均衡公交车乘客和私家车出行成本的公交专用道规划方法

摘要

本发明涉及一种均衡公交车乘客和私家车出行成本的公交专用道规划方法，它根据道路条件、公交客流量条件和公交车流量条件备选公交专用道，形成公交车专用道形成网络组合，并求出每个公交专用道网络的公交车和私家车最优分配方案；然后再根据乘客节约的时间和私家车用户增加的时间差值最大的为最优的公交专用道网络，以达到均衡公交车乘客和私家车用户出行的相对于时间的成本利益，达到总体最优。因此，本发明从交通系统的视角来对整个城市道路网络进行总体设计与优化，找到较优的公交专用道设置方案。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于智能交通领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种公交专用道规划方法，特别是关于一种均衡公交车乘客和私家车出行成本的公交专用道规划方法。

背景技术

随着城市交通问题的日益严峻，优先发展公共交通已成为世界各国的共识。公交专用道作为公交优先的一项重要措施，在缓解城市交通拥挤、节约能源、减少城市空气污染等方面取得了不错的效果。

设置公交专用道的目的是为落实公交优先的城市交通发展思路。但是，随着交通网络在城市的覆盖率的显著提高，开辟公交专用道会造成社会车道条数的减少，通行能力利用率的降低，并有可能增加私家车的平均延误率和交通系统的脆弱性。对交通资源的重新分配还需要考虑私家车在失去部分道路使用权后对交通系统产生的影响。原本拥挤的路段在设置公交专用道后将使私家车的行驶变的更加困难。改善一种交通方式的同时却使另一种交通方式的行驶条件恶化，这不仅需要考虑出行者的出行方式选择，还要从交通系统的视角来对整个城市道路网络进行总体设计与优化，找到较优的公交专用道设置方案。因此，对公交专用道的网络设计是一个复杂的优化问题，并且随着城市的高速发展，公交专用道网络优化问题已迫在眉睫。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种均衡公交车乘客和私家车用户出行成本的公交专用道规划方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种均衡公交车乘客和私家车出行成本的公交专用道规划方法，包括以下步骤：1)采集道路条件、公交客流量条件和公交车流量条件；其中，道路条件是道路机动车道数；公交客流量条件是公交车的额定载客量、路段单向平均公交车的客流量和当前每条线路公交车乘客的数量；公交车流量条件是路段单向公交车流量；2)根据道路条件、公交客流量条件和公交车流量条件备选公交专用道，{M₁,M₂,……,M_n}，其中，M₁是备选专用道路段1，M₂是备选专用道路段2，以此类推，M_n是备选专用道路段n；公交专用道网络组合总数计算每个专用道网络的最优公交分配方案；4)针对每个专用道网络的最优公交分配方案，计算每个最优公交分配方案中使所有公交车乘客节约的总行程时间和所有私家车用户增加的总行程时间差值，求出差值最大的为最优公交专用道。

所述步骤3)包括以下步骤：A、依据当前每条线路公交车乘客的数量，计算任意一个公交专用道网络中的每条线路的公交车乘客拥挤度；B、判断公交专用道网络中的每条线路的公交车乘客拥挤度是否相等，若相等则进入下一步；否则，减少最小公交车乘客拥挤度所在线路的公交车数目，增加最大公交车乘客拥挤度所在线路上的公交车数目，并返回步骤A重新计算公交专用道网络中的每条线路的公交车乘客拥挤度；C、按照UE标准，并采常用的Frank–Wolfe算法解决私家车出行交通网络，以实现每个公交专用道网络下均衡的公交车和私家车分配方案；D、按照增量分配模型对公交车乘客进行分配，并判断公交乘客分配方案前后两次是否重复，若重复则得出每个专用道网络的最优公交分配方案，否则将每条线路的公交乘客数返回步骤A，重新计算每条线路的公交车乘客拥挤最大程度。

所述步骤4)中,公交车乘客节约的总行程时间和所有私家车用户增加的总行程时间差值的公式如下：max F＝Z^t-Z^c，其中，F是整个交通网络出行时间收益，Z^t是公交车乘客平均节约时间，Z^c是私家车用户平均增加时间。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明根据道路条件、公交客流量条件和公交车流量条件备选公交专用道，形成公交车专用道形成网络组合，并求出每个公交专用道网络的公交车和私家车最优分配方案；然后再根据乘客节约的时间和私家车用户增加的时间差值最大的为最优的公交专用道网络，以达到均衡公交车乘客和私家车用户出行的相对于时间的成本利益，达到总体最优。因此，本发明从交通系统的视角来对整个城市道路网络进行总体设计与优化，找到较优的公交专用道设置方案。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于智能交通领域。

附图说明

图1是本发明的流程示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明：

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1)采集道路条件、公交客流量条件和公交车流量条件；

道路条件是道路机动车道数；

公交客流量条件是公交车的额定载客量、路段单向平均公交车的客流量和当前每条线路公交车乘客的数量；

公交车流量条件是路段单向公交车流量。

2)根据道路条件、公交客流量条件和公交车流量条件备选公交专用道，{M₁,M₂,……,M_n}，其中，M₁是备选专用道路段1，M₂是备选专用道路段2，以此类推，M_n是备选专用道路段n；公交专用道网络组合总数

备选公交专用道的原则如下：

A、根据道路条件备选公交专用道的原则如下：

设置公交专用道的路段，道路的物理条件必须满足一定的要求。一般设置公交专用道的路段，机动车道数最小是单向三车道或者三车道以上。对于一些商业中心区，人流聚集的地区，若开辟公交专用道的必要性很大，而道路较窄，达不到单向三车道以上，可以设置公交专用路，在特定的时间段内路段内仅允许公交车辆使用，不允许私家车驶入。

B、根据公交客流量条件备选公交专用道的原则如下：

设置公交专用道的最终目的不是单纯地使公交车辆得到优先，而是使选择公交作为出行方式的人得到优先。所以在选择实施公交专用道时，应重点考虑公交客流量大的路段。根据公交车的额定载客量和公交专用道的通行能力，设置公交专用道的客流量条件是路段单向平均公交车的客流量达到2000人次/小时。

C、根据公交车流量条件备选公交专用道的原则如下：

公交车流量的大小，是决定是否应该设置公交专用道的因素之一。若公交车的流量较小，单独开辟出一条车道给公交车专门使用会造成该车道能力的大量浪费，在这种情况下就没有必要设置公交专用道。一般来说在单向公交车流量达到50辆/小时的情况下，就可以考虑设置公交专用道，在公交车流量非常大的路段，道路条件允许的条件下，可以把单方向的两条车道划为公交专用道。

3)计算每个专用道网络的最优公交分配方案，其包括以下步骤：

A、依据当前每条线路公交车乘客的数量，计算任意一个公交专用道网络中的每条线路的公交车乘客拥挤度，其过程如下：

公交专用道网络中任意一条公交车运行线路k(以下简称线路k)的最大公交车乘客拥挤度

$>{\bar{\xi }}_k=\frac{\underset{j}{\max }\left\{v_{k,i,j}\right\}}{J_k},\forall i,j;$>

其中，i是公交专用道网络中任意一条公交车运行线路上的任意一辆公交车(以下简称公交车i)。j是公交专用道网络中任意一条公交车运行线路上的任意一辆公交车相对应的若干公交车站中任意一个(以下简称公交车站j)。J_k是线路k的公交车数量。v_k,i,j是线路k上的公交车i离开公交车站j的乘客数，其求解过程如下：

其中，v_k,i,j-1是线路k上的公交车i离开公交车站j-1的乘客数。是公交车i在公交车站j的停留时间的下车的公交车乘客数量，其且a_j是公交车乘客在公交车站j下车的概率。是公交车i在公交车站j的停留时间的到达公交车乘客数量，其且r_j是高峰期公交车乘客随机到达公交车站j的概率，h_k是线路k的运行周期。

通过乘客拥挤度公式求出每条线路的公交车乘客拥挤度，因此可以得到最大公交车乘客拥挤度和最小公交车乘客拥挤度。

B、判断公交专用道网络中的每条线路的公交车乘客拥挤度是否相等，若相等则进入下一步；否则，减少最小公交车乘客拥挤度所在线路的公交车数目，增加最大公交车乘客拥挤度所在线路上的公交车数目(增加公交车数量，增加频率)，并返回步骤A重新计算公交专用道网络中的每条线路的公交车乘客拥挤度，重复步骤A和B直到每条路线的公交车乘客拥挤度相等，实现以公交车乘客拥挤度程度评价标准的各线路服务水平均衡，即得到服务水平均衡的公交车交通网络，其包括以下步骤：

通过公交车辆分配模型将最小公交车乘客拥挤度所在线路的公交车数目减少，将减少的公交车数目增加到最大公交车乘客拥挤度所在线路上，直到公交分配方案两次重复迭代，跳出循环并输出最终公交分配方案，即服务水平均衡的公交车交通网络，以实现以公交车乘客拥挤度程度评价标准的各线路服务水平均衡，其过程如下：

公交车辆分配模型的目标函数是

$>\left(\begin{array}{cc}\min & \underset{k}{\Sigma }({\stackrel{-}{\xi }}_k-\stackrel{-}{\eta })\\ s.t.& h_k\le 5,\forall k\end{array}\right)$>

为了避免在停止时长的等待时间，特别是对于小客流量线路，因此所有公交线路的运行周期，本领域通常全部设定为5分钟，即h_k≤5，是所有公交线路中最小的最大公交车乘客拥挤度是线路k最大公交车乘客拥挤度。

Step1：以最初的公交分配方案(即未重新分配之前的现有公交网络的公交分配方案)作为初始公交分配方案Ψ⁰：其依据公交车总数而定；其中，是公交分配方案线路1上公交车的数量，是公交分配方案线路k上公交车的数量，以此类推，是公交分配方案线路K上公交车的数量，且K是常数；

Step2：

依据当前每条线路公交车乘客的数量，计算公交分配方案Ψ_m中每条线路的公交车乘客拥挤度其中，是第m次公交分配方案中路线k上的公交车乘客拥挤度，m是循环次数；

Step3：

根据公交车乘客拥挤度找出最小的和最大的线路

公交车乘客拥挤度最小的线路是

公交车乘客拥挤度最大的线路是

若则每条线路的公交车乘客拥挤度相同，达到各线路服务水平均衡，输出第m次循环之后每条路线上公交车数量的分配方案：是第m次公交分配方案中线路k上公交车的数量；

否则，每条线路的公交车乘客拥挤度不同，未达到各线路服务水平均衡转到，转入Step4改进公交车乘客拥挤度最小的线路和公交车乘客拥挤度最大的线路的公交车数量；

Step4：选择公交车乘客拥挤度最小的线路，减少其公交车数量，将减少的公交车分配到公交车乘客拥挤度最大的线路上，获得了第m+1次公交分配方案：其中，是第m+1次公交分配方案中线路k上公交车的数量；其中，m＝m+1，将m+1次赋给m次，即下一次(m+1)公交分配方案时，成为当前次(m)，m是循环次数。转到Step2，重新计算每条线路的公交车乘客拥挤最大程度，直到每条线路的公交车乘客拥挤度相同，达到各线路服务水平均衡。

C、得到服务水平均衡的公交车交通网络后，按照本领域常用的用户出行模型：UE标准(User Equilibrium，用户均衡状态)，并采常用的Frank–Wolfe算法解决私家车出行交通网络，以实现每个公交专用道网络下均衡的公交车和私家车分配方案。

D、按照增量分配模型对公交车乘客进行分配，并判断公交乘客分配方案前后两次是否重复，若重复则得出每个专用道网络的最优公交分配方案，否则将每条线路的公交乘客数返回步骤A，重新计算每条线路的公交车乘客拥挤最大程度。

公交车乘客增量分配模型如下：

其中，T^t+是设置公交专用道之后用户的平均出行时间，是取最大的整数值；是公交最大承载量；H是整个交通网络的研究周期。

采用增量分配模型对公交车乘客进行分配的过程如下：

Step0：初始化整个交通网络的OD矩阵，以便提供迭代的初始条件；

将整个交通网络的OD(origin Destination，起讫点)矩阵(出行需求矩阵)(q_rs，)均分为M(随交通网络大小而定，本例中依据实际情况取29)等份，每等份为其中q_rs/M，且q_rs是公交车乘客起点r到终点s的出行率。

令m＝1，$>x_{k,a}^0=0,{\tau }_{k,a}^0={\Sigma }_{\alpha }({\tilde{t}}_{\alpha }^r\times {\sigma }_{a,\alpha }\times (1-{\Delta }_a)+{\bar{t}}_{\alpha }^r\times {\sigma }_{a,\alpha }\times {\Delta }_{\alpha }),a\in k,\forall k.$>m是迭代次数。是初始路线k上a路段的客流量，a是指公交车站与公交车站之间的路段标号，依据交通网络中总体路段数量而定。是路线k上a路段的初始行程时间。是不设置公交专用车道到达公交专用道路段α的平均运营时间。σ_a,α是0～1的变量，是设置公交专用车道到达路段a的平均运营时间。Δ_α是决策变量。

Step1：更新每条路线的行程时间，并找到每份OD矩阵的之间的出行的最短路径；

若前一次迭代之后路线k上a路段客流量即上一次迭代之后在路线k上a路段客流量小于公交车的最大客容量，则将m-1次迭代之后在路线k上a路段的行程时间赋给m次迭代之后在路线k上a路段的行程时间，即是m次迭代之后在路线k上a路段的行程时间，是m-1次迭代之后在路线k上a路段的行程时间，是线路k上公交车的最大客容量；否则，表示行程时间无穷大，在程序中意思就是不会有乘客乘坐这条路线，然后重新计算每份OD矩阵的之间的出行的最短路径(行程时间最短路线)。

Step2：对公交车乘客的增量分配；

根据Step1计算的每份OD矩阵之间的最短路径，采用常规的全有全无分配法来分配OD矩阵(q_rs/M，)部分的交通网络。然后添加得到的{y_k,a}客流量，y_k,a是在路线k上a路段增加客流量，{y_k,a}是每条线路上每个路段增加的客流量的集合；

Step3：更新每一条线路的客流量；

即当前次迭代的路线k上a路段客流量等于前一次迭代路线k上a路段客流量与当前次迭代增加的路线k上a路段客流量之和，是m次迭代之后在路线k上a路段客流量，是前一次迭代之后路线k上a路段客流量；

Step4：终止判断条件为是m是否等于M。若m＝M，即完全计算每等份OD矩阵，输出每条路线上每个路段客流量集合，即每条公交线路的乘客数量分配方案，其中是m次迭代之后在路线k上a路段客流量，是表示每条路线上每个路段客流量集合；否则，m＝m+1，将m+1次赋给m次，即下一次(m+1)每条公交线路的乘客数量分配方案时，成为当前次(m)，m是循环次数；转到Step1重新更新每条路线的行程时间，直至m＝M，即完全计算每等份OD矩阵。

Step5：判断公交乘客分配方案收敛情况，即判断公交乘客分配方案前后两次是否重复，若重复，则得出每个专用道网络的最优公交分配方案，否则更新乘客分配方案，即将后一次的公交乘客分配方案替换前一次的公交乘客分配方案，将每条公交线路的乘客数量返回给步骤A，重新计算每条线路的公交车乘客拥挤最大程度。

若公交乘客分配方案两次重复迭代，那么跳出循环并输出最终公交分配方案，得出每个专用道网络的最优公交分配方案：其过程如下：若Ψ^m＝Ψ^m-2，输出Ψ_m是第m次公交分配方案，是第m次公交分配方案中线路k上公交车的数量；否则，更新公交乘客分配方案，m＝m+1，将m+1次赋给m次，即下一次(m+1)每条公交线路的乘客数量分配方案时，成为当前次(m)，m是循环次数；将每条公交线路的乘客数量返回给步骤A，重新计算每条线路的公交车乘客拥挤最大程度。

4)针对每个专用道网络的最优公交分配方案，计算每个最优公交分配方案中，使所有公交车乘客节约的总行程时间和所有私家车用户增加的总行程时间差值，求出差值最大的方案即为最优的公交专用道，其过程如下：

A、公交车乘客的总行程时间包括在公交车站的停留时间、等待时间和运行时间，则公交车乘客的总行程时间T^t*：

$>\left(\begin{array}{c}{T}^{t*}=\underset{k,i,j}{\Sigma }((v_{k,i,j-1}-p_{k,i,j}^a)\times t_{k,i,j}^b\times \frac{h_k}{2}+v_{k,i,j}\times t_{k,j\to j+1}^t)\\ t_{k,j\to j+1}^t={\Sigma }_{\alpha \in {\Phi }_{k,j\to j+1}}({\tilde{t}}_{\alpha }^r\times (1-{\Delta }_{\alpha })+{\bar{t}}_{\alpha }^r\times {\Delta }_{\alpha })\end{array}\right)$>

其中，是公交车乘客在线路k的公交车i在公交车站j的总停留时间，且是线路k上的公交车i在公交车站j的停留时间：且是线路k上的公交车i在公交车站j的上车时间，是线路k上的公交车i在公交车站j的下车时间，b表示是平均上车时间，a表示平均下车时间。

是公交车乘客在线路k的公交车i在公交车站j的总等待时间，其中，是公交车i在公交车站j的停留时间的到达公交车乘客数量(公交车在某一公交车站的停留时间，取决于该辆公交车行驶的路线上公交车站上下车的公交车乘客数量)，其是高峰期公交车乘客随机到达公交车站j的概率。

是公交车乘客在线路k的公交车i在公交车站j的总运行时间，其中。T^t*在设置公交专用道之前公交车乘客乘车的总时间是T^t-，在设置公交专用道之后公交车乘客乘车的总时间是T^t+；Δ_α是决策变量，当设置公交专用道时Δ_α＝1，否则Δ_α＝0；是不设置公交专用车道到达公交专用道路段α的平均运行时间，是设置公交专用车道到达公交专用道路段α的平均运营时间。

B、公交车乘客的平均节约时间：Z^t＝(T^t--T^t+)/Q^t。其中，Z^t是公交车乘客平均节约时间，Q^t是公交车乘客数量；

C、所有的私家车用户的总行程时间，计算如下：其中，x_α是到达公交专用道路段α的私家车流量，τ_α是私家车到达公交专用道路段α的时间，在设置公交专用道之前私家车用户所用的总时间是T_c^-，在设置公交专用道之后私家车用户所用的总时间是

D、私家车用户平均增加行程时间是：Z^c＝(T^c+-T^c-)/Q^c。其中，Z^c是私家车用户平均增加时间，Q^c是私家车用户数量。

公交车乘客节约的总行程时间和所有私家车用户增加的总行程时间差值的公式如下：max F＝Z^t-Z^c，其中，F是整个交通网络出行时间收益，Z^t是公交车乘客平均节约时间，Z^c是私家车用户平均增加时间。

综上所述，本发明首先根据道路条件、公交客流量条件和公交车流量条件备选公交专用道，形成公交车专用道形成网络组合，并求出每个公交专用道网络的公交车和私家车最优分配方案；然后再根据乘客节约的时间和私家车用户增加的时间差值最大的为最优的公交专用道网络，以达到均衡公交车乘客和私家车用户出行的相对于时间的成本利益，达到总体最优。

上述各实施例仅用于说明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。