CN102880642A - 一种基于加权有向网络模型的公交换乘方法 - Google Patents

Abstract

一种基于加权有向网络模型的公交换乘方法，包括以下步骤：不考虑同一路段上多条公交线路对交通的影响，构建公交系统的无权有向网络模型；考虑同一路段上多条公交线路对交通的影响，构建公交系统的加权有向网络模型；在无权有向网络中应用广度优先搜索算法，计算从起始站点V_start到目的站点V_end的最短路径集合R；应用加权有向网络，计算最短路径集R中每条最短路径的路径特征时间系数，取最小路径特征时间系数的路径作为最优路径。本发明可有效地降低公交换乘的平均等待时间，优化选择的出行路径，从而提高公交换乘效率和便捷程度。

Description

一种基于加权有向网络模型的公交换乘方法

技术领域

本发明涉及网络科学和公共交通领域，特别是指一种基于加权有向网络模型的公交换乘方法。

背景技术

城市公共交通是城市发展中非常重要基础设施之一，是维持城市畅通有序的根本所在。公交优先，是我国克服城市发展瓶颈的重要举措，是维持经济持续快速增长的保证。在我国优先发展城市公共交通，提出合理的交通规划同时，作为乘客，依据出行计划，我们综合考虑换乘次数、距离、时间、费用等出行因素，进行出行路径选择，通常选择那些道路拥堵低、换乘次数少的公共交通工具，力求用最小的出行代价到达目的地。建立和完善城市公交换乘系统，从一定程度上可以提高出行便捷程度和换乘效率，对缓解城市拥堵和改善乘客出行有着至关重要的作用，是发展城市公共交通的前提和有效方法，对实现城市公交系统的可持续发展有着重要的意义。

目前，国内外的学者在城市公交网络上，已经有了很多的理论成果。在国外，Sienkiewicz和Holyst研究了波兰22个城市的公共交通网络的复杂特性，通过引入复杂网络的思想，进行相关的仿真和对比研究，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（hierarchically organized）特性；LevinsonH.S和Zimmerman S利用复杂网络的思想对城市街道网络进行了研究，以实际网络的例子说明了此类网络具有小世界特性；Seaton和Hackett同样利用的相关的复杂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，并且证明了这三座城市的公交网络都具有小世界特性和无标度特性，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，对实际的公交网络研究有一定的参考价值；黄海军、高自友、吴建军等通过对城市交通系统复杂性研究，也发表了很多关于公交网络方面的著作。

关于公交换乘的研究。王钦等在对公交网络和公交系统新的认识基础上，针对我国当前在公交换乘上存在的问题，提出了以划分公交服务区和公交线路等级化的思想的城市枢纽规划决策的几种方法；陈深对非集聚预测模型进行了研究，并提出了利用效用最大化理论对公交网络模型进行推导，通过在选择合理的集合的基础上，建立一个基于枢纽换乘衔接客流量的模型，针对模型的换乘系统评价指标体系，进行指标的规范化处理及权重系数的确定；廖楚江等设计了一个基于最少换乘的公交最有路径的公交最少换乘的算法，并运用到实际的公交模型中；施法中和苏爱华建立一个公交网络模型应用到公交网络换乘问题当中，在此基础上提出了基于改进Dijkstra算法在公交网络最短路径问题的求解方法。

发明内容

为了克服现有的城市公交网络换乘技术的无法提高公交网络的换乘效率和便捷程度、限制公交网络整体性能的不足，本发明提供一种可提高公交换乘效率和便捷程度、提升公交网络整体性能的基于加权有向网络模型的公交换乘方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术具体步骤是：

一种基于加权有向网络模型的公交换乘方法，包括以下步骤：

步骤一：构建城市公交的无权有向网络模型，将某一城市实际公交网络抽象成用邻接矩阵表示的无权有向图，其中，将站点抽象为节点，对任意两个站点i和j，如果至少存在一条从i至j的直达线路，则存在一条从i指向j的有向边，用1表示；否则，视为从i到j无连接，用0表示；

步骤二：构建城市公交的加权有向网络模型，将某一城市实际公交网络抽象成用邻接矩阵表示的加权有向图，其中，将站点抽象为节点，对任意两个站点i和j，如果从i到j有k条直达线路，则从i指向j的边的权值w_ij记为1/k，当k等于0时，w_ij记为∞；

步骤三：对于任意给定的起始站点V_start和目的站点V_end，在无权有向网络应用广度优先搜索算法，查找并返回一组最短路径集合R；如果R是直达线路集合或R中只有一个元素，算法终止；否则，转至步骤四；

步骤四：应用加权有向网络，计算上述最短路径集R中每条路径的路径特征时间系数，所述的路径特征时间系数记为p_od(r)，即

其中，t₁、t₂……t_n是路径r中依次经过的中间换乘站点，

是从站点t_i到站点t_j的边上的边权；

并按路径特征时间系数由小到大的顺序，对最短路径集R中的元素进行排序，取路径特征时间系数最小的一条路径为最优路径。

进一步，所述步骤四中，在无权有向网络中计算出从起始站点o到目的站点d的所有最短路径集合R，然后计算R中每条路径的路径特征时间系数，取其中路径特征时间系数最小的路径作为最优路径，如果出现多条具有最小且相等的路径特征时间系数的路径，则其中任意一条均为最优路径，即R中路径特征系数等于

的路径均是最优路径，其中r₁、r₁……r_n是R中的全部元素。

再进一步，所述步骤三中，所述广度优先搜索算法的过程为：当输入一个源节点在指定的数据文件中搜索相关数据时，首先遍历其所有的邻居节点，查看查询的结果当中是否包含所需要的数据，如果存在，则返回相应的数据；否则，继续以邻居节点为新的源节点，重复上述遍历过程，直到找到目标数据为止。

本发明的有益效果为：可提高公交换乘效率和便捷程度、提升公交网络整体性能。

具体实施方式

下面对本发明做进一步说明。

一种基于加权有向网络模型的公交换乘方法，包括以下步骤：

步骤一：构建城市公交的无权有向网络模型。网络只考虑连通性，不考虑同一路段有多条公交线路时对交通的影响。将某一城市实际公交网络抽象成用邻接矩阵表示的无权有向图，其中，将站点抽象为节点，对任意两个站点i和j，如果至少存在一条从i至j的直达线路，则存在一条从i指向j的有向边，用1表示；否则，视为从i到j无连接，用0表示；

步骤二：构建城市公交的加权有向网络模型。考虑同一路段上存在数条公交线路时，对交通的影响。将某一城市实际公交网络抽象成用邻接矩阵表示的加权有向图，其中，将站点抽象为节点，对任意两个站点i和j，如果从i到j有k条直达线路，则从i指向j的边的权值w_ij记为1/k，当k等于0时，w_ij记为∞；

步骤三：对于任意给定的起始站点V_start和目的站点V_end，在无权有向网络应用广度优先搜索算法，查找并返回一组（不少于1条）最短路径集合R；如果R是直达线路集合或R中只有一个元素，算法终止；否则，转至步骤四；

步骤四：应用加权有向网络，计算上述最短路径集R中每条路径的路径特征时间系数，并按路径特征时间系数由小到大的顺序，对最短路径集R中的元素（即路径）进行排序，取路径特征时间系数最小的路径作为最优路径。

上述步骤三中，在搜索最短路径时，主要采用了广度优先的搜索算法。广度优先算法的主要思想为：当输入一个源节点在指定的数据文件中搜索相关数据时，首先遍历其所有的邻居节点，查看查询的结果当中是否包含所需要的数据，如果存在，则返回相应的数据；否则，继续以邻居节点为新的源节点，重复上述遍历过程，直到找到目标数据为止。对于返回的搜索结果，以下简要说明几种换乘次数较少的情况：

1)直达。根据广度优先搜索算法和最短路径判断起始站点和终止站点是在同一条公交线路上，那么，两站点之间路径也是最短的，此时就不用再考虑路径时间参数，返回所有查询的公交线路。

2)一次换乘。根据广度优先算法的主要思想，查询出通过起始站点所经过的线路的集合和经过终止站点所经过的线路的集合，找出这两个站点通过的所用线路中所用的站点的集合，则这两个集合的交集，就是我们找出的中间换乘站点。返回一次换乘所需的线路，由起点至换乘站线路和换乘站至终点线路组成。

3)二次换乘。在2)中，我们通过广度优先算法的思想查询得到的是经过起始站点线路站点的集合、经过终止站点线路站点的集合，因为这两个结合没有交集，在基于换乘次数最少的思想下，我们找出两个集合中所有直达线路的集合，即形成二次换乘。返回结果由三段路段组成，即起始站点到中间换乘站点一路段、中间站点一到中间站点二（视为直达线路）路段、中间站点二到终止站点路段。

步骤四中，由于步骤三中查询出的结果并没有加权，而我们采用加权有向网络的思想，考虑路径特征时间系数，需要对步骤三中查询得到的最短路径集进行路径加权和比较，并对比较结果进行排序，取最小路径特征时间系数的路径为最优路径。

如上所述，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)

1.一种基于加权有向网络模型的公交换乘方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：构建城市公交的无权有向网络模型，将某一城市实际公交网络抽象成用邻接矩阵表示的无权有向图，其中，将站点抽象为节点，对任意两个站点i和j，如果至少存在一条从i至j的直达线路，则存在一条从i指向j的有向边，用1表示；否则，视为从i到j无连接，用0表示；

步骤二：构建城市公交的加权有向网络模型，将某一城市实际公交网络抽象成用邻接矩阵表示的加权有向图，其中，将站点抽象为节点，对任意两个站点i和j，如果从i到j有k条直达线路，则从i指向j的边的权值w_ij记为1/k，当k等于0时，w_ij记为∞；

步骤三：对于任意给定的起始站点V_start和目的站点V_end，在无权有向网络应用广度优先搜索算法，查找并返回一组最短路径集合R；如果R是直达线路集合或R中只有一个元素，算法终止；否则，转至步骤四；

步骤四：应用加权有向网络，计算上述最短路径集R中每条路径的路径特征时间系数，所述的路径特征时间系数记为p_od(r)，即其中，t₁、t₂……t_n是路径r中依次经过的中间换乘站点，是从站点t_i到站点t_j的边上的边权；

并按路径特征时间系数由小到大的顺序，对最短路径集R中的元素进行排序，取路径特征时间系数最小的一条路径为最优路径。

2.如权利要求1所述的基于加权有向网络模型的公交换乘方法，其特征在于：所述步骤四中，在无权有向网络中计算出从起始站点o到目的站点d的所有最短路径集合R，然后计算R中每条路径的路径特征时间系数，取其中路径特征时间系数最小的路径作为最优路径，如果出现多条具有最小且相等的路径特征时间系数的路径，则其中任意一条均为最优路径，即R中路径特征系数等于

的路径均是最优路径，其中r₁、r₁……r_n是R中的全部元素。

3.如权利要求1或2所述的基于加权有向网络模型的公交换乘方法，其特征在于：所述步骤三中，所述广度优先搜索算法的过程为：当输入一个源节点在指定的数据文件中搜索相关数据时，首先遍历其所有的邻居节点，查看查询的结果当中是否包含所需要的数据，如果存在，则返回相应的数据；否则，继续以邻居节点为新的源节点，重复上述遍历过程，直到找到目标数据为止。