基于大数据的公交线路时刻表协同优化方法

摘要

本发明涉及一种基于大数据的公交线路时刻表协同优化方法，属于城市公交运营管理的技术领域。将公交GPS数据、公交IC卡数据和线路站点数据融合处理为公交时刻表提供基于实际运营的数据支持，并提出一种考虑与轨道交通换乘的公交时刻表优化模型。该模型以各时段发车间隔为决策变量，以系统总成本最小为目标函数，综合考虑了非换乘乘客的候车时间成本、换乘乘客的候车时间成本和公交运营企业的运营成本。本发明通过多源数据融合获取客流数据节省了大量的人力，提高了数据的准确性。考虑地面公交与轨道交通换乘提高了公交时刻表编制的合理性。建立数据模型对公交时刻表进行优化，兼顾乘客候车时间成本和企业运营成本，实现乘客与企业利益的协调。

主权项

一种基于大数据的公交线路时刻表协同优化方法，其特征在于，步骤如下：一.公交线路运行数据和客流数据获取(1)公交线路运行数据获取(1.1)判断公交车辆运行方向公交线路运行区分上行和下行两个方向，公交车辆按照排班顺序在两个方向循环往复；公交线路的上行和下行为独立的运行线路、停靠站点和运行时段，公交车辆运行状态与客流也是相对独立的，分为两个运行方向的数据；(1.2)车辆到站数据获取建立车辆到站数据表，包含站点编号S_ID、车辆到站时间S_TIME、车辆的车牌号NUMBER和车辆运行方向DIRECTION共四个字段，见表1；表1 车辆到站数据表在车辆到站数据表中记录所有上行方向的车辆到达站点S的数据，步骤如下：(1)提取公交GPS数据中车辆运行方向为“上行”的所有数据；(2)先按照车辆的车牌号对步骤(1)中提取的公交GPS数据进行排序，再根据车辆到站时间对同一车辆的车牌号进一步排序；在连续同一车辆的车牌号中，前一条公交GPS数据匹配到路段L₁，后一条公交GPS数据匹配到路段L₂，则L₁和L₂的中间值作为车辆到达站点S的时间；(3)将站点S编号、车辆到达站点S的时间、车辆的车牌号以及车辆运行方向写入对应的车辆到站数据表中，直至处理完所有上行方向的公交GPS数据，得到车辆到站数据表；上行方向和下行方向的车辆到站数据获取的方式相同；(1.3)车辆行程时间获取建立车辆行程时间数据表，包括车辆的车牌号NUMBER、运行方向DIRECTION、首站到站时间O_TIME、末站到站时间E_TIME和行程时间INTERVAL五个字段，见表2；表2 车辆行程时间数据表获取上行线路车辆行程时间，步骤如下：(1)在车辆到站数据表中提取车辆运行方向为“上行”的所有数据，先按照车辆的车牌号进行排序，再根据同一车辆的车牌号的车辆到站时间进一步排序；(2)针对每一条车辆到站时间数据，若站点编号与车辆运行方向的首站一致，则该条数据为首站发车数据，若站点编号与车辆运行方向的末站一致，则该条数据为末站到站数据；将车辆的车牌号、车辆运行方向、首站到站时间和末站到站时间分别写入对应的车辆行程时间数据表中；(3)计算同一车辆的车牌号的首站到站时间与末站到站时间的间隔，并将其写入车辆行程时间数据表的行程时间中，直至遍历所有上行方向的车辆到站时间数据，得到车辆行程时间数据表；上行方向和下行方向的车辆行程时间获取的方式相同；(2)客流数据获取(2.1)乘客上车站点获取轨道交通刷卡数据中记录乘客进站和出站的站点信息，直接判断乘客轨道交通出行的上车站点和下车站点；公交刷卡数据不记录乘客上车站点信息，判断乘客公交出行的上车站点时间，对公交刷卡数据中的刷卡时间和车辆的车牌号字段与车辆到站数据表中的车辆到站时间和车辆的车牌号字段进行匹配融合；建立Mix_IC数据表，包括IC卡记录编码ID、线路名称LINE、车辆的车牌号NUMBER、线路运行方向DIRECTION、上车站点编号U_ID、上车站点名称U_NAME、上车时间U_TIME、下车站点编号D_ID、下车站点名称D_NAME和下车时间D_TIME共十个字段，见表3；表3 Mix_IC数据表车辆到站数据与公交刷卡数据匹配融合，步骤如下：(1)提取任一条公交刷卡数据，将公交刷卡数据中ID、LINE和NUMBER三个字段的数据对应写入Mix_IC数据表的ID、LINE和NUMBER字段中；(2)在车辆到站数据表中匹配与步骤(1)提取的公交刷卡数据NUMBER字段一致，且车辆到站时间与刷卡时间字段最接近的一条记录，将此条记录的站点编号和车辆到站时间字段对应写入Mix_IC数据表的上车站点编号和上车时间字段中，直至遍历所有公交刷卡数据；同一次轨道交通出行的数据分别记录在“进站”和“出站”两条记录中，经处理后存入Mix_IC数据表中，步骤如下：(1)先按照IC卡记录编码对轨道交通刷卡数据进行排列，再对同一个IC卡记录编码的记录时间进一步排列；(2)提取步骤(1)两条连续的轨道交通刷卡数据，其IC卡记录编码和线路名称字段都相同，前一条数据的线路运行方向为“进站”，后一条数据的线路运行方向为“出站”；将IC卡记录编码和线路名称的数据对应写入Mix_IC数据表的IC卡记录编码和线路名称字段中；(3)将前一条数据的进站站点名称和进站刷卡时间对应写入Mix_IC数据表的上车站点名称和上车时间字段中，将后一条数据的出站站点名称和出站刷卡时间对应写入Mix_IC数据表的下车站点名称和下车时间字段中；(4)按照站点编号、上车站点名称和下车站点名称，匹配进出站站点编号，并写入Mix_IC数据表的上车站点编号和下车站点编号字段中，直至遍历所有轨道交通刷卡数据；(2.2)乘客下车站点获取通过分析居民的乘车行为，基于家庭的公交出行人数占总出行人数的比例较高，即大部分乘客一日出行是以家庭为起点，又以家庭为终点，其出行活动链构成一个封闭的环形；对于同一天使用公交IC卡超过2次的乘客，其乘坐地面公交的下车站点根据出行活动链进行判断；使用Mix_IC数据表记录的数据进行下车站点判断，并将获取的下车站点数据写入Mix_IC数据表的下车站点编号字段，乘客下车站点的判断，步骤如下：(1)在Mix_IC数据表中提取同一ID的数据，并按上车时间进行排列；(2)判断同一ID的前后两条数据是否为同一条线路：若判断为同一条线路，则后一次刷卡上车的站点为前一次刷卡下车的站点；若判断为不同线路，则根据后一次刷卡上车站点匹配前一次刷卡线路中距离最近的换乘站点，作为前一条数据的下车站点；(3)同一ID首次刷卡的上车地点为最后一次刷卡的下车地点，直至遍历Mix_IC数据表中所有数据；(2.3)乘客换乘行为判断判断乘客连续两次采取公交出行是否为换乘的依据：前一次乘车下车时间与后一次乘车上车时间的间隔是否超过设定的换乘时间上限，设定的换乘时间上限为30分钟；首先对乘客下车时间进行匹配，步骤如下：(1)提取Mix_IC数据表中的一条数据，以Mix_IC数据表中车辆的车牌号、线路运行方向和下车站点编号字段与车辆到站数据表中车辆的车牌号、线路运行方向和站点编号字段进行匹配，得到该条件下的车辆到站时间；一天中车辆在上下行方向多次往返运行，车辆到站数据表在该下车站点名称应有多个车辆到站时间；(2)以Mix_IC数据表中上车时间字段，选择大于该上车时间且时间间隔最短的车辆到站时间，作为下车时间；将匹配的下车时间写入Mix_IC数据表的下车时间字段，直至遍历Mix_IC数据表中所有数据；判断乘客连续两次刷卡记录是否属于换乘，步骤如下：(1)先按照IC卡记录编码对Mix_IC数据表进行排列，再根据上车时间字段对同一IC卡记录编码进一步排序；(2)提取相同ID的两条连续记录，将后一条数据的上车刷卡时间与前一条数据的下车刷卡时间作差，若时间间隔小于30分钟，则认为是换乘；遍历Mix_IC数据表中所有数据；二.模型建立模型假设(1)将地面公交和轨道交通的上下行线路看做两条不同的线路，即同一条线路仅有一个运行方向，假设所有车辆严格按照公交时刻表从首站发出，忽略道路交通条件对车辆运行的影响，车辆在各站间行程时间分布已知；同一时段车辆的发车间隔相同，同一条线路的公交车辆数量固定，车辆型号均相同；公交车辆按照发车顺序运行，不存在串车和滞站现象；非换乘乘客到达站点的过程服从均匀分布，且同一时段乘客到达率相同；乘客在换乘站点的换乘步行时间已知，且换乘步行时间小于地面公交和轨道交通的发车间隔；当车辆到达站点后乘客即上车，忽略由于车辆拥挤等原因继续候车的情况；线路运营车辆均为全程车，忽略区间车、大站快车等调度方案；(2)参数定义S——地面公交站点序列，s∈S；——换乘站点序列，——换乘站点数Bⁱ——在研究时段发车且车次为i的地面公交；R^j——在研究时段发车且车次为j的轨道交通；e_B——研究时段内地面公交线路B的发车数量；e_R——研究时段内轨道线路R的发车数量；a——研究时段时长，a＝T_end‑T_start；h_B——研究时段内地面公交线路B的发车间隔；h_R——研究时段内轨道线路R的发车间隔；h_B,min，h_B,max——地面公交的最小和最大发车间隔；h_R,min，h_R,max——轨道交通的最小和最大发车间隔；——研究时段内在站点s乘坐地面公交线路B的乘客到达率；——在换乘站点从地面公交站点到轨道交通站点的步行时间；——地面公交Bⁱ到达换乘站点的时刻；——轨道交通R^j到达换乘站点的时刻；——研究时段内车次序列为1的地面公交车辆从首站开出的时刻；——研究时段内车次序列为1的轨道交通车辆从首站开出的时刻；——地面公交线路车辆从首站开至换乘站点的行程时间；——轨道线路车辆在研究区间从首站开至换乘站点的行程时间；t_B——研究时段内地面公交车辆行程时间；t_R——研究时段内轨道线路车辆在研究区间的行程时间；——地面公交线路首站与换乘站点的站距；——轨道线路首站与换乘站点的站距；L_B——地面公交线路的全程长度；L_R——轨道线路在研究区间的长度；U_c——单位乘客候车时间的时间价值，元/分钟；U_p——地面公交线路单位发车次数的运营成本，元/公里；C_B——研究时段内无换乘的乘客乘坐地面公交的候车时间成本；C_BR——研究时段内乘客从地面公交换乘至轨道交通的换乘候车时间成本；C_RB——研究时段内乘客从轨道交通换乘至地面公交的换乘候车时间成本；C_P——研究时段内公交运营企业的成本；C_S——研究时段内系统总成本；(3)约束条件根据模型假设，乘客在换乘站点的换乘步行时间小于地面公交和轨道交通的发车间隔，则对所有$t_{BR}^{\bar{s}}\le {(h_B,h_R)}_{\min }---\left(3.1\right)$地面公交与轨道交通的发车间隔应不小于最小发车间隔，同时不大于最大发车间隔，则有： h_B,min≤h_B≤h_B,max  (3.2) h_R,min≤h_R≤h_R,max  (3.3)(4)目标函数研究时段内地面公交发车数量e_B与发车间隔h_B的关系为：$e_B=\left[\frac{a}{h_B}\right]---\left(4.1\right)$研究时段内轨道交通发车数量e_R与发车间隔h_R的关系为：$e_R=\left[\frac{a}{h_R}\right]---\left(4.2\right)$1)非换乘的乘客乘坐地面公交的候车时间成本乘客到达站点s乘坐在研究时段内发车且车次为i的地面公交Bⁱ，其候车成本可表示为：$c_B^{i,s}=\frac{1}{2}{U}_c{\gamma }_B^s{\left(h_B\right)}^2---\left(4.3\right)$因此非换乘的乘客的候车时间成本可表示为：$C_B=\underset{s=1}{\overset{e_s}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{e_B}{\Sigma }}{c}_B^{i,s}---\left(4.4\right)$2)乘客从地面公交换乘至轨道交通的换乘候车时间成本在研究时段内，车次为i的地面公交Bⁱ到达换乘站点的时刻可表示为：$T_B^{i,\bar{s}}=T_B^1+(i-1)h_B+t_B^{\bar{s}}---\left(4.5\right)$其中地面公交线路车辆从首站开至换乘站点的行程时间可用式4.6计算：$t_B^{\bar{s}}=\frac{L_B^{\bar{s}}}{L_B}{t}_B---\left(4.6\right)$车次为j轨道交通R^j到达换乘站点的时刻可表示为：$T_R^{j,\bar{s}}=T_R^1+(j-1)h_R+t_R^{\bar{s}}---\left(4.7\right)$其中轨道线路车辆从首站开至换乘站点的行程时间可用式4.8计算：$t_R^{\bar{s}}=\frac{L_R^{\bar{s}}}{L_R}{t}_R---\left(4.8\right)$一位乘客在换乘站点从地面公交Bⁱ换乘至轨道交通R^j需要的步行时间为其换乘候车时间可表示为：${\mathrm{\Delta t}}_{BR}^{\bar{s}}={\eta }_{BR}^{i,j}(T_R^{j,\bar{s}}-T_B^{i,\bar{s}}-t_{BR}^{\bar{s}})---\left(4.9\right)$其中为布尔变量，${\eta }_{BR}^{i,j}=\left\{\begin{array}{c}1;T_R^{j-1,\bar{s}}<T_B^{i,\bar{s}}+t_{BR}^{\bar{s}}\le T_R^{j,\bar{s}}\\ 0;others\end{array}\right.---\left(4.10\right)$乘坐在研究时段内发车的地面公交并在换乘站点下车的乘客总人数为在换乘站点由地面公交换乘至轨道交通的换乘率为则乘坐在研究时段内发车的地面公交在换乘站点下车换乘至轨道交通的乘客总人数可按式4.11计算$P_{BR}^{\bar{s}}={\lambda }_{BR}^{\bar{s}}{Q}_d^{\bar{s}}---\left(4.11\right)$将在换乘站点从地面公交换乘至轨道交通的乘客平均分配至每辆地面公交车次，则乘坐地面公交Bⁱ且在换乘站点换乘至轨道交通的乘客数量可表示为：$p_{BR}^{\bar{s}}=\frac{P_{BR}^{\bar{s}}}{e_B}---\left(4.12\right)$考虑到换步行时间不超过地面公交发车间隔的假设，所以不会出现从k时段发车的地面公交换乘至k+1时段发车的轨道交通的情况；因此在换乘站点由地面公交换乘至轨道交通的乘客换乘候车的时间成本为：$c_{BR}^{\bar{s}}=U_c\underset{j=1}{\overset{e_R^k}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{e_B^k}{\Sigma }}{\eta }_{BR}^{i,j}{p}_{BR}^{\bar{s}}(T_R^{j,\bar{s}}-T_B^{i,\bar{s}}-t_{BR}^{\bar{s}})---\left(4.13\right)$在研究时段在所有换乘站点乘客从地面公交换乘至轨道交通的换乘候车时间成本为：$C_{BR}=U_c\underset{\bar{s}=1}{\overset{e_{\bar{s}}}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{e_R^k}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{e_B^k}{\Sigma }}{\eta }_{BR}^{i,j}{p}_{BR}^{\bar{s}}(T_R^{j,\bar{s}}-T_B^{i,\bar{s}}-t_{BR}^{\bar{s}})---\left(4.14\right)$其中${\eta }_{BR}^{i,j}=\left\{\begin{array}{c}1;T_R^{j-1,\bar{s}}<T_B^{i,\bar{s}}+t_{BR}^{\bar{s}}\le T_R^{j,\bar{s}}\\ 0;others\end{array}\right.---\left(4.15\right)$3)乘客从轨道换乘至地面公交的换乘候车时间成本一位乘客在换乘站点从轨道交通R^j换乘至地面公交Bⁱ需要的步行时间为其换乘候车时间可表示为：${\mathrm{\Delta t}}_{RB}^{\bar{s}}={\eta }_{RB}^{j,i}(T_B^{i,\bar{s}}-T_R^{j,\bar{s}}-t_{RB}^{\bar{s}})---\left(4.16\right)$其中为布尔变量，${\eta }_{RB}^{j,i}=\left\{\begin{array}{c}1;T_B^{i-1,\bar{s}}<T_R^{j,\bar{s}}+t_{RB}^{\bar{s}}\le T_B^{i,\bar{s}}\\ 0;others\end{array}\right.---\left(4.17\right)$在换乘站点上车乘坐在研究时段内发车的地面公交的乘客总人数为在换乘站点由轨道交通换乘至地面公交的换乘率为则在换乘站点上车换乘至在研究时段内发车的地面公交的乘客总人数可按式4.18计算：$P_{RB}^{\bar{s}}={\lambda }_{RB}^{\bar{s}}{Q}_u^{\bar{s}}---\left(4.18\right)$将在换乘站点从轨道交通换乘至地面公交的乘客平均分配至每辆地面公交车次，则在换乘站点由轨道交通换乘至地面公交Bⁱ的乘客数量可表示为：$p_{RB}^{\bar{s}}=\frac{P_{RB}^{\bar{s}}}{e_R}---\left(4.19\right)$考虑到换步行时间不超过轨道交通发车间隔的假设，所以不会出现从k时段发车的轨道交通换乘至k+1时段发车的地面公交的情况；因此在k时段在换乘站点由轨道交通换乘至地面公交的乘客换乘候车的时间成本为：$c_{RB}^{\bar{s}}=U_c\underset{i=1}{\overset{e_B^k}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{e_R^k}{\Sigma }}{\eta }_{RB}^{j,i}{p}_{RB}^{\bar{s}}(T_B^{i,\bar{s}}-T_R^{j,\bar{s}}-t_{RB}^{\bar{s}})---\left(4.20\right)$在研究时段在所有换乘站点乘客从轨道交通换乘至地面公交的换乘候车时间成本为：$C_{RB}=U_c\underset{\bar{s}=1}{\overset{e_{\bar{s}}}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{e_B^k}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{e_R^k}{\Sigma }}{\eta }_{RB}^{j,i}{p}_{RB}^{\bar{s}}(T_B^{i,\bar{s}}-T_R^{j,\bar{s}}-t_{RB}^{\bar{s}})---\left(4.21\right)$其中：${\eta }_{RB}^{j,i}=\left\{\begin{array}{c}1;T_B^{i-1,\bar{s}}<T_R^{j,\bar{s}}+t_{RB}^{\bar{s}}\le T_B^{i,\bar{s}}\\ 0;others\end{array}\right.---\left(4.22\right)$4)公交企业的运营成本公交企业的运营成本与线路全程长度和研究时段内的发车数量有关，可用式4.26表示：C_P＝U_PL_Be_B  (4.23)5)系统总成本研究时段系统总成本包括：非换乘的乘客乘坐地面公交的候车时间成本、乘客从地面公交换乘至轨道交通的换乘候车时间成本、乘客从轨道交通换乘至地面公交的换乘候车时间成本和公交企业的运营成本，即：C_S＝C_B+C_BR+C_RB+C_P  (4.24)目标函数为系统总成本最小，即minC_S；决策变量为地面公交的发车间隔h_B。