详情

原文传递城市纯电动公交运营调度问题研究

论文题名：	城市纯电动公交运营调度问题研究
关键词：	纯电动公交;车辆调度问题;非线性充电函数;大型邻域搜索算法;多情景优化
摘要：	近年来，为了应对气候变化及移动源污染问题，缓解能源压力，推行绿色低碳发展的理念，国家出台了一系列政策重点支持了纯电动汽车产业的发展。由于城市公共交通领域承担着大量城市居民的日常出行，对纯电动汽车的推广有着明显的宣传和示范作用，因此，城市公交近年来成为了国家落实纯电动汽车发展政策的重点领域。在各大城市公交车队中，纯电动公交车保有量逐年上升。而由于纯电动公交车在电池续航能力和充电技术上仍存在一定的限制，与现有的运营调度管理体系不相匹配，使得在实际运营中出现了诸多问题和困难，降低了公交企业运营及车辆调度的效率。纯电动公交车辆形成规模化运营的时间相对较短，与之相配套的运营调度方法有待进一步研究。　　为此，本文基于城市公交的实际运营特性，以提高纯电动公交车队的运营效率、减少运营成本、提升城市公交的服务质量为目标，对城市纯电动公交的运营调度相关问题开展研究。主要研究内容如下：　　首先，从公交企业在纯电动公交线路规划阶段的角度出发，考虑城市公交实际运营中的需求和特性，对多车型条件下、考虑非线性充电函数和灵活充电策略的纯电动公交车辆静态调度问题开展研究。为了避免将非线性充电函数直接引入模型可能导致的模型求解难度大，或无法验证模型求解结果的准确性等问题，提出了一种分段线性函数的方法处理纯电动车辆的非线性充电过程。基于连接网络理论建立了混合整数规划数学模型，并以南京市的四条公交线路为例开展了案例分析研究。研究结果反映了不同购车策略和不同充电策略在购车成本及空驶里程等方面的差异，还对线性近似充电函数的有效性进行了验证。结果表明，若直接采用线性近似充电函数进行调度计划的安排，会导致公交车辆预估的充电量与实际充电量之间产生偏差，可能引发车辆抛锚等严重的运营问题。　　其次，为了满足我国城市公交在运营调度模式上发展和改革的需要，本文对适宜于我国城市公交开展的区域调度策略进行了研究。为了兼顾区域调度策略的优势及公交调度管理上的可操作性，提出了考虑部分混合线路和限制单车辆跨线路次数的区域调度策略。两种策略分别从车辆可跨线运营的线路数量和车辆可跨线路的次数两个方面出发，对区域调度的开展程度进行合理控制。基于对两种调度策略下车辆调度问题的分析，建立了两种策略下，纯电动公交车辆调度问题的混合整数规划模型。由于问题考虑了多车场、多车型等复杂因素，可被证明为NP-hard问题，因此，提出了能够高效求解此问题的自适应大型邻域搜索算法，并通过随机算例对算法的有效性和精确性进行了验证。以实际的公交线路为例开展的案例分析和敏感性分析结果表明，两种有限制的区域调度策略均能够降低公交车队的总成本，并能够让公交企业结合自身的设备及管理条件来综合确定最合理的调度策略。　　然后，考虑到城市公交线路受到复杂道路环境及其他因素的影响，其行程任务的时间和耗电量会有一定的波动，可能会对公交服务的准时性和成本效益造成不良影响，本文对城市纯电动公交车辆的静态鲁棒调度问题开展了研究。基于多情景的优化方法，建立了考虑多情景的纯电动公交静态鲁棒调度模型。为保证多情景模型的准确性，根据公交线路的历史运行数据，通过聚类分析方法得出了多个典型的公交运营情景。同时，为了验证多情景模型的有效性，还通过改进传统的公交车辆调度问题模型，给出了传统的静态鲁棒调度模型。案例分析及敏感性分析的结果表明，多情景模型相较于传统模型，能够更有效地提升车辆调度计划的鲁棒性，但多情景模型的结果受情景数量的影响较明显，需根据实际的情况确定最佳的情景数量。研究结果还表明，在公交企业制定车辆配置方案和调度及充电计划时，根据行程的历史耗电数据选取最大的耗电速率对行程任务的耗电量进行计算是更合理的。这样能够在成本增幅较小的情况下，得出更具有鲁棒性的调度计划。　　最后，为了提高公交企业在运营调度上的动态调控能力，本文基于多情景的静态鲁棒调度方法，进一步地对纯电动公交动态的鲁棒调度方法进行了研究。动态鲁棒调度方法将线路一整天的运营时间划分为若干个时段，让公交企业可以根据实时获取的行程时间及耗电量信息，对后续的行程时间和耗电量进行预测，并持续地对后续的车辆调度及充电计划进行调整。为此，建立了纯电动公交动态鲁棒车辆调度模型，并结合实际的公交运营数据开展了案例分析研究。研究结果表明，动态鲁棒调度方法能够有效地降低公交线路的延误时间和运营成本。即使是在行程时间和耗电量的波动范围较大的情况下，动态方法仍能够最大程度地保证公交服务的稳定性和准时性。　　本文的研究数据来源于真实的城市公交线路运营数据及城市纯电动公交车辆耗电数据。基于此得到的研究成果能够为公交企业在纯电动公交线路上科学地规划与决策等方面提供参考和建议，并对于提高城市纯电动公交的服务水平以及可靠性具有重要的现实意义。
作者：	张爱佳
专业：	交通运输工程;载运工具与运用工程
导师：	李铁柱
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022