一种基于两阶段启发式算法的定制公交线路设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于两阶段启发式算法的定制公交线路设计方法，包括定制公交需求获取、带时间窗的定制公交线路设计模型的构建、基于两阶段启发式算法的设计以及求解模型得到定制公交线路方案等步骤。本方法考虑了多区域定制公交线路设计问题，在兼顾乘客出行成本和定制公交运营成本的基础上构建定制公交线路设计模型并输出线路方案，为定制公交的实际规划与运营提供参考。与现有定制公交线路设计问题的研究相比，本发明专利技术考虑了乘客在时间与空间需求，并设计了一种两阶段启发式算法，算法的输出包括线路途经的站点，车辆在每个站点到达时间与运营时间等信息。本发明专利技术所得结果可为实际定制公交线路的规划，以及时刻表编制提供理论方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于两阶段启发式算法的定制公交线路设计方法
本专利技术涉及公共交通信息处理
，具体地说是一种基于两阶段启发式算法的定制公交线路设计方法。
技术介绍
近年来，在城市居民出行需求多样化和常规公交运营服务模式单一化的矛盾下，鼓励构建多元化的公共交通服务模式已经成为城市交通发展的必然趋势。在此背景下，定制公交作为以缓解地面交通拥堵以及满足乘客多元化出行需求为目标的一种需求响应式公共交通服务模式应运而生。定制公交作为多元化公共交通服务模式的组成部分，是指通过集中整合个体的交通出行需求，为出行起终点、出行时间、服务需求相同或相似的人群提供专门定制的公共交通服务方式。定制公交是城市公共交通体系中的一种辅助客运公交服务系统，是在多元化公交服务模式的前提下，作为个性化和精细化出行需求市场的一种补充，是与城市主要公共交通方式相辅相成、相互配合的一种形式。定制公交作为一种新型的公共交通服务模式，由于在国内的发展时间较短，国外类似需求响应的交通方式无法直接套用在国内现状中，而国内的经营方式也多依赖于常规公交的理论与实践经验，因此从目前的情况来看还存在一些问题。在线路设计层面，多数研究集中在单一起终点之间的路径规划，直达专线的设计，对多起终点之间的线路设计问题分析不够。且模型的求解多直接采用传统的启发式方法，如遗传算法，蚁群算法等。
技术实现思路
针对目前技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于两阶段启发式算法的定制公交线路设计方法，即在定制公交乘客出行需求提取的基础上，在满足乘客出行需求的前提下，兼顾乘客的出行成本与运营成本，构建带时间窗的定制公交线路设计模型，并设计一种两阶段启发式算法求解模型，输出定制公交线路方案。本专利技术的实现包括以下步骤：第一步，获取定制公交出行需求。该需求可以包括以下几个方面。第一，由出行调查获取的出行需求。第二，由定制公交相关运营机构通过网页或手机软件获取的出行需求数据。第三，由地图导航软件所提取的用户出行需求数据，一般包括驾车导航数据与出行规划数据两个方面。第二步，将所获得的出行需求进行整理，提取出定制公交线路设计所需要的出行信息。具体包括乘客的出发地、目的地、期望出发时间及期望到达时间。第三步，构建带时间窗的定制公交线路设计模型，该模型在满足所有乘客需求的前提下，以乘客的出行时间成本最小和定制公交运营成本最小为优化目标。第四步，采用一种两阶段启发式算法求解该模型，算法第一阶段采用一种基于概率的站点选择策略优化乘客出行成本。算法第二阶段通过不同算子优化运营成本。最后，通过求解线路设计模型，输出定制公交线路集合，每条线路包括途经站点，每个站点到达时间与运营时间等信息。本专利技术的优点在于：1.本专利技术综合考虑了定制公交乘客的出行需求，不仅考虑了考虑乘客在空间上的出行需求，同时模型还考虑了乘客在时间上的出行需求，即线路的设计要遵循乘客的出行时空窗。2.不同于多数研究集中在单区域或单起终点的定制公交线路设计问题，本专利技术所构建的模型考虑多区域(多起终点)线路设计问题。3.综合考虑乘客的出行成本与定制公交运营成本构建定制公交多目标线路设计模型。不同于大部分研究多采用传统启发式算法直接求解模型，本专利技术设计了一种两阶段启发式方法生成定制公交线路集合，可为定制公交的实际运营提供支撑。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为两阶段启发式算法中插入算子示意图图3为实施例中定制公交线路设计模型示意图图4为实施例中出行需求示意图图5为定制公交线路类型示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。第一步，获取定制公交出行需求。该需求可以包括以下几个方面。第一，由出行调查获取的出行需求。第二，由定制公交相关运营机构通过网页或手机软件获取的出行需求数据。第三，由地图导航软件所提取的用户出行需求数据，一般包括驾车导航数据与出行规划数据两个方面。第二步，将所获得的出行需求进行整理，提取出定制公交线路设计所需要的出行信息。对于每位乘客p，提取乘客出发地o(p)、目的地d(p)、期望出发时间期望到达时间因此每个乘客p的出行需求信息可由下式表示：因此，每位乘客p都有一个时间窗。考虑实际情况，在线路设计时给增加一个15到30分钟的缓冲时间w，即车辆要在时间段内到达乘客上车站点，且要在之前到达目的地d(p)。第三步，构建带时间窗的定制公交线路设计模型，该模型在满足所有乘客需求的前提下，以乘客的出行时间成本最小和定制公交运营成本最小为优化目标。模型中的变量如表1和表2所示。本专利技术主要针对早高峰通勤乘客需求所构建模型。表1模型中各参数含义参数含义N定制公交站点集合P乘客集合p乘客标识K运营车辆集合k车辆标识H居住地区域定制公交候选站点W工作地区域定制公交候选站点Q(p)乘客p出行需求C(k)车辆k座位容量b(k)车辆k出发站点(场站)e(k)车辆k到达站点(场站)T(i,j)站点i和j之间的直达旅行时间SEp(i)乘客p在站点i的服务时间v(k)车辆k的平均行驶速度rp(i)站点i的上车客流量Lk(i)车辆k在访问过站点i后的累积客流D(i,j)站点i和j之间的距离Vk由车辆k所服务的线路S由Vk组成的线路集合tt(i,j)站点i和j之间的旅行时间表2模型中决策变量含义(1)优化乘客出行成本第一个目标函数为优化乘客出行成本，即最小化乘客的损失时间，该目标函数定义如下：目标函数(2)表示最小化选择定制公交出行的乘客的人均损失时间。损失时间f(p,k)可由下式来表示：其中表示车辆k在站点i的出发时间，可由车辆k到达站点i的时间与服务时间SEp(i)计算：为乘客p到达目的地j的时间，T(i,j)为站点i与站点j之间不经过中间站点而直达所需要的旅行时间，也可以视作私家车或者出租车所用的时间。这样，式(3)定义的乘客损失时间可由两部分组成，一部分是提前到达目的地所损失的时间(需要等待工作时间开始)；第二部分为与出租车的旅行时间成本相比较所损失的时间。|p|表示具有相同出行需求特征Q(p)的人数；为决策变量。因此，目标函数(2)表示优化乘客的平均损失时间。(2)优化运营成本第二个目标函数为优化运营成本，本专利技术中，运营成本目标为最小化运营车辆数：其中b(k)为车辆k的出发站点，为决策变量，(5)式表示最小化线路的运营车辆数。(3)模型包含以下约束条件：约束(6)表示每位乘客只能由一辆车辆服务。约束(7)为时间约束，表示每位乘客p到达目的地时间不能晚于期望到达时间约束(8)限定车辆在运营时应先访问乘客p的出发地o(p)，再访问目的地d(p)。约束(9)为时间约束，若i和j为一条线路两个站点，若车辆k先访问i再访问j，则时间上应满足约束条件(9)，其中G为一个值很大的常数。约束(9)表示车辆到达j的时间应大于到达站点i的时间、服务时间和i到j的旅行时间之和。约束(10)和(11)与约束(9)类似，为车辆出发站点b(k)与到达站点e(k)时间约束。D(si+1,s1)＞D(si,s1),(12)D(si+1,sn)<D(si,sn),(13)约束(12)与(13)为站点间的方向约束，此约束是为了保证生成的线路非直线系数较低，以降低站点之间的旅行时间。约束(12)表示在线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于两阶段启发式算法的定制公交线路设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，获取定制公交出行需求该需求可以包括：第一，由出行调查获取的出行需求；第二，由定制公交相关运营机构通过网页或手机软件获取的出行需求数据；第三，由地图导航软件所提取的用户出行需求数据，包括驾车导航数据与出行规划数据；第二步，将所获得的出行需求进行整理，提取出定制公交线路设计所需要的出行信息所述信息包括乘客的出发地、目的地、期望出发时间及期望到达时间；第三步，构建带时间窗的定制公交线路设计模型，该模型在满足所有乘客需求的前提下，以乘客的出行时间成本最小和定制公交运营成本最小为优化目标；第四步，采用一种两阶段启发式算法求解该模型算法第一阶段采用一种基于概率的站点选择策略优化乘客出行成本；算法第二阶段通过不同算子优化运营成本；第五步，通过求解线路设计模型，输出定制公交线路集合，每条线路包括途经站点，每个站点到达时间与运营时间等信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于两阶段启发式算法的定制公交线路设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，获取定制公交出行需求该需求可以包括：第一，由出行调查获取的出行需求；第二，由定制公交相关运营机构通过网页或手机软件获取的出行需求数据；第三，由地图导航软件所提取的用户出行需求数据，包括驾车导航数据与出行规划数据；第二步，将所获得的出行需求进行整理，提取出定制公交线路设计所需要的出行信息所述信息包括乘客的出发地、目的地、期望出发时间及期望到达时间；第三步，构建带时间窗的定制公交线路设计模型，该模型在满足所有乘客需求的前提下，以乘客的出行时间成本最小和定制公交运营成本最小为优化目标；第四步，采用一种两阶段启发式算法求解该模型算法第一阶段采用一种基于概率的站点选择策略优化乘客出行成本；算法第二阶段通过不同算子优化运营成本；第五步，通过求解线路设计模型，输出定制公交线路集合，每条线路包括途经站点，每个站点到达时间与运营时间等信息。2.根据权利要求1所述的一种基于两阶段启发式算法的定制公交线路设计方法，其特征在于，第一步中，需求数据的来源包括出行调查数据、定制公交相关运营机构通过网页或手机软件获取的出行需求数据、地图导航软件所提取的用户出行需求数据，也可以包含其他相关数据。3.根据权利要求1所述的一种基于两阶段启发式算法的定制公交线路设计方法，其特征在于，第三步中，构建的定制公交线路设计模型如下所述。第一个目标函数为优化乘客出行成本：第二个目标函数为优化定制公交运营成本：其中，P为乘客集合；p为乘客标识；K为运营车辆集合；k为车辆标识；f(p,k)为损失时间；若乘客p由车辆k从站点i运送到站点j，则为1,否则为0；b(k)为车辆k出发站点为如果i和j分别为由车辆k服务的前后两个相邻站点，则为1；否则为0；此外，该模型包含以下约束条件：约束(1)表示每位乘客只能由一辆车辆服务约束(2)为时间约束，表示每位乘客p到达目的地时间不能晚于期望到达时间约束(3)限定车辆在运营时应先访问乘客p的出发地o(p)，再访问目的地d(p)约束(4)为时间约束，若i和j为一条线路两个站点，若车辆k先访问i再访问j，则时间上应满足约束条件(4)，其中G为一个值很大的常数。约束(4)表示车辆到达j的时间应大于到达站点i的时间、服务时间和i到j的旅行时间之和。约束(5)和(6)与约束(4)类似，为车辆出发站点b(k)与到达站点e(k)时间约束约束(7)与(8)为站点间的方向约束，此约束是为了保证生成的线路非直线系数较低，以降低站点之间的旅行时间。约束(7)表示在线路的设计中，新插入的站点si+1离出发地s1相较于si要远。约束(8)表示新插入的站点si+1离目的地sn相较于si要近。D(si+1,s1)＞D(si,s1),(7)D(si+1,sn)<D(si,sn),(8)约束(9)限定车辆的负载。不同于常规公交，定制公交需保证“一人一座”以提升乘客的舒适性。因此，当车辆访问某个站点后，车辆上的乘客数量不能超过车辆的容量限制。约束(10)为流平衡，也表示为车辆k访问站点i后需要离开i：约束(11)(12)(13)为变量约束：式(1)-(13)中，N为定制公交站点集合；P为乘客集合；p为乘客标识；K为运营车辆集合；k为车辆标识；H为居住地区域定制公交候选站点；W为工作地区域定制公交候选站点；Q(p)为乘客p出行需求；C(k)为车辆k座位容量；b(k)为车辆k出发站点；e(k)为车辆k到达站点；T(i,j)为站点i和j之间的直达旅行时间；SEp(i)为乘客p在站点i的服务时间；v(k)为车辆k的平均行驶速度；rp(i)为站点i的上车客流量；Lk(i)为车辆k在访问过站点i后的累积客流；D(i,j)为站点i和j之间的距离；Vk为由车辆k所服务的线路；S为由Vk组成的线路集合；tt(i,j)为站点i和j之间的旅行时间；若乘客p由车辆k从站点i运送到站点j，则为1,否则为0；b(k)为车辆k出发站点为如果i和j分别为由车辆k服务的前后两个相邻站点，则为1；否则为0，Ttk(i)为线路t中车辆k到达站点i的时间。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓磊，陈汐，代壮，杜博文，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11