CN102880641A - 一种考虑近距离步行站点对的参数化公交换乘方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑近距离步行站点对的参数化公交换乘方法，包括以下步骤：步骤一：设置计算公交换乘的函数化权重参数；步骤二：构建城市公交的加权有向换乘网络T；步骤三：构建城市公交的加权有向步行网络W，步骤四：应用上述的T网络和W网络，遍历每个站点，应用一种改进广度优先搜索算法，并根据由设置的函数化权重参数P1(x1)、P2(x2)、P3(x3)定义的代价函数以及最终保留的换乘方案数目TN计算从该遍历站点出发到达其他站点的换乘方案。本发明考虑了公交系统中公交站点间由公交线路与由近距离步行可达性产生的联系，并根据这个概念使用网络模型方法生成了换乘网络T和步行网络W、响应速度快、实时性良好。

Description

一种考虑近距离步行站点对的参数化公交换乘方法

技术领域

本发明涉及网络科学和公共交通领域，特别是指一种考虑近距离步行站点对的参数化公交换乘方法。

背景技术

城市公共交通系统是城市非常重要的基础设施之一，是维持城市合理运作的必要工具。当前我国正处于快速发展期，优先发展城市交通，进行合理的交通规划，能够使城市交通发展适应未来城市额需求。这其中，城市公共交通于承载了城市中大部分人群的出行，所以优化和完善城市公共交通换乘系统，对缓解城市拥堵和改善乘客出行有着至关重要的作用。

传统上，城市公共交通的规划是根据统计城市道路上的车流、人流按照一定的交通设计方法建立的。目前，国内外的学者开始兴起使用网络的方法来研究城市交通系统，希望通过这类研究找出交通系统的某些重要特性并据此优化设计城市交通。相关研究已经有了很多的理论成果。在国外，相关研究的例子：Sienkiewicz和Holyst研究了波兰22个城市的公共交通网络的拓扑特性，发现所有这些城市中的公交网络都具有明显的小世界特性和分级组织特性；Seaton和Hackett同样利用网络理论知识计算出两个城市列车线网的平均最短路径长度、平均节点度的聚类系数，并通过相互之间的比较研究证实网络结构对于小世界特性的影响。在国内：杨旭华等研究了北京、上海和杭州三个城市的公交网络的拓扑特性，并通过对这三个城市公交网络的对比研究提出了相关的优化方法；黄海军、高自友、吴建军等通过对城市交通系统网络方面进行了很多研究，也发表了若干关于城市公交、道路关于网络的交通流研究优化上的著作。

公交换乘是使用网络理论研究城市交通的一个典型实例。人们可将公交站点看成网络节点，将站点间通过公交车产生的联系看成连边，抽象得到一张图，然后使用成熟的Dijkstra算法或Floyd算法即可运算得到性能的换乘方案。然而这类方法存在很多的不足。首先：他们没有考虑广泛存在于实际公交系统中同时又对于公交换乘起到重要作用的近距离站点对，所谓的近距离站点对即彼此可通过短距离步行直接到达站点对。在现实换乘过程中公交换乘的过程中，人们有时会从某一站行步行至某一邻近站点，然后再进行换乘。传统的换乘方法没有考虑这种因素。其次，他们仅提供单一标准性能指标单一结果的换乘方案，这时由于Dijkstra算法和Floyd算法本身的特征造成的。最后，他们的运行时间较慢，运算冗余度较大，由于传统算法的单次查询的时间复杂度接近O(n²)，其中n为网络中的节点个数，所以针对大型网络，就会出现查询相应时间较长的不足。

发明内容

为了克服已有的城市公交换乘算法没有考虑近距离步行换乘、响应速率差、实时性较差的不足，本发明提出了一种考虑了公交系统中公交站点间由公交线路与由近距离步行可达性产生的联系、响应速度快、实时性良好的考虑近距离步行站点对的参数化公交换乘方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术具体步骤是：

一种考虑近距离步行站点对的参数化公交换乘方法，包括以下步骤：

步骤一：设置计算公交换乘的函数化权重参数：公交权重P1(x1)、步行权重P2(x2)及换乘权重P3(x3)，分别代表使用乘客在公交出行中使用公交车前行x1物理距离需要付出的代价、步行前行x2物理距离需要付出的代价及乘坐x3趟公交车需要付出的代价，同时设置保留的最优换乘方案数目TN；

步骤二：构建城市公交的加权有向换乘网络T，T网络中的一个节点对应于公交系统中的一个站点T网络记录可以通过一条公交线路到达的站点对信息，在T网络中任意两个站点间存在连边当且仅当这两个站点间存在至少一条可以直达的公交线路；由于站点对间有时可通过多条线路到达，所以在T网络之间从一个站点到另一个站点可能会存在多条连边，每条连边代表了从出发站点到到达站点可以直达的一条线路，连边的权值为这两个站点通过这条线路经过的物理距离；

步骤三：构建城市公交的加权有向步行网络W，W网络记录可以通过短距离步行到达的公交站点对信息，该W网络中的一个节点同样对应于公交系统中的一个站点，在W网络中任意两个站点间存在连边当且仅当这两个节点间的物理步行距离小于一个阈值Γ，该连边的权值也被定义为物理步行距离；

步骤四：应用上述的T网络和W网络，遍历每个站点，应用一种改进广度优先搜索算法，并根据由设置的函数化权重参数P1(x1)、P2(x2)、P3(x3)定义的代价函数以及最终保留的换乘方案数目TN计算从该遍历站点出发到达其他站点的换乘方案；

改进广度优先搜索方法的具体过程如下：

4.1)构建一个包含公交站点数个元素的数组，定义数组中每一个元素包含以下信息：站点编号及一个存储了换乘方案的方案集合，其中该集合中的每条信息表示了从出发站点S到达该站点的一种代价较小的换乘方案；每条信息记录了该换乘方案是由从站点S到达该站点的哪一个站点中的哪种方案经过哪一条线路到达该站点的基本信息与该换乘法案的代价，在每个站点的方案集合中存在代价最小与代价最大的较优换乘方案，它们分别被记录为MAXC和MINC；

4.2).构建一棵类树用于遍历，定义类树中每一个节点包含以下信息：节点编号、节点对应站点编号、父节点编号，设置当前层为第一层，所述第一层只包含出发站点对应的根节点；

4.3).遍历当前层的所有节点，对于遍历到节点对应的站点A，遍历它在T网络和W网络中的所有邻居站点；对于任意遍历到的站点B，如果站点S到站点A的方案集合的MINC小于站点S到站点B的方案集合的MAXC，那么就进一步遍历站点A的方案集合；

在这一遍历中，使用由对应的从站点S到站点A的某一较优换乘方案再通过步行或公交线路到站点B的换乘方案生成一些从站点S到站点B的候补换乘方案；如果这些方案不包含重复站点同时代价又小于站点B的换乘集合的MAXC，那么就将方案加入站点B的换乘集合，同时更新站点B的MINC和MAXC，并进一步给类树的当前遍历节点添加一个子节点，子节点对应于站点B；

4.4).设置树遍历当前层为该层的子层，如果当前层不为空，则重复步骤3)，否则进行下一步；

4.5).截取每个站点的换乘方案换乘集合，最多保留从出发站点S出发到任意其他站点的出行代价最小的前TN种换乘方案。

作为优选的一种方案，所述步骤四中，将得到的换乘方案存入数据库。

所述参数化公交换乘方法还包括以下步骤：

步骤五：对于任意给定的起始站点和目的站点，在数据库中查找他们之间的换乘方案，并将换乘方案返回给用户。

进一步，所述步骤四中，所述代价函数表示为：

C_ij=P1(x1)+P2(x2)+P3(x3)

其中，C_ij为代价。

本发明的有益效果为：考虑了公交系统中公交站点间由公交线路与由近距离步行可达性产生的联系、响应速度快、实时性良好。

附图说明

图1为一个公交网络从站点1出发到其他站点的换乘方案计算过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1，一种考虑近距离步行站点对的参数化公交换乘方法，包括以下步骤：

步骤一：设置计算公交换乘的函数化权重参数：公交权重P1(x1)、步行权重P2(x2)及换乘权重P3(x3)，分别代表使用乘客在公交出行中使用公交车前行x1物理距离需要付出的代价、步行前行x2物理距离需要付出的代价及乘坐x3趟公交车需要付出的代价，同时设置保留的最优换乘方案数目TN；

步骤二：构建城市公交的加权有向换乘网络T，T网络中的一个节点对应于公交系统中的一个站点，T网络记录可以通过一条公交线路到达的站点对信息，在T网络中任意两个站点间存在连边当且仅当这两个站点间存在至少一条可以直达的公交线路；由于站点对间有时可通过多条线路到达，所以在T网络之间从一个站点到另一个站点可能会存在多条连边，每条连边代表了从出发站点到到达站点可以直达的一条线路，连边的权值为这两个站点通过这条线路经过的物理距离；

步骤三：构建城市公交的加权有向步行网络W，W网络记录可以通过短距离步行到达的公交站点对信息，该W网络中的一个节点同样对应于公交系统中的一个站点，在W网络中任意两个站点间存在连边当且仅当这两个节点间的物理步行距离小于一个阈值Γ，该连边的权值也被定义为物理步行距离；

步骤四：应用上述的T网络和W网络，遍历每个站点，应用一种改进广度优先搜索算法，并根据由设置的函数化权重参数P1(x1)、P2(x2)、P3(x3)定义的代价函数以及最终保留的换乘方案数目TN计算从该遍历站点出发到达其他站点的换乘方案；

改进广度优先搜索方法的具体过程如下：

4.1)构建一个包含公交站点数个元素的数组，定义数组中每一个元素包含以下信息：站点编号及一个存储了换乘方案的方案集合，其中该集合中的每条信息表示了从出发站点S到达该站点的一种代价较小的换乘方案；每条信息记录了该换乘方案是由从站点S到达该站点的哪一个站点中的哪种方案经过哪一条线路到达该站点的基本信息与该换乘法案的代价，在每个站点的方案集合中存在代价最小与代价最大的较优换乘方案，它们分别被记录为MAXC和MINC；

4.2).构建一棵类树用于遍历，定义类树中每一个节点包含以下信息：节点编号、节点对应站点编号、父节点编号，设置当前层为第一层，所述第一层只包含出发站点对应的根节点；

4.3).遍历当前层的所有节点，对于遍历到节点对应的站点A，遍历它在T网络和W网络中的所有邻居站点；对于任意遍历到的站点B，如果站点S到站点A的方案集合的MINC小于站点S到站点B的方案集合的MAXC，那么就进一步遍历站点A的方案集合；

在这一遍历中，使用由对应的从站点S到站点A的某一较优换乘方案再通过步行或公交线路到站点B的换乘方案生成一些从站点S到站点B的候补换乘方案；如果这些方案不包含重复站点同时代价又小于站点B的换乘集合的MAXC，那么就将方案加入站点B的换乘集合，同时更新站点B的MINC和MAXC，并进一步给类树的当前遍历节点添加一个子节点，子节点对应于站点B；

4.4).设置树遍历当前层为该层的子层，如果当前层不为空，则重复步骤3)，否则进行下一步；

4.5).截取每个站点的换乘方案换乘集合，最多保留从出发站点S出发到任意其他站点的出行代价最小的前TN种换乘方案。

作为优选的一种方案，所述步骤四中，将得到的换乘方案存入数据库；

所述参数化公交换乘方法还包括以下步骤：

步骤五：对于任意给定的起始站点和目的站点，在数据库中查找他们之间的换乘方案，并将换乘方案返回给用户。

进一步，所述步骤四中，所述代价函数表示为：

C_ij=P1(x1)+P2(x2)+P3(x3)

其中，C_ij为代价。

本实施例中，使用网络模型来计算公交换乘。网络模型中包含了2种表征公交系统的网络：T网络和W网络。T网络记录了可以通过一条公交线路到达的站点对信息，W网络记录了可以通过短距离步行到达的站点对信息。这两种网络相辅相成，比较完整地体现了公交系统涉及换乘的基本信息，使得换乘算法克服了传统算法中没有考虑近距离步行换乘的缺点。

再者，定义了函数化权重参数：公交权重P1(x1)、步行权重P2(x2)及换乘权重P3(x3)，用来描述从一个站点到另一个站点所经过的路径上的换乘代价大小和便捷程度。对于从站点i出发到达站点j的一种换乘方案，如果该方案所走路径涉及了x1物理距离的公交行驶、x2物理距离的步行与x3次不同路线的公交车乘坐即（x3-1）次换乘，那么该换乘方案的代价C_ij就可以表示成以下形式：

C_ij=P1(x1)+P2(x2)+P3(x3)

方法中计算换乘方案算法的目的就是要找到任意站点i出发到达任意站点j的所有换乘方案中C_ij值最小的TN种换乘方案，即寻找多种针对特定快捷性指标的较优换乘方案。实际应用过程中，方法可以通过调整P1(x1)、P2(x2)和P3(x3)的函数来使得换乘算法具有很好的灵活性，例如调整使P2(x2)的重要性增大，那么得到的换乘方案是尽量考虑步行距离短的换乘方案；调整使P1(x1)和P2(x2)的重要性增大，那么得到的换乘方案是尽量考虑路径距离短的换乘方案；调整使P3(x3)的重要性增大，那么得到的换乘方案是尽量考虑换乘次数少的换乘方案。

设计了一种改进广度优先搜索算法（MBFSA）。MBFSA根据由预先设置好的P1(x1)、P2(x2)、P3(x3)定义的代价函数与最终保留的换乘方案数TN计算从一个出发站点到达其他站点的较优换乘方案。

采用了将计算得到的换乘方案存入数据库的方法来缩短用户查询响应时间。众所周知，在算法研究过程中，大部分情况下是不能同时保证时间复杂度与空间复杂度的同时优化的，即如果要求程序运算时间短，那么往往需要程序占用大量存储空间，而如果要求程序占用较小存储空间，那么往往又需要牺牲运算速度。从用户的角度出发，他们需要快速响应的公交换乘查询系统，所以本换乘方法选择了数据库技术，将预运算得到所有站点对间的换乘方案存入数据库的方案。这样用户在查询时就不需要计算机进行相对较慢的计算换乘运算，而直接通过查询数据库快速得到结果。同时这一方案也大大降低了预运算过程的计算冗余。

结合图1说明本实施例中的MBFSA算法的过程：图1的左子图显示了范例公交网络从站点1出发按照算法得到的遍历类树，其中每条连边上的文字显示了从一个站点到另一个站点的具体方式与代价；图1的右子图显示了相应的在每一层的遍历过后，各站点换乘方案集合的变化，其中代表每个站点的方框中的文字显示了具体的方案集合。

具体来说：算法首先从站点1出发进行MBFSA的第一层遍历，由于从站点1出发，能够通过乘坐1趟公交车或步行直接到达站点2、站点3和站点4（例如，从站点1可以通过步行、乘坐1号线或者乘坐2号线到达站点2），所以他们的换乘方案集合被得到了更新。之后算法进行了相同的第二、第三层的遍历。需要注意的是，算法只把经由上一层站点的某一换乘方案、再经过一路公家车（或直接步行）到达站点、且总代价小于站点方案集合的MAXC的换乘方案加入站点方案集合。例如，在第2层遍历时，假设从站点4可乘坐一趟公交车到达站点2，但是由于其代价太大，所以最终算法抛弃了经由从站点1到站点4，再到站点2的换乘方案加入站点2的方案集合，同时在左子图的遍历类树中也就没有出现了连接第二层中站点4与第三层中站点2的连边。

在第3层遍历之后，由于更新后遍历类树不存在第4层，所以遍历过程结束。在遍历完成后就得到了各站点的相关方案集合。每一个站点的方案集合中的每条记录代表了从起始站点到该站点的一种优化换乘方案。例如：站点2的方案集合的最后一条记录代表了一条从站点1出发通过步行到达站点3，再通过3号线到达站点2的总代价为3.5的优化换乘方案。

在最后，算法截取了各站点的换乘方案集合，只保留其中代价最小的前TN种换乘方案。例如对于站点5只保留了其方案集合中的第一和第四种换乘方案。

如上所述，本实施的具体实现步骤使本发明更加清晰。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种考虑近距离步行站点对的参数化公交换乘方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：设置计算公交换乘的函数化权重参数：公交权重P1(x1)、步行权重P2(x2)及换乘权重P3(x3)，分别代表使用乘客在公交出行中使用公交车前行x1物理距离需要付出的代价、步行前行x2物理距离需要付出的代价及乘坐x3趟公交车需要付出的代价，同时设置保留的最优换乘方案数目TN；

步骤二：构建城市公交的加权有向换乘网络T，T网络中的一个节点对应于公交系统中的一个站点，T网络记录可以通过一条公交线路到达的站点对信息，在T网络中任意两个站点间存在连边当且仅当这两个站点间存在至少一条可以直达的公交线路；由于站点对间有时可通过多条线路到达，所以在T网络之间从一个站点到另一个站点可能会存在多条连边，每条连边代表了从出发站点到到达站点可以直达的一条线路，连边的权值为这两个站点通过这条线路经过的物理距离；

步骤三：构建城市公交的加权有向步行网络W，W网络记录可以通过短距离步行到达的公交站点对信息，该W网络中的一个节点同样对应于公交系统中的一个站点，在W网络中任意两个站点间存在连边当且仅当这两个节点间的物理步行距离小于一个阈值Γ，该连边的权值也被定义为物理步行距离；

步骤四：应用上述的T网络和W网络，遍历每个站点，应用一种改进广度优先搜索算法，并根据由设置的函数化权重参数P1(x1)、P2(x2)、P3(x3)定义的代价函数以及最终保留的换乘方案数目TN计算从该遍历站点出发到达其他站点的换乘方案；

改进广度优先搜索方法的具体过程如下：

4.1)构建一个包含公交站点数个元素的数组，定义数组中每一个元素包含以下信息：站点编号及一个存储了换乘方案的方案集合，其中该集合中的每条信息表示了从出发站点S到达该站点的一种代价较小的换乘方案；每条信息记录了该换乘方案是由从站点S到达该站点的哪一个站点中的哪种方案经过哪一条线路到达该站点的基本信息与该换乘法案的代价，在每个站点的方案集合中存在代价最小与代价最大的较优换乘方案，它们分别被记录为MAXC和MINC；

4.2).构建一棵类树用于遍历，定义类树中每一个节点包含以下信息：节点编号、节点对应站点编号、父节点编号，设置当前层为第一层，所述第一层只包含出发站点对应的根节点；

4.3).遍历当前层的所有节点，对于遍历到节点对应的站点A，遍历它在T网络和W网络中的所有邻居站点；对于任意遍历到的站点B，如果站点S到站点A的方案集合的MINC小于站点S到站点B的方案集合的MAXC，那么就进一步遍历站点A的方案集合；

在这一遍历中，使用由对应的从站点S到站点A的某一较优换乘方案再通过步行或公交线路到站点B的换乘方案生成一些从站点S到站点B的候补换乘方案；如果这些方案不包含重复站点同时代价又小于站点B的换乘集合的MAXC，那么就将方案加入站点B的换乘集合，同时更新站点B的MINC和MAXC，并进一步给类树的当前遍历节点添加一个子节点，子节点对应于站点B；

4.4).设置树遍历当前层为该层的子层，如果当前层不为空，则重复步骤3)，否则进行下一步；

4.5).截取每个站点的换乘方案换乘集合，最多保留从出发站点S出发到任意其他站点的出行代价最小的前TN种换乘方案。

2.如权利要求1所述的考虑近距离步行站点对的参数化公交换乘方法，其特征在于：所述步骤四中，将得到的换乘方案存入数据库。

3.如权利要求1或2所述的考虑近距离步行站点对的参数化公交换乘方法，其特征在于：所述参数化公交换乘方法还包括以下步骤：

步骤五：对于任意给定的起始站点和目的站点，在数据库中查找他们之间的换乘方案，并将换乘方案返回给用户。

进一步，所述步骤四中，所述代价函数表示为：

C_ij=P1(x1)+P2(x2)+P3(x3)

其中，C_ij为代价。

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