专利名称：一种基于有向随机游走的公交网络建模方法
技术领域：
本发明涉及网络科学和公共交通领域，特别是指一种基于有向随机游走的公交网络建模方法。
背景技术：
城市公共交通是城市发展中非常重要基础设施之一，是维持城市畅通有序的根本所在。当前我国处在城市化进程的高峰期，城市人口急剧增加，拥堵现象日益增多，依据各国的发展经验，城市公共交通总是滞后于城市的发展。城市公交网络，由于具有规模大、覆盖范围广、调度灵活且运输量大的特点，在城市公共交通中占据主导地位。通过对其深入研究，再现城市公交网络的演化发展模型，在此基础上探索交通网络的时空复杂性和演变机理，有利于缓解和预防交通拥堵以及优化网络结构和提升网络运营效率。相对于传统上单一地利用道路状况和客流信息的研究方式，目前越来越多学者从网络拓扑结构出发来研究城市公交网络，并取得了丰富的理论成果。在国外，Sienkiewicz和Holyst研究了波兰22个城市的公共交通网络的复杂特性，并应用复杂网络统计学的方法，进行相关的仿真和对比研究，发现城市公交网络都具有明显的小世界特性和分级组织(hierarchically organized)特性；基于复杂网络的研究方法，Levinson H. S和ZimmermanS对城市街道网络进行了研究，以实际路网作为对象，并说明了此类网络具有小世界特性；Seaton和Hackett计算出两个城市列车线网的平均最短路径长度、平均节点度的聚类系数，并通过相互之间的比较研究证实网络结构对于小世界特性的影响。在国内，杨旭华等通过实证，分析了公交网络中的重叠派系特征，构建了城市公交网络模型，同时研究了城市公交网络中的传播特性，并给予了理论说明；黄海军、高自友、吴建军等通过对城市交通系统复杂性和网络流量分配进行研究，也发表了很多关于公交网络方面的著作。关于公交网络建模方法的研究。随机游走的方法通常被用来构建城市公交网络模型，例如，c. von Ferber和T. Holovatch等通过对实际网络进行考察,按照随机游走的方法构建了城市公交网络模型；方志耕等对他们的方法进行了部分改进，在构建模型时，在一定程度上考虑了站点间距的问题。我们研究发现实际的公交网络中存在两大重要的空间特性一、站点间的路段长度具有随机性但相差不大，呈现出正态分布；ニ、线路走向极具方向性，且相邻路段的方向总是尽可能地保持一致。这里的“路段”是指一条线路中相邻两站点间的线段。可以说，在一定程度上，构建与实际相符的公交网络模型，是研究公交网络其他问题的基础。然而，目前提出的城市公交网络构建方法，只能在拓扑结构上再现公交网络的部分特征，而难以得到与实际相符的空间特性。
发明内容
为了克服现有的公交网络建模方法无法再现路段长度具有随机性且呈现正态分布、线路走向极具方向性且相邻路段的方向总是尽可能地保持一致的空间特性的不足，本发明提供ー种可再现上述空间特性的基于有向随机游走的公交网络建模方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术具体步骤是—种基于有向随机游走的公交网络建模方法，包括以下步骤步骤ー在ニ维平面中，构建公交网络的第一个站点；步骤ニ 构建当前加入线路的ー个路段，2.1)从现存网络中随机选择ー个站点S1，井随机产生ー个方向D ；2. 2)用正态分布normal ( V , 0 )产生一个随机数dis作为路段的长度,并从S1站点开始沿方向D延伸dis个单位作为站点S2的坐标；2. 3)调整S2的坐标至其最近的整数坐标位置，如果S2位置原来不存在站点，则构建新站点；如果S2与S1位置相同，则返回步骤2. 2)；2. 4)连接站点S1和S2，作为当前加入线路中的ー个路段，确定路段的两个方向D1和D2，其中D1为由S1指向S2，D2为由S2指向S1 ；步骤三用正态分布normal (ii , o )随机产生当前加入线路的站点总数A ;用均勻分布随机产生方向S2端需要扩展的站点数A1J ^ A1 ^ A-2，计算S1端需要扩展的站点数A2 = A — A1 — 2 ；步骤四在S2端进行线路扩展A1个站点，4.1)使 当前路段方向baseD = D1,扩展起始站点S = S2 ;4. 2)在baseD方向的基础上,用均勻分布随机产生一个概率值并根据方向约束矩阵确定扩展下一个站点的方向D ；4.3)_normal(v，0 )产生ー个随机数dis作为路段长度，从S出发沿D延伸dis个单位作为当前加入站点Sadd的坐标；4. 4)调整Sadd的坐标至其最临近的整数坐标位置，如果Sadd位置原来不存在站点，则新建站点，如果Sadd位置原来存在站点且已加入到当前线路，则返回4. 2)；4. 5)连接站点S和Sadd,更新当前路段方向baseD = D和当前S = Sadd ；4. 6)重复4. 2) -4. 5)，直至完成S2端的A1个站点的扩展；步骤五依照步骤四)完成S1端的A2个站点扩展；步骤六重复步骤ニ至步骤五，直到所有的线路加入到网络中。进ー步，所述建模方法还包括以下方法步骤七合并地理上临近且不在同一条线路的站点构建的公交网络中含有大量地理上临近的站点，对距离小于阈值ComDis(—定范围)并且不在同一条线路中的站点，进行合井。再进ー步，所述步骤一中，构建ー个站点是指在ニ维平面中给该站点进行编号，并确定其坐标位置。更进一歩，所述步骤2.1)中，我们将ニ维平面均分成八个方向，即分别为A、B、C、D、E、F、G，方向D随机选取自这八个方向之一；所述步骤2. 2)中，两站点间的路段长度dis取自正态分布normal(v，0)的随机值，其中v是均值，0是方差，这将确保路段长度具有随机性且符合正态分布，以与实际公交网络相符；所述步骤2. 3)中，S1和S2不能在同一位置，即不能是同一个站点；所述步骤2. 4)中，连接站点S1和S2，这时得到了当前加入线路中的ー个路段，该路段是有向的，即有两个方向，这是为了能够在该路段的两端都能进行扩展。更进一歩，所述步骤三中，当前加入线路中站点数具有随机性，且其满足正态分布normaKi!，0)，其中y是均值，o是方差，这是由于实际公交网络中线路所包含的站点数符合该分布；步骤ニ中所确定的当前路段的两个方向都需要进行线路扩展，其中一端所需扩展的站点个数随机。更进一歩，所述步骤4. 2)中，方向约束矩阵是ー个八行八列的矩阵，用来约束在当前路段方向的基础上，其相邻路段为各个方向的概率，八行与八列与ニ维平面的八个方向A、B、C、D、E、F、G相对应。方向约束矩阵中位置(x，y)的值，表示一条线路中当前路段StlSt2的方向(从Stl指向st2)是X，那么与当前路段StlSt2共享ー个站点St2的相邻路段St2St3的方向(从st2指向st3)的方向为y的概率。实际公交网络中，相邻路段的方向总是尽量保持一致性，我们采用方向约束矩阵在模型中再现这ー特性。另外，我们用均匀分布产生的概率值在
之间，根据该概率值和当前路段的方向，即可利用方向约束矩阵计算出下ー站点的扩展方向D。更进一歩，所述步骤七中，地理上临近站点的合并距离ComDis需要在一定范围，这个范围大约等于实际公交网络中地理上临近的同名站点间直线距离。当然，也可以选择ComDis等于实际公交网络中地理上临近的同名站点间直线距离。本发明的有益效果为可构造与实际公交网络特性相同尤其是空间特性相同的城市公交网络模型。这将有利用预测城市公交网络的演化和发展方向，在此基础上进行进一步研究，有助于优化网络结构和提升网络运营效率。
图1为ニ维平面中的方向划分示意图。图2为公交网络模型构建过程示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进ー步说明。參照图1和图2，一种基于有向随机游走的公交网络模型构建方法，包括以下步骤步骤ー在ニ维平面中，构建公交网络的第一个站点。为了方便，该站点可从0或I起进行编号，其坐标可取原点坐标(0，O)。步骤ニ 构建当前加入线路的ー个路段。2.1)从现存网络中随机选择ー个站点S1，井随机产生ー个方向D，其值取自ニ维平面方向划分的八个方向(如附图1)之一；2. 2)用正态分布normal ( v , 0 )产生一个随机数dis作为路段的长度,并从S1站点开始沿方向D延伸dis个单位作为站点S2的坐标；參数V和0可以參照实际公交网络的统计结果进行取值；2. 3)调整S2的坐标至其最近的整数坐标位置，如果S2位置原来不存在站点，则构建新站点；如果S2与S1位置相同，则返回步骤2. 2)；2. 4)连接站点S1和S2，作为当前加入线路中的ー个路段，确定路段的两个方向D1和D2，其中D1为由S1指向S2，D2为由S2指向S1 ；步骤三用正态分布normal (ii , o )随机产生当前加入线路的站点总数A ;用均勻分布随机产生方向S2端需要扩展的站点数AJO ^ A1 ^ A-2)，计算S1端需要扩展的站点数A2 = A 一 A1 一 2。參数ii和O可以參照实际公交网络的统计结果进行取值。步骤四在S2端进行线路扩展A1个站点。4.1)使当前路段方向baseD = D1,扩展起始站点S = S2 ;4. 2)在baseD方向的基础上,用均勻分布随机产生一个概率值并根据方向约束矩阵确定扩展下一个站点的方向D ;方向约束矩阵示例如表I ;
权利要求
1.一种基于有向随机游走的公交网络建模方法，其特征在于包括以下步骤步骤一在二维平面中，构建公交网络的第一个站点；步骤二 构建当前加入线路的一个路段，2.1)从现存网络中随机选择一个站点S1，并随机产生一个方向D ；2.2)用正态分布normal ( ν，Θ )产生一个随机数dis作为路段的长度,并从S1站点开始沿方向D延伸dis个单位作为站点S2的坐标；2.3)调整S2的坐标至其最近的整数坐标位置，如果S2位置原来不存在站点，则构建新站点；如果S2与S1位置相同，则返回步骤2. 2)；2.4)连接站点S1和S2,作为当前加入线路中的一个路段，确定路段的两个方向D1和D2,其中D1为由S1指向S2，D2为由S2指向S1 ；步骤三用正态分布normal ( μ , σ )随机产生当前加入线路的站点总数A ;用均勻分布随机产生方向S2端需要扩展的站点数A1,0 ^ A1 ^ A-2，计算S1端需要扩展的站点数A2 =A — A1 — 2 ；步骤四在S2端进行线路扩展A1个站点，4.1)使当前路段方向baseD = D1,扩展起始站点S = S2 ;4.2)在baseD方向的基础上,用均勻分布随机产生一个概率值并根据方向约束矩阵确定扩展下一个站点的方向D ；4.3)由normal ( ν，Θ )产生一个随机数dis作为路段长度，从S出发沿D延伸dis个单位作为当前加入站点Sadd的坐标；4.4)调整Sadd的坐标至其最临近的整数坐标位置，如果Sadd位置原来不存在站点，则新建站点，如果Sadd位置原来存在站点且已加入到当前线路，则返回4. 2)；4.5)连接站点S和Sadd,更新当前路段方向baseD = D和当前S = Sadd ；4.6)重复4. 2) —4. 5)，直至完成S2端的A1个站点的扩展；步骤五依照步骤四)完成S1端的A2个站点扩展；步骤六重复步骤二至步骤五，直到所有的线路加入到网络中。
2.如权利要求1所述的一种基于有向随机游走的公交网络建模方法，其特征在于所述建模方法还包括以下步骤步骤七合并地理上临近且不在同一条线路的站点，构建的公交网络中含有大量地理上临近的站点，对距离小于阈值ComDis并且不在同一条线路中的站点，进行合并。
3.如权利要求1或2所述的一种基于有向随机游走的公交网络建模方法，其特征在于所述步骤一中，构建一个站点是指在二维平面中给该站点进行编号，并确定其坐标位置。
4.如权利要求1或2所述的一种基于有向随机游走的公交网络建模方法，其特征在于所述步骤2.1)中，我们将二维平面均分成八个方向，即分别为A、B、C、D、E、F、G，方向D随机选取自这八个方向之一；所述步骤2. 2)中，两站点间的路段长度dis取自正态分布normal (ν, Θ)的随机值，其中ν是均值，Θ是方差；所述步骤2. 3)中，S1和S2不能在同一位置，即不能是同一个站点；所述步骤2. 4)中，连接站点S1和S2，这时得到了当前加入线路中的一个路段，该路段是有向的，即有两个方向。
5.如权利要求1或2所述的一种基于有向随机游走的公交网络建模方法，其特征在于所述步骤三中，当前加入线路中站点数具有随机性，且其满足正态分布normal (μ，σ)，其中μ是均值，σ是方差；步骤二中所确定的当前路段的两个方向都需要进行线路扩展，其中一端所需扩展的站点个数随机。
6.如权利要求1或2所述的一种基于有向随机游走的公交网络建模方法，其特征在于所述步骤4. 2)中，方向约束矩阵是一个八行八列的矩阵，用来约束在当前路段方向的基础上，其相邻路段为各个方向的概率，八行与八列与二维平面的八个方向Α、B、C、D、Ε、F、G相对应，方向约束矩阵中位置(x，y)的值，表示一条线路中当前路段StlSt2的方向，即从Stl指向st2是X，那么与当前路段StlSt2共享一个站点St2的相邻路段St2St3的方向，即从st2指向St3的方向为I的概率；用均匀分布产生的概率值在
之间，根据该概率值和当前路段的方向，即利用方向约束矩阵计算出下一站点的扩展方向D。
7.如权利要求2所述的一种基于有向随机游走的公交网络建模方法，其特征在于所述步骤七中，阈值ComDis等于实际公交网络中地理上临近的同名站点间直线距离。
全文摘要
一种基于有向随机游走的公交网络建模方法，包括以下步骤在二维平面上，构建公交网络的第一个站点；构建当前加入线路的一个路段，路段方向随机，且其长度由正态分布函数随机产生；确定当前路段两端各需扩展的站点个数，其中线路的站点总数服从正态分布；完成当前路段一端站点的扩展，其中扩展方向依赖于路段的当前方向和方向约束矩阵，扩展长度依赖于正态分布函数；完成当前路段另一端站点的扩展；根据网络规模，加入剩余线路。本发明可构造与实际公交网络特性相同尤其是空间特性相同的城市公交网络模型，这将有利用预测城市公交网络的演化和发展方向在此基础上进行进一步研究，有助于优化网络结构和提升网络运营效率。
文档编号G06F17/50GK103034753SQ20121049933
公开日2013年4月10日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者杨旭华, 董有郁, 周诗杰, 张永振 申请人:浙江工业大学