CN111695225A - 一种公交复合复杂网络模型及其公交调度优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种公交复合复杂网络模型及其公交调度优化方法。所述公交符合复杂网络模型包括:交通小区子网、公交站点子网、公交线路子网、交通小区‑站点关系子网以及公交站点‑线路关系子网;对所述交通小区子网、公交站点子网、公交线路子网、交通小区‑站点关系子网以及公交站点‑线路关系子网进行动态加载,构建公交复合复杂网络模型;所述公交复合复杂网络模型用于对公交居民选择进行仿真,生成公交线网优化方案。采用本发明所提供的公交复合复杂网络模型或其公交调度优化方法能够更准确的估算出客流量,使公交线网优化过程中的计算更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及智能交通系统技术领域,特别是涉及一种公交复合复杂网络模型及其公交调度优化方法。
背景技术
公交线网的规划具有历史性和局限性,尽管多数城市的公交线网设计存在一定的潜在问题,但通过公交设计算法进行公交线网的重新铺设在实际应用中极为困难。因此,对城市现有公交网络进行合理的优化或调度,更利于实际的应用,也能在很大程度上满足市民出行需求,提高公交运力和资源的使用效率,具有重要的实际意义和价值。
公交系统优化问题的关键在于如何使得有限的交通资源更加契合居民的出行需求,令出行需求更多的路线具有更便捷的公交线路或更快捷的公交车辆。公交线网优化问题中,在进行最优解搜索过程时,公交设置的改变往往会使居民的公交乘车选择发生变化。在现有的客流模型中,由历史数据得来的客流需求不能适应这一变化,导致了优化目标的计算误差:
公交站点客流OD模型描述了在公交站点对之间的居民出行需求,其客流量通过公交历史数据学习得到。由于数据的局限性,由此得到的客流OD只关注了从乘车站点到下车站点的出行环节,但实际上居民出行通常有多条公交线路或者多个起止公交站点可以选择,称其为公交选择行为;交通小区客流OD模型描述了在交通小区对之间的居民出行需求,居民出行通常与日常通勤和业余活动相关,出发地和目的地往往比较固定、有规律性。因此交通小区客流OD模型可以更加准确地描述居民的出行需要。但传统的公交站点客流OD对市民出行的公交选择行为关注不足,也忽视了因公交线路不便而放弃乘坐公交出行的市民,客流估算准确率低;目前的大部分研究尚未与公交网络进行有机地动态结合:一部分是将交通小区客流OD一次性输入公交网络计算公交客流,这样并未克服前文中所提到的公交站点客流OD的固有缺点;另一部分是通过交通小区客流OD进行公交线网的优化设计,但现实中很难在大型城市中重新实施公交线网的设计方案,优化效果难以估计。
发明内容
本发明的目的是提供一种公交复合复杂网络模型及其公交调度优化方法,以解决传统的公交站点客流模型客流估算准确率低以及优化效果难以估计的问题。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种公交复合复杂网络模型,包括:交通小区子网、公交站点子网、公交线路子网、交通小区-站点关系子网以及公交站点-线路关系子网;
对所述交通小区子网、公交站点子网、公交线路子网、交通小区-站点关系子网以及公交站点-线路关系子网进行动态加载,构建公交复合复杂网络模型;所述公交复合复杂网络模型用于对公交居民选择进行仿真,生成公交线网优化方案。
可选的,所述交通小区子网的节点为交通小区,连边为所述交通小区之间的出行客流;所述交通小区子网的节点的典型属性包括经纬度坐标以及小区类型;所述交通小区子网的连边的权重为客流OD,O为起始站点,D为到站站点;
所述公交站点子网的节点为公交站点,连边为所述公交站点之间的邻接关系;所述公交站点子网的节点的典型属性包括经纬度坐标、站点类型、道路位置、上游路口以及下游路口;所述公交站点子网的连边的权重为公交行驶时间,所述公交站点子网的连边的典型属性包括站间距、车道类型、经过路口数和信号灯数;所述车道类型包括公交专用车道以及非公交专用车道;
所述公交线路子网的节点为公交线路,所述公交线路子网的连边为所述公交线路之间的换乘关系;所述公交线路子网的节点的典型属性包括线路类型、长度以及发车间隔;所述公交线路子网的连边的主要属性包括换乘人数以及公共站点数;
所述交通小区-站点关系子网的节点包括交通小区和公交站点两类节点,连边表示所述交通小区以及所述公交站点之间步行乘车的关系;所述交通小区-站点关系子网的连边的权重为步行时间;所述交通小区-站点关系子网的连边的典型属性包括距离;
所述公交站点-线路关系子网的节点包括公交站点和公交线路两类节点,所述公交站点-线路关系子网的连边为所述公交站点以及所述公交线路之间的所属关系;所述公交站点-线路关系子网的连边的权重为候车时间,所述公交站点-线路关系子网的的连边的典型属性包括站点序号以及乘车人数。
一种基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法,所述公交调度优化方法包括:
获取公交复合复杂网络模型的当前数据;所述当前数据包括种群规模、遗传代数、交叉概率、变异概率以及遗传收敛阈值;
根据所述当前数据随机产生N个个体,并对所述个体进行编码,组成初始种群;所述个体为公交调度方案;N为个体总数;
将N个所述个体加载到所述公交复合复杂网络模型中,进行公交客流再分配仿真,确定仿真结果;
按照所述仿真结果计算第g代种群中每个所述个体的适应度;所述个体的适应度为当前个体下的居民平均公交出行时间;g>0;
根据所述个体的适应度确定每一代种群的种群平均适应度;
判断两代相邻的所述种群平均适应度之间的差值是否满足收敛阈值,得到第一判断结果;
当所述第一判断结果为两代相邻的所述种群平均适应度之间的差值满足收敛阈值,输出公交线网优化方案;
当所述第一判断结果为两代相邻的所述种群平均适应度之间的差值不满足收敛阈值,对所述个体的适应度依次执行选择算子、交叉算子、变异算子以及修复算子,确定修正后的个体,并根据所述修正后的个体对所述适应度进行修正,直至满足所述收敛阈值。
可选的,所述按照所述仿真结果计算第g代种群中每个所述个体的适应度,具体包括:
根据公式计算第g代种群中每个所述个体的适应度;其中,f(Xk)为个体k的公交平均出行时间,即所述个体的适应度;ODij为交通小区i到交通小区j的公交乘客量;Tij为交通小区i到交通小区j的公交出行总时间,所述公交出行总时间包括步行时间、候车时间、乘车时间和存在的换乘时间;n为交通小区数目。
可选的,所述按照所述仿真结果计算第g代种群中每个所述个体的适应度,之后还包括:
根据所述个体的适应度计算各个所述个体的累计概率;
根据所述累计概率确定下一代种群候选集。
可选的,所述根据所述个体的适应度计算各个所述个体的累计概率,具体包括:
根据所述个体的适应度计算所述个体的选择概率;
可选的,所述根据所述累计概率确定下一代种群候选集,具体包括:
在[0,1]中产生随机数r,若qk-1<r<qk,选择第k个个体,并循环N次,生成下一代种群候选集;qk-1为选择个体k-1的累计概率。
可选的,执行交叉算子的具体过程为:
将当前种群候选集中的个体两两结合,组成个体对,并确定交叉概率Pc;
对每组个体对,产生随机数rc;
若rc<Pc,随机选择一个断点,将两组个体断点后的调度方案编码互换,直到所有父代个体都进行过交叉运算;rc∈[0,1]。
可选的,执行变异算子的具体过程为:
获取变异概率Pm;
在[0,1]中随机产生N个数r1,r2...rk...rN;
若rk<Pm,则对个体k进行变异操作。
可选的,执行修复算子的具体过程为:
获取第n代种群中个体的运营成本超过运营成本约束条件的第一个体,并计算所述第一个体的运营成本;
获取所有公交线路的发车间隔;
确定所述第一个体的运营成本与所述运营成本约束条件的第一比值;
根据所述发车间隔以及所述第一比值确定满足运营成本约束条件的个体。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:本发明提供了一种公交复合复杂网络模型,对公交多源数据进行了更充分的整合和有效利用;通过公交复合复杂网络模型对居民公交选择进行仿真,能够更准确的估算出客流量;并提出了一种基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法,基于公交复合复杂网络模型,对居民公交出行选择的仿真和客流再分配的校正,实现优化参数的动态调整,输出公交线网优化方案,可以更加准确地计算出客流和优化效果,使公交线网优化过程中的计算更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的公交复合复杂网络模型结构示意图;
图2为本发明所提供的基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法流程图;
图3为本发明在实际应用中的公交调度优化方法流程图;
图4为本发明所提供的验证优化效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种公交复合复杂网络模型及其公交调度优化方法,更准确的估算出客流量,使公交线网优化过程中的计算更加准确。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的公交复合复杂网络模型结构示意图,如图1所示,一种公交复合复杂网络模型,包括:交通小区子网1、公交站点子网2、公交线路子网3、交通小区-站点关系子网4以及公交站点-线路关系子网5;
对所述交通小区子网、公交站点子网、公交线路子网、交通小区-站点关系子网以及公交站点-线路关系子网进行动态加载,构建公交复合复杂网络模型;所述公交复合复杂网络模型用于对公交居民选择进行仿真,生成公交线网优化方案。
在实际应用中,所述交通小区子网的节点为交通小区,连边为所述交通小区之间的出行客流;所述交通小区子网的节点的典型属性包括经纬度坐标以及小区类型;所述交通小区子网的连边的权重为客流OD,O为起始站点,D为到站站点。
所述公交站点子网的节点为公交站点,连边为所述公交站点之间的邻接关系;所述公交站点子网的节点的典型属性包括经纬度坐标、站点类型、道路位置、上游路口以及下游路口;所述公交站点子网的连边的权重为公交行驶时间,所述公交站点子网的连边的典型属性包括站间距、车道类型、经过路口数和信号灯数;所述车道类型包括公交专用车道以及非公交专用车道。
所述公交线路子网的节点为公交线路,所述公交线路子网的连边为所述公交线路之间的换乘关系;所述公交线路子网的节点的典型属性包括线路类型、长度以及发车间隔;所述公交线路子网的连边的主要属性包括换乘人数以及公共站点数。
所述交通小区-站点关系子网的节点包括交通小区和公交站点两类节点,连边表示所述交通小区以及所述公交站点之间步行乘车的关系;所述交通小区-站点关系子网的连边的权重为步行时间;所述交通小区-站点关系子网的连边的典型属性包括距离;
所述公交站点-线路关系子网的节点包括公交站点和公交线路两类节点,所述公交站点-线路关系子网的连边为所述公交站点以及所述公交线路之间的所属关系;所述公交站点-线路关系子网的连边的权重为候车时间,所述公交站点-线路关系子网的的连边的典型属性包括站点序号以及乘车人数。
图2为本发明所提供的基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法流程图,如图2所示,一种基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法,所述公交调度优化方法包括:
步骤201:获取公交复合复杂网络模型的当前数据;所述当前数据包括种群规模、遗传代数、交叉概率、变异概率以及遗传收敛阈值。
步骤202:根据所述当前数据随机产生N个个体,并对所述个体进行编码,组成初始种群;所述个体为公交调度方案;N为个体总数。
步骤203:将N个所述个体加载到所述公交复合复杂网络模型中,进行公交客流再分配仿真,确定仿真结果。
步骤204:按照所述仿真结果计算第g代种群中每个所述个体的适应度;所述个体的适应度为当前个体下的居民平均公交出行时间;g>0。
所述步骤204具体包括:根据公式 计算第g代种群中每个所述个体的适应度;其中,f(Xk)为个体k的公交平均出行时间,即所述个体的适应度;ODij为交通小区i到交通小区j的公交乘客量;Tij为交通小区i到交通小区j的公交出行总时间,所述公交出行总时间包括步行时间、候车时间、乘车时间和存在的换乘时间;n为交通小区数目。
所述步骤204之后还包括:根据所述个体的适应度计算各个所述个体的累计概率;根据所述累计概率确定下一代种群候选集。
所述根据所述个体的适应度计算各个所述个体的累计概率,具体包括:根据所述个体的适应度计算所述个体的选择概率;根据所述选择概率,利用公式计算各个所述个体的累计概率;其中,qk为选择个体k的累计概率;Ph为个体h的选择概率。
所述根据所述累计概率确定下一代种群候选集,具体包括:在[0,1]中产生随机数r,若qk-1<r<qk,选择第k个个体,并循环N次,生成下一代种群候选集;qk-1为选择个体k-1的累计概率。
步骤205:根据所述个体的适应度确定每一代种群的种群平均适应度。
步骤206:判断两代相邻的所述种群平均适应度之间的差值是否满足收敛阈值,若是执行步骤207,若否执行步骤208。
步骤207:输出公交线网优化方案。
步骤208:对所述个体的适应度依次执行选择算子、交叉算子、变异算子以及修复算子,确定修正后的个体,并根据所述修正后的个体对所述适应度进行修正,直至满足所述收敛阈值。
执行交叉算子的具体过程为:将当前种群候选集中的个体两两结合,组成个体对,并确定交叉概率Pc;对每组个体对,产生随机数rc;若rc<Pc,随机选择一个断点,将两组个体断点后的调度方案编码互换,直到所有父代个体都进行过交叉运算;rc∈[0,1]。
执行变异算子的具体过程为:获取变异概率Pm;在[0,1]中随机产生N个数r1,r2...rk...rN;若rk<Pm,则对个体k进行变异操作。
执行修复算子的具体过程为:获取第n代种群中个体的运营成本超过运营成本约束条件的第一个体,并计算所述第一个体的运营成本;获取所有公交线路的发车间隔;确定所述第一个体的运营成本与所述运营成本约束条件的第一比值;根据所述发车间隔以及所述第一比值确定满足运营成本约束条件的个体。
在实际应用中,基于本发明所提供的公交复合复杂网络模型以及公交调度优化方法,还可以采用以下方式实现本发明的技术方案:
图3为本发明在实际应用中的公交调度优化方法流程图,如图3所示,对公交多源数据进行了更充分的整合和有效利用,该公交多源数据包括公交静态数据、公交GPS数据、公交IC打卡数据,以及估算公交客流的出租车GPS数据和交通小区数据等;基于上述公交复合复杂网络和遗传算法进行优化,以居民平均公交出行时间为优化目标,以公交运营成本为约束条件。包括以下流程:
步骤一、输入公交复合复杂网络模型基础数据、用户参数等数据,包括种群规模N、遗传代数G、交叉概率Pc和变异概率Pm,遗传收敛阈值δ。
步骤二、基于复合复杂网络模型当前数据,随机产生N个新个体(调度方案),并进行编码,组成初始种群,令遗传代数g=0。
步骤三、分别将N个个体加载到公交复合复杂网络模型中,进行公交客流再分配仿真,按照结果计算第g代种群中每个个体的适应度f(Xk),种群平均适应度以及两代相邻的所述种群平均适应度之间的差值个体的适应度即为该调度方案下的居民平均公交出行时间:
式中f(Xk)——个体k的公交平均出行时间(h);ODij——交通小区i到交通小区j的公交乘客量(人次);Tij——交通小区i到交通小区j的公交出行总时间(h)(包括步行时间、候车时间、乘车时间和可能存在的换乘时间);n——交通小区数目(个);判断是否成立,若成立则转至步骤十,否则转至步骤四。
步骤四、基于适应度计算各个体被选择的概率Pk和累计概率qk。
在计算个体的适应度f(Xk)后,对其进行归一化处理,得到个体的选择概率Pk,并计算累计概率:
式中qk——选择个体k的累计概率;Pi——个体i的选择概率。
步骤五、执行选择算子:在[0,1]中产生随机数r,若qk-1<r<qk,则选择第k个个体。此步骤循环N次,生成下一代种群候选集。
步骤六、执行交叉算子:将此次种群候选集中的个体两两结合,对每对个体,产生随机数rc∈[0,1],若rc<Pc,则随机选择一个断点,将两个体断点后的调度方案编码互换。重复此步骤直到所有父代个体都进行过交叉运算。
步骤七、执行变异算子:在[0,1]中随机产生N个数r1,r2...rk...rN,若rk<Pm,则对个体k进行变异操作。
步骤八、执行修复算子:对于第i代个体中运营成本超过约束条件的个体k,计算其运营成本Ck,使所有公交线路的发车间隔乘以运营成本与约束条件的比值Ck/C0,所得结果即为满足约束条件的新个体。
公交线网的运营成本为每条公交线路单位时间内运营成本的加权平均:
式中C——公交线网运营成本;Cl——线路l的单次运营成本;tl——线路l的平均发车间隔(s);步骤九、遗传代数自增,令g=g+1,若g=G,达到最大遗传代数,转至步骤十,否则返回步骤三。
步骤十、完成计算,输出种群中目标函数最小的个体作为优化最终结果。
图4为本发明所提供的验证优化效果示意图,如图4所示,基于青岛市市南、市北、李沧、崂山四区公交数据,基于本发明的公交复合复杂网络模型,采用本发明所提供的优化方法,将居民平均公交出行时间从2460.4775秒降低至2408.4876s,减少了51.99s,在站点设置和公交运力不变的情况下,易于实施,具有良好的效果。
本发明通过耦合交通小区网和公交线网,建立公交复合复杂网络,基于遗传算法等优化算法,在优化过程中对新的公交线网进行居民公交出行选择的仿真和客流再分配的校正,实现优化参数的动态调整,可以更加准确地计算出客流和优化效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种公交复合复杂网络模型,其特征在于,包括:交通小区子网、公交站点子网、公交线路子网、交通小区-站点关系子网以及公交站点-线路关系子网;
对所述交通小区子网、公交站点子网、公交线路子网、交通小区-站点关系子网以及公交站点-线路关系子网进行动态加载,构建公交复合复杂网络模型;所述公交复合复杂网络模型用于对公交居民选择进行仿真,生成公交线网优化方案。
2.根据权利要求1所述的公交复合复杂网络模型,其特征在于,
所述交通小区子网的节点为交通小区,连边为所述交通小区之间的出行客流;所述交通小区子网的节点的典型属性包括经纬度坐标以及小区类型;所述交通小区子网的连边的权重为客流OD,O为起始站点,D为到站站点;
所述公交站点子网的节点为公交站点,连边为所述公交站点之间的邻接关系;所述公交站点子网的节点的典型属性包括经纬度坐标、站点类型、道路位置、上游路口以及下游路口;所述公交站点子网的连边的权重为公交行驶时间,所述公交站点子网的连边的典型属性包括站间距、车道类型、经过路口数和信号灯数;所述车道类型包括公交专用车道以及非公交专用车道;
所述公交线路子网的节点为公交线路,所述公交线路子网的连边为所述公交线路之间的换乘关系;所述公交线路子网的节点的典型属性包括线路类型、长度以及发车间隔;所述公交线路子网的连边的主要属性包括换乘人数以及公共站点数;
所述交通小区-站点关系子网的节点包括交通小区和公交站点两类节点,连边表示所述交通小区以及所述公交站点之间步行乘车的关系;所述交通小区-站点关系子网的连边的权重为步行时间;所述交通小区-站点关系子网的连边的典型属性包括距离;
所述公交站点-线路关系子网的节点包括公交站点和公交线路两类节点,所述公交站点-线路关系子网的连边为所述公交站点以及所述公交线路之间的所属关系;所述公交站点-线路关系子网的连边的权重为候车时间,所述公交站点-线路关系子网的的连边的典型属性包括站点序号以及乘车人数。
3.一种基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法,其特征在于,所述公交调度优化方法基于权利要求1-2任一项所述的公交复合复杂网络模型实现,所述公交调度优化方法包括:
获取公交复合复杂网络模型的当前数据;所述当前数据包括种群规模、遗传代数、交叉概率、变异概率以及遗传收敛阈值;
根据所述当前数据随机产生N个个体,并对所述个体进行编码,组成初始种群;所述个体为公交调度方案;N为个体总数;
将N个所述个体加载到所述公交复合复杂网络模型中,进行公交客流再分配仿真,确定仿真结果;
按照所述仿真结果计算第g代种群中每个所述个体的适应度;所述个体的适应度为当前个体下的居民平均公交出行时间;g>0;
根据所述个体的适应度确定每一代种群的种群平均适应度;
判断两代相邻的所述种群平均适应度之间的差值是否满足收敛阈值,得到第一判断结果;
当所述第一判断结果为两代相邻的所述种群平均适应度之间的差值满足收敛阈值,输出公交线网优化方案;
当所述第一判断结果为两代相邻的所述种群平均适应度之间的差值不满足收敛阈值,对所述个体的适应度依次执行选择算子、交叉算子、变异算子以及修复算子,确定修正后的个体,并根据所述修正后的个体对所述适应度进行修正,直至满足所述收敛阈值。
5.根据权利要求4所述的基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法,其特征在于,所述按照所述仿真结果计算第g代种群中每个所述个体的适应度,之后还包括:
根据所述个体的适应度计算各个所述个体的累计概率;
根据所述累计概率确定下一代种群候选集。
7.根据权利要求6所述的基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法,其特征在于,所述根据所述累计概率确定下一代种群候选集,具体包括:
在[0,1]中产生随机数r,若qk-1<r<qk,选择第k个个体,并循环N次,生成下一代种群候选集;qk-1为选择个体k-1的累计概率。
8.根据权利要求7所述的基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法,其特征在于,执行交叉算子的具体过程为:
将当前种群候选集中的个体两两结合,组成个体对,并确定交叉概率Pc;
对每组个体对,产生随机数rc;
若ro<Pc,随机选择一个断点,将两组个体断点后的调度方案编码互换,直到所有父代个体都进行过交叉运算;rc∈[0,1]。
9.根据权利要求7所述的基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法,其特征在于,执行变异算子的具体过程为:
获取变异概率Pm;
在[0,1]中随机产生N个数r1,r2…rk…rN;
若rk<Pm,则对个体k进行变异操作。
10.根据权利要求7所述的基于复合复杂网络模型的公交调度优化方法,其特征在于,执行修复算子的具体过程为:
获取第n代种群中个体的运营成本超过运营成本约束条件的第一个体,并计算所述第一个体的运营成本;
获取所有公交线路的发车间隔;
确定所述第一个体的运营成本与所述运营成本约束条件的第一比值;
根据所述发车间隔以及所述第一比值确定满足运营成本约束条件的个体。
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