融合共享单车的需求响应型公交运营调度设计研究

Development of demand responsive transit (DRT) is capable of contributing to transit network diversity. The existing DRT operation mode is unable to provide a real sense of “Door to Door” service. The mode of Bike and Ride (B+R) has been widely proved to be positively impacted on transit’s accessibility, however, the existing studies of B+R only focus on connecting with fixed route system which may raise the issues of a long cycling distance and an inconvenient coordination between cycling and transit. To better contend with such limitations, this study proposes a mechanism to actively integrate DRT and bikesharing, in which the bike is considered as a potential feeder mode for accessing to DRT bus. The working philosophy of proposed new mechanism are demonstrated, in which the operational framework, the main components and their interacted mechanism are further explained. And then a series of operations research models are further developed to optimize both bus transit decision variables, likely, boarding location, scheduling, routing and etc., and bike-sharing decision variables, likely, station location and number of dispatched bikes, simultaneously. To efficiently solve the NP-hard problem, an enhanced searching-based heuristic algorithm is developed. Findings of this research is able to provide a new and fancy vision for constructing next-generation bus transit system as well as assisting local authorities in better managing bike-sharing system.

发展需求响应型公交是完善城市公共交通网络的重要手段，当前需求响应型公交始终无法真正提供“门到门”服务。利用自行车接驳公交（B+R）的模式可以有效应对上述短板，解决“第一公里”难题，但是现有B+R的研究均聚焦于接驳固定线路公交系统，缺乏优化空间，造成骑行距离过长和与公交服务衔接不畅的制约因素。本项目提出一种融合共享单车的需求响应型公交运营调度设计的新模式，考虑共享单车对公交需求和接驳方式选择的时空引导性，构建空间聚类模型和复杂环境下的接驳方式选择模型，并以此为基础，在单车和公交运营要素相互制约和耦合的作用下，构筑考虑固定需求和潜在需求的静态运营方案设计耦合优化模型，以及面向随机需求的多车协同动态调度方案设计耦合优化模型，同时提出可应对实时调度需求的高效启发式算法。成果将为构建新型“服务导向型”公交系统提供新思路，并推动多模式混杂交通系统建模和算法的发展。

本项目提出了一种融合共享单车的需求响应型公交新模式。在实证研究层面，通过对成都市共享单车订单数据、地图POI数据和公交IC卡刷卡数据进行联合挖掘分析，论证了共享单车与传统地面公交之间的竞合关系，结果表明共享单车与公交在工作日呈良好合作关系，而在周末呈竞争关系；基于实证研究结果，在网络设计层面，本项目解析了引入共享单车服务对常规双模式定线（快线和普线）公交系统运营的接驳机理以及乘客的路径变化机理，通过构建连续近似模型协同优化了公交发车频率、站点及线路密度和共享单车的投放密度，进一步讨论了共享单车对公交系统运营效率的影响，结果表明相较于传统仅步行登车的公交系统，引入共享单车后可节约20%左右的系统运营成本，乘客出行时间可节约2.6-19.8分钟；随后，本项目将共享单车引入了需求响应公交的运营服务设计中，考虑了服务区域几何特征和客流密度分布，解构了共享单车对需求响应公交的接驳功能和机制，研判了共享单车的骑行距离与需求响应公交运营线路长度之间的关联，通过构建解析模型联合优化了共享单车投放点密度和需求响应公交的运营服务计划，创新性的实现了两个灵活系统之间的耦合优化设计，研究结果表明引入共享单车服务可以有效减少需求响应公交7.7%-13.6%的绕行距离， 乘客出行时间成本可下降2.7%-7.1%；在运营调度设计层面，本项目进一步在运营调度层面构建了一套两阶段鲁棒优化模型和定制化高效算法，支撑了面向实际运营场景的共享单车和需求响应公交协同服务设计，通过向部分乘客安排共享单车接驳服务，基于静态需求运营服务计划实现了考虑随机需求的系统最优和全需求响应，结果表明所构建的服务模式不仅可以大幅减少系统成本，还解决了需求响应公交在运营过程中的随机需求接送难题。与此同时，本项目成果还丰富了复杂条件下的需求响应公交优化设计的理论和方法，实现了考虑多重乘客偏好性和低碳导向的需求响应公交的服务设计和调度优化。