CN108681806B - 一种基于出行者活动的公交网络连通性评估方法 - Google Patents

一种基于出行者活动的公交网络连通性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于出行者活动的公交网络连通性评估方法，包括如下步骤：将基础交通网络拓展为ATS‑SAM网络；确定ATS‑SAM网络中各链接的阻抗；求解出行者的每日活动‑出行模式；评估公交网络连通性。本发明基于已有的ATS‑SAM网络，将基础公交网络转化为包含乘客换乘、活动等行为选择的超网络；其次，在转化后的网络中模拟出行者的每日活动和出行行为选择，并基于出行者的每日活动‑出行模式评估公交网络连通性；该方法在一定程度上考虑了出行者的活动及出行行为间的相互作用，能够充分反映定制公交等基于出行者需求设计的新型公共交通模式对出行者活动‑出行模式的影响；在连通性评估中考虑活动及出行选择的因素，从而增加了公交网络连通性评估的准确性。

Description

一种基于出行者活动的公交网络连通性评估方法
技术领域
本发明涉及公共交通技术领域，尤其是一种基于出行者活动的公交网络连通性评估方法。
背景技术
随着社会经济的发展，共享交通等新兴公共交通方式得到快速发展，城市公交网络结构愈发复杂，交通需求快速增长，如何评价公交网络性能成为了交通领域的关注点。以往研究提出使用连通性，即公交网络中各节点间连通路径的存在性和连接质量作为评价公交网络性能的重要指标。
通过检索发现，目前对于公交网络连通性的评估方法主要使用基于公交网络拓扑结构的指标，如度(degree)及度的分布、临近程度(closeness)、网络效率(efficiency)等。基于拓扑结构的评价指标仅关注公交网络抽象图的拓扑结构特征，而不需要公交需求、供给数据，计算简便，能够准确反映公交网络中各组分(节点、路段)对公交网络拓扑结构的影响。但是，基于拓扑结构的指标忽略了拥堵效应、交通流量、换乘质量、公共交通服务频率等公交系统中的其它方面对公交网络性能的作用，无法体现公交网络中的个体出行者的出行行为决策对公交网络连通性的影响。交通需求实际上是一种内生的需求，由个体的活动需求产生。因此，出行者的起讫点、出发时间、出行方式、出行路径等出行选择，受到其活动参与、活动时长、活动地点选择等活动选择的影响。而出行者的每日活动-出行模式选择及相应的每日活动-出行效用可有效反映公交网络的连通性。综上所述，在出行模式日趋丰富、出行需求持续增长、出行选择愈发多样的公交网络中，寻求一种能够准确评估个体出行者活动及出行行为选择对公交网络连通性影响的方法对公交网络的规划与管理具有重要意义。本发明主要是首先基于已有的ATS-SAM 网络，将物理层面的基础公交网络转化为包含乘客换乘、活动等行为选择的超网络；其次，在转化后的网络中模拟出行者的每日活动和出行行为选择，并基于出行者的每日活动-出行模式评估公交网络连通性。该方法在一定程度上考虑了出行者的活动及出行行为间的相互作用，能够充分反映定制公交等新型公共交通模式对出行者行为的影响，从而提高了公交网络连通性评估的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于出行者活动的公交网络连通性评估方法，能够增加公交网络连通性评估的准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于出行者活动的公交网络连通性评估方法，包括如下步骤：
(1)将基础交通网络拓展为ATS-SAM网络，即时空活动－状态增广多模式网络；
(2)确定ATS-SAM网络中各链接的阻抗；
(3)求解出行者的每日活动-出行模式；
(4)评估公交网络连通性。
优选的，步骤(1)中，将公交网络抽象为由节点和路段组成的拓扑结构图；将仅拥有单一的表示空间位置属性的节点拓展为包含活动地点、换乘状态、登车状态、所处时段等四种属性的节点；其中，活动地点表示节点的空间位置；换乘状态表示出行者在抵达该节点后能够换乘的公交模式种类；登车状态为指示出行者是否乘坐交通工具的 0/1变量；将全天的研究时段平均划分为K个时段，所处时段表示出行者在该节点时所处的第k个时间段；同时，公交网络中的路段拓展为表示出行者乘坐公共交通工具出行的链接，表示出行者在不同公交模式间实施换乘的链接，以及表示出行者在活动地点进行活动行为的链接。
优选的，步骤(2)中，使用出行、换乘产生的负效用与参与活动产生的正效用计算ATS-SAM网络中不同类型链接的阻抗；计算ATS-SAM网络中出行、换乘、活动链接的阻抗具体包括如下步骤：
(21)传统公共交通方式(如常规公交、地铁等)的出行段阻抗：
Figure BDA0001622172730000021
其中，disuI,i为公交模式i的出行段阻抗，vot为出行者的时间价值，
Figure BDA0001622172730000022
表示使用公交模式i的出行时间，capi表示公交模式i的容量，fI,i表示公交模式i的客流量，βi和θi为与公交模式i的出行效用相关的参数，ρI,i表示公交模式i的票价，gi表示公交模式i的服务频率；
(22)定制公交等新型公交模式的出行段阻抗
Figure BDA0001622172730000023
(23)传统公共交通方式间的换乘段阻抗：
disut,i＝-vot*tt,i
其中，disut,i为公交模式i的换乘段阻抗，tt,i为换乘公交模式i需要的候车时间。tt,i可通过公交模式i的服务频率表示：
Figure BDA0001622172730000031
此外，注意定制公交的换乘无需候车，即换乘段阻抗为0；
(24)活动段的阻抗：
Figure BDA0001622172730000032
其中，ua表示进行活动a的效用，即该活动段的阻抗；
Figure BDA0001622172730000033
分别表示活动a的开始和结束时间；fa(t)表示进行活动a的边际效用。
优选的，步骤(3)中，通过步骤(1)的拓展，将用以承载出行者出行行为的基础交通网络拓展为承载出行者出行及活动行为的ATS-SAM网络；以位置为出行者家庭、不处于登车状态、时间为研究时段起始时间的节点为起点，位置为家庭、不处于登车状态、时间为研究时段结束时间的节点为终点，则连接起终点的任意连通路径可视为一种可行的活动-出行模式；假设出行者倾向于选择总效用最大的每日活动-出行模式，令网络中的路权为各段链接阻抗的负数，则将每日活动-出行模式搜索问题转化为带负权的最短路径搜索问题，使用Bellman-Ford最短路算法在ATS-SAM网络中搜索连接起终节点的总效用最高的一条路径，用以表示出行者的最优每日活动-出行模式。
优选的，步骤(4)中，基于步骤(3)求出的最优每日活动-出行模式，对活动-出行模式内各段链接的阻抗求和，计算最大每日活动-出行效用，使用求得的活动-出行效用表示公交网络的连通性。
本发明的有益效果为：本发明基于已有的ATS-SAM网络，将基础公交网络转化为包含乘客换乘、活动等行为选择的超网络；其次，在转化后的网络中模拟出行者的每日活动和出行行为选择，并基于出行者的每日活动-出行模式评估公交网络连通性；该方法在一定程度上考虑了出行者的活动及出行行为间的相互作用，能够充分反映定制公交等基于出行者需求设计的新型公共交通模式对出行者活动-出行模式的影响；同时，在连通性评估中考虑活动及出行选择的因素，从而增加了公交网络连通性评估的准确性。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的基础交通网络拓展为ATS-SAM网络的示意图。
图3为本发明的案例网络结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于出行者活动的公交网络连通性评估方法，包括如下步骤：
(1)将基础交通网络拓展为ATS-SAM网络，即时空活动－状态增广多模式网络；
(2)确定ATS-SAM网络中各链接的阻抗；
(3)求解出行者的每日活动-出行模式；
(4)评估公交网络连通性。
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。该实例选取如图3所示的假想多模式公交网络作为案例网络，案例网络中H、W、S1、S2四个节点分别代表家庭、工作、购物中心1、购物中心2的活动地点。连接四个节点的九条路段代表活动地点间的公交服务。案例网络中包含地铁、常规公交、定制公交三种公共交通模式。图3左边的图表示在家庭与工作地点、家庭与购物中心1间分别新建一条常规公交线路后的公交网络拓扑图；图3右边的图表示在家庭与工作地点、家庭与购物中心1间分别新建一条定制公交线路后的公交网络拓扑图。通过以下步骤可以通过基于出行者活动的连通性评估方法分别求得运营不同类型公交服务的案例网络的连通性区别。
步骤1：将案例公交网络拓展为基于出行者活动的ATS-SAM网络。将仅拥有单一的表示空间位置属性的节点拓展为包含活动地点、换乘状态、登车状态、所处时段等四种属性的节点。其中，活动地点表示节点的空间位置；换乘状态表示出行者在抵达该节点后能够换乘的公交模式种类；登车状态为指示出行者是否乘坐交通工具的0/1变量；将全天的研究时段平均划分为K个时段，所处时段表示出行者在该节点时所处的第k个时间段。在本案例中，研究时段选取为6:00-24:00，以每十分钟为一个时间段，研究时段共可分为108个时间段。同时，公交网络中的路段拓展为表示出行者乘坐公共交通工具出行的链接，表示出行者在不同公交模式间实施换乘的链接，以及表示出行者在活动地点进行活动行为的链接。
步骤2：使用出行、换乘产生的负效用与参与活动产生的正效用计算ATS-SAM网络中不同类型链接的阻抗：
1)传统公共交通方式(如常规公交、地铁等)的出行段阻抗：
Figure BDA0001622172730000051
其中，vot为出行者的时间价值，设置为60人民币/小时；
Figure BDA0001622172730000052
表示使用公交模式i 的出行时间，本案例中地铁与常规公交的路段出行时间分别设置为20min和30min；capi表示公交模式i的容量，地铁与常规公交的容量分别设置为400人/车和50人/车；fI,i表示公交模式i的客流量；βi和θi为与公交模式i的出行效用相关的参数，分别设置为0.15 和4.00；ρI,i表示公交模式i的票价，地铁与常规公交的票价均设置为2人民币/路段；gi表示公交模式i的服务频率，地铁与常规公交的服务频率分别设置为12班/小时和6班/ 小时。
2)定制公交等新型公交模式的出行段阻抗
Figure BDA0001622172730000053
其中，所有参数如上所述。
3)传统公共交通方式间的换乘段阻抗：
disut,i＝-vot*tt,i
其中，tt,i为换乘公交模式i需要的候车时间。tt,i可通过公交模式i的服务频率表示：
Figure BDA0001622172730000054
此外，注意定制公交的换乘无需候车，即换乘段阻抗为0。
步骤1)、2)、3)中各公交服务的信息如表一所示：
表一.案例网络公交服务信息
Figure BDA0001622172730000055
Figure BDA0001622172730000061
4)活动段的阻抗：
Figure BDA0001622172730000062
其中，
Figure BDA0001622172730000063
分别表示活动aa的开始和结束时间；fa(t)表示进行活动aa的边际效用，本案例中采取如下公式计算活动aa的边际效用：
Figure BDA0001622172730000064
其中，k为活动aa的起始时间；
Figure BDA0001622172730000065
均为与活动aa相关联的参数，具体取值如表二所示：
表二.边际效用公式参数表
Figure BDA0001622172730000066
步骤3：通过步骤1的拓展，将用以承载出行者出行行为的基础交通网络拓展为承载出行者出行及活动行为的ATS-SAM网络。以位置为出行者家庭、不处于登车状态、时间为研究时段起始时间的节点为起点，位置为家庭、不处于登车状态、时间为研究时段结束时间的节点为终点，则连接起终点的任意连通路径可视为一种可行的活动-出行模式。假设出行者倾向于选择总效用最大的每日活动-出行模式，则将每日活动-出行模式搜索问题转化为带负权的最短路径搜索问题，使用Bellman-Ford最短路算法在 ATS-SAM网络中搜索出连接起终节点的总效用最高的一条路径，用以表示出行者的最优每日活动-出行模式。
步骤4：基于步骤3求出的最优每日活动-出行模式，对活动-出行模式内各段链接的阻抗求和，计算最大每日活动-出行效用。使用求得的活动-出行效用作为指标评估公交网络的连通性。
通过以上步骤，最终得到不同公交网络的连通性评估结果。将所得评估结果与使用传统连通性指标(以平均节点度数为例)所得的评估结果比较，比较结果如表三所示：
表三.连通性评估结果比较表
Figure BDA0001622172730000071
评估结果显示，传统的基于拓扑结构的评估方法难以有效反映包含定制公交等新型公交模式的多模式公交网络的连通性。本发明提出的一种基于出行者活动的公交网络连通性评估方法能够体现定制公交新型公交服务与传统公交模式的区别，有效反映新型公交服务对城市多模式公交网络连通性的影响。

Claims (1)

1.一种基于出行者活动的公交网络连通性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将基础交通网络拓展为ATS-SAM网络，即时空活动－状态增广多模式网络；将公交网络抽象为由节点和路段组成的拓扑结构图；将仅拥有单一的表示空间位置属性的节点拓展为包含活动地点、换乘状态、登车状态、所处时段四种属性的节点；其中，活动地点表示节点的空间位置；换乘状态表示出行者在抵达该节点后能够换乘的公交模式种类；登车状态为指示出行者是否乘坐交通工具的0/1变量；将全天的研究时段平均划分为K个时段，所处时段表示出行者在该节点时所处的第k个时间段；同时，公交网络中的路段拓展为表示出行者乘坐公共交通工具出行的链接，表示出行者在不同公交模式间实施换乘的链接，以及表示出行者在活动地点进行活动行为的链接；
(2)确定ATS-SAM网络中各链接的阻抗；具体包括如下步骤：
(21)传统公共交通方式的出行段阻抗：
Figure FDA0003017162730000011
其中，disuI,i为公交模式i的出行段阻抗，vot为出行者的时间价值，
Figure FDA0003017162730000012
表示使用公交模式i的出行时间，capi表示公交模式i的容量，fI,i表示公交模式i的客流量，βi和θi为与公交模式i的出行效用相关的参数，ρI,i表示公交模式i的票价，gi表示公交模式i的服务频率；
(22)定制公交模式的出行段阻抗
Figure FDA0003017162730000013
(23)传统公共交通方式间的换乘段阻抗：
disut,i＝-vot*tt,i
其中，disut,i为公交模式i的换乘段阻抗，tt,i为换乘公交模式i需要的候车时间，tt,i通过公交模式i的服务频率表示：
Figure FDA0003017162730000014
其中，定制公交的换乘无需候车，换乘段阻抗为0；
(24)活动段的阻抗：
Figure FDA0003017162730000021
其中，ua表示进行活动a的效用，即该活动段的阻抗；
Figure FDA0003017162730000022
分别表示活动a的开始和结束时间；fa(t)表示进行活动a的边际效用；
(3)求解出行者的每日活动-出行模式；通过步骤(1)的拓展，将用以承载出行者出行行为的基础交通网络拓展为承载出行者出行及活动行为的ATS-SAM网络；以位置为出行者家庭、不处于登车状态、时间为研究时段起始时间的节点为起点，位置为家庭、不处于登车状态、时间为研究时段结束时间的节点为终点，则连接起终点的任意连通路径视为一种可行的活动-出行模式；假设出行者倾向于选择总效用最大的每日活动-出行模式，令网络中的路权为各段链接阻抗的负数，则将每日活动-出行模式搜索问题转化为带负权的最短路径搜索问题，使用Bellman-Ford最短路算法在ATS-SAM网络中搜索连接起终节点的总效用最高的一条路径，用以表示出行者的最优每日活动-出行模式；
(4)评估公交网络连通性；基于步骤(3)求出的最优每日活动-出行模式，对活动-出行模式内各段链接的阻抗求和，计算最大每日活动-出行效用，使用求得的活动-出行效用表示公交网络的连通性。
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