一种具有虚拟换乘微枢纽的多模式公交换乘方法

摘要

一种具有虚拟换乘微枢纽的多模式公交换乘方法，包括以下步骤：步骤一：构建城市公交的加权有向换乘网络Space-P；步骤二：构建步行可达微枢纽网络Cluster-W；步骤三：构建公共自行车可达微枢纽网络Cluster-B；步骤四：构建三层耦合公交网络模型；步骤五：采用具有虚拟微枢纽的多模式换乘方法。本发明结合虚拟换乘微枢纽的概念设计了多模式的公交换乘方法，将为用户公共出行提供更多新颖和使用的选择方案，同时倡导用户绿色出行，减少城市碳排放量。

说明书

技术领域

本发明涉及网络科学和公共交通领域，特别是指一种具有虚拟换乘微枢纽的 多模式公交换乘方法。

背景技术

随着城市化进程的加快和城市的加速扩张，更好更快更便捷的交通系统已成 为城市生活的基本需要，因此交通系统运行效率问题更加被人们所关注。在目前 全球的许多大城市中，尽管城市地铁、公交等网络密度已趋于饱满，但仍不可避 免地存有终点与交通网络间的缝隙。同时，因机动车过度使用，汽车尾气污染也 越来越严重，给城市居民生活和健康造成了严重损害。2013年冬季至2014年春季 以来全国大面积、高频率雾霾天气给居民健康带来极大危害，高浓度的PM2.5使 得呼吸道系统疾病高发，这些都与汽车尾气排放密切相关。为了缓和这些问题， 人们尝试寻找一种变通、可达性高、健康清洁的出行方式，公共自行车系统应运 而生。它属于城市交通中的慢行交通系统，在可达性与节能环保等多方面具有优 势。利用公共自行车，能够更加好地完成与轨道交通的接替，缓解交通拥挤问题， 实现资源共享，提高城市交通的运行效率，解决市民出行的实际问题。

当前全国各地很多的城市开始逐渐探究实行以公共交通引领城市发展为引导 的“公交都市”城市战略，杭州市2008年5月1日在全国首先运作公共自行车租借 系统(PBS)，并将其归到公共交通的领域。杭州公共自行车的实施，使得市民公共 出行更加多样化、便捷化。公共自行车在短距离公共出行的方式方面具有公共交 通无可替代的很多优点，能很好的弥补城市居民短路程出行的要求，同时弥补了 现存公共交通方式在短距离出行方面的不足，建立了层次丰富性更强、体系更加 完善的从“门”到“门”的城市公共交通系统。所以公共自行车与原来的公交车系统、 地铁系统组合成多层-多模式交通网络对研究公共自行车系统对多模式公交系统 的影响有非常重要意义。

公交换乘是使用网络理论研究城市交通的一个传统、典型实例。传统上人们 将公交站点看成网络节点，将站点间通过公交车产生的联系看成连边，抽象得到 一张图，然后使用成熟的Dijkstra算法或Floyd算法即可运算得到性能的换乘方 案。然而这类方法存在很多的不足。首先，他们没有考虑广泛存在于实际公交系 统中同时又对于公交换乘起到重要作用的换乘微枢纽，所谓的换乘微枢纽即短距 离步行可达站点群或自行车可达站点群。在现实公交换乘的过程中，人们有时要 从某一站行走到某一邻近站点，然后再换乘，而传统的换乘方法则无法实现这一 过程。其次，在进行换乘规划时，往往只考虑公交车、地铁等资源，而没有完全 利用公共自行车等其他更加环保的城市公共资源，而公共自行车的合理使用可以 对公共出行有显著改善的效果。

发明内容

为了克服当前单模式公交换乘算法出行方式单一、拥堵时段出行效率低等问 题，同时考虑城市功能自行车的多模式公交换乘，合理利用城市公交系统资源， 本发明提出了虚拟换乘微枢纽的概念(虚拟换乘微枢纽具体来说是指公交系统中 那些彼此之间的距离较近，可直接通过步行或者公共自行车而不需要经过乘坐公 交车到达的公交站点群)，并根据这个概念使用网络模型方法设计了一种多模式公 交换乘方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术具体步骤如下：

一种具有虚拟换乘微枢纽的多模式公交换乘方法，包括如下步骤：

步骤一：构建城市公交的加权有向换乘网络Space-P，在公交Space-P中，网 络中的节点定义为公交站点，如果两个公交站点处于同一个公交线路中，则这两 个站点间有一条连边，两站点之间公交线路的长度为该连边的权值；

步骤二：构建步行可达微枢纽网络Cluster-W，Cluster-W网络由加权完全子 图构成，每个子图即为一个步行微枢纽WMHub，对于每个WMHub，它表示一 个任意两个节点之间的欧氏距离小于阈值Γ_W的公交站点群，其中的任意两点间最 大的欧式距离定义为该WMHub的直径WMD，在每个WMHub中，任意两点间 边表示通过短距离步行到达，其权值统一用对应的WMD来表示；

步骤三：构建公共自行车可达微枢纽网络Cluster-B，Cluster-B网络结合城市 公共自行车地理位置信息，由加权完全子图构成，每个子图表示为一个公共自行 车微枢纽BMHub，每个BMHub表示一个任意两个节点之间的欧式距离小于阈值 Γ_B的公交站点群，其中的任意两点间最大的欧式距离定义为该BMHub的直径 BMD，在每个BMHub中，任意两点间边表示通过节点附近的公共自行车短距离 骑行到达，其权值统一用对应的BMD来表示；

步骤四：构建三层耦合公交网络模型，将公交网Space-P、步行可达微枢纽网 络Cluster-W和公共自行车可达微枢纽网络Cluster-B做为三个网络层，此三层网 络因为节点均为公交站点，因此在公交站点处存在明显的耦合关系，从而构成三 层耦合网络；

步骤五：具有虚拟微枢纽的多模式换乘方法，基于三层耦合网络模型，计算 节点i到节点j在网络中的出行代价C(i,j)，比较出行代价值的大小，取最优值以 确定该阶段的路径方案，过程如下：

5.1初始化：令o表示起始节点，N表示网络节点的集合，将节点o加入N中， 即N＝{o}，对所有不在N中的节点v，有：

公式(1)中直接可达指Space-P网络节点中有连边、存在于WMHub或者存在于 BMHub中的其中一种或者多种情况；然后将乘坐公交车、步行、骑自行车的权值 记录于三维数组S＝{P₁,P₂,P₃},去数组S中最小值确定为此时的换乘策略；

5.2寻找一个不在N中的节点w，其中D(w)，把w加入到N中，然后对所有 不在N中的节点v，用[D(v),D(w)+C(w,v)]中较小的值更新原来的D(v)的值，同 时取数组S中的最小代价作为此时的换乘策略；

5.3重复步骤5.2，知道找到目的节点为止。

进一步，所述步骤三中，构建BMHub网络的方法为：遍历公交车站点的位 置数据时，选取距离公交站点距离小于短距离阈值的自行车站点，即设定搜索范 围的阈值为短距离阈值，考虑公交车站通过短距离步行到达自行车租赁点的距离 范围。

更进一步，所述步骤五中，计算换乘策略的代价，出行代价C(i,j)的公式定 义为：

C(i,j)＝T(x)+P₁(d₁)+P₂(d₂)+P₃(d₃)(2)

其中，C(i,j)表示从节点i到节点j所需要付出的总代价，T(x)表示用户在公 交出行中使用公交车换乘次数x的代价，P₁(d₁)表示乘坐d₁物理距离的公交车需要 付出的代价。P₂(d₂)表示通过步行微枢纽的代价，P₃(d₃)表示通过自行车微枢纽的 代价，其中d₂、d₃分别代表步行可达微枢纽直径和自行车可达微枢纽直径。

本发明的技术构思为：本发明提出虚拟换乘微枢纽的概念，通过构建Space-P、 Cluster-W、Cluster-B网络设计了一种具有虚拟换乘微枢纽的多模式公交换乘方 法，为用户的出行提供了更加多样化的出行选择，丰富了用户出行体验。

本发明的有益效果为：可以通过此思路构造城市基于虚拟换乘微枢纽的多模 式网络模型。这将为用户公共出行提供更多新颖和使用的选择方案，同时倡导用 户绿色出行，减少城市碳排放量。

如上所述，实施的具体实现步骤使本发明更加清晰。在本发明的精神和权利 要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

附图说明

图1是三层耦合公交网络构建原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1，一种具有虚拟换乘微枢纽的多模式公交换乘方法，包括以下步骤：

步骤一：构建城市公交的加权有向换乘网络Space-P，在公交Space-P中，网 络中的节点定义为公交站点，如果两个公交站点处于同一个公交线路中，则这两 个站点间有一条连边，两站点之间公交线路的长度为该连边的权值；

步骤二：构建步行可达微枢纽网络Cluster-W，Cluster-W网络由若干个加权 完全子图构成，每个子图即为一个步行微枢纽WMHub，对于每个WMHub，它 表示一个任意两个节点之间的欧氏距离小于阈值Γ_W＝500m的公交站点群，其中 的任意两点间最大的欧式距离定义为该WMHub的直径WMD。在每个WMHub 中，任意两点间边表示可以通过短距离步行到达，其权值统一用对应的WMD来 表示，如图1中的Cluster-W所示，WMHub中a点与b点的实际距离小于500m， 则a、b两点相连；

步骤三：构建公共自行车可达微枢纽网络Cluster-B，Cluster-B网络结合城市 公共自行车地理位置信息，由若干个加权完全子图构成，每个子图表示为一个公 共自行车微枢纽BMHub。每个BMHub表示一个任意两个节点之间的欧式距离小 于阈值Γ_B＝2000m的公交站点群，其中的任意两点间最大的欧式距离定义为该 BMHub的直径BMD。在每个BMHub中，任意两点间边表示可以通过节点附近 的公共自行车短距离骑行到达，其权值统一用对应的BMD来表示，如图1中的 Cluster-B网络所示，网络中包含BMHub1和BMHub2两个自行车微枢纽；

步骤四：构建三层耦合公交网络模型，将公交网Space-P、步行可达微枢纽网 络Cluster-W和公共自行车可达微枢纽网络Cluster-B做为三个网络层，此三层网 络因为节点均为公交站点，因此在公交站点处存在明显的耦合关系，从而构成三 层耦合网络。如图1所示，Space-P网络中与Cluster-W中的a、b相互耦合，Space-P 网络中与Cluster-B中的a、b、f和d、e相互耦合；

步骤五：具有虚拟微枢纽的多模式换乘方法，基于三层耦合网络模型，计算 节点i到节点j在网络中的出行代价C(i,j)，比较出行代价值的大小，取最优值以 确定该阶段的路径方案，过程如下：

5.1初始化：令o表示起始节点，N表示网络节点的集合。将节点o加入N中， 即N＝{o}，对所有不在N中的节点v，有：

公式(2)中直接可达指Space-P网络节点中有连边、存在于WMHub或者存在于 BMHub中的其中一种或者多种情况，然后将乘坐公交车、步行、骑自行车的权值 记录于三维数组S＝{P₁,P₂,P₃},去数组S中最小值确定为此时的换乘策略；

5.2寻找一个不在N中的节点w，其中D(w)，把w加入到N中，然后对所有 不在N中的节点v，用[D(v),D(w)+C(w,v)]中较小的值更新原来的D(v)的值。同 时取数组S中的最小代价作为此时的换乘策略；

5.3重复步骤6.2，知道找到目的节点为止。

进一步，所述步骤三中，构建BMHub网络的方法为：遍历公交车站点的位 置数据时，选取距离公交站点距离小于短距离阈值的自行车站点，这里设定搜索 范围的阈值为短距离阈值(例如300m)，即只考虑公交车站可以通过短距离步行 到达自行车租赁点的距离范围。

更进一步，所述步骤五中，计算换乘策略的代价，出行代价C(i,j)的公式定 义为：

C(i,j)＝T(x)+P₁(d₁)+P₂(d₂)+P₃(d₃)(4)

其中，C(i,j)表示从节点i到节点j所需要付出的总代价，T(x)表示用户在公 交出行中使用公交车换乘次数x的代价，P₁(d₁)表示乘坐d₁物理距离的公交车需要 付出的代价，P₂(d₂)表示通过步行微枢纽的代价，P₃(d₃)表示通过自行车微枢纽的 代价，其中d₂、d₃分别代表步行可达微枢纽直径和自行车可达微枢纽直径。

如上所述，本专利实施的具体实现步骤使本发明更加清晰，结合虚拟换乘微 枢纽的概念提供三层网络的构建原理，同时设计了多模式的公交换乘算法。在本 发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入 本发明的保护范围。