一種軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和結(jié)果輸出模塊，其特征在于：所述數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)軌道交通目標(biāo)站點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的接駁公交線網(wǎng)走向、站點(diǎn)位置、發(fā)車頻率等綜合參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明的軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)解決復(fù)合式路網(wǎng)和多式競(jìng)爭(zhēng)條件下的公交接駁線網(wǎng)的整體優(yōu)化問(wèn)題，使包括運(yùn)營(yíng)成本、軌道交通接駁成本在內(nèi)的總成本最小化。
【專利說(shuō)明】一種軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于交通運(yùn)輸領(lǐng)域，具體是一種軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國(guó)許多大城市路網(wǎng)規(guī)劃模式均為棋盤+放射+環(huán)狀路的復(fù)合式路網(wǎng)，這類充分結(jié)合了放射、環(huán)狀路網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)形成的復(fù)合式路網(wǎng)結(jié)構(gòu)大大增加了公共交通線網(wǎng)的復(fù)雜度，如圖1所示，對(duì)公交線網(wǎng)優(yōu)化提出了新的挑戰(zhàn)。
[0003]軌道交通接駁公交指的是專門服務(wù)于城市軌道交通的公共交通服務(wù)，旨在提供中、短途交通服務(wù)，解決交通小區(qū)和軌道交通站點(diǎn)之間無(wú)縫銜接。
[0004]當(dāng)前，我國(guó)許多城市往往專注于軌道交通骨干線網(wǎng)的建設(shè)而忽視了與之相配套的接駁公交的同步跟進(jìn)、銜接與匹配，從而大大削弱了骨干線路的運(yùn)營(yíng)效率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的客流輸送效能。因而，為處于主體地位的軌道交通系統(tǒng)建立完善的二級(jí)公交接駁網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)交通小區(qū)與相應(yīng)軌道交通樞紐站點(diǎn)的無(wú)縫銜接有著實(shí)際的現(xiàn)實(shí)需求，也是提高公交系統(tǒng)整體效率的重要發(fā)展方向。
[0005]作為一個(gè)接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，它首要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是接運(yùn)站點(diǎn)的選取和接運(yùn)線路的優(yōu)化，這二者又與道路網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)密切相關(guān)。目前，我國(guó)在接駁公交線路的優(yōu)化方面理論研究相對(duì)滯后，特別是在包含方格、環(huán)形等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)合式路網(wǎng)條件下，對(duì)多種軌道交通接駁方式相互競(jìng)爭(zhēng)等復(fù)雜條件作綜合考慮的線網(wǎng)規(guī)劃理論儲(chǔ)備嚴(yán)重不足。當(dāng)前研究所存在的共同問(wèn)題，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面:
一是現(xiàn)有線網(wǎng)優(yōu)化模型多基于形式單一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而公交站點(diǎn)、接駁需求被假設(shè)全部集中于網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)。這樣的假設(shè)不但不符合公交站點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)規(guī)范(岔口設(shè)置公交站點(diǎn)將嚴(yán)重阻礙交通)，同時(shí)接駁需求和公交站點(diǎn)的重合也忽略了乘客對(duì)公交站點(diǎn)和線路本身的選擇行為，使現(xiàn)有優(yōu)化方法無(wú)法根據(jù)實(shí)際接駁公交需求的分布和路徑選擇特點(diǎn)對(duì)公交站點(diǎn)的位置進(jìn)行有效優(yōu)化。
[0006]二是在線網(wǎng)優(yōu)化模型中，接駁公交以外的其他接駁方式對(duì)接駁需求的影響考慮不足，也就是彈性接駁需求問(wèn)題。目前在極少數(shù)模型中開始對(duì)這一問(wèn)題有所涉及，但僅僅考慮了單一方式(例如小汽車)對(duì)整個(gè)接駁網(wǎng)絡(luò)的影響。由于缺少對(duì)步行等更常見的接駁方式的考慮，使得現(xiàn)有方法在對(duì)位于人口稠密區(qū)域的軌道交通站點(diǎn)進(jìn)行線網(wǎng)優(yōu)化時(shí)，軌道交通站點(diǎn)步行范圍內(nèi)接駁公交需求的預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)際高得多，從而導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果中相關(guān)區(qū)域的接駁公交服務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際需求，造成資源的浪費(fèi)和交通的擁堵。
[0007]軌道交通接運(yùn)線路規(guī)劃屬于公共交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問(wèn)題(Transit Network DesignProblem, TNDP)中的一個(gè)分支。它的研究目標(biāo)通常是通過(guò)對(duì)接運(yùn)線網(wǎng)走向的優(yōu)化，使包括乘客、公交公司在內(nèi)的總的社會(huì)成本最小化。最早的TNDP問(wèn)題可以追溯到1925年由Patz設(shè)計(jì)的以滿載率為目標(biāo)的簡(jiǎn)單規(guī)劃模型。Sullivan等指出了在大城市中將地面公交和地鐵等輕型鐵路整合的重要性，認(rèn)為城市中地面公交系統(tǒng)和地鐵的關(guān)系應(yīng)該是互相彌補(bǔ)各自的不足而非競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。[0008]Wirasinghe等提出了一個(gè)僅包含接運(yùn)線覆蓋范圍、站點(diǎn)間距及發(fā)車間隔的簡(jiǎn)單的鐵路公交接運(yùn)線優(yōu)化模型。該模型將鐵路和接運(yùn)公交線路假設(shè)為相互垂直的線段集合。Kuah等人解除了鐵路和接運(yùn)公交線相互垂直的約束，建立了簡(jiǎn)單假定了小區(qū)需求、公交站點(diǎn)和道路交叉口三點(diǎn)重疊作為常量的公交接駁需求。Kuah等人提出了以乘客出行成本和接運(yùn)線運(yùn)營(yíng)公司運(yùn)營(yíng)成本之和最小為目標(biāo)的公交接運(yùn)線優(yōu)化模型。
[0009]Chien等提出了一個(gè)為單個(gè)鐵路站點(diǎn)設(shè)計(jì)的以出行成本和運(yùn)營(yíng)成本最小為目標(biāo)的公交接運(yùn)線模型。該模型考慮了方格狀道路網(wǎng)絡(luò)、接駁公交需求的離散分布等更加實(shí)際的問(wèn)題，但假設(shè)了接駁公交可以隨時(shí)隨地?？?、對(duì)接駁公交需求彈性以及接運(yùn)車輛容量等方面也未加考慮。因而該模型僅能對(duì)公交線網(wǎng)的走向進(jìn)行優(yōu)化而無(wú)法考慮更具體的諸如站點(diǎn)位置、發(fā)車時(shí)間等要素，導(dǎo)致了模型在實(shí)際應(yīng)用上的局限性。同一時(shí)期的諸如蔣冰蕾等人建立的基于已知軌道交通和常規(guī)公交系統(tǒng)固定客運(yùn)需求OD量的接駁公交優(yōu)化模型也存在類似問(wèn)題。
[0010]以上這些早期的模型主要是在接駁公交需求為常量前提下對(duì)接駁線網(wǎng)的布設(shè)方案和發(fā)車頻率做了分析，而對(duì)線網(wǎng)中的站點(diǎn)位置優(yōu)化、各交通小區(qū)對(duì)站點(diǎn)選擇行為等并未進(jìn)行深入研究。
[0011]Fan等提出了接駁公交需求的彈性特點(diǎn)。指出在線網(wǎng)規(guī)劃階段，應(yīng)考慮除接駁公交外的其他方式對(duì)軌道交通接駁需求的影響，接駁公交需求會(huì)隨公交服務(wù)水平(如發(fā)車頻率、乘車時(shí)間、站點(diǎn)?？繒r(shí)間等)的變化而彈性變化。另一方面，接駁公交站點(diǎn)需求的變化又會(huì)反過(guò)來(lái)引起發(fā)車頻率、站點(diǎn)?？繒r(shí)間甚至站點(diǎn)的最優(yōu)位置的變化。由此可見，接駁公交的需求彈性問(wèn)題、站點(diǎn)位置優(yōu)化問(wèn)題與接駁線網(wǎng)等要素緊密聯(lián)系，缺一不可。
[0012]Lee等對(duì)Chien等人的模型做了改進(jìn)，在公交線路優(yōu)化模型中引入了小汽車接駁方式的影響，使接駁公交的需求由原來(lái)假定的常量改進(jìn)為受小汽車和公交服務(wù)水平共同影響的彈性需求模式。該模型假設(shè)所有需求和接駁公交站點(diǎn)全部集中于理想方格狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的端點(diǎn)，對(duì)站點(diǎn)位置的可行性、最優(yōu)性以及交通小區(qū)質(zhì)點(diǎn)與線網(wǎng)的空間關(guān)系并未加以考慮。Yu等人對(duì)交通小區(qū)質(zhì)點(diǎn)與道路網(wǎng)的空間關(guān)系作了深入研究，提出了以居民平均步行距離最小為指標(biāo)的接駁公交站點(diǎn)選擇模型。Lownes等人在考慮交通小區(qū)質(zhì)點(diǎn)與道路網(wǎng)空間關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了基于方格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鐵路站點(diǎn)接駁公交網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。該模型假設(shè)所有公交站點(diǎn)位置事先確定，因而無(wú)法在優(yōu)化線路走向的同時(shí)對(duì)站點(diǎn)位置進(jìn)行同步優(yōu)化。此夕卜，接駁方式上該模型僅考慮了接駁公交，并未考慮多種接駁方式對(duì)接駁公交需求的影響。孫楊等人提出了彈性需求下的以接駁公交乘客量最大化、乘客成本、運(yùn)營(yíng)成本最小化為優(yōu)化目標(biāo)的接駁公交網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型。通過(guò)引入Logit模型分析了乘客對(duì)兩種銜接交通(接駁公交和小汽車)的選擇行為。然而模型最大的不足是建立在單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之上，并將接駁公交站點(diǎn)直接簡(jiǎn)化為小區(qū)的需求質(zhì)點(diǎn)，忽略了乘客對(duì)接駁公交站點(diǎn)本身的選擇行為。此外,也未對(duì)其他接駁方式加以考慮。
[0013]目前大量研究表明，軌道交通站點(diǎn)最大步行距離將近lkm，在這個(gè)范圍以內(nèi)的交通小區(qū)，相對(duì)于接駁公交和小汽車，步行方式具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。而我國(guó)很多坐落在CBD(Central Business District)的軌道交通站點(diǎn)在Ikm范圍內(nèi)本身就具有很高的人口密度。因而考慮單一的接駁方式影響的模型由于無(wú)法對(duì)這些地區(qū)接駁公交需求做出有效預(yù)測(cè)，容易導(dǎo)致產(chǎn)生的優(yōu)化方案偏離實(shí)際，無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。[0014]通過(guò)以上分析可以看出，接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化模型理論經(jīng)歷了早期的單一接駁方式下的基于單組線段間距的優(yōu)化，到后來(lái)的在簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路網(wǎng)背景下引入交通小區(qū)對(duì)接駁公交站點(diǎn)的選擇行為等更為現(xiàn)實(shí)的情況。近年來(lái)，線網(wǎng)優(yōu)化研究開始考慮復(fù)雜度更高的接駁公交需求彈性問(wèn)題，包含線網(wǎng)分布、發(fā)車頻率、站點(diǎn)位置等多個(gè)決策變量和多種接駁方式影響下的綜合優(yōu)化模型已經(jīng)成為線網(wǎng)優(yōu)化領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。
[0015]目前，接駁線網(wǎng)優(yōu)化領(lǐng)域存在的不足主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)當(dāng)前模型在彈性接駁需求條件下無(wú)法對(duì)線網(wǎng)走向和站點(diǎn)位置作出同步優(yōu)化，因而無(wú)法提供給決策者完整的接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化信息。(2)預(yù)測(cè)公交接駁需求時(shí)僅考慮小汽車一種替代接駁方式，步行等其他方式的缺失導(dǎo)致其接駁公交需求預(yù)測(cè)失真，最終造成線網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確度大大降低。
[0016]因此，到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)能夠在接近實(shí)際的復(fù)合式路網(wǎng)條件下，綜合考慮多種接駁方式影響下對(duì)包括線路、站點(diǎn)、發(fā)車頻率進(jìn)行綜合優(yōu)化的接駁公交網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明克服以上兩方面存在的不足，建立起了一套基于復(fù)合式路網(wǎng)同時(shí)考慮多種接駁方式影響下的線網(wǎng)及站點(diǎn)同步優(yōu)化系統(tǒng)。其技術(shù)方案如下:
一種軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和結(jié)果輸出模塊，其特征在于:所述數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)軌道交通目標(biāo)站點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的接駁公交線網(wǎng)走向、站點(diǎn)位置、發(fā)車頻率等綜合參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。[0018]進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集模塊主要采集基礎(chǔ)路網(wǎng)和軌道交通出行需求兩種類型的數(shù)據(jù)。
[0019]進(jìn)一步的，所述基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)主要來(lái)自實(shí)際路網(wǎng)的Shapefile矢量文件，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到描述復(fù)合式路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的連通性矩陣以及距離的權(quán)值矩陣。
[0020]進(jìn)一步的，所述軌道交通出行需求數(shù)據(jù)來(lái)自對(duì)居民的出行行為調(diào)查，包含了軌道交通目標(biāo)站點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的居民的出行量及相應(yīng)的起訖點(diǎn)。
[0021]進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理模塊的目標(biāo)方程如下:
總成本可以表示為:
C總成本=C用戶成本+ C運(yùn)營(yíng)成本(I)
要包含S類接駁成本，分別為步行接駁成本、公交接駁成本和小汽車接駁成
本；
步行接駁成本
【權(quán)利要求】
1.一種軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和結(jié)果輸出模塊，其特征在于:所述數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)軌道交通目標(biāo)站點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的接駁公交線網(wǎng)走向、站點(diǎn)位置、發(fā)車頻率等綜合參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
2.如權(quán)利要求1所述的軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集模塊主要采集基礎(chǔ)路網(wǎng)和軌道交通出行需求兩種類型的數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:所述基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)主要來(lái)自實(shí)際路網(wǎng)的Shapefile矢量文件，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到描述復(fù)合式路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的連通性矩陣以及距離的權(quán)值矩陣。
4.如權(quán)利要求1所述的軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:所述軌道交通出行需求數(shù)據(jù)來(lái)自對(duì)居民的出行行為調(diào)查，包含了軌道交通目標(biāo)站點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的居民的出行量及相應(yīng)的起訖點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求1所述的軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)處理模塊的目標(biāo)方程如下: 總成本可以表示為: C總成本=C用戶成本+ C運(yùn)營(yíng)成本(I)
要包含S類接駁成本，分別為步行接駁成本、公交接駁成本和小汽車接駁成本； 步行接駁成本
6.如權(quán)利要求5所述的軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:對(duì)于式(10)，接駁公交站點(diǎn)選擇約束:
<img/ > 約束(11)假定每一個(gè)交通小區(qū)至多選擇I個(gè)接駁公交站點(diǎn)；約束(12)確保步行至公交站點(diǎn)的距離不會(huì)超過(guò)允許的最大上限；約束(13)確保了被交通小區(qū)選擇的公交站點(diǎn)有且至少有I條公交線路經(jīng)過(guò)。
7.如權(quán)利要求1所述的軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:對(duì)于式(10)，接駁公交負(fù)載系數(shù)約束:U e pH巧(14)
w }-1 mem 接駁公交負(fù)載系數(shù)P是實(shí)際人數(shù)與荷載人數(shù)之比，值的變化范圍在0-1之間； 如果滿載，則PSi; 對(duì)于公交線m，若公交車荷載為C，最大允許載荷系數(shù)為P，發(fā)車頻率為巧《，那么公交線m的總?cè)萘繛?可知為在交通小區(qū)i選擇接駁公交的居民在備選站點(diǎn)j搭乘線路m的人數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:對(duì)于式(10)，發(fā)車間隔約束:<img/ > 公交線路和車隊(duì)約束: εΜ(16)
9.如權(quán)利要求1所述的軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:數(shù)據(jù)處理模塊主要由參數(shù)預(yù)處理、初始解計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算、解的搜索方法四部分組成。
10.如權(quán)利要求9所述 的軌道交通接駁公交線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于: 1)參數(shù)預(yù)處理 在這一模塊，主要完成兩個(gè)任務(wù):候選站點(diǎn)集和候選線路的確定；對(duì)于任務(wù)一候選站點(diǎn)集的確定，主要由兩類點(diǎn)集組成，第一種是基礎(chǔ)路網(wǎng)的十字路口點(diǎn)集，第二種是分布式點(diǎn)集; 所謂分布式點(diǎn)集，指的是每個(gè)由路網(wǎng)分割而成的交通小區(qū)的質(zhì)點(diǎn)到四周道路的最近接入點(diǎn)； 對(duì)于任務(wù)二的候選線路，主要通過(guò)計(jì)算每一個(gè)候選站點(diǎn)到軌道交通站點(diǎn)的K條最短路徑確定； 2)初始解的確定 初始解包含了一組接駁公交線路以及線路所覆蓋的各交通小區(qū)的出行方式劃分情況和公交站點(diǎn)選擇情況； 影響居民對(duì)公交站點(diǎn)選擇的主要因素是公交站點(diǎn)的遠(yuǎn)近、公交車的等候時(shí)間以及乘車時(shí)間；在這里，所有的時(shí)間根據(jù)一定的權(quán)重，全部轉(zhuǎn)化為“美元/小時(shí)”作為成本計(jì)算的基本單位； 初始解的質(zhì)量直接影響到用啟發(fā)式算法求解最優(yōu)解的運(yùn)算效率； 不同于以往隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)初始解的方法，在這里算法將在候選線路集中為每一個(gè)交通小區(qū)尋找總成本最小的線路作為初始解，從而最大限度接近最優(yōu)解，從而提高整個(gè)問(wèn)題的求解效率； 3)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算模塊主要由三個(gè)部分構(gòu)成:公交站點(diǎn)位置計(jì)算、出行方式選擇模型(MNL-PM)以及公交發(fā)車頻率計(jì)算；公交站點(diǎn)位置的確定主要通過(guò)在候選站點(diǎn)集中尋找屬于給定線路的離各個(gè)交通小區(qū)距離最近的點(diǎn)從而確定給定線路的站點(diǎn)位置； 對(duì)于出行方式選擇部分，主要考慮三種接駁方式:步行接駁、公交接駁和小汽車接駁；當(dāng)?shù)杰壍澜煌ㄕ军c(diǎn)的步行距離小于Rwmax時(shí)，步行接駁有效； 當(dāng)有且至少有一個(gè)公交站點(diǎn)在步行至公交站點(diǎn)的距離上限范圍內(nèi)時(shí)，公交接駁有效； 對(duì)于以上三種接駁方式的效用函數(shù)，可以表示為:
【文檔編號(hào)】G06Q10/04GK103745277SQ201410029066
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】黃兆東, 鄭彭軍, 葉曉飛 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)