CN107092986A - 基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法，通过搜寻合理的换乘站点并将途经站点间的所有共线公交线路作为乘客可乘坐的线路，在计算候车时间中考虑了公交站点间所有共线线路的发车间隔，即乘客可选择所有共线线路中最先到达的线路，有别于以往算法中仅单一线路的发车间隔，提高了站点候车时间计算的准确性；在计算站点间行程时间时，考虑了所有共线线路的行程时间的加权平均值，有别于以往算法中仅单一线路的行程时间，提高了行程时间计算的准确性；所给出的推荐路径包括各途经站点以及站点间可乘坐的公交线路，有别于以往仅给出单一公交线路及换乘出行链，推荐路径更具合理性。提高了出行路径选择的合理性及出行时间估算的准确性。

Description

基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法

技术领域

本发明涉及一种智能交通管理技术，特别涉及一种基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法。

背景技术

公共汽车交通出行是一种绿色高效的出行方式，但由于城市公交线路走向和站点分布的复杂性，如何快速寻找最为便捷快速的从出发地到目的地的公交出行方案，成为城市居民和外地旅客关注的问题。因此，有必要采取合适的方法为公交乘客选择合理的乘车线路和换乘站点，以提高公交出行效率。

经对现有技术的文献检索发现，有关公交乘客出行路径选择的方法主要有以下几种：

(1)传统小汽车交通出行最短路径算法。这类算法是研究路网中两点间阻抗最小的路径，针对小汽车交通，有包括Dijkstra算法、Floyd-Warshall算法等较为成熟的算法。我国的发明专利“基于骨干路网分层的多路径选择方法”、“多任务导航中最优路径选择方法”和“一种急救车后送路径选择方法”又分别从考虑驾驶员对出行路径的判断、考虑多个任务点以及考虑紧急救援等交通，提出了一系列新的路径选择方法。

(2)基于图论的公交出行最短路径选择算法。这类算法将公交系统抽象建模成一个以公交站点为节点、以公交线路为连线的图，然后应用经典的最短路径算法求公交出行的最短路径，最后将这条最短路径转换成公交出行换乘方案。例如Anez在《Dual GraphRepresentation of Transport Networks》中提出的二重图公交网络模型以及苏爱华在《公交网络换乘问题的一种实现》中提出的公共交通网络模型。

(3)考虑换乘次数、换乘等待时间等因素的公交出行路径选择算法。公交出行选择受多种因素的影响，除了采用出行时长反映出行效率外，可采用换乘次数体现便利性。例如Nicholas在《A data model for multi-dimensional transportation applications》中提出了公交网络静态多路径优选算法，其中以换乘次数最少为第一目标，出行距离最短为第二目标。赵巧霞在《以最小换乘次数和站数为目标的公交出行算法》建立了以换乘次数最少为主要目标，途径站数最小为次要目标的最优路径出行模型。

第一种方法虽然较为成熟，但公交线网较道路网更为复杂，线路即使相交也未必有换乘站点，因此传统小汽车交通出行最短路径算法一般难以直接应用于公交出行路径选择。为此，第二种方法充分考虑了公交线网以站点为转换节点的特点，建立了相应网络图，但由于忽略了换乘次数这一因素，导致优化结果可能出现换乘次数过多的情况，与实际乘客出行需考虑换乘、票价等综合因素的实际情况不符。因此，在第三种方法中，增加了乘客对于最优路径的综合因素考虑。但现有方法均是以搜索最优的单个公交线路及换乘出行链为目标，将不同的公交线路作为不同的公交出行路径方案进行比选，忽略了公交共线运行这一常见特征。而实际乘客出行往往并不特别在意公交线路，尤其是两站点间存在多条公交线路时，往往会选择最先到达的线路。因此，有必要改进以往算法中将不同公交线路完全作为竞争关系的处理方法，考虑共线运行时不同公交线路的合作关系，从而给乘客提供更为合理、全面的公交出行路径。

发明内容

本发明是针对公交乘客出行路径选择以往未考虑公交共线运行，造成公交线路选择不合理的问题，提出了一种基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法，通过搜寻合理的换乘站点并将途经站点间的所有共线公交线路作为乘客可乘坐的线路，提高了出行路径选择的合理性以及出行时间估算的准确性。

本发明的技术方案为：一种基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法，具体包括如下步骤：

1)、初始化起讫点o、d，换乘次数n＝0；

2)、确定途经起点o的线路集合R₀和途经终点d的线路集合R_d，R⁰＝R₀；

3)、搜寻直达线路集R_0,d，若进入步骤4)，否则进入步骤7)；

4)、确定换乘次数和潜在换乘站点；

5)、记录总换乘次数m＝n；

6)、回溯整个换乘过程，确定可行换乘站点；

7)、确定可行的公交出行路径，由起始站点o，各层可行换乘站iⁿ的组合，以及终点d构成，iⁿ为第n层可行换乘站点，H^pn为第n层可行换乘站点集合，iⁿ∈H^pn；

8)、确定各条可行公交出行路径的出行时长，由各站点的候车时间和站点间行程时间组成；

9)、取各条可行公交出行路径中出行时长最小的路径为推荐路径，输出结果包括各途经站点以及可乘坐的公交线路。

所述步骤4)确定换乘次数和潜在换乘站点的具体步骤包括：

4-1)、换乘次数加1，n＝n+1，进入步骤4-2)；

4-2)、确定第n层潜在换乘站点集合Hⁿ，如下式所示，进入步骤4-3)

H_j表示公交线路j沿线的站点集合，H表示公交站点集合，R^n-1表示第n-1层潜在换乘站点所有线路的集合；

4-3)、确定途经第n层潜在换乘站点所有线路的集合Rⁿ，如下式所示，进入步骤4-4)，

R_i表示途经公交站点i的线路集合，R表示公交线路集合；

步骤4-4)、搜寻从第n层潜在换乘站点Rⁿ至终点的线路集R_d，若返回步骤4-1)，否则进入步骤5)。

所述步骤6)回溯整个换乘过程，确定可行换乘站点，具体步骤包括：

6-1)、确定第n层可行换乘站点集合H^pn，如下式所示，进入步骤6-2)；

6-2)、进入前1层，n＝n-1；若n≥1，返回步骤6-1)，否则进入步骤7)。

所述步骤8)确定各条可行公交出行路径的出行时长，由各站点的候车时间和站点间行程时间组成，具体步骤包括：

8-1)、计算路径k第n层站点至第n+1层站点的公交线路集合，如下式所示，

8-2)、计算路径k第n层站点的候车时间期望值如下式所示，式中假设公交到达满足均匀分布，公交线路j到达的平均时间间隔为g _j，

8-3)、计算路径k第n层站点至第n+1层站点的行程时间期望值等于两公交站点间各条线路行程时间对线路发车频率的加权平均值，如下式所示，

8-4)、计算路径k第n层站点至第n+1层站点的出行时长T^kn，如下式所示，

8-5)、将各站点间出行时长累加，得到各条可行路径的出行时长，如下式所示，

本发明的有益效果在于：本发明基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法，在计算候车时间中考虑了公交站点间所有共线线路的发车间隔，即乘客可选择所有共线线路中最先到达的线路，有别于以往算法中仅单一线路的发车间隔，提高了站点候车时间计算的准确性；在计算站点间行程时间时，考虑了所有共线线路的行程时间的加权平均值，有别于以往算法中仅单一线路的行程时间，提高了行程时间计算的准确性；所给出的推荐路径包括各途经站点以及站点间可乘坐的公交线路，有别于以往仅给出单一公交线路及换乘出行链，推荐路径更具合理性。

附图说明

图1为本发明基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法基本构思图；图2为本发明公交乘客出行路径选择方法所得出的出行路径方案示意图；

图3为本发明实施案例百度地图推荐路径1；

图4为本发明实施案例百度地图推荐路径2。

具体实施方式

一种基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法，该方法包括以下内容：

(1)总体构思：

本算法将以换乘站点选择为基础，将两站点间的线路作为合作关系，从而最终公交出行路径方案由最优换乘站点及换乘站点间可选择线路集构成。如附图1所示，按以往将不同公交线路完全作为竞争关系进行处理的方式，由起点A至终点F备选的公交出行方案包括：1、R1线换乘R3线，换乘点为C或D或E；2、R1线换乘R4线，换乘点为E；3、R2线换乘R3线，换乘点为D或E；4、R2线换乘R4线，换乘点为E。而按本模型推荐的出行方案应当是在A站乘坐R1或R2线路，然后在E站换乘R3或R4线路。为此，本算法将以换乘站点选择为基础，将两站点间的线路作为合作关系，从而最终公交出行路径方案由最优换乘站点及换乘站点间可选择线路集构成，如附图2所示。由于在公交站点有多条线路可供选择，大大减少了乘客候车时间，提高了公交出行的便利性和效率。

(2)优化选择目标：

为了兼顾公交出行的便利和高效，本研究以换乘次数最少为首要优化目标，出行时间最小为次要优化目标，即首先选择换乘次数最少的路径集，在相同的换乘次数下选择出行时间最短的路径。

(3)网络描述：

其中，站点层面：H表示公交站点集合；i表示公交站点，i∈H；H_j表示公交线路j沿线的站点集合，

公交线路层面：R表示公交线路集合；j表示公交线路，j∈R；R_i表示途经公交站点i的线路集合，R_i,i'表示途经公交站点i和站点i'的线路集合，Rⁿ表示第n层潜在换乘站点所有线路的集合。

(4)算法步骤：

Step 1：初始化起讫点o、d，换乘次数n＝0，进入Step 2。

Step 2：确定途经起点o的线路集合R₀和途经终点d的线路集合R_d，R⁰＝R₀，进入Step 3。

Step 3：搜寻直达线路集R_0,d，若进入Step 4，否则进入Step 7。

Step 4：确定换乘次数和潜在换乘站点，具体步骤包括：

Step 4-1：换乘次数加1，n＝n+1，进入Step 4-2。

Step 4-2：确定第n层潜在换乘站点集合Hⁿ，如式(1)所示，进入Step 4-3。

R^n-1表示第n-1层潜在换乘站点所有线路的集合。

Step 4-3：确定途经第n层潜在换乘站点所有线路的集合Rⁿ，如式(2)所示，进入Step 4-4。

Step 4-4：搜寻从第n层潜在换乘站点至终点的线路集，若返回Step4-1，否则进入Step 5。

Step 5：记录总换乘次数m＝n，进入Step 6。

Step 6：回溯整个换乘过程，确定可行换乘站点，具体步骤包括：

Step 6-1：确定第n层可行换乘站点集合H^pn，如式(3)所示，进入Step 6-2。

Step 6-2：进入前1层，n＝n-1；若n≥1，返回Step 6-1，否则进入Step 7。

Step 7：确定可行的公交出行路径，由起始站点o，各层可行换乘站iⁿ的组合，以及终点d构成，iⁿ为第n层可行换乘站点，iⁿ∈H^pn，进入Step 8。

Step 8：确定各条可行公交出行路径的出行时长，由各站点的候车时间和站点间行程时间组成，具体步骤包括：

Step 8-1：计算路径k第n层站点至第n+1层站点的公交线路集合，如式(4)所示，进入Step 8-2。

Step 8-2：计算路径k第n层站点的候车时间期望值如式(5)所示，式中假设公交到达满足均匀分布，公交线路j到达的平均时间间隔为g _j，进入Step8-3。

Step 8-3：计算路径k第n层站点至第n+1层站点的行程时间期望值等于两公交站点间各条线路行程时间对线路发车频率的加权平均值，如式(6)所示。进入Step 8-4。

Step 8-4：计算路径k第n层站点至第n+1层站点的出行时长T^kn，如式(7)所示，进入Step 8-5。

Step 8-5：将各站点间出行时长累加，得到各条可行路径的出行时长，如式(8)所示，进入Step 9。

Step 9：取各条可行公交出行路径中出行时长最小的路径为推荐路径，输出结果包括各途经站点以及可乘坐的公交线路，如附图2所示。

实施案例为上海理工大学军工路南校区至源深体育中心6号门公交出行。根据本发明的算法步骤，结果为：

Step 1：初始化起点为上海理工大学军工路南校区，讫点源深体育中心6号门，换乘次数n＝0，进入Step 2。

Step 2：确定途经起点的线路集合R⁰＝R₀＝{59,103,124,874,1238}，途经终点的线路集合R_d＝{130,181,609,775,785,隧道三线}，进入Step 3。

Step 3：搜寻直达线路集，由于进入Step 4。

Step 4：确定换乘次数和潜在换乘站点。通过搜寻经过起点公交线路途径的全部公交站点，再得到途经这些换乘站点所有线路的集合，并与途径终点的公交线路比对，发现存在共同线路R₀∩R_d＝{130,609,775,785,隧道三线}，进入Step 5。

Step 5：记录总换乘次数m＝1，即起讫点间可通过一次换乘到达，进入Step6。

Step 6：回溯整个换乘过程，确定可行换乘站点，包括H^p1＝{羽山路南洋泾路，灵山路民生路，博山路龙居路，崮山路张杨路，崮山路羽山路，博山东路罗山路}，进入Step 7。

Step 7：确定可行的公交出行路径，如表1所示出行路径方案，进入Step 8。表1

Step 8：确定各条可行公交出行路径的出行时长，由各站点的候车时间和站点间行程时间组成，如表2所示出行路径出行时长，进入Step 9。

表2

Step 9：取各条可行公交出行路径中出行时长最小的路径为推荐路径，即路径一，输出结果包括各途经站点以及可乘坐的公交线路：从军工路周家嘴路站乘坐59路至羽山路南洋泾路下车，换乘785路或隧道三线或130路或609路或775路至羽山路源深路下车。

作为比较，将起讫点输入百度地图，输出的第1和第2推荐路径分别如图3和图4所示。对比发现本文优化方案与百度地图推荐方案1所选择的换乘站点相同，但本文优化方案对于换乘线路有5条线路供乘客选择，而百度地图中仅有2条。进一步对比发现，百度地图在推荐方案1中缺失的线路中，有2条出现在推荐方案2，但换乘站点却发生了变化。因此，本文优化方案的总出行时间更短，较百度地图推荐方案1和2分别减少22.1％和24.7％，并且乘客实际乘坐时可在羽山路南洋泾路(换乘站)选择785路、隧道三线、130路、609路、775路中最先到达的线路，优化方案更具合理性。

Claims (4)

1.一种基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)、初始化起讫点o、d，换乘次数n＝0；

2)、确定途经起点o的线路集合R₀和途经终点d的线路集合R_d，R⁰＝R₀；

3)、搜寻直达线路集R_0,d，若进入步骤4)，否则进入步骤7)；

4)、确定换乘次数和潜在换乘站点；

5)、记录总换乘次数m＝n；

6)、回溯整个换乘过程，确定可行换乘站点；

7)、确定可行的公交出行路径，由起始站点o，各层可行换乘站iⁿ的组合，以及终点d构成，iⁿ为第n层可行换乘站点，H^pn为第n层可行换乘站点集合，iⁿ∈H^pn；

8)、确定各条可行公交出行路径的出行时长，由各站点的候车时间和站点间行程时间组成；

9)、取各条可行公交出行路径中出行时长最小的路径为推荐路径，输出结果包括各途经站点以及可乘坐的公交线路。

2.根据权利要求1所述基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法，其特征在于，所述步骤4)确定换乘次数和潜在换乘站点的具体步骤包括：

4-1)、换乘次数加1，n＝n+1，进入步骤4-2)；

4-2)、确定第n层潜在换乘站点集合Hⁿ，如下式所示，进入步骤4-3)

<mrow> <msup> <mi>H</mi> <mi>n</mi> </msup> <mo>=</mo> <munder> <mrow> <mi></mi> <mo>&amp;cup;</mo> </mrow> <mrow> <mi>j</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <msup> <mi>R</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> </munder> <msub> <mi>H</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow>

H_j表示公交线路j沿线的站点集合，H表示公交站点集合，R^n-1表示第n-1层潜在换乘站点所有线路的集合；

4-3)、确定途经第n层潜在换乘站点所有线路的集合Rⁿ，如下式所示，进入步骤4-4)，

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R_i表示途经公交站点i的线路集合，R表示公交线路集合；

步骤4-4)、搜寻从第n层潜在换乘站点Rⁿ至终点的线路集R_d，若返回步骤4-1)，否则进入步骤5)。

3.根据权利要求2所述基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法，其特征在于，所述步骤6)回溯整个换乘过程，确定可行换乘站点，具体步骤包括：

6-1)、确定第n层可行换乘站点集合H^pn，如下式所示，进入步骤6-2)；

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6-2)、进入前1层，n＝n-1；若n≥1，返回步骤6-1)，否则进入步骤7)。

4.根据权利要求3所述基于站点及共线运行的公交乘客出行路径选择方法，其特征在于，所述步骤8)确定各条可行公交出行路径的出行时长，由各站点的候车时间和站点间行程时间组成，具体步骤包括：

8-1)、计算路径k第n层站点至第n+1层站点的公交线路集合，如下式所示，

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8-2)、计算路径k第n层站点的候车时间期望值如下式所示，式中假设公交到达满足均匀分布，公交线路j到达的平均时间间隔为g_j，

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8-3)、计算路径k第n层站点至第n+1层站点的行程时间期望值等于两公交站点间各条线路行程时间对线路发车频率的加权平均值，如下式所示，

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8-4)、计算路径k第n层站点至第n+1层站点的出行时长T^kn，如下式所示，

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8-5)、将各站点间出行时长累加，得到各条可行路径的出行时长，如下式所示，

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