[0001] 本发明属于城市公共交通技术领域，具体涉及基于动态时间窗的模块化公交运行编制方法。

[0002] 在当前我国城市交通发展的大背景下，“公交优先”政策旨在通过优先发展公共交通系统来解决日益增长的居民出行需求与有限的交通资源之间的矛盾，减缓机动车保有量的不断激增所带来的交通压力。模块化自动驾驶车（Modular Autonomous Vehicle，MAV）的出现为传统的公交系统带来了颠覆性的变革和巨大的发展空间。基于公交车辆灵活性、可定制性的设计理念，这类车辆能够通过解离/耦合的技术应用灵活调整公交运力，在大流量路段发挥集约化的运输优势，在低密度路段提供的个性化的运输服务，从而实现运力供给与乘客需求的精确匹配，优化资源配置。

[0003] 然而，在目前模块化公交运行系统的相关研究中，模块车辆的运行编制方案（车厢编组、发车间隔）缺乏动态性和实时性，导致运力供应在时间和空间上未能充分适应于乘客需求，造成车辆在某些时段或路段仍存在空驶或拥挤的情况。为实现运力资源的有效配置，充分发挥小型模块化公交的功能优势，亟待解决的主要问题如下：1)现有模块化公交系统未能实现发车间隔的动态调整。车辆驶离始发站的时距多为固定值或只进行高峰与平峰的简单划分，这使得发车时刻无法根据客流到达规律进行动态调整，系统在部分时段出现乘客滞站或运力冗余的情况。同时，发车间隔的确定要求客流数据采集与车辆运行状态两部分数据交互运算，固定或静态的时距调整方法难以满足这一要求，系统亟需一种灵活可变的滚动时域控制方法，依据系统运行情况生成不等时距的发车间隔以适应客流需求的时间波动性。

[0004] 2)目前模块化公交运行编制的相关研究中，车厢编组编组数目的优化配置多数着眼于单线路，未考虑线网间乘客无缝换乘的操作过程，忽略了模块化车辆能够实现无障碍拆分/组合的功能优势，针对路网级模块车辆周期运行及其产生的换乘接续优化问题研究不足。故系统需掌握线路上客流分布的空间规律，将线路间的乘客换乘操作纳入优化模型的构建过程，才能设计出合理的车厢编组方案，在不同的公交站点发出不同的车厢数目以适应区段性变化的乘客需求。

[0005] 因此，面对公交系统运力资源供应与客流时空需求不匹配的问题，一方面要利用滚动时间窗设计灵活可变的发车间隔，以适应乘客需求的时间波动特性；另一方面，考虑无缝换乘操作设计线网上的车厢编组方案，以动态适应乘客需求的空间分布特性，即探索一种能够动态适应客流时空变化的模块化公交运行编制方法至关重要。

[0010] 具体实施方式一：本实施方式一种基于可变滚动时间窗的模块化公交运行编制方法具体过程为：步骤一、运行开始，取当前时刻 作为运行周期窗口的开始时刻 并建立
时间点集合；
采集 时刻和运行周期 窗口内的客流到达信息，基于 时刻和运行
周期 窗口内的客流到达信息获得乘客需求矩阵 ；
基于公交线路 、站点数据 、换乘站点数据 、乘客需求矩阵 、各站下车人数比例 以及线路间换乘人数比例 ，构成数据库 ；
步骤二、基于步骤一的数据库 ，计算车辆运行状态情况 ：
基于模块化公交耦合/解耦的功能特性，设计单线路灵活拆组及线网间无缝换乘的服务模式；
车辆运行状态数据 包括： 、 、时间点 发出的公交车在站点
的车厢数量 、车辆实时载客人数 、被滞留站点的乘客人数 、车站等待乘客人数和线网换乘人数 ；
为0‑1变量，取值1时表示时间间隔 被选为发车间隔，取值0时表示
不被选为发车间隔； 表示时间点 和时间点 所构成的时间间隔；
为0‑1变量，取值1时表示在换乘节点 处车次 进行无缝换乘操作，
取值0时表示在换乘节点 处车次 不进行无缝换乘操作；
步骤三、基于数据库 和车辆运行状态情况 ，建立模块化公交运行编制
优化模型即构建总成本最小的目标函数，求解满足约束条件下的总成本最小的目标函数得到 内最优的运行编制方案 ；
步骤四、设定总调度周期长度 ，则 ； 为公交系统运营编制的
规划时长，通常为公交运行的一上午或一下午；
开始时刻 ，步骤一获取客流到达信息数据 ，步骤二获取车辆运
行状态数据 ，步骤三获取 ；
取发车间隔集合 的第一个值作为滚动窗口的时间长度 （步骤三得到的
中第一个值），取 作为车厢编组 ；
当 时，公交车执行车厢编组 ；
随着时间指针的滚动，持续监督时间窗口的状态变化，当 时，重
新执行步骤一至步骤三获取新一轮的运行编制方案 ，取新一轮的运行编制方案 中发车间隔集合 的第一个值作为滚动窗口的时间长度 ；取新一
轮的运行编制方案 中 作为车厢编组 ；
当 ，公交车执行车厢编组 ；
当 时，重新执行步骤一至步骤三获取新一轮的运行编制方
案 ，取新一轮的运行编制方案 中发车间隔集合 的第一个
值作为滚动窗口的时间长度 （步骤三新得到的 中第一个值）；取新一轮的运行编制方案 中 作为车厢编组 ；
直到 ，即时间窗滚动到计划时间终点时，滚动时域终止响应，运行结
束；获得计划时间内始发站发车间隔表 和各车次站点的车厢编组方案
。

[0011] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中运行开始，取当前时刻 作为运行周期窗口的开始时刻 并建立时间点集合；采集 时刻和运行周期 窗口内的客流到达信息，基于 时刻和运行
周期 窗口内的客流到达信息获得乘客需求矩阵 ；
基于公交线路 、站点数据 、换乘站点数据 、乘客需求矩阵 、各站下车人数比例 以及线路间换乘人数比例 ，构成数据库 ；
具体过程为：
步骤一一、取当前时刻 作为运行周期窗口的开始时刻， ；
采集公交拓普信息，包括公交线网、站点及换乘站点相关数据并进行编号定义；
将公交车辆从始发站出发到达终点再返回始发站的一个上下行过程看作1个完整车次；
公交站点 从1到 进行编号， ，表示第 个公交站点， 表示公交
站点总数；
将路网中所有公交线路 从1到 进行编号， ，表示第 条公交线路，
表示公交线路总条数；
路网中线路交叉将会产生换乘站点， ， 表示第 个换乘站点，
表示路网中所有换乘站点；
为所有线路的总发车车次集合； 表示第 条
公交线路的发车车次集合(比如8路公交车有10辆，第一辆7点发车，第二辆7点30分发车，等等，组成的集合)；
步骤一二、建立时间点集合，基于时间点集合获取乘客到达需求矩阵；
步骤一三、基于公交线路总条数 、公交站点总数 、路网中所有换乘站点 、乘客需求矩阵 、各站下车人数比例 以及线路间换乘人数比例 ，构成数据库。

[0012] 其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

[0013] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤一二中建立时间点集合，基于时间点集合获取乘客到达需求矩阵；具体过程为：步骤一二一、若公交行驶完一个车次所需的运营时长为 ，以固定间隔 将 分割成 个时间点，组成时间点集合 ；
式中： 、 分别为车辆运行开始时间和结束时间；
步骤一二二、采集 时刻和运行周期 窗口内的客流到达信息，基于
时刻和运行周期 窗口内的客流得到运营时长为 内各站点的乘客到达情况，即乘客需求矩阵 ；
式中， 为首站到站点 的行程时间； 表示站点 在 时刻的乘客人数；
表示站点 在第k个固定间隔 内的乘客人数； 表示站点 在第1个固
定间隔 内的乘客人数； 表示站点 在第n个固定间隔 内的乘客人数； 为站点 的乘客需求矩阵； 为站点 的乘客需求矩阵。

[0014] 其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

[0015] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤二中基于步骤一的数据库 ，计算车辆运行状态情况 ；具体过程为：步骤二一、设计单线路灵活拆组及线网间无缝换乘的服务模式；具体过程为：
单线路灵活拆组：为追求车辆运营成本及乘客时间成本两大目标最小化，达到“容量供应‑乘客需求”间的动态平衡，公交单条线路采取灵活拆组的运营模式；
线路上下行被看作一个完整车次，吸引力权系数 越高的站点，其乘客出行需求越高，将高出行需求站点设为拆合站点；
允许模块车辆在拆合站点处进行耦合或解耦操作，在一般站点（除拆合站点外的站点）处保持车厢模块数量不变；
所述拆合站点为吸引权系数所有取值中最高的前25%（包括25%）；
式中， 为 站点对 站点的吸引权系数， 为 站点的上车总人数， 为
站点下车总人数，由此可以选出高出行需求站点作为拆合站点；
线网无缝换乘：根据公交线路网结构，乘客线路间换乘操作主要有重叠段换乘及交叉换乘两种方式；
在交叉换乘中，两线路上下行方向交叉形成4个换乘站点，在换乘站点处模块化公交可实现无缝同站换乘操作，如图3；
同理，重叠段换乘线路会形成分离、汇合两个换乘站点，重叠路段各线路遵循独立运行、互不干扰原则，而行驶至换乘站点处乘客根据换成意图进行分向换乘与汇聚换乘操作；如图4；
步骤二二、定义决策变量并计算发车间隔 和时间点 发出的公交车在站点的车厢数量 ；具体过程为：
步骤二二一、定义决策变量；具体过程为：
为0‑1变量，取值1 时表示站点s为拆合站点，取值0时为一般站点；
为0‑1变量，取值1时表示时间间隔 被选为发车间隔，取值0时表示
不被选为发车间隔；
为0‑1变量，取值1时表示在换乘节点 处车次 进行无缝换乘操作，
取值0时表示在换乘节点 处车次 不进行无缝换乘操作；
步骤二二二、根据时间点集合 ，建立时间间隔集合 ；具体过程为：
记 为时间点 ，则 为时间点 ， 为时间点 ，
表示时间点 和时间点 所构成的时间间隔， ；
时间间隔是连接两个连续的时间点的单向弧；
式中， 为时间点 ， 为时间点 ；
步骤二二三、计算时间点 发出的公交车在站点 的车厢数量 ；具体过程为：
车辆只能在拆组站点进行编组变换，在普通站点只能上下乘客，故从各站点发出的车厢数量由进站前的模块数与组装和拆卸的车厢变化数之和构成；
式中， 为时间点 发出的公交车于 站组装的模块数量， 为时间
点 发出的公交车于 站拆卸的模块数量；
为时间点 发出的公交车在站点 的车厢数量；
步骤二三、计算车辆实时载客人数 ；
步骤二四、考虑乘客因车辆超载而滞站等待的情况，计算时间点 发出的公交车到达站点 时的等待乘客人数 ；
步骤二五、基于线网无缝换乘服务模式，计算不同换乘车次间的换乘乘客数和 ；
步骤二六、构建车辆运行情况 ；
。

[0016] 其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

[0017] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤二三中计算车辆实时载客人数 ；具体过程为：步骤二三一、一个站点的下车乘客数为驶过该站之前的所有站点计划在该站下车的乘客数之和，则时间点 发出的公交车在站点s的下车人数为 ；
式中， 为时间点 发出的公交车在站点 的乘车人数；
为由站点 上车需要到站点 下车的乘客需求比例；
步骤二三二、公交从始发站出发，途径每站均存在乘客上/下车操作，通过上下车乘客数累计差计算车辆实时载客人数：
式中， 表示时间点 发出的公交车到达站点 时车上的乘客数量；
为时间点 发出的公交车在站点 的下车人数。

[0018] 其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

[0019] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤二四中考虑乘客因车辆超载而滞站等待的情况，计算时间点 发出的公交车到达站点 时的等待乘客人数 ；具体过程为：由于模块容量及编组数量限制，乘客的数量可能超过到达车辆的剩余容量，此时部分乘客将无法乘车，站点滞留的乘客将被迫等待下一个公交车次；
时间点 发出的公交车在站点s的乘车人数表示为：
基于时间点 发出的公交车在站点s的乘车人数 ，计算时间点 发出的公
交车因载客容量不足而滞留在站点 的乘客数 ；表示为：
式中， 表示时间 发出的公交车到达站点s的剩余载客容量；
表示时间 发出的公交车到达站点s的载客容量；
为时间点 发出的公交车到达站点 时的等待乘客人数；
表示时间点 发出的公交车因载客容量不足而滞留在站点 的乘客数；
若时间间隔 被选为发车间隔，则时间间隔 内到达站点s的乘客人数为
：
式中， 为时间点 ， 为时间点 ， 为时间点 ；
时间点 发出的公交车到达站点 时的等待乘客人数为上一时间点 发出
的公交车因载客容量不足而滞留在站点 的乘客数 和 间隔内到达站点 的乘客人数 的加和，表示为：
。

[0020] 其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

[0021] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤二五中基于线网无缝换乘服务模式，计算不同换乘车次间的换乘乘客数 和；具体过程为：两条线路在每个换乘站点处均存在乘客转移的两种换乘方向。

[0022] 在换乘站点 进行换乘的人数由 到 或 到 两种换乘方向乘客数组成，即不同换乘车次间的换乘乘客数 、 ；表示为：
式中， 表示车次 在换乘站点 前各站的上车人数； 表示车次
在换乘节点 前各站的上车人数；
表示各站乘客从车次 到车次 的换乘比例； 表示各站乘客从
车次 到车次 的换乘比例；
表示 到 换乘方向的换乘乘客数， 表示 到 换乘方向的
换乘乘客数。

[0023] 其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

[0024] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤三中基于数据库 和车辆运行状态情况 ，建立模块化公交运行编制优化模型即构建总成本最小的目标函数，求解满足约束条件下的总成本最小的目标函数得到 内最优的运行编制方案 ；具体过程为：考虑车厢数目与客流需求的动态约束，分别计算系统的乘客等待时间成本 、交通时间成本 、换乘时间成本 以及车辆运营成本 ，以系统综合成本最小构建目标函数，求解模块化公交运营编制优化模型，获得最优模块车辆的编组方案 和始发站的发车间隔决策 ；
步骤三一、建立目标函数；具体过程为：
模块化公交系统运行所产生的两大主要成本：车辆运营的系统成本以及乘客服务质量相关的时间成本。其中乘客时间成本进一步划分为等待时间成本 、交通时间成本以及换乘时间成本 ，车辆运营的直接成本为 。

[0025] 步骤三一一、计算乘客等待时间成本 ；具体过程为：乘客等待时间成本 由两部分组成，一是为未登上前一时间 发出的公交车而被滞留在站点的滞留等待时间 ，二是时间间隔 内到达站点s的乘客累积时间；
利用复化梯形公式作为近似手段，将相邻两次发车间隔 内到达站点s的乘客需求累积量转化为时间函数 ；
时间间隔 内含有 个时间点集合，设自变量
，函数值 对应于第 个固定间隔的乘客需求，
即 ，则时间间隔 内到达站点s的乘客累积时间 为：
式中， 表示时间间隔 内到达站点s的乘客累积时间， 表示 时
第 个固定间隔的乘客需求， 表示 时第 个固定间隔的乘客需求；
其中，
式中， 表示站点 在第 个固定间隔 内的乘客人数， 表示
站点 在第 个固定间隔 内的乘客人数， 表示站点 在第 个固定
间隔 内的乘客人数；
将 、 、 的值带入公式
，整理为：
故等待时间成本 ：
式中： 表示未登上前一时间 发出的公交车而被滞留在站点 的乘客滞
留等待时间， ， 表示上一时间 发出的公交车因载客容量不足而
滞留在站点 的乘客数；
表示公交线路编号； 表示时间弧集合；表示乘客的单位交通时间成本； 表示滞留等待乘客的单位惩罚成本；
步骤三一二、计算交通时间成本 ；具体过程为：
乘客的交通时间成本受两个主要因素影响，一是乘车人数，二是乘车时间；
式中， 为相邻站点间公交车的运行时间， ， 为首站到站点 的
行程时间， 为首站到站点 的行程时间；
步骤三一三、计算乘客换乘时间成本 ；具体过程为：
若乘客未能在换乘站点处完成无缝换乘操作，则在换乘过程中产生的时间消耗主要包括等待车次接续的额外损失时间及携带行李的不便时间，记为 ；
式中： 为车次 的换乘乘客在换乘站点 所花费的换乘时间； 为车次
的换乘乘客在换乘站点 所花费的换乘时间；
表示车次 在节点 的发车时间； 表示车次 在节点 的发车时
间； 表示车次 在节点 的发车时间； 表示车次 在节点 的发车
时间；
为车次 的换乘乘客在换乘站点 所花费的换乘时间 和车次
的换乘乘客在换乘站点 所花费的换乘时间 的和；
结合车辆编组方案在各站点处的换乘决策，可得到因无缝换乘失败而损失的乘客换乘时间成本 为：
式中： 是因无缝换乘失败而产生的单位损失时间成本；
表示路网中所有换乘站点的集合；
为0‑1变量，取值1时表示在换乘节点 处车次 进行无缝换乘操作，
取值0时表示在换乘节点 处车次 不进行无缝换乘操作；
为所有线路的总发车车次集合， 为车次 ；
步骤三一四、计算车辆运营成本 ；
公交运营商的车辆运营成本与其编组规模之间 存在直接的线性相关性，不同的模块编组数量将会产生相应的车厢单位运营成本和车辆固定使用成本：
式中： 表示模块数为N的车厢单位运营成本；
表示模块数为N的车辆固定使用成本；
为模块车辆平均行驶速度；
步骤三一五、基于乘客等待时间成本 、交通时间成本 、换乘时间成本 、车辆运营成本 ，构建综合成本最小化的目标函数为 ；
步骤三二、设置约束条件。

[0026] 其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

[0027] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述步骤三一五中基于乘客等待时间成本 、交通时间成本 、换乘时间成本 、车辆运营成本，构建综合成本最小化的目标函数为 ；具体过程为：。

[0028] 其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

[0029] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述步骤三二中设置约束条件；具体过程为：考虑模块车辆数目与客流需求间的动态关系、换乘时间阈值等约束条件。

[0030] ①实际技术限制及编组长度对于车辆行驶安全的影响，编组数目不大于最大悬挂数量阈值：
式中， 为最大悬挂数量阈值；
②模块化车辆仅允许在拆合站点进行车厢的解/耦合操作，借助辅助变量 进行车厢变组的相关约束：
式中， 为时间点 发出的公交车于站点 组装的模块数量； 为时
间点 发出的公交车于站点 拆卸的模块数量； 、 为正整数； 为极大整数；
为0‑1变量，取值1 时表示站点s为拆合站点，取值0时为一般站点；
③为保证公交车的有效运作及乘客对于模块化公交乘坐的满意度，拆合站点拆卸下来的模块座位数应不小于下车人数，以保障乘客在目的站点顺利下车：
式中， 为一个模块车的载客容量；
④为避免换乘行为对原运营时刻表的扰乱，保证运行系统的稳定性及公交到站间隔的均衡性，两车次在换乘节点的到站时间相差不能超过时间阈值区间 ：
式中， 为车次 在换乘站点 的发车时间， 为车次 在换乘站点
的发车时间；
⑤模块化公交模块间的无缝换乘操作需要模块进行提前解组，因此换乘站点的前一站点模块编组的数目应大于因换乘重组而拆卸下来的所需模块数，剩余车厢容量应满足乘客需求；
通过车次间的换乘人数计算各线路在换乘节点处需要变换的模块数目，模块数为整数，需进行取整操作：
式中， 为一个模块车的载客容量；
为车次 在换乘站点 需要变换的模块数目， 为车次 在换乘站点
需要变换的模块数目；
、 是对计算结果进行向上取整操作；
表示 到 换乘方向的换乘乘客数， 表示 到 换乘方向的
换乘乘客数；
式中， 为车次 在换乘站点 的前一站点的发车模块数目； 为车
次车次 在换乘站点 的前一站点的发车模块数目；
为车次 到达站点 时车上的乘客数量； 为车次 到达站点 时车
上的乘客数量。

[0031] 其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

[0032] 本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。