公交路线网络设计问题的研究外文翻译资料

The Transit Route Network Design Problem

K Kepaptsoglou, M Karlaftis

Journal of transportation engineering, 135(8), 2009

Abstract: Efficient design of public transportation networks has attracted much interest in the transport literature and practice, with many models and approaches for formulating the associated transit route network design problem (TRNDP) having been developed. The present paper systematically presents and reviews research on the TRNDP based on the three distinctive parts of the TRNDP setup: design objectives, operating environment parameters and solution approach.

Keywords：Public transport; bus line; TRNDP; design;

Introduction

Public transportation is largely considered as a viable option for sustainable transportation in urban areas, offering advantages such as mobility enhancement, traffic congestion and air pollution reduction, and energy conservation while still preserving social equity considerations. Nevertheless, in the past decades, factors such as socioeconomic growth, the need for personalized mobil- ity, the increase in private vehicle ownership and urban sprawl have led to a shift towards private vehicles and a decrease in public transportationrsquo;s share in daily commuting (Sinha 2003; TRB 2001; EMTA 2004; ECMT 2002; Pucher et al. 2007). Ef-

forts for encouraging public transportation use focuses on im- proving provided services such as line capacity, service frequency, coverage, reliability, comfort and service quality which are among the most important parameters for an efficient public transportation system (Sinha 2003; Vuchic 2004).

In this context, planning and designing a cost and service ef- ficient public transportation network is necessary for improving its competitiveness and market share. The problem that formally describes the design of such a public transportation network is referred to as the transit route network design problem (TRNDP); it focuses on the optimization of a number of objectives repre- senting the efficiency of public transportation networks under op- erational and resource constraints such as the number and length of public transportation routes, allowable service frequencies, and number of available buses (Chakroborty 2003; Fan and Ma- chemehl 2006a,b).

The practical importance of designing public transportation networks has attracted considerable interest in the research com- munity which has developed a variety of approaches and models for the TRNDP including different levels of design detail and complexity as well as interesting algorithmic innovations. In this paper we offer a structured review of approaches for the TRNDP; researchers will obtain a basis for evaluating existing research and identifying future research paths for further improving TRNDP models. Moreover, practitioners will acquire a detailed presenta- tion of both the process and potential tools for automating the design of public transportation networks, their characteristics, ca- pabilities, and strengths.

Design of Public Transportation Networks

Network design is an important part of the public transportation operational planning process (Ceder 2001). It includes the design of route layouts and the determination of associated operational characteristics such as frequencies, rolling stock types, and so on. As noted by Ceder and Wilson (1986), network design elements are part of the overall operational planning process for public transportation networks; the process includes five steps: (1) de- sign of routes; (2) setting frequencies; (3) developing timetables;(4) scheduling buses; and (5) scheduling drivers. Route layout design is guided by passenger flows: routes are established to provide direct or indirect connection between locations and areas that generate and attract demand for transit travel, such as resi- dential and activity related centers (Levinson 1992). For example, passenger flows between a central business district (CBD) and suburbs dictate the design of radial routes while demand for trips between different neighborhoods may lead to the selection of a circular route connecting them. Anticipated service coverage, transfers, desirable route shapes, and available resources usually determine the structure of the route network. Route shapes are usually constrained by their length and directness (route direct- ness implies that route shapes are as straight as possible between connected points), the usage of given roads, and the overlapping with other transit routes. The desirable outcome is a set of routes connecting locations within a service area, conforming to given design criteria. For each route, frequencies and bus types are the operational characteristics typically determined through design. Calculations are based on expected passenger volumes along routes that are estimated empirically or by applying transit assign- ment techniques, under frequency requirement constraints (mini- mum and maximum allowed frequencies guaranteeing safety and tolerable waiting times, respectively), desired load factors, fleet,size, and availability. These steps as well as the overall design process have been largely based upon practical guidelines, the expert judgment of transit planners, and operators experience (Baaj and Mahmassani 1991). Two handbooks by Black (1995) and Vuchic (2004) outline frameworks to be followed by planners when designing a public transportation network that include: (1) establishing the objectives for the network; (2) defining the op- erational environment of the network (road structure, demand pat- terns, and characteristics); (3) developing; and (4) ev

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毕业论文（设计）

英文翻译

原文标题 The Transit Route Network Design Problem

译文标题 公交路线网络设计问题的研究

公交路线网络设计问题的研究

K Kepaptsoglou, M Karlaftis

Journal of transportation engineering, 135(8), 2009

摘要：公共交通网络的有效设计让交通理论与实践成为众人关注的焦点，随之发展出了很多规划相关公交路线网络设计问题（TRNDP）的模型与方法。本文系统地呈现和回顾了基于TRNDP构造中三个不同方面的研究：设计目标，执行环境因素和解决办法。

关键词：公共交通；公交线路；TRNDP;设计；

The Transit Route Network Design Problem

K Kepaptsoglou, M Karlaftis

Journal of transportation engineering, 135(8), 2009

Abstract: Efficient design of public transportation networks has attracted much interest in the transport literature and practice, with many models and approaches for formulating the associated transit route network design problem (TRNDP) having been developed. The present paper systematically presents and reviews research on the TRNDP based on the three distinctive parts of the TRNDP setup: design objectives, operating environment parameters and solution approach.

Keywords: Public transport; bus line; TRNDP; design;

1、引言

公共交通一般被认为是实现可持续城市交通的一项切实可行的选择，它具有众多优势，如在维持社会公平的同时，增强可移动性，减少交通拥堵和空气污染，节少能耗。然后，在过去的几十年中，因为社会经济的增长以及对自由出行需求的上升，私家车拥有量上升，城市扩张加剧，使人们在日常出行和运输中逐渐向私人交通工具转移，减少了对公共交通的使用（Sinha 2003; TRB 2001; EMTA 2004; ECMT 2002; Pucher et al. 2007）。鼓励使用公共交通的措施集中在提高已提供的公交服务，如运客量、运输次数、运输覆盖面、可靠性、舒服性和其它提高公交系统效率的重要指标性服务质量(Sinha 2003; Vuchic 2004)。

在本文中，计划和设计出成本以及有效的公交网络对于提供它的复杂性和市场份额是很有必要的。对这样一个公交网络的一般被称为公交蹿红网络设计问题（TRNDP）；它集中研究在执行和资源限制下（如公交路线的长度和数量，允许的运输次数，可用的公车数量等），一系列代表着公交网络有效性的目标的最优化策略。

设计公交路线网络的实际意义吸引了大量的研究人员，他们为TRNDP（包含不同层次的设计细节和复杂性，以及有趣的运算创新）研究出大量的方法和模型。本文我们结构地回顾了研究TRNDP的方法；研究者将获得评估为优化TRNDP模型的现存研究和未来研究方向的基础，从业者也将得到公交网络自动化设计的处理和潜在工具的详细呈现，以及它们的特点、性能和优点。

2、公交路线网络的设计

公交路线网络的设计是公共交通规划过程中的重要组成部分（Ceder 2001）。它包括对路线辅设的设计和诸如频率、车辆种类等相关特点的决定。正如Ceder和Wilson(1986)提出的一样，公交路线网络设计的因素是整个公交系统规划过程中的一部分；这个过程包括五个阶段：一，路线设计；二，确定运输频率；三，设计时间表；四，安排公车计划；五，安排公车司机计划。路线辅设的设计是由客流来引导的；路线是为产生流动需求的地点和地区间（如住宅和活动中心）提供直接和间接的联系而建立的（Levinson 1992）。比如，中心商业区（CBD）和郊区的客流决定了辐状路线的设计，而住宅区之间的流动需求可能导致连接它们的圆形路线的采用。预期的运输覆盖面、中转、期望的路线形状和可用的资源通常决定了公交网络的结构。路线形状通常由它们的长度、直接性（直接性指路线形状在连接点之间尽可能保持直线）、对马路的使用、与其它路线的重叠来决定。期望的结果是符合所定设计标准的，在运输地区内的一整套联接不同地点的运输路线。对于每一条路线，运输频率和公车类型是通过设计分别决定的运作特点。循环性是在运输频率需求限制（最小和最大允许频率分别决定安全和可忍受的等待时间）、所期望的运载因素、车队规模和可用性下，基于对沿线的乘客量预估（通过观察法或是运用流动分布计算方法）而决定的。这些步骤和所有设计过程很大程序地基于实践的指导、运输设计者的专业判断和执行者的经验（Baaj and Mahmassani 1991）。Black(1995)和Vuchic（2004）的两本手册描述了供设计者在设计公交路线网络时遵循的框架，包括：一，为该网络设计目标；二，定义执行环境（马路结构，需求模式，特点）；三，发展；四，评估可选的公交路线网络。

即使有设计公交网络的实践指导和经验，研究者们认为观察法对于设计出有效的公交网络是不够的，进一步的优化可以带来更好的质量和更有效的服务。例如，Fan和Machemehl（2004）提出，研究者和从业者意识到系统和全面的方法对于设计经济实用的有效公交网络是最为关键的。系统的设计过程需要清晰一致的步骤和设计公交网络的相关技术。

3、公交路线网络设计问题（TRNDP）：

3.1 TRNDP：概述

自十九世纪六十年代以来，对TRNDP已展开了大量的研究和检测。1979年，Newell讨论了公车路线的最优设计，Hasselstrom（1981）分析了相关的研究并认为TRNDP的主要特点是需求特性、目标功能、限制、乘客行为、解决办法以及解决问题所需求的时间。Chua(1984)对现存的公交网络设计的各项工作进行了大量回顾，他发表了五种公交系统设计模式：一，手工的；二，市场分析；三，系统分析；四，带有交互式图表的系统分析；五，数学最优化方法。Axhausemm和Smith（1984）为确切地阐述欧洲的TRNDP而分析了现存的启发式算法，测试了它们，并讨论了它们在美国的潜在执行。Ceder和Wilson（1986）报告了之前对于TRNDP的研究，并区分了专注于理想的公交网络的研究和专注于实际路线的研究，同时提出TRNDP的主要特点包括了需求特性、目标和限制、解决办法。

同一时期，Van Nes等人（1988）把TRNDP模型归为六类：一，公交系统相关变量的分析模型；二，决定运用于公交路线建设的路线的模型；三，仅决定路线的模型；四，为一整套路线决定运输频率的模型；五，建设路线并设计运输频率的双步骤模型；六，同时决定路线和运输频率的模型。Spacovic等人（1994）提出了一个矩阵组，并根据考量的设计标准、预期的目标、网络几何以及需求特点对各研究进行了分类。Ceder和Israeli（1997）提出了把TRNDP模型的广泛分类归结为客流模拟及数学模型。Russo（1998）采用了相同的分类方法，并指出数学模型保证了最优的公交网络设计但同时牺牲了对乘客代表和设计标准的细化，同时，模拟模型解决了乘客行为但使用了启发式步骤来获得TRNDP解决方法。Ceder（2001）通过把TRNDP模型分类为模拟、理想网络和数学模型而增强了他早期的分类。最后，在一系列近期的研究中，Fan和Machemehl（2004，2006a,b）把TRNDP方法分为实践法、理想条件下的最优分析模型、为解决实际问题的启发性步骤。

TRNDP是一个为获得最优方案的目标已定、限制已知、方法已选并生效的最优化问题，TRNDP被公交路线网络服务的目标、操作特点和环境和数学方法所描述。在这一描述上，我们建议一种为构成TRNDP方法的三层结构（目标、标准、方法）。每一层包括一个或多个代表每个研究特点的组成部分。

“目标层”在设计公交系统时把目标总结在一起，如最小化系统成本，或是最大化服务质量。“标准层”描述执行环境，并包括源于公交网络的设计变量（如路线辅设、运输频率）和影响限制该公交网络的环境操作变量（如允许的运输频率、期望的运载因素、车队可用性、需求特点和模式等）。最后，“方法层”包括规划和解决TRNDP时所需要的逻辑数理框架和代数工具。在解决TRNDP中，基于基础概念而建议的框架是：决定目标、选择所要设计的公交网络条目及特点、为执行环境设限、规划和解决问题。

3.2 TRNDP：目标

公共交通试图用最低的执行成本去扮演一个非常重要的社会角色。设计公交系统日常操作的目标应该包括两方面。理论提倡，在设计这样一个系统时，所有研究同时着眼于服务和经济效益。TRNDP的实际目标可以简单归纳为以下几点（Fielding 1987;van Oudheudsen等.1987; Black 1995）：一，用户利益最大化；二，执行者成本最小化；三，总福利最大化；四，运输能力最大化；五，节能环保；六，单项标准最优化。

Mandl（1980）指出，公交系统有许多不同的目标要实现。他评论道，“即使是其中一个目标所遇到的困难都是很难解决的（P. 40）”。因为执行成本的降低通常会带来服务质量的下降，这些目标之间往往是相冲突的。Van Nes和Bovy（2000）指出，所选择的目标会影响一个公交网络的吸引力和运行情况。根据Ceder和Wilson(1986)的观点，总成本或是时间的最小化，或是消费者剩余的最大化，是在建立公交网络设计模型中最常被选择的目标。Berechman（1993）认为总福利的最大化是设计公交网络最适合的目标，而Van Nes和Bovy（2000）则认为，总使用和系统成本的最小化似乎是最合适而且简单的目标（相对总福利而言），而利润最大化会导致一个不尽人意的公交运输网络。

正如中所呈现的，大多数研究都在寻求总福利的最优化，总福利是把用户利益与系统利益结合在一起而言的。用户利益可以包括旅行、可得性、等待成本最小化、中转最少化、路程覆盖最大化，而系统利益可以包括使用率和服务质量的最优化、执行成本最小化、利润最大化、车队最小化。总福利最经常被用户和系统成本最小化所代表。一些研究从用户、执行者、环境观点等方面讨论了某些具体目标。如乘客舒适、中转次数、利润和运输力最大化、旅行时间最短化、能耗最小化就是这样的目标。这些研究或是试图简化解决TRNDP时的复杂的目标功能（Newell 1979; Baaj和Mahmassani 1991; Chakroborty和Dwivedi 2002），或是研究问题的具体方面，如目标（Delle Site和Fillipe 2001）和解决方法(Zhao 和Zeng 2006; Yu和Yang 2006)。

总福利在某种意义上是目标间的一种折中。甚至是如同一些学者（Baaj和Mahmassani 1991; Bieli等 2002）所说的一样，公交网络设计本身就是一个多目标的问题。解决TRNDP的多目标模型是基于对代表不同目标的指标的计算，分别从用户和执行者的角度，如对于用户的旅行和等待时间，对于执行者的运载能力和执行成本。在他们的多目标模型中，

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