，得到人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度方案。2.根据权利要求1所述的一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法，其特征在于，步骤一具体包括：将调度周期T离散化为nk+1个均匀分布的时间节点，离散化时间节点表示为κ＝[0,1,...,nk]，则单位离散时间长度为δ＝T/nk；决策变量xmk为不同时间节点的发车类型，xmk为0-1变量，表示是否在时间节点k发出一辆类型为m的公交车辆。3.根据权利要求2所述的一种人工驾驶公交和自动驾驶公交联合调度优化方法，其特征在于，步骤二具体包括：根据所有时间的发车情况求得总公交发车数量为在每一时间节点、至多有一辆公交车从站台发出，且总发车数量不超过现有公交数量：其中，N0为现有人工驾驶公交数量，Na为现有自动驾驶公交数量；根据决策变量xmk求得所有车辆的发车时间dv,1和发车类型θv为：其中，δ为离散化时间后的单位时间长度；相连两车离开初始站台的时间间隔不小于h0：dv,1-dv-1,1≥h0v＝2,...,n(7)设公交车辆v在站台s和站台s+1的行程时间为tv,s，在站台s的离站时间为dv,s，乘客上下车时间为uv,s，则公交车辆在站台的离站时间表示为该车辆在前一站台的离站时间加上公交在两站台间的行程时间，再加上公交在当前站台的乘客上下车时间：dv,s＝dv,s-1+tv,s-1+uv,sv＝1,...,n；s＝2,...,ns(8)其中，ns表示公交线路的站台数量；对于公交系统而言，乘客通过车辆前后门同时上下车，乘客上下车时间为乘客上车和下车耗时的最大值：其中τb和τa分别为一个乘客上车和下车平均耗时，为实际上车人数，αv,s为下车人数；上车需求βv,s包括在公交行驶过程中到站的乘客和由于前车车满而...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓磊，代壮，陈汐，陈艳艳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11