CN105225473A - 一种基于站点效率计算的公交快线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于站点效率计算的公交快线设计方法，属于智能交通领域，所述方法包括：构建公交网络，提取网络流量分布特征，建立节点效率评价模型，设计公交快线运行路线。本发明建立以公交线路为基础的网络，依据公交乘客出行数据获取网络节点流量分布特征，根据节点流量分布特征评价节点的传输效率，以乘客出行时间最小化为目标，设计以高效节点组成的公交快线，提高网络效率。本发明针对真实的城市公交出行数据，建立一个以公交线路网络为基础的网络节点传输效率评价模型，实现以流量分布特征为导向设计快速公交线路，减少线路中效率低的站点，从而缩减乘客的旅行时间，提高公交运行的效率。

Description

一种基于站点效率计算的公交快线设计方法

技术领域

本发明涉及一种用于提高公交运行效率的基于站点效率计算的公交快线设计方法。

背景技术

跳站快线是指在原有公交线路中只停靠某几个站点而在其他站点经过不停车，跳过的站点往往是一些上下车客流量较小的站点。由于节省了在某些站点停靠的时间，在减轻路段交通压力的同时使得大部分乘客的旅行时间缩短，对乘客十分有利。此外，对公交公司而言，缩减了车辆的运行周期，可以减小车队规模，节约运行成本。

传统的跳站快线线路设计一般由枢纽站点组成，或由调查得到的OD数据选取客流需求较大的站点。枢纽站点可换乘多条公交线路，但目前城市公交网络发展逐渐完善，很多站点都存在多条线路经过，以至于难以衡量选取。而仅凭OD数据作为参考也有可能遗漏某些关键站点，这些站点虽然上下车人数较少，但占比却很大。这些方法都存在一定的主观性，没有对站点本身运行效率进行考虑。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种适用于跳站运行的基于站点效率计算的快线设计方法，该方法实用性强，可以提供公交运行效率。

本发明的技术解决方案：一种基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特点在于通过以下步骤实现：

一种基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)以现有的公交线路数据为基础，建立公交网络并存到文件中；

(2)将由一卡通刷卡数据得到的公交OD数据分配至建立的公交网络当中，按照每个站点不同时段t的客流分布特征，计算得到对应时段的效率e_t；

(3)根据步骤(2)得到的不同时段的站点效率进行加权，计算出每个站点的客流聚集特征，即综合评估后的站点效率e；

(4)选取客流总量大于给定总量阈值V_th的原线路，对其中评估效率低于给定效率阈值e_th的站点进行删除，设计与原线路并行的快线线路；

(5)设计新的运行方案，在原有运力资源下，并行运行原线路与快线路并分配新线路和原线路的发车间隔，以最优化乘客平均节省的旅行时间与等待时间为目标建立目标函数，提高整体运行效率。

所述步骤(1)中公交网络是将现实中的路网用有向图来表示，图的节点表示为每一个公交站点，图的边表示为两个公交站点存在的线路上的相邻顺序关系，网络的构造方法即L空间法，以稀疏矩阵的方式存储表示。

所述步骤(2)中将由一卡通刷卡数据得到的公交OD数据计算得到每个站点时段t的效率e_t的过程为：根据一卡通数据记录的起终点以及所乘坐的线路号计算时段t内站点的客流分布，客流分布包括总客流V与起讫客流V_s，则站点时段t的效率e_t计算为：

$e_t=\frac{V_s}{V}$

其中总客流V是指所有经过该站点的客流量总和，起讫客流V_s是指在该站点上下车的客流量。

所述步骤(3)中综合评估后的站点效率e计算为：

$\begin{array}{c}e=E*W^T\\ =\left\{e_{t_1},e_{t_2},e_{t_3},e_{t_4},e_{t_5}\right\}*\left\{w_{t_1},w_{t_2},w_{t_3},w_{t_4},w_{t_5}\right\}\\ =\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{e}_{t_i}*w_{t_i}\end{array}$

其中：e_t表示在时段t内站点的起讫客流与总客流的比值，所述的时段t包括早高峰、午平峰、晚高峰、晚平峰以及夜间五个时段；

分布表示上述五个时段中每个时段效率；

分别表示上述五个时段中每个时段效率的权重。在计算每个站点的综合站点效率e的基础上，选取合适的效率阈值e_th，删除效率低于给定效率阈值的站点，得到高效率站点组成的快线线路。

所述步骤(4)选取客流总量大于给定流量阈值V_th的线路，对其中评估效率小于给定流量阈值e_th的站点进行删除，设计与原线路并行的快线线路的具体实现过程为：

(1)根据乘客上下车刷卡数据，计算公交线路集合L：{line}中每一条线路line所有站点的总客流量V_line，选取客流总量大于给定流量阈值V_th的线路，得到线路集合L’，则有：

L':{line|V_line≥V_th,line∈L}

(2)对于L’中的每一条线路line，其站点序列line:<s₁,s₂,…,s_n>，依据计算得到每个站点s的综合评估效率e^s，删除线路中效率低于给定效率阈值e_th的站点，得到快线线路line’站点序列：

line':<s_i1,s_i2,…,s_in>,其中e^sij≥e_th,且站点在新序列中位置先后顺序不变。

所述步骤(5)中，设目标函数△T，如下：

△T＝T_s-T_w

T_s：新运行方案中由于快线运行乘客减少的旅行时间

T_w：新运行方案中由于发车间隔改变乘客增加的等待时间

所述新运行方案中由于快线运行乘客减少的旅行时间为乘坐快线部分的乘客的旅行时间相对于原有旅行时间减少的总时间，具体时间计算为原站点间行驶时间与该路段其他车辆行驶时间之差，即：

v_od：od间的客流量

t_od：od间运行时间

t_od'：od间快线运行速度

vel_od：od间平均运行速度，由公交数据计算得到

vel_od'：od间平均运行速度，即道路速度，由百度地图服务数据得到；

t_de：站点停靠时间

dist_od：od站点间距离。

所述新运行方案中由于发车间隔改变乘客增加的等待时间为新方案运行平均等待时间与原方案平均等待时间之差，其中由于乘客到达公交站点时间呈泊松分布，平均等待时间为t＝k/f，f为发车频率，k与车辆到站时间有关，当到站时间呈泊松分布时，k＝1/2，则有：

其中：

T_w新：新方案中乘客总体平均等待时间

T_w旧：旧方案中乘客总体平均等待时间

f_快：新方案中快线发车间隔

f_原：新方案中原线路发车间隔

f_旧：旧方案中线路的发车间隔

v_快：乘坐站点区间在快线路上的客流量

v_原：乘坐站点区间不在快线路上的客流量

v_总：线路的总客流量

所述步骤(5)设计新的运行方案，在原有运力资源下，并行运行原线路与快线路并分配新线路和原线路的发车间隔的具体实现过程为：

(1)对于原有运力资源，即车队规模Num，提出新设计的快线路与原线路并行运行的方案，新方案中车队规模应该不大于旧方案中的车队规模，假设分配给快线路的车辆数为Num快，分配给原线路的车辆数为Num原，则有：

Num_快+Num_原≤Num；

(2)车队规模N与车辆发车频率F、线路运行周期T之间关系如下式：

N＝F*T

则结合步骤(1)可得新运行方案中快线发车频率与原线路发车频率存在以下关系：

T_原*f_旧≥T_快*f_快+T_原*f_原

T_原：原线路运行周期

T_快：快线路运行周期。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对真实的城市公交出行数据，建立一个以公交线路网络为基础的网络节点传输效率评价模型，实现以流量分布特征为导向设计快速公交线路，减少线路中效率低的站点，从而缩减乘客的旅行时间，提高公交运行的效率。

(2)本发明计算方便，实用性强。由于充分考虑线路运行中站点的效率，去除低效率站点，降低旅行时间，缩减了车辆的运行周期，节约运行成本。同时在考虑其他乘客的出行需求下，设置了新方案运行新旧线路，以最优化总体旅行时间和等待时间为目标，提高了车辆整体的运行效率。

附图说明

图1为本发明实现流程图；

图2为原线路与快线线路路线对比，其中星形和圆形标记物为公交站点，星型为跳过的站点而圆形为新线路的站点。标记物中间的实线轨迹为原线路，虚线为新线路运行轨迹。

具体实施方式

以下以北京市公交线路，如图1所示为例说明本发明的实现步骤：

1.建立路网组织结构并存到文件中

从原始线路文件中读取公交线路数据，建立公交线路网络，并以稀疏矩阵的形式存储。

2.根据一卡通刷卡数据得到五个时段的站点客流分布特征，分别是：

早高峰t₁：5：00-10：00；

日平峰t₂：10：00-17：00；

晚高峰t₃：17：00-20：00；

晚平峰t₄：20：00-23：00；

夜间t₅：23：00-5：00.

对于某个站点P，其五个时段的日均总客流V和起讫客流V_s及对应效率e_t分别为：

t₁:1589,684,0.4305；

t₂:2768,763,0.2757；

t₃:1282,527,0.4111；

t₄:1328,384,0.2892；

t₅:89,24,0.2697；

五个时段的效率权重W＝{0.35,0.2,0.25,0.15,0.05}(由时段内单位时间客流量比例得到),则P的综合效率为：

e＝0.4305*0.35+0.2757*0.2+0.4111*0.25+0.2892*0.15+0.2697*0.05

＝0.3655。

3.对于满足客流总量大于给定总量阈值V_th的一条有25个站点的线路line:<s₁,s₂,…,s₂₅>，其各个站点综合效率分别为：

1,0.223,0.442,0.33,0.122,0.423,0.263,0.682,0.227,0.335,0.254,0.232,0.368,0.432,0.125,0.61,0.112,0.211,0.336,0.29,0.68,0.336,0.254,0.558,1.

给定效率阈值e_th＝0.4，则line中有9个站点效率大于0.4(首尾两个效率为1的站点为起终站点),得到新线路line’：

line':<s₁,s₃,s₆,s₈,s₁₄,s₁₆,s₂₁,s₂₄,s₂₅>。

4.得到新线路L’后，得到新线路各站点间的客流量统计如表1，表中每个元素表示对应相邻站点间的客流量(单位：人次)：

表1新线路站点间客流出行量

编号	S1	S3	S6	S8	S14	S16	S21	S24	S25
										S1	0	370	163	517	819	244	500	277	335
S3	0	0	16	23	44	154	32	168	82
										S6	0	0	0	407	787	288	358	232	299
S8	0	0	0	0	330	128	84	49	143
										S14	0	0	0	0	0	186	372	282	397
S16	0	0	0	0	0	0	279	298	371
										S21	0	0	0	0	0	0	0	95	103
S24	0	0	0	0	0	0	0	0	135

S25

0

0

0

0

0

0

0

0

0

原线路中相邻站点间距离信息如表2，表中每个元素表示对应行站点到其下一个站点的物理距离(单位：m)：

表2相邻站点间距离

则计算得新线路相邻站点间客流量以及距离如表3：

表3新线路相邻站点间信息

	S1-S3	S3-S6	S6-S8	S8-S14	S14-S16	S16-S21	S21-S24	S24-S25
									客流量	3225	3374	5566	5353	4610	4558	3131	1865
距离	1269	1290	1981	5554	2082	4709	1959	1502

由公交数据计算得站点间公交车运行速度信息Vel_od＝7m/s,由地图服务数据计算得站点间道路速度信息Vel_od'＝15m/s，站点间停靠时间t_de＝10s，则：

5.原行驶方案中车辆运行周期为63(min)，发车间隔为3(min/次)，新线路车辆运行周期为35(min)，

T_原*f_旧≥T_快*f_快+T_原*f_原

此处v_快＝9367，v_原＝27214，T_原＝63min，T_快＝35min，f_旧＝3min，令k＝1，有：

35*f_快+63*f_原≤21

当f_快＝7min，f_原＝4min时，min(T_w)＝64682(min)

此时△T＝T_s-T_w＝60487(min)。

如图2所示为原线路与快线线路路线对比，图中中间部分深色实线以及虚线为线路轨迹，其中星形和圆形标记物为公交站点，星型为跳过的站点而圆形为新线路的站点，实线轨迹为原线路，虚线为新线路运行轨迹。原线路在经过站点效率评估后，得到了新的快线线路，由图2中可以看出，线路运行轨迹不变，但停靠站点数目减少，从而提高了车辆运行的效率，同时也节省了乘客的旅行时间。

Claims (10)

1.一种基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)以现有的公交线路数据为基础，建立公交网络并存到文件中；

(2)将由一卡通刷卡数据得到的公交OD数据分配至建立的公交网络当中，按照每个站点不同时段t的客流分布特征，计算得到对应时段的效率e_t；

(3)根据步骤(2)得到的不同时段的站点效率进行加权，计算出每个站点的客流聚集特征，即综合评估后的站点效率e；

(4)选取客流总量大于给定总量阈值V_th的原线路，对其中评估效率低于给定效率阈值e_th的站点进行删除，设计与原线路并行的快线线路；

(5)设计新的运行方案，在原有运力资源下，并行运行原线路与快线路并分配新线路和原线路的发车间隔，以最优化乘客平均节省的旅行时间与等待时间为目标建立目标函数，提高整体运行效率。

2.根据权利要求1所述的基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中公交网络是将现实中的路网用有向图来表示，图的节点表示为每一个公交站点，图的边表示为两个公交站点存在的线路上的相邻顺序关系，网络的构造方法即L空间法，以稀疏矩阵的方式存储表示。

3.根据权利要求1所述的基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中将由一卡通刷卡数据得到的公交OD数据计算得到每个站点时段t的效率e_t的过程为：根据一卡通数据记录的起终点以及所乘坐的线路号计算时段t内站点的客流分布，客流分布包括总客流V与起讫客流V_s，则站点时段t的效率e_t计算为：

其中总客流V是指所有经过该站点的客流量总和，起讫客流V_s是指在该站点上下车的客流量。

4.根据权利要求1所述的基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中综合评估后的站点效率e计算为：

e＝E*W^T

其中：e_t表示在时段t内站点的起讫客流与总客流的比值，所述的时段t包括早高峰、午平峰、晚高峰、晚平峰以及夜间五个时段；

分布表示上述五个时段中每个时段效率；分别表示上述五个时段中每个时段效率的权重。

5.根据权利要求4所述的基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于：在计算每个站点的综合站点效率e的基础上，选取合适的效率阈值e_th，删除效率低于给定效率阈值的站点，得到高效率站点组成的快线线路。

6.根据权利要求1所述的基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于：所述步骤(4)选取客流总量大于给定流量阈值V_th的线路，对其中评估效率小于给定流量阈值e_th的站点进行删除，设计与原线路并行的快线线路的具体实现过程为：

(1)根据乘客上下车刷卡数据，计算公交线路集合L：{line}中每一条线路line所有站点的总客流量V_line，选取客流总量大于给定流量阈值V_th，得到线路集合L’则有：

L':{line|V_line≥V_th,line∈L}

(2)对于L′中的每一条线路line，其站点序列line:＜s₁,s₂,…,s_n＞，依据权利5计算得到每个站点s的综合评估效率e^s，删除线路中效率低于给定效率阈值e_th的站点，得到快线线路line’站点序列：

line':＜s_i1,s_i2,…,s_in＞,其中且站点在新序列中位置先后顺序不变。

7.根据权利要求1所述的基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中，设目标函数△T，如下：

△T＝T_s-T_w

T_s：新运行方案中由于快线运行乘客减少的旅行时间；

T_w：新运行方案中由于发车间隔改变乘客增加的等待时间。

8.根据权利要求7所述的基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于：新运行方案中由于快线运行乘客减少的旅行时间为乘坐快线部分的乘客的旅行时间相对于原有旅行时间减少的总时间，具体时间计算为原站点间行驶时间与该路段其他车辆行驶时间之差，即：

v_od：od间的客流量；

t_od：od间运行时间；

t_od'：od间快线运行速度；

vel_od：od间平均运行速度，由公交数据计算得到；

vel_od'：od间平均运行速度，即道路速度，由百度地图服务数据得到；

t_de：站点停靠时间；

dist_od：od站点间距离。

9.根据权利要求6所述的基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于：新运行方案中由于发车间隔改变乘客增加的等待时间为新方案运行平均等待时间与原方案平均等待时间之差，其中由于乘客到达公交站点时间呈泊松分布，平均等待时间为t＝k/f，f为发车频率，k与车辆到站时间有关，当到站时间呈泊松分布时，k＝1/2，则有：

其中：

T_w新：新方案中乘客总体平均等待时间；

T_w旧：旧方案中乘客总体平均等待时间

f_快：新方案中快线发车间隔

f_原：新方案中原线路发车间隔

f_旧：旧方案中线路的发车间隔

v_快：乘坐站点区间在快线路上的客流量

v_原：乘坐站点区间不在快线路上的客流量

v_总：线路的总客流量。

10.根据权利要求1所述的基于站点效率计算的公交快线设计方法，其特征在于：所述步骤(5)设计新的运行方案，在原有运力资源下，并行运行原线路与快线路并分配新线路和原线路的发车间隔的具体实现过程为：

(1)对于原有运力资源，即车队规模Num，提出新设计的快线路与原线路并行运行的方案，新方案中车队规模应该不大于旧方案中的车队规模，假设分配给快线路的车辆数为Num_快，分配给原线路的车辆数为Num_原，则有：

Num_快+Num_原≤Num

(1)车队规模N与车辆发车频率F、线路运行周期T之间关系如下式：

N＝F*T

则结合步骤(1)可得新运行方案中快线发车频率与原线路发车频率存在以下关系：

T_原*f_旧≥T_快*f_快+T_原*f_原

T_原：原线路运行周期

T_快：快线路运行周期。