CN103268701B - 城市路网负载平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市路网负载平衡方法，主要解决了现有技术中存在的路网中各道路负载不均衡，不能实现对路网资源的有效利用，对道路资源造成了极大浪费，对城市交通路网的整体性能造成了不利影响的问题。其包括以下步骤：建立给定有路网中各节点的位置和链路的连通情况、包含各链路的权重和容量、且给定有不同源节点、宿节点的节点对的路网拓扑；计算所有给定的源节点、宿节点的节点对的网络最大流；根据最大流最小割定理重新计算路网中各链路的权重；根据链路的权值，计算源节点和宿节点的最短路径。通过上述方案，本发明达到了有效平衡城市路网中负载的流量，缓解了城市道路的交通阻塞，提高了城市路网通行能力的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

城市路网负载平衡方法

技术领域

本发明涉及一种负载平衡方法，具体地说，是涉及一种城市路网负载平衡方法。

背景技术

随着社会的不断发展、人们的生活水平日益提高，车辆作为一种常用的交通工具已成为人们生活中所不可或缺的必需品，车辆的日益普及也造成了一系列的交通问题，其中，最为突出的问题是由于车流量过大而造成的交通堵塞， 城市交通的日益拥堵给城市建设和市民生活带来诸多问题，特别是近年来个人汽车消费提升较快，而土地资源较为稀缺，造成高密集居住环境与高流量交通供求之间的矛盾，导致交通拥堵问题已成为严重阻碍城市进一步发展的一个重要因素。在交通路网中，寻找任意两点间最优路径是出行导航的基本功能，但是，在路网中从同一个节点出发的车辆如果都选择这条最优路径，仍然会有可能造成交通的拥堵。

在交通路网中，寻找任意源宿节点对最优的一条路径常常导致路网上的负载不平衡，一些道路重载，一些道路轻载，造成城市交通拥堵。在车辆较少的情况下，寻找任意源宿节点对的最优的一条路径有很好的效果，但是这种方法没有考虑到当前路网上的负载情况，也没有考虑到当前源宿节点对所选的路径对路网上的其他源宿节点对选择路径的影响，所以不仅不能实现对路网资源的有效利用，还会影响城市交通路网的整体性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种城市路网负载平衡方法，主要解决现有技术中存在的路网中各道路负载不均衡，不能实现对路网资源的有效利用，对道路资源造成了极大浪费，对城市交通路网的整体性能造成了不利影响的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

城市路网负载平衡方法，包括以下步骤：

（1）建立给定有路网中各节点的位置和链路的连通情况、包含各链路的权重和容量、且给定有不同源节点、宿节点的节点对的路网拓扑；

（2）计算所有给定的源节点、宿节点的节点对的网络最大流；

（3）根据最大流最小割定理重新计算路网中各链路的权重；

（4）根据链路的权值，计算源节点和宿节点的最短路径。

所述步骤（2）具体包括以下步骤：

定义一条路径，将路径上所有与路径方向一致的链路定义为正向链路，将路径上所有与路径方向相反的链路定义为反向链路；将路径上所有正向链路的流量小于容量，且该路径上所有反向链路的流量大于0的路径定义为增广路径；

（2a）判断路网中是否存在源节点s到宿节点t的增广路径P，若存在增广路径转到步骤（2b），否则结束；

（2b）确定增广路径P的增广容量d，d的值为增广路径P中链路的最小容量；

（2c）沿着增广路径P输送d单位的流；

（2d）将增广路径上各正向链路的容量减去增广容量，将各反向链路的容量加上增广容量，并返回步骤（2a）。

所述步骤（3）具体包括以下步骤：

（3a）根据最大流最小割定理求得最小割链路，即从源节点s向宿节点t进行广度优先搜索，并将搜索到的节点进行标记，所有与进行标记的节点和未进行标记的节点连接的链路便为最小割链路；

（3b）将存在于某个节点对最小割集中的链路定义为关键链路，将最大流流经的除了最小割链路的链路定义为准关键链路；

（3c）将容量小于当前节点对容量需求的链路设定为不可通过；

（3d）计算所有链路的权值。

所述步骤（4）具体包括以下步骤：

（4a）根据链路的权值计算最短路径；

（4b）沿最短路径更新链路剩余的可用容量。

步骤（3d）中，所述关键链路的权值通过以下公式得出：

，其中，为存在于节点对的最小割中的链路l的集合；为加权系数；

所述准关键链路的权值通过以下公式得出：

，其中，为存在于节点对的准关键链路l的集合链路；为链路l上的剩余可用容量；为节点对的网络最大流中除了最小割链路之外流经链路l的流量；为加权系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）通过使用本发明中的算法，能够在干扰最小的情况下有效平衡城市路网中负载的流量，进而有效提高交通路网的整体性能，有效减轻了城市道路的交通阻塞，符合实际需求。

附图说明

图1为本发明的整体流程示意图。

图2为本发明中最大流算法的流程示意图。

图3为本发明中最大流算法的图示示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

为了解决现有技术中存在的路网中各道路负载不均衡，不能实现对路网资源的有效利用，对道路资源造成了极大浪费，对城市交通路网的整体性能造成了不利影响的问题，如图1所示，本发明公开了一种基于最小干扰的城市路网负载平衡方法，用该方法为某一个源宿节点对选择路由时，充分考虑了路网中其他源宿节点对对链路的需求，因而这一节点对选择的路由能够有效避免干扰其他节点对的路由的建立，从而达到了更有效地利用城市路网的资源，保证在交通不拥堵的情况下，提高路网的吞吐量，进而提高城市交通路网的整体性能的目的。

由交通流理论可知，当某一路段的交通量Q逐渐增大，达到Q/N=1时，路段上的车辆将开始产生拥挤，其中，Q为路段机动车交通量（辆/h），N为路段实用通行能力（辆/h）。

以G（V，E，W，C）表示图，其中V表示节点集合，E表示链路集合，W表示链路的权重，C表示链路的可用容量，相应地，在城市路网中，V相当于路口，E相当于路段，W相当于路段的距离，C相当于路段的可通行交通量，即C=V-Q。V中的一个子集M = {(s,t)}为给定的源宿节点对，表示在路网上的车辆从不同的出发地到达不同的目的地，其中，s为源节点，即出发地，t为宿节点，即目的地。（a，b，D）表示当前需要求得最短路径的源节点、目的节点和节点间的容量需求。那么优化目标为最大化M中除了（a，b）节点对以外的所有节点对之间的最大网络流的加权总和为：

  ，其中，为（s，t）之间的的最大网络流，为加权系数。

    根据最大流最小割原理，即最大流的值等于最小割的容量，对于任意节点对（s，t），若链路l存在于一个（s，t）节点对的最小割中，则该链路可用容量C（l）上的任何变化都会影响该节点对的网络最大流，基于此，定义若链路存在于某个节点对（s，t）的最小割集中，，则称该链路为关键链路，用表示与节点对（s，t）对应的关键链路集，那么关键链路的链路权值为：

考虑大容量链路及其他非关键链路的影响，还可定义准关键链路和无关链路，无关链路为没有网络最大流流经的链路，其权值不变，准关键链路为除了最小割链路网络最大流流经的链路，用表示与节点对（s，t）对应的准关键链路集；表示链路l上的剩余可用容量；表示节点对的网络最大流中除了最小割链路之外流经链路l的流量，那么准关键链路的权值为：

根据以上链路权值计算公式便可求得当前节点对（a，b）的最短路径。

基于以上计算方式，本发明的具体实现方案如下：

建立给定有路网中各节点的位置和链路的连通情况、包含各链路的权重和容量、且给定有不同源节点、宿节点的节点对的路网拓扑；

步骤一、如图2所示，计算所有的给定的源宿节点对的网络最大流，具体计算方式如下：

(1)判断剩余网络中是否存在源节点s到宿节点t的增广路径P，若存在增广路径则转到步骤（2），否则结束；

(2)确定增广路径P的增广容量d，其中d为增广路径P中的边的最小容量；

(3)沿着增广路径P输送d单位的流；

(4)更新图中各边上的剩余容量，即沿着增广路径将正向边的容量减去增广容量，反向边的容量加上增广容量，并返回步骤（1）；

 如图3所示，本发明中给出了一经过最大流算法得到的图的示例图，图上的数据中，左边的为可用容量，右边的为流经此边的流量，即已用容量。

步骤二、根据最大流最小割定理，重新计算路网各链路的权重，具体计算方式如下：

（1）计算关键链路，即求最小割链路，从源节点向宿节点进行广度优先搜索，将搜到的节点进行标记，所有连接进行标记和未进行标记的节点的链路为最小割链路；

（2）计算准关键链路，即最大流流经的除了最小割链路的链路；

（3）将剩余可行容量小于当前节点对（a，b）的容量需求D的链路设为不可通过；

（4）根据链路权值公式计算所有链路的权值；

根据图3可以看出，若从源节点s出发可到达1，则给源节点s和1打上标记，不打标记的点为2和t，连接打标记和不打标记的点的最小割链路，即关键链路为：1-t，1-2，s-2，最大流流经的除最小割链路的链路，即准关键链路为：s-1，2-t。

步骤三、（1）根据链路的权值计算最短路径；

（2）沿最短路径更新链路剩余的可用容量。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (4)

1.城市路网负载平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）建立给定有路网中各节点的位置和链路的连通情况、包含各链路的权重和容量、且给定有不同源节点、宿节点的节点对的路网拓扑；

（2）计算所有给定的源节点、宿节点的节点对的网络最大流；

（3）根据最大流最小割定理重新计算路网中各链路的权重；

（4）根据链路的权值，计算源节点和宿节点的最短路径；

所述步骤（3）具体包括以下步骤：

（3a）根据最大流最小割定理求得最小割链路，即从源节点s向宿节点t进行广度优先搜索，并将搜索到的节点进行标记，所有与进行标记的节点和未进行标记的节点连接的链路便为最小割链路；

（3b）将存在于某个节点对最小割集中的链路定义为关键链路，将最大流流经的除了最小割链路的链路定义为准关键链路；

（3c）将容量小于当前节点对容量需求的链路设定为不可通过；

（3d）计算所有链路的权值。

2.根据权利要求1所述的城市路网负载平衡方法，其特征在于，所述步骤（2）具体包括以下步骤：

定义一条路径，将路径上所有与路径方向一致的链路定义为正向链路，将路径上所有与路径方向相反的链路定义为反向链路；将路径上所有正向链路的流量小于容量，且该路径上所有反向链路的流量大于0的路径定义为增广路径；

（2a）判断路网中是否存在源节点s到宿节点t的增广路径P，若存在增广路径转到步骤（2b），否则结束；

（2b）确定增广路径P的增广容量d，d的值为增广路径P中链路的最小容量；

（2c）沿着增广路径P输送d单位的流；

（2d）将增广路径上各正向链路的容量减去增广容量，将各反向链路的容量加上增广容量，并返回步骤（2a）。

3.根据权利要求2所述的城市路网负载平衡方法，其特征在于，所述步骤（4）具体包括以下步骤：

（4a）根据链路的权值计算最短路径；

（4b）沿最短路径更新链路剩余的可用容量。

4.根据权利要求3所述的城市路网负载平衡方法，其特征在于，步骤（3d）中，所述关键链路的权值通过以下公式得出：

，其中，为存在于节点对的最小割中的链路l的集合；为加权系数；

所述准关键链路的权值通过以下公式得出：

，其中，为存在于节点对的准关键链路l的集合链路；为链路l上的剩余可用容量；为节点对的网络最大流中除了最小割链路之外流经链路l的流量；为加权系数。