令dj表示研究时段内服务于线路l的接运公交j(j=1,2,…,J)的首站计划发车时刻,即
式中:hj-1——接运公交j-1和接运公交j之间的计划发车间隔(min)。
公式(8-33)中的关键决策变量d1和hj(j=1,2,…,J-1)必须分别满足公式(8-34)和(8-35)。
式中:Tmin——研究时段起始时刻,即所允许的接运公交线路l最早首站计划发车时刻。
式中:Hmin——研究时段内计划发车间隔取值范围下限(min);
Hmax——研究时段内计划发车间隔取值范围上限(min)。
式中:N*——正整数集合。
公式(8-34)用以保证d1确实是给定时间范围内线路l的首班首站计划发车时刻;公式(8-35)则给出了研究时段内计划发车间隔hj的取值范围,保障协调优化后的接运公交运行计划合理且适用。参数Hmin和Hmax的取值由公交企业与政府管理部门协商确定。为了保证发车时刻表在实际中易于操作执行,将首班首站计划发车时刻d1和发车间隔hj均设置为以分钟为单位的整数变量。
当接运公交j在换乘枢纽内公交首末站点的计划发车(离站)时刻与轨道交通列车i到达换乘枢纽内轨道交通站点的时刻间的时间差能大于从轨道交通站台步行至公交首末站所需时间时,列车i上的换乘乘客才有机会乘坐接运公交j离开,具体参见公式(8-37)和(8-38)。
式中:M——一个给定的足够大的正数;
yij——二元变量:当列车i上的换乘乘客有机会乘坐接运公交j离开时,等于1,否则等于0;
Ai——轨道交通列车i到达换乘枢纽内轨道交通站点的时刻;
WT——从轨道交通站台步行至公交首末站点内线路l上车区所需时间(min)。
然而,现实中由于接运公交单车运输能力与大规模换乘客流间的不匹配(尤其是客流高峰期),即使二元变量yij等于1,仍然存在列车i上的所有或部分换乘乘客无法顺利乘坐接运公交j离开,需要排队等待后续接运公交车次的现象。换言之,当且仅当同时满足yij=1以及接运公交j有充足余位时,列车i上的换乘乘客才可顺利乘坐接运公交j离开。顺利乘坐接运公交j离开枢纽的来自列车i的乘客数量,可按公式(8-39)~(8-41)计算其值。
式中:uij——顺利乘坐接运公交j离开枢纽的来自列车i的乘客数(人)。
式中:wij——等待乘坐接运公交j离开枢纽的来自列车i的乘客数(人);
Cj——接运公交j的核定载客数(人/辆);
vij——当来自列车i的换乘乘客开始登上接运公交j时,车内已载乘客数(人)。公式(8-39)~(8-41)表明uij等于yij·min wij,Cj-vij
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)。其中,等待乘坐接运公交j离开枢纽的来自列车i的乘客数量wij可按公式(8-42)计算。
式中:Pi——列车i上需换乘目标接运公交线路l的乘客数(人)。
参数Pi的具体取值可根据换乘客流量历史数据估计所得。在一些安装有自动售检票系统(AFC)的城市,客流量数据可以从乘客刷卡记录数据中统计获取。
当来自列车i的换乘乘客开始登上接运公交j时,接运公交车内已载乘客数量vij可按公式(8-43)计算。
因此,列车i上需要换乘接运公交线路l的所有乘客的总换乘等待时间可按公式(8-44)计算。
式中:twti——轨道交通列车i上需换乘线路l的乘客的总换乘等待时间(min)。
接运公交线路l合理的发车时刻表应不仅能减少枢纽内轨道交通换乘乘客的总换乘等待时间(乘客出行成本),同时也应尽可能降低企业运营成本。故构建目标函数即公式(8-45)以同时响应上述诉求。本质上,减少乘客成本和降低企业成本互为矛盾,需要综合权衡双方利益,为减少乘客的换乘等待时间需要提供高频率的接运公交服务,而高频率的公交服务则意味着公交企业运营成本的大幅增加,因而,在接运公交线路确定的背景下,以发车间隔的倒数值大小衡量企业运营成本的高低,如公式(8-45)右边第二项所示。
式中:z——目标函数值(min);
μ1——非负权重系数,反映减少乘客成本的重要性;
μ2——非负权重系数,反映降低企业成本的重要性;
V——常量参数,反映接运公交车型对企业运营成本的影响(min2),可根据企业年度财务报告确定参数值。
同时还需考虑以下重要约束条件:研究时段内列车i上需要换乘接运公交线路l的所有乘客都可顺利乘坐该线路离开,参见公式(8-46)。
为了简化计算以增强模型的实用性,采用罚函数法,即任何不满足约束条件(8-46)的解都会被惩罚。当公式(8-45)增加了约束条件(8-46)对应的罚函数后,目标函数更新为公式(8-47)。
式中:μ3——罚因子(min/人),表示每增加一位未能顺利乘坐接运公交线路l离开的乘客目标函数值相应增加μ3min。
综上所述,基于给定的轨道交通时刻表,接运公交时刻表最优方案可通过求解以下混合整数非线性规划模型获取。具体需要求解的决策变量为:给定时间范围内首班接运公交首站计划发车时刻和由任意连续两班接运公交间的计划发车间隔构成的一组计划发车间隔集合。
目标函数:式(8-47)
约束条件:式(8-33)~(8-44)
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