專利名稱：一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)科學(xué)和公共交通領(lǐng)域，特別是指一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法。
背景技術(shù)：
城市公共交通是城市發(fā)展中非常重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，是維持城市暢通有序的根本所在。當(dāng)前我國處在城市化進(jìn)程的高峰期，城市人口急劇增加，擁堵現(xiàn)象日益增多，依據(jù)各國的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，城市公共交通總是滯后于城市的發(fā)展。城市公交網(wǎng)絡(luò)，由于具有規(guī)模大、覆蓋范圍廣、調(diào)度靈活且運(yùn)輸量大的特點(diǎn)，在城市公共交通中占據(jù)主導(dǎo)地位。通過對其深入研究，再現(xiàn)城市公交網(wǎng)絡(luò)的演化發(fā)展模型，在此基礎(chǔ)上探索交通網(wǎng)絡(luò)的時(shí)空復(fù)雜性和演變機(jī)理，有利于緩解和預(yù)防交通擁堵以及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營效率。相對于傳統(tǒng)上單一地利用道路狀況和客流信息的研究方式，目前越來越多學(xué)者從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)來研究城市公交網(wǎng)絡(luò)，并取得了豐富的理論成果。在國外，Sienkiewicz和Holyst研究了波蘭22個(gè)城市的公共交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜特性，并應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，進(jìn)行相關(guān)的仿真和對比研究，發(fā)現(xiàn)城市公交網(wǎng)絡(luò)都具有明顯的小世界特性和分級組織(hierarchically organized)特性；基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究方法，Levinson H. S和ZimmermanS對城市街道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，以實(shí)際路網(wǎng)作為對象，并說明了此類網(wǎng)絡(luò)具有小世界特性；Seaton和Hackett計(jì)算出兩個(gè)城市列車線網(wǎng)的平均最短路徑長度、平均節(jié)點(diǎn)度的聚類系數(shù)，并通過相互之間的比較研究證實(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對于小世界特性的影響。在國內(nèi)，楊旭華等通過實(shí)證，分析了公交網(wǎng)絡(luò)中的重疊派系特征，構(gòu)建了城市公交網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)研究了城市公交網(wǎng)絡(luò)中的傳播特性，并給予了理論說明；黃海軍、高自友、吳建軍等通過對城市交通系統(tǒng)復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)流量分配進(jìn)行研究，也發(fā)表了很多關(guān)于公交網(wǎng)絡(luò)方面的著作。關(guān)于公交網(wǎng)絡(luò)建模方法的研究。隨機(jī)游走的方法通常被用來構(gòu)建城市公交網(wǎng)絡(luò)模型，例如，c. von Ferber和T. Holovatch等通過對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行考察,按照隨機(jī)游走的方法構(gòu)建了城市公交網(wǎng)絡(luò)模型；方志耕等對他們的方法進(jìn)行了部分改進(jìn)，在構(gòu)建模型時(shí)，在一定程度上考慮了站點(diǎn)間距的問題。我們研究發(fā)現(xiàn)實(shí)際的公交網(wǎng)絡(luò)中存在兩大重要的空間特性一、站點(diǎn)間的路段長度具有隨機(jī)性但相差不大，呈現(xiàn)出正態(tài)分布；ニ、線路走向極具方向性，且相鄰路段的方向總是盡可能地保持一致。這里的“路段”是指一條線路中相鄰兩站點(diǎn)間的線段。可以說，在一定程度上，構(gòu)建與實(shí)際相符的公交網(wǎng)絡(luò)模型，是研究公交網(wǎng)絡(luò)其他問題的基礎(chǔ)。然而，目前提出的城市公交網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，只能在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上再現(xiàn)公交網(wǎng)絡(luò)的部分特征，而難以得到與實(shí)際相符的空間特性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法無法再現(xiàn)路段長度具有隨機(jī)性且呈現(xiàn)正態(tài)分布、線路走向極具方向性且相鄰路段的方向總是盡可能地保持一致的空間特性的不足，本發(fā)明提供ー種可再現(xiàn)上述空間特性的基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)具體步驟是—種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法，包括以下步驟步驟ー在ニ維平面中，構(gòu)建公交網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)站點(diǎn)；步驟ニ 構(gòu)建當(dāng)前加入線路的ー個(gè)路段，2.1)從現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選擇ー個(gè)站點(diǎn)S1，井隨機(jī)產(chǎn)生ー個(gè)方向D ；2. 2)用正態(tài)分布normal ( V , 0 )產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)dis作為路段的長度,并從S1站點(diǎn)開始沿方向D延伸dis個(gè)單位作為站點(diǎn)S2的坐標(biāo)；2. 3)調(diào)整S2的坐標(biāo)至其最近的整數(shù)坐標(biāo)位置，如果S2位置原來不存在站點(diǎn)，則構(gòu)建新站點(diǎn)；如果S2與S1位置相同，則返回步驟2. 2)；2. 4)連接站點(diǎn)S1和S2，作為當(dāng)前加入線路中的ー個(gè)路段，確定路段的兩個(gè)方向D1和D2，其中D1為由S1指向S2，D2為由S2指向S1 ；步驟三用正態(tài)分布normal (ii , o )隨機(jī)產(chǎn)生當(dāng)前加入線路的站點(diǎn)總數(shù)A ;用均勻分布隨機(jī)產(chǎn)生方向S2端需要擴(kuò)展的站點(diǎn)數(shù)A1J ^ A1 ^ A-2，計(jì)算S1端需要擴(kuò)展的站點(diǎn)數(shù)A2 = A — A1 — 2 ；步驟四在S2端進(jìn)行線路擴(kuò)展A1個(gè)站點(diǎn)，4.1)使 當(dāng)前路段方向baseD = D1,擴(kuò)展起始站點(diǎn)S = S2 ;4. 2)在baseD方向的基礎(chǔ)上,用均勻分布隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)概率值并根據(jù)方向約束矩陣確定擴(kuò)展下一個(gè)站點(diǎn)的方向D ；4.3)_normal(v，0 )產(chǎn)生ー個(gè)隨機(jī)數(shù)dis作為路段長度，從S出發(fā)沿D延伸dis個(gè)單位作為當(dāng)前加入站點(diǎn)Sadd的坐標(biāo)；4. 4)調(diào)整Sadd的坐標(biāo)至其最臨近的整數(shù)坐標(biāo)位置，如果Sadd位置原來不存在站點(diǎn)，則新建站點(diǎn)，如果Sadd位置原來存在站點(diǎn)且已加入到當(dāng)前線路，則返回4. 2)；4. 5)連接站點(diǎn)S和Sadd,更新當(dāng)前路段方向baseD = D和當(dāng)前S = Sadd ；4. 6)重復(fù)4. 2) -4. 5)，直至完成S2端的A1個(gè)站點(diǎn)的擴(kuò)展；步驟五依照步驟四)完成S1端的A2個(gè)站點(diǎn)擴(kuò)展；步驟六重復(fù)步驟ニ至步驟五，直到所有的線路加入到網(wǎng)絡(luò)中。進(jìn)ー步，所述建模方法還包括以下方法步驟七合并地理上臨近且不在同一條線路的站點(diǎn)構(gòu)建的公交網(wǎng)絡(luò)中含有大量地理上臨近的站點(diǎn)，對距離小于閾值ComDis(—定范圍)并且不在同一條線路中的站點(diǎn)，進(jìn)行合井。再進(jìn)ー步，所述步驟一中，構(gòu)建ー個(gè)站點(diǎn)是指在ニ維平面中給該站點(diǎn)進(jìn)行編號，并確定其坐標(biāo)位置。更進(jìn)一歩，所述步驟2.1)中，我們將ニ維平面均分成八個(gè)方向，即分別為A、B、C、D、E、F、G，方向D隨機(jī)選取自這八個(gè)方向之一；所述步驟2. 2)中，兩站點(diǎn)間的路段長度dis取自正態(tài)分布normal(v，0)的隨機(jī)值，其中v是均值，0是方差，這將確保路段長度具有隨機(jī)性且符合正態(tài)分布，以與實(shí)際公交網(wǎng)絡(luò)相符；所述步驟2. 3)中，S1和S2不能在同一位置，即不能是同一個(gè)站點(diǎn)；所述步驟2. 4)中，連接站點(diǎn)S1和S2，這時(shí)得到了當(dāng)前加入線路中的ー個(gè)路段，該路段是有向的，即有兩個(gè)方向，這是為了能夠在該路段的兩端都能進(jìn)行擴(kuò)展。更進(jìn)一歩，所述步驟三中，當(dāng)前加入線路中站點(diǎn)數(shù)具有隨機(jī)性，且其滿足正態(tài)分布normaKi!，0)，其中y是均值，o是方差，這是由于實(shí)際公交網(wǎng)絡(luò)中線路所包含的站點(diǎn)數(shù)符合該分布；步驟ニ中所確定的當(dāng)前路段的兩個(gè)方向都需要進(jìn)行線路擴(kuò)展，其中一端所需擴(kuò)展的站點(diǎn)個(gè)數(shù)隨機(jī)。更進(jìn)一歩，所述步驟4. 2)中，方向約束矩陣是ー個(gè)八行八列的矩陣，用來約束在當(dāng)前路段方向的基礎(chǔ)上，其相鄰路段為各個(gè)方向的概率，八行與八列與ニ維平面的八個(gè)方向A、B、C、D、E、F、G相對應(yīng)。方向約束矩陣中位置(x，y)的值，表示一條線路中當(dāng)前路段StlSt2的方向(從Stl指向st2)是X，那么與當(dāng)前路段StlSt2共享ー個(gè)站點(diǎn)St2的相鄰路段St2St3的方向(從st2指向st3)的方向?yàn)閥的概率。實(shí)際公交網(wǎng)絡(luò)中，相鄰路段的方向總是盡量保持一致性，我們采用方向約束矩陣在模型中再現(xiàn)這ー特性。另外，我們用均勻分布產(chǎn)生的概率值在
之間，根據(jù)該概率值和當(dāng)前路段的方向，即可利用方向約束矩陣計(jì)算出下ー站點(diǎn)的擴(kuò)展方向D。更進(jìn)一歩，所述步驟七中，地理上臨近站點(diǎn)的合并距離ComDis需要在一定范圍，這個(gè)范圍大約等于實(shí)際公交網(wǎng)絡(luò)中地理上臨近的同名站點(diǎn)間直線距離。當(dāng)然，也可以選擇ComDis等于實(shí)際公交網(wǎng)絡(luò)中地理上臨近的同名站點(diǎn)間直線距離。本發(fā)明的有益效果為可構(gòu)造與實(shí)際公交網(wǎng)絡(luò)特性相同尤其是空間特性相同的城市公交網(wǎng)絡(luò)模型。這將有利用預(yù)測城市公交網(wǎng)絡(luò)的演化和發(fā)展方向，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究，有助于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營效率。


圖1為ニ維平面中的方向劃分示意圖。圖2為公交網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建過程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明做進(jìn)ー步說明。參照圖1和圖2，一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建方法，包括以下步驟步驟ー在ニ維平面中，構(gòu)建公交網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)站點(diǎn)。為了方便，該站點(diǎn)可從0或I起進(jìn)行編號，其坐標(biāo)可取原點(diǎn)坐標(biāo)(0，O)。步驟ニ 構(gòu)建當(dāng)前加入線路的ー個(gè)路段。2.1)從現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選擇ー個(gè)站點(diǎn)S1，井隨機(jī)產(chǎn)生ー個(gè)方向D，其值取自ニ維平面方向劃分的八個(gè)方向(如附圖1)之一；2. 2)用正態(tài)分布normal ( v , 0 )產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)dis作為路段的長度,并從S1站點(diǎn)開始沿方向D延伸dis個(gè)單位作為站點(diǎn)S2的坐標(biāo)；參數(shù)V和0可以參照實(shí)際公交網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行取值；2. 3)調(diào)整S2的坐標(biāo)至其最近的整數(shù)坐標(biāo)位置，如果S2位置原來不存在站點(diǎn)，則構(gòu)建新站點(diǎn)；如果S2與S1位置相同，則返回步驟2. 2)；2. 4)連接站點(diǎn)S1和S2，作為當(dāng)前加入線路中的ー個(gè)路段，確定路段的兩個(gè)方向D1和D2，其中D1為由S1指向S2，D2為由S2指向S1 ；步驟三用正態(tài)分布normal (ii , o )隨機(jī)產(chǎn)生當(dāng)前加入線路的站點(diǎn)總數(shù)A ;用均勻分布隨機(jī)產(chǎn)生方向S2端需要擴(kuò)展的站點(diǎn)數(shù)AJO ^ A1 ^ A-2)，計(jì)算S1端需要擴(kuò)展的站點(diǎn)數(shù)A2 = A 一 A1 一 2。參數(shù)ii和O可以參照實(shí)際公交網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行取值。步驟四在S2端進(jìn)行線路擴(kuò)展A1個(gè)站點(diǎn)。4.1)使當(dāng)前路段方向baseD = D1,擴(kuò)展起始站點(diǎn)S = S2 ;4. 2)在baseD方向的基礎(chǔ)上,用均勻分布隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)概率值并根據(jù)方向約束矩陣確定擴(kuò)展下一個(gè)站點(diǎn)的方向D ;方向約束矩陣示例如表I ;
權(quán)利要求
1.一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于包括以下步驟步驟一在二維平面中，構(gòu)建公交網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)站點(diǎn)；步驟二 構(gòu)建當(dāng)前加入線路的一個(gè)路段，2.1)從現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選擇一個(gè)站點(diǎn)S1，并隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)方向D ；2.2)用正態(tài)分布normal ( ν，Θ )產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)dis作為路段的長度,并從S1站點(diǎn)開始沿方向D延伸dis個(gè)單位作為站點(diǎn)S2的坐標(biāo)；2.3)調(diào)整S2的坐標(biāo)至其最近的整數(shù)坐標(biāo)位置，如果S2位置原來不存在站點(diǎn)，則構(gòu)建新站點(diǎn)；如果S2與S1位置相同，則返回步驟2. 2)；2.4)連接站點(diǎn)S1和S2,作為當(dāng)前加入線路中的一個(gè)路段，確定路段的兩個(gè)方向D1和D2,其中D1為由S1指向S2，D2為由S2指向S1 ；步驟三用正態(tài)分布normal ( μ , σ )隨機(jī)產(chǎn)生當(dāng)前加入線路的站點(diǎn)總數(shù)A ;用均勻分布隨機(jī)產(chǎn)生方向S2端需要擴(kuò)展的站點(diǎn)數(shù)A1,0 ^ A1 ^ A-2，計(jì)算S1端需要擴(kuò)展的站點(diǎn)數(shù)A2 =A — A1 — 2 ；步驟四在S2端進(jìn)行線路擴(kuò)展A1個(gè)站點(diǎn)，4.1)使當(dāng)前路段方向baseD = D1,擴(kuò)展起始站點(diǎn)S = S2 ;4.2)在baseD方向的基礎(chǔ)上,用均勻分布隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)概率值并根據(jù)方向約束矩陣確定擴(kuò)展下一個(gè)站點(diǎn)的方向D ；4.3)由normal ( ν，Θ )產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)dis作為路段長度，從S出發(fā)沿D延伸dis個(gè)單位作為當(dāng)前加入站點(diǎn)Sadd的坐標(biāo)；4.4)調(diào)整Sadd的坐標(biāo)至其最臨近的整數(shù)坐標(biāo)位置，如果Sadd位置原來不存在站點(diǎn)，則新建站點(diǎn)，如果Sadd位置原來存在站點(diǎn)且已加入到當(dāng)前線路，則返回4. 2)；4.5)連接站點(diǎn)S和Sadd,更新當(dāng)前路段方向baseD = D和當(dāng)前S = Sadd ；4.6)重復(fù)4. 2) —4. 5)，直至完成S2端的A1個(gè)站點(diǎn)的擴(kuò)展；步驟五依照步驟四)完成S1端的A2個(gè)站點(diǎn)擴(kuò)展；步驟六重復(fù)步驟二至步驟五，直到所有的線路加入到網(wǎng)絡(luò)中。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于所述建模方法還包括以下步驟步驟七合并地理上臨近且不在同一條線路的站點(diǎn)，構(gòu)建的公交網(wǎng)絡(luò)中含有大量地理上臨近的站點(diǎn)，對距離小于閾值ComDis并且不在同一條線路中的站點(diǎn)，進(jìn)行合并。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于所述步驟一中，構(gòu)建一個(gè)站點(diǎn)是指在二維平面中給該站點(diǎn)進(jìn)行編號，并確定其坐標(biāo)位置。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于所述步驟2.1)中，我們將二維平面均分成八個(gè)方向，即分別為A、B、C、D、E、F、G，方向D隨機(jī)選取自這八個(gè)方向之一；所述步驟2. 2)中，兩站點(diǎn)間的路段長度dis取自正態(tài)分布normal (ν, Θ)的隨機(jī)值，其中ν是均值，Θ是方差；所述步驟2. 3)中，S1和S2不能在同一位置，即不能是同一個(gè)站點(diǎn)；所述步驟2. 4)中，連接站點(diǎn)S1和S2，這時(shí)得到了當(dāng)前加入線路中的一個(gè)路段，該路段是有向的，即有兩個(gè)方向。
5.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于所述步驟三中，當(dāng)前加入線路中站點(diǎn)數(shù)具有隨機(jī)性，且其滿足正態(tài)分布normal (μ，σ)，其中μ是均值，σ是方差；步驟二中所確定的當(dāng)前路段的兩個(gè)方向都需要進(jìn)行線路擴(kuò)展，其中一端所需擴(kuò)展的站點(diǎn)個(gè)數(shù)隨機(jī)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于所述步驟4. 2)中，方向約束矩陣是一個(gè)八行八列的矩陣，用來約束在當(dāng)前路段方向的基礎(chǔ)上，其相鄰路段為各個(gè)方向的概率，八行與八列與二維平面的八個(gè)方向Α、B、C、D、Ε、F、G相對應(yīng)，方向約束矩陣中位置(x，y)的值，表示一條線路中當(dāng)前路段StlSt2的方向，即從Stl指向st2是X，那么與當(dāng)前路段StlSt2共享一個(gè)站點(diǎn)St2的相鄰路段St2St3的方向，即從st2指向St3的方向?yàn)镮的概率；用均勻分布產(chǎn)生的概率值在
之間，根據(jù)該概率值和當(dāng)前路段的方向，即利用方向約束矩陣計(jì)算出下一站點(diǎn)的擴(kuò)展方向D。
7.如權(quán)利要求2所述的一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于所述步驟七中，閾值ComDis等于實(shí)際公交網(wǎng)絡(luò)中地理上臨近的同名站點(diǎn)間直線距離。
全文摘要
一種基于有向隨機(jī)游走的公交網(wǎng)絡(luò)建模方法，包括以下步驟在二維平面上，構(gòu)建公交網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)站點(diǎn)；構(gòu)建當(dāng)前加入線路的一個(gè)路段，路段方向隨機(jī)，且其長度由正態(tài)分布函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生；確定當(dāng)前路段兩端各需擴(kuò)展的站點(diǎn)個(gè)數(shù)，其中線路的站點(diǎn)總數(shù)服從正態(tài)分布；完成當(dāng)前路段一端站點(diǎn)的擴(kuò)展，其中擴(kuò)展方向依賴于路段的當(dāng)前方向和方向約束矩陣，擴(kuò)展長度依賴于正態(tài)分布函數(shù)；完成當(dāng)前路段另一端站點(diǎn)的擴(kuò)展；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，加入剩余線路。本發(fā)明可構(gòu)造與實(shí)際公交網(wǎng)絡(luò)特性相同尤其是空間特性相同的城市公交網(wǎng)絡(luò)模型，這將有利用預(yù)測城市公交網(wǎng)絡(luò)的演化和發(fā)展方向在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究，有助于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營效率。
文檔編號G06F17/50GK103034753SQ20121049933
公開日2013年4月10日 申請日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者楊旭華, 董有郁, 周詩杰, 張永振 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)