CN103413433B - 一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，包括以下步骤：乘客依据到达站点的顺序排队上车，遵循先下后上的原则；无论何时，均优先选择最少换乘目标车辆；优先选择最少换乘方案中经过的站点数量最少的方案进行换乘；如果超过了乘客对最少换乘目标车辆的最大等待时间，且当前时刻无法乘坐最少换乘目标车辆，依据当前网络的站点拥堵情况，进行基于局域信息的路径搜索以确定换乘车辆；若未找到符合条件的换乘车辆，则乘客在该站点继续等待；在任一站点，乘客均按上述方法进行换乘。本发明提供的公交出行换乘方法可使乘客在站点发生长时间拥堵的情况下较快速地到达目的站点，减少平均出行时间并提升公交系统运营效率。
Description
技术领域
本发明涉及网络科学和城市公共交通领域，特别是指一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法。
背景技术
随着城市化进程的快速推进，城市现有公共设施的滞后发展与出行需求的快速增长之间的矛盾日益突出，致使城市交通出行了不同程度的拥堵。城市公交网络属于典型的空间网络，其运营能力受限于多个方面，如包括路况在内的基础设施因素，包括城市道路设计的网络结构等因素。城市公交网络中随着出行需求的增多，客流量较大的公交站点极易发生拥堵，致使部分乘客在短时间内无法乘坐上目标公交车辆。在长时间拥堵的情况下，如何相对快速地从起始地换乘至目的地是值得深入研究的问题。应用复杂网络理论探索交通网络的时空复杂性和演变机理，有利于缓解和预防交通拥堵以及优化网络结构和提升网络运营效率。
相对于传统上结合道路状况和客流信息的单一研究方法，越来越多的学者利用复杂网络理论，从网络拓扑结构和网络全局信息出发，来研究城市公交交通，并取得了丰富的理论成果。Latora等对波士顿地铁网络特性进行分析，验证了铁路网络的小世界特性；Christian等经过实证分析，提出了应用随机游走策略构建城市公交网络模型等；Zhang等研究了上海地铁网络无标度特性以及对地铁站点对攻击的鲁棒性；Yang等根据对实际公交网络的实证研究，提出了基于派系增长的城市公共交通网络演化模型，同时研究了基于公交网络的传播模型；Wu等关于城市公交网络的流量分配与传输等问题做了很多研究，包括城市公共交通网络拓扑结构的复杂性、不同网络结构对于流量的承载能力、网络拥堵分析、以及网络中的级联失效问题等；Chen等对近年来关于交通动力学中路径搜索策略问题的研究做了总结，并指出高效的路径搜索对提升网络性能的重要性。这些研究成果，对于城市公共交通运营性能的改善提供了有力的理论支撑。
关于城市公交出行的换乘方法。乘坐公交出行时，我们一般考虑两个要素，即最少的换乘次数和最短的出行时间，通常，这两个要素成正比或正相关，也就是说，乘客采用最少换乘方案通常能够在最短的时间内到达目的站点。然而，当乘客因所等待的最少换乘目标车辆在换乘站点发生拥堵而无法乘坐时，若继续采用最少换乘策略，则对最少换乘目标车辆的长时间等待将导致乘客平均出行时间增大。在发生拥堵的公交站点，应用基于局域信息的路径搜索策略可以相对快速地到达目的站点。根据不同的拥堵程度，我们采用不同的局域搜索方法，并根据搜索结果进行换乘，相对于最少换乘方法来说，我们的方法总可以使乘客较快速地到达目的站点。
发明内容
为了克服现有的公交出行换乘方法在站点长时间拥堵时无法使乘客较快速到达目的站点的不足，本发明提供一种当站点发生持续拥堵时可满足乘客较快速地到达目的站点要求的公交网络换乘方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术具体步骤是：
一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，包括以下步骤：
步骤一：采用广度优先搜索算法进行实现公交网络中最少换乘方案，具体实现方法是：广度优先搜索算法是求无向网络中节点对间多条最短路径的经典算法，可用于计算网络中从源点到其他所有节点的最短路径，即从源点处开始，由近及远，进行层次搜索，直到所有的节点都被遍历。算法实现所需：（1）网络中未遍历的节点集V，初始为网络中的所有节点；（2）上层遍历到的节点队列askedQue；（3）存储当前层访问的节点队列curQue。从单源点s到其他站点的最短路径计算，设置askedQue中仅有一个元素s，算法过程如下：
（1）将存在于askedQue中的元素从V删除；
（2）对askedQue中的每一个元素，逐个查找其邻居节点，若其邻居节点v存在于V中且不在curQue中，则将其加入到curQue中；
（3）将askedQue=curQue，并将curQue置空；
（4）重复上述（1）、（2）、（3）步骤，直到V中没有元素。
以上是从单源点到网络中其他所有节点广度优先搜索过程，在搜索过程中，还需要记录节点被访问时的前驱或后继，以计算路径。对网络中的所有节点都进行上述算法，则可计算网络中任一节点对间的最短路径。
步骤二：乘客依据到达站点的先后顺序进行排队上车，遵循先下后上的原则；
步骤三：无论任何时刻，当最少换乘目标车辆到站且车辆未满员的情况下，均优先选择最少换乘目标车辆；
步骤四：如果有多辆最少换乘目标车辆同时到站，且车辆均未满员情况下，选择最少换乘方案中经过的站点数量最少的方案进行乘车；
步骤五：如果仅有一辆最少换乘目标车辆到站，且车辆未满员，则选择该车辆；
步骤六：如果在超过了乘客对最少换乘目标车辆的最大等待时间，且当前时刻最少换乘目标车辆未到站或最少换乘目标车辆到站但均已满员的情况下，依据当前网络的站点拥堵情况，进行基于局域信息的路径搜索。当公交网络中的站点处于轻度拥堵时，采用基于最大线路数量进行局域搜索；当公交网络中的站点处于重度拥堵时，采用最小空间距离进行搜索；
步骤七：如果依上述方法，未找到符合条件的换乘车辆，则乘客被迫在该站点等待；
步骤八：到达下一换乘站点后，仍按上述方法进行换乘，直到乘客到达目的站点。
进一步，所述步骤一中，乘客依据到达站点的先后顺序进行排队上车，指在该站点加入到公交网络中的乘客、以及需要在此站点需要换乘的乘客，按照其到达该站点的顺序，进行排队，其中遵守先下后上的原则；对于下车乘客，若该站即为目的站点，则离开该站点并从公交网络中移除；若该站点不是其目的站点，则在该站点处进行等待。
再进一步，所述步骤二中，最少换乘目标车辆，是指从该站点到目标站点的最少换乘方案中，在该站点处可以乘坐的公交车辆；车辆满员，是指公交车上乘客数量达到最多，在没有乘客下车的情况下，车外乘客无法上车。
更进一步，所述步骤三中，多辆最少换乘目标车辆同时到站且均可乘坐时，乘客选择经过站点数最少的换乘方案对应的公交车辆进行乘坐，这样可较快速地到达目的站点。
更进一步，所述步骤五中，乘客对最少换乘目标车辆的最大等待时间为该乘客所等待的最少换乘目标线路中发车间隔的最大值。在该最大等待时间内，乘客所等待的目标换乘车辆，理论上都可以到达该站点至少一次。
更进一步，所述步骤五中，站点拥堵，指若乘客在某一站点在对最少换乘车辆的最大等待时间内未能乘坐上最少换乘目标车辆，则当前时刻该站点对于该乘客是站点拥堵的；否则，该站点对于该乘客是畅通的。
更进一步，所述步骤五中，轻度拥堵是指网络中仅有部分较重要的站点发生的拥堵，拥堵站点的数量较少；重度拥堵是指，网络中的站点拥堵数量较多，范围较大，除了较重要的站点外，而一些较普通的站点也发生了拥堵。
更进一步，所述步骤五中，基于最大线路数量进行局域信息搜索，是指当前时刻到达的且未满员的车辆，根据线路的上下行行驶方向，将它们即将经过的站点构成集合V，选择集合V中连接线路数量最多的站点s作为下一换乘站点，并以即将经过站点s的车辆作为换乘车辆。
更进一步，所述步骤五中，基于最小空间距离进行搜索，是指当前时刻到达的且未满员的车辆，根据线路的上下行行驶方向，将它们即将经过的站点构成集合V，选择集合V中离该乘客的目的站点最近的站点s作为下一换乘站点，并以即将经过站点s的车辆作为换乘车辆，同时须满足站点s到乘客目的站点的距离小于当前站点到乘客目标站点的距离。
本发明的有益效果为：在公交网络中，当站点发生长时间拥堵时，应用本发明进行公交换乘，在平均意义上，可使乘客较快地到达目标站点，并使其平均出行时间减少。这对减少城市公交网络中的拥堵现象，以及提高网络利用率和运营能力具有积极的作用和影响。
说明书附图
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明做进一步说明。
一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，包括以下步骤：
步骤一：采用广度优先搜索算法进行实现公交网络中最少换乘方案，具体实现方法是：广度优先搜索算法是求无向网络中节点对间多条最短路径的经典算法，可用于计算网络中从源点到其他所有节点的最短路径，即从源点处开始，由近及远，进行层次搜索，直到所有的节点都被遍历。算法实现所需：（1）网络中未遍历的节点集V，初始为网络中的所有节点；（2）上层遍历到的节点队列askedQue；（3）存储当前层访问的节点队列curQue。从单源点s到其他站点的最短路径计算，设置askedQue中仅有一个元素s，算法过程如下：
（1）将存在于askedQue中的元素从V删除；
（2）对askedQue中的每一个元素，逐个查找其邻居节点，若其邻居节点v存在于V中且不在curQue中，则将其加入到curQue中；
（3）将askedQue=curQue，并将curQue置空；
（4）重复上述（1）、（2）、（3）步骤，直到V中没有元素。
以上是从单源点到网络中其他所有节点广度优先搜索过程，在搜索过程中，还需要记录节点被访问时的前驱或后继，以计算路径。对网络中的所有节点都进行上述算法，则可计算网络中任一节点对间的最短路径。
步骤二：乘客依据到达站点的先后顺序进行排队上车，遵循先下后上的原则。对于任一站点，都设置一个等待队列，乘客依据到达该站点的顺序，进入队列尾部排除等车；在任一时刻，乘客都需要先下后上；
步骤三：无论任何时刻，当最少换乘目标车辆到站且车辆未满员的情况下，均优先选择最少换乘目标车辆，即采用基于广度优先搜索的结果进行换乘；
步骤四：如果有多辆最少换乘目标车辆同时到站，且车辆均未满员情况下，选择最少换乘方案中经过的站点数量最少的方案进行乘车。公交网络中，当前所在站点到目标站点间可能存在多条换乘方案，若多种方案的最少换乘目标车辆同时进站，且均可乘坐的情况下，应选择经过站点数最少的换乘方案，这样可减少出行时间；
步骤五：如果仅有一辆最少换乘目标车辆到站，且车辆未满员，则选择该车辆；
步骤六：如果在超过了乘客对最少换乘目标车辆的最大等待时间，且当前时刻最少换乘目标车辆未到站或最少换乘目标车辆到站但均已满员的情况下，依据当前网络的站点拥堵情况，进行基于局域信息的路径搜索。这时，最少换乘目标车辆均无法乘坐，由于继续等待需要较长时间，此时，采用基于局域信息的路径搜索策略；具体搜索方案应根据网络不同的拥堵程度，进行选择。
当公交网络中的站点处于轻度拥堵时，采用基于最大线路数量进行局域搜索。当前时刻到达的且未满员的车辆，根据线路的上下行行驶方向，将它们即将经过的站点构成集合，选择集合中连接线路数量最多的站点作为下一换乘站点，并以即将经过站点的车辆作为换乘车辆。
当公交网络中的站点处于重度拥堵时，采用最小空间距离进行搜索。当前时刻到达的且未满员的车辆，根据线路的上下行行驶方向，将它们即将经过的站点构成集合，选择集合中离该乘客的目的站点最近的站点作为下一换乘站点，并以即将经过站点的车辆作为换乘车辆，同时须满足站点到乘客目的站点的距离小于当前站点到乘客目标站点的距离。
步骤七：如果依上述方法，未找到符合条件的换乘车辆，则乘客被迫在该站点等待。依据上述算法，若乘客仍未成功任何车辆，则乘客继续在该站点等待。
步骤八：到达下一换乘站点后，仍按上述方法进行换乘，直到乘客到达目的站点。
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 (9)
1.一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：采用广度优先搜索算法进行实现公交网络中最少换乘方案，具体实现方法是：广度优先搜索算法是求无向网络中节点对间多条最短路径的经典算法，可用于计算网络中从源点到其他所有节点的最短路径，即从源点处开始，由近及远，进行层次搜索，直到所有的节点都被遍历；算法实现所需：(a)网络中未遍历的节点集V，初始为网络中的所有节点；(b)上层遍历到的节点队列askedQue；(c)存储当前层访问的节点队列curQue；从单源点s到其他站点的最短路径计算，设置askedQue中仅有一个元素s，算法过程如下：
(1)将存在于askedQue中的元素从V删除；
(2)对askedQue中的每一个元素，逐个查找其邻居节点，若其邻居节点v存在于V中且不在curQue中，则将其加入到curQue中；
(3)将askedQue＝curQue，并将curQue置空；
(4)重复上述(1)、(2)、(3)步骤，直到V中没有元素；
以上是从单源点到网络中其他所有节点广度优先搜索过程，在搜索过程中，还需要记录节点被访问时的前驱或后继，以计算路径；对网络中的所有节点都进行上述算法，则可计算网络中任一节点对间的最短路径；
步骤二：乘客依据到达站点的先后顺序进行排队上车，遵循先下后上的原则；
步骤三：无论任何时刻，当最少换乘目标车辆到站且车辆未满员的情况下，均选择最少换乘目标车辆；
步骤四：如果有多辆最少换乘目标车辆同时到站，且车辆均未满员情况下，选择最少换乘方案中经过的站点数量最少的方案进行乘车；
步骤五：如果仅有一辆最少换乘目标车辆到站，且车辆未满员，则选择该车辆；
步骤六：如果在超过了乘客对最少换乘目标车辆的最大等待时间，且当前时刻最少换乘目标车辆未到站或最少换乘目标车辆到站但均已满员的情况下，依据当前网络的站点拥堵情况，进行基于局域信息的路径搜索；当公交网络中的站点处于轻度拥堵时，采用基于最大线路数量进行局域搜索；当公交网络中的站点处于重度拥堵时，采用最小空间距离进行搜索；
步骤七：如果依上述步骤二到步骤六的方法，未找到符合条件的换乘车辆，则乘客被迫在该站点等待；
步骤八：到达下一换乘站点后，仍按上述步骤二到步骤七的方法进行换乘，直到乘客到达目的站点。
2.如权利要求1所述的一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，其特征在于：所述步骤一中，乘客依据到达站点的先后顺序进行排队上车，指在该站点加入到公交网络中的乘客、以及需要在此站点需要换乘的乘客，按照其到达该站点的顺序，进行排队，其中遵守先下后上的原则；对于下车乘客，若该站即为目的站点，则离开该站点并从公交网络中移除；若该站点不是其目的站点，则在该站点处进行等待。
3.如权利要求1所述的一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，其特征在于：所述步骤三中，最少换乘目标车辆，是指从该站点到目标站点的最少换乘方案中，在该站点处可以乘坐的公交车辆；车辆满员，是指公交车上乘客数量达到最多，在没有乘客下车的情况下，车外乘客无法上车。
4.如权利要求1所述的一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，其特征在于：所述步骤四中，多辆最少换乘目标车辆同时到站且均可乘坐时，乘客选择经过站点数最少的换乘方案对应的公交车辆进行乘坐，这样可较快速地到达目的站点。
5.如权利要求1所述的一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，其特征在于：所述步骤六中，乘客对最少换乘目标车辆的最大等待时间为该乘客所等待的最少换乘目标线路中发车间隔的最大值；在该最大等待时间内，乘客所等待的目标换乘车辆，理论上都可以到达该站点至少一次。
6.如权利要求5所述的一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，其特征在于：所述步骤六中，站点拥堵，指若乘客在某一站点在对最少换乘车辆的最大等待时间内未能乘坐上最少换乘目标车辆，则当前时刻该站点对于该乘客是站点拥堵的；否则，该站点对于该乘客是畅通的。
7.如权利要求6所述的一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，其特征在于：所述步骤六中，轻度拥堵是指网络中仅有部分较重要的站点发生的拥堵，拥堵站点的数量较少；重度拥堵是指，网络中的站点拥堵数量较多，范围较大，除了较重要的站点外，而一些较普通的站点也发生了拥堵。
8.如权利要求7所述的一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，其特征在于：所述步骤六中，基于最大线路数量进行局域信息搜索，是指当前时刻到达的且未满员的车辆，根据线路的上下行行驶方向，将它们即将经过的站点构成集合V，选择集合V中连接线路数量最多的站点s作为下一换乘站点，并以即将经过站点s的车辆作为换乘车辆。
9.如权利要求7所述的一种基于流量信息的交通拥堵时的公交换乘方法，其特征在于：所述步骤六中，基于最小空间距离进行搜索，是指当前时刻到达的且未满员的车辆，根据线路的上下行行驶方向，将它们即将经过的站点构成集合V，选择集合V中离该乘客的目的站点最近的站点s作为下一换乘站点，并以即将经过站点s的车辆作为换乘车辆，同时须满足站点s到乘客目的站点的距离小于当前站点到乘客目标站点的距离。
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