本發(fā)明屬于城市公共交通運(yùn)營管理的技術(shù)領(lǐng)域，涉及到公交時(shí)刻表編制，ITS智能交通系統(tǒng)和粒子群算法的領(lǐng)域，特別涉及到大數(shù)據(jù)挖掘與融合處理的技術(shù)方法。

背景技術(shù)：

楊曉光關(guān)于《基于ITS環(huán)境的公共汽車交通換乘時(shí)間最短調(diào)度問題研究》。以公交換乘時(shí)間最短為目標(biāo)建立線性規(guī)劃模型，并通過算例證明了該方法的理論意義與實(shí)用價(jià)值。劉環(huán)宇關(guān)于《基于可靠性的公交時(shí)刻表設(shè)計(jì)優(yōu)化研究》以到站準(zhǔn)點(diǎn)率、行車時(shí)間可靠度和服務(wù)間隔可靠度為約束，以社會(huì)福利最大化為目標(biāo)，建立了基于可靠度的公交時(shí)刻表優(yōu)化模型；但現(xiàn)有研究主要存在三個(gè)問題，一是使用的客流數(shù)據(jù)大多是經(jīng)人工調(diào)查所得，不僅耗費(fèi)大量勞動(dòng)力，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也無法保證；二是研究主要集中于公交車之間的換乘，忽視了公交與軌道交通之間的換乘；三是研究一般以換乘站點(diǎn)的乘客為研究對(duì)象，忽視了整條線路中非換乘乘客與換乘乘客的協(xié)調(diào)以及乘客與公交運(yùn)營企業(yè)的利益分配。本發(fā)明在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用多源數(shù)據(jù)融合處理的手段獲取公交客流數(shù)據(jù)，并考慮公交與軌道交通之間換乘以系統(tǒng)成本最小為目標(biāo)函數(shù)建立模型，對(duì)公交線路時(shí)刻表進(jìn)行優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是應(yīng)用多源數(shù)據(jù)融合，獲取準(zhǔn)確的公交線路運(yùn)行數(shù)據(jù)和客流數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)公交運(yùn)營時(shí)刻表優(yōu)化提出一種考慮公交系統(tǒng)與軌道系統(tǒng)間換乘的優(yōu)化模型。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

基于大數(shù)據(jù)的公交線路時(shí)刻表協(xié)同優(yōu)化方法，步驟如下：

一.公交線路運(yùn)行數(shù)據(jù)和客流數(shù)據(jù)獲取

1.公交線路運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取

1.1判斷公交車輛運(yùn)行方向

公交線路運(yùn)行區(qū)分上行和下行兩個(gè)方向，公交車輛按照排班順序在兩個(gè)方向循環(huán)往復(fù)；公交線路的上下行擁有各自獨(dú)立的運(yùn)行線路、?？空军c(diǎn)和運(yùn)行時(shí)段，車輛運(yùn)行狀態(tài)與客流需求也是相對(duì)獨(dú)立的，分為兩個(gè)運(yùn)行方向的數(shù)據(jù)；公交GPS數(shù)據(jù)中沒有明確表征運(yùn)行方向的屬性字段，記錄公交車輛運(yùn)行的方向角字段(ANGLE)出錯(cuò)率較高，經(jīng)過分析無法用于判斷車輛運(yùn)行方向。因此需要采用一定的判斷規(guī)則獲取公交GPS數(shù)據(jù)的車輛運(yùn)行方向信息。

判斷車輛運(yùn)行方向的方法有很多，并且由于線路走向和數(shù)據(jù)質(zhì)量的不同，各種方法的有效性存在差異。本發(fā)明以深圳市376路公交為例，考慮到該線路走向的接近半環(huán)形，如圖一所示，采用如下步驟判斷車輛的運(yùn)行方向：

(1)找出該半環(huán)形線路圓心的大致位置作為參照點(diǎn)，記為A；

(2)上行方向的首站位置記為O，公交GPS數(shù)據(jù)中記錄的經(jīng)緯度位置記為M；

(3)計(jì)算向量與向量的夾角，記為α，并在公交GPS數(shù)據(jù)中增加字段N_ANGLE記錄所有數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的α值。

(4)先按照車輛車牌號(hào)(NUMBER)對(duì)公交GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，再根據(jù)記錄時(shí)間字段(TIME)對(duì)同一車牌號(hào)車輛進(jìn)一步排序，比較同一車輛相鄰兩條GPS數(shù)據(jù)的α值變化趨勢(shì)，若α值隨時(shí)間逐漸增大，則表示車輛為逆時(shí)針行駛，即車輛運(yùn)行方向?yàn)樯闲小?/p>

(5)重復(fù)步驟(4)直至遍歷所有公交GPS數(shù)據(jù)。

(1.2)車輛到站數(shù)據(jù)獲取

車輛到站數(shù)據(jù)需要將經(jīng)過處理的公交GPS數(shù)據(jù)與公交站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，首先建立車輛到站數(shù)據(jù)表，包含站點(diǎn)編號(hào)(S_ID)、車輛到站時(shí)間(S_TIME)、車輛的車牌號(hào)(NUMBER)和車輛運(yùn)行方向(DIRECTION)共四個(gè)字段；

表1 車輛到站數(shù)據(jù)表

在車輛到站數(shù)據(jù)表中記錄所有上行方向的車輛到達(dá)站點(diǎn)S的數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)的步驟如下：

(1)提取公交GPS數(shù)據(jù)中車輛運(yùn)行方向DIRECTION為“上行”的所有數(shù)據(jù)；

(2)先按照車輛的車牌號(hào)對(duì)步驟(1)中提取的公交GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，再根據(jù)車輛到站時(shí)間對(duì)同一車輛的車牌號(hào)進(jìn)一步排序；在連續(xù)同一車輛的車牌號(hào)中，前一條公交GPS數(shù)據(jù)匹配到路段L₁，后一條公交GPS數(shù)據(jù)匹配到路段L₂，則L₁和L₂的中間值作為車輛到達(dá)站點(diǎn)S的時(shí)間；

(3)將站點(diǎn)S編號(hào)、車輛到達(dá)站點(diǎn)S的時(shí)間、車輛的車牌號(hào)以及車輛運(yùn)行方向?qū)懭雽?duì)應(yīng)的車輛到站時(shí)間數(shù)據(jù)表中，直至處理完所有上行方向的公交GPS數(shù)據(jù)，得到車輛到站數(shù)據(jù)表；

上行方向和下行方向的車輛到站數(shù)據(jù)獲取的方式相同；

(1.3)車輛行程時(shí)間獲取

建立車輛行程時(shí)間數(shù)據(jù)表，包括車輛的車牌號(hào)(NUMBER)、運(yùn)行方向(DIRECTION)、首站到站時(shí)間(O_TIME)、末站到站時(shí)間(E_TIME)和行程時(shí)間(INTERVAL)五個(gè)字段，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表2。

表2 車輛行程時(shí)間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

以上行線路為例，獲取上行線路車輛行程時(shí)間的具體步驟如下：

(1)在車輛到站數(shù)據(jù)表中提取車輛運(yùn)行方向?yàn)椤吧闲小钡乃袛?shù)據(jù)，先按照車輛的車牌號(hào)進(jìn)行排序，再根據(jù)同一車輛的車牌號(hào)的車輛到站時(shí)間進(jìn)一步排序；

(2)針對(duì)每一條車輛到站時(shí)間數(shù)據(jù)，若站點(diǎn)編號(hào)與車輛運(yùn)行方向的首站一致，則該條數(shù)據(jù)為首站發(fā)車數(shù)據(jù)，若站點(diǎn)編號(hào)與車輛運(yùn)行方向的末站一致，則該條 數(shù)據(jù)為末站到站數(shù)據(jù)；將車輛的車牌號(hào)、車輛運(yùn)行方向、首站到站時(shí)間和末站到站時(shí)間分別寫入對(duì)應(yīng)的車輛行程時(shí)間數(shù)據(jù)表中

(3)計(jì)算同一車輛的車牌號(hào)的首站到站時(shí)間與末站到站時(shí)間的間隔，并將其寫入行程時(shí)間字段中，直至遍歷所有上行方向的車輛到站時(shí)間數(shù)據(jù)，得到車輛行程時(shí)間數(shù)據(jù)表；

上行方向和下行方向的車輛行程時(shí)間獲取的方式相同；

(2)客流數(shù)據(jù)獲取

(2.1)乘客上車站點(diǎn)獲取

軌道交通刷卡數(shù)據(jù)中記錄了乘客進(jìn)站和出站的站點(diǎn)信息，直接判斷乘客軌道交通出行的上車站點(diǎn)和下車站點(diǎn)；

公交刷卡數(shù)據(jù)不記錄乘客上車站點(diǎn)信息，判斷乘客公交出行的上車站點(diǎn)時(shí)間，對(duì)公交刷卡數(shù)據(jù)中的刷卡時(shí)間和車輛的車牌號(hào)字段與車輛到站數(shù)據(jù)表中的車輛到站時(shí)間和車輛的車牌號(hào)字段進(jìn)行匹配融合；

為記錄車輛到站數(shù)據(jù)與公交刷卡數(shù)據(jù)融合的結(jié)果，同時(shí)與軌道交通刷卡數(shù)據(jù)一起存放，方便下一步獲取下車站點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立一個(gè)Mix_IC數(shù)據(jù)表存放數(shù)據(jù)；Mix_IC數(shù)據(jù)表包括IC卡記錄編碼(ID)、線路名稱(LINE)、車輛的車牌號(hào)(NUMBER)、線路運(yùn)行方向(DIRECTION)、上車站點(diǎn)編號(hào)(U_ID)、上車站點(diǎn)名稱(U_NAME)、上車時(shí)間(U_TIME)、下車站點(diǎn)編號(hào)(D_ID)、下車站點(diǎn)名稱(D_NAME)和下車時(shí)間(D_TIME)共十個(gè)字段，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表3，上車站點(diǎn)獲取流程如圖5所示。

表3 Mix_IC數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

車輛到站數(shù)據(jù)與公交刷卡數(shù)據(jù)匹配融合的步驟如下：

(1)提取任一條公交刷卡數(shù)據(jù)，將公交刷卡數(shù)據(jù)中ID、LINE和NUMBER三個(gè)字段的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)寫入Mix_IC數(shù)據(jù)表的ID、LINE和NUMBER字段中；

(2)在車輛到站數(shù)據(jù)表中匹配與步驟(1)提取的公交刷卡數(shù)據(jù)NUMBER字段一致，車輛到站時(shí)間與刷卡時(shí)間字段最接近的一條記錄，將此條記錄的S_ID和S_TIME字段對(duì)應(yīng)寫入Mix_IC數(shù)據(jù)表的U_ID和U_TIME字段中，直至遍歷所有公交刷卡數(shù)據(jù)；

地面公交和軌道交通同屬于公共交通系統(tǒng)，且均可使用IC卡支付乘車費(fèi)用。因此有必要將公交刷卡數(shù)據(jù)和軌道交通刷卡數(shù)據(jù)處理后放入同一數(shù)據(jù)表中，方便接下來的客流OD數(shù)據(jù)分析。不同于公交刷卡數(shù)據(jù)，同一次軌道交通出行的數(shù)據(jù)分別記錄在“進(jìn)站”和“出站”兩條記錄中，因此需要經(jīng)處理后方可放入Mix_IC數(shù)據(jù)表中，其步驟如下：

(1)先按照IC卡記錄編碼對(duì)軌道交通刷卡數(shù)據(jù)進(jìn)行排列，再對(duì)同一個(gè)IC卡記錄編碼的記錄時(shí)間字段進(jìn)一步排列；

(2)提取步驟(1)兩條連續(xù)的軌道交通刷卡數(shù)據(jù)，其ID、LINE字段相同，前一條數(shù)據(jù)的DIRECION字段為“進(jìn)站”，后一條數(shù)據(jù)的DIRECION字段為“出站”；將ID、LINE字段的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)寫入Mix_IC數(shù)據(jù)表的ID、LINE字段中；

(3)將前一條數(shù)據(jù)的進(jìn)站站點(diǎn)名稱、進(jìn)站刷卡時(shí)間對(duì)應(yīng)寫入Mix_IC數(shù)據(jù)表的U_NAME、U_TIME字段中，將后一條數(shù)據(jù)的出站站點(diǎn)名稱、出站刷卡時(shí)間對(duì)應(yīng)寫入Mix_IC數(shù)據(jù)表的D_NAME、D_TIME字段中；

(4)按照站點(diǎn)編號(hào)表和進(jìn)出站站點(diǎn)名稱(U_NAME和D_NAME)，匹配進(jìn)出站站點(diǎn)編號(hào)，并寫入Mix_IC數(shù)據(jù)表的U_ID和D_ID字段中，直至遍歷所有軌道交通刷卡數(shù)據(jù)；

(2.2)乘客下車站點(diǎn)獲取

通過分析居民的乘車行為發(fā)現(xiàn)，基于家庭的公交出行人數(shù)占總出行人數(shù)的比例較高，即大部分乘客一日出行是以家庭為起點(diǎn)，又以家庭為終點(diǎn)，其出行活動(dòng)鏈構(gòu)成一個(gè)封閉的環(huán)形；對(duì)于同一天使用公交IC卡超過2次的乘客，其乘坐地面公交的下車站點(diǎn)可根據(jù)出行活動(dòng)鏈進(jìn)行判斷；

使用Mix_IC數(shù)據(jù)表記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行下車站點(diǎn)判斷，并將獲取的下車站點(diǎn)數(shù)據(jù)寫入Mix_IC數(shù)據(jù)表的D_ID字段；乘客下車站點(diǎn)的判斷步驟如下：

(1)在Mix_IC數(shù)據(jù)表中提取同一ID的數(shù)據(jù)，并按U_TIME字段進(jìn)行排列；

(2)判斷同一ID的前后兩條數(shù)據(jù)是否為同一條線路：若判斷為同一條線路，則后一次刷卡上車的站點(diǎn)為前一次刷卡下車的站點(diǎn)；若判斷為不同線路，則根據(jù)后一次刷卡上車站點(diǎn)匹配前一次刷卡線路中距離最近的換乘站點(diǎn)，作為前一條數(shù)據(jù)的下車站點(diǎn)；

(3)同一ID首次刷卡的上車地點(diǎn)為最后一次刷卡的下車地點(diǎn)，直至遍歷Mix_IC數(shù)據(jù)表中所有數(shù)據(jù)；

(2.3)乘客換乘行為判斷

判斷乘客連續(xù)兩次采取公交出行是否為換乘的依據(jù)是前一次乘車下車時(shí)間與后一次乘車上車時(shí)間的間隔是否超過設(shè)定的換乘時(shí)間上限?？紤]到線路發(fā)車間隔、道路擁堵等因素，設(shè)定的換乘時(shí)間上限為30分鐘。

首先需要對(duì)乘客下車時(shí)間進(jìn)行匹配，其步驟為：

(1)提取Mix_IC數(shù)據(jù)表中的一條數(shù)據(jù)，以Mix_IC數(shù)據(jù)表中車輛的車牌號(hào)、線路運(yùn)行方向和下車站點(diǎn)編號(hào)字段與車輛到站數(shù)據(jù)表中車輛的車牌號(hào)、線路運(yùn)行方向和站點(diǎn)編號(hào)字段進(jìn)行匹配，得到該條件下的車輛到站時(shí)間；由于一天中車輛在上下行方向多次往返運(yùn)行，所以車輛到站數(shù)據(jù)表在該下車站點(diǎn)名稱應(yīng)有多個(gè)車輛到站時(shí)間；

(2)以Mix_IC數(shù)據(jù)表中上車時(shí)間字段，選擇大于該上車時(shí)間且時(shí)間間隔最短的車輛到站時(shí)間，作為下車時(shí)間；將匹配的下車時(shí)間寫入Mix_IC數(shù)據(jù)表的下車時(shí)間字段(D_TIME)，直至遍歷Mix_IC數(shù)據(jù)表中所有數(shù)據(jù)；

判斷乘客連續(xù)兩次刷卡記錄是否屬于換乘，其步驟為：

(1)先按照IC卡記錄編碼對(duì)Mix_IC數(shù)據(jù)表進(jìn)行排列，再根據(jù)上車時(shí)間字段對(duì)同一IC卡記錄編碼進(jìn)一步排序；

(2)提取相同ID的兩條連續(xù)記錄，將后一條數(shù)據(jù)的上車刷卡時(shí)間與前一條數(shù)據(jù)的下車刷卡時(shí)間作差，若時(shí)間間隔小于30分鐘，則認(rèn)為是換乘；遍歷Mix_IC數(shù)據(jù)表中所有數(shù)據(jù)；

二.模型建立

2模型假設(shè)

(1)將地面公交和軌道交通的上下行線路看做兩條不同的線路，即同一條線路僅有一個(gè)運(yùn)行方向，假設(shè)所有車輛嚴(yán)格按照公交時(shí)刻表從首站發(fā)出，忽略道路交通條件對(duì)車輛運(yùn)行的影響，車輛在各站間行程時(shí)間分布已知；同一時(shí)段車輛的發(fā)車間隔相同，同一條線路的公交車輛數(shù)量固定，車輛型號(hào)均相同；公交車輛按照發(fā)車順序運(yùn)行，不存在串車和滯站現(xiàn)象；非換乘乘客到達(dá)站點(diǎn)的過程服從均勻分布，且同一時(shí)段乘客到達(dá)率相同；乘客在換乘站點(diǎn)的換乘步行時(shí)間已知，且換乘步行時(shí)間小于地面公交和軌道交通的發(fā)車間隔；當(dāng)車輛到達(dá)站點(diǎn)后乘客即上車，忽略由于車輛擁擠等原因繼續(xù)候車的情況；線路運(yùn)營車輛均為全程車，忽略區(qū)間車、大站快車等調(diào)度方案。

(2)參數(shù)定義

S——地面公交站點(diǎn)序列，s∈S；

——換乘站點(diǎn)序列，

——換乘站點(diǎn)數(shù)

Bⁱ——在研究時(shí)段發(fā)車且車次為i的地面公交；

R^j——在研究時(shí)段發(fā)車且車次為j的軌道交通；

e_B——研究時(shí)段內(nèi)地面公交線路B的發(fā)車數(shù)量；

e_R——研究時(shí)段內(nèi)軌道線路R的發(fā)車數(shù)量；

a——研究時(shí)段時(shí)長，a＝T_end-T_start；

h_B——研究時(shí)段內(nèi)地面公交線路B的發(fā)車間隔；

h_R——研究時(shí)段內(nèi)軌道線路R的發(fā)車間隔；

h_B,min，h_B,max——地面公交的最小和最大發(fā)車間隔；

h_R,min，h_R,max——軌道交通的最小和最大發(fā)車間隔；

——研究時(shí)段內(nèi)在站點(diǎn)s乘坐地面公交線路B的乘客到達(dá)率；

——在換乘站點(diǎn)從地面公交站點(diǎn)到軌道交通站點(diǎn)的步行時(shí)間；

——地面公交Bⁱ到達(dá)換乘站點(diǎn)的時(shí)刻；

——軌道交通R^j到達(dá)換乘站點(diǎn)的時(shí)刻；

——研究時(shí)段內(nèi)車次序列為1的地面公交車輛從首站開出的時(shí)刻；

——研究時(shí)段內(nèi)車次序列為1的軌道交通車輛從首站開出的時(shí)刻；

——地面公交線路車輛從首站開至換乘站點(diǎn)的行程時(shí)間；

——軌道線路車輛在研究區(qū)間從首站開至換乘站點(diǎn)的行程時(shí)間；

t_B——研究時(shí)段內(nèi)地面公交車輛行程時(shí)間；

t_R——研究時(shí)段內(nèi)軌道線路車輛在研究區(qū)間的行程時(shí)間；

——地面公交線路首站與換乘站點(diǎn)的站距；

——軌道線路首站與換乘站點(diǎn)的站距；

L_B——地面公交線路的全程長度；

L_R——軌道線路在研究區(qū)間的長度；

U_c——單位乘客候車時(shí)間的時(shí)間價(jià)值(元/分鐘)；

U_p——地面公交線路單位發(fā)車次數(shù)的運(yùn)營成本(元/公里)；

C_B——研究時(shí)段內(nèi)無換乘的乘客乘坐地面公交的候車時(shí)間成本；

C_BR——研究時(shí)段內(nèi)乘客從地面公交換乘至軌道交通的換乘候車時(shí)間成本；

C_RB——研究時(shí)段內(nèi)乘客從軌道交通換乘至地面公交的換乘候車時(shí)間成本；

C_P——研究時(shí)段內(nèi)公交運(yùn)營企業(yè)的成本；

C_S——研究時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)總成本；

(3)約束條件

根據(jù)模型假設(shè)，乘客在換乘站點(diǎn)的換乘步行時(shí)間小于地面公交和軌道交通的發(fā)車間隔，則對(duì)所有

地面公交與軌道交通的發(fā)車間隔應(yīng)不小于最小發(fā)車間隔，同時(shí)不大于最大發(fā)車間隔，則有：

h_B,min≤h_B≤h_B,max (3.2)

h_R,min≤h_R≤h_R,max (3.3)

(4)目標(biāo)函數(shù)

研究時(shí)段內(nèi)地面公交發(fā)車數(shù)量e_B與發(fā)車間隔h_B的關(guān)系為：

研究時(shí)段內(nèi)軌道交通發(fā)車數(shù)量e_R與發(fā)車間隔h_R的關(guān)系為：

1)非換乘的乘客乘坐地面公交的候車時(shí)間成本

乘客到達(dá)站點(diǎn)s乘坐在研究時(shí)段內(nèi)發(fā)車且車次為i的地面公交Bⁱ，其候車成本可表示為：

因此非換乘的乘客的候車時(shí)間成本可表示為：

2)乘客從地面公交換乘至軌道交通的換乘候車時(shí)間成本

在研究時(shí)段內(nèi)，車次為i的地面公交Bⁱ到達(dá)換乘站點(diǎn)的時(shí)刻可表示為：

其中地面公交線路車輛從首站開至換乘站點(diǎn)的行程時(shí)間可用式4.6計(jì)算：

車次為j軌道交通R^j到達(dá)換乘站點(diǎn)的時(shí)刻可表示為：

其中軌道線路車輛從首站開至換乘站點(diǎn)的行程時(shí)間可用式4.8計(jì)算：

一位乘客在換乘站點(diǎn)從地面公交Bⁱ換乘至軌道交通R^j需要的步行時(shí)間為 其換乘候車時(shí)間可表示為：

其中為布爾變量，

乘坐在研究時(shí)段內(nèi)發(fā)車的地面公交并在換乘站點(diǎn)下車的乘客總?cè)藬?shù)為在換乘站點(diǎn)由地面公交換乘至軌道交通的換乘率為則乘坐在研究時(shí)段內(nèi)發(fā)車的地面公交在換乘站點(diǎn)下車換乘至軌道交通的乘客總?cè)藬?shù)可按式4.11計(jì)算

將在換乘站點(diǎn)從地面公交換乘至軌道交通的乘客平均分配至每輛地面公交車次，則乘坐地面公交Bⁱ且在換乘站點(diǎn)換乘至軌道交通的乘客數(shù)量可表示為：

考慮到換步行時(shí)間不超過地面公交發(fā)車間隔的假設(shè)，所以不會(huì)出現(xiàn)從k時(shí)段發(fā)車的地面公交換乘至k+1時(shí)段發(fā)車的軌道交通的情況。因此在換乘站點(diǎn)由地面公交換乘至軌道交通的乘客換乘候車的時(shí)間成本為：

在研究時(shí)段在所有換乘站點(diǎn)乘客從地面公交換乘至軌道交通的換乘候車時(shí)間成本為：

其中

3)乘客從軌道換乘至地面公交的換乘候車時(shí)間成本

一位乘客在換乘站點(diǎn)從軌道交通R^j換乘至地面公交Bⁱ需要的步行時(shí)間為 其換乘候車時(shí)間可表示為：

其中為布爾變量，

在換乘站點(diǎn)上車乘坐在研究時(shí)段內(nèi)發(fā)車的地面公交的乘客總?cè)藬?shù)為在換乘站點(diǎn)由軌道交通換乘至地面公交的換乘率為則在換乘站點(diǎn)上車換乘至在研究時(shí)段內(nèi)發(fā)車的地面公交的乘客總?cè)藬?shù)可按式4.18計(jì)算：

將在換乘站點(diǎn)從軌道交通換乘至地面公交的乘客平均分配至每輛地面公交車次，則在換乘站點(diǎn)由軌道交通換乘至地面公交Bⁱ的乘客數(shù)量可表示為：

考慮到換步行時(shí)間不超過軌道交通發(fā)車間隔的假設(shè)，所以不會(huì)出現(xiàn)從k時(shí)段發(fā)車的軌道交通換乘至k+1時(shí)段發(fā)車的地面公交的情況。因此在k時(shí)段在換乘站點(diǎn)由軌道交通換乘至地面公交的乘客換乘候車的時(shí)間成本為：

在研究時(shí)段在所有換乘站點(diǎn)乘客從軌道交通換乘至地面公交的換乘候車時(shí)間成本為：

其中：

4)公交企業(yè)的運(yùn)營成本

公交企業(yè)的運(yùn)營成本與線路全程長度和研究時(shí)段內(nèi)的發(fā)車數(shù)量有關(guān)，可用式4.26表示：

C_P＝U_PL_Be_B (4.23)

5)系統(tǒng)總成本

研究時(shí)段系統(tǒng)總成本包括：非換乘的乘客乘坐地面公交的候車時(shí)間成本、乘客從地面公交換乘至軌道交通的換乘候車時(shí)間成本、乘客從軌道交通換乘至地面公交的換乘候車時(shí)間成本和公交企業(yè)的運(yùn)營成本，即：

C_S＝C_B+C_BR+C_RB+C_P (4.24)

目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)總成本最小，即minC_S；決策變量為地面公交的發(fā)車間隔h_B。

本發(fā)明的有益效果：目前國內(nèi)相關(guān)研究已經(jīng)可以做到單線路公交時(shí)刻表優(yōu)化和多線路時(shí)刻表協(xié)調(diào)優(yōu)化。但卻存在一定的局限性導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。我們的方案通過將公交GPS數(shù)據(jù)、IC卡刷卡數(shù)據(jù)和線路站點(diǎn)地理數(shù)據(jù)匹配融合獲取客流數(shù)據(jù)，充分考慮公交與軌道間的換乘并通過建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型協(xié)調(diào)乘客與公交企業(yè)的利益實(shí)現(xiàn)總利益最大化。這是一個(gè)很大的創(chuàng)新突破。通過以深圳市376路公交上行線路為案例進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)案例結(jié)果進(jìn)行分析，最終可以得到優(yōu)化后的結(jié)果。該方案得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確與實(shí)際情況更加接近。

詳細(xì)而言：

1、客流數(shù)據(jù)的合理獲取：使用公交GPS數(shù)據(jù)、IC卡刷卡數(shù)據(jù)和線路站點(diǎn) 地理數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的匹配融合得到針對(duì)IC卡用戶的詳細(xì)客流數(shù)據(jù)，可以得到各個(gè)IC卡用戶一天內(nèi)的出行情況，節(jié)省了大量人工調(diào)查的時(shí)間和精力，使得公交時(shí)刻表的編制更加合理。

2、候車時(shí)間成本分類：考慮不同乘客存在是否換乘以及不同出行方式間的換乘的差異，可將候車的時(shí)間成本分成三類。分別為非換乘乘客乘坐地面公交的候車時(shí)間成本、乘客從地面公交換乘至軌道交通的候車時(shí)間成本、乘客從軌道交通換乘至地面公交的候車時(shí)間成本。這樣充分考慮了乘客的各種出行可能性，使結(jié)果更為準(zhǔn)確科學(xué)。

3、建立數(shù)學(xué)模型：通過建立數(shù)學(xué)模型的方式對(duì)公交時(shí)刻表進(jìn)行優(yōu)化，建立模型時(shí)兼顧乘客的換乘時(shí)間成本以及公交企業(yè)的運(yùn)營成本，兩項(xiàng)成本的總和達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)社會(huì)利益最大化。這種方法提高了公交時(shí)刻表制定的科學(xué)性。

4、應(yīng)用前景：我國城市交通擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重，只有大力發(fā)展公共交通才能有效緩解交通擁堵問題。而且交通大數(shù)據(jù)的應(yīng)用也是交通領(lǐng)域的一個(gè)重要趨勢(shì)。本方案基于以上兩點(diǎn)運(yùn)用多源交通大數(shù)據(jù)的融合通過建立數(shù)學(xué)模型的方式實(shí)現(xiàn)公交時(shí)刻表的優(yōu)化。除此之外，本方案將各類數(shù)據(jù)結(jié)合起來得到公交客流數(shù)據(jù)的方法節(jié)省了大量的人力。因此，本發(fā)明具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的車輛運(yùn)行方向判斷示意圖。

圖2是本發(fā)明的車輛到站判斷示意圖。

圖3是本發(fā)明的車輛到站數(shù)據(jù)獲取流程圖。

圖4是本發(fā)明的車輛行程時(shí)間數(shù)據(jù)獲取流程圖。

圖5是本發(fā)明的上車站點(diǎn)獲取流程圖。

圖6是本發(fā)明的376路公交上行線路圖。

圖7是本發(fā)明的軌道交通線路圖。

圖8是本發(fā)明的車輛時(shí)空運(yùn)行圖。

圖9是本發(fā)明的車輛行程時(shí)間變化圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)例詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式，并模擬發(fā)明的實(shí)施效果。1、研究線路現(xiàn)狀

本發(fā)明研究的線路為深圳市376路公交上行線路，起點(diǎn)為樟樹布村總站，終點(diǎn)為東湖客運(yùn)站，沿途站點(diǎn)共17個(gè)，全線長約11.7公里。上行線路與站點(diǎn)地理位置如圖6所示。376路公交線路與龍崗線、環(huán)中線的多個(gè)軌道交通站點(diǎn)銜接(如圖7所示)，乘客在軌道交通與常規(guī)公交之間換乘頻繁，尤其在早晚高峰，客流換乘的比例較高。因此公交時(shí)刻表的編制需要考慮與軌道交通的協(xié)調(diào)。

2、研究線路基本參數(shù)

根據(jù)獲取的376路公交上下行線路及站點(diǎn)的地理數(shù)據(jù)，線路基本信息如表4所示。

表4 376路公交上行線路站點(diǎn)信息表

續(xù)表：

根據(jù)公交公司提供的數(shù)據(jù)，376路公交、龍崗線研究區(qū)間和環(huán)中線研究區(qū)間的首末站及首末發(fā)車信息如表5所示，

表5 376路公交上行線路發(fā)車信息表

3、線路運(yùn)行狀態(tài)分析

根據(jù)數(shù)據(jù)融合得到的車輛到站數(shù)據(jù)和行程時(shí)間數(shù)據(jù)可用于公交運(yùn)行狀態(tài)分析。以深圳市376路公交上行方向在2014年6月9日的數(shù)據(jù)為例。圖8為6:30—9:00時(shí)段連續(xù)六輛公交車的時(shí)空運(yùn)行圖，橫坐標(biāo)為站點(diǎn)序列，縱坐標(biāo)為到站時(shí)間。從車輛的時(shí)空運(yùn)行圖中可以看出，376路公交的發(fā)車間隔設(shè)置較大，基本無串車現(xiàn)象，車輛運(yùn)行較平穩(wěn)。

全天所有車次的行程時(shí)間如圖9所示。從圖9中可以看出376路公交在早晚高峰時(shí)期的行程時(shí)間較長，首末班車輛的行程時(shí)間最短。由于在早晚高峰乘客上下車人數(shù)較多，導(dǎo)致車輛在站點(diǎn)停留的時(shí)間較大；加之道路在早晚高峰時(shí)期易發(fā)生擁堵，因此圖8符合實(shí)際情況。

4、線路客流量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)深圳市2014年6月9日的公交GPS數(shù)據(jù)、公交刷卡數(shù)據(jù)和軌道交通刷 卡數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)深圳376路公交上行方向各站點(diǎn)的客流量以及在換乘站點(diǎn)的換乘客流量。表6為7:00—7:30時(shí)段內(nèi)376路公交上行方向的客流量，表7為7:00—7:30時(shí)段內(nèi)376路公交上行方向與龍崗線、環(huán)中線換乘的客流量。

表6 7:00—7:30時(shí)段376路公交上行方向的客流量

表7 7:00—7:30時(shí)段376路與龍崗線、環(huán)中線換乘客流量

5、時(shí)刻表優(yōu)化

5.1時(shí)段劃分

本文對(duì)深圳376路公交上行方向全天運(yùn)行時(shí)段進(jìn)行時(shí)刻表優(yōu)化。根據(jù)客流量變化及軌道交通發(fā)車間隔變化，共劃分成8個(gè)時(shí)段，時(shí)段劃分見表8。

表8 時(shí)段劃分表

5.2模型求解及時(shí)刻表生成

本文采用粒子群算法進(jìn)行求解。本案例共劃分8個(gè)時(shí)段，因此粒子編碼為：X＝(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈)，模型的目標(biāo)函數(shù)即為粒子的適應(yīng)度函數(shù)。粒子群算法的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置見表9。

表9 粒子群算法參數(shù)設(shè)置

使用Microsoft Visual C++2008軟件進(jìn)行尋優(yōu)，經(jīng)過500次迭代之后獲得最優(yōu)函數(shù)值。取得最優(yōu)函數(shù)的粒子代表了求解的發(fā)車間隔。由于發(fā)車間隔通常以分鐘為單位設(shè)置為整數(shù)，因此對(duì)求解的發(fā)車間隔進(jìn)行四舍五入的取整，且相鄰時(shí)段的發(fā)車間隔采取平滑處理，最終經(jīng)過優(yōu)化的時(shí)刻表如表10。

表10 376路公交時(shí)刻表

5.3優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

按照優(yōu)化后的公交調(diào)度計(jì)劃，深圳市376路公交上行線路全天共發(fā)車78次，最小發(fā)車間隔為8分鐘，最大發(fā)車間隔為18分鐘。由于對(duì)發(fā)車間隔進(jìn)行了取整和平滑處理，因此需要按照優(yōu)化后的時(shí)刻表重新計(jì)算非換乘候車時(shí)間成本、公交—軌道換乘候車時(shí)間成本、軌道—公交換乘候車時(shí)間成本、公交運(yùn)營成本和 系統(tǒng)總成本，并與優(yōu)化前的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化結(jié)果對(duì)比如表11所示：

表11 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表11對(duì)比結(jié)果，非換乘乘客的候車時(shí)間成本和換乘乘客的候車時(shí)間成本均顯著降低。其中由軌道交通換乘至地面公交的換乘候車成本降低幅度最大，達(dá)到了16.38％，說明采用優(yōu)化后的公交時(shí)刻表極大地便利了從軌道交通換乘至地面公交的乘客。由于增加了發(fā)車次數(shù)，公交運(yùn)營成本有所上升，但系統(tǒng)總成本降低了4.26％。

表12對(duì)優(yōu)化前后換乘乘客的平均候車時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比。從總體來看，無論是優(yōu)化前還是優(yōu)化后，從地面公交換乘至軌道交通的平均候車時(shí)間都普遍低于從軌道交通換乘至地面公交的平均候車時(shí)間。經(jīng)過優(yōu)化，兩個(gè)換乘方向的平均候車時(shí)間均有所下降。從地面公交換乘至軌道交通的換乘方向中，由376路公交上行換乘至龍崗線上行方向的換乘候車時(shí)間降低幅度最大，達(dá)到了13.48％，平均候車時(shí)間節(jié)約了0.60分鐘。在早高峰，該換乘方向客流量較大，因此該方向的平均候車時(shí)間減少具有重要意義。從軌道交通換乘至地面公交的換乘方向中，由龍崗線下行換乘至376路公交上行方向的換乘候車時(shí)間基本沒有變化，但是考慮到該換乘線路的客流量較小，因此對(duì)整條線路的優(yōu)化結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生很大影響。

表12 換乘平均候車時(shí)間對(duì)比

續(xù)表：