（交通运输规划与管理专业论文）大城市公共交通网络最优路径算法研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 中文摘要 快速发展的小汽车交通引发的交通拥堵及其附带问题已成为大城市的一个 共性且难以解决的问题。优先发展公共交通，提升其运行服务水平是缓解城市 交通拥堵的关键。公交乘客如何安全、快捷、方便、准点、经济和舒适的完成 出行是衡量公共交通运行服务水平的重要基准。现代社会经济和公交系统的发 展，使得乘客在出行行为、出行心理、出行目的、出行时间、出行环境及个体 属性等因素发生了很大的变化。狭义上的公交最短路径已难以指导公交出行者 的出行。 结合现在城市公共交通系统的发展水平与趋势，论文分析了公交系统的模 式构成、运营特点和公交时刻表属性，从网络联通特性、公交站点换乘特性、 公交线路弧段特性和时间费用几个方面进行阐述。乘客公交出行时会考虑自身 偏好、出行目的、外界环境等多种因素，并根据自身的经验和实时获取的有限 信息来综合判断。论文从乘客出行行为心理过程出发，总结分析了乘客公交出 行路径的影响因素、选择原则与衡量标准，并结合武汉公交调查的实证分析， 重新定义了公交出行的最优路径选择原则。 考虑到城市公交网络多模式、多属性的特点以及乘客出行要求多元化，论 文采用g i s 对公交网络进行描述，提出了多模式公交网络数据模型，将公交网 络空间数据与属性数据进行了结合。通过分析乘客公交出行的行为时间链 属性，讨论了步行弧段、等待弧段、换乘弧段和行车弧段组成的出行时间阻抗， 论文结合合理步行时间和步行范围内的换乘，统一转换了换乘惩罚和票价费用， 构建了路径广义阻抗函数模型。论文概述了现有算法的基本特点和应用于多模 式公交网络的局限性，提出了基于公交时刻表约束下的最优路径算法，采用了 双层搜索的思想，并给出了算法具体步骤流程以及实证讨论研究。 通过与其它寻优算法原则所得到的结果对比分析，表明论文提出的模型算 法能更好的反映乘客的出行行为心理过程和最优选择原则，为传统公交模式向 多模式公交转变下的乘客出行路径选择提供了一种思路方法。 关键词：公交网络，公交时刻表，出行行为，最优路径，模型算法 武汉理工大学硕士学位论文 - _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - l _ _ _ _ - _ _ 一_ - - _ _ _ - _ - _ _ _ 一 a b s t r a c t t h et r a f f i cc o n g e s t i o na n da c c o m p a n y i n gp r o b l e m sc a u s e db yr a p i dd e v e l o p m e n t o fa u t o m o b i l et r a f f i ch a v eb e c o m eae a g m m o na n dd i f f i c u l tt or e s o l v ei nm e t r o p o l i s g i v i n gp r i o r i t yt ot h ed e v e l o p m e n to fp u b l i ct r a n s p o r ta n de n h a n c i n gi t so p e r a t i o n a l s e r v i c el e v e l si st h ek e yt oe a s eu r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o n p a s s e n g e r sc o m p l e t et r i p s ， w h oc o n s i d e rs a f e ，f a s t , c o n v e n i e n t , p u n c t u a l i t y , e c o n o m ya n dc o m f o r ta st h e i m p o r t a n tb e n c h m a r kt om e a s u r et h el e v e lo fp u b l i ct r a n s p o r ts e r v i c e s t h ef a c t o r s s u c ha st h et r i pb e h a v i o r , t r i pp s y c h o l o g y , t r i pp u r p o s e s ，t r i pt i m e ，e n v i r o n m e n ta n d t h ei n d i v i d u a la t t r i b u t e sh a v ec h a n g e dg r e a t l y t h es h o r t e s tb u s p a t hi nan a r r o ws e n s e h a sb e e nd i f f i c u l tt og u i d et h eb u st r a v e l e r c o m b i n i n gt h ed e v e l o p m e n tl e v e la n dt r e n d so fu r b a np u b l i ct r a n s i ts y s t e m ，t h e p a p e ra n a l y z e st h em o d ec o m p o s i t i o n ，o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds c h e d u l e s p r o p e r t yo fp u b l i c t r a n s i ts y s t e m ，a n dd e s c r i b e sf r o ms e v e r a l a s p e c t so ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fn e t w o r ku n i c o m ，t r a n s f e r , b u sl i n e sa r ca n dt i m ec o s t se t c p a s s e n g e r s w i l lc o n s i d e rt h e m s e l v e s p r e f e r e n c e s ，n i pp u r p o s e ，t h ee x t e r n a l e n v i r o n m e n ta n do t h e rf a c t o r s ，a n dj u d g ec o m p r e h e n s i v e l ya c c o r d i n gt ot h e i ro w n e x p e r i e n c ea n dr e a l - t i m el i m i t e di n f o r m a t i o n f r o mt h eb e h a v i o rp s y c h o l o g i c a l p r o c e s s e so f t h ep a s s e n g e r st r a v e l i n g ，t h ep a p e rs u m m a r i z e sa n da n a l y z e st h e i m p a c t f a c t o r s ，p r i n c i p l e so fs e l e c t i o na n dm e a s u r e m e n ts t a n d a r d so ft r i pp a t h ，a n dr e d e f i n e s t h ep r i n c i p l eo ft h eo p t i m a lp a t hs e l e c t i o nt h r o u g ha ne m p i r i c a la n a l y s i so ft h es u r v e y i nw h h a n t a k i n gi n t oa c c o u n tt h em u l t i m o d ea n dm u l t i a t t r i b u t ec h a r a c t e r i s t i c so fu r b a n p u b l i ct r a n s i tn e t w o r k , a n dp a s s e n g e rt r i pd i v e r s i f i c a t i o n ，t h ep a p e ru s e sg i st o d e s c r i b et h ep u b l i ct r a n s i tn e t w o r ka n dp r o p o s e sm u l t i m o d a lt r a n s i tn e t w o r kd a t a m o d e l ，w h i c hc o m b i n e st h es p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t at o g e t h e r b ya n a l y z i n gt h e t r i pt i m ec h a i np r o p e r t yo fp a s s e n g e r sb e h a v i o r , a n dd i s c u s s i n gt h et i m ei m p e d a n c e c o n s i s to ff o o ta r c s ，w a i t i n ga r c s ，t r a n s f e ra r cs e g m e n ta n dt r a v e l i n ga r cs e c t i o n s ，t h e p a p e rb u i l d s ag e n e r a l i z e d i m p e d a n c ef u n c t i o nm o d e lo fp a t hc o n s i d e r i n ga r e a s o n a b l ew a l k i n gd i s t a n c ea n dt h et r a n s f e r sw i t hc o n v e r t i n gt r a n s f e rp e n a l t ya n d f a r ec o s tu n i f i e d l y t h ep a p e ro u t l i n e st h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dl i m i t a t i o n so f l i e x i s t i n ga l g o r i t h m sa p p l y i n gt ot h em u l t i - m o d a lp u b l i ct r a n s i tn e t w o r k ，a n dp r o p o s e s a l l o p t i m a lp a t ha l g o r i t h mb a s e do i lp u b l i ct r a n s i tt i m e t a b l e s w h i c hu s e s a d o u b l e s e a r c hi d e a , a n dg i v e ss p e c i f i c s t e p so ft h ea l g o r i t h mf l o wa sw e l la st h e e m p i r i c a ls t u d y c o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t so b t a j n e df r o mt h eo t h e ra l g o r i t h m sa n dp r i n c i p l e s s h o w st h a t t h ep r o p o s e dm o d e la l g o r i t h mc a l l r e f l e c t p a s s e n g e rt r a v e lb e h a v i o r p s y c h o l o g i c a lp r o c e s s e sa n dt h eo p t i m a lc h o i c ep r i n c i p l e sm u c hb e t t e r , t h ep a p e r p r o v i d e sa na l t e r n a t i v em e t h o df o rt h es e l e c t i o no fp a s s e n g e r s t r i pp a t hu n d e rt h e s i t u a t i o no fc h a n g i n gf o r mt h et r a d i t i o n a lb u st r a n s i tm o d e l st om u l t i m o d e k e yw o r d s ：p u b l i ct r a n s i tn e t w o r k ；b u ss c h e d u l e s ；t r a v e lb e h a v i o r ；o p t i m a lp a t h ； m o d e la l g o r i t h m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。签名：魁日期：型 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ( ：缈一彬醐r 么 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 鉴于当前社会经济结构的发展形式，汽车产业作为推动国民经济发展的重 要动力的作用还会在相当长的一段时间内继续下去，而城镇居民收入的增加和 对出行自由、舒适、安全等要求的不断提高也为小汽车家庭化的趋势提供了条 件。2 0 0 7 年，武汉市私人机动车拥有量达到5 1 1 万辆，占全市机动车总量的6 7 ， 比上年增加了5 5 万辆，其中私人客车比上年增加了5 4 万辆，达到2 4 6 万辆， 增长了2 7 9 ，可以看出私人客车是机动车的主要增长源，同年，全国私人汽车 保有量增加了2 0 8 私人轿车增长了3 2 5 t 。 以我国的现有土地资源来看，不可能通过持续地修建道路来弥补日益膨胀 的机动车出行需求，而机动车快速发展的另一个结果便是对能源的高消耗，据 预测，2 0 2 0 年，我国的交通能耗占能源消耗的比例将高达1 7 1 一1 8 3 ，城市 交通节能任务十分艰巨。据统计，每百公罩的人均能耗，公共汽车是小汽车的 8 4 ，电车为3 4 - 4 ，地铁为5 【2 1 。因此，确立节约型、集约型、高效型的城 市公共交通优先发展战略，有效降低汽车尾气排放总量，节约能源，减轻城市 大气环境污染，改善城市生态环境是实现城市可持续发展的前提【3 】。我国正处于 城市化发展的快速增长时期，城市规模不断扩大，城市人口密度不断增加，为 满足作为城市基本功能的交通出行要求，势必会加大对城市土地需求和能源消 耗的压力。社会经济的发展和城市化进程的加快在不断创造新的城市物质文明 的同时也引发了交通拥堵、环境污染( 空气污染、噪音污染等) 和社会公平等 众多城市问题，交通拥堵已成了中国所有大城市普遍面临的个共性问题。从 长远来看，优先发展公共交通，提升公共交通运行服务水平是缓解城市交通拥 堵及负面效应的关键。 目前，国家前所未有的经济刺激政策为大城市轨道交通的建设与发展提供 了难得机会，伴随着两型社会的试点工程和城市圈发展的推进，使得公共交通 优先发展又向前迈进了一步，同时，城乡交通一体化的也越来越受到关注。可 以预见未来的5 至1 0 年，城市居民公交出行条件将得到较大改善，在以快速轨 武汉理工人学硕士学位论文 道交通为骨架，常规公共交通为主体的新公共交通模式下，乘客公交出行的行 为将发生变化，人们对准点、方便、经济、高效等的出行要求将越来越高，而 高新技术( 如全球定位系统g p s 、地理信息系统g i s 、先进的出行者信息系统a t i s 等) 的不断发展和在城市公共交通系统中的推广应用，将提高城市公共交通系 统的实时化、智能化、信息化管理与运营水平，使得多模式下的公共交通协调 程度进一步提高，可以为乘客出行提供更准确、可靠的出行决策方案，更好的 满足乘客的出行需要，从整体上提高公共交通的服务质量和竞争力。 本文正是在考虑到未来城市公共交通发展趋势和背景条件下，试图在常规 公共交通较单一公交方式向多模式公共交通系统( 常规公交、轻轨、地铁和b r t ) 转变过程中，通过客观合理描述乘客出行行为心理过程，探讨乘客公交出行最 优路径的选择原则与思路，从而更好的为乘客提供出行计划方案。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 城市公共交通网络构成 国内大部分城市的公共交通主体还是常规公共交通，与国外发达的轨道交 通系统相比存在着较大差异，因此国内研究者主要从常规公交网络进行分析【4 j ， 且主要分析的范围与区域在城市主城区内部，而对与轨道交通组合的出行路径 选择研究较少，且在考虑城乡一体化方面大范围区域背景下的出行路径研究也 比较欠缺。国外的研究则较多的从城市与城际轨道交通、郊区铁路、多模式公 交换乘【8 1 、不同公共交通方式问的协调性等更广的范围进行研究分析【9 _ 引。 1 2 2 乘客出行行为心理特征研究 不同居民的自身特点是有差别的，因此居民在进行出行方式和线路的选择 时所考虑的因素、出行心理、行为等都会有所不同，所以，如何准确的度量和 评价居民出行时的效益最大化的原则是研究公交出行最优路径算法的基础。 ( 1 ) 考虑时间费用、换乘次数等因素的出行心理 吴稼剥1 3 】通过乘客满意度来度量乘客出行的效用值，将总出行时间和乘客 的出行总成本统一成乘客的时间价值进行处理。杨新苗等【4 j 在19 9 9 年对南京市 2 武汉理工人学硕士学位论文 8 个主要公交站点乘客的出行心理进行了调查分析，总结出公交乘客选择出行路 径的决策过程主要受到“换乘次数 、“出行距离”和“出行耗时”3 个因素的作 用，并得出“换乘次数 是大部分公交乘客在选择出行方案时首先考虑的因素， 汤筠筠等【1 4 】在合肥也做过类似的调查分析，得出不同的出行者会根据自己对信 息的偏好做出不同的出行选择，并提出了通过附加限制条件来给出不同出行要 求下的乘车方案的思路。李曙光等【l5 】指出杨新苗等对于各种乘客心理的结合考 虑不足，因此提出了以“步行 、“换乘次数最少 、“所经过公交站点最少【l 6 j ” 相结合的判断标准，并将“步行距离”小于3 0 0 米作为换乘点选择和起点与终 点是否存在合适道路的判断标准。而翁敏等【5 7 , 1 7 - 1 9 贝, l j 将上述的“换乘次数”、“出 行距离”、“出行耗时”、“出行费用 等因素进行了综合考虑。m a r kh i c k m a n 将 车辆自动定位系统数据应用在公交网络中，利用其真实出发和到达时间的信息， 提出基于出行时间最短乘客公交线路选择算法【2 0 】。同年，s h u g u a n gl i 等基于 g i s 技术，提出了公交网络换乘和行驶路线最短的启发式算法【2 。f a n gz h a o 提 出了以总的换乘次数和乘客费用最少为优化目标的公交网络优化方法【2 2 1 。k a i s h e n gl i u 详细分析了三种公交换乘模式“线路换乘”、“站点换乘”和“站点区 域换乘”下的乘客行为，强调了换乘对出行的影响1 1 0 】。 ( 2 ) 考虑时刻表等因素的出行心理 在考虑时刻表因素影响方面，以国外研究成果居多，国内较少涉及。r u i h o n g h u a n g 通过构造公交线路模式，即公交线路在不同的时刻具有对站点不同的服务 模式，将公交线路的时刻表因素考虑到出行路径的选择中，提出了基于公交时 刻表的模式优先搜索算法【】。m a t t h i a sm u l l e r - h a n n e m a n n 等【9 】总结了时刻表信息 问题中关于“在给定的出发时刻和起讫点的情况下，找到最早到达终点的连接 路径”，主要有两种途径将该问题转化为最短路问题，并分析了多条件限制下的 时间费用转换。j i a m i nz h a o 等1 2 3 j 对比分析了公交车服务频率高低情况下，乘客 出行心理的不同，前者一般不会去考虑公交车的时刻表情况，而对于后者，乘 客通常会考虑公交时刻表的影响，从而尽量减少等待时间。c h r i s t o p h e l c h e r r y 等【2 4 】基于g i s 技术，考虑了乘客出发时间和公交时刻表的影响，从而计算出起 始点和终点的最少出行时间。w uq i u j i n 等f 2 5 】分析了公交车随机到达分布的情况 下，基于时刻表的乘客出行最早到达的k 最短路的算法分析。d e s m o n dr a i n s f o r d 等【2 6 】利用手机和g i s 进行公交信息的查询，提出基于车头时距和时刻表的行程 时间约束的最短路径算法。s a n gn g u y e n 等【27 】考虑了在公交网络中车辆容量优先 3 武汉理工人学硕士学位论文 限制和时刻表情况下的乘客出行路线选择。a g o s t i n on u z z o l o 等【2 8 】基于时刻表， 分析了乘客出行中对公交网络的路径选择行为变化。c o t o n g 等2 9 1 基于动态时 刻表，定义了一般费用函数，包括行车时间、等待时间、步行时间和换乘惩罚 时间，利用分枝定界法和d i j s k t r a 对最短路进行了计算。 1 2 3 公交最短路径算法研究 对于乘客不同的出行心理研究可以发现乘客的公交出行路径的选择标准因 乘客个体差异会有所不同，但总体上还是有规律可循。虽然道路网络上的最短 路径和公交线路的最优乘车路径的意义是不同的【1 7 , 3 0 】，但两者算法的基本思想是 相通的，只是对公交网络的描述和最优原则的选取上会有差异。现今研究比较 多的公交最短路径算法主要有以下两类：第一类是基于图论理论的算法，如 d i j k s t r a 及其改进算法、f l o y d 算法等：第二类则是基于传统人工智能理论的算 法，如其改进算法，深度优先、广度优先算法等：第三类则是基于智能仿真技 术的算法，如蚂蚁算法等。 ( 1 ) 基于图论理论的算法 侯刚等【3 l 】以经典的d i j k s t r a 算法为基础，设计了最短路径上的前驱节点算 法。张国伍掣3 2 】结合公交网络的特点，在推广f l o y d 算法的基础上提出了一种公 交网络多条最短路径算法。k o n c z 掣3 3 】提出了一种以换乘次数少为首要目标，以 出行距离短为次要目标的公交网络静态多路径选择算法； q i u j i nw u 等【2 5 】利用 图论中的k 最短路径算法求解公交网络中的多路径优化问题。苏爱华、c o t o n g 等提出了基于改进d i j k s t r a 算法的公交网络最短路径问题的求解【3 4 1 ，将求解最 短路径获得的站点作为搜索站点，并将这些站点及经过这些站点的线路构成换 乘矩阵，结合换乘次数的要求，给出了换乘的实现算法。郑朝晖【3 5 】利用图论理 论，建立了公交网络信息矩阵，考虑了乘客步行不段距离再换乘的情况，提出 了公交换乘的最优路径算法。张林峰等【3 6 j 提出公交网络中的换乘距阵的建立方 法，并给出基于换乘次数的算法。闫小勇等【37 】在d i j k s t r a 算法和迭代惩罚法的基 础上，设计了公交网络多路径选择的启发式算法，考虑了换乘因素和距离因素 对公交出行者路径选择行为的共同影响，能够生成多条备选路径供出行者选择。 ( 2 ) 基于传统人工智能理论的算法 胡霍真等借鉴广度优先搜索的思路求解最短路径，逐个找出经过起点站和 4 武汉理上人学硕士学位论文 终点站的车次以及这些车次沿途可转的车次，得到了以转乘次数最少的公交最 优中径算法【3 & 3 9 1 。而王杰臣等利用深度优先搜索算法，实现最短路径的自动判 断与提酬彻。f r i e d r i c h ，m 等在基于时刻表的情况下，分析了不同公交线路之 间的换乘和精确的换乘时间，运用分枝定界法分析了换乘和票价综合情况下的 路径搜索，该方法可以得出比运用最短路算法较好的选择结果。 ( 3 ) 基于智能仿真技术的算法 高为民、张帅等提出了以换乘次数最少、出行距离最短为目标，基于广度 优先搜索并结合蚂蚁算法提出公交路线最短路径选择的新算法【4 2 4 3 1 。李文勇等【1 6 】 则在d i j k s t r a 算法应用于站点查询的基础上，提出了基于蚂蚁算法的具有最少换 乘次数的公交出行路径查询算法。卜雷等【4 4 】设计了基于变长度染色体编码的遗 传算法来求解固定始发站与终点站间的公交车路线优化选择问题。而s h i n h a e l e e 等【4 5 】基于公交车容量和时刻表的情况下，运用遗传算法搜索了公共汽车和 地铁网络组成下的最短路。总结国内外的相关文献，相关文献研究内容对比如 表1 1 所示，对其主要存在的问题归纳如下： 1 ) 国内研究者多以传统的狭义公共交通网络，即城市常规公共汽车为研究 对象，一般采用图论的基本原理如节点弧段模型、邻接矩阵模型等对公共交通 网络进行简化描述，最优原则多以换乘次数、出行距离、出行时问、出行费用 等标准，这些模型较少考虑具体换乘的细节，国外的研究者则在上述方面进行 了更广泛深入的研究，首先在研究对象上，国外已经考虑了包括轨道交通、城 际铁路等快速公共交通在内的多模式的公交网络，在范围上则突破了城市内部 区域，开始向郊区、城乡结合等方面进行了综合研究，且多从换乘的方式、时 间度量、时刻表协调等方面进行细化研究，而国内对此的研究较少，考虑到当 前及未来城市快速轨道交通建设的发展趋势，居民出行特点和方式将会越来越 受到影响，因此，对基于快速轨道交通和b r t 为骨架，常规公交模式为主体等 多模式下的公交出行研究将是国内研究者将来的主要方向。 2 ) 在多模式公共交通系统前提下，城市生活节奏的加快和生活质量的提高 使得传统的公交最短路径( 出行距离最短、出行耗时最少) 可能难以全面客观 描述出行者的路径选择行为与标准，需要综合考虑出行者的出行行为m j 、出行 心理 4 , 4 7 1 、出行目的、环境、出行时间、公交时刻表及个体属性等因素。国内外 学者从不同的角度提出了多种搜索算法，基于的最优原则主要有基于换乘次 数最少，基于出行距离最短，基于出行时间、车费最少和基于以上组合等。 武汉理工大学硕+ 学位论文 表1 1 主要相关文献研究内容对比 发表公交网络 时间 作者网络描述最优原则最短路算法 对象 换乘次数最少、 2 0 0 0 杨新苗，工炜等常j ；! l ! 公交 g i s 改进的o i j k s t r a 出行距离最短 2 0 0 4 王莉，李文权常规公交t q 矩阵换乘次数 改进的d i j k s t r a 换乘次数最少、 2 0 0 5 刘光明，蔡先华等常规公交数据库 t r a n s a c t - s q l 出行距离最短 邻接矩阵，有换乘次数最少、 2 0 0 4 李文勇，王炜等常规公交蚂蚁算法 向赋权图出行站点最少 出行时间最少， 2 0 0 7 何胜学。范炳全常规公交步行换乘矩阵矩阵加法 换乘次数最少 2 0 0 5 问小勇，牛学勤常规公交有向图换乘一j 距离最短 d i j k s t r a ，迭代惩罚 2 0 0 6廖楚江，蔡忠亮等常规公交g i s最少换乘 s q l 搜索 常规公交换乘次数、时问、 2 0 0 8 石俊飞，李通等有向图蚂蚁算法 地铁费用最少 2 0 0 1 a n g e l i c ao z a n o ， 多模式公 节点弧段广义费用 改进的c h r o n o l o g i c a l g i o v a n n it o r c h i 交 a l g o r i t h m f r i e d r i c h ，m ， 常规公交，时刻表条件下的 2 0 0 2 弧段法 分枝定界法 w e k e c k ，s铁路网时间最短 常规公交时刻表条件下的 2 0 0 3m a r kh i c k m a n 支配路径方法 网络时间最短 换乘次数和费用s i m u l a t e da n n e a l i n g 和 2 0 0 6 f a n gz h a o 常规公交节点弧段 最少快速f 降法 公交服务模式时刻表条件下的 2 0 0 7 r u i h o n gh u a n g 常规公交模式优先算法 数据顶处理时间最短 城市轨道交通和快速公交( b r t ) 的发展以及城乡交通一体化的推进，使得 乘客公交出行的行为正在发生变化，乘客对准点、方便、经济等的出行要求正 在提高，因此，在定义公交出行最优路径的问题上仅仅基于以上最优原则是不 全面的，也难以合理描述在新的公交模式下的乘客出行行为，主要表现为：研 究载体只考虑了传统常规公共交通单一方式，对轻轨、地铁和b r t 等快速时效 性高的新公交方式考虑不足【3 8 , 4 8 , 4 9 】；换乘次数最少的情况下，可能会由于线路 的绕行，而使得出行时间增加【l5 3 8 ，5 0 ，而无法满足期望时刻要求；出行距离最 短的最优目标可能产生较多次数的换乘，同时也需要花费更多的时间费用【5 卅； 将乘客的等车时间由基于线路发车频率【4 8 , 5 1 】转向基于线路发车时刻表【2 8 , 5 2 , 5 3 】 进行，比较符合新的公交模式下尤其是对于郊区乘客公交出行和通过市郊铁路、 城际轨道交通出行的乘客的路径选择原则，但没有考虑换乘次数对路径选择的 影响 s 4 - s s ；考虑多种最优原则的算法思想虽然可以在一定程度上避免上述问 题，但对合理步行范围和时刻表的影响缺少考虑1 4 , 7 , 1 5 , 5 6 j 。 3 ) 公交出行最短路径算法主要有以下三类：第一类是基于图论理论的算法， 6 武汉理t 大学硕士学位论文 如d i j k s t r a 及其改进算法、f l o y d 算法等：第二类则是基于传统人工智能理论的 算法，如其改进算法，深度优先、广度优先算法等：第三类则是基于智能仿真 技术的算法，如遗传算法、蚂蚁算法等。这些算法各有特点，所适应的条件也 有差别，需要结合优化目标和原则具体考虑。 1 3 研究目的与意义 1 3 1 研究目的 城市公共交通网络是城市交通系统的主要组成部分。城市公共交通网络最 优路径对进行公共交通网络规划、现有网络进行优化设计与公交网络客流合理 分配等具有重要参考作用。在客观分析乘客公交出行心理特征的基础上，总结 影响乘客出行路径选择的因素，定量分析乘客出行的最优化原则；在总结现有 研究成果的基础上，根据乘客出行效益最大化原则和出行路径最优原则，提出 更加符合乘客出行心理和现代城市公共交通网络系统水平的最优出行路径算法 理论与方法；同时，对于乘客公交出行心理特征的研究可以为决策者提供改善 公交服务水平和优化现有公交网络的参考依据。 针对我国大城市公共交通的发展现状与趋势，以及城乡交通一体化的发展 要求，在分析了乘客公交出行心理特征的基础上，总结影响乘客出行路径的主 要选择因素，并以此作为出行路径最优化的原则，在多模式公共交通系统发展 水平下，探索更加符合乘客出行选择条件的公交最优路径算法，为实现乘客公 交出行最优路径方案选择提供可选理论方法。 1 3 2 研究意义 城市机动化的快速发展所带来的“城市病”日趋严重，城市蔓延与郊区化的 发展更进一步加深了人们对小汽车的依赖。随之而来的是不断的修路，再次诱 发更多的交通需求，更加剧交通环境恶化，导致交通系统运行效率不断降低。 随着城市的不断外延发展，城市公共交通网络体系已由常规公交网络向快速轨 道交通网络为骨架、常规公交网络为主体的方向发展，居民在公交出行需求、 出行目的、出行方式选择上有更大的灵活性和自由性。因此，在新的公交网络 系统发展水平上，通过分析总结居民公交出行心理特征的基础上，利用效用最 7 武汉理| t 大学硕士学位论文 优化原则，为乘客提供合理可行的公交出行路径方案，对提高城市公共交通系 统对城市居民的吸引力，提高公共交通的出行比例和提高公交系统营运效率， 从而缓解城市交通拥堵问题具有重要的意义。 1 4 研究对象与内容 1 4 1 研究对象定位 根据城市规划法第四条规定，按照城市非农业人口的多少、把城市规模 划分为大城市、中等城市和小城市。大城市，是指市区和近郊区非农业人口五 十万以上的城市，1 0 0 万人口以上为特大城市。随着城市与乡村、城市与城市之 间的联系的加强，以及在此基础上所构筑起来的城乡一体化、城市群模式使得 现在的公共交通已经跨越了城市与城市，城市与乡村的界限，开始逐渐向郊区 化及外围进行发展，同时，公交模式的主体也已由原来单一的常规公交开始向 轨道交通、快速公交等多模式方向转变。表l 一2 中给出了不同规模城市对应的主 要公共交通方式结构【5 。 本文研究的范围是大城市，研究对象为多模式下公共交通系统，考虑到研究 主体侧重点的差异和本文主要解决的问题，力求去枝叶而留主杆，并为了描述 的方便和严谨起见，在没有特别指出的情况下，文中所出现的城市公共交通系 统均指大城市中所包含的快速轨道交通( 地铁、城际铁路、轻轨) 、b r t 、常规 公共交通和电车所组成的综合公共交通系统。 表1 2 不同城市规模的主要公共交通方式 最大出行时耗 城市规模主要公共交通方式 ( m i n ) 2 0 0 万人 6 5 人中运量快速轨道交通、公共汽车、电车 大城市 10 0 2 0 0 万人6 0 中运量快速轨道交通、公共汽车、电车 5 0 1 0 0 万人 5 5 公共汽车、电车 中等城市2 0 5 0 万人5 0公共汽车 小城市 2 0 万人 4 5 公共汽车 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 主要研究内容 1 ) 结合现在大城市公共交通系统的发展水平，分析大城市公共交通网络的 主体组成及其运营特点和未来大城市公共交通系统的发展趋势，主要从常规道 路公共交通、快速轨道交通、快速公交、辅助特殊公交等几类进行分析。 2 ) 根据对公共交通网络组成及特性分析，构建公共交通网络的拓扑关系和 数据结构，并采用合适的方法对公交网络及其属性进行描述。 3 ) 通过对武汉公交乘客出行的实证调查，并结合现有文献研究成果，分析 影响乘客公交出行选择的因素和换乘特点，并确定其影响权值，进而构建其出 行阻抗函数模型，以此作为乘客公交出行路径选择的最优约束条件。 4 ) 总结分析现有公交网络最短路径的算法和其特点，主要包括传统的基于 图论的d i j k s t r a 等算法及其改进算法和智能仿真算法，在此基础上，力图从乘客 出行心理分析和公交查询的特点出发，考虑在以轨道交通为骨架、常规公交为 主体的多模式城市公共交通的的发展形式下，提出一种基于换乘和时刻表等约 束条件下的最优路径算法。 1 5 研究思路与方法 在明确研究题目的前提下，通过查阅相关的国内外文献，对研究课题有一 个基本的认识。在此基础上，进行实地考察及相关调查，搜集相关信息。对文 献查找和实地搜集的资料结果进行综合整理，通过比较分析国内外的理论与方 法，对大城市公共交通网络最优路径算法提出一些可能性的改进，此次论文的 主要技术路线如图1 1 所示： 9 武汉理工人学硕士学位论文 匝逦亘亟因叫恒翌亟囹 城市公共交通系统组 客公交出行考虑因素 公共交通网络特 规公共交通 速轨道交通 速公交b r t 助、特殊公共交j 公共交通网络出行l排统最短路径算法 图1 1 研究技术路线图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章城市公共交通网络系统特性 城市公共交通是由确定的、得到政府许可的拥有者和营运者，向所有人或 某一群体提供客运服务( 使用者不固定) 【5 8 1 ，并向使用者收取一定服务费用的 交通方式，是城市中供公众使用的经济方便的各种客运交通方式的总和，狭义 的公共交通是指在规定的路线上，按固定的时刻表，以公开的费率为城市公众 提供短途客运服务的系统( w s h o m b u r g e r ，1 9 8 4 ) ，伴随着快速轨道交通的建 设与发展，公共交通可提供的服务出行距离也在进一步增加【5 9 1 。 2 1 城市公共交通系统构成 对于城市公共交通系统的构成，不同的研究者的划分标准和类别存在差异 性。王炜在城市行政辖区内为本市居民和流动人口提供乘用的公共交通，包括 定时定线行驶的公共汽车、无轨电车、有轨电车、中运量和大运量的快速轨道 交通，以及小公共汽车、出租汽车、客轮渡、轨道缆车、索道缆车等交通工具 及期配套设施【5 引。各种公共交通工具之间相互配合、以不同的速度、运载能力、 舒适程度和价格为乘客服务。 徐循初指出城市公共交通是涵盖多个层次的综合系统，由常规公共交通、 快速轨道交通( m a s sr a p i dt r a n s i t ) 、b r t 系统、辅助公共交通和特殊公共交通 四部分组成，在国外还包括“多人合乘小客车 ( c a r p 0 0 1 ) 唧】。李永亮将公共交 通系统分为常规公共汽( 电) 车、轨道交通和快速公交【6 1 1 。建设部城市客运服 务行业各种公共交通方式按系统形式分为城市道路公共交通、城市轨道交通、 城市水上公共交通和城市其它公共交通共四大类，并按载客工具和客运能力进 了中类和小类的划分【6 2 】。 结合以上文献的分析，本文采用文献【6 0 】中的分类方法，并在此基础上对城 市公共交通系统的构成分类进行补充，如图2 1 所示。 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 - 1 大城市公共交通系统构成 2 1 1 常规公共交通 常规公共交通是指包括在城市道路上运行的公共汽车和无轨电车( 也有观 点认为有轨电车也属于常规公共交通，但是这种观点是以早期有轨电车技术水 平为参照标准，随着技术的发展，欧美发达国家有轨电车已经具备轻轨的技术 水平和运送能力) 组成的交通系统唧】，不包括轨道交通、出租车交通等非常规 公共交通形式，在城市公共交通中，常规公共交通是主体【5 丌，主要为城市的中、 低收入者提供出行机会，在大城市中常规公共交通的客运量比例超过7 0 ，以武 汉为例，2 0 0 7 年，武汉市全年完成公交客运量约1 9 5 亿人次，其中常规公共交 通客运量1 3 9 亿人次，占总量的7 1 2 u 】，如图2 2 所示。 1 2 武汉理1 = 大学硕士学位论文 图2 2 武汉市2 0 0 7 年各类公共交通工具承担客运量 常规公共交通方式的主要特点是( 1 ) 车票费用便宜，大多数城市的常规公 交的票价为1 元左右，可以满足城市中收入不高的群体基本出行，并对老人、 学生等特殊人群具有一定的优惠；( 2 ) 行驶速度较慢，理想条件下可达2 5 k m h ， 一般条件下为1 5 k m h ，但近年来我国大城市公共汽车的行驶速度已下降到 l o k m h 以下唧】；( 3 ) 运量适中，一条线路的单向客运能力一般为8 0 0 0 - 1 2 0 0 0 人 次时；( 4 ) 线网密度较大，服务面广，常规公共交通受空间限制较小，城市道 路基本都可满足其通行要求，其线路服务范围覆盖着众多生活小区、商业中心、 公司企业等，最大限度的为居民出行提供服务；( 5 ) 硬件设施与服务水平不高， 常规公共交通在车辆配置、舒适安全性、司乘服务态度上存在着很多问题，同 时，由于受到道路上其它车辆的影响，其运行可靠性不高，延误阻塞等时有发 生。 2 1 2 快速轨道交通 轨道交通是城市公共交通的一种模式，这包括了地铁、轻轨、单轨和市郊 铁路等，在少数发达国家还包括a g t ( 自动导向系统) ，它在运行特征、网络密 度上与常规公共交通有很大的区别，主要表现在( 1 ) 运送能力大，运营速度快， 由于车辆本身性能的差异和使用了专用轨道及站台设施的优化设计，使得其运 营速度较常规公交有了很大提高，且它采用多节车厢编组高密度的发车运行， 大大提高了其单位通行能力；( 2 ) 可以提供更舒适安全的乘车环境，轨道交通 采用的是全封闭、无交叉设计，受外界干扰少，并应用了先进的运营管理与控 1 3 武汉理上大学硕士学位论文 制系统，保障了其运行的安全性，同时，其自动售票系统、舒适的乘坐设施等 改善了乘车环境；( 3 ) 基本不受到干扰，运行准时可靠，轨道交通的硬件条件 为其运行的准时可靠提供了保斟，7 】；( 4 ) 造价高，工程复杂，线路单一固定， 服务范围有限。轨道交通的投资建设的代价是昂贵的，导致其线路建设无法和 常规公共交通相比，限制了其线路条数和服务