物联网智能公交运营管理系统.docx
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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112
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
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