CN113112849B - 一种基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，通过采集乘客出行需求和需求响应型公交的信息，构建包括生态环保驾驶成本在内的系统总成本为总目标函数并依其建立需求响应公交调度模型，采用一致代价搜索算法生成最优需求响应公交访问顺序，更新需求响应公交车辆总质量，基于生态环保驾驶优化方法建议环保车速和挡位，引导公交车辆驾驶行为并计算各路段的行驶时间和燃油消耗，以此为权重在满足乘客时间窗和速度平滑性约束下生成需求响应公交运营线路和时刻表。该方法实现了在满足乘客个人出行时间窗的基础上，避开坡度大及交通拥堵路段并指导司机实际驾驶行为，保证需求响应公交系统运行效率并实现生态驾驶，降低系统燃油消耗和排放总量。

Description

一种基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法

技术领域

本发明涉及考虑能源消耗的需求响应公交调度技术领域，具体的说是涉及到一种基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法。

背景技术

目前，城市交通带来的能源短缺和空气污染严重等问题对车用能源的可持续发展提出了更高的要求。随着城市交通的不断发展，传统的车辆控制技术已经无法适应复杂的交通状况和实际车辆驾驶行为控制需求。需求响应型公交作为一种个性化的灵活公交运营方式，能够乘客通过提前电话预约或网络端提出的乘车信息动态调整最佳运营线路，并提供“门到门”的运输服务。在保留公共交通特性的基础上，相对于传统公共交通具有更充分的行车路径调整空间以减少燃油消耗。

但是，现有技术中，这种复杂的考虑生态环保驾驶的公交调度设计方法中存在以下不足：

1、现有考虑生态环保驾驶的传统公交网络设计中，通常基于给定的车辆行驶状态和同质化乘客需求，忽略了个性化乘客出行需求和车辆端驾驶行为的优化；同时，传统公交无法根据车辆燃油消耗进行线路的动态优化调整，可优化空间有局限性；

2、现有的考虑乘客出行需求的需求响应公交网络设计旨在提供“门到门”的出行服务，缺乏对生态环保驾驶的考量，无法完成在满足乘客出行需求的前提下减少系统燃油消耗和排放的系统优化目标；

3、现有的需求响应型公交系统设计方法只集中于宏观优化层面，缺乏对车辆驾驶行为层面的研究，基于假定的车辆行驶速度和时间来简化系统设计方法，这样往往忽略了实际运营过程中车辆的行驶状态、实时交通状态和复杂道路线形。

因此，如何提供一种能够满足乘客个人出行需求并减少系统总燃油消耗的需求响应公交调度方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，该方法在满足乘客出行时间窗约束的前提下，以最小化包括燃油消耗成本的需求响应公交系统成本为目标实现需求响应公交的调度任务，并给出建议环保车速和挡位以指导需求响应公交实际驾驶行为，解决现有的需求响应公交调度方法无法充分满足乘客个人出行时间窗要求、无法充分考虑公交微观驾驶行为、以及驾驶行为不合理导致公共交通系统生态成本高等问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采集乘客出行需求信息，需求响应型公交始发场站与终点站的位置信息以及需求响应型公交服务区域内道路情况信息，所述道路情况信息包括当前拥堵情况、自由流车速以及交叉口等待时间，构建需求响应公交总成本的总目标函数，结合需求响应公交运营经验值和车辆及燃料的特性，初始化需求响应公交运营参数、车辆动力学参数及燃油消耗与排放参数；

步骤2：根据需求响应公交空驶状态下的净质量，以各路段上的交通流速作为初始速度，计算初始加速度和初始档位，生成各个路段上的初始行驶时间和初始燃油消耗；

步骤3：以需求响应公交始发场站为路径起点，以终点站为路径终点，以各路段上的初始燃油消耗作为权重寻找燃油消耗最小的路径，基于需求响应公交调度模型，采用一致代价搜索算法框架生成“始发场站-交叉口-需求点-交叉口-需求点-终点场站”的需求响应公交最优访问顺序；

步骤4：根据最优需求响应公交访问顺序及各需求点上的等待登车乘客数量确定负载曲线，动态更新需求响应公交总质量，并依据生态环保驾驶优化方法生成建议环保车速和环保挡位，引导公交车辆实际驾驶行为。考虑公交车辆在交叉口及需求点处的加减速行为和怠速行为，基于环保车速计算各路段的行驶时间和燃油消耗，以所述各路段的行驶时间和燃油消耗为权重在满足乘客时间窗约束和路径速度平滑性约束的前提下生成需求响应公交运营线路和时刻表。

进一步地，所述的总目标函数具体为：

式中，J为总目标函数，C_K为需求响应公交固定发车成本，C_F为需求响应公交系统单位燃油消耗成本，C_O为需求响应公交系统单位运营时间成本，

为需求响应公交车行节点的集合，

为需求响应公交始发场站的集合，

为需求响应公交终点站的集合，

为乘客出行需求的集合，

为需求响应公交车辆的集合，

为取值为0或1的变量，表示需求响应公交是否从始发场站驶出；

为两个车行节点m和m′之间的燃油消耗；

为两个车行节点m和m′之间的行驶时间。

总目标函数中包括三项，第一项为每辆需求响应公交发出的固定成本；第二项为需求响应公交的运行时间成本；第三项为需求响应公交的燃油消耗成本，与公交驾驶行为和道路情况信息相关。该成本函数以需求响应公交燃油消耗成本作为生态环保成本，在保证需求响应公交运行效率的同时考虑公交实际驾驶过程对生态环保的影响。

进一步地，所述步骤2中以各路段上的交通流速作为初始速度，计算初始加速度和初始档位，生成各个路段上的行驶时间、燃油消耗和排放包括以下步骤：

1)计算需求响应公交在各路段上行驶的初始速度：

式中，

为城市道路网络中所有节点的总集合，

为交叉口点集合，

为n到n′路段上的初始速度，

为n到n′路段上的自由流车速，ρ_n,n′为n到n′路段上的当前车流密度，

为n到n′路段上的临界拥堵密度；

2)计算需求响应公交在各路段上的初始档位：

式中，

为需求响应公交在n到n′路段上的初始档位，r为车辆的车轮半径，C_f为车辆滚动摩擦系数，

为车辆净质量，g为重力加速度，θ为道路坡度角度，ρ为空气密度，A_k为车辆的横截面积，C_d为车辆空气摩擦系数，I₀为车辆差速器传动比，η为车辆传动效率，T为发动机输出扭矩；

3)计算需求响应公交各路段上的初始行驶时间：

式中，

为需求响应公交在各路段上的初始行驶时间，d_n,n′为n到n′路段的长度；

4)计算需求响应公交在各路段上的初始燃油消耗：

式中，

为需求响应公交在n到n′路段上的初始燃油消耗；

为所选用燃油的空燃比系数，λ为所选用燃油的低热值，d_n,n′为n到n′路段的长度，

为n到n′路段上的加速度，β₀，β₁，β₂，β₃为燃油消耗计算系数，与道路坡度、车辆特性有关。

进一步地，所述的步骤3中需求响应公交调度模型的建立包括以下步骤：

1)建立需求响应公交调度模型的目标函数：

MinJ；

2)确定需求响应公交的访问顺序和基于交叉口点的路径选择：

式(6)和(7)保证分配到公交的需求点能够被车辆服务并保持路径的连通性，

为取值为0或1的变量，表示公交车辆是否会在服务需求点p后服务需求点q，用于确定需求响应公交的服务顺序；

为取值为0或1的变量，表示车辆在经过需求点q后是否会驶向交叉口与点j，

为取值为0或1的变量，表示车辆在到达交叉口点后是否会驶向需求点q，两者结合用于确定需求响应公交基于交叉口的路径；

式(8)能够保证乘客需求点上车辆的进出平衡；

式(9)到(11)能够保证需求响应公交路径的连通性和各路段的车辆进出平衡性，

为取值为0或1的变量，表示车辆是否会从交叉口i驶向交叉口j，用于确定需求响应公交的路径；

3)确定需求响应公交时刻表：

式(12)用于保证需求响应公交的总行驶时间在最长运营时间的范围内，其中，

为公交到达终点站的时间，

为公交从需求响应公交始发站的出发时间，L_max为需求响应公交的最长运营时间；

式(13)和(14)用于保证需求响应公交时刻表的可行性，式中，

为需求响应公交到达车行节点的时间，

为需求响应公交在两个车行节点之间行驶的总时间，由各个路段上的行驶时间

组成，车辆到达车行节点m′的时间需要满足车辆从车行节点m到m′的行驶时间约束；

式(15)用于保证规划的需求响应公交到达需求点的时间在乘客时间窗约束内，式中，

为取值为0或1的变量，表示车辆是否会在服务需求点p后服务需求点q，b_q为需求点q上乘客的预计登车时间，Δb为乘客接受的需求响应公交到达时间与乘客预计登车时间的偏差值，

为需求响应公交到达需求点q的时间，该时间窗约束作为判断是否将乘客需求点分配给需求响应公交的依据：当公交能够在乘客可接受的范围内到达需求点时，将需求点分配给该车并规划从车辆当前位置到达需求点的环保路径。

进一步地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：确定需求响应公交的系统状态，所述系统状态包括公交行驶状态信息及乘客登车状态信息，建立系统状态-时间网络；

步骤3.2：确定需求响应公交驾驶行为类型，按照车辆位置的移动更新系统状态，所述驾驶行为类型包括公交启动行为、公交行驶行为以及公交接载乘客行为；

步骤3.3：以需求响应公交始发场站为起点，以需求响应公交终点站为终点，以交叉口和乘客需求点作为中间节点，采用一致代价搜索算法框架方法搜索基于交叉口的车辆行驶路径；

步骤3.4：输出需求响应公交最优访问顺序和初始系统燃油消耗。

进一步地，所述步骤3.3中采用一致代价搜索算法框架方法搜索基于交叉口的车辆行驶路径包括以下步骤：

步骤3.3.1：将优先队列集合初始化为空集，按照需求响应公交系统中各路段初始燃油消耗对节点进行从小到大的排序；

步骤3.3.2：将初始节点放入优先队列集合，判断优先队列集合是否为空集，若否，执行步骤3.3.3；若是，则停止搜索；

步骤3.3.3：判断当前系统状态是否为最终状态，若是输出需求响应公交最优车辆访问顺序和系统总燃油消耗；若不是，则将与当前节点相邻的所有节点作为下一步的搜索范围进行搜索；

步骤3.3.4：判断当前节点是否在优先队列集合中，若否将当前节点放入优先队列集合，若是，则执行步骤3.3.5；

步骤3.3.5：判断当前节点是否为燃油消耗最小的点，判断依据为：当前节点累加燃油消耗与下一步行驶行为燃油消耗之和是否小于优先队列中最小累加燃油消耗，若是则将当前节点移出优先队列，并返回步骤3.3.2，若否则返回3.3.3继续搜索，直至优先队列集合为空集。

进一步地，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：根据需求响应公交最优车辆访问顺序和各个需求点上的乘客数量确定公交负载曲线，生成车辆总质量动态方程；

步骤4.2：结合需求响应公交车辆总质量及生态环保驾驶优化方法，在满足需求响应公交最优车辆访问顺序的条件下，生成考虑燃油经济性的需求响应公交环保车速和挡位，引导公交实际驾驶行为；

步骤4.3：按照环保车速、挡位和不同路段类型，考虑公交在交叉口、需求点和场站上的怠速与匀加减速行为，计算需求响应公交网络中各个路段上基于生态环保驾驶的行驶时间、燃油消耗和排放；

步骤4.4：以步骤4.3中计算的需求响应公交网络中各个路段上基于生态环保驾驶的燃油消耗为权重，以最小化考虑生态环保成本的系统总成本函数为目标，在满足乘客时间窗约束、需求响应公交排放标准约束和需求响应公交速度平滑性约束的前提下，生成基于生态环保驾驶的需求响应公交系统运营线路和时刻表。

进一步地，所述步骤4.1中需求响应公交车辆总质量通过总质量动态方程获得，具体为：

式中，m为需求响应公交总质量，

为需求响应公交的净质量，m′为平均单位乘客的质量，s_p为乘客需求点p上的预计登车乘客数量，

为取值为0或1的变量，在车辆在服务需求点p后服务需求点q时取值为1，反之为0，在车辆服务需求点p后，需求点p上的乘客登车将使车辆的总质量增加m′s_p，随着车辆不断服务各个需求点，需求响应公交的总质量将动态增加。

进一步地，所述步骤4.2中考虑燃油经济性的公交环保车速和档位的计算方法为：

1)考虑燃油经济性的需求响应公交最优车速具体为：

式中，

为优化后的环保车速，σ＝(0,1)为预设参数，r为车轮半径，δ为车辆转动惯量转换系数，I₀为差速器传动比，

为需求响应公交k从节点n驶向n′过程中优化后的建议档位，η为车辆发动机传动效率，C_f为滚动摩擦系数，g为重力加速度，θ为道路坡度角度，ρ为空气密度，A_k为车辆横截面积，C_d为空气摩擦系数。

2)考虑燃油经济性的需求响应公交最优挡位具体为：

式中，

为需求响应公交k从节点n驶向n′过程中优化后的建议档位，

为优化后的环保车速,N为发动机转速，档位

为根据车辆类型设置的固定比值，从集合

中选取，同时，为保证燃油经济性，车辆在下坡时不允许空挡滑行，需按照选取的档位值行驶并保持环保车速。

进一步地，所述步骤4.3中需求响应公交网络中各个路段上基于生态环保驾驶的行驶时间和燃油消耗的计算过程为：

1)需求响应公交在公交网络各个路段上的行驶时间具体为：

式中，

为需求响应公交k在两个相邻的交叉口点i和j之间行驶的时间；g_i,j为需求响应公交从交叉口i驶向交叉口j时，在交叉口j遇到红灯需要等待的概率；

为在交叉口遇到红灯后的平均等待时间；

为取值为0或1的变量，代表车辆是否会从交叉口j离开后驶向节点n，

为车辆在交叉口j遇到红灯后，从当前路段车速

减速到0，再从0加速到下一个路段的车速

所需要的匀加减速的距离；

为车辆在交叉口遇到绿灯，从当前路段车速

匀加速或匀减速到下一个路段的车速

所需要的距离。

2)需求响应公交在公交网络各个路段上的燃油消耗具体为：

式中，f₁，f₂，f₃为不同车辆行驶状态下的燃油消耗比例系数，分别对应匀速行驶、加减速行驶和怠速行驶三种行驶状态；

为车辆在加速时燃料的空燃比；

为车辆怠速时燃料的空燃比；P_I为车辆的怠速功率。

与现有技术比较，本发明所述的基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法具有以下有益效果：本发明充分考虑乘客出行需求和车辆驾驶行为两方面的需求，基于生态环保驾驶完成需求响应公交调度，实现了既能充分满足乘客个人出行时间窗要求、又能通过调度安排减少公交无效绕行并减少燃油消耗，同时给出建议环保车速和挡位消除了由于驾驶行为不合理导致公共交通系统排放高等问题。

附图说明

图1为本发明公开的基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明公开的基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采集乘客出行需求信息，需求响应型公交始发场站与终点站的位置信息以及需求响应型公交服务区域内道路情况信息，所述道路情况信息包括当前拥堵情况、自由流车速以及等待时间，构建需求响应公交总成本的总目标函数，结合需求响应公交运营经验值和车辆及燃料的特性，初始化需求响应公交运营参数、车辆动力学参数及燃油消耗与排放参数；

步骤2：根据需求响应公交空驶状态下的净质量，以各路段上的交通流速作为初始速度，计算初始加速度和初始档位，生成各个路段上的初始行驶时间和初始燃油消耗；

步骤3：以需求响应公交始发场站为路径起点，以终点站为路径终点，以各路段上的初始燃油消耗作为权重寻找燃油消耗最小的路径，基于需求响应公交调度模型，采用一致代价搜索算法框架生成“始发场站-交叉口-需求点-交叉口-需求点-终点场站”的需求响应公交最优访问顺序；

步骤4：根据最优需求响应公交访问顺序及各需求点上的等待登车乘客数量确定负载曲线，动态更新需求响应公交总质量，并依据生态环保驾驶优化方法生成建议环保车速和环保挡位，引导公交车辆实际驾驶行为。考虑公交车辆在交叉口及需求点处的加减速行为和怠速行为，基于环保车速计算各路段的行驶时间和燃油消耗，以所述各路段的行驶时间和燃油消耗为权重在满足乘客时间窗约束和路径速度平滑性约束的前提下生成需求响应公交运营线路和时刻表。

进一步地，所述的总目标函数具体为：

式中，J为总目标函数，C_K为需求响应公交固定发车成本，C_F为需求响应公交系统单位燃油消耗成本，C_O为需求响应公交系统单位运营时间成本，

为需求响应公交车行节点的集合，

为需求响应公交始发场站的集合，

为需求响应公交终点站的集合，

为乘客出行需求的集合，

为需求响应公交车辆的集合，

为取值为0或1的变量，表示需求响应公交是否从始发场站驶出；

为两个车行节点m和m′之间的燃油消耗；

为两个车行节点m和m′之间的行驶时间。

总目标函数中包括三项，第一项为每辆需求响应公交发出的固定成本；第二项为需求响应公交的运行时间成本；第三项为需求响应公交的燃油消耗成本，与公交驾驶行为和道路情况信息相关。该成本函数以需求响应公交燃油消耗成本作为生态环保成本，在保证需求响应公交运行效率的同时考虑公交实际驾驶过程对生态环保的影响。

步骤1中初始化的参数可以包括如下：车辆动力学参数，如车辆质量、车轮半径、发动机传动效率等；燃油消耗与排放计算参数，如发动机输出功率、发动机空燃比、燃料低热值等；需求响应公交运营参数，如乘客登车位置与时间窗信息、需求响应公交载客量、最长运营时间等。

进一步地，所述步骤2中以各路段上的交通流速作为初始速度，计算初始加速度和初始档位，生成各个路段上的行驶时间、燃油消耗和排放包括以下步骤：

1)计算需求响应公交在各路段上行驶的初始速度：

式中，

为城市道路网络中所有节点的总集合，

为交叉口点集合，

为n到n′路段上的初始速度，

为n到n′路段上的自由流车速，ρ_n,n′为n到n′路段上的当前车流密度，

为n到n′路段上的临界拥堵密度；

2)计算需求响应公交在各路段上的初始档位：

式中，

为需求响应公交在n到n′路段上的初始档位，r为车辆的车轮半径，C_f为车辆滚动摩擦系数，

为车辆净质量，g为重力加速度，θ为道路坡度角度，ρ为空气密度，A_k为车辆的横截面积，C_d为车辆空气摩擦系数，I₀为车辆差速器传动比，η为车辆传动效率，T为发动机输出扭矩；

3)计算需求响应公交各路段上的初始行驶时间：

式中，

为需求响应公交在各路段上的初始行驶时间，d_n,n′为n到n′路段的长度；

4)计算需求响应公交在各路段上的初始燃油消耗：

式中，

为所选用燃油的空燃比系数，λ为所选用燃油的低热值，d_n，n′为n到n′路段的长度，

为n到n′路段上的加速度，β₀，β₁，β₂，β₃为燃油消耗计算系数，与道路坡度、车辆特性有关；

为车辆在n到n′路段上的平均初始加速度，通过如下公式进行计算：

式中，

为需求响应公交在n到n′路段上的初始加速度，δ为车辆惯性质量转换系数。

进一步地，所述的步骤3中需求响应公交调度模型的建立包括以下步骤：

1)以需求响应公交总成本最小为优化目标进行公交调度，建立需求响应公交调度模型的目标函数：MinJ；

2)在进行需求响应公交路径设计的过程中，需考虑车辆服务乘客需求点的访问顺序和基于交叉口点的路径选择，以确定需求响应公交的访问顺序和基于交叉口点的路径选择：

式(6)和(7)保证分配到公交的需求点能够被车辆服务并保持路径的连通性，

为取值为0或1的变量，表示公交车辆是否会在服务需求点p后服务需求点q，用于确定需求响应公交的服务顺序；

为取值为0或1的变量，表示车辆在经过需求点q后是否会驶向交叉口与点j，

为取值为0或1的变量，表示车辆在到达交叉口点后是否会驶向需求点q，两者结合用于确定需求响应公交基于交叉口的路径；

式(8)能够保证乘客需求点上车辆的进出平衡；

式(9)到(11)能够保证需求响应公交路径的连通性和各路段的车辆进出平衡性，

为取值为0或1的变量，表示车辆是否会从交叉口i驶向交叉口j，用于确定需求响应公交的路径；

3)在进行需求响应公交时刻表设计的过程中，需要考虑乘客时间窗的约束和车辆行驶时间的约束，以确定需求响应公交时刻表：

式(12)用于保证需求响应公交的总行驶时间在最长运营时间的范围内，其中，

为公交到达终点站的时间，

为公交从需求响应公交始发站的出发时间，L_max为需求响应公交的最长运营时间；

式(13)和(14)用于保证需求响应公交时刻表的可行性，式中，

为需求响应公交到达车行节点的时间，

为需求响应公交在两个车行节点之间行驶的总时间，由各个路段上的行驶时间

组成，车辆到达车行节点m′的时间需要满足车辆从车行节点m到m′的行驶时间约束；

式(15)用于保证规划的需求响应公交到达需求点的时间在乘客时间窗约束内，式中，

为取值为0或1的变量，表示车辆是否会在服务需求点p后服务需求点q，b_q为需求点q上乘客的预计登车时间，Δb为乘客接受的需求响应公交到达时间与乘客预计登车时间的偏差值，

为需求响应公交到达需求点q的时间，该时间窗约束作为判断是否将乘客需求点分配给需求响应公交的依据：当公交能够在乘客可接受的范围内到达需求点时，将需求点分配给该车并规划从车辆当前位置到达需求点的环保路径。

进一步地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：确定需求响应公交的系统状态，所述系统状态包括公交行驶状态信息及乘客登车状态信息，建立系统状态-时间网络；

具体地，所述的系统状态具体为：车辆端状态包括需求响应公交行驶时间、车辆位置、车辆发车情况、已登车乘客数量和需求响应公交系统累加成本值；乘客端状态为乘客登车状态。其中，初始状态为系统时间为0，所有需求响应公交车辆在始发场站未发车，没有乘客登车；最终状态为系统时间为T，已使用车辆到达终点场站，未使用车辆在需求响应公交始发场站未发车，所有乘客需求已满足。

步骤3.2：确定需求响应公交驾驶行为类型，按照车辆位置的移动更新系统状态，所述驾驶行为类型包括公交启动行为、公交行驶行为以及公交接载乘客行为；具体的，确定需求响应公交驾驶行为类型，按照车辆位置的移动更新系统状态。包括公交启动行为，即公交车辆从始发场站发出的行为，该行驶行为成本为需求响应公交固定发车成本；公交行驶行为，该行驶行为成本为燃油消耗成本和行驶时间成本；公交接载乘客行为，需按照乘客时间窗约束和车辆行驶时间约束，判断是否车辆是否具备接载该需求点上乘客的条件。

步骤3.3：以需求响应公交始发场站为起点，以需求响应公交终点站为终点，以交叉口和乘客需求点作为中间节点，采用一致代价搜索算法框架方法搜索基于交叉口的车辆行驶路径；

步骤3.4：输出需求响应公交最优访问顺序和初始系统燃油消耗。

进一步地，上述步骤3.1中所述的系统状态具体为：

公交行驶状态信息包括需求响应公交行驶时间、车辆位置、车辆发车情况、已登车乘客数量和需求响应公交系统累加成本值；乘客登车状态信息为乘客登车状态；其中，初始状态为系统时间为0，所有需求响应公交车辆在始发场站未发车，没有乘客登车；最终状态为系统时间为T，已使用车辆到达终点场站，未使用车辆在需求响应公交始发场站未发车，所有乘客需求已满足。

进一步地，上述步骤3.2中所述的公交行驶行为类型具体为：

由于所描述的路网中乘客需求点和需求响应公交场站均位于两个相邻的交叉口点之间，车辆行驶行为按照行驶的路段类型可分为始发场站-交叉口、交叉口-需求点、需求点-交叉口、交叉口-交叉口、交叉口-终点场站五种。

进一步地，所述步骤3.3中采用一致代价搜索算法框架方法搜索基于交叉口的车辆行驶路径包括以下步骤：

步骤3.3.1：将优先队列集合初始化为空集，按照需求响应公交系统中各路段初始燃油消耗对节点进行从小到大的排序；

步骤3.3.2：将初始节点放入优先队列集合，判断优先队列集合是否为空集，若否，执行步骤3.3.3；若是，则停止搜索；

步骤3.3.3：判断当前系统状态是否为最终状态，若是输出需求响应公交最优车辆访问顺序和系统总燃油消耗；若不是，则将与当前节点相邻的所有节点作为下一步的搜索范围进行搜索；

步骤3.3.4：判断当前节点是否在优先队列集合中，若否将当前节该点放入优先队列集合，若是，则执行步骤3.3.5；

步骤3.3.5：判断当前节点是否为燃油消耗最小的点，判断依据为：当前节点累加燃油消耗与下一步行驶行为燃油消耗之和是否小于优先队列中最小累加燃油消耗，若是则将当前节点移出优先队列，并返回步骤3.3.2，若否则返回3.3.3继续搜索，直至优先队列集合为空集。

进一步地，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：根据需求响应公交最优车辆访问顺序和各个需求点上的乘客数量确定公交负载曲线，生成车辆总质量动态方程；

步骤4.2：结合需求响应公交车辆总质量及生态环保驾驶优化方法，在满足需求响应公交最优车辆访问顺序的条件下，生成考虑燃油经济性的需求响应公交环保车速和挡位，引导公交实际驾驶行为；

步骤4.3：按照环保车速、挡位和不同路段类型，考虑公交在交叉口、需求点和场站上的怠速与匀加减速行为，计算需求响应公交网络中各个路段上基于生态环保驾驶的行驶时间、燃油消耗和排放；

步骤4.4：以步骤4.3中计算的需求响应公交网络中各个路段上基于生态环保驾驶的燃油消耗为权重，以最小化考虑生态环保成本的系统总成本函数为目标，在满足乘客时间窗约束、需求响应公交排放标准约束和需求响应公交速度平滑性约束的前提下，生成基于生态环保驾驶的需求响应公交系统运营线路和时刻表。

进一步地，所述步骤4.1中需求响应公交车辆总质量通过总质量动态方程获得，具体为：

式中，m为需求响应公交车辆总质量，

为需求响应公交车辆的净质量，m′为平均单位乘客的质量，s_p为乘客需求点p上的预计登车乘客数量，

为取值为0或1的变量，在车辆在服务需求点p后服务需求点q时取值为1，反之为0，在车辆服务需求点p后，需求点p上的乘客登车将使车辆的总质量增加m′s_p，随着车辆不断服务各个需求点，需求响应公交的总质量将动态增加。

进一步地，所述步骤4.2中考虑燃油经济性的公交环保车速和档位的计算方法为：

1)考虑燃油经济性的需求响应公交环保车速具体为：

式中，

为优化后的环保车速，σ＝(0,1)为预设参数，r为车轮半径，δ为车辆转动惯量转换系数，I₀为差速器传动比，

为变速器传动比，η为车辆发动机传动效率，C_f为滚动摩擦系数，g为重力加速度，θ为道路坡度角度，ρ为空气密度，A_k为车辆横截面积，C_d为空气摩擦系数。上述考虑燃油经济性的最优车速包括两部分，第一部分为车辆初始速度，在这部分考虑实时交通拥堵状态对车速的影响；第二部分为基于车辆动力学的动态调整量，在这部分考虑道路坡度线形和车辆驾驶特性对车速的影响。

2)考虑燃油经济性的需求响应公交环保挡位具体为：

式中，

为需求响应公交k从节点n驶向n′过程中优化后的建议档位，

为优化后的环保车速,N为发动机转速，档位

为根据车辆类型设置的固定比值，从集合

中选取，同时，为保证燃油经济性，车辆在下坡时不允许空挡滑行，需按照选取的档位值行驶并保持环保车速。

进一步地，所述步骤4.3中基于生态环保驾驶的需求响应公交网络中各个路段上行驶时间和燃油消耗的计算过程为：

1)需求响应公交在公交网络各个路段上的行驶时间具体为：

式中，

为车辆k在两个相邻的交叉口点i和j之间行驶的时间；g_i,j为车辆从交叉口i驶向交叉口j时，在交叉口j遇到红灯需要等待的概率；

为在交叉口遇到红灯后的平均等待时间；

为取值为0或1的变量，代表车辆是否会从交叉口j离开后驶向节点n，

为车辆在交叉口j遇到红灯后，从当前路段车速

减速到0，再从0加速到下一个路段的车速

所需要的匀加减速的距离；

为车辆在交叉口遇到绿灯，从当前路段车速

匀加速或匀减速到下一个路段的车速

所需要的距离。

2)需求响应公交在公交网络各个路段上的燃油消耗具体为：

式中，f₁，f₂，f₃为不同车辆行驶状态下的燃油消耗比例系数，分别对应匀速行驶、加减速行驶和怠速行驶三种行驶状态；

为车辆在加速时燃料的空燃比；

为车辆怠速时燃料的空燃比；P_I为车辆的怠速功率；g_i,j为车辆在交叉口遇到红灯的概率。

上述燃油消耗计算方法分为三个部分：第一部分为车辆在匀速行驶过程中的燃油消耗，与车辆匀速行驶的距离有关，在燃油消耗总量中的比例系数为f₁；第二部分为车辆在交叉口处加减速的燃油消耗，与车辆在交叉口遇到红灯的概率g_i,j有关，分为遇到红灯后由当前路段车速

匀减速到0后再匀加速到下一个路段的车速

和遇到绿灯后由当前路段车速

匀加速或匀减速下一个路段的车速

两种情况，在燃油消耗总量中的比例系数为f₂；第三部分为车辆怠速等待过程中的燃油消耗，与在交叉口处等待红灯的时间

和在需求点处等待乘客登车的时间(s_q×D)有关，其中s_q为在q需求点登车的乘客数量，D为平均每个乘客的登车时间。

进一步地，上述步骤4.4中所述的需求响应公交的路径速度平滑性约束具体为：

式中，

为速度波动标准，用于避免由于需求响应公交按照环保车速在不同路段上行驶时，由于速度波动较大导致较大加减速行为，进而产生不必要燃油消耗和排放。路径速度平滑性约束作为一种生态环保驾驶策略，要求车辆在进行路径选择时需考虑速度波动性，并选择速度波动在合理范围内的路段。

进一步的地，上述步骤所述的需求响应公交排放标准约束具体为：

式中，

为需求响应公交行驶过程中的碳排放量，

为取值为0或1的变量，在公交从节点m驶向m′时取值为1，反之为0，

为需求响应公交系统排放标准。该约束用于排除路径中排放过大的路段，实现生态环保驾驶。

本发明实施例公开的基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法以基于动态规划的多阶段混合启发式算法进行求解，具体包括：

第一阶段：基于实时交通状态初始化需求响应公交的平均行驶速度，考虑车辆行驶特性初始化平均档位、加速度和各路段上的燃油消耗及行驶时间；

第二阶段：基于动态规划算法框架，形成需求响应公交系统状态-时间网络；采用一致性成本搜索方法寻找以初始燃油消耗为权重的初始路径，确定乘客需求点访问顺序同时满足乘客时间窗约束；

第三阶段：考虑车辆行驶特性和道路条件对燃油消耗的影响，基于车辆的动态总质量优化初始车速，生成考虑燃油经济性的最优车速，并生成最优档位、加速度和各路段上的优化后的燃油消耗和行驶时间；

第四阶段：在确定的乘客需求点访问顺序的基础上，以优化后的燃油消耗为权重在满足乘客时间窗约束和需求响应公交路径速度平滑性约束的前提下生成最优的公交运营线路和时刻表。

在本实施例中，乘客需求点为离散随机分布状态，车辆行驶路径只有起终点固定，分别为车辆始发场站和终点站。其中，车辆行驶过程中车辆总质量随登车乘客数的增加而动态更新，同时更新需求响应公交系统各路段上的速度，行驶时间和燃油消耗。

本实施例中提供的方法能够高效解决NP-hard问题，在满足乘客出行时间窗的前提下，以需求响应公交系统总成本最小为设计目标，考虑交通拥堵状态、道路线形、车辆行驶特性等关键要素对车辆速度、档位和燃油消耗的影响，并依据车辆端反馈调整行驶路径和行车时刻表，实现需求响应公交系统设计与车辆端支撑的有效融合，充分反映公交实际运营中的车辆行驶状态并适应各种复杂实际应用场景，完成基于生态环保驾驶的需求响应公交调度与系统设计。

综合所述，本发明实例提供的基于生态环保驾驶的需求响应公交的调度方法，与现有技术相比，具有以下优势：

1、融合需求响应公交调度与公交驾驶行为优化两个优化层级，在完成系统最优设计目标的基础上实现对公交速度和档位的引导，形成了一种系统设计和车辆反馈融合的新优化机制；

2、完成基于生态环保驾驶的需求响应公交调度，在需求响应公交调度中考虑道路坡度和交通状态对燃油消耗和公交行驶速度的影响，在满足乘客出行时间窗的前提下，能够通过避开坡度较大或拥堵路段以减少系统总燃油消耗和排放，建立了一种同时考虑乘客出行需求和道路条件的新型调度方法；

3、在动态规划算法的框架下融入一致性成本搜索算法，在有限的内存和时间资源内能准确找到近似最优解，通过实验仿真获得算法求解时间在6-8分钟内，具有较高的求解效率，总燃油消耗的优化程度在25％左右；对硬件配置要求低且具有较高求解效率，在测试不同规模的乘客需求后发现，算法在不同场景下都能保持收敛，同时在需求点增加后对求解效率没有较大影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采集乘客出行需求信息，需求响应型公交始发场站与终点站的位置信息以及需求响应型公交服务区域内道路情况信息，所述道路情况信息包括当前拥堵情况、自由流车速以及交叉口等待时间，构建包括燃油消耗成本在内的需求响应公交总成本的总目标函数，结合需求响应公交运营经验值和车辆及燃料的特性，初始化需求响应公交运营参数、车辆动力学参数及燃油消耗与排放参数；

所述的总目标函数具体为：

式中，J为总目标函数，C_K为需求响应公交固定发车成本，C_F为需求响应公交系统单位燃油消耗成本，C_O为需求响应公交系统单位运营时间成本，

为需求响应公交车行节点的集合，

为需求响应公交始发场站的集合，

为需求响应公交终点站的集合，

为乘客出行需求的集合，

为需求响应公交车辆的集合，

为取值为0或1的变量，表示需求响应公交是否从始发场站驶出；

为两个车行节点m和m′之间的燃油消耗；

为两个车行节点m和m′之间的行驶时间；

步骤2：根据需求响应公交空驶状态下的净质量，以各路段上的交通流速作为初始速度，计算初始加速度和初始档位，生成各个路段上的初始行驶时间和初始燃油消耗；

所述以各路段上的交通流速作为初始速度，计算初始加速度和初始档位，生成各个路段上的行驶时间、燃油消耗和排放包括以下步骤：

1)计算需求响应公交在各路段上行驶的初始速度：

式中，

为城市道路网络中所有节点的总集合，

为交叉口点集合，

为n到n′路段上的初始速度，

为n到n′路段上的自由流车速，ρ_n,n′为n到n′路段上的当前车流密度，

为n到n′路段上的临界拥堵密度；

2)计算需求响应公交在各路段上的初始档位：

式中，

为需求响应公交在n到n′路段上的初始档位，r为车辆的车轮半径，C_f为车辆滚动摩擦系数，

为车辆净质量，g为重力加速度，θ为道路坡度角度，ρ为空气密度，A_k为车辆的横截面积，C_d为车辆空气摩擦系数，I₀为车辆差速器传动比，η为车辆传动效率，T为发动机输出扭矩；

3)计算需求响应公交在各路段上的初始加速度：

式中，

为需求响应公交在n到n′路段上的初始加速度，δ为车辆惯性质量转换系数；

4)计算需求响应公交各路段上的初始行驶时间：

式中，

为需求响应公交在各路段上的初始行驶时间，d_n,n′为n到n′路段的长度；

5)计算需求响应公交在各路段上的初始燃油消耗：

式中，

为需求响应公交在n到n′路段上的初始燃油消耗；

为所选用燃油的空燃比系数，λ为所选用燃油的低热值，d_n,n′为n到n′路段的长度，

为n到n′路段上的加速度，β₀，β₁，β₂，β₃为燃油消耗计算系数，与道路坡度、车辆特性有关，f₁为车辆匀速行驶状态下的燃油消耗比例系数；

步骤3：以需求响应公交始发场站为路径起点，以终点站为路径终点，以各路段上的初始燃油消耗作为权重寻找燃油消耗最小的路径，基于需求响应公交调度模型，采用一致代价搜索算法框架生成“始发场站-交叉口-需求点-交叉口-需求点-终点场站”的需求响应公交最优访问顺序；

步骤4：根据最优需求响应公交访问顺序及各需求点上的等待登车乘客数量确定负载曲线，动态更新需求响应公交总质量，并依据生态环保驾驶优化方法生成建议环保车速和环保挡位，引导公交车辆实际驾驶行为，考虑公交车辆在交叉口及需求点处的加减速行为和怠速行为，基于环保车速计算各路段的行驶时间和燃油消耗，以所述各路段的行驶时间和燃油消耗为权重在满足乘客时间窗约束和路径速度平滑性约束的前提下生成需求响应公交运营线路和时刻表。

2.根据权利要求1所述的基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，其特征在于，所述的步骤3中需求响应公交调度模型的建立包括以下步骤：

1)建立需求响应公交调度模型的目标函数：

Min J；

2)确定需求响应公交的访问顺序和基于交叉口点的路径选择：

式(6)和(7)保证分配到公交的需求点能够被车辆服务并保持路径的连通性，

为取值为0或1的变量，表示公交车辆是否会在服务需求点p后服务需求点q，用于确定需求响应公交的服务顺序；

为取值为0或1的变量，表示车辆在经过需求点q后是否会驶向交叉口与点j，

为取值为0或1的变量，表示车辆在到达交叉口点后是否会驶向需求点q，两者结合用于确定需求响应公交基于交叉口的路径；

式(8)能够保证乘客需求点上车辆的进出平衡；

式(9)到(11)能够保证需求响应公交路径的连通性和各路段的车辆进出平衡性，

为取值为0或1的变量，表示车辆是否会从交叉口i驶向交叉口j，用于确定需求响应公交的路径；

3)确定需求响应公交时刻表：

式(12)用于保证需求响应公交的总行驶时间在最长运营时间的范围内，其中，

为公交到达终点站的时间，

为公交从需求响应公交始发站的出发时间，L_max为需求响应公交的最长运营时间；

式(13)和(14)用于保证需求响应公交时刻表的可行性，式中，

为需求响应公交到达车行节点的时间，

为需求响应公交在两个车行节点之间行驶的总时间，由各个路段上的行驶时间

组成，车辆到达车行节点m′的时间需要满足车辆从车行节点m到m′的行驶时间约束；

式(15)用于保证规划的需求响应公交到达需求点的时间在乘客时间窗约束内，式中，

为取值为0或1的变量，表示车辆是否会在服务需求点p后服务需求点q，b_q为需求点q上乘客的预计登车时间，Δb为乘客接受的需求响应公交到达时间与乘客预计登车时间的偏差值，

为需求响应公交到达需求点q的时间，该时间窗约束作为判断是否将乘客需求点分配给需求响应公交的依据：当公交能够在乘客可接受的范围内到达需求点时，将需求点分配给该车并规划从车辆当前位置到达需求点的环保路径。

3.根据权利要求2所述的基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，其特征在于，

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：确定需求响应公交的系统状态，所述系统状态包括公交行驶状态信息及乘客登车状态信息，建立系统状态-时间网络；

步骤3.2：确定需求响应公交驾驶行为类型，按照车辆位置的移动更新系统状态，所述驾驶行为类型包括公交启动行为、公交行驶行为以及公交接载乘客行为；

步骤3.3：以需求响应公交始发场站为起点，以需求响应公交终点站为终点，以交叉口和乘客需求点作为中间节点，采用一致代价搜索算法框架方法搜索基于交叉口的车辆行驶路径；

步骤3.4：输出需求响应公交最优访问顺序和初始系统燃油消耗。

4.根据权利要求3所述的基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，其特征在于，所述步骤3.3中采用一致代价搜索算法框架方法搜索基于交叉口的车辆行驶路径包括以下步骤：

步骤3.3.1：将优先队列集合初始化为空集，按照需求响应公交系统中各路段初始燃油消耗对节点进行从小到大的排序；

步骤3.3.2：将初始节点放入优先队列集合，判断优先队列集合是否为空集，若否，执行步骤3.3.3；若是，则停止搜索；

步骤3.3.3：判断当前系统状态是否为最终状态，若是输出需求响应公交最优车辆访问顺序和系统总燃油消耗；若不是，则将与当前节点相邻的所有节点作为下一步的搜索范围进行搜索；

步骤3.3.4：判断当前节点是否在优先队列集合中，若否将当前节点放入优先队列集合，若是，则执行步骤3.3.5；

步骤3.3.5：判断当前节点是否为燃油消耗最小的点，判断依据为：当前节点累加燃油消耗与下一步行驶行为燃油消耗之和是否小于优先队列中最小累加燃油消耗，若是则将当前节点移出优先队列，并返回步骤3.3.2，若否则返回3.3.3继续搜索，直至优先队列集合为空集。

5.根据权利要求4所述的基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：根据需求响应公交最优车辆访问顺序和各个需求点上的乘客数量确定公交负载曲线，生成车辆总质量动态方程；

步骤4.2：结合需求响应公交车辆总质量及生态环保驾驶优化方法，在满足需求响应公交最优车辆访问顺序的条件下，生成考虑燃油经济性的需求响应公交环保车速和挡位，引导公交实际驾驶行为；

步骤4.3：按照环保车速、挡位和不同路段类型，考虑公交在交叉口、需求点和场站上的怠速与匀加减速行为，计算需求响应公交网络中各个路段上基于生态环保驾驶的行驶时间、燃油消耗和排放；

步骤4.4：以步骤4.3中计算的需求响应公交网络中各个路段上基于生态环保驾驶的燃油消耗为权重，以最小化考虑生态环保成本的系统总成本函数为目标，在满足乘客时间窗约束、需求响应公交排放标准约束和需求响应公交速度平滑性约束的前提下，生成基于生态环保驾驶的需求响应公交系统运营线路和时刻表。

6.根据权利要求5所述的基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，其特征在于，所述步骤4.1中需求响应公交车辆总质量通过总质量动态方程获得，具体为：

式中，

为需求响应公交总质量，

为需求响应公交净质量，

为平均单位乘客的质量，s_p为乘客需求点p上的预计登车乘客数量，

为取值为0或1的变量，在车辆在服务需求点p后服务需求点q时取值为1，反之为0，在车辆服务需求点p后，需求点p上的乘客登车将使车辆的总质量增加

随着车辆不断服务各个需求点，需求响应公交的总质量将动态增加。

7.根据权利要求6所述的一种基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，其特征在于，所述步骤4.2中考虑燃油经济性的公交环保车速和档位的生成方法为：

1)考虑燃油经济性的需求响应公交最优车速具体为：

式中，

为优化后的环保车速，σ＝(0,1)为预设参数，r为车轮半径，δ为车辆转动惯量转换系数，I₀为差速器传动比，

为需求响应公交k从节点n驶向n′过程中优化后的建议档位，η为车辆发动机传动效率，C_f为滚动摩擦系数，g为重力加速度，θ为道路坡度角度，ρ为空气密度，A_k为车辆横截面积，C_d为空气摩擦系数；

2)考虑燃油经济性的需求响应公交最优挡位具体为：

式中，

为需求响应公交k从节点n驶向n′过程中优化后的建议档位，

为优化后的环保车速,N为发动机转速，档位

为根据公交车辆类型设置的固定比值，从集合

中选取，同时，为保证燃油经济性，车辆在下坡时不允许空挡滑行，需按照选取的档位值行驶并保持环保车速。

8.根据权利要求7中所述的一种基于生态环保驾驶的需求响应公交调度方法，其特征在于，所述步骤4.3中需求响应公交网络中各个路段上基于生态环保驾驶的行驶时间和燃油消耗的计算过程为：

1)需求响应公交在公交网络各个路段上的行驶时间具体为：

式中，

为需求响应公交k在两个相邻的交叉口点i和j之间行驶的时间；g_i,j为公交车辆从交叉口i驶向交叉口j时，在交叉口j遇到红灯需要等待的概率；

为在交叉口遇到红灯后的平均等待时间；

为取值为0或1的变量，代表车辆是否会从交叉口j离开后驶向节点n，

为车辆在交叉口j遇到红灯后，从当前路段车速

减速到0，再从0加速到下一个路段的车速

所需要的匀加减速的距离；

为车辆在交叉口遇到绿灯，从当前路段车速

匀加速或匀减速到下一个路段的车速

所需要的距离；

2)需求响应公交在公交网络各个路段上的燃油消耗具体为：

式中，f₁，f₂，f₃为不同车辆行驶状态下的燃油消耗比例系数，分别对应匀速行驶、加减速行驶和怠速行驶三种行驶状态；

为车辆在加速时燃料的空燃比；

为车辆怠速时燃料的空燃比；P_I为车辆的怠速功率。

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