公共交通系统原理——规划、运营与实时控制

第 1 章 公共交通基础 1

1.1 公共交通的必要性 1

1.2 公共交通的期望与挑战 4

1.2.1 利益相关者及其期望 4

1.2.2 挑战 7

1.3 公交系统的基本类型 9

1.4 成本与服务表现 13

1.4.1 成本 13

1.4.2 服务表现 19

参考文献 21

练习题 23

第 2 章 分析工具 24

2.1 时空图 24

2.1.1 单辆车 24

2.1.2 多辆车 27

2.1.3 建模与分析应用 30

2.2 排队图 32

2.2.1 方法基础 32

2.2.2 数据解释功能：平滑、平均值和 Little 公式 34

2.2.3 预测延误和排队的发展 36

2.3 优化 39

2.3.1 无约束优化 39

2.3.2 约束优化 43

2.4 量纲分析 47

2.4.1 公式验证 48

2.4.2 基本思想：用无量纲组合重构表达式 48

2.4.3 应用 50

参考文献 52

练习题 53

附录 2.A 如何确定*大相互无关集 54

第 3 章 规划—总体思路 57

3.1 规划决策 57

3.1.1 时间范围 57

3.1.2 解决方案的范围 59

3.1.3 建模哲学 60

3.1.4 两步建模方法：整数与连续变量 61

3.2 计算非货币表现输出 63

3.2.1 基于标准的方法 65

3.2.2 拉格朗日方法与基于标准的方法之间的联系 66

3.3 需求内生性 68

3.4 模块化学习规划方法 70

参考文献 71

练习题 71

第 4 章 规划—摆渡车系统73

4.1 个体出行 73

4.1.1 恒定的交通需求 73

4.1.2 时变的交通需求—晚高峰通勤 74

4.1.3 自适应的可变需求—早高峰通勤 76

4.2 集体出行 79

4.2.1 恒定的交通需求 79

4.2.2 时变的交通需求 81

4.3 双模式均衡：通过“公交优先”缓解拥堵 83

参考文献 85

练习题 85

附录 4.A 早高峰通勤问题的均衡 87

第 5 章 规划—交通廊道 90

5.1 初步理解：理想化分析 90

5.1.1 门到门速度的限制：单公交线路的情形 91

5.1.2 通达速度的影响：快慢车分层结构的实用性 94

5.2 单线路公交：分析方法和解决方案的性质 96

5.2.1 假设和初步建模 96

5.2.2 数学建模和解决方案 99

5.3 多个标准 105

5.4 多线路：分层系统 108

5.4.1 建模和分析 108

5.4.2 结果与深刻理解 114

5.5 扩展延伸 116

5.5.1 两个方向上的不对称 116

5.5.2 随空间和时间变化的服务 117

5.5.3 公交车容量的考虑 119

参考文献 121

练习题 121

小项目 1 将慢线公交线路改造为公交快线 125

第 6 章 规划—网络 128

6.1 理想场景分析 130

6.1.1 单线路：没有换乘的公交系统 130

6.1.2 多线路系统：换乘的作用 132

6.2 符合实际的分析：网格系统 135

6.2.1 广义成本函数的推导 136

6.2.2 优化和*优解的性质 138

6.2.3 一般化分析 142

6.3 容量限制：网格系统 143

6.3.1 载客容量约束 144

6.3.2 三种容量约束的结合：对城市规模的影响 146

6.4 其他网络结构 147

6.4.1 轴辐网络 147

6.4.2 混合网络 152

6.5 实际系统的设计 157

6.5.1 设计的步骤 157

6.5.2 实际案例研究 160

6.6 其他问题 163

6.6.1 不受已有道路限制的公交网络 163

6.6.2 公交的协同作用和*后一千米问题 164

6.6.3 内生停站时间和灵活的停靠 166

参考文献 167

练习题 168

小项目 2 设计一个公交网络 173

附录 6.A 线路段上*大流量的下界 175

附录 6.B 分层结构的网格网络 176

第 7 章 规划—灵活公交 178

7.1 有专职司机的车辆共享：呼叫式出租车和无人驾驶出租车 181

7.1.1 出租车服务的物理模型：排队模型 182

7.1.2 运营者视角：基于服务标准的系统优化 184

7.1.3 社会视角：与自驾出行和公共出行的比较 185

7.2 无专职司机的车辆共享：单程系统 187

7.2.1 无固定泊位，随需停车系统 188

7.2.2 有固定泊位的系统 189

7.3 匹配拼车和顺风车 192

7.3.1 有或无预约的匹配拼车 193

7.3.2 顺风车 194

7.4 需求响应公交 196

7.4.1 电话约车 196

7.4.2 共享出租车 200

7.4.3 城市交通出行模式对比 202

7.5 具有站点和枢纽的需求响应式公交：小巴服务 204

7.6 技术与公交的未来 208

参考文献 210

练习题 211

附录 7.A 到 n 个随机点中*近点的期望距离 214

附录 7.B 可行匹配的期望比例 215

附录 7.C 219

第 8 章 管理—车队 220

8.1 定义 221

8.2 时刻表覆盖：只有一个终点站的公交车线路 224

8.2.1 车队规模：图形分析 224

8.2.2 车队规模：数值分析 226

8.2.3 多种公交类型 227

8.2.4 终点站位置 227

8.2.5 班次分配 228

8.3 多条公交线路的时刻表覆盖 230

8.3.1 靠近停保场的单个终点站 230

8.3.2 离散站点与空驶启发式算法 231

8.3.3 讨论：空驶和资源共享的效果 233

参考文献 234

练习题 235

附录 8.A 证明—后进先出和贪婪策略均使用*少公交车 236

附录 8.B “车辆路径问题”与元启发式算法 236

第 9 章 管理—员工配置 243

9.1 介绍 243

9.2 独立的班次 244

9.2.1 *不利的薪酬结构 245

9.2.2 延时加班 245

9.2.3 多种轮班类型 248

9.3 多个公交车班次 250

9.3.1 求解算法 250

9.3.2 成本的下界 252

9.4 员工配置 254

9.4.1 使用在编受薪员工完成轮班 255

9.4.2 应对缺勤 259

参考文献 261

练习题 261

小项目 3 车队和人员管理 262

附录 9.A 组合多个司机类型以覆盖公交车班次 268

第 10 章 运营—可靠的公交服务 272

10.1 不可靠性对公交用户的影响 274

10.2 由若干系统组成的系统 278

10.2.1 单智能体系统 279

10.2.2 多智能体的系统 283

10.3 未加控制的公交车运行 284

10.3.1 理想的确定性运行 284

10.3.2 未加控制的公交车运行 285

10.4 按时刻表实施控制 287

10.4.1 由时刻表控制的系统动态 288

10.4.2 设置松弛量和控制点间距 290

10.5 多公交控制策略 292

10.5.1 基本算法 292

10.5.2 鲁棒控制 300

10.6 实际考虑 303

10.7 实地研究与人为因素 305

10.7.1 简单控制：来自 Dbus 的证据（西班牙 San Sebastian） 305

10.7.2 鲁棒控制：来自 OTS 的证据（夏威夷 Honolulu） 310

10.8 补救措施 311

10.8.1 起终点策略 311

10.8.2 加速个别公交车 314

10.8.3 更加激进的策略 315

参考文献 317

练习题 318

小项目 4 为缓解公交串车设计控制策略 321

第 11 章 结语—经济和定价325

11.1 分解 325

11.2 经济 328

11.2.1 理想化的运营机构 328

11.2.2 现实的机构 329

11.2.3 如何鼓励运营机构为公众利益服务 330

练习题 332