一种公交地铁复合网络模型构建方法与流程

本发明涉及公共交通网络技术领域，特别是一种公交地铁复合网络模型构建方法。

背景技术：

城市公共交通是城市交通运输的重要组成部分，随着城市化进程的不断推进和人口的不断增加，城市公共交通的发展与城市居民日益增加的交通需求之间矛盾日益突出，这些交通问题也严重影响了城市的经济建设和城市的运行效率。近年来，我国大力推行公交优先发展战略，逐步发展成为了地面交通为主，以轨道交通为骨干的综合交通运输体系。因此，公交和地铁之间的衔接直接关系到整个公交地铁网络的运输效率。

目前基于复杂网络理论的公共交通网络研究成果很丰富，既有单层网络也有多层网络方面的研究。单层网络的研究主要是针对单一的公交网络或者地铁网络等进行研究，双层网络的研究也是将单一的公交网络抽象成基于路网的物理层和基于车流的逻辑层进行研究。这些研究没有建立一个包含公交和地铁信息的全局网络，无法对整个的公共交通网络进行分析。

已有的公交地铁复合网络构建方法在进行节点映射的时候也是将那些同时存在于某地的公交站点和地铁站合并为同一个站点，公交和地铁的衔接正是通过这些站点产生的。地铁在公共交通网络中是作为主干线路来修建的，其行驶速度高、等车时间短和运载能力强都是公交所不能比拟的。但是另一方面地铁能够到达的站点毕竟有限，主干线路之外的站点还是需要公交线路来覆盖，因此地铁和公交的结合能够使人们的出行更高效，可达性更好。公交和地铁间存在大量相互间的换乘，这种换乘不仅仅只存在于那些同时存在公交站点和地铁站点的地方，一个地铁站点会影响到其周围一定范围内的许多公交站点。如果只将公交站点和地铁站点同时存在的站点作为公交和地铁的衔接点，忽略了那些步行一段距离相互换乘的情况，这无形的减弱了一个地铁站点的覆盖范围，与实际情况存在差异。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种公交地铁复合网络模型构建方法，通过复合网络的构建，可获得以公交和地铁为主的城市公共交通的总体状况，最优的模型参数d使得公交和地铁合理的衔接在一起，提高乘客的出行效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种公交地铁复合网络模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1)根据当前的公交地铁数据建立公交、地铁双层网络，一层为公交站点构成的公交网络，另一层为地铁站点构成的地铁网络；如果公交站点与地铁站点间距离小于预设的阈值d，那么这两个站点间有连边，该连边即为双层网络中网络层间的连边；

步骤2)将双层网络复合为单层的复合网络，具体如下：

将地铁网络中与公交网络有连边的地铁站点归为A类站点，其余的地铁站点归为B类站点；

将A类站点映射到公交网络中：将每个A类站点与其有连边的公交站点复合，与A类站点有连边且距离该A类站点最近的公交站点作为复合点；

将B类站点映射到公交网络中，即在公交网络中新建一个站点来代表该地铁站点；

步骤3)待所有的站点映射完成后，对复合后的站点添加连边，具体如下：映射后的地铁站点按照其在原地铁网络中的连接关系在复合网络中添加连边，在复合网络中如果同时存在两个站点既有公交连边又有地铁连边则复合为同一条连边，每个地铁站点与其预设范围内的公交站点连接；

从而得到一个包含公交、地铁数据的复合网络，进而计算出复合网络的平均聚类系数和平均路径长度；

步骤4)根据相邻站点间的近似直线距离和连边类别为复合网络中的连边赋权值，计算复合网络的加权平均路径长度；

步骤5)多次改变模型参数d，每改变一次模型参数d，则重复一次步骤3～4；比较不同d值条件下复合网络的加权平均路径长度以及步骤3所得复合网络的平均聚类系数和平均路径长度，确定最优的模型参数d。

作为本发明所述的一种公交地铁复合网络模型构建方法进一步优化方案，步骤4中相邻站点间的近似直线距离计算公式为：

其中，dis₁₂为相邻站点间的近似直线距离；Long₁、Lat₁分别为1个站点的经度和纬度，Long₂、Lat₂分别为相邻的另一个站点的经度和纬度；R为地球半径。

作为本发明所述的一种公交地铁复合网络模型构建方法进一步优化方案，R取值为6370。

作为本发明所述的一种公交地铁复合网络模型构建方法进一步优化方案，所述步骤4中的权值具体如下：

相邻站点间的近似直线距离包括公交站点与公交站点的近似直线距离、地铁站点与地铁站点的近似直线距离和公交站点与地铁站点的近似直线距离；其中，

设相邻公交站点连边的权值为相邻公交站点间的近似直线距离，相邻地铁站点连边的权值为相邻地铁站点间的近似直线距离；

设公交站点与地铁站点的连边的权值为其中，dis₁₂为地铁站点与其预设范围内的每个公交站点之间的距离，W为常量且是公交车的平均行驶速度与人的平均步行速度的比值。

作为本发明所述的一种公交地铁复合网络模型构建方法进一步优化方案，相邻公交站点间的近似直线距离在0.5km～1.0km之间，相邻地铁站点间的近似直线距离在1.0km～2.0km之间，模型参数d的取值在0～1km之间。

作为本发明所述的一种公交地铁复合网络模型构建方法进一步优化方案，W取值为8。

作为本发明所述的一种公交地铁复合网络模型构建方法进一步优化方案，步骤4中近似直线距离通过站点的经纬度计算得到。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)构建了一个包含公交和地铁数据的整体网络而不是对单一的公交或地铁网络进行分析；

(2)将公交网络和地铁网络整合到一个网络中，可进行公交和地铁之间的换乘研究；

(3)最优的模型参数d使得公交和地铁合理的衔接在一起，提高乘客的出行效率。

附图说明

图1是本发明中双层网络模型到复合网络模型的演化的示意图。

图2是本发明中构建公交地铁复合网络模型的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤1)，建立公交、地铁双层网络。

为了更加直观的显式出本发明的实际效果，应用本发明于南京市区公交地铁网络。其中公交、地铁数据均为南京市区的公交地铁数据。

步骤2)，将地铁网络中与公交网络有连边的地铁站点归为A类站点，其余的归为B类即那些没有层间连边的地铁站点。

这一步主要处理的是地铁站点如何映射到公交网络以便构建复合网络。如果某个地方同时出现公交站点和地铁站点，那么该地铁站点映射到公交网络的时候就由对应的公交站点代替，那么该站点兼具公交站点和地铁站点的连接关系；否则，需要在公交网络中新建一个站点来表示地铁站点。

图1是本发明中双层网络模型到复合网络模型的演化的示意图，双层网络中，网络层间的连接出现在那些既有公交站点又有地铁站点的地方，即图中A1与G1、A2与G3，在A1这类站点映射到公交网络中的时候，A1和G1复合为同一个站点，即不需要添加额外的站点来代表A1站点。B1没有与之连接的公交站点，需要在公交网络中建立一个站点来代表该地铁站点。

步骤3)，这一步主要处理的是边的重连，且边的重连主要分为两类。

I.在步骤2处理完地铁站点的映射后，我们需要按照地铁站点原有的连接关系进行连边因此会出现那些即代表公交站点又代表地铁站点的节点，这些节点会兼具公交和地铁的连接关系。

II.考虑到地铁的建设成本以及其方便快捷的特点，一个地铁站的覆盖范围会比较广，而某个地方同时出现公交站点和地铁站点的情况不多。大多数情况下与地铁站点相距一定路程的地方分布着一些公交站点，这些公交站点与该地铁站点不存在真实的连接但在实际生活中又存在这些公交站点与该地铁站点之间的换乘。因此，在构建复合网络的时候本发明将这种关系考虑进来。本发明规定以地铁站点为中心，半径为d(取值范围为0到1km)的范围内的公交站点与该地铁站点是相连的，因此这些节点间需要添加连边。

步骤4)，网络中连边的权值取决于相邻站点间的近似直线距离，该距离可通过站点的经纬度计算得到；

步骤5)，根据相邻站点间的距离和类别为复合网络中的连边赋权，计算网络的加权平均路径长度；

复合网络中连边的权值受两个因素的影响，一个是相邻站点间的距离，另一个是相邻站点的类别。其中公交站点-公交站，地铁站点-地铁站点它们都是同种类型的站点且连接是实际存在的，因此其权值就是相邻站点间的距离。对于公交站点-地铁站点这是不同类型站点间的连接且这种连接实际上不存在的，为了将此种情况与另外的两种情况相区分，公交站点-地铁站点连边的权重引入了d和常量W的作用。d越大与地铁站点连接的公交站点越多，复合网络的连接性越好，与此同时d越大，步行的距离也就越，当其值超过人们步行所能接受的距离时，这种连接也就没有意义。本专利在确定最优的模型参数d的时候需要综合考虑两方面的结果：

i.步骤3结束后可以得到一个无权的复合网络，d的取值会直接影响复合网络的聚类系数和平均路径长度，随着d的增大网络的聚类系数会越来越大说明站点间的连接更紧密；平均路径长度也会随着d的增大而减小，说明出行过程中经过的站点数会减少，这是d增大带来的有利变化。

ii.分析可得d不能持续增加，因此本专利加入了权重的因素来抑制d的增加。d的增加会导致网络中公交站点-地铁站这种类型的连边增加，并且这种连边的权值很大，最后导致计算所得到的weight_length_avg(网络加权平均路径长度)的值也越大，而我们趋向于取较小的值。

综合无权网络中模型参数d对网络聚类系数和网络平均路径的影响以及加权网络中d对网络加权平均路径的影响，可获得最优的模型参数d。

模型中的距离参数d决定了地铁站点能够影响的范围。d越大其影响范围也越大，但是在d的值超过人们愿意步行的距离时该模型就与实际不符，本发明规定d的取值在0到1之间，当d的值超过1km后，人们不愿意步行这么长的距离进行换乘。在对边权进行赋值的时候，对公交站点-地铁站点这类连边的权重进行了区分，这类连边的权重很大，当模型参数d的取值增大时复合网络中的这类连边就会增多，计算得到的复合网络加权平均路径长度的值越大。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。