CN113096429B - 基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法 - Google Patents

基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法 Download PDF

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CN113096429B CN202110257720.6A CN202110257720A CN113096429B CN 113096429 B CN113096429 B CN 113096429B CN 202110257720 A CN202110257720 A CN 202110257720A CN 113096429 B CN113096429 B CN 113096429B
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Abstract

本发明涉及一种基于公交调度站点和车辆服务范围的弹性公交线路生成方法，利用路网中的调度站点信息生成调度点对，依据车辆服务范围将各公交站点分配给合适的调度点对；需求响应阶段，根据分配结果确定每位乘客的出行方向，与乘客出行方向相同的线路将尝试和其匹配；匹配过程中采用节点插入算法检查方案的可行性并选取余度最大的线路作为最优方案，无法从既有线路中生成可行方案时为乘客开设新线；本发明完全按照乘客需求规划弹性公交线路，不再依赖预定线路或站点，能够充分展现弹性公交灵活性，提高乘客吸引力和市场竞争力。

Description

基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法
技术领域
本发明涉及一种基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法，属于公共交通网络规划和公交线路设计领域。
背景技术
公共交通作为一种集约化的交通方式，是缓解交通拥堵、减少环境污染的有力推手。为坚持公共交通优先发展，进一步增强各城市的绿色出行水平，绿色出行行动计划对提升公共交通服务品质提出了新要求。目前，我国各城市的公交系统普遍存在网络层次单一、公交种类不够完善的问题，解决这些问题的关键在于构建更加灵活的公共交通系统，丰富城市公交体系的内涵。
弹性公交作为一种新型需求响应型公交，能够根据乘客出行情况灵活调整公交运行线路，为乘客提供定制化服务。近年来，弹性公交因其突出优势吸引了广泛关注，自2013年以来国内已有30多个城市陆续开通了相关服务。基于国内外研究和实际运营情况来看，弹性公交的线路设计都需要预先确定一条线路作为基准线，或是需要依赖某些预定的站点作为基准车站。需求响应阶段，只能基于预定的基准在一定范围内调整弹性公交的运行线路，这大大降低了弹性公交的灵活性，无法充分发挥弹性公交的优势，且预定基准并不总适用于实际情况，导致弹性公交上座率低、运营效益不理想等情况。
为解决上述问题，亟需设计一种基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法，使得弹性公交运行线路完全根据乘客提出的实时请求进行规划，无需任何预定的线路或站点，从而充分发挥弹性公交的优势、进一步提高弹性公交的吸引力。
发明内容
本发明提供一种基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法，在不依赖任何预定的线路或站点的前提下，完全根据乘客提出的实时请求规划弹性公交运行线路，充分发挥了弹性公交的优势，提高了弹性公交的吸引力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法，具体包括以下步骤：
第一步，利用路网中的车站信息将所有调度站点两两组对，计算每个车站到各个调度点对之间的偏移距离，并根据车辆服务范围将其分配给匹配的调度点对；
第二步，将所有待服务的乘客构成需求集P，并按乘客发出请求的时间升序排列，根据第一步获得的分配结果，利用调度站点序列表示各位乘客的出行方向；
第三步，为需求集P中的乘客规划服务方案，即从未发车线路中筛选出运行方向与当前乘客出行方向相同的路线，同时尝试将该乘客与线路进行匹配；
第四步，若第三步中生成了若干个可行路线，则选取余度最大的线路作为该乘客的最优方案，并更新路网信息；若未生成符合该乘客的线路，则为当前乘客开设新的线路；
作为本发明的进一步优选，第一步中，车辆服务范围是指半径为R的区域，前述的路网为G＝(V，A)，其包括公交站点集V，路段集A＝{Ai，j：i，j∈V，i≠j}，公交站点集V中含有若干个已知的公交调度站点构成的调度站点集K(K∈V)，调度站点作为车辆的集散地且允许乘客上下车；任意两个调度站点k1，k2∈K间的连接线段记为
Figure BDA0002968225200000021
所有能够被该调度点对服务的车站构成集合
Figure BDA0002968225200000022
依次计算车站i∈V到各个调度点对连线的偏移距离
Figure BDA0002968225200000023
当
Figure BDA0002968225200000024
时，将车站i记入集合
Figure BDA0002968225200000025
允许同一车站归属于多个集合φ；
作为本发明的进一步优选，第二步中，每位乘客的需求p包括五个要素，分别为乘客发出该请求的时间tp，上车站点op，下车站点dp，乘客到达上车站点的时间
Figure BDA0002968225200000026
乘客到达下车站点的时间
Figure BDA0002968225200000027
使用调度站点序列表示需求p的出行方向mp，其出行确定的过程具体包括以下步骤：
第2.1步，根据第一步中的车站分配结果，识别上车站点op所属集合
Figure BDA0002968225200000028
和下车站点dp所属集合
Figure BDA0002968225200000029
第2.2步，根据上下车站点所属集合，确定一组调度站点序列描述乘客的出行方向，若上车站点或下车站点归属多个集合，则记录下每组调度站点序列；
第2.3步，若第2.2步获得了多个结果，仅将包含最少调度站点数的序列记为乘客出行方向mp，若有多个序列的调度站点数相同，则它们共同组成该乘客的出行方向集Mp；
作为本发明的进一步优选，第三步中，设定乘客能接受的最长等待时间为w，即若车辆早于
Figure BDA00029682252000000210
时刻到达上车站点需等待，但最迟不可晚于
Figure BDA00029682252000000211
时刻到达，乘客的实际送达时间是不晚于
Figure BDA00029682252000000212
的任何时间；
乘客上下车和车辆重新启动的耗时为t0，车辆的额定载客容量为cap；
弹性公交车辆在线路各站点的时刻表与乘客时间窗应满足如下关系：
(1)车辆到达线路l上某站点j的时间计算如下：
Figure BDA0002968225200000031
其中
Figure BDA0002968225200000032
表示车辆到达某公交站点j的时刻，
Figure BDA0002968225200000033
为0，1变量，取1表示线路l经过路段Ai，j，
Figure BDA0002968225200000034
表示车辆离开某公交站点i的时刻，ti，j表示车辆从站点i到站点j的运行时长；
(2)车辆在线路l的接乘站点i处的到达和离开时间应满足
Figure BDA0002968225200000035
Figure BDA0002968225200000036
(3)车辆在线路l的送达站点i处的到达和离开时间应满足
Figure BDA0002968225200000037
Figure BDA0002968225200000038
(4)当线路l的同一站点i有多为乘客上/下车时，车辆的离开时间应满足
Figure BDA0002968225200000039
作为本发明的进一步优选，第三步中尝试将乘客与线路进行匹配的方法选用节点插入算法，其具体步骤包括：
第3.1步，输入当前时间，根据既有线路的时刻表更新车辆的发车状态，将未发车线路集记为LS，已发车的线路不再响应新需求；
第3.2步，将LS中的线路l逐一与当前乘客需求p尝试匹配，能够为需求p提供服务的线路集记为Lp，具体的匹配过程包括：
第3.2.1步，若线路运行方向ml与乘客出行方向mp∈Mp有交集，且ml∪mp包含的调度站点数小于或者等于Nk，则继续尝试匹配，转入第3.2.2步；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
第3.2.2步，需求p的上下车站点插入算法分为以下几种情况执行：
(5)上车站点op和下车站点dp已在线路l中，分别记为点i和点j：
车辆到达op的时间
Figure BDA00029682252000000310
若
Figure BDA00029682252000000311
则按照式(1)-(6)更新点i和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
车辆到达dp的时间
Figure BDA0002968225200000041
若
Figure BDA0002968225200000042
则按照式(1)-(6)更新点j和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
若更新后线路l的时刻表满足该线路中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表、途径站点顺序、车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
(6)下车站点dp不在线路l中，上车站点op已在线路l中并记为点i：
车辆到达op的时间
Figure BDA0002968225200000043
若
Figure BDA0002968225200000044
则按照式(1)-(6)更新点i和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
遍历线路l在点i之后的所有路段Am，n，找出所有可行的下车站点dp的插入方案，即将dp插入到站点m和站点n之间，车辆到达dp的时间
Figure BDA0002968225200000045
若
Figure BDA0002968225200000046
则按照式(1)-(6)更新点dp和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
若更新后的时刻表满足线路l中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表、途径站点顺序、车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp，否则取下一路段继续尝试；
(7)上车站点op不在线路l中，下车站点dp已在线路l中并记为点j：
遍历线路l在点j之前的所有路段Am，n，找出所有可行的上车站点op的插入方案：将op插入到站点m和站点n之间，车辆到达op的时间
Figure BDA0002968225200000047
若
Figure BDA0002968225200000048
则按照式(1)-(6)更新点op和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
车辆到达dp的时间
Figure BDA0002968225200000049
若
Figure BDA00029682252000000410
则按照式(1)-(6)更新点j和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
若更新后线路l的时刻表满足该线路中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表、途径站点顺序、车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp，否则取下一路段继续尝试；(8)上车站点op和下车站点dp都不在线路l中：
遍历线路l中的所有路段Ai，j，找出所有可行的上车站点op的插入方案：将op插入到站点i和站点j之间，车辆到达op的时间
Figure BDA0002968225200000051
若
Figure BDA0002968225200000052
则按照式(1)-(6)更新点op和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
遍历线路l中在点op之后的所有路段Am，n，找出所有可行的下车站点dp的插入方案：将dp插入到站点m和站点n之间，车辆到达dp的时间
Figure BDA0002968225200000053
若
Figure BDA0002968225200000054
则按照式(1)-(6)更新点dp和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
若更新后的时刻表满足线路l中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表，途径站点顺序，车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp，否则取下一路段继续尝试；
作为本发明的进一步优选，第四步中，若第三步中生成了若干个可行路线，则选取余度最大的线路作为该乘客的最优方案，前述余度表示在满足乘客时间窗的前提下公交线路时刻表的时间富余量，反映了线路对于新需求的响应能力：线路余度越大，则线路的可调整性和接收新需求的能力越强；
余度的计算方法为
(1)乘客上车站点op的余度为：
Figure BDA0002968225200000055
其中，
Figure BDA0002968225200000056
表示上车站点op的余度，
Figure BDA0002968225200000057
为0，1变量，取1表示由线路l为乘客p提供服务；(2)乘客下车站点dp的余度为：
Figure BDA0002968225200000058
其中，
Figure BDA0002968225200000059
表示下车站点dp的余度；
(3)线路l的余度为：
Figure BDA00029682252000000510
其中El表示线路l的余度；
作为本发明的进一步优选，第四步中，确定乘客最优服务方案的步骤包括：
设置线路余度标准值为E0，
若第三步生成若干个可行路线，则分别计算各对应线路的余度，选取其中余度最大的线路记为lbest；若
Figure BDA0002968225200000061
将lbest记为最优方案，并更新路网信息；
若第三步未生成可行路线，则为当前乘客开设新路线lnew；新路线lnew的初始运行方向
Figure BDA0002968225200000062
若乘客p拥有多个可选的mp，按偏移距离之和最短者计；记录新路线lnew的时刻表，途径站点顺序，车辆载客情况和线路运行方向，并将新路线lnew计入未发车线路集LS。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的生成方法不需要预设线路或者站点，根据乘客提出的实时请求即时规划弹性公交运行线路，能够基于公交调度点对的乘客匹配原则做到实时响应；
2、本发明提供的生产方法可以有效避免公交上座率低的现象，降低运营效果不理想的风险。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法的流程图；
图2是本发明提供的车站归属调度点对的判定示意图；
图3是本发明提供的乘客出行方向集的判定示意图；
图4是本发明提供的线路运行方向的判定示意图；
图5是本发明提供的河北省雄安新区弹性公交站点位置示意图；
图6是本发明提供的实例中乘客上下车站点经纬度坐标图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
为了充分发挥弹性公交的优势，同时避免公交上座率低、运营效益不理想等情况，本申请提供了一种基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法，完全根据乘客提出的实时请求规划弹性公交运行线路，充分发挥了弹性公交的优势，提高了弹性公交的吸引力；
图1所示，具体包括以下步骤：
第一步，利用路网中的车站信息将所有调度站点两两组对，计算每个车站到各个调度点对之间的偏移距离，并根据车辆服务范围将其分配给匹配的调度点对；
车辆服务范围是指半径为R的区域，前述的路网为G＝(V，A)，其包括公交站点集V，路段集A＝{Ai，j：i，j∈V，i≠j}，公交站点集V中含有若干个已知的公交调度站点构成的调度站点集K(K∈V)，调度站点作为车辆的集散地且允许乘客上下车；任意两个调度站点k1，k2∈K间的连接线段记为
Figure BDA0002968225200000071
所有能够被该调度点对服务的车站构成集合
Figure BDA0002968225200000072
依次计算车站i∈V到各个调度点对连线的偏移距离
Figure BDA0002968225200000073
当
Figure BDA0002968225200000074
时，将车站i记入集合
Figure BDA00029682252000000713
图2所示，允许同一车站归属于多个集合φ。
第二步，将所有待服务的乘客构成需求集P，并按乘客发出请求的时间升序排列，根据第一步获得的分配结果，图3所示，利用调度站点序列表示各位乘客的出行方向；
通常每位乘客的需求p包括五个要素，分别为乘客发出该请求的时间tp，上车站点op，下车站点dp，乘客到达上车站点的时间
Figure BDA0002968225200000076
乘客到达下车站点的时间
Figure BDA0002968225200000077
使用调度站点序列表示需求p的出行方向mp，其出行确定的过程具体包括以下步骤：
第2.1步，根据第一步中的车站分配结果，识别上车站点op所属集合
Figure BDA0002968225200000078
和下车站点dp所属集合
Figure BDA0002968225200000079
第2.2步，根据上下车站点所属集合，确定一组调度站点序列描述乘客的出行方向，若上车站点或下车站点归属多个集合，则记录下每组调度站点序列；
第2.3步，若第2.2步获得了多个结果，仅将包含最少调度站点数的序列记为乘客出行方向mp，若有多个序列的调度站点数相同，则它们共同组成该乘客的出行方向集Mp。
第三步，依次为需求集P中的乘客规划服务方案，即从未发车线路中筛选出运行方向与当前乘客出行方向相同的路线，同时尝试将该乘客与线路进行匹配；需要说明的是，可行的服务方案应使得线路时刻表满足乘客的时间窗约束，且车辆在任意时刻的载客量不超过额定容量，参数Nk限制了线路运行方向ml包含的调度节点个数，以避免线路过长引发调度问题；
接着，设定乘客能接受的最长等待时间为w，即若车辆早于
Figure BDA00029682252000000710
时刻到达上车站点需等待，但最迟不可晚于
Figure BDA00029682252000000711
时刻到达，乘客的实际送达时间是不晚于
Figure BDA00029682252000000712
的任何时间；
乘客上下车和车辆重新启动的耗时为t0，车辆的额定载客容量为cap；
弹性公交车辆在线路各站点的时刻表与乘客时间窗应满足如下关系：
(1)车辆到达线路l上某站点j的时间计算如下：
Figure BDA0002968225200000081
其中
Figure BDA0002968225200000082
表示车辆到达某公交站点j的时刻，
Figure BDA0002968225200000083
为0，1变量，取1表示线路l经过路段Ai，j，
Figure BDA0002968225200000084
表示车辆离开某公交站点i的时刻，ti，j表示车辆从站点i到站点j的运行时长；
(2)车辆在线路l的接乘站点i处的到达和离开时间应满足
Figure BDA0002968225200000085
Figure BDA0002968225200000086
(3)车辆在线路l的送达站点i处的到达和离开时间应满足
Figure BDA0002968225200000087
Figure BDA0002968225200000088
(4)当线路l的同一站点i有多为乘客上/下车时，车辆的离开时间应满足
Figure BDA0002968225200000089
在此步骤中，尝试将乘客与线路进行匹配的方法有多种，经过多次试验后选用节点插入算法更能得到设想的结果，其具体步骤包括：
第3.1步，输入当前时间，根据既有线路的时刻表更新车辆的发车状态，将未发车线路集记为LS，已发车的线路不再响应新需求；
第3.2步，将LS中的线路l逐一与当前乘客需求p尝试匹配，能够为需求p提供服务的线路集记为Lp，具体的匹配过程包括：
第3.2.1步，若线路运行方向ml与乘客出行方向mp∈Mp有交集，且ml∪mp包含的调度站点数小于或者等于Nk，则继续尝试匹配，转入第3.2.2步；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
第3.2.2步，需求p的上下车站点插入算法分为以下几种情况执行：
(1)上车站点op和下车站点dp已在线路l中，分别记为点i和点j：
车辆到达op的时间
Figure BDA00029682252000000810
若
Figure BDA00029682252000000811
则按照式(1)-(6)更新点i和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
车辆到达dp的时间
Figure BDA00029682252000000812
若
Figure BDA00029682252000000813
则按照式(1)-(6)更新点j和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
若更新后线路l的时刻表满足该线路中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表、途径站点顺序、车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
(2)下车站点dp不在线路l中，上车站点op已在线路l中并记为点i：
车辆到达op的时间
Figure BDA0002968225200000091
若
Figure BDA0002968225200000092
则按照式(1)-(6)更新点i和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
遍历线路l在点i之后的所有路段Am，n，找出所有可行的下车站点dp的插入方案，即将dp插入到站点m和站点n之间，车辆到达dp的时间
Figure BDA0002968225200000093
若
Figure BDA0002968225200000094
则按照式(1)-(6)更新点dp和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
若更新后的时刻表满足线路l中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表、途径站点顺序、车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp，否则取下一路段继续尝试；
(3)上车站点op不在线路l中，下车站点dp已在线路l中并记为点j：
遍历线路l在点j之前的所有路段Am，n，找出所有可行的上车站点op的插入方案：将op插入到站点m和站点n之间，车辆到达op的时间
Figure BDA0002968225200000095
若
Figure BDA0002968225200000096
则按照式(1)-(6)更新点op和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
车辆到达dp的时间
Figure BDA0002968225200000097
若
Figure BDA0002968225200000098
则按照式(1)-(6)更新点j和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
若更新后线路l的时刻表满足该线路中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表、途径站点顺序、车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp，否则取下一路段继续尝试；(4)上车站点op和下车站点dp都不在线路l中：
遍历线路l中的所有路段Ai，j，找出所有可行的上车站点op的插入方案：将op插入到站点i和站点j之间，车辆到达op的时间
Figure BDA0002968225200000101
若
Figure BDA0002968225200000102
则按照式(1)-(6)更新点op和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
遍历线路l中在点op之后的所有路段Am，n，找出所有可行的下车站点dp的插入方案：将dp插入到站点m和站点n之间，车辆到达dp的时间
Figure BDA0002968225200000103
若
Figure BDA0002968225200000104
则按照式(1)-(6)更新点dp和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
若更新后的时刻表满足线路l中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表，途径站点顺序，车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp，否则取下一路段继续尝试。
第四步，若第三步中生成了若干个可行路线，则选取余度最大的线路作为该乘客的最优方案，并更新路网信息；若未生成符合该乘客的线路，则为当前乘客开设新的线路。
这里用于评价是否为最优方案的余度，表示在满足乘客时间窗的前提下公交线路时刻表的时间富余量，反映了线路对于新需求的响应能力：线路余度越大，则线路的可调整性和接收新需求的能力越强；
余度的计算方法为
(1)乘客上车站点op的余度为：
Figure BDA0002968225200000105
其中，
Figure BDA0002968225200000106
表示上车站点op的余度，
Figure BDA0002968225200000107
为0，1变量，取1表示由线路l为乘客p提供服务；(2)乘客下车站点dp的余度为：
Figure BDA0002968225200000108
其中，
Figure BDA0002968225200000109
表示下车站点dp的余度；
(3)线路l的余度为：
Figure BDA00029682252000001010
其中El表示线路l的余度。
接着，设置线路余度标准值E0，从而尽可能保证线路有足够的能力响应新需求；最优服务方案的选取分以下两种情况执行：
若第三步生成若干个可行路线，则分别计算各对应线路的余度，选取其中余度最大的线路记为lbest；若
Figure BDA0002968225200000111
将lbest记为最优方案，并更新路网信息；
若第三步未生成可行路线，则为当前乘客开设新路线lnew；新路线lnew的初始运行方向
Figure BDA0002968225200000112
若乘客p拥有多个可选的mp，按偏移距离之和最短者计；记录新路线lnew的时刻表，途径站点顺序，车辆载客情况和线路运行方向，并将新路线lnew计入未发车线路集LS。
也就是说，第三步以及第四步，共同构成了线路服务方案的完整生成过程，给出的图4，其中涉及了四幅图4a、4b、4c以及4d，展示了一个线路生成过程和线路运行方向判定的示意图。
实例分析
为了验证本专利提出的基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法的有效性，我们以河北省雄安新区现行的弹性公交系统为研究对象，雄安新区目前共设有40个弹性公交站点，布局如图5所示；选用的车型为普通5座小汽车，除司机外还可同时搭载4位乘客。实例数据来源于2020年7月1日雄安新区弹性公交的出行数据，从中提取了20位乘客的出行记录作为本实例中的乘客需求信息，并将雄安新区目前弹性公交站点中的1，22，29和39号车站视为公交调度站点。实例中相关参数取值如下：R＝2km，t0＝30s，w＝5min，cap＝4，E0＝5min，Nk＝4。
本实例所提取的乘客出行记录包含了乘客需求的5个要素，表1展示了本实例中20位乘客的需求情况：
表1乘客需求信息
Figure BDA0002968225200000113
将20位乘客的上下车站点和4个调度站点绘制到经纬度坐标中，如图6所示，进而根据站点所属的调度点对确定乘客出行方向，如表2所示。
表2乘客出行方向信息
Figure BDA0002968225200000114
Figure BDA0002968225200000121
通过本专利提出的基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法，共生成7条线路，即需要派遣7辆弹性公交来完成20位乘客的运输服务。表3中展示了各条线路的运行情况，包括途径站点顺序，服务的乘客编号和发车时的线路余度。
表3弹性公交线路服务方案设计结果
Figure BDA0002968225200000122
其中，途径站点列表中的首个站点为车辆始发调度站点，最末站点为车辆结束服务后返回的调度站点，因此首末两个站点编号不表示该站有乘客上/下车的需求。如果同一车站有多位乘客上/下车，则该站点编号将会在站点列表中重复出现。
由上述实例可知，本发明包含调度点对及其服务车站集生成，乘客出行方向确定，乘客服务方案设计与选取，线路运行方向和余度确定；能够根据乘客提出的实时请求进行规划，做到实时响应，提高了弹性公交的灵活性，使线网规划不依赖预定基准线或站点即可实现完全的定制化服务，提升了弹性公交的吸引力和竞争力。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
第一步，利用路网中的车站信息将所有调度站点两两组对，计算每个车站到各个调度点对之间的偏移距离，并根据车辆服务范围将其分配给匹配的调度点对；
第二步，将所有待服务的乘客构成需求集P，并按乘客发出请求的时间升序排列，根据第一步获得的分配结果，利用调度站点序列表示各位乘客的出行方向；
第三步，为需求集P中的乘客规划服务方案，即从未发车线路中筛选出运行方向与当前乘客出行方向相同的路线，同时尝试将该乘客与线路进行匹配；
第四步，若第三步中生成了若干个可行路线，则选取余度最大的线路作为该乘客的最优方案，并更新路网信息；若未生成符合该乘客的线路，则为当前乘客开设新的线路；
前述余度表示在满足乘客时间窗的前提下公交线路时刻表的时间富余量，反映了线路对于新需求的响应能力：线路余度越大，则线路的可调整性和接收新需求的能力越强；
第一步中，车辆服务范围是指半径为R的区域，前述的路网为G＝(V,A)，其包括公交站点集V，路段集A＝{Ai,j:i,j∈V,i≠j}，公交站点集V中含有若干个已知的公交调度站点构成的调度站点集K(K∈V)，调度站点作为车辆的集散地且允许乘客上下车；任意两个调度站点k1,k2∈K间的连接线段记为
Figure FDA0003485227330000011
所有能够被该调度点对服务的车站构成集合
Figure FDA0003485227330000012
依次计算车站i∈V到各个调度点对连线的偏移距离
Figure FDA0003485227330000013
当
Figure FDA0003485227330000014
时，将车站i记入集合
Figure FDA0003485227330000015
允许同一车站归属于多个集合φ；
第二步中，每位乘客的需求p包括五个要素，分别为乘客发出该请求的时间tp，上车站点op，下车站点dp，乘客到达上车站点的时间
Figure FDA0003485227330000016
乘客到达下车站点的时间
Figure FDA0003485227330000017
使用调度站点序列表示需求p的出行方向mp，其出行确定的过程具体包括以下步骤：
第2.1步，根据第一步中的车站分配结果，识别上车站点op所属集合
Figure FDA0003485227330000018
和下车站点dp所属集合
Figure FDA0003485227330000019
第2.2步，根据上下车站点所属集合，确定一组调度站点序列描述乘客的出行方向，若上车站点或下车站点归属多个集合，则记录下每组调度站点序列；
第2.3步，若第2.2步获得了多个结果，仅将包含最少调度站点数的序列记为乘客出行方向mp，若有多个序列的调度站点数相同，则它们共同组成该乘客的出行方向集Mp；
第三步中，设定乘客能接受的最长等待时间为w，即若车辆早于
Figure FDA0003485227330000021
时刻到达上车站点需等待，但最迟不可晚于
Figure FDA0003485227330000022
时刻到达，乘客的实际送达时间是不晚于
Figure FDA0003485227330000023
的任何时间；
乘客上下车和车辆重新启动的耗时为t0，车辆的额定载客容量为cap；
弹性公交车辆在线路各站点的时刻表与乘客时间窗应满足如下关系：
⑴车辆到达线路l上某站点j的时间计算如下：
Figure FDA0003485227330000024
其中
Figure FDA0003485227330000025
表示车辆到达某公交站点j的时刻，
Figure FDA0003485227330000026
为0,1变量，取1表示线路l经过路段Ai,j，
Figure FDA0003485227330000027
表示车辆离开某公交站点i的时刻，ti,j表示车辆从站点i到站点j的运行时长；
⑵车辆在线路l的接乘站点i处的到达和离开时间应满足
Figure FDA0003485227330000028
Figure FDA0003485227330000029
⑶车辆在线路l的送达站点i处的到达和离开时间应满足
Figure FDA00034852273300000210
Figure FDA00034852273300000211
⑷当线路l的同一站点i有多位乘客上/下车时，车辆的离开时间应满足
Figure FDA00034852273300000212
第三步中尝试将乘客与线路进行匹配的方法选用节点插入算法，其具体步骤包括：
第3.1步，输入当前时间，根据既有线路的时刻表更新车辆的发车状态，将未发车线路集记为LS，已发车的线路不再响应新需求；
第3.2步，将LS中的线路l逐一与当前乘客需求p尝试匹配，能够为需求p提供服务的线路集记为Lp，具体的匹配过程包括：
第3.2.1步，若线路运行方向ml与乘客出行方向mp∈Mp有交集，且ml∪mp包含的调度站点数小于或者等于Nk，则继续尝试匹配，转入第3.2.2步；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
第3.2.2步，需求p的上下车站点插入算法分为以下几种情况执行：
⑴上车站点op和下车站点dp已在线路l中，分别记为点i和点j：
车辆到达op的时间
Figure FDA0003485227330000031
若
Figure FDA0003485227330000032
则按照式(1)-(6)更新点i和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
车辆到达dp的时间
Figure FDA0003485227330000033
若
Figure FDA0003485227330000034
则按照式(1)-(6)更新点j和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
若更新后线路l的时刻表满足该线路中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表、途径站点顺序、车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
⑵下车站点dp不在线路l中，上车站点op已在线路l中并记为点i：
车辆到达op的时间
Figure FDA0003485227330000035
若
Figure FDA0003485227330000036
则按照式(1)-(6)更新点i和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
遍历线路l在点i之后的所有路段Am,n，找出所有可行的下车站点dp的插入方案，即将dp插入到站点m和站点n之间，车辆到达dp的时间
Figure FDA0003485227330000037
若
Figure FDA0003485227330000038
则按照式(1)-(6)更新站点dp和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
若更新后的时刻表满足线路l中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表、途径站点顺序、车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp，否则取下一路段继续尝试；
⑶上车站点op不在线路l中，下车站点dp已在线路l中并记为点j：
遍历线路l在点j之前的所有路段Am,n，找出所有可行的上车站点op的插入方案：将op插入到站点m和站点n之间，车辆到达op的时间
Figure FDA0003485227330000039
若
Figure FDA00034852273300000310
则按照式(1)-(6)更新点op和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
车辆到达dp的时间
Figure FDA00034852273300000311
若
Figure FDA00034852273300000312
则按照式(1)-(6)更新点j和其之后的线路时刻表；否则当前线路l无法为需求p提供服务，取LS中的下一条线路继续尝试；
若更新后线路l的时刻表满足该线路中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表、途径站点顺序、车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp，否则取下一路段继续尝试；⑷上车站点op和下车站点dp都不在线路l中：
遍历线路l中的所有路段Ai,j，找出所有可行的上车站点op的插入方案：将op插入到站点i和站点j之间，车辆到达op的时间
Figure FDA0003485227330000041
若
Figure FDA0003485227330000042
则按照式(1)-(6)更新点op和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
遍历线路l中在点op之后的所有路段Am,n，找出所有可行的下车站点dp的插入方案：将dp插入到站点m和站点n之间，车辆到达dp的时间
Figure FDA0003485227330000043
若
Figure FDA0003485227330000044
则按照式(1)-(6)更新点dp和其之后的线路时刻表，否则取下一路段继续尝试；
若更新后的时刻表满足线路l中所有乘客的时间窗约束，且任意时刻车上乘客数不超过额定容量，则记录线路l更新后的信息，更新后的信息包括时刻表，途径站点顺序，车辆载客情况和线路运行方向ml＝ml∪mp，并将线路l计入集合Lp，否则取下一路段继续尝试。
2.根据权利要求1所述的基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法，其特征在于：第四步中，若第三步中生成了若干个可行路线，则选取余度最大的线路作为该乘客的最优方案；
余度的计算方法为⑴乘客上车站点op的余度为：
Figure FDA0003485227330000045
其中，
Figure FDA0003485227330000046
表示上车站点op的余度，
Figure FDA0003485227330000047
为0,1变量，取1表示由线路l为乘客p提供服务；⑵乘客下车站点dp的余度为：
Figure FDA0003485227330000048
其中，
Figure FDA0003485227330000049
表示下车站点dp的余度；
⑶线路l的余度为：
Figure FDA00034852273300000410
其中El表示线路l的余度。
3.根据权利要求2所述的基于公交调度站点集散的弹性公交区域灵活性线路生成方法，其特征在于：第四步中，确定乘客最优服务方案的步骤包括：
设置线路余度标准值为E0，
若第三步生成若干个可行路线，则分别计算各对应线路的余度，选取其中余度最大的线路记为lbest；若
Figure FDA0003485227330000051
将lbest记为最优方案，并更新路网信息；
若第三步未生成可行路线，则为当前乘客开设新路线lnew；新路线lnew的初始运行方向
Figure FDA0003485227330000052
若乘客p拥有多个可选的mp，按偏移距离之和最短者计；记录新路线lnew的时刻表，途径站点顺序，车辆载客情况和线路运行方向，并将新路线lnew计入未发车线路集LS。
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