【正文】 物聯(lián)網(wǎng)智能公交運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案神州數(shù)碼信息系統(tǒng)有限公司2012年4月16日70 / 71目 錄一、業(yè)務(wù)研究及軟件需求分析 總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵策略研究 2 2 3 4 5 6二、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì) 7 7 7 實(shí)現(xiàn)了公交運(yùn)營(yíng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度 8 “生成與選擇”模式下及遺傳禁忌混合策略在公交司售人員調(diào)度方面的研究 10 11 11 13 16 16 17 19 24 24 27 29 31 31 “智能公交搶修救援調(diào)度系統(tǒng)”軟件 33 36三、 軟件功能系統(tǒng) 41 41 41 50 56 61 65四、系統(tǒng)應(yīng)用效果對(duì)比與分析 67一、業(yè)務(wù)研究及軟件需求分析、總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵策略研究針對(duì)大型活動(dòng)會(huì)特殊的公共交通服務(wù)需求，結(jié)合公交日常運(yùn)營(yíng)調(diào)度指揮需求，滿足智能公交管理與指揮調(diào)度的需要，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能公交運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析和研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行課題總體建設(shè)方案設(shè)計(jì)，確立智能公交運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的總體框架及技術(shù)方案建設(shè)內(nèi)容，形成對(duì)其他子任務(wù)研究的支持。具體研究?jī)?nèi)容包括：針對(duì)大型活動(dòng)及常規(guī)公交調(diào)度進(jìn)行需求分析形成物聯(lián)網(wǎng)智能公交運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)建設(shè)的總體方案配合其他子任務(wù)進(jìn)行關(guān)鍵策略研究及科技攻關(guān)理論與方法研究1）專用線路與常規(guī)公交線路的混合運(yùn)營(yíng)計(jì)劃編制方法研究智能公交運(yùn)輸和常規(guī)公交的雖然各有特點(diǎn)，但仍可進(jìn)行混合優(yōu)化調(diào)度，因此需要研究專用線路與常規(guī)公交線路的混合運(yùn)營(yíng)計(jì)劃和編制模型與算法。主要包含以下內(nèi)容：大型活動(dòng)調(diào)度和普通調(diào)度的特點(diǎn)研究；時(shí)刻表編制適用模型與算法研究；車輛調(diào)度適用模型與算法研究；司售人員調(diào)度適用模型與算法研究；實(shí)時(shí)調(diào)度適用模型與算法研究；禁忌搜索算法，遺傳算法在調(diào)度中的應(yīng)用研究2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法研究對(duì)線路行車計(jì)劃數(shù)據(jù)，實(shí)際發(fā)車記錄等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并建立分析評(píng)價(jià)模型。主要包含以下內(nèi)容：統(tǒng)計(jì)方法研究；道路情況、客流、車輛配比、發(fā)車間隔的關(guān)聯(lián)度研究構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)在以上理論研究的基礎(chǔ)上開發(fā)以下系統(tǒng)：1）公交運(yùn)營(yíng)計(jì)劃編制系統(tǒng)主要包含以下功能：客流調(diào)查，發(fā)車方案建立，計(jì)劃編制，勞動(dòng)班次，假日換班，計(jì)劃審批，計(jì)劃安排，包專車，站務(wù)設(shè)施檢查，人員勞動(dòng)排班，固定替班，管理備班管理及多種報(bào)表。2）公交車隊(duì)運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)主要功能包括：實(shí)時(shí)調(diào)度（多種調(diào)度模式），行車日志，司售簽到，突發(fā)事件行車方案，異常到達(dá)電子路單，車輛實(shí)時(shí)地圖監(jiān)控，車輛數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和回放。GPS通信子系統(tǒng)（支持二級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)功能）。支持轉(zhuǎn)發(fā)中心、轉(zhuǎn)發(fā)分中心、客戶端三級(jí)模式。3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)主要功能包括：電子路單、車隊(duì)車輛動(dòng)態(tài)全日車次統(tǒng)計(jì)表、車隊(duì)運(yùn)營(yíng)指標(biāo)匯總表、車隊(duì)調(diào)度日?qǐng)?bào)、車隊(duì)客流資料統(tǒng)計(jì)表、車輛動(dòng)態(tài)明細(xì)表、客流分析、行車記錄、行車計(jì)劃匯總等。根據(jù)需要，將統(tǒng)計(jì)報(bào)表進(jìn)行打印和導(dǎo)出操作。系統(tǒng)支持將報(bào)表導(dǎo)出為EXCEL、PDF、WORD等多種格式。理論與方法研究1）專用線路專用資源根據(jù)賽程變化動(dòng)態(tài)調(diào)整研究公交線路類型的研究；公交線路車輛規(guī)模變化對(duì)運(yùn)力影響研究；大型活動(dòng)場(chǎng)館比賽時(shí)間與運(yùn)送客流需求研究；大型活動(dòng)線路車輛配置根據(jù)場(chǎng)館賽事變化動(dòng)態(tài)調(diào)度方法研究；2）專用線路駐車模型研究以場(chǎng)站規(guī)模與專用運(yùn)營(yíng)計(jì)劃作為智能公交車輛駐車優(yōu)化的約束條件，提出智能公交車輛駐車的目標(biāo)規(guī)劃和雙層規(guī)劃模型和相應(yīng)的求解算法。主要包含以下內(nèi)容：大型活動(dòng)線路的駐車需求研究；大型活動(dòng)線路駐車的特點(diǎn)研究；公交原有的駐車地點(diǎn)和規(guī)模研究；大型活動(dòng)新增的駐車地點(diǎn)和規(guī)模研究；車輛調(diào)度適用模型與算法研究；司售人員調(diào)度適用模型與算法研究；目標(biāo)規(guī)劃和雙層規(guī)劃的應(yīng)用研究；3）大型活動(dòng)公交運(yùn)力組織研究大型活動(dòng)公交運(yùn)力需求研究；大型活動(dòng)公交運(yùn)力組織方法研究；大型活動(dòng)常規(guī)公交和智能公交混合組織模式研究。構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)在以上理論研究的基礎(chǔ)上開發(fā)以下系統(tǒng)：1）公交駐車配置管理系統(tǒng)主要功能包括：場(chǎng)站實(shí)際地圖顯示，場(chǎng)站邏輯地圖顯示，場(chǎng)站分類顯示，場(chǎng)站屬性組合查詢，場(chǎng)站駐車實(shí)際地圖顯示，場(chǎng)站駐車邏輯地圖顯示。2）大型活動(dòng)地面公交運(yùn)力資源優(yōu)化配置系統(tǒng)主要功能包括：專用線路與常規(guī)公交線路的混合運(yùn)營(yíng)計(jì)劃編制、專用線路駐車和普通線路駐車管理等。理論與方法研究基于突發(fā)事件和動(dòng)態(tài)路況的應(yīng)急預(yù)案自動(dòng)響應(yīng)和聯(lián)動(dòng)模型研究建立智能公交應(yīng)急預(yù)案完整的預(yù)案體系。包含總預(yù)案及總預(yù)案涉及的部門相應(yīng)的應(yīng)急處置預(yù)案。并確定聯(lián)動(dòng)機(jī)制和響應(yīng)模型。主要包含以下內(nèi)容：智能公交突發(fā)事件的類型研究；智能公交應(yīng)急預(yù)案體系研究；系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)接口研究；系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)響應(yīng)模型研究；預(yù)案自動(dòng)匹配模型研究；構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)大型活動(dòng)會(huì)等大型活動(dòng)及突發(fā)事件應(yīng)急調(diào)度指揮系統(tǒng)該系統(tǒng)包含以下功能：預(yù)案管理、預(yù)案自動(dòng)選取、聯(lián)動(dòng)接口管理、應(yīng)急通訊系統(tǒng)管理、自動(dòng)報(bào)警、應(yīng)急預(yù)案自動(dòng)生成等功能。（1）場(chǎng)館對(duì)應(yīng)地面公交場(chǎng)站的分擔(dān)率預(yù)測(cè)方法研究需求預(yù)測(cè)是安排運(yùn)營(yíng)組織計(jì)劃的基礎(chǔ)，其結(jié)果對(duì)方案的客觀性、合理性起到關(guān)鍵作用。需求預(yù)測(cè)主要包括以下內(nèi)容： （2）公交站臺(tái)布置的適用性研究公交?？空倦m然只占城市道路很短的一段或整個(gè)場(chǎng)站的一部分，也只是公交線路上一個(gè)站點(diǎn)，公交站臺(tái)的布置形式直接影響到了公交車輛的進(jìn)出站時(shí)間，進(jìn)而影響公交車輛的運(yùn)行效率。（3）場(chǎng)站交通組織設(shè)計(jì)的仿真優(yōu)化方法在大型活動(dòng)比賽散場(chǎng)時(shí)，將有大量的觀眾涌向各個(gè)公交場(chǎng)站，有必要對(duì)觀眾進(jìn)行組織和引導(dǎo)，使觀眾能有序上下車，并保證乘客在公交站內(nèi)的安全和順利疏散，所以對(duì)站臺(tái)區(qū)域的行人交通組織方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要意義。同時(shí)公交車輛是否能順利的進(jìn)出站、正常運(yùn)行也是場(chǎng)館地面公交系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的問(wèn)題。本部分研究如何利用仿真手段，測(cè)試行人和車輛混合系統(tǒng)的組織方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。（4）場(chǎng)站行人交通評(píng)價(jià)方法研究本部分針對(duì)行人交通安全評(píng)價(jià)方法展開研究，建立評(píng)價(jià)安全性的指標(biāo)體系，并對(duì)安全性提出分級(jí)的量化指標(biāo)。（5）公交車輛動(dòng)態(tài)運(yùn)行方案及壓力測(cè)試方法研究公交車輛的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法旨在分析觀眾進(jìn)散場(chǎng)特性及時(shí)空分布的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的車輛調(diào)度，以充分滿足觀眾的出行需要。同時(shí)，在大型活動(dòng)比賽時(shí)，由于比賽本身的特點(diǎn)、散場(chǎng)時(shí)間和觀眾的組織和管理等各種因素，觀眾對(duì)公交的需求可能會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。本部分對(duì)公交調(diào)度方案進(jìn)行壓力測(cè)試，通過(guò)對(duì)觀眾散場(chǎng)特性及其影響因素進(jìn)行分析，從而得到觀眾散場(chǎng)時(shí)的彈性變化。通過(guò)仿真方法來(lái)對(duì)不同壓力條件下的公交調(diào)度方案進(jìn)行測(cè)試。（6）典型場(chǎng)館仿真測(cè)試分析在眾多大型活動(dòng)比賽場(chǎng)館中，根據(jù)各賽場(chǎng)和賽事的特點(diǎn)，選擇代表性場(chǎng)館進(jìn)行仿真測(cè)試分析。所選擇的大型活動(dòng)比賽場(chǎng)館主要包括：奧林匹克公園、五棵松場(chǎng)館群、工人體育場(chǎng)館、城市工業(yè)大學(xué)體育館。針對(duì)以上場(chǎng)館，建立周邊路網(wǎng)交通仿真平臺(tái)。仿真平臺(tái)覆蓋范圍應(yīng)至少涵蓋場(chǎng)館四周各個(gè)方向的一條主干路或更高等級(jí)道路，仿真對(duì)象應(yīng)包括仿真區(qū)域內(nèi)的道路和場(chǎng)站等。仿真測(cè)試中涉及的主要內(nèi)容有：1）場(chǎng)館周邊路網(wǎng)交通組織方案2）公交場(chǎng)站行人交通組織方案3）公交調(diào)度方案及壓力測(cè)試子任務(wù)“智能公交搶修救援調(diào)度”的主要研究?jī)?nèi)容為：1. 研究智能公交搶修救援調(diào)度模式及實(shí)現(xiàn)技術(shù)(1) 提出智能公交搶修救援調(diào)度模式；(2) 進(jìn)行智能公交搶修救援調(diào)度實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究。2. 開發(fā)具有集成功能的智能公交搶修救援調(diào)度軟件系統(tǒng)(1) 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能公交搶修救援調(diào)度軟件，能夠支持大型活動(dòng)會(huì)期間全部公交運(yùn)營(yíng)、保障車輛的搶修救援任務(wù)；(2) 改進(jìn)、更新、擴(kuò)展現(xiàn)有公交搶修救援?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)，能夠支持大型活動(dòng)會(huì)期間保障任務(wù)、搶修救援作業(yè)，能夠支持分布式運(yùn)行方式，具備可靠性及一致性要求，更新響應(yīng)電子地圖數(shù)據(jù)及地圖顯示。3．大型活動(dòng)期間公交搶修救援調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行保障(1) 在大型活動(dòng)搶修救援分中心及公交搶修救援調(diào)度總中心安裝、實(shí)施“智能公交搶修救援調(diào)度軟件系統(tǒng)”，并按照大型活動(dòng)會(huì)的要求進(jìn)行演練。(2) 大型活動(dòng)會(huì)期間“智能公交搶修救援調(diào)度軟件系統(tǒng)”的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)保障。4．與智能公交運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)接續(xù)銜接接口軟件的開發(fā)及實(shí)施(1) 按照課題總體組要求，確定公交搶修救援的后應(yīng)急聯(lián)動(dòng)接續(xù)銜接方案，制定數(shù)據(jù)傳遞協(xié)議；(2) 開發(fā)“公交搶修救援應(yīng)急聯(lián)動(dòng)接續(xù)銜接接口”軟件，并與智能公交運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)集成。二、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)基于智能公交線路調(diào)度的構(gòu)成、涉及的問(wèn)題、基本措施等特點(diǎn)分析研究，進(jìn)行了車輛調(diào)度適用模型與算法研究，在此基礎(chǔ)上，對(duì)面向大型活動(dòng)的專用線路與常規(guī)公交線路的集成化混合運(yùn)營(yíng)計(jì)劃編制方法進(jìn)行了模型研究，并采用雙向競(jìng)拍算法、拉格朗日啟發(fā)式算法結(jié)合遺傳算法求解了算法，實(shí)現(xiàn)了智能公交運(yùn)輸和常規(guī)公交的混合優(yōu)化調(diào)度，合理有效地利用了公交資源。集成化混合運(yùn)營(yíng)計(jì)劃編制方法的主要模型設(shè)計(jì)如下：首先對(duì)問(wèn)題作如下約定：(1) 只考慮一個(gè)車場(chǎng)的問(wèn)題，所有車輛都是相同的；(2) 班次成本＝員工成本＋車輛成本；(3) 連續(xù)駕駛段的合法性只受最小和最大持續(xù)時(shí)間的限制。其次，建立公交線路集成化調(diào)度模型，如下： 其中： K ——全部班次集合；——班次的成本；——對(duì)的懲罰，反映的有效性E——車次間非載客駕駛段的集合，包括停站待發(fā)駕駛段——載客駕駛段的集合；——覆蓋了載客駕駛段p的的班次的集合，；——覆蓋了非載客駕駛段的班次的集合，；——決策變量，表示班次k是否被選中；——決策變量，表示一輛車是否完成了車次i后又將開始車次j。求解集成化的車輛駕駛員調(diào)度問(wèn)題主要步驟歸納如下：1) 基于行車時(shí)刻表，利用雙向競(jìng)拍算法求解車輛靜態(tài)調(diào)度的準(zhǔn)分配問(wèn)題，得到行車計(jì)劃；2) 基于(1)中得到的行車計(jì)劃，利用拉格朗日啟發(fā)式算法結(jié)合遺傳算法求解駕駛員調(diào)度的集合覆蓋問(wèn)題，得到班次計(jì)劃；3) 以(2)中的班次計(jì)劃為初始列集合，利用拉格朗日啟發(fā)式算法估計(jì)集成化調(diào)度問(wèn)題的下界，并生成相應(yīng)的行車計(jì)劃；4) 基于(3)中得到的行車計(jì)劃，再次利用拉氏啟發(fā)式算法結(jié)合遺傳算法求解駕駛員調(diào)度的集合覆蓋問(wèn)題。 實(shí)現(xiàn)了公交運(yùn)營(yíng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度大型活動(dòng)會(huì)的舉辦，對(duì)于公交系統(tǒng)提出了新的要求。基于對(duì)智能公交調(diào)度構(gòu)成、智能公交調(diào)度涉及的問(wèn)題、基本措施和發(fā)展方向等方面的分析，提出開展實(shí)時(shí)調(diào)度是滿足智能公交出行需求，應(yīng)對(duì)公交系統(tǒng)突發(fā)狀況，維護(hù)正常運(yùn)行秩序，確保及時(shí)運(yùn)送乘客的重要手段。針對(duì)傳統(tǒng)公共交通運(yùn)營(yíng)靜態(tài)調(diào)度的不足，結(jié)合大型活動(dòng)實(shí)際需求和公交日常運(yùn)營(yíng)中的主要問(wèn)題，課題基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了公交智能實(shí)時(shí)調(diào)度模型，即由智能實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)模型擔(dān)當(dāng)知識(shí)工程師的任務(wù)，將GPS數(shù)據(jù)與歷史行車數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)知識(shí)，利用車輛智能調(diào)度算法，進(jìn)行基于運(yùn)行時(shí)間預(yù)測(cè)的提前調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了一般情況下的調(diào)度及智能調(diào)度的算法。其主要模型如圖23所示。圖23 公交智能實(shí)時(shí)調(diào)度模型公交智能實(shí)時(shí)調(diào)度模型主要分為三個(gè)主要模塊：（1）數(shù)據(jù)處理分析模塊：公交智能實(shí)時(shí)調(diào)度模型的基礎(chǔ)模塊，數(shù)據(jù)來(lái)源兩個(gè)部分，一是公交歷史行車數(shù)據(jù)，這包括車輛發(fā)車時(shí)刻、運(yùn)營(yíng)時(shí)客流、天氣等數(shù)據(jù)；二是GPS定位系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，主要是各個(gè)時(shí)刻實(shí)時(shí)采集的車輛運(yùn)行信息。該模塊根據(jù)下一個(gè)預(yù)測(cè)模型的需要，選擇合適輸入數(shù)據(jù)，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。（2）預(yù)測(cè)模型模塊：通過(guò)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析、預(yù)測(cè)，得到車輛到達(dá)調(diào)度站的運(yùn)行時(shí)間預(yù)測(cè)結(jié)果?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，課題建立了車輛運(yùn)行時(shí)間預(yù)測(cè)模型。（3）智能實(shí)時(shí)調(diào)度模塊：輸入預(yù)測(cè)模型得到的車輛運(yùn)行時(shí)間結(jié)果，結(jié)合調(diào)度站的運(yùn)營(yíng)調(diào)度數(shù)據(jù)，通過(guò)多種不同類型的智能調(diào)度算法，解決不同調(diào)度問(wèn)題，提出解決措施，下達(dá)調(diào)度指令。在此基礎(chǔ)上，基于GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了公交車隊(duì)面向行車計(jì)劃的實(shí)時(shí)執(zhí)行和監(jiān)控。智能公交實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)以公交日常調(diào)度管理模塊、GPS信息模塊、GIS地圖顯示模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊為支撐，集合了BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型、智能實(shí)時(shí)調(diào)度算法的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅滿足了公交企業(yè)日常的調(diào)度管理作業(yè)需求，也利用高效的數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了知識(shí)挖掘，給予了調(diào)度員更多的輔助決策信息，從而提高了公共運(yùn)營(yíng)管理的“實(shí)時(shí)性”和處理突發(fā)事件的能力。 “生成與選擇”模式下及遺傳禁忌混合策略在公交司售人員調(diào)度方面的研究公交駕駛員調(diào)度問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的組合優(yōu)化問(wèn)題，具有多目標(biāo)、大規(guī)模、約束條件眾多等復(fù)雜因素制約。針對(duì)大型