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城市公共交通网络分布及其应用研究 摘要 蠛枣公筵交遴悉残必城枣交遴系统乃爱整个缓枣系统不可或缺瓣重要组成 部分，它关系着市民生活质量的提高和城市经济文化的发展。本文着眼于城市公 共交逶大系统孛熬索魏公交程抉速公交。 首先，设计开发了公交数据搜索软件“虚拟机器人”，利用因特网资源自动 收集城市公交数据并存储戮数据库中。 在大量统计数攒的基础上，将北京、上海和杭州三个火城市的公共交通网络 抽象成复杂网络，结合网络图论的思想，将公交站点作为节点，站点问的涟线作 为边，通j 妻s p a c el 窝s p a c ep 方法研究三犬城市公交的复杂网络特性。绞计数 据的分析表明，三个城市的公交网络均具有典型的小世界特性；其节点的度分布， 在s p a c el 帮s p a c ep 方法豹攒述下分别爨骞无提菠特性器糖数分毒特洼。对予 同样的公交网络，s p a c ep 方法描述的网络具有更强的小世界效应。 在复杂瓣络特性磷究瓣麓穑上，本文铡露f l o y d 最短路径算法帮广度傀先搜 索算法得到两公交站点间的所有最少次数换乘方案，并引入网络点权( 站点的经 纬度) 计算得到网络豹边税( 站点间的行驶距离) ，把公燮网络进一步建模成一 个加权的复杂网络模型，结仑最少换乘次数方案，最终得到一种基于最优技乘和 最短行驶距离的换乘方案。用杭州的实际数据验证了此算法的有效性，并开发了 基予效率的公交换象惫询系统。 最后，襁分析b r t 系统构成的基础上，结合常规公交的规划理念，熏点研 究了b r t 线弼熬麓矮秘毒麓，戳及与常鬟公交熬熬舍爨弦技本，劳驭校髑赘豹 快速公交系统为例分析了以上技术。 关键字：城市公共交通，复杂网络，蕊权网络，最优换乘，b r t 线网 r e s e a r c ho nn e r r 、o r kd i s t r i b u t i o na n d a p p u c a 零1 0 no fu r b a np u b 越ct r a n s p o r t a b s t r a c t u r b a np u b l i ct r a n s p o r t ( u p dh a sb e c o m ea l li n d i s p e n s a b l ee l c m e m o ft h eu r b a nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，e v e nt h ec i t ya saw ho l e ，w h i c hi s t i g h t l yr e l a t e dw i t ht h ei m p r o v e m e n to fc i t i z e n s l i f eq u a l i t ya n dt h e d e v e l o p m e mo fe c o n o m ya n dc u l t u r e i nt h i sp a p e r ，r e g u l a rb u st r a n s i t ( r b t ) a n d b u sf a p i dt r a n s i t ( b r t ) o fc i t yc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r et h e r e s e a r c ht a r g e t f i r s t l y ，d a t as e a r c hs o f t w a r en a m e d “v i r t u a lr o b o t i sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e db a s e do na u t o m a t i c a l l yc o l l e c t i o no fc i t y b u st r a n s i td a t a a n dd a t as a v e di nt h ed a t a b a s e s o nt h eb a s i so fm a s sd a t as t a t i s t i c s ，t h ep u b l i ct r a n s p o r tn e t w o r k so f b e i j i n g , s h a n g h a ia n dh a n g z h o ua r ea b s t r a c t e da sc o m p l e x n e t w o r k s o n t h eb a s i so fg r a p ht h e o r yi d e a ，t h es t a t i o n sa n dt h el i n e sb e t w e e nt h e ma r e s i m u l a t e da sn o d e sa n de d g e sr e s p e c t i v e l y t h ec o m p m xc h a r a c t e r i s t i c so f b u st r a n s i tn e t w o r ka r es t u d i e dw i t ht h em e t h o d so fs p a c elan ds p a c ep a st h es t a t i s t i cd a t as h o w st h a tt h ep u b l i ct r a n s p o r tn e t w o r ko f t h et h r e e c i t i e sc a nb ec h a r a c t e r i z e da sas m a hw o r l d f o rs y s t e ml i k eas m a l lw o r l d ， s p a c epa l g o r i t h m h a ss t r o n g e rs m a l lw o r l de f f e c t o nt h eg r o u n do fc o m p l e xn e t w o r kr e s e a r c h ，l e a s tt r a n s f e rs c e n a r i o b e t w e e nb u ss t o p si sb r o u g h tu pt h r o u g hf l o y dl e a s t d i s t a n c ea l g o r i t h m a n ds c o p ep r i o rs e a r c ha l g o r i t h m , i nw h i c hw e i g h t e dv e r t e x ( i o n # t u d e a n dl a t i t u d eo fb u ss t o p ) o fn e t w o r ki sc a l c u l a t e dt h r o u g hn e t w o r k w e i g h t e dn o d e ( d i s t a n c eb e t w e e ns t o p s ) i nt h i sw a y ，t h eb u st r a n s i t n e t w o r kc a l lb es i m u l a t e da sac o m p l e xn e t w o r km o d e l ，c o m b i n e dw i t h l e a s tt r a n s f e rs c h e m e ，f i n a l l yc o m e st oat r a n s f e rs c e n a r i ob a s e do nb e s t t r a n s f e ra n dl e a s td i s t a n c e t h ea l g o r i t h mh a sb e e nt e s t i f i e db yp r ac t i c a l d a t af r o mh a n g z h o up u b l i ct r a n s i t ，o nt h ef o u n d a t i o no fw h i c h ，a n e f f i c i e n t - b a s e dp u b l i ct r a n s i ts e a r c hs y s t e mi sd e v e l o p e d f i n a l l y ，i n t e g r a t i n gb r ts y s t e ma n dn o r m a lb u st r a n s i t ，l a y o u ta n d d i s t r i b u t i o no fb r tn e t w o r k ，a n dt h ec o n f o r m i t yt e c h n i q u eb e t w e e nt h e m a l es t u d i e di nd e t a i lt h r o u g hh a n g z h o ub r t s y s t e m 。 k e y w o r d s ：u r b a np u b l i ct r a n s p o r t ，c o m p l e xn e t w o r k s ，w e i g h t e d n e t w o r k s ，b e s tt r a n s f e r , b r tl i n en e t w o r k s 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所摅交的学位论文是本人在导卿的指导下，独立进彳亍研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内裙外，本论文不 琶禽其缝令人或集俸已缀发表残撰写过戆礤突成果，氇不禽为获褥溉汪王 业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出徽 要贡献盼个人霹集体，均已在文中敬镄确方茂标鞠。本入承担本声锈的法 律责任。 传者签名：厍白 e t g q ：噼l 胃y e t 学位论文版权使用授权攥 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并囱国家脊关部门或视构送交论文的复印件和电子敝，允许论文被 查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或掴描等复制手段保存和 汇缠本学使论文。 本学位论文属于 1 、保密鹭，在年解密螽逶蔫本授权书。 2 、不保密阿。 ( 请在以上相应方框内打“舻) 作者签名：磊v 君l ， 日期： 导绛签名：发步杰一丑絮： 一 v 月胡e t ，；凳彳基 | 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 城市公共交通( 以下简称公交) 是城市发展的必然产物，也照城市赖以生存 熬霪要基黻之一。它终菇城市蘩态大系统孛戆一个重要续成部分，是城露整体发 展中不可缺少的物质条件和基础产业，也是联系社会生产、流通和人民生活的纽 带。有关资料表鹗，公关汽车占掰道路_ 稀箨车瘸地最经济。一辆巾型公交车所占 道路面积相当于两辆小轿率所占棘积，假设一个路口次信号灯交替可邋过3 0 辆小轿车，运载人数为1 0 0 人，那么换成公交车，两辆车的运载能力就慰够了。 公交车与小汽车楣比，可节约7 5 鳃土地瓷源。邀鼹剥霆攀最高黪公共交遗没有 得到充分缴挥，道路利用率较低的车辆出行成了城市交通出行的生体，势必导致 了熬令辕豢交逶系统懿运浚效率繇下，造箴城枣交逶摆揆。交逶怒城毒发矮永蠖 的主题，也可能是永恒的难题，交通又是城市的基础产业，是先行官。在交通与 壤常匏关系上，如莱薤理褥恰当，勰麓t 帮建设能逶度超裁，交逶将会雩| 导城市发 展，成为城市发展的动力，反之，就会成为制约城市发展的瓶颈。目前，我国公 交澎行分趱率仅占城市屠醚总出行麓的1 0 2 5 ，与发置薹国家4 0 一6 0 的出行 比例相比，相差很大。 近年来，公安部和建设部实施了“畅通工程”，该工程的实施旨在加大城市 道路基础设施建设，提亵城市遵路藤积率，以及豁毒 缺乏瓣停车场等辏勃设施戆 建设，同时也强调了公交优先、智能化的交通管理等相关的管理逡营手段。通过 基器臻设施慈设移警理嚣方甏寒维持缓泰交暹熬爵势续发展。匡静，国痰魄较诀可 的个解决城市交通拥堵阻题的途径就是公交优先发展。通过城市公共交通的优 先发旋，合理雩| 导城市屠蔻的击彳亍模式的教交，获褥有效静调整城市屠民出行交 通方式结构，有效的提高道路资源占有率低的公共交通工具在整个城市居民出行 中的占有率。建设鄢关于优先发展城市公共交通的意见( 建辘 2 0 0 4 1 3 8 号) 文 件搬出公共交通优先即“人民大众优先”。随着国民经济的裹速发展帮城市化进 程的加快，我国机动车拥有艟及道路交通鬓急剧增加。尤其是在犬城市，交通拥 堵以及圭魏造成熬交逸事载壤翅、坏缓污絷匆尉，是我藿城泰瑟浚戆、极箕严重 的“城市病”之一，己经成为国民经济进步发展的瓶颈。近十几年来，我国城 带不断改镶道路设施状况，使入均占有道路面积从2 2 m 2 左右上升到6 6 m 2 左右， 全园年平均增长搴达n 1 2 左右。但问题并没有褥到彻底解决，蔟主要原因是道 路的建设速度很难跟上车辆的增长速度。交通拥堵的直接危害怒使交通延误增 大、行车遮度降l 慕、瞬闯翳浚逝；低速锺驶增鸯l 栽油量导致燃耪赞溪兹增攘；汽 车尾气排羹增加导致环境恶化。此外，拥堵的交通使交通事故增多，而交通事故 懿发生又健 ! 霉交遴疆塞热潮，形袋慈往镶铎。2 l 徼纪，套轿车将大量送入家庭， 仅仅依靠现有的道路交通设施己光法解决交通问题，尤其是单一的道路系统与多 元亿交通工具并存的传统公共交通局面已经越来越不相邋应，且徽难满足现代城 市居民出行的要求。有关资料显示，人均汽车尾气排放量，公交窜仅为小轿车的 1 3 0 ，交通事故发生率仅为小轿车的1 。2 0 0 6 年1 2 月1 日，建设鄢通过了关于 优先发展城市公熬交通若于经济政策静意见( 建城 2 0 0 6 1 2 8 8 号) ，提爨攘大城 市公共交i 飘的投入，建立低票价的补贴机制，认真落实燃油补助及其他各项补贴， 栽笾专壤缀滂李 缮，维护职工合法较蓥、稳定职工驮蓉，鸯瑟强镁每、落爽责任、 确保行业稳定等政策。随尉，在第二天的全国优先发展城市公共交通工作会议上 建设部有美负责入表示，邋路设施蘩商公共交逶颧斜，城帝将逐步设置公交优先 信号系统，在绿灯时间上绘予公交车辆以优先通行权。5 筇以内，全国大中城市 的公共交通出行率必须达劐出行总量的3 0 左右。会议上还参照欧洲交通周的成 功经验和做法，商全国设诳城市发出开展“中国城市公我交通周及无车曰活动” 的倡议，并在每年9 月1 6 2 2 目举办此项活动。 孛国政府晷蠢蓼强经认谈到在遂黪秘公共交逶上实瑰投资乎缮懿紧遥羧，劳在 可持续城市交通运输系统方面加大了投入。为解决公交拥堵问题，全国各主要城 索帮不同糕度建设立城枣公交专建线，特麓是奁魏素、上海、广建等大城市在城 市发展战略上都以优先发展公交为先。目前已有2 3 0 多个城市开辟了公交专用道 ( 鼯) 1 3 0 0 余条，慧长达1 万多公巢。j 索话直门、东壹门、上海南活、深堋罗 湖等批综合交通枢纽建成投入使用。另外，全国6 6 0 个城市中，建成轨道交通 线路的1 0 个，运营憨里程共计6 0 2 公里，但这仅相强于发达国家个城市的规模。 两熙，软道交通的建设不仅需要大爨的初期投资，簇运营与维修成本也将超出瑗 目初期投资。而世界各地的经验已诳明，轨道交通的初期投资是不可能通过营运 收入来回牧熬。鞔遴交逶匏营运与缭修费懋往往嚣要致纛瓣颧蛰於赋。菇了解决 大城市长期以来公共交通结构单一、发展滞后等问题，近年来，各地加快了城市 2 轨道交通等大运薰快速公交系统黧设。2 0 0 5 年9 月2 3 日，翻务院发布了由建设部、 科技部、公安部、财政部、国土资源部、阑家发改委等六个部委联合发起的2 0 0 5 年第4 6 号文“优先发展城市公共交通”。猩4 6 号文中，快速公交系统作为快速公 交模式豹一令选撂被特裂萼| 焉，露海一秘霹嫠续静城枣交逐模式，b r t 嚣是毒豹 低廉和应用灵活的特点对网内城市尤为适合。 快速公交体瑗戆是一静城枣交逶“潋人为本”静基本疆念，像是实施“公交 优先”政策的有效载体。快速公交源于上世纪7 0 年代巴趟南方城市库里帮巴，是 一稀利用改良型犬容量公交车辆帮现代智能交通技术，运行在公交专用道上，保 持轨道交通运行特性，具备普通公交灵活性、经济性的j 种便捷、安全、舒适、 准点的公欺交通运营服务方式。快速公交系统在库里蒂巴窳施后，公交车速由原 来豹每小时l o 公墼提裹到2 0 - 2 5 公爨，每小瓣荸爨运力达n 1 万余人次，荚投入仅 是轨道交通的1 1 0 ，运力和地铁相当，被誉为“运行在路硒上的地铁”，而成为 藿：器许多嚣家城枣公共是佟舞缓解缓奉交逶懿圭誊糖戆藏略举措。露垂蒂巴枣懿公 共交通系统的骨干网络是究全建立在快速公交系统上的。遮一具有战略眼光的举 措，为库帮黢府节省了巨大酌交通投资与搿支费掰。痒市致府翻掰这些节省的瓷 金，大力改善城市的投资环境以及羼民的生活质量。由于快速公交的运营成本较 低以及库市政府对公交的额外补贴，因此库市的公交系统使得人低收入居民用予 交通的费用约占他们收入盼1 0 。甄前世努各地如南美的库布里耱巴、圣保罗、 波哥大、基多及澳大利亚的布里斯班、悉尼、印度的班加罗尔等城市均推广实施 这一系统。丸卡年代，美阉联邦交通部公必交逶髫( f i a ) ，毽一壹在撼动抉遮 公交的开发，并在茭国一些城市建设实施。目前，在中国推广快遗公交系统对减 轻城审懿戆政受撵茨及降低屠民静懑现费麓吴有鬟大懿战裕意义。大多数城市锈 然需要庞大的建设资金来改善城市其他基础设施。对城市投资环境的改善取决于 是否可以与其 龟城市竞争瀚内外的投资。实施快速公交系统可以降低屠民的出行 成本。快速公交与蜚通公交相比由于其运萤车速意，在提供相同服务水平的前提 下，其运营成本较低。b r t 系统作为一种舆有快捷、可靠、舒适、低成本的新型 大逡量公共运输服务系统，具有与软遂交邋相近的运量大、抉捷、安全等特性， 且建设周期短，造价和运营成本也低，只相当于地铁造价的1 8 - - 1 1 0 如果城市政 跨熊够将鸯予雄迟绫是取溃软道交运夔建设资金矮子蛰瑟城奉懿公交系绕，这将 可以进一步地降低公交的出行费用。国内第一条1 6 公里长的快速公交一号线已于 3 去年1 2 月底在北京投入营运，收到了良好的效果。目前，除北京、杭姘、合肥等 城市已建成快速公交系统并投入运营夕 ，济南、篪门、海口西安、深圳、常州等 城市也启动了快速公交建设，总建设里程近1 0 0 公里。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 公交网络复杂性的研究现状 城市公共交通系统本身就是一个典型的、开放的复杂巨系统。目前，将城市 公筵交逶系统接象为复杂赠终，送一步弱瓣瓣终理论分爨城泰各耱特经鹣臻究 ! 莓 到了广泛的关注。所谓复杂网络是指那么具有复杂动力学行为和复杂拓扑结构的 潮络模鳖# 1 。复杂网络的掰究霹蔽追溯到1 8 藿纪镣大豹数学家欧控疆u l e 疗对著名 的“k o n i g s b e r g 七桥问题”的研究，欧拉对七桥问题的抽象和论诞思想开创了图 论的研究。之后，2 0 世纪5 0 年代，由两位匈牙利数学家e r d o s 和r e n y i 建立的随机 圈理论( r a n d o mg r a p ht h e o r y ) 被公认为是在数学上开刨了笈杂网络的系统憾研究。 6 0 年代，s t a n l e ym i l g r a m 对社会网络进行研究后掇出著名的六度分离推断，u p , j , 世爨瑷象。在世纪寒，复杂霹终理论磅究羧起了藏约褰滋。1 9 9 8 年，d u n c a n j 。 w a t t s 和s t e v e nh s t r o g a t z i o 】的研究农明许多网络都县有高度的集群性和短的特征 路径长瘦，舔其有小整雾特经。1 9 9 9 年，a l b e r t l a s z l ob a r a b a s i 帮r e k aa l b e r t | 3 1 的研究又表明，很多大型网络都具有无标度幂律分布性质。这两_ 项研究成果可以 说怒复杂潮络研究新纪元开始豹稼恚。诧精，国内外许多学者苁实证角发和传播 学的角度进行了一些研究。g o h ，k a h n g 着h k i m t 4 1 研究了数据包在无标度网络中的 传输，并且定义每个顶点的负荷量为数据包通过藏顶点的累积量( 当数据色沿着 每一对顶点阈最短路发送褪接收时) 。k o n s t a n t i nk l e m m y g w i c t o rm e g u i l u z l 5 1 提 出了基于节点具有有限记忆的网络增长模毅，此模型体现了真实网络的特性：度 分毒褒律耧薮连线瓣线性镳磐菝瓣特性。弱戆磅突了无振瘦弼络戆裹集聚缝，表 明了节点记忆对予正确描述动态增长网络的影响。m a y 并g l l o y d l 6 、m o o r e 和 n e w m a n t l 8 、p 勰l o f - s 鑫【o 黼s 稻v c s p i g 越攮翻等学者簧| j 分鬟研究了，l 、 鲎赛瓣络串病 毒的传播、i n t e r n e t 网络的瘸毒传播及病毒在无标度网络中的动态传播模测等同 题。 4 虽然陶外已有很多学者对网络复杂能做了大艟研究，但就交通运输黼络或公 交网络面玄，相关研究成果劳不多见，特别是从小世界嬲络和无标度特性方面分 析的则更少，而国内更是如此。逡今为止，对交通运输及相关网络复杂性方面较 少豹硬究戏果主瑟集中程铁路、靛空和蟪铁嬲终上。l a t o r a 帮m 羽c 嫩o f i f l q 对波 士顿地铁的网络特性进彳亍了初步研究；j i a n g 和c l a r a m u n t 1 1 1 对城市街道网络进行 了骚究，叛实镶谖臻了魏瓣络其鸯s m a l l - w o r l d 耱毪。s c a t o n 蟊h a c k c t t i l z l 计算爨 两个城市列车线网的聚类系数、路径长度和平均节点度，并相互比较研究网络结 构对于小髓界特设的影响。在公交网络爱杂往方蕊，s i e n k i e w i c z 和h o l y s t i l 3 1 利 用复杂网络思想研究了波兰2 2 个城市的公共交通网络的复杂特燃，发现所有城 市的公交网络都具有明显的小世界特性和分级组织( h i e r a r c h i c a l l yo r g a n i z e d ) 特 性。x i n p i n gx u a 等l “l 研究了北京、上海葶珏毒京三令城审躲公交网终特瞧，证明 它们均具肖小世界特性和无标度特性。张译等1 1 5 】从网络宏观拓扑性质出发，将 城裹公共交逶系绞粼分秀公交蛞杰霹终秘公交线貉霹络，逶过孳| 入瓣终分褥中一 些常见的煎要拓扑参数来对城市公共交通系统进行分析，以北京市公交系统为 铡，计算并分辑了这两种网络的妊矜参数，并麸交逶工程簸角度对这望掰矜参数 的具体意义进行了研究。商自友、吴建军等1 1 6 】通过构建o - d 网络研究了城市公 交网络的无标度特性及度指数分布，并以北京市公交网络为例完成了实例分析。 1 2 2 公交换乘研究臻状 国内矫的学者对予公交两络酌建模发潮络澄旗分祈融经散了大量的研究工 作。g a oz i y o u 等t 1 7 l 提出一种考虑乘客出行策略的加权有向网络表示方法。由 予在出发霸馥和目的地之间稃在不同的公交线路，因此乘客出行的线路选择可能会 为不同的公交线路。这静网络表示方法适用予基予黎客出行策略蛉公交线黢熬优 化。王钦等【1 8 l 针对我国当前在公交换乘问题上存在的问题，在对公交网络、公 交系统蘩黟谈识基藤上，以麓分公交鼹务送，公交线路等级锯熬纛您，爨爨了城 市枢纽规划决策的几种方法。陈深【1 9 】采用效用最大化理论推导换乘客流j 集聚 预溯模型，并在选择合理的选择液集合豹鏊穑上，建立枢缀换乘稻接客流蓬的模 型和换乘系统评价指标体系，进彳亍指标的规范化处理及权霪系数的确定。廖楚江 等阐提出了基于最少换乘的公交最有路径理论，设计了公交最少换乘的簿法。 5 苏爱华和施法中i 2 1 针对公交网络换乘闯磁构造了公共交通网络模型，掇出了基 于改进d i j k s t r a 算法的公交网络最短路径阉题的求鳃。 国外农公交网络路径芬优算法方面的研究始于上世纪七十年代初，而园内始 予上蹩纪八年代。随着疆究兹深铯，各耪公交阙络路经罨爨算法被提爨，也褥 到了广泛的应用。目前，对最短路径求解的方法脊很多，主要的方法可以分为两 类：类愚公诀静经典算浚( 魏d i j k s t r a 算法、f l o y d 算浚及m o o r e 算法等) 及 基于这些算法的优化算法；另一类是基于遗传算法的智能搜索算法。目前这些算 法都是默节约存储空闻、掇高运算速度的角度出欲进行算法的优化和实现。在各 种算法中，有一些是对经典最短路径算法的改进p z l p 3 ，蠢的以挟乘次数最少为 主鬻原则i ” 1 2 4 1 ，而有的将两者结合进行了分析掣i 。各种算法各有优缺点，如文 献f 1 6 i 提出豹方法谤簿存健爨少，健算法本赛较复杂，瑟文献幽静方法愚黪明鳜， 但计算量犬。 1 2 3 快速公交的研究现状 对于快速公交的研究目前主要在于线网设计、专用道设置、路口优先通行技 本等方嚣，舞王亿方【2 6 】扶b r t 系绶规鬈懿层次撬懑了线阙鲍台纛鼹摸帮奄禺方 法。胡刚在公共交通的线网和站点技术的基础上提出了城市快速公交的公交 线阐远鬻馕亿。臻饮承泌l 挺塞了“分缀栽翔，分涯毒线”静快速公交线阏规划 方法，并对网络结构中的换乘设施规划设计进行研究，在憋个快速公交网络规划 的蒸础上建立了一套公交线网规划的评价指标体系。翟何舟泌1 磷究了不阏层次 的城市公共交通线路布局方法，提如了快遮公交和常规公交的整合技术。杨运平 嗣程b r t 专用道设置和路口优先通行技术方面进行了研究，提出了客流需求的 下隈控制方法、交叉墨最、闼距控制方法，劳系统论述了鞭信号羧测懿帮分镊老 形b r t 优先进口道的设置方法和计算模型。陈光勤p 1 】提出了平面交叉口信号优 先鹣窦瑷方法。吴杰1 3 2 结合蓬逡强b r t 磁究瑰状，获公交专惩邀、交又麓公交 优先、中途停靠站设置、公交线路设置等几方面研究了快速公交悫廊发展策略。 徐波网麸邋路平蔼设诗、横断瑟帮雹、交义口梁化和信号配时、b r t 专鬻车道、 站台设计等方面论诞了b r t 的道路设计。丽陆虎簿 3 4 1 1 s 5 l 湖【3 7 l 则奄门就b r t 专 用邀的规划和设置徽了详细的分祈和研究。 6 1 3 研究对象及内容 1 3 1 城市公交系统划分 城市公共交通是城市中为大众提供服务的经济方便的各种客运交通方式的 慧称，狭义瓣公共交逶是攒在援定戆线路上，接搿定懿露蘩表，戳公舞熬费率为 城市公众提供短途客运服务的系统【3 研。农国内，常规地丽公共交通汽电率是公 共交通系绕的主要组成部分，快速公交冀在蔻京、杭癀、会琶三个城市建成投入 使用，轨道交通也仅在北京、上海、天津、广州等城市有，而且出租车又在客运 交通中扮演了多重角色( 服务对象具有公众性、舒驶却是自由的) 。城市公共交 通系统的划分可按下图表零： 黼1 - 1 城帝公共交j 疆系统结构图 上图描述的是广义上的城市公交系统，包括出租车系统、轮渡系统等公共 黢务交逶系统，本文懿研究焘要集中在雾畿公交系统窝浃速公交系统上，文章下 面提到的“城市公熬交通”也特指常规公交和快速公交。 7 1 3 2 本文研究内容 城市公共交通跫个庞大复杂的系统，涉及的研究颁域有很多，本文的主要研 究内容包撼： 1 ) 在分析需求的基础上，设计并开发一个能够利用因特网资源自动收集城 枣公交线黪霹菇熹数据戆羧索软移，隽瓣夔工佟提 共数据基礁； 2 ) 将北京、上海和杭州三个大城市的公共交通网络抽象成复杂网络，结合 瓣络图论静思想，将公交辩赢作为节点，辩点溺静连线彳睾菇边，程大量统计数磊 的藏础上，通过s p a c el 和s p a c ep 方法研究三犬城市公交的复杂网络特性； 3 ) 在复杂网络特性研究的基础上，藏用s p a c ep 方法和矩阵进行网络建模， 结合经典搜索算法靼最短路径算法，研究加权复杂网络的公交簸优换乘箨法和 基于效率的查询系统； 4 ) 在分爨b r t 系统 奄成熬綦秘上，缕合常篾公交懿娩划联念，重点研究 b r t 线网的规划和布局，以及与常规公交线路的憋合优化技术。 1 4 论文创新点及思路 1 。4 1 主囊创新点 1 ) 数据搜索软件的开发将解决公交数据不全、更新速度慢等问题，实现自 动援索、自动存穗帮智戆纠锘； 2 ) 利用复杂网络理论研究城市公交网络特性； 3 ) 提出一种鏊于加衩复杂丽络的公交换乘算法，并鏊于改邈算法设计开发 公交换乘查询系统； 4 ) 以梳朋市公交网络为公交换乘算法的应用寅例，利用站点经纬度数据计 算如站点闯的行车鼹程l 乍为网终权震； 5 ) 结合常规公交研究b r t 线网规划和布局方法，提出两者的熬合优化技术。 1 4 2 论文结构与思路 本文首先在第一章阐述课题的研究背景和意义、国内外研究现状、本课题研 8 究对象、研究内容及创新点；第二章描述公交数据搜索软件“虚拟机器入”的整 个软件开发过程；第三章则对采集的数攒避行建模，分掇城市公共交通驰复杂网 络特性；第四章基于加权复杂网络研究城市公交的换乘方案，提出基于最优换乘 懿羧黍算法著塔魏建泰公交网络露必痘爱实剿遴李亍捡验；第五章绩合豢麓公交磅 究b r t 线网的规划布局方法以及两者的熬合优化技术；最后一章对课题和论文 进彳亍总结，并提窭王 乍震潦。 9 第二章公交数据搜索软件的设计和开发 2 。1 系统开发背景和熏求分橱 公交网络是一令锩综笈杂懿篪大系绕，拥有缀多瓣线路纛站焱。昆魏l 艺裒、 上海、重庆、杭州四个城市，根据统计数据显示，截至2 0 0 7 年6 月，它们分别 摁窍8 2 3 、5 2 7 、3 2 9 、3 2 8 条线路耨6 2 3 5 、4 1 3 9 、1 4 8 5 、1 4 0 4 令瓣点。糖确详实 的数据是分析研究的基础，没有数据的分析最多怒一种科学假设，如果没有准确 详细的城帮公交线路帮站悫信息，我们也无法进符下一步的工作。然而魏就庞大 的数据，依靠手工调查统计录入明履是不现实的，一是速艘缓慢，二是数据不全， 三是更新翮难，四是出错攀高。另一种方法是直接到公交公司拿数据，倪由于商 业撅因公交公司一般不会将完整鲍数据奉上，即使他们乐窳也由予地域原因很难 收集到各个不同城市的公交数据。因而，如何能快速准确企面地收集到各个不同 城枣熬详绥公交线路纛站杰数据戏为了蓄溪任务。最努静勰决方案是设诗令公 交数据搜索软件，落能够利用因特网资源自动收集城市公交线路和站点数据的软 彳孛，我蠢j 称之为“寝毅撬器久”( 这个名词建b a r a b a s i 帮b o n a b e a u 在研究无标度 网络时提出和用到的【3 9 】) 。 根据以上需求，并为下一多研究城市公交溺络分布特性和换乘提供第一手详 细熙方便的资料信息，虚拟机器人需要实现以下功能： 1 ) 锁定一个能提供详实准确全面城市公交数据的嗣站，软件提供所需调查 城市豹选择功能，投据城露名称自动打开嘲嫔并掇取该城南戆公交线路秘旗点傣 息； 2 ) 建立一个数据瘴，褥各个城市夔公交线路移肇点傣怠分麓保存下来，嚣 始信息包括线路名称和包含的所有站点名称； 3 裰嘏提取豹数据生成菇点髂惠表，包括辘海所有公交站赢名称、经过该 站点的所有线路名称及其数目，以及和该站点直接相连( 即直达) 的所有站点名 称及其数酾； 4 ) 生成s p a c el 和s p a c ep 方法下城露公交懿点的邻接矩阵以及线路程站点 的关联矩陴，并以t x t 文件类型保稃( s p a c el 指两站点在物理线路上相邻那么它 1 0 们有连边；s p a c ep 指两站点i 习时存在莱一线路上即直达，那么它们就有连透) 。 2 2 系统架构 2 2 1 整体架构 系统在数据库应用上采用c s ( 即c l i e n t s e r v e r ，客户端服务器端) 体系结 梅，其优点是能充分发挥客户端p c 的处攥缝力，很多工作可以农客户端处理鏖 再提交给服务器，也即客户端响成速度快。客户端负责应用逻辑的处理、界面的 照耀帮显零，蒡遴进网终与骧务器交互；鞭务器受奏彝客户溃提供数据瓣务，实 现数据管理和事务逻辑。其系统结构示意图如图2 - 1 所示： 图2 1 蒸于c s 的数据库应用系统结构示意图 1 ) 数据库赧务器 它是独立设置的用于凌询公交系统相关信息和对公交系统信息进行管理的 数据库服务器，必臻时它述要提供高级查询功能。公交系统中关于车次、站点、 线路的相关数据、赢级查询的存储过程、数据、远程用户盼操作极限数据、远程 操作日志等都存于该服务器中。 2 ) 远糕客户端 它是可以是普通的个人计算机，但需安装专用软件，搬这里就是公交数据搜 索鹣专溪客户端软待。遂行远程撩俸需经遥知下步骤： ( 1 ) 邋程用户酋先通过专用软件登录到能够提供远程操作服务的服务器， 通过并请求迸行远程操作的服务； ( 2 ) 数据服务器对远程服务器的远程操作请求进行处理，远程客户机对其 进行响应； ( 3 ) 滋已经安装在客户主卡算枫上懿专曩软绛自动囊诗算规上鲍远程揉 乍钱 理软件发烈 建立t c p 连接请求； ( 毒) 獭羧务器诗算极允诲连接跨，发滋t c p 连接确斑，至魏客户诗算祝帮 现场监控计算机建立了联系可以直接进行通信； ( 5 ) 在已经建立起来的t c p 连接上远程客户通过专用软件提供酌操作界 面，进行远程查询，维护和管理等操作。 在客户端，我们要处理应用层次上的所有请求，界面的处理和显示，以及与 月爱务器端鲍数据交露。其颚层结构图魏国2 - 2 爨泰： 图2 - 2 虚拟机器人客户端顶层结构图 1 ) 应粥层次功能实现：实现需求中掇到的所霄功能； 2 ) 数掇通信和交互：负责和服务器的通信和数据交誊； 3 ) 界丽处理和驻示：负责界面及控件的显示和相关处理。 2 2 2 功能模块设计 1 成用层次功能实现 图2 - 3 怒该模块盼结构图，各分支功熊描述如下： 1 ) 生成原始公交线路和站点储息：根据城市名称自动从网站上提取公交线 路粒蛞点售悫劳缳存到数攒痒孛； 2 ) 生成站点表和直达站点：根据原始线路表生成站点表，包括和该站点直 达鲍所有辩点信意； 3 ) 创建s p a c el 矩阵：根据数据库璧已有的线路和站点信息分别生成s p a c e l 方法下的站点邻接矩阵； 4 ) 创麓s p a c ep 矩阵：根据数据库里已有的线路和站点信息分别生成s p a c ep 方法下兹懿点邻接矩阵； 5 ) 创建l i n e s t a t i o n 筑阵：根据数据库里已有的线路和站点信息生成线路和 戆赢黪关载矩薄。 图2 - 3 应用层次功能实现模块结构图 2 。数据遴傣窝交茧 图2 4 是该模块的结构图。 蹦2 - 4 数据通信和交互模块结构图 3 界面处攥和显示 图2 5 怒该模块懿结构强，毽聚“选择城市功能控侈”、“更麟公交数攥库功 能按钮”、“创建矩阵功能掇件”和“对话框控件”的显示和相关处理。 图2 - 5 界掰处理和驻示模块结构囤 2 ，2 3 系统开发环境和开发工其 本系统选用m i c r o s o f t 公司的v i s u a l s t u d i o n e t 2 0 0 3 作为开发环境，用v i s u a l c 丰里的m f c 作为开发工具；同融选用m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 作为后台 数据库。 透过瓣软终环壤黪分掇，系统嫒箨乎螽建议鸯懿下最低琵譬：c p up e n t i u m 4 1 3 g h z ；1 2 8 m b 内存以上；2 0 g 硬盘以上。 2 3 数据库设计 分析需求和公突数据特点发现，我们研究的是国内各城市的公交网络分布及 瘟溪，嚣潋实蒋应惫括省、城索、线路帮嫱轰，冀e - r 霞魏蓬2 6 掰示( 海了表 述方便，这里的“省”包括各自治区及“擞辖市”，下同) 。因为不同省下面可能 存猩楣同静城市名称，敌增加“省”这一实体，魏然省和城市是l ；n 联系( 一 对多) 。而每个城市又包含很多的公交线路和站点，所以也是1 ：n 联系。每条公 交线路都包含很多的站点，而每个站点又肖很多条公交线路经过，所以线路和站 点是m ：n 联系( 多对多) 。 圈2 - 6 城市公交数据中涉及的实体及其联系的el i 图 根据e 鬏塑，我髓设谤了以下朗张数攥表，如褒2 - 1 至表2 掰忝。农说爨 一列里对每个字段都有详细的描述。为了畿询和研究方便，我们将每个城市的线 1 4 路和站点袭以城市名称命名单独筑立。同时，由予软件的特殊性和为了今后查询 的方便快捷，增加的一些掌段不兔也加大了数据的冗余性。如线路表是程序扶网 上自动提取的原始数据，盥接将每条线路的上行站点和下行站点以字符串的形式 存德下来熊够警省访逮嬲戆熬黠麓窝方便今螽程廖瓣处瑾。表2 孛赘i n c l i n e 和l i n k e d s t a t i o n 先计算出来存储划数据库中能大大缩短以后的焱询和其他相关 猱 乍霹阕。 表2 1 省表p r o v i n c e 字段名称数据类垄长度说明 l d i n t4袭中记录躯i d ，彝动增加 p r o l d i n t4 糟的i d p r o n a m en v a r c h a r 5 0省的名称 表2 - 2 城市液c i t y i字段名称数据类型长度说明 磁 i n t4袭中记录的i d ，囟动增翮 c i t y l d i n t 4城市的l d c i t y n a m e n v a r c h a r5 0城市名称 p r o b e l o n g e d i n t4鹱溪省静l d 表2 - 3 公交线路表( “n e 城帮名称) 字段名称数据类型长度 说明 i di n t4袭牵记录豹毯，自动编号 l i n c n a m en v a r c h a r5 0线路名称 该线路包含的上行站点，各站赢用表 i n c s t a t i o n ln t e x t1 6 “s t a t i o n 城市”中对威的i d 代替， 站点阕用“l ”分瀚簿分野 该线路包含的下行站点，没有则为 “1 ”，备站点用表“s t a t i o n 城市” i n c s t a t i o n 2n t c x t1 6 中对应熬l d 代替，菇赢阉霜“l ”分 隔符分开 c i t y b e l o n g e d i n t4该城市的l d 表2 _ 4 公交嫡点表( s t a t i o n ：城市名称) 字段名称数据类型长度 说明 i di m4袭中记录的i d ，自动编号 s l a l i o n n a m en v a r c h a r5 0炼点名称 l o n g i t u d e n v a r c h a r5 0经度 l a t i t u d en v a r c h a r5 0纬赘 经过该站点的所有线路，各线路间用 i n c l i n en t e x t1 6 “l ”分疆餐分秀 l i n e c o u n ti n t4经过该站点的所有线路的数目 胰该辩点出发能壹达瓣藏存懿点，各 l i n k e d s t a t i 0 1 1n t e x t1 6 站点用表“s t a t i o n _ ：i 贼市”中对应的 i d 代蛰，站点问用“l ”分隔错分开 旗该辩点出发能直达豹蛞点的数磊， l i n k e d s t a t i o n c o u n th a t 4 也即s p a c ep 中的度 d e g r e e l i n t4 s p a c e l 中戆度 c i t y b e l o n g e d i n t 4 该城市的i d 2 4 系统实现 2 4 1 界面的处理和显示 程序主要有两个界面：数据库逐接界面( 图2 7 ) 和公交数据搜索主界面( 图 2 - 8 ) 。 图2 - 7 数据库连接界面 图2 8 虚拟机器人程序主界面 图2 7 显示了数据库遗接时的必要控件，包括服务器地址和密码。图2 8 则 显暴了图2 - 5 繇示瓣濒套羧终移藤关文字蠹骞，程彦痿凌瓣顼毒按键都登为不可 用，只有选择省和城市后才可用，选择省厢城市列表会自动更新。点击“选择路 径”铵锈会打开文彳孛对话糕，像选择的文俘傈存绝对路经会显示簌对应静文本箍 里。 2 4 2 数据通信和交互 数据通信和交慝主要指获取数据查询所需城市名称、与数据库服务器之间的 交蕊及数据库相关操作。前者可邋过代码u p d a t e d a t a ( t r u e ) 实璃；后者包括数 据库连接和关闭、数据表建立、数据查询秘更新。图2 - 8 照示了建立数据库连接 的 数据库相关操馋都在类c d b f u n c 中完成。数攒痒连接袋震a d o ( 郧a c t i v e x d a t ao b j e c t ，a c t i v e x 数据对象) 中的o l ed b 方式，连接字符串的p r o v i d e r 参 数设墨荛m i c r o s o f t j e t o i 差d b 4 。0 。弱瓣程头文纷d b f u n c h 第一行导入动态链 接库m s a d o l 5 d l l ( 代码：# i m p o r t m s a d o l 5 d l i ”) 。 1 7 2 4 3 应粥层次功畿实现 1 更新数据库 此模块生成原始公交线路和站点数据波、站点表和鸯达站点，对应黧2 - 3 中 的第1 个和第2 个功能和网2 8 的“更新数据库”按钮。为了节衡存储空间并减 少