本發(fā)明涉及一種智能交通管理技術(shù)，特別涉及一種基于站點(diǎn)及共線運(yùn)行的公交乘客出行路徑選擇方法。

背景技術(shù)：

公共汽車交通出行是一種綠色高效的出行方式，但由于城市公交線路走向和站點(diǎn)分布的復(fù)雜性，如何快速尋找最為便捷快速的從出發(fā)地到目的地的公交出行方案，成為城市居民和外地旅客關(guān)注的問題。因此，有必要采取合適的方法為公交乘客選擇合理的乘車線路和換乘站點(diǎn)，以提高公交出行效率。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，有關(guān)公交乘客出行路徑選擇的方法主要有以下幾種：

(1)傳統(tǒng)小汽車交通出行最短路徑算法。這類算法是研究路網(wǎng)中兩點(diǎn)間阻抗最小的路徑，針對小汽車交通，有包括dijkstra算法、floyd-warshall算法等較為成熟的算法。我國的發(fā)明專利“基于骨干路網(wǎng)分層的多路徑選擇方法”、“多任務(wù)導(dǎo)航中最優(yōu)路徑選擇方法”和“一種急救車后送路徑選擇方法”又分別從考慮駕駛員對出行路徑的判斷、考慮多個(gè)任務(wù)點(diǎn)以及考慮緊急救援等交通，提出了一系列新的路徑選擇方法。

(2)基于圖論的公交出行最短路徑選擇算法。這類算法將公交系統(tǒng)抽象建模成一個(gè)以公交站點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)、以公交線路為連線的圖，然后應(yīng)用經(jīng)典的最短路徑算法求公交出行的最短路徑，最后將這條最短路徑轉(zhuǎn)換成公交出行換乘方案。例如anez在《dualgraphrepresentationoftransportnetworks》中提出的二重圖公交網(wǎng)絡(luò)模型以及蘇愛華在《公交網(wǎng)絡(luò)換乘問題的一種實(shí)現(xiàn)》中提出的公共交通網(wǎng)絡(luò)模型。

(3)考慮換乘次數(shù)、換乘等待時(shí)間等因素的公交出行路徑選擇算法。公交出行選擇受多種因素的影響，除了采用出行時(shí)長反映出行效率外，可采用換乘次數(shù)體現(xiàn)便利性。例如nicholas在《adatamodelformulti-dimensionaltransportationapplications》中提出了公交網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)多路徑優(yōu)選算法，其中以換乘次數(shù)最少為第一目標(biāo)，出行距離最短為第二目標(biāo)。趙巧霞在《以最小換乘次數(shù)和站數(shù)為目標(biāo)的公交出行算法》建立了以換乘次數(shù)最少為主要目標(biāo)，途徑站數(shù)最小為次要目標(biāo)的最優(yōu)路徑出行模型。

第一種方法雖然較為成熟，但公交線網(wǎng)較道路網(wǎng)更為復(fù)雜，線路即使相交也未必有換乘站點(diǎn)，因此傳統(tǒng)小汽車交通出行最短路徑算法一般難以直接應(yīng)用于公交出行路徑選擇。為此，第二種方法充分考慮了公交線網(wǎng)以站點(diǎn)為轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，建立了相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)圖，但由于忽略了換乘次數(shù)這一因素，導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果可能出現(xiàn)換乘次數(shù)過多的情況，與實(shí)際乘客出行需考慮換乘、票價(jià)等綜合因素的實(shí)際情況不符。因此，在第三種方法中，增加了乘客對于最優(yōu)路徑的綜合因素考慮。但現(xiàn)有方法均是以搜索最優(yōu)的單個(gè)公交線路及換乘出行鏈為目標(biāo)，將不同的公交線路作為不同的公交出行路徑方案進(jìn)行比選，忽略了公交共線運(yùn)行這一常見特征。而實(shí)際乘客出行往往并不特別在意公交線路，尤其是兩站點(diǎn)間存在多條公交線路時(shí)，往往會(huì)選擇最先到達(dá)的線路。因此，有必要改進(jìn)以往算法中將不同公交線路完全作為競爭關(guān)系的處理方法，考慮共線運(yùn)行時(shí)不同公交線路的合作關(guān)系，從而給乘客提供更為合理、全面的公交出行路徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對公交乘客出行路徑選擇以往未考慮公交共線運(yùn)行，造成公交線路選擇不合理的問題，提出了一種基于站點(diǎn)及共線運(yùn)行的公交乘客出行路徑選擇方法，通過搜尋合理的換乘站點(diǎn)并將途經(jīng)站點(diǎn)間的所有共線公交線路作為乘客可乘坐的線路，提高了出行路徑選擇的合理性以及出行時(shí)間估算的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于站點(diǎn)及共線運(yùn)行的公交乘客出行路徑選擇方法，具體包括如下步驟：

1)、初始化起訖點(diǎn)o、d，換乘次數(shù)n＝0；

2)、確定途經(jīng)起點(diǎn)o的線路集合r0和途經(jīng)終點(diǎn)d的線路集合rd，r⁰＝r0；

3)、搜尋直達(dá)線路集r0,d，若進(jìn)入步驟4)，否則進(jìn)入步驟7)；

4)、確定換乘次數(shù)和潛在換乘站點(diǎn)；

5)、記錄總換乘次數(shù)m＝n；

6)、回溯整個(gè)換乘過程，確定可行換乘站點(diǎn)；

7)、確定可行的公交出行路徑，由起始站點(diǎn)o，各層可行換乘站iⁿ的組合，以及終點(diǎn)d構(gòu)成，iⁿ為第n層可行換乘站點(diǎn)，h^pn為第n層可行換乘站點(diǎn)集合，iⁿ∈h^pn；

8)、確定各條可行公交出行路徑的出行時(shí)長，由各站點(diǎn)的候車時(shí)間和站點(diǎn)間行程時(shí)間組成；

9)、取各條可行公交出行路徑中出行時(shí)長最小的路徑為推薦路徑，輸出結(jié)果包括各途經(jīng)站點(diǎn)以及可乘坐的公交線路。

所述步驟4)確定換乘次數(shù)和潛在換乘站點(diǎn)的具體步驟包括：

4-1)、換乘次數(shù)加1，n＝n+1，進(jìn)入步驟4-2)；

4-2)、確定第n層潛在換乘站點(diǎn)集合hⁿ，如下式所示，進(jìn)入步驟4-3)

hj表示公交線路j沿線的站點(diǎn)集合，h表示公交站點(diǎn)集合，r^n-1表示第n-1層潛在換乘站點(diǎn)所有線路的集合；

4-3)、確定途經(jīng)第n層潛在換乘站點(diǎn)所有線路的集合rⁿ，如下式所示，進(jìn)入步驟4-4)，

ri表示途經(jīng)公交站點(diǎn)i的線路集合，r表示公交線路集合；

步驟4-4)、搜尋從第n層潛在換乘站點(diǎn)rⁿ至終點(diǎn)的線路集rd，若返回步驟4-1)，否則進(jìn)入步驟5)。

所述步驟6)回溯整個(gè)換乘過程，確定可行換乘站點(diǎn)，具體步驟包括：

6-1)、確定第n層可行換乘站點(diǎn)集合h^pn，如下式所示，進(jìn)入步驟6-2)；

6-2)、進(jìn)入前1層，n＝n-1；若n≥1，返回步驟6-1)，否則進(jìn)入步驟7)。

所述步驟8)確定各條可行公交出行路徑的出行時(shí)長，由各站點(diǎn)的候車時(shí)間和站點(diǎn)間行程時(shí)間組成，具體步驟包括：

8-1)、計(jì)算路徑k第n層站點(diǎn)至第n+1層站點(diǎn)的公交線路集合，如下式所示，

8-2)、計(jì)算路徑k第n層站點(diǎn)的候車時(shí)間期望值如下式所示，式中假設(shè)公交到達(dá)滿足均勻分布，公交線路j到達(dá)的平均時(shí)間間隔為gj，

8-3)、計(jì)算路徑k第n層站點(diǎn)至第n+1層站點(diǎn)的行程時(shí)間期望值等于兩公交站點(diǎn)間各條線路行程時(shí)間對線路發(fā)車頻率的加權(quán)平均值，如下式所示，

8-4)、計(jì)算路徑k第n層站點(diǎn)至第n+1層站點(diǎn)的出行時(shí)長t^kn，如下式所示，

8-5)、將各站點(diǎn)間出行時(shí)長累加，得到各條可行路徑的出行時(shí)長，如下式所示，

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于站點(diǎn)及共線運(yùn)行的公交乘客出行路徑選擇方法，在計(jì)算候車時(shí)間中考慮了公交站點(diǎn)間所有共線線路的發(fā)車間隔，即乘客可選擇所有共線線路中最先到達(dá)的線路，有別于以往算法中僅單一線路的發(fā)車間隔，提高了站點(diǎn)候車時(shí)間計(jì)算的準(zhǔn)確性；在計(jì)算站點(diǎn)間行程時(shí)間時(shí)，考慮了所有共線線路的行程時(shí)間的加權(quán)平均值，有別于以往算法中僅單一線路的行程時(shí)間，提高了行程時(shí)間計(jì)算的準(zhǔn)確性；所給出的推薦路徑包括各途經(jīng)站點(diǎn)以及站點(diǎn)間可乘坐的公交線路，有別于以往僅給出單一公交線路及換乘出行鏈，推薦路徑更具合理性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于站點(diǎn)及共線運(yùn)行的公交乘客出行路徑選擇方法基本構(gòu)思圖；圖2為本發(fā)明公交乘客出行路徑選擇方法所得出的出行路徑方案示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施案例百度地圖推薦路徑1；

圖4為本發(fā)明實(shí)施案例百度地圖推薦路徑2。

具體實(shí)施方式

一種基于站點(diǎn)及共線運(yùn)行的公交乘客出行路徑選擇方法，該方法包括以下內(nèi)容：

(1)總體構(gòu)思：

本算法將以換乘站點(diǎn)選擇為基礎(chǔ)，將兩站點(diǎn)間的線路作為合作關(guān)系，從而最終公交出行路徑方案由最優(yōu)換乘站點(diǎn)及換乘站點(diǎn)間可選擇線路集構(gòu)成。如附圖1所示，按以往將不同公交線路完全作為競爭關(guān)系進(jìn)行處理的方式，由起點(diǎn)a至終點(diǎn)f備選的公交出行方案包括：1、r1線換乘r3線，換乘點(diǎn)為c或d或e；2、r1線換乘r4線，換乘點(diǎn)為e；3、r2線換乘r3線，換乘點(diǎn)為d或e；4、r2線換乘r4線，換乘點(diǎn)為e。而按本模型推薦的出行方案應(yīng)當(dāng)是在a站乘坐r1或r2線路，然后在e站換乘r3或r4線路。為此，本算法將以換乘站點(diǎn)選擇為基礎(chǔ)，將兩站點(diǎn)間的線路作為合作關(guān)系，從而最終公交出行路徑方案由最優(yōu)換乘站點(diǎn)及換乘站點(diǎn)間可選擇線路集構(gòu)成，如附圖2所示。由于在公交站點(diǎn)有多條線路可供選擇，大大減少了乘客候車時(shí)間，提高了公交出行的便利性和效率。

(2)優(yōu)化選擇目標(biāo)：

為了兼顧公交出行的便利和高效，本研究以換乘次數(shù)最少為首要優(yōu)化目標(biāo)，出行時(shí)間最小為次要優(yōu)化目標(biāo)，即首先選擇換乘次數(shù)最少的路徑集，在相同的換乘次數(shù)下選擇出行時(shí)間最短的路徑。

(3)網(wǎng)絡(luò)描述：

其中，站點(diǎn)層面：h表示公交站點(diǎn)集合；i表示公交站點(diǎn)，i∈h；hj表示公交線路j沿線的站點(diǎn)集合，

公交線路層面：r表示公交線路集合；j表示公交線路，j∈r；ri表示途經(jīng)公交站點(diǎn)i的線路集合，ri,i'表示途經(jīng)公交站點(diǎn)i和站點(diǎn)i'的線路集合，rⁿ表示第n層潛在換乘站點(diǎn)所有線路的集合。

(4)算法步驟：

step1：初始化起訖點(diǎn)o、d，換乘次數(shù)n＝0，進(jìn)入step2。

step2：確定途經(jīng)起點(diǎn)o的線路集合r0和途經(jīng)終點(diǎn)d的線路集合rd，r⁰＝r0，進(jìn)入step3。

step3：搜尋直達(dá)線路集r0,d，若進(jìn)入step4，否則進(jìn)入step7。

step4：確定換乘次數(shù)和潛在換乘站點(diǎn)，具體步驟包括：

step4-1：換乘次數(shù)加1，n＝n+1，進(jìn)入step4-2。

step4-2：確定第n層潛在換乘站點(diǎn)集合hⁿ，如式(1)所示，進(jìn)入step4-3。

r^n-1表示第n-1層潛在換乘站點(diǎn)所有線路的集合。

step4-3：確定途經(jīng)第n層潛在換乘站點(diǎn)所有線路的集合rⁿ，如式(2)所示，進(jìn)入step4-4。

step4-4：搜尋從第n層潛在換乘站點(diǎn)至終點(diǎn)的線路集，若返回step4-1，否則進(jìn)入step5。

step5：記錄總換乘次數(shù)m＝n，進(jìn)入step6。

step6：回溯整個(gè)換乘過程，確定可行換乘站點(diǎn)，具體步驟包括：

step6-1：確定第n層可行換乘站點(diǎn)集合h^pn，如式(3)所示，進(jìn)入step6-2。

step6-2：進(jìn)入前1層，n＝n-1；若n≥1，返回step6-1，否則進(jìn)入step7。

step7：確定可行的公交出行路徑，由起始站點(diǎn)o，各層可行換乘站iⁿ的組合，以及終點(diǎn)d構(gòu)成，iⁿ為第n層可行換乘站點(diǎn)，iⁿ∈h^pn，進(jìn)入step8。

step8：確定各條可行公交出行路徑的出行時(shí)長，由各站點(diǎn)的候車時(shí)間和站點(diǎn)間行程時(shí)間組成，具體步驟包括：

step8-1：計(jì)算路徑k第n層站點(diǎn)至第n+1層站點(diǎn)的公交線路集合，如式(4)所示，進(jìn)入step8-2。

step8-2：計(jì)算路徑k第n層站點(diǎn)的候車時(shí)間期望值如式(5)所示，式中假設(shè)公交到達(dá)滿足均勻分布，公交線路j到達(dá)的平均時(shí)間間隔為gj，進(jìn)入step8-3。

step8-3：計(jì)算路徑k第n層站點(diǎn)至第n+1層站點(diǎn)的行程時(shí)間期望值等于兩公交站點(diǎn)間各條線路行程時(shí)間對線路發(fā)車頻率的加權(quán)平均值，如式(6)所示。進(jìn)入step8-4。

step8-4：計(jì)算路徑k第n層站點(diǎn)至第n+1層站點(diǎn)的出行時(shí)長t^kn，如式(7)所示，進(jìn)入step8-5。

step8-5：將各站點(diǎn)間出行時(shí)長累加，得到各條可行路徑的出行時(shí)長，如式(8)所示，進(jìn)入step9。

step9：取各條可行公交出行路徑中出行時(shí)長最小的路徑為推薦路徑，輸出結(jié)果包括各途經(jīng)站點(diǎn)以及可乘坐的公交線路，如附圖2所示。

實(shí)施案例為上海理工大學(xué)軍工路南校區(qū)至源深體育中心6號(hào)門公交出行。根據(jù)本發(fā)明的算法步驟，結(jié)果為：

step1：初始化起點(diǎn)為上海理工大學(xué)軍工路南校區(qū)，訖點(diǎn)源深體育中心6號(hào)門，換乘次數(shù)n＝0，進(jìn)入step2。

step2：確定途經(jīng)起點(diǎn)的線路集合r⁰＝r0＝{59,103,124,874,1238}，途經(jīng)終點(diǎn)的線路集合rd＝{130,181,609,775,785,隧道三線}，進(jìn)入step3。

step3：搜尋直達(dá)線路集，由于進(jìn)入step4。

step4：確定換乘次數(shù)和潛在換乘站點(diǎn)。通過搜尋經(jīng)過起點(diǎn)公交線路途徑的全部公交站點(diǎn)，再得到途經(jīng)這些換乘站點(diǎn)所有線路的集合，并與途徑終點(diǎn)的公交線路比對，發(fā)現(xiàn)存在共同線路r0∩rd＝{130,609,775,785,隧道三線}，進(jìn)入step5。

step5：記錄總換乘次數(shù)m＝1，即起訖點(diǎn)間可通過一次換乘到達(dá)，進(jìn)入step6。

step6：回溯整個(gè)換乘過程，確定可行換乘站點(diǎn)，包括h^p1＝{羽山路南洋涇路，靈山路民生路，博山路龍居路，崮山路張楊路，崮山路羽山路，博山東路羅山路}，進(jìn)入step7。

step7：確定可行的公交出行路徑，如表1所示出行路徑方案，進(jìn)入step8。表1

step8：確定各條可行公交出行路徑的出行時(shí)長，由各站點(diǎn)的候車時(shí)間和站點(diǎn)間行程時(shí)間組成，如表2所示出行路徑出行時(shí)長，進(jìn)入step9。

表2

step9：取各條可行公交出行路徑中出行時(shí)長最小的路徑為推薦路徑，即路徑一，輸出結(jié)果包括各途經(jīng)站點(diǎn)以及可乘坐的公交線路：從軍工路周家嘴路站乘坐59路至羽山路南洋涇路下車，換乘785路或隧道三線或130路或609路或775路至羽山路源深路下車。

作為比較，將起訖點(diǎn)輸入百度地圖，輸出的第1和第2推薦路徑分別如圖3和圖4所示。對比發(fā)現(xiàn)本文優(yōu)化方案與百度地圖推薦方案1所選擇的換乘站點(diǎn)相同，但本文優(yōu)化方案對于換乘線路有5條線路供乘客選擇，而百度地圖中僅有2條。進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn)，百度地圖在推薦方案1中缺失的線路中，有2條出現(xiàn)在推薦方案2，但換乘站點(diǎn)卻發(fā)生了變化。因此，本文優(yōu)化方案的總出行時(shí)間更短，較百度地圖推薦方案1和2分別減少22.1％和24.7％，并且乘客實(shí)際乘坐時(shí)可在羽山路南洋涇路(換乘站)選擇785路、隧道三線、130路、609路、775路中最先到達(dá)的線路，優(yōu)化方案更具合理性。