一种考虑充电站内多公交线路换乘的公交发车时刻表优化方法

1.本发明属于智能交通领域，涉及城市公交线路动态调度技术领域，更具体地说，涉及一种考虑充电站内多公交线路换乘的公交发车时刻表优化方法。


背景技术：

2.电动公交由于其可实现污染物的零排放，已被世界各国所采用，电动公交完全普及已成为未来公共交通的发展趋势。而电动公交由于电池容量限制需要中途充电，为了给公交“续电”，目前在各线路附近部署了相关充电基础设施。此外，如何保障乘客高效换乘，尽可能减少乘客绕行距离，也是公交调度所要解决的重点问题。
3.因此，本发明提出一种考虑充电站内多公交线路换乘的公交发车时刻表优化方法，允许电动公交在中途站驶入充电站进行充电，在充电站内采用换电模式，可提高车辆对能源及充电桩的利用率，此外，本文为了同时满足公交充电和乘客换乘的需求，通过对发车时刻表进行优化，使得上述两个过程在充电站内同时进行，最大化满足二者需求。如何安排充电车辆的调度及各线路乘客的换乘，建立公交车的充电站选择约束及充电站内的公交车换乘模型，是本专利重点解决的问题。
4.经过现有技术的文献检索发现，大部分文献未同时考虑充电站内的车辆充电和乘客换乘问题，且发车时刻表的优化主要针对公交站点的乘客换乘场景，缺少对充电站内多线路公交换乘场景的发车时刻表优化研究。


技术实现要素：

5.技术问题：针对现有研究的不足，本发明的目的是提供一种考虑充电站内多公交线路换乘的公交发车时刻表优化方法，根据电动公交的充电需求和乘客的换乘需求，通过合理地安排每个站点的充电调度及充电站内的换乘计划，以最大化满足公交充电需求和乘客换乘需求为目标，确定公交车的发车时刻表及充电调度方案。
6.技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种考虑充电站内多公交线路换乘的公交发车时刻表优化方法，包括如下步骤：步骤1：输入与电动公交充电换乘相关的各项参数，包括公交车的初始电量、初始公交站点至该线路其余公交站点间的能量消耗值、各线路第一辆车的换乘乘客需求量、充电换乘站的位置、换乘时长限制、换乘乘客到达率、相邻公交站点间距、各公交站点与充电换乘站间的距离、电动公交平均行驶速度，输入与成本相关的各项参数，包括公交车单位距离运营成本、单位换乘乘客损失成本；步骤2：根据每辆车的初始电量、初始公交站点至该线路其余公交站点间的能量消耗值，计算车辆到达各公交站点的充电需求量，建立车辆充电的公交站点选择约束；步骤3：根据研究时段内各公交线路间的乘客总换乘需求、各线路换乘乘客量与发车间隔的函数关系，计算该线路每辆车与其余各线路的乘客换乘需求量，在步骤2的充电调
度基础上，计算车辆到达对应充电站的时间，通过公交换乘的时长范围约束，建立充电站内各公交线路间的乘客换乘模型；步骤4：以最小化公交车运营成本及最大化换乘乘客数为目标函数，以车辆调度方案和各线路公交发车时刻表为决策变量，建立充电站内多公交线路换乘的公交调度模型。
7.本发明中，步骤1包括如下步骤：输入与电动公交充电换乘相关的各项参数，包括：用ni表示线路i的电动公交集合、用ki表示线路i的站点集合、用p表示充电站集合、用表示公交车的初始电量，单位为kwh、电动公交电池容量q，单位为kwh、最低充电阈值δ、线路i上初始公交站点至其余公交站点k间的能量消耗值单位为kwh、线路i与线路j间的换乘乘客到达率λ
ij
，单位为人/min、线路i上第一辆车需要换乘到线路j上的乘客需求d
i1,j
，单位换电时长tb，单位为min、线路i上初始公交站点至其余公交站点k间的距离单位为km、线路i上公交站点k与充电换乘站p间的距离单位为km、电动公交平均行驶速度v，单位为km/h，最大发车间隔h
max
，单位为min、最小发车间隔h
min
，单位为min，输入与成本相关的各项参数，公交车单位距离运营成本c1，单位为元/km/kwh、单位换乘乘客损失成本c2，单位为元/人；
8.本发明中，根据每辆车的初始电量、初始公交站点至该线路其余公交站点间的能量消耗值，计算车辆到达各公交站点的充电需求量，建立车辆充电的公交站点选择约束及充电站选择模型，包括如下步骤：建立车辆充电的公交站点及充电站选择约束，如公式(1)-(2)所示：(2)所示：其中，为二元变量，表示线路i上车辆n选择在站点k驶往充电站p充电换乘，反之则不选择，公式(2)中，表示线路i起点至终点的能量消耗，单位为kwh；
9.本发明中，根据研究时段内各公交线路间的乘客总换乘需求、各线路换乘乘客量与发车间隔的函数关系，计算该线路每辆车与其余各线路的乘客换乘需求量，在充电调度基础上，计算车辆到达对应充电站的时间，通过公交换乘的时长范围约束，建立充电站内各公交线路间的乘客换乘模型，包括如下步骤：步骤31：根据车辆发车时间与车头时距的关系，计算各线路每辆车的发车时间，如公式(3)-(5)所示：(5)所示：(5)所示：公式(3)中，表示线路i上车辆n的发车时间，单位为min，表示线路i上第一辆车的发车时间，单位为min，h
ik
表示线路i上车辆n-1与车辆n之间的车头时距，单位为min，公式(4)表示线路i上第一辆车的发车时间范围，公式(5)表示线路i上最后一辆车的发车时间范围，t表示研究时段，单位为min；
步骤32：公交车发车时刻表要满足最大最小车头时距的约束，计算各线路上每辆车车头时距，并对车头时距进行约束，如公式(6)所示：步骤33：判断车辆是否充电，若车辆发生充电行为，则计算车辆到达充电站的时间，如公式(7)-(12)所示：(12)所示：(12)所示：(12)所示：(12)所示：(12)所示：其中，为二元变量，用于实现if语句的线性化，m为一个非常大的正数，表示线路i上车辆n从站点k到达充电站p的时间，单位为min，公式(12)中，表示线路i上车辆n到达充电站p的时间，单位为min；步骤34：根据换乘乘客与车头时距和换乘乘客到达率的关系，计算线路i上车辆n需要换乘到线路j上的乘客需求，如公式(13)-(14)所示：(14)所示：公式(13)中，d
in,j
表示线路i上车辆n需要换乘到线路j上的乘客需求，公式(14)中，d
i1,j
和d
i1
,j表示线路i上第一辆车需要换乘到线路j上的乘客需求，d
i1,j
为变量，d
i1,j
为参数；步骤35：根据每车辆到达充电站p的时间，判断在充电站p内，线路i上车辆n与线路j上车辆m是否换乘成功，如公式(15)-(20)所示：(20)所示：(20)所示：(20)所示：(20)所示：(20)所示：
其中，为二元变量，表示线路i上车辆n在充电站p内换乘到线路j上车辆m，反之换乘失败，为二元变量，用于实现if语句的线性化，为二元变量，用于实现“或者”关系的线性化，∈表示一个极小的正数；步骤36：根据步骤35的各线路公交换乘情况，计算线路i上车辆n在充电换乘站内换乘到公交线路j的乘客量，如公式(21)-(23)所示：(23)所示：(23)所示：其中，r
in,j
表示在充电换乘站内线路i上车辆n换乘到公交线路j的乘客量，r
i,j
表示线路i上换乘到线路j的乘客量；
10.本发明中，步骤4包括如下步骤：步骤4：以最小化公交车运营成本及最大化换乘乘客数为目标函数，以车辆调度方案和各线路公交的发车时间为决策变量，建立充电站内各公交线路间的乘客换乘与公交调度模型，目标函数如公式(24)所示：
11.本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明方法针对城市电动公交充电及各线路乘客换乘问题，提出了通过发车时刻表的优化及充电公交的调度，在充电站内同时满足充电和换乘的需求，增加电动公交充电对换乘乘客的吸引力，推动公交的电气化进程。
附图说明
12.图1为本发明的总体流程图；
13.图2为各线路公交站点及充电(换乘)站位置示意图。
具体实施方式
14.下面结合附图1-2和实施例，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明的实施方式并不受所述示例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
15.实施例1以线路a和线路b为研究对象，相邻站点的间距均为500m，如附图2所示，两条线路平行，线路间距为1km，充电换乘站p1位于两线路中心位置，各线路公交站点至充电换乘站的距离如表1所示，研究范围t＝60min内线路a和线路b上的发车频率分为6辆/h、7辆/h，即na＝6、nb＝7，车辆在充电站的换电时长为tb＝3min，最大发车间隔h
max
＝6min，最小发车间隔h
min
＝15min；电动公交的平均行驶速度为v＝20km/h，公交电池容量q＝180kwh，最低充电阈值δ＝0.2，线路i上初始公交站点至其余公交站点k间的能量消耗值如表2所示，线路i上车辆n的初始电量如表3所示，线路i与线路j间到达率λ
ij
分别为λ
aa
＝0人/min、λ
ab
＝
3.5人/min、λ
ba
＝2.9人/min、λ
bb
＝0人/min，线路i上第一辆车需要换乘到线路j上的乘客需求d
i1
,j分别为d
a1,a
＝0人、d
a1,b
＝16人、d
b1,a
＝15人、d
b1,b
＝0人；公交车单位距离运营成本c1＝150元/km/kwh、单位换乘乘客损失成本c2＝100元/人。表1：各线路公交站点至充电换乘站的距离表2：各线路初始公交站点至其余公交站点的能量消耗值表3：各公交线路每辆车的初始电量
16.实施例2根据步骤2、步骤3、步骤4式(1)-(23)和目标函数公式(24)，计算得到实施例1的各线路车辆充电调度方案和乘客换乘方案，结果如表4所示，同时，获得了各线路公交的发车时刻表，结果如表5所示。表4：各线路车辆充电调度及乘客换乘方案
线路a车辆编号充电公交站点换乘车辆线路b车辆编号充电公交站点换乘车辆13b223a143b333a453b5、b653a563b762a5
‑‑‑
73a6
表5：各线路公交的发车时刻表线路车辆编号a1a2a3a4a5a6-发车时间(min)61218274257-线路车辆编号b1b2b3b4b5b6b7发车时间(min)392430394560应用本发明方法，目标函数c的值为72389元。