本發(fā)明屬于交通領(lǐng)域，具體涉及一種基于乘客需求的公交站選址及線路設(shè)計方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、考慮到公共交通相對其它交通方式更加綠色環(huán)保，也可以降低居民的出行成本，因此如何提高區(qū)域內(nèi)居民使用公共交通的便利性是可持續(xù)交通的主要問題之一。

2、現(xiàn)有公共交通線路設(shè)計和公交站選址過程依賴舊有的標(biāo)準(zhǔn)，舊有標(biāo)準(zhǔn)中的站點設(shè)置通常以能夠達(dá)到最大居民覆蓋率為目標(biāo)。這導(dǎo)致在實際的公交運行過程中，乘客雖然在國標(biāo)中采用直線距離計算的覆蓋范圍中，但是由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)、城中村等局部區(qū)域的道路情況復(fù)雜等原因，乘客步行至公交?？空镜木嚯x遠(yuǎn)超過國標(biāo)中指定的覆蓋距離。

3、除此之外，現(xiàn)有的公共交通線路設(shè)計中還存在以下幾種缺陷：1、很少關(guān)注偏遠(yuǎn)地區(qū)的交通便利性；2、未根據(jù)實際路網(wǎng)進(jìn)行建模、優(yōu)化，產(chǎn)生的優(yōu)化結(jié)果不符合實際道路情況。3、考慮不夠全面，未同時考慮乘客出行需求、乘客換乘方案、實際道路條件、乘客出行路徑、公交停靠站位置、公交線路、公交線路數(shù)量燈多重因素。綜上所述，現(xiàn)有公共交通線路和站點設(shè)置不合理，一方面會導(dǎo)致乘客的出行需求無法得到充分滿足，另一方面也會使得公交公司的運力配置和乘客出行需求不匹配，降低公交公司的營業(yè)收入。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決公共交通線路和站點設(shè)置不合理給用戶帶來不便并導(dǎo)致公交公司營業(yè)收入降低的問題，本發(fā)明提供一種基于乘客需求的公交站選址及線路設(shè)計方法和裝置。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

3、一種基于乘客需求的公交站選址及線路設(shè)計方法，其用于對指定區(qū)域的所有既有公交線路進(jìn)行重新設(shè)計，進(jìn)而在滿足大部分乘客出行需求的前提下實現(xiàn)成本最優(yōu)。該方法包括如下步驟：

4、s1：根據(jù)指定區(qū)域的地理特征和道路分布建立一個表征當(dāng)前區(qū)域交通條件的有向圖 g：。其中，表示所有符合設(shè)站條件的備選站點的集合； a表示能夠相同通達(dá)的任意兩備選站點之間的通行路徑的集合。

5、s2：在有向圖 g上確定任意公交線路 l的線路備選站點、線路起點弧、線路終點弧和線路虛擬弧，進(jìn)而建立對應(yīng)的運行地圖 g l。

6、s3：在有向圖 g上確定任意乘客 p的出行需求中的備選上車點、備選下車點、乘客上車弧、乘客運行弧、乘客換乘弧和乘客虛擬弧，進(jìn)而建立對應(yīng)的需求地圖 g p。

7、s4：以所有公交線路的運行地圖中所有弧為公交路徑選擇決策變量，以所有需求地圖中所有弧為乘客路徑選擇決策變量；預(yù)設(shè)運行地圖和需求地圖中包含的每種類型的弧的單位成本，進(jìn)而以包含所有乘客的出行成本和所有公交路線運行成本的綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)；以線路設(shè)置合理性約束的約束條件，建立一個線網(wǎng)優(yōu)化模型。

8、s5：采用變鄰域搜索算法對所述線網(wǎng)優(yōu)化模型進(jìn)行迭代尋優(yōu)，并在變鄰域搜索算法的擾動操作和修復(fù)操作之間增加一個換乘選擇操作以加速迭代；最終將優(yōu)化結(jié)果中不包含線路虛擬弧的各個運行地圖中的線路作為最終開設(shè)的公交線路，各個運行地圖中包含的公交線路所經(jīng)過的備選站點作為實際設(shè)置的站點。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s2中，任意公交線路 l的運行地圖 g l的構(gòu)建方法如下：

10、（1）將有向圖g中對應(yīng)原線路起點和終點的備選站點去除，剩余站點作為線路備選站點。（2）將g中從原線路起點出發(fā)的各個通行路徑作為線路起點?。坏竭_(dá)原線路終點的各個通行路徑作為線路終點??；剩余通行路徑作為線路運行弧。（3）定義從線路起點直接到達(dá)線路終點且不經(jīng)過各個線路備選站點的跳躍路徑為線路虛擬弧。

11、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s3中，任意乘客 p的需求地圖 g p的構(gòu)建方法如下：

12、（1）將g中對應(yīng)乘客 p歷史乘車記錄的上車位置和下車位置周圍的指定半徑內(nèi)的各個備選站點分別作為當(dāng)前用戶的備選上車點和備選下車點。（2）將g中從出發(fā)的各個通行路徑作為乘客上車??；到達(dá)的各個通行路徑作為乘客下車??；剩余通行路徑作為乘客運行弧，仍記為。（3）定義乘客 p從其中一個公交線路的線路備選站點i到另一個公交線路的線路備選站點j的跳躍路徑為乘客換乘弧。（4）定義從備選上車點到備選下車點且不經(jīng)過各個線路備選站點的跳躍路徑為乘客虛擬弧。

13、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s4中，優(yōu)化目標(biāo)的表達(dá)式如下：

14、

15、

16、

17、上式中， c p（ i， j）表示乘客在任意屬于的?。? i， j）的單位運行成本；表示乘客路徑選擇決策變量；p表示所有乘車用戶的集合；l表示所有公交線路的集合； a l?表示運行地圖 g l中包含的所有弧的集合； a p表示需求地圖 g p中包含的所有弧的集合； c l（ i， j）表示公交線路中任意屬于 a l?的?。? i， j）的單位運行成本；表示公交路徑選擇決策變量。

18、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，在線網(wǎng)優(yōu)化模型中，線路設(shè)置合理性約束包括公交線路流平衡約束、乘客路徑流平衡約束、耦合約束、線路長度約束、換乘次數(shù)約束、路徑完整性約束和子回路消除約束。

19、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，公交線路流平衡約束指：該公交線路在開通的情況下，每個運行地圖中必包含一個線路起點弧、線路終點弧，且運行地圖中的任意一個線路備選站點必同時存在一個到達(dá)該站點以及從該站點出發(fā)的線路運行弧。

20、乘客路徑流平衡約束指：該乘客如果采用公交出行的情況下，每個需求地圖中必包含一個乘客上車弧、乘客下車弧，且需求地圖中的任意一個線路備選站點必同時存在一個到達(dá)該站點以及從該站點出發(fā)的線路運行弧。

21、耦合約束指：需求地圖中的每條乘客運行弧必在運行地圖中存在與之對應(yīng)的線路運行弧；且每條線路運行弧上的分配到的乘客運行弧的數(shù)量不大于預(yù)設(shè)的線路容量c。

22、線路長度約束指：任意運行地圖從線路起點到線路終點過程中的總路程不大于預(yù)設(shè)的長度上限 l max。

23、換乘次數(shù)約束指每個需求地圖中包含的換乘站點的數(shù)量不超過預(yù)設(shè)的換乘次數(shù)上限m。

24、線路完整性約束指：任意需求地圖中包含的乘客換乘弧的上一通行路徑和下一通行路徑不允許同時為乘客下車弧和乘客上車弧。

25、子回路消除約束指：每條需求路線中除乘客起點和乘客終點以外的其余站點之間不允許構(gòu)成回路。

26、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s5中，變鄰域搜索算法執(zhí)行的迭代尋優(yōu)過程如下：

27、s51：對由每條公交線路的運行地圖構(gòu)成的可行解進(jìn)行編碼，并初始化目標(biāo)函數(shù)。

28、s52：在滿足約束條件的前提下，依次將所有用戶的需求地圖中包含的站點插入到可行解中，得到初始解。

29、s53：利用預(yù)設(shè)的擾動算子對上步驟得到的初始解進(jìn)行擾動。

30、s54：利用預(yù)設(shè)的換乘選擇算子從上步驟的各運行地圖中選擇指定數(shù)量的站點作為換乘站點。

31、s55：通過鄰域局部搜索的方式重新獲取新的中間解，更新目標(biāo)函數(shù)的值，并做出如下決策：

32、若當(dāng)前輪的解的目標(biāo)函數(shù)值大于上一輪的解的目標(biāo)函數(shù)值，則由本輪的解作為下一輪的初始解；否則由上一輪的解作為下一輪初始解；

33、s56：重復(fù)步驟s53-s55直到達(dá)到最大迭代次數(shù)；保留最終得到的能夠使得目標(biāo)函數(shù)值最小的最優(yōu)解；

34、s57：對最優(yōu)解進(jìn)行解碼，得到優(yōu)化后的若干公交線路以及每條公交線路中的站點序列。

35、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s53中，擾動算子包括：換乘點移除算子、上下車簇移除算子、基于歷史移除算子。

36、步驟s54中，換乘選擇算子包括：隨機選擇算子、最鄰近算子、集中轉(zhuǎn)移算子和歷史表現(xiàn)算子。

37、步驟s55中，鄰域局部搜索采用的算子包括：同時考慮換乘的最優(yōu)插入算子、優(yōu)先考慮換乘的最優(yōu)插入算子、最大差距的插入算子。

38、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s54中，在每輪迭代中引入評分機制，進(jìn)而在每輪迭代完成后對換乘點選擇操作采用的各個算子進(jìn)行性能評價，然后根據(jù)性能評價值調(diào)整下一輪中各個換乘選擇算子的選擇概率。

39、本發(fā)明還包括一種基于乘客需求的公交站選址及線路設(shè)計裝置，其包含存儲器、處理器，以及存儲在存儲器內(nèi)并在處理器中運行的計算機程序。處理器執(zhí)行計算機程序時，采用如前述的基于乘客需求的公交站選址及線路設(shè)計方法，實現(xiàn)對指定區(qū)域的所有既有公交線路進(jìn)行重新設(shè)計，進(jìn)而在滿足大部分乘客出行需求的前提下實現(xiàn)成本最優(yōu)。

40、本發(fā)明提供的技術(shù)方案，具有如下有益效果：

41、本發(fā)明將公交線路的在指定區(qū)域內(nèi)的布局和乘客的出行需求抽象為圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，然后定義線路虛擬弧、乘客換乘弧和乘客虛擬弧等對該優(yōu)化場景進(jìn)行更精準(zhǔn)的建模，得到與每條公交線路對應(yīng)的運行地圖，以及與每個客戶的行程記錄對應(yīng)的需求地圖。

42、基于運行地圖和需求地圖，本發(fā)明創(chuàng)建了一個能夠?qū)Τ丝统塑嚶窂胶凸贿\行路徑一體化聯(lián)合優(yōu)化線網(wǎng)優(yōu)化模型；構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)和模型中同時考慮地區(qū)的實際道路情況、乘客出行需求、乘客換乘方案、乘客出行路徑、公交停靠站位置、公交線路數(shù)量等多重因素，因而更加貼合實際。

43、本發(fā)明采用變鄰域搜索算法對構(gòu)建的線網(wǎng)模型進(jìn)行求解，該算法采用在搜索過程中系統(tǒng)地改變當(dāng)前解的鄰域的思想，同時，本發(fā)明在傳統(tǒng)算法的擾動操作加入換乘選擇操作，使得這一算法可以進(jìn)一步縮小局部搜索空間。特別地，與傳統(tǒng)變鄰域搜索算法不同的是，本發(fā)明還在算法過程中設(shè)計了評分機制，進(jìn)而使用自適應(yīng)的思想在每次局部搜索之前，靈活選擇效果較好的換乘選擇算子，盡可能地縮小局部搜索空間，這對算法求解具有加速的作用。