一种综合交通网络枢纽节点选择方法技术

本发明专利技术提出一种综合交通网络枢纽节点选择方法，用于识别高铁和航空交通中起关键作用的枢纽节点。本方法在计算机中设置数据处理模块和优化求解模块，优化求解模块包括需求分配模块和方案评价模块；数据处理模块获取各城市夜晚灯光数据、高铁站点、机场数据等等，搭建空铁耦合网络；优化求解模块在预设的枢纽节点个数下，对空铁耦合网络求取最优的枢纽节点选择方案；需求分配模块对所有城市对进行运输需求分配，将运输需求分配到城市对的最短路径上；方案评价模块对所有枢纽节点选择方案计算总运输成本和总换乘次数，选出最优方案。本发明专利技术网络建模方式更加符合实际，符合实际中大城市之间运输需求，能同时兼顾运输成本的降低和运输效率的保持。

【技术实现步骤摘要】
一种综合交通网络枢纽节点选择方法
本专利技术涉及交通规划和复杂网络领域，尤其涉及一种对综合交通网络运营，本专利技术中主要涉及高铁和航空交通，起关键作用的枢纽节点的识别方法。
技术介绍
随着中国航空运输和高铁运输业的飞速发展，机场数目，高铁站点日益增多，运输量也不断增大，缩短了各个城市之间的距离，有效降低了生成运输成本，乘坐飞机和高铁出行成了愈加重要的交通方式。随着交通产业的蓬勃发展，人们出行往往采用多种交通方式搭配。如何在各种交通方式的综合利用的现状下，做到更好地降低整体的运输成本的同时，保障运输效率和便捷性已经成了一个亟待解决的问题。复杂网络分析方法是一种对复杂系统的抽象和描述方式，是研究复杂系统的一种有效角度和方法。借用复杂网络理论，我们将中国真实航空运输和高铁运输建模成空铁耦合网络。空铁耦合网络中存在某些极为重要的交通枢纽站点，通过在这些站点进行转运，可以在有效降低整体运输成本的同时保障整体交通网络的运输便捷性。识别出这些枢纽节点，可以为国家交通运输管理部门降低运输成本，提高运输效率提供支撑方法。现有方法中，大多直接通过局部信息来识别枢纽节点，例如通过某个站点的运输量大小，但是这样的方法过于简单，没有利用整体信息，难以反映整个交通网络的真实情况。目前，从整体角度考虑枢纽节点的选择的工作大多只考该节点失效之后，交通网络效率下降的多少。例如《一种高速路网关键路段的识别方法》(中国专利申请，公开号为106981194A)中，对高速路网进行社团划分，利用概率化方法和背包思想求解关键路段。但是该工作针对高速路网，仅仅考虑了交通效率，而在综合交通网络，尤其是空铁耦合网络中，交通运输成本也是影响枢纽选择的一项重要因素。
技术实现思路
在综合交通运输日益成为主流交通趋势的同时，如何有效降低运营成本和提升运输效率成为一个亟待解决的问题，本专利技术针对空铁耦合网络提供了一种综合交通网络枢纽节点选择方法，以解决该问题。本专利技术提供的综合交通网络枢纽节点选择方法，在计算机中设置有数据处理模块和优化求解模块，优化求解模块还包括需求分配模块和方案评价模块；所述方法包括：首先，通过数据处理模块获取各城市夜晚灯光数据、各城市的高铁站点、所有机场数据、以及机场航班和高铁车次数据，搭建空铁耦合网络；所搭建的空铁耦合网络中将每个高铁站点及每个机场站点都作为一个节点，站点之间有车次或者航班视为有一条有向连边，同一城市的站点之间互相均有有向连边；其次，在预设的枢纽节点个数下，通过优化求解模块对空铁耦合网络求取最优的枢纽节点选择方案；利用需求分配模块对所有城市对进行运输需求分配，将运输需求分配到城市对的最短路径上；利用方案评价模块对所有枢纽节点选择方案计算总运输成本和总换乘次数，选出最优方案。所述的需求分配模块，计算城市p和城市q之间的运输需求其中，lp和lq分别是城市p和城市q的夜晚灯光数据，dp,q是城市p和城市q之间的欧式距离。所述的需求分配模块，对于城市p到城市q之间的运输需求分配，考虑所有城市p的站点到城市q站点之间的最短路径；设置两个站点的一条边ya的权重ua为：ua(ya)＝αapa+βta其中，pa表示边ya的票价，αa为边ya的打折因子，ta表示边ya的时间，β为ta的权重参数；当ya连接的两个站点均为枢纽节点时，设置αa为一个小于1的常数，否则设置αa为1。选取路径权重最小的路径为最短路径，城市p,q之间的需求全部通过最短路径rp,q运输。所述的方案评价模块利用第二代非支配排序进化算法来求解最优方案，求解时将枢纽节点选择方案x利用下面编码方式编码为向量z，如下：对于枢纽节点选择方案x，对应地将所有站点编号为1,2,…L，L为所有机场站点和高铁站点的数量总和；将枢纽节点的编号组成向量y＝(y1,y2,…,yK)，其中yi∈{1,2,…K}且设置新向量z＝(z1,z2,…,zK)，其中1≤zi≤L-i+1且表示整数，然后建立z和y之间的映射关系如下：z1是序列{1,2,…,L}中值为y1的元素所排的序号，将y1从序列{1,2,…,L}中去除得到新序列，z2是当前序列中值为y2的元素所排的序号，以此类推，得到向量z。相对于现有技术，本专利技术优点与积极效果在于：(1)本专利技术方法中的数据处理模块中利用城市灯光数据和引力模型模拟城市之间的运输需求，这种方式比较合理，符合实际中大城市之间运输需求更大的实际情况。(2)本专利技术提出的空铁耦合网络建模方式以站点为节点，网络建模方式更加符合实际。(3)本专利技术方法提出了一种编码解码方式，解决了搜索空间不连续的问题，避免搜索过多无效解。(4)本专利技术设计的综合交通枢纽选择方法能够同时兼顾运输成本的降低和运输效率的保持。附图说明图1是本专利技术的枢纽节点选择方法涉及的功能模块组成示意图；图2是本专利技术实施例搭建的一个空铁耦合网络示意图；图3是本专利技术的采用第二代非支配排序进化算法求解优化目标的流程图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术首先将真实航空网络、高铁网络抽象建模成空铁耦合网络，再通过多目标优化方法寻找最优的枢纽节点选择方案。枢纽节点指空铁耦合网络整体运输过程中起最重要作用的站点，通过对这些站点的加大投资可以在保障运输效率的同时有效降低整体运输成本。本专利技术方法从复杂网络科学角度出发，能够从宏观角度挖掘空铁耦合网络中枢纽节点的选择，解决枢纽节点选择问题，指导实际应用。本专利技术的原理是：航空网络以机场为节点，航线为连边，高铁网络以高铁站为节点，高铁车次直达为连边，在同一个城市的所有站点之间相互具有耦合边，抽象搭建出来空铁耦合网络。耦合边是指同一个城市的站点之间通过公路、地铁等交通方式可以实现站点之间互相连通，抽象为同一个城市内的所有站点之间互相有连边。通过中国各个城市的夜晚灯光数据和引力模型生成各个城市之间的运输需求数据，对每种枢纽节点选择方案，通过“最短路径”规则将这些运输需求分配到相应的运输路径上，使得整体运输成本尽可能小，并且总体换乘次数尽可能少，提高运输便捷性。本专利技术提供的综合交通网络枢纽节点选择方法所涉及的功能模块，如图1所示，包括数据处理模块和优化求解模块。优化求解模块还包括需求分配模块和方案评价模块。数据处理模块用于根据获取的各城市夜晚灯光数据、站点数据、所有高铁站点经纬度、所有机场数据和航线数据，搭建中国空铁耦合网络。现有搭建的网络中多数是以城市为节点，城市之间有航线或车次即视为有一条无向连边。本专利技术中模型更加贴合实际，空铁耦合网络建模方式为以站点为节点，站点之间有车次或者航班视为有一条有向连边，并且同一城市的站点之间互相均有连边。如图2所示，为一个空铁耦合网络示例，空铁耦合网络中包括高铁网络和航空网络。图2中上层为航空网络，下层为高铁网络，虚线圆圈代表城市，用字母表示，将位于同一城市的航空站点或高铁站点圈在一起。图2中三角形代表机场，正方形代表高铁站，站点用数字表示，上层的连边代表航线，下层的连边代表铁路，航空网络与高铁网络中相同的城市用虚线连接。从图中可以看出，只有a城市和d城市同时有机场和高铁站，即只有1,7,8之间和4,5,10之间能够换乘，b,c,e城市都仅有一个机场，f,g,h城市都仅有一个高铁站。图2中所建立的空铁耦合网络中对同一城市的站点之间互相均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种综合交通网络枢纽节点选择方法，其特征在于，在计算机中设置有数据处理模块和优化求解模块，优化求解模块还包括需求分配模块和方案评价模块；所述方法包括：首先，通过数据处理模块获取各城市夜晚灯光数据、各城市的高铁站点、所有机场数据、以及机场航班和高铁车次数据，搭建空铁耦合网络；所搭建的空铁耦合网络中将每个高铁站点及每个机场站点都作为一个节点，站点之间有车次或者航班视为有一条有向连边，同一城市的站点之间互相均有有向连边；其次，在预设的枢纽节点个数下，通过优化求解模块对空铁耦合网络求取最优的枢纽节点选择方案；利用需求分配模块对所有城市对进行运输需求分配，将运输需求分配到城市对的最短路径上；利用方案评价模块对所有枢纽节点选择方案计算总运输成本和总换乘次数，选出最优方案。

【技术特征摘要】
1.一种综合交通网络枢纽节点选择方法，其特征在于，在计算机中设置有数据处理模块和优化求解模块，优化求解模块还包括需求分配模块和方案评价模块；所述方法包括：首先，通过数据处理模块获取各城市夜晚灯光数据、各城市的高铁站点、所有机场数据、以及机场航班和高铁车次数据，搭建空铁耦合网络；所搭建的空铁耦合网络中将每个高铁站点及每个机场站点都作为一个节点，站点之间有车次或者航班视为有一条有向连边，同一城市的站点之间互相均有有向连边；其次，在预设的枢纽节点个数下，通过优化求解模块对空铁耦合网络求取最优的枢纽节点选择方案；利用需求分配模块对所有城市对进行运输需求分配，将运输需求分配到城市对的最短路径上；利用方案评价模块对所有枢纽节点选择方案计算总运输成本和总换乘次数，选出最优方案。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的需求分配模块根据下面方法来计算城市对的运输需求：城市p和城市q之间的运输需求Dp,q用下式计算：其中，lp和lq分别是城市p和城市q的夜晚灯光数据，dp,q是城市p和城市q之间的欧式距离。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的需求分配模块对两个不同城市进行运输需求分配的方法是：对于城市p到城市q之间的运输需求分配，考虑所有城市p的站点到城市q站点之间的最短路径；两个站点的一条边ya的权重ua为：ua(ya)＝αapa+βta其中，pa表示边ya的票价，αa为边ya的打折因子，ta表示边ya的时间，β为ta的权重参数；当ya连接的两个站点均为枢纽节点时，设置αa为一个小于1的常数，否则设置αa为1；任意路径的权重通过将该路径上所有边的权重相加得到，路径权重最小的路径为最短路径，城市p,q之间的需求全部通过最短路径rp,q运输。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的打折因子αa根据下式来确定：5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的方案评价模块根据不同枢纽节点选择方案，分配运输需求到整个空铁耦合网络中，计算整体运输成本和换乘次数，包括两个优化目标：优化目标1：...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜文博，张林，李泽昊，曹先彬，王天宇，
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