CN106651034A - 一种公交线网规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的公交线网规划方法以最小化乘客的出行时间和换乘次数，最大化线网的需求密度为目标，综合考虑了乘客的利益和线网的运营效率，通过在OD对之间搜索客流量最大的线路，有效的提高了线路的利用效率。避免了传统模型仅局限在乘客的出行时间或者直达需求密度方面目标的不足，使得线路和客流更加一致，提高了公交线网的服务水平。

Description

一种公交线网规划方法

技术领域

本发明涉及公共交通规划领域，更具体地，涉及一种公交线网规划方法。

背景技术

随着城市的发展，城市居民的出行需求急剧增大，而公共交通的发展却相对滞后，引发了交通拥堵等问题。要尽可能满足城市居民的出行需求，缓解交通拥堵的现状，需要一个高效的公共交通系统。公共交通系统的重要组成部分之一是公交线网。科学合理地规划公交线网，对于提高公交系统的运营效率，减少换乘次数，缩短出行时间，改善服务水平，提高公交吸引力具有重要的意义。

目前现有研究提出了诸多公交线网规划模型及其求解算法，其基础的目标函数是最小化总出行时间，或者是在这个单目标上进行扩展，从而得到多种多目标函数。但是这些模型或者只是从乘客角度出发，最小化出行时间及换乘次数；或者只考虑整个线网的运营效率，最大化需求密度；或者考虑到乘客和线网运营效率，但是目标只是最小化出行时间，最大化直达需求密度，忽略了换乘的影响。

发明内容

本发明为解决以上现有技术的难题，提供了一种公交线网规划方法，该方法综合考虑了总的出行时间、换乘次数和线网的需求密度三个指标，然后寻求使三个目标的综合效益最好的线网，实验证明，此规划方法提高了公交的运营效率，改善了公交的服务水平。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种公交线网规划方法，包括以下步骤：

S1.根据公交刷卡数据和报站数据，建立公交OD矩阵和节点间的路段行驶时间矩阵；

S2.基于OD矩阵和初始解集生成算法生成满足约束条件的初始线网作为当前解；

S3.基于流量分配算法对当前解进行需求量分配；

S4.根据目标函数值计算方法计算当前解的目标函数值Z1：

其中d_ij为节点i到节点j的需求量；t_ij为节点i到节点j的出行时间，可由路段行驶时间矩阵求取得到；tr_ij为节点i到节点j的换乘次数；l_ij为节点i到节点j的线路长度；ω为换乘参数，α、β、γ为效率均衡系数；当x_ij为0时，表示节点i到节点j之间的路径为换乘路径，当x_ij为1时，表示节点i到节点j之间的路径为直达路径；

S5.采用邻域解集生成算法生成满足约束条件的邻域解；

S6.基于流量分配算法对邻域解进行需求量分配；

S7.根据目标函数值计算方法计算邻域解的目标函数值Z2；

S8.计算当前解和邻域解的目标函数值之差dz；若dz大于0，将邻域解作为当前解，若dz小于0，按照Metropolis准则将邻域解作为当前解；

S9.重复步骤S5～S8直至达到设定的迭代次数，此时将当前解作为最终的规划方案进行输出。

优选地，所述步骤S9具体如下：

S91.在开始迭代之前，设置一个初始温度p和温度下降系数q，在初始温度p的情况下，执行f次步骤S5～S8；

S92.令p＝pq，然后执行f次步骤S5～S8；

S93.判断p是否满足温度终止条件，若否则执行步骤S92，若是则将当前解作为最终的规划方案进行输出。

优选地，所述步骤S2中，约束条件具体如下：

1)线网连通；2)没有环线；3)线网中线路条数满足预设值；4)换乘次数不超过n次；5)线路节点数小于预设最大值，大于预设最小值；6)路段上设置的公交线路数小于预设值；7)线网密度大于预设值；8)线路非直线系数小于预设值。

优选地，所述步骤S2中，初始解集生成算法生成初始线网的具体过程如下：

1)遍历整个OD矩阵，选择OD量超过g的OD所对应的边作为一条线路的起始边；

2)随机选择j～k之间的整数作为一条线路的节点数，j<k，然后随机选择与起始边相连的边进行延伸，直到达到所选择的节点数，形成一条线路；

3)重复步骤2)，直到线路条数达到h条，h条线路形成初始线网。

优选地，所述基于流量分配算法进行需求量分配的具体过程如下：

1)获取线网中节点i到节点j的直达路径和/或换乘路径；

2)确认线网中节点i是否只有一条直达路径或换乘路径可以到达节点j，若是，则此条路径为唯一路径，该路径的需求量与OD矩阵中相应的需求量对应；若线网中节点i存在两条或两条以上的直达路径和/或换乘路径可以到达节点j，则对每条路径的行驶时间进行求取，然后将OD矩阵中相应的需求量以各条路径行驶时间的倒数为比例进行分配。

优选地，所述步骤S5具体如下：

1)选择初始线网中的一条线路作为将要修改的线路；

2)随机选择修改函数进行对此条线路进行修改；

3)若修改后的的线路满足约束条件，则替换初始线网的原线路，初始线网经替换后得到邻域解。

优选地，所述修改函数包括插入节点函数、添加节点函数、删除节点函数、交换节点函数；

1)插入节点函数，用于在线路的中间插入一个外节点；

2)添加节点函数，用于在线路的两端添加一个外节点；

3)删除节点函数，用于在线路的两端删除一个节点；

4)交换节点函数，用于将线路某个中间节点与外节点进行交换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的方法以最小化乘客的出行时间和换乘次数，最大化线网的需求密度为目标，综合考虑了乘客的利益和线网的运营效率，通过在OD对之间搜索客流量最大的线路，有效的提高了线路的利用效率。避免了传统模型仅局限在乘客的出行时间或者直达需求密度方面目标的不足，使得线路和客流更加一致，提高了公交线网的服务水平。

附图说明

图1为本发明提供的方法的流程图。

图2为本发明提供的方法的实施示意图。

图3为浔峰洲区域的道路网络拓扑图。

图4为对浔峰洲区域规划后的路网图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

图1、2为本发明所提供的方法的流程图，其具体包括以下步骤：

第一步、根据公交刷卡数据和报站数据，建立公交OD矩阵和路段行驶时间矩阵，并根据城市道路网络获取拓扑图。本实施例中，选择广州与佛山交界处的浔峰洲区域作为实验区域进行公交线网的规划。浔峰洲的部分OD矩阵如表1所示，部分路段行驶时间矩阵如表2所示，道路网拓扑图如图3所示，其由90个节点和200条有向路段组成：

表1 客流需求矩阵 单位(个)

表2 路段行驶时间矩阵 单位(秒)

其中，inf表示：两个节点之间不能直接通达，需要经过其他节点才能通达。

第二步、基于OD矩阵和初始解集生成算法生成满足约束条件的初始线网作为当前解。其中线网的约束条件是：1)线网连通；2)没有环线；3)线网中线路条数满足预设值；4)换乘次数不超过3次；5)线路节点数小于预设最大值，大于预设最小值；6)复线条数(某条路段上设置的公交线路数)小于预设值20；7)线网密度(线网长度与城市面积之比)大于预设值0.6；8)线路非直线系数(线路长度与起终站点间直线距离之比)小于预设值1.4。

其中基于线网初始解集生成算法、OD矩阵来生成初始线网的过程包括：

1)遍历整个OD矩阵，选择OD量超过200的OD所对应的边，作为一条线路的起始边；

2)随机选择8-20之间的数作为一条线路的节点数，然后随机选择可以与起始边相连的边作为延伸，直到达到所选择的节点数，形成一条线路：

3)重复步骤2)，直到达到预设线路条数40条，就形成一个初始线网；

第三步、基于流量分配算法对当前解进行流量分配，具体过程如下：

1)获取线网的所有直达(换乘)路径。当前解中的每一条线路中的任意两个点之间都可以直达，确认为直达路径，存入直达路径表。任意两条线路之间如果有相同的节点，则其他不同的节点之间都可以通过一次换乘到达，确认为一次换乘路径，存入换乘路径表，标注1；任意两条线路之间没有相同的节点，但是都与第三条线路有相同节点，那么这两条线路上的节点都可以通过两次换乘到达，确认为两次换乘路径，同样存入换乘路径表，标注2；3次换乘路径获取原理同上，存入换乘路径表，标注3。在此过程中，每得到一条路径，就通过遍历路段行驶时间矩阵，找到对应的路段行驶时间，填入路径表中相应的位置。

2)确定线网中路径的唯一性。首先在每一条路径后都标注为1，然后从第一条路径开始顺序遍历整个直达(换乘)路径表，若没有与之相同的路径，则此路径为唯一路径，标注1不变。若有相同路径，遍历到一个相同的路径，第一次出现的路径标注就加1，而此路径标注变为0(相当于删除此路径，不再参与下次的比较),直到遍历完整个表格。最后标注的大小，就是这个路径在此线网中出现的次数。

3)唯一直达(换乘)路径的需求量就对应OD矩阵中相应的需求量，不唯一的直达(换乘)路径按照路径行驶时间倒数的比例分配OD矩阵中相应的需求量，需求量都一一完善在上述两个路径表格中。

第四步、根据目标函数值计算方法计算当前解的目标函数值Z1。采用的目标函数，是以乘客出行时间最短，换乘次数最少，线网需求密度最大为总目标，其公式如下：

式中，d_ij为节点i到节点j的需求量，从OD矩阵中获取；t_ij为节点i到节点j的出行时间，从路段行驶时间矩阵中获取；tr_ij为节点i到节点j的换乘次数；l_ij为节点i到节点j的线路长度，对应路段行驶时间；ω为换乘参数(反映换乘的重要性)，这里采用0.5；αβγ是各个单目标的效率均衡系数，全部采用1；当为0时表示节点i到节点j为换乘路径，当为1时表示节点i到节点j为直达路径。

将步骤3中获得的初始线网的路径表中的数据对应地代入到上述公式，计算出Z1。

第五步、采用邻域解集生成算法生成满足约束条件的邻域解集，具体过程如下：

1)将第二步得到的初始公交线网进行输入，并随机选择其中的一条线路作为将要修改的线路；

2)随机选择一个修改函数对此条线路进行修改。如果选择了插入节点函数，则要在此线路的中间插入一个能与线路上相邻两个节点都可以相连的外节点，形成一条新的线路；如果选择了添加节点函数，则要添加一个与线路的首节点或者尾节点可以相连的节点，形成一条新线路；如果选择了删除节点函数，则要随机删除此线路的首节点或者尾节点，形成一条新线路；如果选择了交换节点函数，则要选择一个外节点来替换此线路的某个节点，并且外节点要能够与被替换节点的两个相邻节点相连，替换后形成一条新线路。

3)若修改后的线路满足上述的约束条件，则将替换原线路成为一个新的线网，即邻域解。

第六步、基于流量分配算法对邻域解进行流量分配(同上初始解的流量分配)。得到关于邻域解的路径表。

第七步、根据目标函数值计算方法计算邻域解的目标函数值Z2，即将第六步中邻域解的路径表中的数据对应代入到目标函数公式，计算得到Z2。

第八步、计算当前解和邻域解的目标函数值之差Z1-Z2＝dz。

第九步、若dz大于0，邻域解被接受成为当前解，若dz小于0，按照Metropolis准则接受邻域解作为当前解。

第十步、重复第五步—第九步直到满足迭代终止条件(每个温度下迭代30次)和温度终止条件(100个逐渐递减的温度值)，此时的当前解即为最终规划的公交线网，如图4所示。

本实施例中，最后得到的结果与现状公交路网的部分评价指标如下表3所示：

表3 线网部分评价指标结果

定量评价结果中，本发明公布的方法所规划的公交线网，直达率更高，平均换乘次数更少，需求密度更大，从而提高了公交线网的服务水平和运营效率，是对现状公交路网的优化。

鉴于以上理由，本发明可以广泛应用于城市公交线网规划领域。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种公交线网规划方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.根据公交刷卡数据和报站数据，建立公交OD矩阵和节点间的路段行驶时间矩阵；

S2.基于OD矩阵和初始解集生成算法生成满足约束条件的初始线网作为当前解；

S3.基于流量分配算法对当前解进行需求量分配；

S4.根据目标函数值计算方法计算当前解的目标函数值Z1：

$\min Z1=\mathrm{\&alpha;}\underset{i,j=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{d}_{ij}{t}_{ij}+\mathrm{\&beta;}\underset{i,j=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{d}_{ij}{\mathrm{tr}}_{ij}-\mathrm{\&gamma;}\underset{i,j}{\overset{N}{\&Sigma;}}\frac{{\mathrm{\&omega;d}}_{ij}{x}_{ij}}{l_{ij}}$

其中d_ij为节点i到节点j的需求量；t_ij为节点i到节点j的出行时间，可由路段行驶时间矩阵求取得到；tr_ij为节点i到节点j的换乘次数；l_ij为节点i到节点j的线路长度；ω为换乘参数，α、β、γ为效率均衡系数；当x_ij为0时，表示节点i到节点j之间的路径为换乘路径，当x_ij为1时，表示节点i到节点j之间的路径为直达路径；

S5.采用邻域解集生成算法生成满足约束条件的邻域解；

S6.基于流量分配算法对邻域解进行需求量分配；

S7.根据目标函数值计算方法计算邻域解的目标函数值Z2；

S8.计算当前解和邻域解的目标函数值之差dz；若dz大于0，将邻域解作为当前解，若dz小于0，按照Metropolis准则将邻域解作为当前解；

S9.重复步骤S5～S8直至达到设定的迭代次数，此时将当前解作为最终的规划方案进行输出。

2.根据权利要求1所述的公交线网规划方法，其特征在于：所述步骤S9具体如下：

S91.在开始迭代之前，设置一个初始温度p和温度下降系数q，在初始温度p的情况下，执行f次步骤S5～S8；

S92.令p＝pq，然后执行f次步骤S5～S8；

S93.判断p是否满足温度终止条件，若否则执行步骤S92，若是则将当前解作为最终的规划方案进行输出。

3.根据权利要求1所述的公交线网规划方法，其特征在于：所述步骤S2中，约束条件具体如下：

1)线网连通；2)没有环线；3)线网中线路条数满足预设值；4)换乘次数不超过n次；5)线路节点数小于预设最大值，大于预设最小值；6)路段上设置的公交线路数小于预设值；7)线网密度大于预设值；8)线路非直线系数小于预设值。

4.根据权利要求1所述的公交线网规划方法，其特征在于：所述步骤S2中，初始解集生成算法生成初始线网的具体过程如下：

1)遍历整个OD矩阵，选择OD量超过g的OD所对应的边作为一条线路的起始边；

2)随机选择j～k之间的整数作为一条线路的节点数，j<k，然后随机选择与起始边相连的边进行延伸，直到达到所选择的节点数，形成一条线路；

3)重复步骤2)，直到线路条数达到h条，h条线路形成初始线网。

5.根据权利要求1所述的公交线网规划方法，其特征在于：所述基于流量分配算法进行需求量分配的具体过程如下：

1)获取线网中节点i到节点j的直达路径和/或换乘路径；

2)确认线网中节点i是否只有一条直达路径或换乘路径可以到达节点j，若是，则此条路径为唯一路径，该路径的需求量与OD矩阵中相应的需求量对应；若线网中节点i存在两条或两条以上的直达路径和/或换乘路径可以到达节点j，则对每条路径的行驶时间进行求取，然后将OD矩阵中相应的需求量以各条路径行驶时间的倒数为比例进行分配。

6.根据权利要求1所述的公交线网规划方法，其特征在于：所述步骤S5具体如下：

1)选择初始线网中的一条线路作为将要修改的线路；

2)随机选择修改函数进行对此条线路进行修改；

3)若修改后的的线路满足约束条件，则替换初始线网的原线路，初始线网经替换后得到邻域解。

7.根据权利要求6所述的公交线网规划方法，其特征在于：所述修改函数包括插入节点函数、添加节点函数、删除节点函数、交换节点函数；

1)插入节点函数，用于在线路的中间插入一个外节点；

2)添加节点函数，用于在线路的两端添加一个外节点；

3)删除节点函数，用于在线路的两端删除一个节点；

4)交换节点函数，用于将线路某个中间节点与外节点进行交换。