CN113743820B - 一种基于描述性公交线路数据的网络化处理方法 - Google Patents

一种基于描述性公交线路数据的网络化处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于描述性公交线路数据的网络化处理方法。本发明基于公交运营部门对公交线路的文本性描述及公交站点经纬度坐标，将公交线路文本拆分成公交站点和路段，构建站点列表和路段列表，计算各个站点的地理坐标和公交入站出站方向，将公交站点和路段分别抽象为网络节点和有向边，构建初步的公交线路网络关联矩阵，并构建启发式算法，在设置比对阈值的条件下，通过比对不同站点之间的名称、空间距离和入站出站方向，判断不同公交线路中的同一站点，从而对网络关联矩阵进行合并简化，最终得到公交线路的空间网络化数据结构。该方法可快速有效地建立公交线路的空间拓扑结构，为公交线路的大数据分析提供基础性的空间结构信息。

Description

一种基于描述性公交线路数据的网络化处理方法
技术领域
本发明涉及一种基于描述性公交线路数据的网络化处理方法，属于大数据分析技术领域。
背景技术
近年来，为从根本上缓解交通拥堵、出行不便、环境污染等矛盾，树立公共交通优先发展理念，将公共交通放在城市交通发展的首要位置。与此同时，建立健全大数据辅助科学决策机制，提升城市交通治理水平成为城市管理的基本要求。公交GPS数据、公交卡刷卡数据在内的公交出行数据已经成为大数据技术重要的数据来源，在城市交通领域广泛应用。公交线网的网络化数据，则是在公交大数据应用过程中最重要的基础性信息之一，是生成公共交通网络拓扑关系的基础，也是公共交通线路复线复站优化的重要依据。但精准可靠的公交线网及其空间拓扑结构数据的获得依旧存在诸多问题，如线路走向地理空间信息更新不及时、线路间共线共站信息不完整、线路站点与道路路网之间的拓扑关系不准确、不同时间同一设施地理位置采集坐标有偏移等，诸多状况均会极大地约束公交出行大数据的精确性，尤其对准确可靠的公交出行客流需求估算带来困扰。因此，本发明设计了一套网络化方法，基于公交运营公司对公交线路各站点经纬度坐标及站点顺序的描述性数据，抽象构建网络数据类型中的节点和边并建立网络关联图表，采用启发式算法对网络关联表中的节点和边进行合并，最终获得公交线路的网络化数据。
中国专利公开号CN 107742169A公开了一种基于复杂网络的城市公交网格系统构建方法及性能评估方法。该方法一方面未考虑公交线路具有上下行方向，现实场景中同一线路上行方向和下行方向同一名称的两个站点，一般分布在道路两侧，相隔几十米甚至几百米，并不在同一站台，不宜作为同一节点；另一方面，该方法仅以站点名称作为节点，未考虑间隔距离和线路行驶方向等，容易造成一定偏差（其中一类是站点名称相同但相隔较远，不宜作为一个节点；另一类是名称不同，但在同一站台或者相隔极近，适宜作为同一节点）。
本发明的优化方法，既考虑线路上下行存在不同路线的情况采用有向网络结构，同时，通过网络关联矩阵进行存储，反映有向图中边和节点之间的空间拓扑关系，从而提升了本发明在现实场景中的适用性及可靠性。
发明内容
本发明的目的是利用公交运营公司提供的描述性公交线路数据，基于其中的站点名称、站点顺序和经纬度坐标，将公交线路抽象成节点和有向边，首先假设公交线路之间没有交点，构建公交线路相互分离的空间网络结构，然后建立启发式算法，基于节点之间的属性特征，对网络结构中的点和边进行逐步合并，最终得到公交线路的网络化数据。为了达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种基于描述性公交线路数据的网络化处理方法，包括以下步骤：
步骤1、从公交运营部门获取公交线路及公交站点的描述性文本数据，公交线路数据依次记录各公交线路沿途站点名称，公交站点数据记录公交线路中各站点的经纬度坐标，假设公交线路之间不相交，对公交线路进行独立的有向拆分，形成公交站点和站点之间的公交路段，建立站点列表STable和路段列表RTable并赋值；
步骤2、基于站点列表和路段列表，将站点抽象成网络结构中的节点，将路段抽象为网络结构中的有向边，建立初步的公交线路网络结构，以网络关联矩阵存储这一结构；
步骤3、构建启发式算法，基于节点的名称、地理坐标和公交线路方向，对步骤2得到的初步的公交线路网络结构进行节点和有向边进行删减合并，实现对公交线路的网络化处理，得到公交线路网络化数据。
优选地，所述步骤1包括：
步骤1.1、从公交运营部门处获取公交线路的描述性文本数据，该数据区分公交上行和下行线路，顺序描述公交线路沿线的站点名称，对其进行初步整理，统一站点名称之间的分隔符；
步骤1.2、从公交运营部门处获取公交线路中各站点的经纬度坐标，将经纬度转化为X-Y地理坐标，为批处理做准备；
步骤1.3、赋予每条公交线路编号LID后，以字符串形式批处理每条公交线路对应的公交站点，将公交线路文本进行拆分，赋予每个公交站点编号SID，赋予两个公交站点之间的路段编号RID；
步骤1.4、存储批处理得到的公交站点和公交路段，建立站点列表STable和路段列表RTable，其中站点列表STable的属性包括站点编号SID、站点名字SName、站点地理坐标X-Y、在该站点停靠的公交线路编号数组LArray、换乘公交线路数LNum和公交车在站点的行驶方向SDirec，路段列表RTable的属性包括路段编号RID、路段起始站点编号AID和路段结束站点编号BID，并将每个站点对应的经纬度坐标，赋予站点列表和路段列表；
步骤1.5、初始化各公交站点的行驶方向SDirec，假设所有的公交线路均不相交，既所有的公交站点均为某一公交线路所有，因此可根据站点自身与前后站点的经纬度获得指定站点的公交线路行驶方向SDirec，分为入站方向SDirecI和出站方向SDirecO两个区间，在初始化阶段，各个站点的入站方向SDirecI和出站方向SDirecO为定值，可由下式获得：
式中，X和Y分别表示指定站点的地理坐标XY值，X I 和Y I 分别表示公交线路中指定站 点前一站的地理坐标XY值，X O 和Y O 分别表示公交线路中指定站点后一站的地理坐标XY值， 和分别表示入站方向的区间上界和下界，和分别表示出站方 向的区间上界和下界，公交线路始末站只有入站方向SDirecI和出站方向SDirecO中的一 个；
步骤1.6、生成站点列表STable和路段列表RTable，在初始化阶段，各公交线路各站点的线路编号数组LArray即为当前公交线路，换乘公交线路数LNum均为1；
优选地，所述步骤2包括：
步骤2.1、将站点列表STable和路段列表RTable中的站点和路段抽象为网络结构中的节点和有向边，统计站点列表和路段列表中的站点和路段数量，建立网络关联矩阵，该矩阵的行向量为指定节点与所有的有向边之间的拓扑关系，列向量表示指定有向边与所有节点之间的空间拓扑关系；
步骤2.2、顺序遍历路段列表RTable，读取其中每一条有向边记录的始末节点编号，将其始末节点与有向边的拓扑关系存入网络关联矩阵，其中，节点为有向边起始点的情况下，网络关联矩阵对应位置填入“0”，节点为有向边终点的情况下，网络关联矩阵对应位置填入“1”；
步骤2.3、遍历路段列表完成之后，对于在空间上不直接连接的节点和有向边，填入“/”符号以表示两者不直接相连，生成得到初步的公交线路网络结构，在这一网络结构中，不同公交线路中的同一站点（即换乘点）被抽象成不同的节点，因此除公交线路始末站外的站点均只有一条以其为起始点的有向边和一条以其为终点的有向边与其直接连接，而始末站只有一条以其为起始点或终点的有向边与其直接连接；
优选地，所述步骤3包括：
步骤3.1、开始启发式算法，遍历站点列表STable，将遍历到的站点α定为指定站点，获取指定站点α的名称和X-Y地理坐标，再次遍历站点列表STable，查询与指定站点空间距离小于判断阈值Td的其他站点，形成站点集合Φ，空间距离计算公式为：
式中，β为站点列表STable中的其他站点；
步骤3.2、对站点集合Φ进行进一步的筛选，判断Φ中各站点的名称是否与指定站点α一致，从中选出与指定站点α名称一致的站点集合Λ；
步骤3.3、比较站点集合Λ中站点的公交行驶方向与指定站点α的公交行驶方向，其判断阈值为Ta；
步骤3.3.1、若比较站点集合Λ中站点的入站方向或出站方向角度小于指定站点α的入站方向或出站方向的角度，且其下界与指定站点α的上界角度差距大于360-2Ta，则比较站点集合Λ中站点的入站方向或出站方向角度区间加上360；
步骤3.3.2、若比较站点集合Λ中站点的入站方向或出站方向角度大于指定站点α的入站方向或出站方向的角度，且其上界与指定站点α的下界角度差距大于360-2Ta，则比较站点集合Λ中站点的入站方向或出站方向角度区间减去360；
步骤3.3.3、判断站点集合Λ中站点的入站和出站角度区间与指定站点α的角度区间，若：
且，
或，且
则判定指定站点α和站点集合Λ中的站点β为网络有向图上的同一站点；
步骤3.4、将站点β与指定站点α合并，以站点β的属性修改指定站点α的各项属性：
步骤3.4.1、在指定站点α的停靠的公交线路编号数组LArray中添加站点β的停靠公交线路编号；
步骤3.4.2、指定站点α的换乘公交线路数LNum加上站点β的换乘公交线路数；
步骤3.4.3、根据站点α和β的换乘公交数和各自的X-Y坐标值，修正指定站点α的X-Y地理坐标：
步骤3.4.4、根据站点β的公交行驶方向，修正指定站点α的公交行驶方向判断区间：
若且，
则；
若且
则；
步骤3.5、在站点列表STable中删除站点β，遍历路段表RTable，查找起始点或终点为β的路段Υ，将该路段的起始点或终点改为指定站点α，再次遍历路段表，若表中已存在首尾点路段与修改后的路段Υ一致的路段，则直接删除路段Υ的记录；
步骤3.6、修正网络关联矩阵，将节点β与路段的拓扑关系转移到节点α上，修改节点α与和节点β直接连接的有向边之间的拓扑关系，从网络关联矩阵中删除节点β所在的行；
步骤3.7、完成对站点列表STable的遍历后，记录下剩余的站点数量，返回步骤3.1，开始下一轮站点列表遍历，直到连续的两次遍历之间，剩余站点数量不变，则跳出循环，结束启发式算法；
步骤3.8、整理网络关联矩阵，得到公交线路的网络化数据，将其投射到地理信息系统中，得到公交线路的空间网络结构，完成对公交线路数据的网络化处理。
本发明基于公交运营部门对公交线路的文本性描述，结合其提供的公交站点经纬度坐标，通过字符串批处理操作将公交线路文本拆分成公交站点和路段，构建站点列表和路段列表，计算各个站点的地理坐标和公交入站出站方向，将公交站点和路段分别抽象为网络节点和有向边，构建初步的公交线路网络关联矩阵，在此基础上构建启发式算法，在设置比对阈值的条件下，通过比对不同站点之间的名称、空间距离和入站出站方向，判断不同公交线路中的同一站点，从而对网络关联矩阵进行合并简化，最终得到公交线路的空间网络化数据结构。
本发明的优点是：基于公交运营部门提供的描述性文本和存在偏差的经纬度坐标，快速有效地建立起公交线路的空间拓扑结构，从而达到获取公交线路的网络结构数据的目的，为公交线路的大数据分析提供基础性的空间结构信息。
附图说明
图1 公交线路网络拓扑结构图；
图2 公交线路L20的线路图；
图3 总体流程图。
具体实施方式
为使本发明清晰易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
步骤1、从公交运营部门获取公交线路及公交站点的描述性文本数据，公交线路数据依次记录各公交线路沿途站点名称，公交站点数据记录公交线路中各站点的经纬度坐标，假设公交线路之间不相交，对公交线路进行独立的有向拆分，形成公交站点和站点之间的公交路段，建立站点列表STable和路段列表RTable并赋值；
步骤1.1、从公交运营部门处获取公交线路的描述性文本数据，该数据区分公交上行和下行线路，顺序描述公交线路沿线的站点名称，对其进行初步整理，统一站点名称之间的分隔符；
表1 公交线路的描述性文本列表
步骤1.2、从公交运营部门处获取公交线路中各站点的经纬度坐标，将经纬度转化为X-Y地理坐标，为批处理做准备；
在本例中，将经纬度转化为X-Y地理坐标后的站点信息见表2：
表2 站点的经纬度和X-Y地理坐标
步骤1.3、赋予每条公交线路编号LID后，以字符串形式批处理每条公交线路对应的公交站点，将公交线路文本进行拆分，赋予每个公交站点编号SID，赋予两个公交站点之间的路段编号RID；
步骤1.4、存储批处理得到的公交站点和公交路段，建立站点列表STable和路段列表RTable，其中站点列表STable的属性包括站点编号SID、站点名字SName、站点地理坐标X-Y、在该站点停靠的公交线路编号数组LArray、换乘公交线路数LNum和公交车在站点的行驶方向SDirec，路段列表RTable的属性包括路段编号RID、路段起始站点编号AID和路段结束站点编号BID，并将每个站点对应的经纬度坐标，赋予站点列表和路段列表；
步骤1.5、初始化各公交站点的行驶方向SDirec，假设所有的公交线路均不相交，既所有的公交站点均为某一公交线路所有，因此可根据站点自身与前后站点的经纬度获得指定站点的公交线路行驶方向SDirec，分为入站方向SDirecI和出站方向SDirecO两个区间，在初始化阶段，各个站点的入站方向SDirecI和出站方向SDirecO为定值，可由下式获得：
式中，X和Y分别表示指定站点的地理坐标XY值，X I 和Y I 分别表示公交线路中指定站 点前一站的地理坐标XY值，和分别表示公交线路中指定站点后一站的地理坐标 XY值，和分别表示入站方向的区间上界和下界，和分别表示出 站方向的区间上界和下界，公交线路始末站只有入站方向SDirecI和出站方向SDirecO中的 一个；
步骤1.6、生成站点列表STable和路段列表RTable，在初始化阶段，各公交线路各站点的线路编号数组LArray即为当前公交线路，换乘公交线路数LNum均为1；
在本例中，初始得到的公交线路的站点列表STable见表3，公交路段列表RTable见表4：：
表3 公交站点列表
表4 公交路段列表
步骤2、基于站点列表和路段列表，将站点抽象成网络结构中的节点，将路段抽象为网络结构中的有向边，建立初步的公交线路网络结构，以网络关联矩阵存储这一结构；；
步骤2.1、将站点列表STable和路段列表RTable中的站点和路段抽象为网络结构中的节点和有向边，统计站点列表和路段列表中的站点和路段数量，建立网络关联矩阵，该矩阵的行向量为指定节点与所有的有向边之间的拓扑关系，列向量表示指定有向边与所有节点之间的空间拓扑关系；
本例中，初始化的网络关联矩阵见表5：
表5 初始化的网络关联矩阵
步骤2.2、顺序遍历路段列表RTable，读取其中每一条有向边记录的始末节点编号，将其始末节点与有向边的拓扑关系存入网络关联矩阵，其中，节点为有向边起始点的情况下，网络关联矩阵对应位置填入“0”，节点为有向边终点的情况下，网络关联矩阵对应位置填入“1”；
本例中，填入有向边信息的网络关联矩阵见表6：
表6 填入有向边信息的网络关联矩阵
步骤2.3、遍历路段列表完成之后，对于在空间上不直接连接的节点和有向边，填入“/”符号以表示两者不直接相连，生成得到初步的公交线路网络结构，在这一网络结构中，不同公交线路中的同一站点（即换乘点）被抽象成不同的节点，因此除公交线路始末站外的站点均只有一条以其为起始点的有向边和一条以其为终点的有向边与其直接连接，而始末站只有一条以其为起始点或终点的有向边与其直接连接；
本例中，完整的网络关联矩阵见表7：
表7 填入有向边信息的网络关联矩阵
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 ……
S1 0 / / / / / / / ……
S2 / / / / / / / 1 ……
S3 / / / / / / / / ……
S4 / 1 0 / / / / / ……
S5 / / / / / / / / ……
S6 / / / 1 0 / / / ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
步骤3、构建启发式算法，基于节点的名称、地理坐标和公交线路方向，对步骤2得到的初步的公交线路网络结构进行节点和有向边进行删减合并，实现对公交线路的网络化处理，得到公交线路网络化数据。
步骤3.1、开始启发式算法，遍历站点列表STable，将遍历到的站点α定为指定站点，获取指定站点α的名称和X-Y地理坐标，再次遍历站点列表STable，查询与指定站点空间距离小于判断阈值Td的其他站点，形成站点集合Φ，空间距离计算公式为：
式中，β为站点列表STable中的其他站点；
本例中，令Td为20米，则站点S1的站点集合Φ见表8：
表8 站点集合Φ列表
SID SName X Y SDirecI SDirecO
S65 站点1 -7903.64 -1392.18 14.72 17.57
S87 站点1 -7899.8 -1393.77 173.01 176.21
S79 站点1 -7899.79 -1384.02 174.13 97.84
S34 站点1 -7903.73 -1392.66 15.77 16.44
S56 站点1 -7904.93 -1393.46 114.69 177.97
S80 站点15 -7905.47 -1392.53 13.97 15.93
S123 站点1 -7898.88 -1386.75 12.46 96.52
S172 站点23 -7902.25 -1388.61 94.65 16.16
S135 站点1 -7906.68 -1391.63 102.53 17.34
…… …… …… …… ……
步骤3.2、对站点集合Φ进行进一步的筛选，判断Φ中各站点的名称是否与指定站点α一致，从中选出与指定站点α名称一致的站点集合Λ；
在本例中，站点S1的站点集合Λ见表9：
表9 站点集合Λ列表
SID SName X Y SDirecI SDirecO
S65 站点1 -7903.64 -1392.18 14.72 17.57
S87 站点1 -7899.8 -1393.77 173.01 176.21
S79 站点1 -7899.79 -1384.02 174.13 97.84
S34 站点1 -7903.73 -1392.66 15.77 16.44
S56 站点1 -7904.93 -1393.46 114.69 177.97
S123 站点1 -7898.88 -1386.75 12.46 96.52
S135 站点1 -7906.68 -1391.63 102.53 17.34
…… …… …… …… ……
步骤3.3、比较站点集合Λ中站点的公交行驶方向与指定站点α的公交行驶方向，其判断阈值为Ta；
步骤3.3.1、若比较站点集合Λ中站点的入站方向或出站方向角度小于指定站点α的入站方向或出站方向的角度，且其下界与指定站点α的上界角度差距大于360-2Ta，则比较站点集合Λ中站点的入站方向或出站方向角度区间加上360；
步骤3.3.2、若比较站点集合Λ中站点的入站方向或出站方向角度大于指定站点α的入站方向或出站方向的角度，且其上界与指定站点α的下界角度差距大于360-2Ta，则比较站点集合Λ中站点的入站方向或出站方向角度区间减去360；
步骤3.3.3、判断站点集合Λ中站点的入站和出战角度区间与指定站点α的角度区间，若：
且，
或，且
则判定指定站点α和站点集合Λ中的站点β为网络有向图上的同一站点；
本例中，令Ta为15，判定为站点1在有向图上的同一站点的列表见表10：
表10 站点1的同一站点
步骤3.4、将站点β与指定站点α合并，以站点β的属性修改指定站点α的各项属性：
步骤3.4.1、在指定站点α的停靠的公交线路编号数组LArray中添加站点β的停靠公交线路编号；
步骤3.4.2、指定站点α的换乘公交线路数LNum加上站点β的换乘公交线路数；
步骤3.4.3、根据站点α和β的换乘公交数和各自的X-Y坐标值，修正指定站点α的X-Y地理坐标：
步骤3.4.4、根据站点β的公交行驶方向，修正指定站点α的公交行驶方向判断区间：
若且，
则；
若且
则；
步骤3.5、在站点列表STable中删除站点β，遍历路段表RTable，查找起始点或终点为β的路段Υ，将该路段的起始点或终点改为指定站点α，再次遍历路段表，若表中已存在首尾点路段与修改后的路段Υ一致的路段，则直接删除路段Υ的记录；
步骤3.6、修正网络关联矩阵，将节点β与路段的拓扑关系转移到节点α上，修改节点α与和节点β直接连接的有向边之间的拓扑关系，从网络关联矩阵中删除节点β所在的行；
步骤3.7、完成对站点列表STable的遍历后，记录下剩余的站点数量，返回步骤3.1，开始下一轮站点列表遍历，直到连续的两次遍历之间，剩余站点数量不变，则跳出循环，结束启发式算法；
步骤3.8、整理网络关联矩阵，得到公交线路的网络化数据，将其投射到地理信息系统中，得到公交线路的空间网络结构，完成对公交线路数据的网络化处理。
本例中，完成启发式算法遍历的站点列表、路段列表和网络关联表见表11、表12和表13，最终得到的公交线路网络结构见图1和图2：
表11 完成启发式算法遍历的站点列表
表12 完成启发式算法遍历的公交路段列表
表13 完成启发式算法遍历的网络关联矩阵

Claims (1)

1.一种基于描述性公交线路数据的网络化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、从公交运营部门获取公交线路及公交站点的描述性文本数据，公交线路数据依次记录各公交线路沿途站点名称，公交站点数据记录公交线路中各站点的经纬度坐标，假设公交线路之间不相交，对公交线路进行独立的有向拆分，形成公交站点和站点之间的公交路段，建立站点列表STable和路段列表RTable并赋值，所述步骤1建立站点列表STable和路段列表RTable，其中站点列表STable的属性包括站点编号SID、站点名字SName、站点地理坐标X-Y、在该站点停靠的公交线路编号数组LArray、换乘公交线路数LNum和公交车在站点的行驶方向SDirec，路段列表RTable的属性包括路段编号RID、路段起始站点编号AID和路段结束站点编号BID，通过自身与前后站点的经纬度获得指定站点的公交线路行驶方向SDirec，并初始化各公交线路各站点的线路编号数组LArray为当前公交线路，换乘公交线路数LNum为1，完成站点列表STable和路段列表RTable的初始赋值；
步骤2、基于站点列表和路段列表，将站点抽象成网络结构中的节点，将路段抽象为网络结构中的有向边，建立初步的公交线路网络结构，以网络关联矩阵存储这一结构，所述步骤2将站点列表STable和路段列表RTable中的站点和路段抽象为网络结构中的节点和有向边，建立网络关联矩阵，节点为有向边起始点的情况下网络关联矩阵对应位置填入“0”，节点为有向边终点的情况下网络关联矩阵对应位置填入“1”，空间上不直接连接的节点和有向边填入“/”符号，生成得到初步的公交线路网络结构；
步骤3、构建启发式算法，基于节点的名称、地理坐标和公交线路方向，对步骤2得到的初步的公交线路网络结构进行节点和有向边进行删减合并，实现对公交线路的网络化处理，得到公交线路网络化数据，所述步骤3通过启发式算法逐一遍历站点列表STable，筛选指定站点及其周边距离小于判断阈值Td且名称相同的站点，通过公交车在站点的行驶方向SDirec夹角进行判断，将夹角小于判断阈值Ta的站点进行合并，修正合并后地理坐标值及行驶方向，汇总其停靠公交线路编号至LArray，统计换乘公交线路值LNum，删除重复线路并转移拓扑关系至合并站点，直至连续两次遍历不存在重复站点则结束启发式算法，整理网络关联矩阵，得到公交线路的网络化数据，将其投射到地理信息系统中，得到公交线路的空间网络结构，完成对公交线路数据的网络化处理。
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