1、物联网智能公交运营管理系统总体设计方案神州数码信息系统有限公司2012年4月16日目 录一、业务研究及软件需求分析21.1需求分析、总体设计及关键策略研究21.2智能公交运营组织与调度21.3大型活动地面公交运力资源优化配置31.4应急联动系统研究41.5大型活动场馆地面公交运输仿真系统51.6抢修救援调度技术研究6二、系统关键技术设计72.1智能公交运营组织与调度72.1.1实现了专用线路与常规公交线路的混合运营计划编制72.1.2 实现了公交运营实时监控和调度82.1.3 “生成与选择”模式下及遗传禁忌混合策略在公交司售人员调度方面的研究102.2大型活动地面公交运力资源优化配置系统1122、.2.1面向大型活动的地面公交运力资源优化配置及驻车优化112.2.2智能公交运营组织与调度软件系统和运力资源优化配置软件系统132.3地面公交应急联动系统162.3.1公交应急预案体系的建立162.3.2应急调度模型的建立172.3.3应急调度算法研究192.4大型活动场馆地面公交运输仿真系统242.4.1适合于大型活动的公交线路客流预测方法242.4.2公交仿真优化与评价方法272.4.3交通压力测试方法292.5智能公交抢修救援调度技术研究312.5.1集中与分布式相结合的智能公交抢修救援调度模式312.5.2 “智能公交抢修救援调度系统”软件332.5.3提出并实现了最优化路径的救援任3、务调度算法36三、 软件功能系统413.1大型活动地面公交运力资源优化配置系统413.1.1智能公交运营组织与调度系统413.1.2智能公交运力资源优化配置系统503.2地面公交应急联动系统563.3大型活动场馆地面公交运输仿真系统613.4智能公交抢修救援调度技术研究65四、系统应用效果对比与分析67I一、业务研究及软件需求分析1.1需求分析、总体设计及关键策略研究针对大型活动会特殊的公共交通服务需求，结合公交日常运营调度指挥需求，满足智能公交管理与指挥调度的需要，对物联网智能公交运营管理系统的需求进行分析和研究，在此基础上进行课题总体建设方案设计，确立智能公交运营管理系统的总体框架及技术方4、案建设内容，形成对其他子任务研究的支持。具体研究内容包括：针对大型活动及常规公交调度进行需求分析形成物联网智能公交运营管理系统建设的总体方案配合其他子任务进行关键策略研究及科技攻关1.2智能公交运营组织与调度1、理论与方法研究1）专用线路与常规公交线路的混合运营计划编制方法研究智能公交运输和常规公交的虽然各有特点，但仍可进行混合优化调度，因此需要研究专用线路与常规公交线路的混合运营计划和编制模型与算法。主要包含以下内容：大型活动调度和普通调度的特点研究；时刻表编制适用模型与算法研究；车辆调度适用模型与算法研究；司售人员调度适用模型与算法研究；实时调度适用模型与算法研究；禁忌搜索算法，遗传算法在5、调度中的应用研究2）数据统计分析方法研究对线路行车计划数据，实际发车记录等数据统计，并建立分析评价模型。主要包含以下内容：统计方法研究；道路情况、客流、车辆配比、发车间隔的关联度研究2、构建系统平台在以上理论研究的基础上开发以下系统：1）公交运营计划编制系统主要包含以下功能：客流调查，发车方案建立，计划编制，劳动班次，假日换班，计划审批，计划安排，包专车，站务设施检查，人员劳动排班，固定替班，管理备班管理及多种报表。2）公交车队运营调度系统主要功能包括：实时调度（多种调度模式），行车日志，司售签到，突发事件行车方案，异常到达电子路单，车辆实时地图监控，车辆数据的存储和回放。GPS通信子系统（支6、持二级转发功能）。支持转发中心、转发分中心、客户端三级模式。3）数据统计分析系统主要功能包括：电子路单、车队车辆动态全日车次统计表、车队运营指标汇总表、车队调度日报、车队客流资料统计表、车辆动态明细表、客流分析、行车记录、行车计划汇总等。根据需要，将统计报表进行打印和导出操作。系统支持将报表导出为EXCEL、PDF、WORD等多种格式。1.3大型活动地面公交运力资源优化配置1、理论与方法研究1）专用线路专用资源根据赛程变化动态调整研究公交线路类型的研究；公交线路车辆规模变化对运力影响研究；大型活动场馆比赛时间与运送客流需求研究；大型活动线路车辆配置根据场馆赛事变化动态调度方法研究；2）专用线路7、驻车模型研究以场站规模与专用运营计划作为智能公交车辆驻车优化的约束条件，提出智能公交车辆驻车的目标规划和双层规划模型和相应的求解算法。主要包含以下内容：大型活动线路的驻车需求研究；大型活动线路驻车的特点研究；公交原有的驻车地点和规模研究；大型活动新增的驻车地点和规模研究；车辆调度适用模型与算法研究；司售人员调度适用模型与算法研究；目标规划和双层规划的应用研究；3）大型活动公交运力组织研究大型活动公交运力需求研究；大型活动公交运力组织方法研究；大型活动常规公交和智能公交混合组织模式研究。2、构建系统平台在以上理论研究的基础上开发以下系统：1）公交驻车配置管理系统主要功能包括：场站实际地图显示，场8、站逻辑地图显示，场站分类显示，场站属性组合查询，场站驻车实际地图显示，场站驻车逻辑地图显示。2）大型活动地面公交运力资源优化配置系统主要功能包括：专用线路与常规公交线路的混合运营计划编制、专用线路驻车和普通线路驻车管理等。1.4应急联动系统研究1、理论与方法研究基于突发事件和动态路况的应急预案自动响应和联动模型研究建立智能公交应急预案完整的预案体系。包含总预案及总预案涉及的部门相应的应急处置预案。并确定联动机制和响应模型。主要包含以下内容：智能公交突发事件的类型研究；智能公交应急预案体系研究；系统联动接口研究；系统联动响应模型研究；预案自动匹配模型研究；2、构建系统平台大型活动会等大型活动及突9、发事件应急调度指挥系统该系统包含以下功能：预案管理、预案自动选取、联动接口管理、应急通讯系统管理、自动报警、应急预案自动生成等功能。1.5大型活动场馆地面公交运输仿真系统（1）场馆对应地面公交场站的分担率预测方法研究需求预测是安排运营组织计划的基础，其结果对方案的客观性、合理性起到关键作用。需求预测主要包括以下内容：1.各比赛项目观众上座率 2.各比赛项目观众公交分担量预测3.观众空间分布预测（2）公交站台布置的适用性研究公交停靠站虽然只占城市道路很短的一段或整个场站的一部分，也只是公交线路上一个站点，公交站台的布置形式直接影响到了公交车辆的进出站时间，进而影响公交车辆的运行效率。（3）场站交10、通组织设计的仿真优化方法-在大型活动比赛散场时，将有大量的观众涌向各个公交场站，有必要对观众进行组织和引导，使观众能有序上下车，并保证乘客在公交站内的安全和顺利疏散，所以对站台区域的行人交通组织方案的设计与优化具有重要意义。同时公交车辆是否能顺利的进出站、正常运行也是场馆地面公交系统中一个非常重要的问题。本部分研究如何利用仿真手段，测试行人和车辆混合系统的组织方案的设计和优化方法。（4）场站行人交通评价方法研究本部分针对行人交通安全评价方法展开研究，建立评价安全性的指标体系，并对安全性提出分级的量化指标。（5）公交车辆动态运行方案及压力测试方法研究公交车辆的动态调度方法旨在分析观众进散场特性及11、时空分布的基础之上，进行动态的车辆调度，以充分满足观众的出行需要。同时，在大型活动比赛时，由于比赛本身的特点、散场时间和观众的组织和管理等各种因素，观众对公交的需求可能会出现较大的波动。本部分对公交调度方案进行压力测试，通过对观众散场特性及其影响因素进行分析，从而得到观众散场时的弹性变化。通过仿真方法来对不同压力条件下的公交调度方案进行测试。（6）典型场馆仿真测试分析在众多大型活动比赛场馆中，根据各赛场和赛事的特点，选择代表性场馆进行仿真测试分析。所选择的大型活动比赛场馆主要包括：奥林匹克公园、五棵松场馆群、工人体育场馆、城市工业大学体育馆。针对以上场馆，建立周边路网交通仿真平台。仿真平台覆盖12、范围应至少涵盖场馆四周各个方向的一条主干路或更高等级道路，仿真对象应包括仿真区域内的道路和场站等。仿真测试中涉及的主要内容有：1）场馆周边路网交通组织方案2）公交场站行人交通组织方案3）公交调度方案及压力测试1.6抢修救援调度技术研究子任务“智能公交抢修救援调度”的主要研究内容为：1. 研究智能公交抢修救援调度模式及实现技术(1) 提出智能公交抢修救援调度模式；(2) 进行智能公交抢修救援调度实现技术研究。2. 开发具有集成功能的智能公交抢修救援调度软件系统(1) 设计实现智能公交抢修救援调度软件，能够支持大型活动会期间全部公交运营、保障车辆的抢修救援任务；(2) 改进、更新、扩展现有公交抢修13、救援数据库，能够支持大型活动会期间保障任务、抢修救援作业，能够支持分布式运行方式，具备可靠性及一致性要求，更新响应电子地图数据及地图显示。3大型活动期间公交抢修救援调度系统运行保障(1) 在大型活动抢修救援分中心及公交抢修救援调度总中心安装、实施“智能公交抢修救援调度软件系统”，并按照大型活动会的要求进行演练。(2) 大型活动会期间“智能公交抢修救援调度软件系统”的现场技术保障。4与智能公交运营调度系统接续衔接接口软件的开发及实施(1) 按照课题总体组要求，确定公交抢修救援的后应急联动接续衔接方案，制定数据传递协议；(2) 开发“公交抢修救援应急联动接续衔接接口”软件，并与智能公交运营调度系统14、集成。二、系统关键技术设计2.1智能公交运营组织与调度2.1.1实现了专用线路与常规公交线路的混合运营计划编制基于智能公交线路调度的构成、涉及的问题、基本措施等特点分析研究，进行了车辆调度适用模型与算法研究，在此基础上，对面向大型活动的专用线路与常规公交线路的集成化混合运营计划编制方法进行了模型研究，并采用双向竞拍算法、拉格朗日启发式算法结合遗传算法求解了算法，实现了智能公交运输和常规公交的混合优化调度，合理有效地利用了公交资源。集成化混合运营计划编制方法的主要模型设计如下：首先对问题作如下约定：(1) 只考虑一个车场的问题，所有车辆都是相同的；(2) 班次成本员工成本车辆成本；(3) 连续驾15、驶段的合法性只受最小和最大持续时间的限制。其次，建立公交线路集成化调度模型，如下：其中： K 全部班次集合；班次的成本；对的惩罚，反映的有效性E车次间非载客驾驶段的集合，包括停站待发驾驶段载客驾驶段的集合；覆盖了载客驾驶段p的的班次的集合，；覆盖了非载客驾驶段的班次的集合，；决策变量，表示班次k是否被选中；决策变量，表示一辆车是否完成了车次i后又将开始车次j。求解集成化的车辆驾驶员调度问题主要步骤归纳如下：1) 基于行车时刻表，利用双向竞拍算法求解车辆静态调度的准分配问题，得到行车计划；2) 基于(1)中得到的行车计划，利用拉格朗日启发式算法结合遗传算法求解驾驶员调度的集合覆盖问题，得到班次计16、划；3) 以(2)中的班次计划为初始列集合，利用拉格朗日启发式算法估计集成化调度问题的下界，并生成相应的行车计划；4) 基于(3)中得到的行车计划，再次利用拉氏启发式算法结合遗传算法求解驾驶员调度的集合覆盖问题。2.1.2 实现了公交运营实时监控和调度大型活动会的举办，对于公交系统提出了新的要求。基于对智能公交调度构成、智能公交调度涉及的问题、基本措施和发展方向等方面的分析，提出开展实时调度是满足智能公交出行需求，应对公交系统突发状况，维护正常运行秩序，确保及时运送乘客的重要手段。针对传统公共交通运营静态调度的不足，结合大型活动实际需求和公交日常运营中的主要问题，课题基于神经网络模型建立了公交17、智能实时调度模型，即由智能实时调度系统模型担当知识工程师的任务，将GPS数据与历史行车数据转化为系统知识，利用车辆智能调度算法，进行基于运行时间预测的提前调度，实现了一般情况下的调度及智能调度的算法。其主要模型如图23所示。图23 公交智能实时调度模型公交智能实时调度模型主要分为三个主要模块：（1）数据处理分析模块：公交智能实时调度模型的基础模块，数据来源两个部分，一是公交历史行车数据，这包括车辆发车时刻、运营时客流、天气等数据；二是GPS定位系统采集的实时数据，主要是各个时刻实时采集的车辆运行信息。该模块根据下一个预测模型的需要，选择合适输入数据，并且对数据进行处理分析。（2）预测模型模块：18、通过对现有数据的分析、预测，得到车辆到达调度站的运行时间预测结果。基于BP神经网络，课题建立了车辆运行时间预测模型。（3）智能实时调度模块：输入预测模型得到的车辆运行时间结果，结合调度站的运营调度数据，通过多种不同类型的智能调度算法，解决不同调度问题，提出解决措施，下达调度指令。在此基础上，基于GIS系统，实现了公交车队面向行车计划的实时执行和监控。智能公交实时调度系统是一个以公交日常调度管理模块、GPS信息模块、GIS地图显示模块、数据库模块为支撑，集合了BP网络预测模型、智能实时调度算法的智能系统。该系统不仅满足了公交企业日常的调度管理作业需求，也利用高效的数据分析、预测技术对大量数据进行19、了知识挖掘，给予了调度员更多的辅助决策信息，从而提高了公共运营管理的“实时性”和处理突发事件的能力。2.1.3 “生成与选择”模式下及遗传禁忌混合策略在公交司售人员调度方面的研究公交驾驶员调度问题是一个复杂的组合优化问题，具有多目标、大规模、约束条件众多等复杂因素制约。针对大型活动调度的特点，建立了“生成与选择”模式下的驾驶员调度模型及基于IDEF0的劳动配班问题模型，并实现了算法。同时，基于上述研究，开展了遗传禁忌混合策略（GATS）的驾驶员调度问题研究，建立了模型，并实现了算法。禁忌搜索与遗传算法混合策略能够在求解大规模的问题时，对逃离局部最优解，快速获取全局最优解有很大的帮助，有能力进行20、驾驶员调度问题的求解工作（详细内容参见研究报告）。基于上述算法，结合大型城市公交实际调度情况，开发完成劳动配班管理子系统。该子系统可建立平日行车计划推班模版，得到各日劳动配班情况。系统提供单替休、双替休、轮班、轮休四种推班模式，并支持线路间混合配班，单班与整班不同劳动班型配班。同时提供模版复制、班型互换、以及连续配班功能。配班结果可以分类查询，包括上班、休息、全部，并可以对配班结果中的车辆及人员进行修改。此外，固定替班管理模块对实际中固定替班的情况进行管理，并于劳动配班时进行班次替换。并支持线路间班次替换。劳动配班管理子系统的研究和开发实现，解决了传统公交集团劳动配班工作由于采用手工完成而带来21、的过程复杂、工作量巨大的问题，提高了现有公交系统的运作效率和编制的灵活性。2.2大型活动地面公交运力资源优化配置系统2.2.1面向大型活动的地面公交运力资源优化配置及驻车优化以城市市公共交通客流调查数据和大型活动期间的交通流量预测值为基础，提出智能公交线路发车频率优化的双层规划模型，并基于优化的发车频率模型，建立线路车辆配置模型。由此计算大型活动期间专用线路和普通线路的配车量在不同时段的变化值，为大型活动会期间公交资源优化配置提供了决策依据。同时，基于大型活动会期间分时段的公交OD分布量数据，以场站规模、专用运营计划、大型活动交通流量集散时段等为作为智能公交车辆驻车优化的约束条件，提出智能公交22、车辆驻车的目标规划和相应的求解算法。上述研究实现了各条线路人员、车辆的集中管理，统一调度，实现运输资源在多条线路之间的动态优化配置，提高智能公交资源的使用效率。具体来讲，其创新思路和过程如下：（1）智能公交线路OD客流反推、预测及分配采用TransCAD软件，基于城市市公交客流调查数据进行OD客流反推，并结合大型活动交通流量预测值，完成大型活动期间公交客流的预测。在此基础上，建立面向大型活动的公交线路客流分配模型，并开发相应的计算机系统软件。形成的线路配流结果将为混合运营计划编制及专用线路驻车管理提供基础。图24 智能公交线路OD客流反推、预测及分配思路具体思路为：1) 公交OD反推：首先，基23、于城市市公交线路客流调查数据，利用线路站点的上下客人数反推出现状公交OD分布，同时，由现状公交OD分布量来进行配流模型标定，同时得到各小区（站点）生成交通量；2) 公交OD预测：基于上述OD分布，根据平均增长系数法预测年各小区（站点）生成交通量，此时生成交通量为年常规公交客流量，即专用线路开设前的常规公交客流量。再把大型活动会期间产生的公交客流量加载到常规公交客流量所在小区上，得到年大型活动会期间各小区（站点）公交客流量；3) 公交客流分配：结合城市市实际情况，建立符合大型活动居民出行特征的城市市公共交通网络配流模型，把预测得到的大型活动会期间公交客流量分配到专用线路及常规线路，得到大型活动会24、期间公交线路的OD分布量，由此，得到公交线路的端面流量。4) 开发相应软件功能：通过软件开发，对预测结果和配流结果以表格形式体现公交线路OD分布、各站的上下车人数以及最大断面流量。（2）专用线路与普通线路车辆优化配置专用线路与普通线路车辆优化配置研究思路为：1) 首先，结合城市实际，以乘客费用和公交公司运行费用最小化为目标，建立基于公交线路客流量的车辆优化配置模型；2) 其次，以线路断面流量、车辆容量、满载率等作为智能公交车辆配置优化的约束条件，建立线路车辆配置的目标规划模型；3) 基于上述配流所得的专用线路和普通线路的断面流量，根据车辆配置模型计算大型活动会期间线路上的配车量，包括：a. 专25、用线路配车量；b.普通线路高峰时段配车量；c. 普通线路平峰时段配车量；4) 最后，比对和计算大型活动期间普通线路高峰和平峰时段配车量的变化值，以此作为车辆调拨到专用线路优化的依据。（3）专用线路驻车优化基于上述成果，通过公交车辆驻车模型，建立专用线路不同时段的动态驻车情况，具体内容如下：l 双车场条件下的智能公交车辆驻车研究：针对专用线路调度多目标、多变量的动态特点，以线路运输能力与运输需求（公交客流）选到最优匹配为目标，以场站规模、专用运营计划等作为约束条件，建立双车场多目标规划模型，完成求解算法，求得专用线路车场分时段的动态驻车规模；l 单车场条件下的智能公交车辆驻车研究：以乘客的平均不26、方便程度和公交变公司的成本达最小为目标，以场站规模、专用运营计划等作为约束条件，建立单车场多目标规划模型，完成求解算法，求得专用线路车场分时段的动态驻车规模。2.2.2智能公交运营组织与调度软件系统和运力资源优化配置软件系统基于城市智能公交系统的需求分析，结合上述理论研究开发实现了基于GIS模式的公共交通运营组织与调度系统，包括公交运营计划编制系统、公交车队运营调度系统、基于GIS的车辆监控系统、劳动配班管理子系统、数据统计分析系统等子系统。同时，基于TransCAD软件，开发实现了公交驻车配置管理系统以及大型活动地面公交运力资源优化配置系统。系统的硬件架构如图25所示：图25 系统硬件架构图27、69公共交通运营组织与调度系统软件架构如图26所示：图26 系统软件架构图其中，运营计划编制管理子系统可合理安排公交车各趟发车时刻，生成劳动班次，为公交运行的配车、劳动配班管理计划提供基础。系统可编制多个行车方案，通过调整各种参数值反映运营中出现的各种指标值的变化，进而可通过不同方案的运营指标值的比较，确定适合运营目标的调度计划。借助公交车队运营调度子系统，在各种计划编制的基础上，可根据调度计划和劳动配班管理计划安排公交车辆进行实际组织运营。同时，基于GIS车辆监控子系统，可根据用户权限选择车队或线路，生成线路站点地图，进而可对车辆的运行过程进行实时监控和跟踪，获取车载设备发送的异常信息。在此28、基础上，通过实时调度系统，结合道路情况和客流变化，合理调整调度方案，高效处理公交运营过程的突发情况，合理地利用公交调度资源。开发实现的劳动配班子系统，可根据调度计划安排相应的车辆以及司售人员，并可根据推班类型和推班规则进行智能推班。系统采用替休、轮班、轮休等方式保证各驾驶员在一个调度周期内的劳动工作量的平均性，进而保证排班计划的合理性。通过科学、合理的安排司售人员工作排班，实现了公交人力资源的合理、高效运用，同时由于取代了传统的手工劳动配班方式，提高了公交运营管理的效率。通过公交运营统计方法研究，基于线路行车计划数据，实际发车记录等数据统计，建立分析评价模型，对道路情况、客流、车辆配比、发车间29、隔等因素开展了关联度研究，实现了公交运营数据的实时统计管理。公交驻车配置管理子系统和大型活动地面公交运力资源优化配置子系统实现，不仅有助于掌握智能公交客流信息，为线路管理提供决策基础，同时由于实现了运输资源在多条线路之间的动态优化配置，满足了公交线路服务质量，提高了公交资源管理的便利性和高效性，。总体而言，软件系统的实现，实现了公交运力资源的合理、动态优化配置，可以进行有效的公共交通运营组织与调度，从而为观看体育比赛的观众及志愿者和工作人员提供快速、及时的公共交通服务；同时，提高了现有公交系统运作效率以及管理的便利性，保障了公交运营的安全性，为决策者提供了决策支持。2.3地面公交应急联动系统230、.3.1公交应急预案体系的建立根据对公交突发事件的分类和等级划分，在对国内外应急预案体系研究的基础上，建立公交应急预案体系。该体系主要包括的预案编制的目的、依据以及预案发布、执行的单位，预案执行的流程以及预案的评价与更新等内容。2.3.2应急调度模型的建立2.3.2.1应急调度模型的分类与建立公交应急响应就是包括应急信息的发布、应急预案发布和应急车辆的调度。应急调度要解决的问题是车辆从驻车点出发，去完成将参加大型活动或大型活动的人群紧急疏散到目标疏散地（这里的疏散地是广义的概念，指的是车辆的目的地，可以是大型公交枢纽、公园、学校等等）的任务。为了提高车辆的利用率，可以考虑车辆循环将人群由事发地31、疏散到疏散地。公交应急调度可描述如下：有几个驻车点，每个驻车点配备辆应急公交车辆；有个大型场馆发生突发事件需要疏散人群，已知每个场馆需要疏散的人员数量为，假设每辆公交车的载客数均为，则每个场馆疏散人群所需的公交车数量为；为每个事发地点（大型场馆）指定一个最便捷的目标疏散地，所有待疏散群众均被疏散到该目标疏散地。求如何合理的分配调度应急公交车辆，以使得疏散能耗最小，同时尽量使调用的公交车辆总数最小。公交应急疏散示意图如图27所示： 图27 单场馆公交应急疏散示意图为了便于研究，我们引入公交紧急疏散拓扑结构的概念。拓扑学是一个数学概念，它把物理实体抽象成与实际大小和形状无关的点，把连接实体的线路抽32、象成线，进而研究点线面之间的关系。公交应急疏散也采用拓扑学中的研究方法，将驻车点、场馆和疏散地定义为点，把驻车点与场馆、场馆与疏散地之间的连接道路定义为链路（在本文中，其有效长度定义为驻车点与场馆、场馆与疏散地之间的最小行程距离）。从拓扑学的观点来看，公交应急疏散的网络结构也是由一组点和链路组成的几何图形，这种几何图形就是公交紧急疏散的拓扑结构。最简单的单驻车点、单场馆的公交紧急疏散拓扑结构见图28。图28 单驻车点、单场馆的公交紧急疏散拓扑结构针对单场馆，我们讨论了单场馆不循环调车、单场馆循环调车两种情况。同时针对多场馆的情形，也分别讨论了多场馆不循环调车、多场馆循环调车的情况。无论是单场馆33、不循环调车模型、单场馆循环调车模型还是多场馆不循环调车模型，都可以统一为多场馆调车模型。当循环次数为0时，多场馆循环调车模型就简化为多场馆不循环调车模型；当驻车点数为1时，多场馆循环调车模型就简化为单场馆循环调车模型；当循环次数为0并且驻车点数为1时，多场馆循环调车模型就简化为单场馆不循环调车模型。因此我们重点研究了多场馆循环调车模型及拓扑结构图求解过程，其拓扑结构图如图29。图29 多场馆循环公交应急疏散拓扑结构图2.3.2.2模型所需的信息为了透彻的研究公交应急调度模型，下面把模型所需要的基本信息详尽的表示出来。在本文的研究问题中，将利用一下的基本信息进行优化：各驻车点与大型场馆之间的最小34、行程距离；各大型场馆与其对应临时疏散点之间的最小行程距离；应急公交车由在大型场馆与临时疏散地之间循环利用次数的上限；发生突发事件的大型场馆需要紧急疏散的人员数量或所需的公交车数量；每个驻车点停放的公交车数量以及平均每辆公交车的载客数量。2.3.3应急调度算法研究2.3.3.1基本算法1 单纯形法线性规划问题包括两种求解方法，即图解法和单纯形法。图解法简单直观，但只适用于求解含有两个决策变量的线性规划问题。单纯形法可用于求解含有多个决策变量的线性规划问题，是求解线性规划问题的一般方法。单纯形法求解线性规划问题的基本思路是：选择初始基可行解，即从可行域的一个顶点出发。判断该顶点是否为最优解，若最优35、则结束，否则，寻找改进的顶点，即转换到另一个基可行解，改进的含义是使目标函数值优于前一个顶点对应的目标函数值，再判断该顶点是否为最优解，如此循环往复，直到使目标函数达到最大值，目标函数最大值的基可行解（对应于可行域的顶点）即为问题的最优解。该过程如图30所示。图30 单纯形法的求解思路2 表上作业法运输问题虽然也属于线性规划范畴，但如果采用单纯形法求解就比较复杂。由于运输问题的约束方程组的系数具有特殊的结构，因此采用表上作业法比单纯形法更为合适。表上作业法是单纯形法在求解运输问题时的一种简化方法。其实质仍是单纯形法，但具体的术语和计算方法有所不同。表上作业法法求解运输问题的过程如下所示：确定初36、始基可行解。即在个产销平衡表格中给出个数字格。求各非基变量（在表格中即为空格）的检验数。判别是否达到最优解。如果是，则停止计算，否则转到下一步。确定换入变量和换出变量，利用闭回路法进行调整，找出新的基可行解。重复上面的、两个步骤，直至找到最优解。3 迪杰斯特拉算法在本文的算例分析中驻车点与大型场馆、大型场馆与临时疏散地之间的最小行程距离均通过Dijkstra算法得出，下面对Dijkstra算法进行介绍。 Dijkstra（迪杰斯特拉）算法简介Dijkstra算法最早由E.W. Dijkstra于1959年提出，该算法是一个适用于所有弧的权均为非负的最短路算法，也是目前公认的求解最短路问题的最经37、典算法。它可以给出某指定节点到图中其他所有节点的最短路，该算法的时间复杂度为，其中n为网络中节点的数量。假定我们需要在某赋权有向图中计算某一指定节点到其他指定节点v之间的最短路，算法首先从源点开始，给每一个节点记一标号，标号分为标号和标号两种，标号从源点到该点的最短路权的上界，又称临时标号；标号从源点到该点的最短路权，又称固定标号。在标号过程中，标号一直在改变，已得到标号的节点其标号不再改变，凡是没有标号的节点，都标上标号。算法每执行一步，把某一节点的标号改变成标号，经过有限步以后，就可以把所有的标号都改变成标号，即获得了从源点到网络中任一节点的最短路径，标号过程结束。记V为节点集合，为第步时38、具有标号节点的集合，为节点的父节点，为路段的权重，为节点到节点的最短路权。Dijkstra算法描述：Step0：初始化。令，令（表示一个很大的正数），置。Step1：若，停止迭代，转入Step4，此时，均有，否则转入Step2。Step3：在所有的T标号节点中寻找一个最小的标号值，该节点并将标为标号，即令，同时置，令，转入Step1中继续进行迭代计算。根据并利用反向追踪的方法即可以获得制定节点到网络中其它任意节点v的最有路径以及最短距离，算法终止。Dijkstra算法的优点是适用于计算两点间的最短路径问题，只要路权为正，能100%找到两点间的最短路径。改进的Dijkstra算法Dijkstra39、算法适用于计算某指定节点到图中其他所有节点的最短路，算法迭代终止的条件为。假设我们现在要计算某指定起点到某指定终点之间的最短路，则只需将迭代终止条件修改为：“若，则迭代停止”（即当终点获得了标号时，则表明已经找到了从指定起点到指定终点的最短路），其余的计算过程完全一致，得到改进的算法，此算法不再赘述。2.3.3.2应急响应模型求解在前述内容中已提到无论是单场馆调车模型还是多场馆不循环调车模型最终都可以归结为多场馆循环调车模型，理论只需对多场馆循环调车模型的求解进行探讨即可。但考虑到单场馆调车模型的解法有其特殊的简便性，以下仍分别讨论各调车模型的解法。1 多场馆调车模型求解多场馆循环调车模型为：40、其中，表示车辆在循环利用情况下所消耗疏散能耗。在本文中我们提出了等效驻车点的概念，等效驻车点是指虚拟的驻车点，它们距离大型场馆的最小行程距离在原驻车点到大型场馆最小行程距离的基础上呈等差数列分布，其公差为大型场馆到疏散地最小行程距离的两倍，即。等效驻车点的数量是由每个驻车点的派出车辆的最大循环次数上限决定的，在实际应用中由人工指定。加入等效驻车点后的多场馆调车模型的拓扑结果如图31所示。图31 K=1时含等效驻车点的多场馆公交应急疏散拓扑结构图在定义了等效驻车点之后，多场馆循环调车模型就可以简化为多场馆不循环调车模型：其中多场馆不循环调车的一般模型为：其中，右半部分表示车辆由大型场馆到疏散地所41、消耗的疏散能耗，为常数，并不影响模型的优化求解。在求最优解时只需关注左半部分，不难看出，这是一个供需不平衡的运输问题。多场馆循环调车模型经过两次变形归结为供需不平衡的运输问题，在将供需不平衡的运输问题转化为供需平衡的运输问题之后，应用求解运输问题的方法（如前面提到的表上作业法）可以很方便的求出其最优解。为了解决此类变体问题，可以变换上述特征或重新描述问题，使它符合运输问题的形式。2 单场馆调车模型求解单场馆调车模型属于多场馆调车模型当场馆数量时的特例，其求解方法同多场馆调车模型，在此不再赘述。2.4大型活动场馆地面公交运输仿真系统2.4.1适合于大型活动的公交线路客流预测方法根据场馆周边公交线42、路特点，确定了线路研究范围；根据居民出行特点，确定了站点服务范围，并以几何方法划分重叠的区域；在分析国内外研究现状的基础上，确定了基于站点服务区域的公交客流分配方法；根据站点客流与站点服务区域相关的原则，对小区的客流进行了分配，得到了站点的客流，从而确定线路客流，最后确定场馆周边站点观众客流。具体分析如下： 1）客流预测的原则结合大型活动会观众出行的特点，通过对大型活动交通客流分布特性的分析，确定了智能公交线路客流分担率预测原则，主要为：要结合大型活动客流分布特点；客流的预测方法要简单实用；预测要有一定的弹性。2）线路客流预测思路线路的客流与站点服务区域有直接关系。线路服务区域内的客流量的大小43、，决定了线路的客流量。线路的服务区域由各公交站点的服务面积组成，因此，站点的服务区域是公交线路客流量预测的基础。基于此，可以得到如下思路：通过分配小区出行量来得到站点的客流量，从而得到线路客流流量；根据场馆周边站点停靠的公交线路，得到场馆周边站点客流量；最后考虑线路的背景客流量得到站点最终客流量。3）公交线路研究范围的确定经研究发现，直达场馆的公交线路、地铁、智能公交将覆盖大部分的大型活动交通小区，将线路研究范围确定为可直达场馆周边的大型活动专线、地铁与直达公交。4）站点服务区域的确定参考各类文献，对普通公交站点，取公交站点服务半径大约为500m；对于轨道交通站点而言，采用1000m作为轨道交44、通站点的吸引半径。对于重叠的站点采用几何划分的方法，得到各种类型站点的客流量。5）交通小区客流分配假设为了将交通小区产生的客流分配到站点上，在这里作如下几个假定：观众在交通小区内部是均匀分布的；交通小区内，站点吸引的客流量与其服务面积大小成正比；若公交线路有相同的服务区域时，按照距离场馆远近顺序分配观众客流；当存在几条公交线路距离场馆远近一样的情况时，其重复的公交站点的服务范围按照线路数均匀分配。6）小区观众客流分配模型将小区分为有公交或轨道交通站点服务区域的小区与无站点服务区域的小区四大类。对第一、二、三类交通小区，则小区的观众生成量由地面公交站点和轨道交通站点共同承担。设该小区内，有n个公45、交站点服务区域，每个公交站点的服务区域大小为Si，同时小区内部有m个轨道交通站点服务区域，每个轨道交通站点的服务区域为Sj，若该小区内生成的交通量，则公交站点与轨道交通站点的客流量，用模型计算表示如下：ST i，j不能同时为0式中：G交通小区的观众出行量；n交通小区内有服务区域的直达场馆公交站点数目；m交通小区内有服务区域的轨道交通站点的数目；qk第k个公交站点吸引的观众数；pl第l个轨道交通站点吸引的观众数；Si第i个公交站点在该交通小区内服务区域面积；Aj第j个轨道交通站点在该交通小区内的服务区域面积；Sk第k个公交站点在该交通小区内的服务区域面积；Al第l个轨道交通站点在该交通小区内的服46、务区域面积。对第四类小区，可以将小区内的观众生成量转移到与邻近该小区的轨道交通线路或者公交枢纽或者公交站点上，按照上面小区客流的分配方法进行分配。7）站点客流量预测模型根据前面的客流分配模型，可以得到站点在小区内吸引的大型活动观众人数。由于部分站点的服务区域分布在几个交通小区内，因此，将站点在各小区内吸引的观众人数进行累加，就会得到站点的客流量。用公式表示如下：式中：D公交站点的客流量；n有此站点服务区域的小区的数目；qk此站点在小区k的吸引的观众数目。8）公交线路客流量的预测模型根据前面的计算方法，可以得到交站点的观众客流量。公交线路的总客流量由其沿线的公交站点的客流量组成的，因此，将公交站47、点的观众的客流量进行累加，就可以得到公交线路的客流量。用公式表示如下：式中：P公交线路的客流量；Di某一条线路第i个公交站点的观众客流量；N某条公交线路的站点个数。9）场馆周边公交站点的客流量预测模型场馆周边的公交站点有若干条公交线路停靠，将停靠此公交站点的各条线路的大型活动观众公交客流量进行累计，就会得到公交站点的观众客流量。用公式表示如下：式中：Qo场馆周边公交站点的大型活动观众的客流量；M公交站点的公交线路数；Pj这个公交站点第j条公交线路的观众客流量。考虑社会背景客流量，就可以得到场馆周边公交站点的最终客流量，用公式表示如下：式中：Q场馆周边公交站点的客流量；Qo场馆周边公交站点的大型48、活动观众的客流量；Qb场馆周边公交站点的背景公交客流量；根据公交站点预测的观众客流量，结合观众到达与散场规律，可以确定各时段的站点的交通需求，从而确定公交设施需求等。2.4.2公交仿真优化与评价方法在总结国内外文献的基础上，确定了各场站形式的优缺点与适用范围；依据场站的适用性，确定了从上到下的场站选择方法，给出了选择大型活动场站应考虑的因素；在场站选型的基础上，对影响通行能力部分进行了设计，作为仿真优化的初始方案；确定了场站仿真优化流程，最后给出了判断方案是否满足要求的阈值。在总结现有发车模式的基础上，分析了其优缺点及适用范围；确定了根据客流先选择发车模式，再确定发车时间的思路；根据观众客流出49、发地不同，将发车方案分为两部分并分别确定方案；在初步方案确定的基础上，建立了仿真优化流程。为了进行方案比选，选择较好的方案，需要对方案进行评价，本部分将将公交运输系统分为步行系统、场站等待区、公交运行等部分，分别选取相关指标；由于是对人车混行的系统进行评价，在比较其他评价方法的基础上，选择了模糊评价方法作为评价方法。综上述，借鉴国内外已有研究成果，建立了从场站选型、场站优化、公交线路发车方案优化与公交方案评价等实用的大型活动公交运输优化与评价体系。具体分析如下：1）场站选型方法依据场站的位置及规模等因素，将场站分为中途站与枢纽站；将中途站分为港湾式与在线式；场站及枢纽都由停靠位组成，将停考位分50、为直线式、通过式、锯齿式、斜排式等四种，并总结了国内外研究中公交场站优缺点及各自适应性。在此基础上，确定了定性选择相应的场站类型的指标，确定了从上到下分层选择场站形式的方法，对各层的影响因素不同，选择相应的指标来进行场站形式的选择。2）站台仿真优化方法在确定场站的形式后，就要对场站进行设计。根据影响站点通行能力的因素，确定主要设计指标有泊位数量、泊位长度、站牌布设方式以及其它附属设施等。在参考国内外文献的基础上，对有效泊位数、泊位长度、站牌布设方式及场站附属设施等影响场站通行能力的因素进行了设计，建立了计算方法，可以进行方案的初步设计。在完成初步设计的基础上，选择相应的指标，作为优化相应的阈值51、，选取了站台行人平均密度、行人平均等待时间、站台拥挤时间百分率、公交车辆通过站台的延误等指标作为优化的阈值。优化的流程如下： 图32 场站站台设计仿真优化流程图3）公交发车方案仿真优化方法将目前实际应用中的发车模式分类，根据发车辆数，分为单车模式与串车模式；根据发车时间间隔及，分为等间隔发车、按需求发车及随叫随到发车。根据实际应用的情况，总结其优缺点及适用条件。在此基础上，根据观众规模与来源的不同，分为进场时段、散场时段、非比赛时段，分别制定相应的公交方案。在公交方案制定的基础上，建立周边路网仿真模型，从而进行运行方案的仿真。根据仿真结果进行调整，得到优化的公交方案。4）智能公交运输仿真系统评52、价方法将仿真系统分为步行系统、场站系统、公交系统三部分，分别选择相应指标。本文对大型活动场馆地面公交运输系统评价方法的选择基于以下两个方面的考虑：系统的复杂性。从大型活动场馆地面公交运输系统的特征来看，系统由步行系统、公交站台、公交运行三个部分组成，每个子系统又包含多种影响因素。结果的综合性。从大型活动场馆地面公交运输系统的评价输出结果来看，其评价结果是一个综合评价值，是对某一大型活动场馆周边公交场站运输系统的功能的描述。基于此，选择了模糊评价方法作为评价的方法。2.4.3交通压力测试方法本部分在分析其他行业压力测试应用进展的基础上，将交通需求作为对交通设施的压力，将压力测试引入交通中。确定了53、压力测试的对象、系统增压方法、压力测试方法等方面的内容，并结合大型活动场馆的地面公交系统进行了应用，建立了场馆周边压力测试流程。具体分析如下：1）压力测试方法应用进展本部分分析了压力测试在不同行业内的应用；根据压力的不同，分为本身含义与扩展含义两种并分别进行了分析；在分析含义的基础上，确定了压力测试在这些行业的应用流程，为引入交通做了铺垫。2）交通压力测试方法在交通设施系统中，对交通设施的各组成部分是分开设计的，其设计的指导思想是根据预测的交通量（车辆、行人等）、，保证一定的服务水平与控制性最小的尺寸，确定其相关的尺寸指标，其参考依据主要是国家相关行业设计规范。在宏观系统方面，主要通过宏观性的54、指导思想进行指导。这样的设计方法下的交通设施设计中，往往会存在一些问题：缺乏对宏观整体性的系统数量的分析；对各组成部分衔接处也分析也不够，这些地方不能满足使用要求；不能给出预测的交通量发生部分变化时能适应的程度。在进行测试前，确定压力测试的对象，则大致可以分为两类：对交通设施或交通管理方案或运营方案进行压力测试。在确定测试对象的基础上，建立系统增压方法。根据交通行业内经常看到的，可以分为以下两类： 整体按比例加压与局部加压。根据压力大小的不同，又可分为压力不变与压力变化的测试方法。压力测试的方法可以有很多种，主要为人工计算与计算机仿真两种。在压力测试对象与系统增压方法确定的基础上，确定了压力测55、试步骤。首先，确定压力测试对象，并制定测试方案；再此基础上，建立仿真模型；逐渐增大或减小压力；最后，确定是否满足需求。3）智能公交压力测试方法根据前面确定的压力测试方法的概念及步骤，确定了智能公交压力测试方法。测试原因由于预测时采用基础资料的不确定性及预测方法中存在的误差，将可能使得大型活动时交通运行的真实情况可能与预测的差别较大，这样就需要对不同交通需求压力下的方案进行设计，以提高对不同情况下的应变性。制定初步制定测试方案按照方式划分比例的不同，调整的比例可以根据总量的大小与分担的比例大小来确定。总量越大，方式分担的比例越高，调整比例就要适当减少，一般以5%为宜；总量越小，分担的比例较大，一56、般以10%20%为宜。测试软件行人仿真采用Legion行人仿真软件；公交车辆仿真采用VISSIM。测试步骤根据场馆的方式划分的公交应承担的比例，场馆的观众总量及场馆周边的交通设施位置等信息制定合理的合理的压力测试计划，比例可选取5%的倍数；根据场馆周边行人仿真模型，确定不同压力下观众集散规律；执行不同压力条件下的公交方案；建立场馆周边公交仿真模型，将道路相关参数、公交设施相关参数，公交方案相关参数等输入到模型中；测试公交设施是否满足要求，并据此制定相关的改善方案。2.5智能公交抢修救援调度技术研究子任务“智能公交抢修救援调度技术研究”创新点为：1. 提出了集中与分布式相结合的智能公交抢修救援调57、度模式；2. 自主开发了“智能公交抢修救援调度系统”软件；3. 提出并实现了最优化路径的救援任务调度算法。2.5.1集中与分布式相结合的智能公交抢修救援调度模式本子课题研究提出了一种集中与分布式相结合的智能公交抢修救援调度模式，通过集中资源和调度命令的集中方式，实现对抢修救援资源和救援作业、业务信息的统一调度。通过在物理上建立多个分布式抢修救援调度中心，能同时支持公交集团公司指挥中心、大型活动分中心和保修分公司的多处协同调度，能够灵活应对智能公交抢修救援的管理模式，实现了抢修救援工作的自动化、信息化，抢修资源的配置和使用更加优化，反应更及时。它具有以下特点：（1）兼容以前救援业务；（2）快速响58、应抢修作业，实时调度监控；（3）各抢修调度处抢修作业共享，协同调度；（4）具备应急策略，某抢修调度处作业负荷过重时，负载动态均衡；（5）作业分级，有不同的调度优先级，能优先保障重点地区的抢修救援。图33显示了新的抢修救援调度模式。抢修作业通过分布式抢修调度系统分类报入，由各处的话务员录入抢修作业信息，然后由抢修调度中心、大型活动分中心和保修分公司各处的调度员协同调度。调度包括派救援车、下发抢修命令、实时监控、完工结活。分布式调度模式中指挥中心、保修分公司以及大型活动分中心的业务关系如下：（1）指挥中心是整个系统的核心，保修分公司和大型活动分中心的数据都汇集到指挥中心，并与运营调度指挥集成，以实59、现接续调度。（2）指挥中心、大型活动分中心、保修分公司通过广域网络连接，共享部分业务数据，并实现数据同步。（3）保修分公司和大型活动分中心既能够独立工作，也能相互协调，可以完整地万成一个抢修调度作业，也可以只完成一部分。（4）保修分公司能监控大型活动分中心的工作状况，必要时接替和干预。（5）指挥中心在大型活动期间享有救援车辆指挥调度的优先权。（6）保修分公司在指挥中心指导下完成抢修救援工作，并将调度结果实时反馈给指挥中心。总公司抢修调度中心、保修分公司抢修调度分中心以及智能公交抢修调度分中心的关系如下：抢修调度中心是整个系统的核心，保修分公司抢修调度分中心和智能公交抢修调度分中心的数据都汇集到60、总公司的抢修调度中心。智能公交抢修调度分中心和抢修调度中心通过DDN专线连接，共享部分业务数据，并实现数据的同步。智能公交抢修调度分中心和抢修调度中心独立工作，分别负责大型活动T4和专用车辆的救援、接续工作。抢修调度中心实时监控奥组委智能公交抢修调度分中心的工作状况。在大型活动期间享有救援车辆指挥调度的优先权。保修分公司抢修调度分中心在抢修调度中心指导下完成抢修救援工作，并将调度结果实时反馈给抢修调度中心。大型活动会结束后，智能公交抢修调度分中心的设备作为保修分公司抢修调度分中心的备份设备。2.5.2 “智能公交抢修救援调度系统”软件本子课题自主开发实现了“智能公交抢修救援调度系统”软件。该软61、件采用CTI、电子地图、自主消息中间件、GPS/GPRS、分布式数据库技术，支持集中与分布式相结合的智能公交抢修救援调度模式，以多终端可视化图形方式实现。图34 自主开发的智能公交抢修救援调度系统的组成系统具备接报、调度、分级管理、统计分析等功能，可同时在多个抢修调度中心协调运行。智能公交抢修救援调度系统在应用层包括请求处理、调度处理、车辆图形监控、统计分析、工单处理、综合信息管理六个子系统。为实现分布式调度及负载均衡，加入了消息通信、数据同步、三层负载平衡三个支撑模块，以中间件形式实现。消息通信：消息通信模块作用是在各子系统进程间、分布式系统间利用TCP/UDP协议传递消息，包括消息通信技术62、和一组消息通信规则。该模块形式为一个ActiveX控件，此控件的功能包括将消息类型、内容类型的数据包发给规则表中定义的多个目的地及端口，超时重发。抢修调度系统的消息通信模型采用PTP通信模型，通信方式建立在消息队列的基础上，每个客户端对应一个消息队列，发送客户端发送消息到消息队列中，接收端从消息队列读取消息。其中消息在队列以FIFO（先进先出）或优先级方式存储。其消息通信模块工作在网络协议层的应用层。系统考虑到模块间的耦合性，将消息通信模块设计为松耦合、高内聚的功能模块，由分布式抢修调度中的各个子系统调用，主要功能为发送消息、接受消息，自定义消息规则和消息处理。消息通信模块工作原理如下：（1）63、t时刻，系统A发送消息给相关系统，消息M(x,r,c)的序号为x、规则为r、内容为c。并将M(x,r,c)放入消息队列Q。（2）系统A的消息通信模块sender线程发现消息队列Q里待发送消息M(x,r,c)，sender线程读取规则r，检查IP表，发现IP地址d1,d2dn有规则r，通过TCP/UDP协议发送消息给d1,d2dn。（3）若系统B的IP地址为di(1 i n)，其消息通信模块的receiver线程收到消息M(x,r,c)，读取规则r，匹配规则r，按照规则r解析内容c。（4）系统A的消息通信模块sender线程从队列Q中删除消息M(x,r,c)。t+1时刻，系统A发送消息，消息M(64、x+1,r,c)，序号为x+1、规则为r、内容为c。数据同步：保证抢修实时业务的数据的一致性，为作业的实时监控、调度提供共享数据。同步机制采用两种方案，各个运营数据库之间的数据采用程序控制同步方案，每个抢修调度处运营数据库和备份数据库之间的数据采用MS SQLSERVER的复制技术进行同步。抢修调度系统数据同步模块采用两套同步方案：（1）程序控制同步方案：根据实时业务和记录统计的需要，该方案用程序来控制数据同步，作用在各个抢修部门运营数据库之间，保证运营数据库数据的一致性5。程序控制数据同步的方案需要有应对异常的能力，网络异常、数据库互斥都会导致数据同步的失败。用缓冲策略来应对发生的异常情况，65、将数据写入本地的临时缓冲，启动状态检测线程，当系统从异常中恢复，状态检测线程将缓冲数据写入远程数据库。（2）订阅/发布方案：利用关系数据库MS SQLSERVER的复制功能6（订阅/发布）实现了各个抢修调度系统运营数据库和备份数据库之间数据的同步，在不影响效率的情况下，实现数据的备份。加上在运营数据库上的定时备份完整数据库到本地磁盘，从而从两个地方保证了数据的完整性和持续性。在任何时候都不会因为一台数据库服务期的问题而导致系统不能正常工作。图36 三层负载平衡模型负载平衡：通过一种三层负载平衡机制，业务进行分类报入来静态均衡作业，针对数据库并发访问的瓶颈问题，动态均衡系统的数据处理，将静态负载66、平衡调度方法与动态负载平衡调度方法结合，将负载平衡分布在各个分布式系统，保证系统的高效、可靠的完成抢修救援任务。（1）业务层：用来表示抢修调度中心的救援任务的分派，属于业务级。该层根据科学的、统计的方法，将抢修救援任务分派到分布式抢修调度系统。（2）控制层：用来表示分布式抢修调度系统对数据的控制，属于系统级。该层根据数据层中各个数据节点的负载信息，决定动态负载平衡调度方案。（3）数据层：用来表示分布式抢修调度系统的数据库服务器。数据节点表示各个数据库服务器，目前分布式抢修调度系统实例中有6个数据节点，分别分担各个分布式系统的数据储存，当数据量过大，操作频繁时，会出现数据库互斥访问，这时只允许一67、个系统连接并操作，别的系统访问受限，无法及时处理数据，造成性能过低。2.5.3提出并实现了最优化路径的救援任务调度算法本子课题提出并实现了一种基于多队列的最优路径的救援任务调度算法，支持集中与分布式相接和的调度模式，支持分级策略。针对公交救援车辆调度的业务需求，提出了基于多级队列的调度算法。为便于描述，首先将此类资源调度问题以一种通用的符号形式表示：将所有可供调度的资源定义为一个集合R；按照一定的特性(如资源所属区域)将资源分为m个组，每个资源组定义为一个子集，即有资源子集R1,R2,Rm，且某些子集间具有相似性(如区域相邻性)；不断产生的序号为i的任务表示为i。每个资源子集的资源由一个单独的68、调度者进行管理，对于每个资源子集，调度者将所有最适宜分配该资源子集资源的任务建立一个多级队列，任务优先级的定义方式以及划分优先级类的方法可以根据实际需要确定。当有新的任务产生时，将其加入到最适宜分配的资源子集的多级队列中，并根据该任务的优先级，确定放在某一类优先级进程队列的末尾。假设多级队列分为四类优先级，如图2-7(a)所示。每个资源子集的多级队列遵循以下的策略：(1)各类优先级之间采用由高至低的优先级调度算法分配处理时间；(2)各类优先级内部采用先进先出(FIFO)算法分配处理时间，即仅当完成对队列首部任务的处理后，才处理其后的任务；(3)动态调整多级队列所有任务的优先级，按一定时间间隔重69、新计算优先级且重新生成多级队列，图37的(a)(b)将多级队列调整前后的状态变化进行了示意对照。图37 多级队列（a）多级队列（b）(4)当某个任务获得处理时间时，遵循以下的策略对该任务进行处理：当处理到某个任务时，如果能够获得所处资源子集的资源，则对该任务处理结束，否则将此任务按优先级排入与所处资源子集具有相似性关系的某一个资源子集的多级队列中，参与该队列的调度。将所有资源子集及其相似性关系定义成一张无向图G=，每个结点vi代表一个子集，如果两个资源子集具有相似性，则在这两个子集结点vi和vj之间有一条边，表示为（vi, vj），所有边的集合构成E。分配调度资源的过程即以该任务所属的资源子集70、结点为起点遍历整个图G，以遍历图的顺序，参与各个资源子集的调度过程，直到被分配到资源。至于遍历的方式，考虑到资源子集之间具有相似性关系，因此采用广度遍历的方式，即从任务所在的结点v出发，访问这个节点后再依次访问v的各个未被访问过的那些邻接点，然后从这些邻接点出发，按照同样规则访问它们的那些未被访问的邻接点，直到在某个结点获得调度资源，或访问过所有的结点。如果一个任务在遍历了与开始所属资源子集连通的所有结点后，仍未分配到资源，则重新排入开始所属资源子集的多级队列，重复上述过程。调度算法的具体实现：物联网智能公交抢修调度系统的目标是对市区各处（含大型活动重点地区）不断出现的运营车故障，依据其重要程71、度，派遣救援车辆执行抢修任务。调度预案是基于区域设计的，市区被划分为多个区域，每个区域内预先布置一定数量的救援车辆，当故障在某个区域发生时，预先考虑派遣本区域内的空闲救援车执行抢修任务。具体实现时，由计算机担任调度者的角色，将每个区域内的救援车由一台计算机进行管理，因此每台计算机上都存在一个由管辖区域内预先布置的所有救援车组成的资源子集，在每台计算机上建立基于该子集的多级队列。当抢修任务出现时，根据故障位置，确定该任务属于哪个区域，将其排入到管理该区域救援车的计算机的多级队列中。多级队列的划分依据是任务的紧急程度，在本系统中将任务按优先级划分为三类：第一类是重大事故；第二类是重要地点；第三类是72、普通任务。由于任务的紧急程度还包含任务产生时间的因素，因此系统以一定的时间间隔动态地调整优先级，任务的优先级通过公式计算，其中Aj表示第j个决定因素的影响程度，Wj 表示第j个决定因素的权值，特殊地：W1 ：由任务产生时间决定的权值随着时间的推移，未分配到资源的任务的优先级逐渐升高，因此W1可以由确定，其中T0表示任务产生时间，而t表示当前时间；W2 ：由任务所属地段类型决定的权值；W3 ：由任务类型决定的权值。对多级队列的某个任务进行处理时，首先在本地资源子集中求最优解，即对子集内的所有救援车对于与任务适合程度的各项指标进行综合评估，再考查约束条件，如果任务被分配到属于本地资源子集的救援车，73、则处理结束，否则运用上节所介绍的资源调度策略的第(4)条策略，将任务排入管理其它资源子集的某台计算机的多级队列中等待处理。系统定义以下调度规则：救援车空闲原则、救援车距离任务地点最近原则及救援车符合任务技术要求的原则。分配救援车还需要考虑两个约束条件：保证各个救援车利用率趋于相等，及保证重要区域救援车空闲率不低于设定值。现设某台计算机上的救援车辆集合为R=r1,r2,rm ，按照系统调度规则，运用下面的公式求任务j的最优解。首先计算R内的所有空闲救援车ri（满足C(ri，t)=0，C(ri，t)是表示救援车ri在t时刻状态的函数，救援车的状态分为三种类型，空闲、接收任务、执行任务，分别预定义为74、0、1、2）与任务j适合程度的权值：F是作用于三个指标参数的函数，其中第一个参数中D是表示救援车ri到任务j的直线距离的函数，利用地理信息系统(GIS)的地理信息及救援车的定位信息可以分别得到任务j的坐标(x1，y1)及ri的坐标(x2，y2)，在这里坐标表示地理信息系统中点的经度和纬度，通过两点坐标计算两点间距离：其中Radius是表示地球半径的常数；第二个参数中E是表示救援车ri是否符合任务j的技术要求的函数；第三个参数表示救援车ri已执行任务的次数与R内所有救援车已执行次数平均值的差值，其中Si(t)是表示救援车ri 在t时刻已执行任务的次数的函数；F是一个综合作用于以上三个指标的函数。75、比较所有空闲救援车对于该任务的权，权值最高的救援车即为该任务的最优解。最后，考查约束条件，约束条件可用公式表示为：其中a是代表为该区域设定的最低车辆空闲率的常数。第一个约束条件在F的第三个参数中得以体现，而第二个约束条件在对每个任务求出最优解后进行检验，如果满足约束条件则保留分配结果，否则放弃。三、 软件功能系统3.1大型活动地面公交运力资源优化配置系统3.1.1智能公交运营组织与调度系统1.调度计划管理子系统该子系统首要功能模块是行车计划模块。图42 调度计划管理子系统界面计划编制界面示例如图43、图44所示。图43 调度计划时刻表生成界面图图44 行车计划摘要界面图劳动班次生成界面如图4576、所示。图45 调度计划劳动班次生成界面图发车方案界面示例如图46、图47所示。图46 发车方案界面示例1图47 发车方案界面示例2计划安排示例界面如图48、图49所示。图48 调度计划安排界面示例1图49 调度计划安排界面示例2计划审批示例界面如图50、图51所示。图50 调度计划审批界面示例1图51 调度计划审批界面示例22.实时调度子系统实时调度子系统是公交车调度系统的核心模块，主要实现行车实时调度、调度日志管理和签到管理功能。实时调度主界面图52 实时调度主界面行车日志编辑、查询示例如图53、图54所示。图53 行车日志编辑界面图54 行车日志查询界面司售签到管理、查询示例如图55所示。77、图55 司售管理界面3. 基于GIS的车辆监控系统图56 监控对象选择界面效果图图57 重点监控窗体效果图图58 车辆查找效果图图59 车辆跟踪效果图图60 车辆轨迹回放界面及回放效果图4.劳动配班管理子系统该子系统的首要功能是劳动配班。图61 劳动配班管理子系统配车界面图图62 公交劳动配班管理子系统司售安排界面图图63 公交劳动配班管理子系统劳动配班记录界面图3.1.2智能公交运力资源优化配置系统利用TransCAD软件本身提供的大量的运算与分析工具，结合Caliper Script语言，通过二次开发，实现年正常的路线断面流量预测，常规公交线路配车数和新增大型活动专线的流量及配车数预测，以78、及常规公交线路和大型活动专用线路之间的运力优化等。1.客流预测本模块按照“体育馆 站点 车号 车辆”的思路来预测将来的客流增长所需的车辆数。该模块包括两部分，即条件选择和统计与预测。图64 运力资源优化配置条件选择模块图65 运力资源优化配置统计与预测模块2.公交配流通过该功能，可实现OD数据在全市公交线路网的分配，从而模拟线路调整前后路网的交通流量情况。图66 线路配流方案选择及参数设置图67 配流结果明细表格3.线路流量分析该模块可统计线路调整前后具体线路的断面流量、上下车人数变化情况。图68 线路及统计图选择图69 配流前后流量变化统计结果4.地图主题显示配流结果可在地图上按主题来显示流79、量统计数据。图70 配流结果上车人数地图显示示例（单方案）5.运力资源优化配置模块此模块包括时段配车数计算、配车方案选择以及场站驻车优化三部分。图71 时段配车数计算模块图72 配车方案选择模块图73 场站驻车优化3.2地面公交应急联动系统l 软件系统1.集团子系统集团部分主要由调度发布、实时监控、预案维护、调度统计、调度日志、分公司管理六个模块组成。图74 调度发布内容显示图图75 实时监控主界面图图76 预案维护界面图图77 调度统计界面图图78 调度日志图图79 分公司管理界面图2.分公司子系统分公司部分主要由调度发布、实时监控、预案维护、调度统计、调度日志、五个模块组成，其中调度预案维80、护、调度统计、调度日志与集团的基本相同，只对调度发布和实时监控模块进行简单说明： 图80 分公司调度发布主界面 图81 分公司查看集团调度命令详细信息界面图82 分公司自主发布调度命界面图图83 分公司实时监控主界面 图84 分公司手工录入车队上报界面3.车队子系统车队部分主要由预案管理、执行上报、调度监控三个模块组成，图85 车队预案管理界面图图86 车队查看分公司发布信息界面图图87 车队上报界面图图88 车队调度监控界面3.3大型活动场馆地面公交运输仿真系统利用行人仿真软件Legion分析了观众到达各公交站点的时空规律，从而更好的设计公交调度的方案，使公交的调度与观众散场的需求相匹配。利81、用车辆运行仿真软件Vissim软件建立周边路网仿真模型，模拟车辆运行情况，依据仿真过程中体现出的问题，采取了交通组织措施。仿真场馆包括国家体育场、五棵松场馆群、工体场馆群和城市工业大学场馆，下面以城市工业大学为例介绍具体仿真内容。1.行人仿真图89 仿真区域示意图（黄色的为仿真区域）重点仿真区域的结果分析图90 东出口人行道最大密度图（黄色线区为行人分析区）图91 人行道分析区内人流密度随时间变化图观众到达各公交站点的时空规律图92 53路观众到达累计曲线2.公交运行仿真利用Vissim建立周边路网仿真模型如下图所示：图93 场馆周边路网建模依据仿真过程中体现出的问题，采取了交通组织措施，并对82、采取措施前后的交通状况进行了对比分析。图94 采取措施前仿真过程图（蓝色车辆为29路车辆）图95 采取措施后仿真过程图（蓝色车辆为29路车辆）3.公交站台仿真图96 公交站台仿真建模53路站台各方案等待观众密度随时间变化如下图所示。图97 公交运行方案一站台等待的观众密度随时间变化图图98 公交运行方案二站台等待的观众密度随时间变化图图99 公交运行方案三站台等待的观众密度随时间变化图3.4智能公交抢修救援调度技术研究l 系统建设建立了智能公交抢修救援调度中心，中心设在集团公司大厦四楼总运营调度指挥中心内。总运营指挥中心、智能公交抢修救援调度中以及原保修分公司抢修救援调度中心通过广域网络连接，83、共享部分业务数据，并实现数据同步。l 应用系统开发智能公交抢修救援调度软件系统按其功能和作用的不同分为六个子系统：请求处理子系统、调度处理子系统、车辆图形监控子系统、统计分析子系统、综合信息管理子系统、用户管理子系统，外加两个后台软件（消息中间件和GPRS网关软件）。请求处理子系统图100 应急抢修救援请求电话的接入图101 应急抢修救援保修电话的接入处理调度处理子系统图102 调度处理子系统车辆图形监控子系统图103 车辆图形监控子系统统计分析子系统图104 统计分析子系统四、系统应用效果对比与分析在物联网智能公交运营管理系统投入应用之前，大型城市公交仅有少数场站和线路实现了智能调度。其他场84、站和线路仍然采用传统运营调度方式，传统运营调度方式的主要缺点体现在以下几个方面：（1）运营作业计划编制的过程，包括时刻表、行车计划、劳动配班的编制都是采取手工的方式，没有通过计算机方式实现，劳动强度大，效率低下。（2）调度手段落后，手签路单，口喊发车，俗称又“聋”又“瞎”。调度手段落后的主要原因是缺乏有效的监控手段，无法了解道路状况，不能准确掌握车辆运行状况，如行车位置（是否正点）、车辆速度、乘客数量、各个站台候车人员数量、车辆运营状态（事故或故障）等信息，存在调度措施滞后等问题。（3）针对大型活动及突发事件的应急能力差。主要是依靠积累的预案和实际运营组织与调度经验来组织运输任务。首先，根据大85、型活动及突发事件的类别制定运输方案，包括制定行车时刻、行车计划、根据就近原则制定运力调配计划等，然后根据运输方案对相关车队进行纵向调度，同时，根据活动所涉及的范围，进行横向部门之间协调。但对于大型活动和突发事件，需求预测和实际情况往往存在一定差异，需要根据实际情况进行临时运力的调配，在没有调度系统支持的情况下，一是信息传递速度较慢，制定调度措施滞后；二是调度措施的实施效果反馈速度较慢，难以立即判断措施的有效性。物联网智能公交运营管理系统的建成和使用，以及公交其他信息化建设成果的应用，大大提供了公交的运营管理和调度指挥水平。运营管理和调度指挥水平提高主要体现在一下几个方面：（1）运营计划编制实现86、计算机化。利用运营计划管理子系统，输入客流调查数据、服务水平、线路长度、线路车辆数等，可以自动生成行车时刻表和行车计划表；利用自动生成的行车计划和运营班次管理子系统中的推班模版，选择司售人员的当班班型和休息情况等，可以自动生成每日劳动排班结果，并支持劳动排班结果的增删改操作。运营计划编制的计算机化，大大降低了劳动强度，提高了劳动效率。（2）实现了依据监控信息的实时调度。通过车载定位系统能够在电子地图上显示车辆运行位置、速度等状态信息，了解车辆的行驶状况，对在途车辆下达行驶指领；通过图像信息管理系统，图像信息可以实时传输给各级调度指挥中心和车队调度室，可以看到站台上乘客的滞留情况，从而加大或者减87、小发车频率，即可以确保乘客等车时间不过长，也可以充分利用运力，提高运营效率，节约能源和运输成本。（3）提高了应对大型活动和突发事件的能力。如在大型活动散场时，出现大量乘客滞留情况，可以利用应急指挥车系统的单兵功能，派专人到现场采集乘客滞留图像信息，并通过无线发射器发送到应急指挥车和总调度中心；再通过车辆监控系统查看线路发车和在途车辆运行情况，分析滞留原因，制定临时运营方案。如因为道路限行导致乘客疏散缓慢，可以采用新开绕行线路，方案实施后，可以通过车辆监控系统监控车辆运行，观察绕行路线是否畅通，有的放矢的制定下一步运营方案。（4）提高了抢修救援能力。城市大型活动会期间，智能公交抢修及应急保障工作可以充分展现了系统的调度处理能力。（5）提高了运营方案的可行性。通过仿真模型可以对运营方案进行优化。搭建了legion仿真平台，输入场馆预测观众人数，以及行人运行特点，模拟了观众从场馆疏散出的规律；结合公交运营方案，模拟了站台观众拥挤情况。通过搭建vissim仿真平台，输入观众散场规律和公交运营方案，模拟了场站周边线网上车辆的运行情况。根据仿真结果中发现的问题，对运营方案进行调整。