CN113762598B - 一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，该方法包括以下步骤：收集待疏散需求和车辆供给信息；疏散距离、路段运行时间估算以及疏散需求划分；基于车场、避难所及枢纽待疏散节点信息，建立多车场、多行程及带时间窗限制的应急疏散车辆路径规划模型；基于该模型，利用行程划分、需求拆分得到符合模型约束限制的单点访问满载单车疏散路径及行程安排；多点访问应急车辆疏散路径生成；路径集合稳定，结束计算，生成路径、车辆在各点所疏散的人数等信息。与现有技术相比，本发明具有考虑应急疏散背景下的供需不平衡、多点受灾等复杂场景，提高车路疏散路径规划对复杂场景的适用性以及疏散的有效性等优点。

Description

一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法

技术领域

本发明涉及车辆调度技术领域，尤其是涉及一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法。

背景技术

城市交通出行具有人流量大、成分复杂、安全需求高等特性，与此同时正处于交通枢纽向城市大型综合交通体发展的过程中，以上因素均对市民公共出行安全以及枢纽外部应急疏散水平提出了更高的要求。

综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划主要是在城市现有路网的基础上针对不同类型的突发安全事件进行应急疏散运力的调度。应急疏散运力调度建立在路网通行能力、应急车辆运动方程以及疏散目的地(即避难场所)的布局基础上。与一般正常交通的不同的是，应急交通疏散增加了疏散路径的交通承载量，其引起的交通需求是有时限性和方向性的，并且交通流分配和疏散信息发布均对信息系统有较高的要求，需保证疏散区域和外界的衔接性较好。因此，在应急疏散场景下，运力的调配应当考虑突发事件影响范围，估计疏散需求，确定疏散目的地以及疏散方式，以疏散时间最短或单位时间疏散人流最多等为目标建立疏散路径优化模型，最终确定应急疏散方案。

为实现应急疏散的快速响应、减小时间损失以及缩小影响范围，现有应急车辆疏散调度的研究多集中于灾害场景以及轨道交通停运等场景下的车辆调度及应急接驳，现有技术根据疏散人数，时间窗等情况提出建模方法，确定所需的运力规模、各车辆的运行路线和运行时间。

从社会角度分析，在完善车辆调度方案时，应考虑待疏散点对时间紧凑性的高要求，当疏散供给与疏散需求不匹配时，需要多辆应急车辆进行多行程疏散，因此在应急车辆调度过程中，应充分考虑时间窗限制以及行程划分，选取最为有效和快速的疏散路径，而这是现有应急疏散车辆调度方法研究中仍需进一步深入和完善的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的未充分考虑时间窗限制以及行程划分的缺陷而提供一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，具体包括以下步骤：

S1、获取枢纽待疏散节点的疏散需求和车场的车辆供给信息；

S2、根据所述疏散需求和车辆供给信息，计算疏散距离和路段运行时间，并对疏散需求进行初步划分；

S3、获取车场、避难所及枢纽待疏散节点的位置信息，建立多车场、多行程及带时间窗限制的应急疏散车辆路径规划模型；

S4、基于所述应急疏散车辆路径规划模型，获取行程划分结果，结合疏散需求的初步划分结果，计算得到符合对应的模型约束条件的单点访问应急车辆疏散路径及行程安排信息；

S5、根据单点访问应急车辆疏散路径及行程安排信息，生成多点访问应急车辆疏散路径；

S6、结合单点访问应急车辆疏散路径和多点访问应急车辆疏散路径生成疏散路径集合，对所述疏散路径集合的稳定性进行检测，若满足稳定性指标则将对应的疏散路径集合作为最优解进行输出。

所述疏散需求和车辆供给信息通过站点客流量、人流管控和车场管理系统获取。

进一步地，所述疏散需求包括疏散点位置、待疏散需求和站点时间窗，所述车辆供给信息包括车场或避难所位置分布信息、可调配应急车辆数量、车辆核载容量和车辆行驶速度。

进一步地，所述疏散距离具体为两个站点之间的欧式距离，所述路段运行时间基于车辆行驶速度及疏散距离计算得到。

所述应急疏散车辆路径规划模型的目标函数具体如下所示：

其中，Z为总疏散时间，为车辆k在第v次行程中是否驶过路段(i，j)的决策变量，若是取1，否则取0，t_ijk为车辆k在路段(i，j)之间的行程时间，s_ik为车辆k在站点i的服务时间，K为应急疏散车辆集合，V为车辆行程集合，N为站点集合。

进一步地，所述模型约束条件的公式具体如下所示：

其中，i，j，l为站点编号，N₀为车场及避难所集合，N₀＝{1，2，...，n}，N₁为枢纽待疏散节点集合，N₁＝{n+1，n+2，...，m}，N＝(N₀∪N₁)，K＝{1，2，3，...，k}，k为车辆编号，V＝{1，2，3，...，v}，v为车辆行程编号，d_i为枢纽待疏散节点i需疏散的人数，为车辆k在第v行程中，到达i点的时间，l_i为i点时间窗允许开始服务的最晚时间，Q为应急车辆容量，/>为车辆k在第v次行程中在站点i接载的乘客数。

所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41、初始化应急疏散车辆路径规划模型的模型参数；

S42、以单车车辆核载人数为单位对疏散需求进行划分，计算得到各站点疏散可进行满载运输所需的车辆数；

S43、根据各站点疏散可进行满载运输所需的车辆数，生成单点访问应急车辆疏散路径；

S44、根据计算得到的单点访问应急车辆疏散路径，计算得到车辆行程数。

所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、输入模型关键参数，计算得到满足模型约束条件的决策变量；

S52、根据所述决策变量，提取车辆的停靠点生成车辆行驶路径，构成多点访问应急车辆疏散路径；

S53、计算对应场景下所有车辆的总运行时间。

进一步地，所述模型关键参数包括车辆核载容量、车辆数和各个枢纽待疏散节点的时间窗限制值。

进一步地，所述总运行时间包括路段运行时间和疏散点服务时间。

所述单点访问应急车辆疏散路径和多点访问应急车辆疏散路径均包括车辆访问的站点、各站点的运载人数以及车辆行程信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明在应急疏散车辆路径规划模型的构建中，以最小化疏散总时间为目标，综合考虑了多行程、多车场及时间窗限制、疏散供需不平衡等复杂场景，提高了规划的应急车辆疏散线路的适用性及有效性。

2.本发明通过划分出单点访问应急车辆疏散路径和多点访问应急车辆疏散路径，充分利用单次车辆的承载能力，同时将多个车场和枢纽待疏散节点进行串联，实现快速有效的车辆疏散路径规划，有效解决多行程多车场需求划分问题。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明生成单点访问应急车辆疏散路径的流程示意图；

图3为本发明生成多点访问应急车辆疏散路径的流程示意图；

图4为本发明实施例中站点分布的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，具体包括以下步骤：

S1、获取枢纽待疏散节点的疏散需求和车场的车辆供给信息；

S2、根据疏散需求和车辆供给信息，计算疏散距离和路段运行时间，并对疏散需求进行初步划分；

S3、获取车场、避难所及枢纽待疏散节点的位置信息，建立多车场、多行程及带时间窗限制的应急疏散车辆路径规划模型；

S4、基于应急疏散车辆路径规划模型，获取行程划分结果，结合疏散需求的初步划分结果，计算得到符合对应的模型约束条件的单点访问应急车辆疏散路径及行程安排信息；

S5、根据单点访问应急车辆疏散路径及行程安排信息，生成多点访问应急车辆疏散路径；

S6、结合单点访问应急车辆疏散路径和多点访问应急车辆疏散路径生成疏散路径集合，对疏散路径集合的稳定性进行检测，若满足稳定性指标则将对应的疏散路径集合作为最优解进行输出。

疏散需求和车辆供给信息通过站点客流量、人流管控和车场管理系统获取。

疏散需求包括疏散点位置、待疏散需求和站点时间窗，车辆供给信息包括车场或避难所位置分布信息、可调配应急车辆数量、车辆核载容量和车辆行驶速度。

步骤S2还包括根据应急疏散需求，集计枢纽或站点疏散需求，统计同一站点疏散信息，具体统计内容包括该时刻处在同一站点内的待疏散人数及所需疏散时间。

疏散距离具体为两个站点之间的欧式距离，路段运行时间基于车辆行驶速度及疏散距离计算得到。

应急疏散车辆路径规划模型考虑站点进出流量平衡、载重能力、疏散需求、时间窗、可调配车辆数、车辆是否疏散该站点等约束，以该疏散过程的总疏散时间最小为优化目标构建优化模型的目标函数具体如下所示：

其中，Z为总疏散时间，为车辆k在第v次行程中是否驶过路段(i，j)的决策变量，若是取1，否则取0，t_ijk为车辆k在路段(i，j)之间的行程时间，s_ik为车辆k在站点i的服务时间，K为应急疏散车辆集合，V为车辆行程集合，N为站点集合。

模型约束条件的公式具体如下所示：

待疏散总人数与车辆总运载能力的关系：

待疏散节点最终均需被疏散：

各站点的流量守恒，且车辆在一次行程中至多只能途径某疏散站点一次：

车辆从N₀出发以及车辆完成单次行程的疏散任务后返回N₀：

车辆需访问枢纽待疏散节点后才可返回：

疏散车辆运载能力约束：

车辆只有访问了某站点后才可为其提供服务：

各车辆首次出发时的在车场的到达时间为0：

时间连续性约束：

右时间窗约束：

决策变量的取值范围约束：

其中，i，j，l为站点编号，N₀为车场及避难所集合，N₀＝{1，2，...，n}，N₁为枢纽待疏散节点集合，N₁＝{n+1，n+2，...，m}，N＝(N₀∪N₁)，K＝{1，2，3，...，k}，k为车辆编号，V＝{1，2，3，...，v}，v为车辆行程编号，d_i为枢纽待疏散节点i需疏散的人数，为车辆k在第v行程中，到达i点的时间，l_i为i点时间窗允许开始服务的最晚时间，Q为应急车辆容量，/>为车辆k在第v次行程中在站点i接载的乘客数。

如图2所示，步骤S4具体包括以下步骤：

S41、初始化算法所需各项参数，获取车辆核载容量、站点坐标、疏散人数、车辆数、时间窗等关键参数，根据欧式距离计算公式计算各站点之间的距离及路段运行时间；

S42、判断各疏散站点的待疏散人数d_i是否大于应急车辆核载容量Q，若d_i＞Q，则以单车车辆核载人数为单位对站点疏散需求d_i进行划分，计算各站点i疏散可进行满载运输所需的车辆数num_i；

S43、判断各站点疏散所需车辆数num_i之1是否成立，若num_i＜1则进行建模计算求解，生成车辆疏散路径；若num_i≥1，进行车辆全分配，即车辆均从车场出发，进行单点(即点对点)访问，满载运输返回至就近避难所，更新各疏散点的待疏散需求d_i及车辆终点位置，直至各站点待疏散需求d_i＜Q，此时停止分配，记录此时各疏散站点剩余疏散需求d_i，车辆路径遵循最短路径分配，基于步骤S41计算所得的行程时间T以及各疏散点的服务时间s_i，记录满载行程的总行程时间；

S44、计算车辆行程数v，对num_i求和记为num，计算满载运输总需求车辆数是否可被k辆车整除，对num/k(k为车辆数)向下取整数部分记为行程数v，余数记为n，判断n是否为0，若n＝0，所有车辆行程数记为v；若n≠0，遵循就近原则被分配进行疏散任务的n辆车行程数记为v＝v+1。

如图3所示，步骤S5具体包括以下步骤：

S51、输入车辆核载容量、车辆数、各站点时间窗限制值等关键参数，计算满足模型约束条件的决策变量

S52、根据路径变量的下标，车场编号作为单次行程起、终点，且需满足对第k辆车而言v行程的终点是v+1行程的起点，提取各车辆k的停靠点生成车辆行驶路径，构成车辆k的单次行程路径；

S53、计算对应场景下所有车辆的总运行时间更新所有车辆的行程数v＝v+1。

总运行时间包括路段运行时间和疏散点服务时间。

单点访问应急车辆疏散路径和多点访问应急车辆疏散路径均包括车辆访问的站点、各站点的运载人数以及车辆行程信息。

具体实施时，如图4所示，假设共有一个车场，车场共有8辆应急车辆且均从不同车场(站点0、站点1、站点2和站点3，即图示4中的N₀-N₃)出发，且以上站点同时作为4个避难所(即车辆访问受灾点后需将受灾人群疏散至车场)，应急车辆采取同一车型且车辆容量均为35人，共6个枢纽待疏散节点(即图示4中的N₄-N₉)。各待疏散点的灾民可接受的最晚被疏散时长(即到达时间窗)均为120分钟，疏散站点服务时间均为0.5分钟/人，要求合理的安排车辆的行驶路线及行程，使总运行效率最高，即总疏散时间最短(含路段行驶时间及各站点服务时间)。

表2为车场可用车辆数及坐标相关信息，表3为枢纽待疏散节点的坐标、疏散需求及时间窗等信息，具体如下：

表2驻车点信息表

站点编号	坐标	站点类型	可调配车辆数/辆
				0	(15，20)	车场/避难所	3
1	(18，26)	车场/避难所	2
				2	(24，24)	车场/避难所	2
3	(26，32)	车场/避难所	1

表3疏散站点信息表

站点编号	坐标	站点类型	灾民人数/人	时间窗/min
					4	(16，31)	枢纽待疏散节点	128	120
5	(26，16)	枢纽待疏散节点	70	120
					6	(21，20)	枢纽待疏散节点	171	120
7	(26，21)	枢纽待疏散节点	85	120
					8	(28，29)	枢纽待疏散节点	139	120
9	(31，21)	枢纽待疏散节点	78	120

利用各站点间的欧式距离与规定车辆行驶速度的计算结果可以计算出各站点间的行驶时间，单位为分钟。

当出现突发事件时，出现疏散需求与运载能力不匹配的情况，需对应急车辆进行多行程路径规划，依据算法步骤及流程，可获得应急车辆的行程安排及疏散路径。

在本实施例中，共有800个决策变量X、80个决策变量Y，由于优化目标表达式及约束条件均为线性，因此借助CPLEX求解软件进行求解，本实施例将基于Python编程工具，分别调取CPLEX以及DOCPLEX等工具包进行求解。

本实施例中采取实验数据集对案例问题共进行了多次验算，以检验求解方法的性能，第一次验算的分析结果如下所示：

假设应急车辆车型一致，车辆核载容量为35人，确定在车辆实现多点访问完成疏散任务之前，满载车辆的行程数及具体车辆安排，得到该阶段的车辆应急调派方案，经计算及验证后，得到如表4所示的单点访问满载运输阶段行程一各条路径所需车辆开行次数以及表5所示的各应急车辆运行任务的接续关系。计算结果表明，完成该阶段行程一中的疏散任务需要应急车辆8辆，即所有应急车辆均被调配，表4和表5具体如下：

表4行程一中应急路线需开行应急车辆数目

表5行程一中各应急车辆疏散路径次序

再次判断是否需要单点访问满载运输，经判定该行程仍为单点访问满载运输，依据行程一中的疏散路径，在行程二中，以行程一的终点作为行程二的起点，以行程一结束时刻点作为行程二开始时间，经计算得到如表6所示的单点访问满载运输阶段行程二各条路径所需车辆开行次数以及表7所示的各应急车辆运行任务的接续关系。计算结果表明，完成该阶段行程二疏散任务依旧需要应急车辆8辆，即所有应急车辆仍全部被调配，此时所有车辆行程数均记为2。表6和表7具体如下：

表6行程二中应急路线需开行应急车辆数目

表7行程二中各应急车辆疏散路径次序

在计算完成满载情况下的单点访问应急车辆疏散路径后，判断是否仍需要进行单点访问满载运输，经判定该行程不符合单点访问满载运输条件，因此进行多点访问应急疏散，依据行程二的疏散路径，在行程三中，以行程二的终点作为行程三的起点，以行程二的结束时刻点作为行程三的开始时间，经计算得到如表8所示的单点访问满载运输阶段行程三各条路径所需车辆开行次数以及表9所示的各应急车辆运行任务的接续关系。计算结果表明，完成该阶段行程三疏散任务需调配6辆应急车辆。表8和表9具体如下：

表8行程三中应急路线需开行应急车辆数目

表9行程三中各应急车辆疏散路径次序

最终计算结果为：应急疏散过程中所调配车辆数为8辆，其中3辆车来自站点0，2辆来自站点1，2辆来自站点2，1辆来自站点3。总疏散时间为978.7分钟，单人疏散所需时间平均为33.2分钟，算法平均运行时间为42.735秒，整合各行程路径信息及各车辆行程数具体结果如下表所示：

表10疏散路径生成结果

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本实施例在综合交通体及交通网络规划发展的背景下，基于疏散需求、站点分布等复杂交通疏散场景的剖析，提出了一种带时间窗需求可拆分多车场的多行程车辆路径问题，该问题适用于城市大型综合节点突发事件场景，即以迅速疏散受灾人群为目标，应急车辆从不同车场出发前往受灾点，由于可能存在疏散需求与运载能力不匹配的情况，故引入多行程概念实施应急疏散。本文提出分割单点可满载运输行程及多点访问完成运输任务的算法，实现对车辆多行程的划分，结合时间窗、回路约束、载重能力约束等条件构建数学模型，由于目标函数及约束条件均为线性，可考虑采取python调用CPLEX及DOCPLEX进行数学建模求解，并引入一组实例对数学模型的合理性以及算法的有效性进行验算。实例结果证明，该模型及算法可有效描述应急疏散场景下车辆疏散路径的规划，并帮助突发事件应急疏散场景下外部应急车辆调度方案的快速制定及决策。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、获取枢纽待疏散节点的疏散需求和车场的车辆供给信息；

S2、根据所述疏散需求和车辆供给信息，计算疏散距离和路段运行时间，并对疏散需求进行初步划分；

S3、获取车场、避难所及枢纽待疏散节点的位置信息，建立多车场、多行程及带时间窗限制的应急疏散车辆路径规划模型；

S4、基于所述应急疏散车辆路径规划模型，获取行程划分结果，结合疏散需求的初步划分结果，计算得到符合对应的模型约束条件的单点访问应急车辆疏散路径及行程安排信息；

S5、根据单点访问应急车辆疏散路径及行程安排信息，生成多点访问应急车辆疏散路径；

S6、结合单点访问应急车辆疏散路径和多点访问应急车辆疏散路径生成疏散路径集合，对所述疏散路径集合的稳定性进行检测，若满足稳定性指标则将对应的疏散路径集合作为最优解进行输出；

所述应急疏散车辆路径规划模型的目标函数具体如下所示：

其中，Z为总疏散时间，为车辆k在第v次行程中是否驶过路段(i,j)的决策变量，若是取1，否则取0，t_ijk为车辆k在路段(i,j)之间的行程时间，s_ik为车辆k在站点i的服务时间，K为应急疏散车辆集合，V为车辆行程集合，N为站点集合；

所述模型约束条件的公式具体如下所示：

其中，i,j,l为站点编号，N₀为车场及避难所集合，N₀＝{1,2,…,n}，N₁为枢纽待疏散节点集合，N₁＝{n+1,n+2,…,m}，N＝(N₀∪N₁)，K＝{1,2,3,…,k}，k为车辆编号，V＝{1,2,3,…,v}，v为车辆行程编号，d_i为枢纽待疏散节点i需疏散的人数，为车辆k在第v行程中，到达i点的时间，l_i为i点时间窗允许开始服务的最晚时间，Q为应急车辆容量，/>为车辆k在第v次行程中在站点i接载的乘客数。

2.根据权利要求1所述的一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，其特征在于，所述疏散需求包括疏散点位置、待疏散需求和站点时间窗，所述车辆供给信息包括车场或避难所位置分布信息、可调配应急车辆数量、车辆核载容量和车辆行驶速度。

3.根据权利要求2所述的一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，其特征在于，所述疏散距离具体为两个站点之间的欧式距离，所述路段运行时间基于车辆行驶速度及疏散距离计算得到。

4.根据权利要求1所述的一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41、初始化应急疏散车辆路径规划模型的模型参数；

S42、以单车车辆核载人数为单位对疏散需求进行划分，计算得到各站点疏散可进行满载运输所需的车辆数；

S43、根据各站点疏散可进行满载运输所需的车辆数，生成单点访问应急车辆疏散路径；

S44、根据计算得到的单点访问应急车辆疏散路径，计算得到车辆行程数。

5.根据权利要求1所述的一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、输入模型关键参数，计算得到满足模型约束条件的决策变量；

S52、根据所述决策变量，提取车辆的停靠点生成车辆行驶路径，构成多点访问应急车辆疏散路径；

S53、计算对应场景下所有车辆的总运行时间。

6.根据权利要求5所述的一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，其特征在于，所述模型关键参数包括车辆核载容量、车辆数和各个枢纽待疏散节点的时间窗限制值。

7.根据权利要求5所述的一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，其特征在于，所述总运行时间包括路段运行时间和疏散点服务时间。

8.根据权利要求1所述的一种综合交通枢纽应急疏散车辆路径规划方法，其特征在于，所述单点访问应急车辆疏散路径和多点访问应急车辆疏散路径均包括车辆访问的站点、各站点的运载人数以及车辆行程信息。