公共交通系統(tǒng)原理：規(guī)劃、運營與實時控制

第 1 章 公共交通基礎(chǔ) 1
1.1 公共交通的必要性 1
1.2 公共交通的期望與挑戰(zhàn) 4
1.2.1 利益相關(guān)者及其期望 4
1.2.2 挑戰(zhàn) 7
1.3 公交系統(tǒng)的基本類型 9
1.4 成本與服務(wù)表現(xiàn) 13
1.4.1 成本 13
1.4.2 服務(wù)表現(xiàn) 19
參考文獻 21
練習(xí)題 23
第 2 章 分析工具 24
2.1 時空圖 24
2.1.1 單輛車 24
2.1.2 多輛車 27
2.1.3 建模與分析應(yīng)用 30
2.2 排隊圖 32
2.2.1 方法基礎(chǔ) 32
2.2.2 數(shù)據(jù)解釋功能：平滑、平均值和 Little 公式 34
2.2.3 預(yù)測延誤和排隊的發(fā)展 36
2.3 優(yōu)化 39
2.3.1 無約束優(yōu)化 39
2.3.2 約束優(yōu)化 43
2.4 量綱分析 47
2.4.1 公式驗證 48
2.4.2 基本思想：用無量綱組合重構(gòu)表達式 48
2.4.3 應(yīng)用 50
參考文獻 52
練習(xí)題 53
附錄 2.A 如何確定最大相互無關(guān)集 54
第 3 章 規(guī)劃—總體思路 57
3.1 規(guī)劃決策 57
3.1.1 時間范圍 57
3.1.2 解決方案的范圍 59
3.1.3 建模哲學(xué) 60
3.1.4 兩步建模方法：整數(shù)與連續(xù)變量 61
3.2 計算非貨幣表現(xiàn)輸出 63
3.2.1 基于標(biāo)準(zhǔn)的方法 65
3.2.2 拉格朗日方法與基于標(biāo)準(zhǔn)的方法之間的聯(lián)系 66
3.3 需求內(nèi)生性 68
3.4 模塊化學(xué)習(xí)規(guī)劃方法 70
參考文獻 71
練習(xí)題 71
第 4 章 規(guī)劃—擺渡車系統(tǒng)73
4.1 個體出行 73
4.1.1 恒定的交通需求 73
4.1.2 時變的交通需求—晚高峰通勤 74
4.1.3 自適應(yīng)的可變需求—早高峰通勤 76
4.2 集體出行 79
4.2.1 恒定的交通需求 79
4.2.2 時變的交通需求 81
4.3 雙模式均衡：通過“公交優(yōu)先”緩解擁堵 83
參考文獻 85
練習(xí)題 85
附錄 4.A 早高峰通勤問題的均衡 87
第 5 章 規(guī)劃—交通廊道 90
5.1 初步理解：理想化分析 90
5.1.1 門到門速度的限制：單公交線路的情形 91
5.1.2 通達速度的影響：快慢車分層結(jié)構(gòu)的實用性 94
5.2 單線路公交：分析方法和解決方案的性質(zhì) 96
5.2.1 假設(shè)和初步建模 96
5.2.2 數(shù)學(xué)建模和解決方案 99
5.3 多個標(biāo)準(zhǔn) 105
5.4 多線路：分層系統(tǒng) 108
5.4.1 建模和分析 108
5.4.2 結(jié)果與深刻理解 114
5.5 擴展延伸 116
5.5.1 兩個方向上的不對稱 116
5.5.2 隨空間和時間變化的服務(wù) 117
5.5.3 公交車容量的考慮 119
參考文獻 121
練習(xí)題 121
小項目 1 將慢線公交線路改造為公交快線 125
第 6 章 規(guī)劃—網(wǎng)絡(luò) 128
6.1 理想場景分析 130
6.1.1 單線路：沒有換乘的公交系統(tǒng) 130
6.1.2 多線路系統(tǒng)：換乘的作用 132
6.2 符合實際的分析：網(wǎng)格系統(tǒng) 135
6.2.1 廣義成本函數(shù)的推導(dǎo) 136
6.2.2 優(yōu)化和最優(yōu)解的性質(zhì) 138
6.2.3 一般化分析 142
6.3 容量限制：網(wǎng)格系統(tǒng) 143
6.3.1 載客容量約束 144
6.3.2 三種容量約束的結(jié)合：對城市規(guī)模的影響 146
6.4 其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 147
6.4.1 軸輻網(wǎng)絡(luò) 147
6.4.2 混合網(wǎng)絡(luò) 152
6.5 實際系統(tǒng)的設(shè)計 157
6.5.1 設(shè)計的步驟 157
6.5.2 實際案例研究 160
6.6 其他問題 163
6.6.1 不受已有道路限制的公交網(wǎng)絡(luò) 163
6.6.2 公交的協(xié)同作用和最后一千米問題 164
6.6.3 內(nèi)生停站時間和靈活的?？?166
參考文獻 167
練習(xí)題 168
小項目 2 設(shè)計一個公交網(wǎng)絡(luò) 173
附錄 6.A 線路段上最大流量的下界 175
附錄 6.B 分層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò) 176
第 7 章 規(guī)劃—靈活公交 178
7.1 有專職司機的車輛共享：呼叫式出租車和無人駕駛出租車 181
7.1.1 出租車服務(wù)的物理模型：排隊模型 182
7.1.2 運營者視角：基于服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)優(yōu)化 184
7.1.3 社會視角：與自駕出行和公共出行的比較 185
7.2 無專職司機的車輛共享：單程系統(tǒng) 187
7.2.1 無固定泊位，隨需停車系統(tǒng) 188
7.2.2 有固定泊位的系統(tǒng) 189
7.3 匹配拼車和順風(fēng)車 192
7.3.1 有或無預(yù)約的匹配拼車 193
7.3.2 順風(fēng)車 194
7.4 需求響應(yīng)公交 196
7.4.1 電話約車 196
7.4.2 共享出租車 200
7.4.3 城市交通出行模式對比 202
7.5 具有站點和樞紐的需求響應(yīng)式公交：小巴服務(wù) 204
7.6 技術(shù)與公交的未來 208
參考文獻 210
練習(xí)題 211
附錄 7.A 到 n 個隨機點中最近點的期望距離 214
附錄 7.B 可行匹配的期望比例 215
附錄 7.C 219
第 8 章 管理—車隊 220
8.1 定義 221
8.2 時刻表覆蓋：只有一個終點站的公交車線路 224
8.2.1 車隊規(guī)模：圖形分析 224
8.2.2 車隊規(guī)模：數(shù)值分析 226
8.2.3 多種公交類型 227
8.2.4 終點站位置 227
8.2.5 班次分配 228
8.3 多條公交線路的時刻表覆蓋 230
8.3.1 靠近停保場的單個終點站 230
8.3.2 離散站點與空駛啟發(fā)式算法 231
8.3.3 討論：空駛和資源共享的效果 233
參考文獻 234
練習(xí)題 235
附錄 8.A 證明—后進先出和貪婪策略均使用最少公交車 236
附錄 8.B “車輛路徑問題”與元啟發(fā)式算法 236
第 9 章 管理—員工配置 243
9.1 介紹 243
9.2 獨立的班次 244
9.2.1 最不利的薪酬結(jié)構(gòu) 245
9.2.2 延時加班 245
9.2.3 多種輪班類型 248
9.3 多個公交車班次 250
9.3.1 求解算法 250
9.3.2 成本的下界 252
9.4 員工配置 254
9.4.1 使用在編受薪員工完成輪班 255
9.4.2 應(yīng)對缺勤 259
參考文獻 261
練習(xí)題 261
小項目 3 車隊和人員管理 262
附錄 9.A 組合多個司機類型以覆蓋公交車班次 268
第 10 章 運營—可靠的公交服務(wù) 272
10.1 不可靠性對公交用戶的影響 274
10.2 由若干系統(tǒng)組成的系統(tǒng) 278
10.2.1 單智能體系統(tǒng) 279
10.2.2 多智能體的系統(tǒng) 283
10.3 未加控制的公交車運行 284
10.3.1 理想的確定性運行 284
10.3.2 未加控制的公交車運行 285
10.4 按時刻表實施控制 287
10.4.1 由時刻表控制的系統(tǒng)動態(tài) 288
10.4.2 設(shè)置松弛量和控制點間距 290
10.5 多公交控制策略 292
10.5.1 基本算法 292
10.5.2 魯棒控制 300
10.6 實際考慮 303
10.7 實地研究與人為因素 305
10.7.1 簡單控制：來自 Dbus 的證據(jù)（西班牙 San Sebastian） 305
10.7.2 魯棒控制：來自 OTS 的證據(jù)（夏威夷 Honolulu） 310
10.8 補救措施 311
10.8.1 起終點策略 311
10.8.2 加速個別公交車 314
10.8.3 更加激進的策略 315
參考文獻 317
練習(xí)題 318
小項目 4 為緩解公交串車設(shè)計控制策略 321
第 11 章 結(jié)語—經(jīng)濟和定價325
11.1 分解 325
11.2 經(jīng)濟 328
11.2.1 理想化的運營機構(gòu) 328
11.2.2 現(xiàn)實的機構(gòu) 329
11.2.3 如何鼓勵運營機構(gòu)為公眾利益服務(wù) 330
練習(xí)題 332