学位论文-—基于邻接矩阵法的威海市公交换乘组织研究.doc

哈尔滨工业大学本科生毕业论文（设计） 基于邻接矩阵法的威海市公交换乘组织研究摘要公交换乘系统是城市客运交通系统的重要组成部分，是公共交通优先的保证，也是城市客运交通整体化的关键，对城市结构的完善、土地使用的合理化有着重要的意义。本文从分析公共交通换乘体系的构建入手，进行系统网络的分解，对国内外公共交通换乘现状及研究状况进行分析，指出解决公共交通换乘问题刻不容缓，要形成合理的交通结构，必须综合考虑各方面的因素。论文阐述了城市交通面临的问题，提出公交换乘系统组织优化的必要性。在广泛调查数据，了解关于公交换乘组织的国内外研究现状，调研并分析威海市公共交通现状基础上，对公交换乘实现方法进行对比，选用邻接矩阵法来研究威海市的公交换乘组织。通过对威海市交通网络进行划分，选取重要换乘站点列写邻接矩阵并推算。利用运算结果来分析现有公交换乘系统中所需要的换乘次数、换乘时间、出行费用、出行距离等。对这些数据进行分析，进而对该换乘系统进行定量评价。根据定量评价的结果，综合考虑乘客、公交车辆、道路条件等的交通特性，根据经济、适用、协调可持续的原则，提出合理的优化方案，包括填补公交换乘系统中线路盲区，合并重复或相似度过高的公交线路，实行票价浮动政策等具体方案。从而构建一个更为合理适用的公交换乘系统。关键词 公交换乘；邻接矩阵；系统评价；组织优化RESEARCH ON WEIHAI PUBLIC TRANSIT TRANSFER ORGANIZATION UNDER THE ADJACENT MATRIXAbstractPublic transit transfer system is the important composition of the passenger transport system and is the guarantee of the city transport priority, the key to the integration, which is significant for the perfection of the city structure and rationalization of land use.The research starts analyzing the frame of the change system of urban public passengertransport, decomposing the system network, and analyzing its domestic and foreign research. The paper Points out it is great urgent to solve the public transportation contradiction and forming the rational transportation structure must be well synthesized by many aspects. At first, this text expound the problems facing urban transport, it is proposed that the necessity of the city public transit transfer system optimization. In a wide range of survey data, information on bus transfer organizations on the status quo at home and abroad, research and analysis of Weihai City, public transport on the basis of the status quo, bus transfer method of comparison, the choice of the adjacent matrix method to study the Weihai city public transit organizations. The City of Weihai traffic through the network of selected sites are important transfer write adjacent matrix and projections. Operational results of the use of the existing public transit system needed to the transfer number, then take time, travel costs, trip distance, and so on. With the analysis of these data, then the study transfer system for quantitative evaluation. According to the quantitative evaluation of the results, considering the passengers, public transport, road traffic conditions, and other characteristics, economic, apply the principle of coordinated and sustainable, reasonable optimization programmes, including the transfer system to fill bus lines in the blind spot, the merger repeat Similarity or excessive bus lines, implemented the policy of floating the fare specific programmes.To build a more reasonable application of public transit transfer system.Keywords Public Transit Transfer, Adjacent Matrix, System Evaluation, Organization Optimization 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景及问题的提出11.2 国内外研究现状31.2.1 国外研究现状31.2.2 国内研究现状41.3 课题研究的意义和内容61.3.1 研究的意义61.3.2 研究的内容和方法8第2章 城市公交换乘组织理论研究102.1 公交换乘系统概述102.1.1 公交换乘组织定义102.1.2 公交换乘系统主要内容102.2 公交换乘的地位和作用102.2.1 换乘的必要性102.2.2 换乘的有效性112.3 公交换乘的实现方法112.3.1 常规方法112.3.2 邻接矩阵法132.4 本章小结15第3章 威海市公交换乘系统组织评价163.1 威海市城市道路网络分析163.1.1 威海市路网系统的特点163.1.2 路网分块163.2 城市公交系统现状183.2.1 现有公交线路状况183.2.2 现有公交线路地理分布图213.3 公交换乘邻接矩阵列写及推算283.3.1 公交换乘系统线路邻接矩阵列写及推算举例303.3.2 公交换乘系统线路邻接矩阵列写313.3.3 公交换乘系统时间邻接矩阵列写及推算333.4 公交换乘系统评价343.4.1 公交换乘系统评价指标体系建立343.4.2 公交换乘系统评价353.5 本章小结39第4章 威海市公交换乘系统的优化404.1 优化体系的原则404.2 优化的影响因素404.3 对现有公交换乘系统的优化方案414.4 本章小结46结论47致谢48参考文献49附录51初始邻接矩阵51莱海51威韩商城56实验中学60海港客运站64华联商厦67特乙甲家居广场69- 69 -第1章 绪论1.1 研究背景及问题的提出1987年威海市成为地级市，随着威海市改革开放的深入与经济的持续高速发展，威海市作为胶东半岛中心城市的辐射作用越来越突出。虽然几年来，威海市城市基础设施，如铁路、海运、航运和公路运输等都得到了迅速的发展，但是，随着车辆保有辆的增加和人流、物流量的快速增长，城市交通量也迅速增加，城市交通问题13日趋突出。汽车造成的道路拥挤，行车不畅，车辆延误，并且还产生空气污染和噪音污染，不仅对城市居民的出行带来了很大的不便，阻碍了经济发展，而且，给政府和交通部门带来了很大的压力。随着和谐、可持续发展城市交通概念的提出，许多城市开始采用综合交通运输政策。该政策能够发挥各种交通方式的特长，尤其是大容量的公共汽车和快速轨道交通车辆，来降低汽车交通需求，缓解交通矛盾。作为城市主动脉的公共交通承担着越来越繁重的运输任务。与此相对应，公交的线路数量和投入运营的车辆数量也在迅猛增加，公交的服务时间在延长，服务范围在扩大，服务质量在提高，对人们的吸引力也在增强，在油价上涨和能源短缺的今天，人们的出行将越来越依赖公共交通。(1) 交通需求的增长交通需求的增长来源于经济的增长和城市自身发展的需要。城市化发展对城市交通提出了更高的要求。到2000年底，威海市人口为52.96万人。按照目前的城市化进程，预计到2010年，城市人口可达到72.82万人左右，机动车保有量为18.87万台，城市化水平将达到一个新的高度。展望城市未来的发展，城市客运交通系统的发展必须与之相适应。 威海市作为区域交通枢纽的作用日益加强。从环渤海经济圈层面、山东省域层面、青烟威区域层面、威海市域层面四个不同层面，结合威海不同的城市地位，威海“大交通”地位已经不可否认。而庞大的运输量需要相应的城市内部运输能力来提供保障，没有足够的交通设施是完不成外来运输任务的。 城市中自行车拥有量已趋饱和，但其绝对数量还在增加，并开始呈现出向小汽车转化的发展趋势。特别是最近几年，城市机动车增幅在年均15左右。随着汽车工业产业政策的实施及一些有利的私人购车措施的出台，将会有更多的汽车进入城市，城市客运交通将面临更为严峻的局面。 城市用地的扩大，导致了公交出行距离的增加，换乘问题至关重要。(2) 交通供应严重不足4 道路网络设施是基本的交通供给。其供应不足主要表现在三个方面：其一是路网容量不足。其二，路网结构不合理：道路空间结构多处于平面交通状态，主干道上行人过街影响突出；路网功能布局混乱，主干道、次干道和支路比例失调，衔接关系紊乱，难以适应交通现代化的需求。其三，忽略交通静态设施(如停车场、交通管理标志和信号设施，公交站点、换乘枢纽等)的建设，难以满足交通管理的需要，影响道路通行能力。 由于缺乏重视和适当的资金投入，我国常规公交日益滑坡而私人交通发展较快。据世界银行的预计报告，中国大部分城市的公交出行分担率在6%25%之间，而国外大城市的公交分担率一般在4080之间。虽然近年来我国特大城市的轨道交通筹建速度也明显加快，但由于投资巨大，总的来说，尚处于起步阶段，发展缓慢，大城市要形成以大中运量轨道交通为主体的综合客运体系，还需要一个相当长的过程。至今，我国仅有北京、上海、天津、广州四座城市拥有地铁，其他大城市公共交通出行几乎还全部依靠常规地面公交，尚未形成以轨道交通为骨干的综合客运交通体系，公共交通不堪重负。城市公共交通的矛盾主要表现为公交客运量的供求矛盾、服务质量较低与居民出行多层次需求的矛盾。 到2000年底 ，威海市公交总公司已经拥有在册车辆数333辆，其中单节车233辆，中巴车91辆，铰接车9辆，折合标准车381.5标台。城市公交每年承担的客运量是7103.9万人次，是1995年客运量的3.7倍，公交车年收入3103.9万元，是1995年的4.25倍。目前，威海市每万人拥有公交车辆数为12.1标准台/万人， 公交车辆平均安全运行间隔里程为71.1万公里/次，公交车辆进场率为6.5%，车辆报废率为2000年为40%，2001年的报废率为62.5%，新增车辆全部是新型城市公交车辆。威海市的轨道交通尚处于开发阶段。这些还不能满足居民快速增长的出行需要。(3) 交通管理手段落后交通管理是保障交通安全，提高通行能力和维持交通系统协调，并实现交通可持续发展的重要措施。目前，我国城市中交通控制和交通安全管理的现代化设施极少。威海市只有部分主要路口采取了智能交通控制手段。面对日趋尖锐的城市交通需求与交通供给之间的矛盾，为了缓解城市客运交通车辆拥挤、道路堵塞的严峻局面，特别是针对城市发展中存在的土地资源非常紧张的形势，越来越多的交通工作者认识到解决城市交通问题的根本出路在于优先发展公共交通，建立一个以轨道交通系统为骨架，以常规公交为主体，多种交通方式互相协调的总和客运交通体系，以提高城市的整体客运交通水平。在公共交通的使用中，面对着人们的活动范围的扩大，出行往往不可能一次到达，如何换乘成为人们出行前首先要考虑的问题。完整的出行问题是解决从出发点到目的地的路径选优的问题。乘客从某一起点，可能需要一次或多次换乘不同的线路才能到达目的地，其中核心的问题是换乘问题，即换乘几次，如何换乘的问题。本文试图利用邻接矩阵的理论来解决这一问题。1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状随着综合交通体系的发展，国外发达国家大城市各种交通方式的多式联运、港站内各种运输设备的匹配与布置日益一体化，城市对外交通与城市内部交通的衔接也趋于成熟。在技术上，各种交通方式的集约要求逐渐淡化各自为政的行业领域观念；在管理上，不同部门之间的协调和谈判成为工作制度和管理组成部分。例如纽约城市公共交通各种方式(地铁、通勤铁路、轻轨地面公交、轮渡等)均由纽约州交通局(NewYork Metorpontan TrnaPsrtatino Authority)统一管理，实现各种交通方式之间统一规划和管理。城市公共交通的这种管理体制便于组织各种交通方式之间的衔接和换乘，提高整个城市交通系统的运输效率。很多城市也非常重视交通方式衔接与换乘系统的建立。巴黎公共交通是一个庞大而复杂的综合交通网，因而各种线路和交通方式之间的衔接和换乘十分重要。在它地铁各换乘站，乘客不必出站就可以换乘另一线路的列车，另外，还有不少组织得很巧的换乘枢纽，把铁路车站、地铁站、公共汽车站、出租汽车站、停车场及一些商店巧妙地设置在同一建筑中，形成地下和地面立体配置，达到整体化的要求。它的许多换乘站都按照其功能要求，因地制宜地设计56。公交换乘系统在众多欧美国家已经非常先进与发达，同样，对于公交换乘系统的理论研究工作，它们己经远远领先我国水平。Peter提出只有乘客到达换乘点的时间变动在固定的时间范围之内，才能定义最适合的换乘时间7。J.Anez研究了用二重图表示公交网络中换乘情况的简化模型。HongK.ol等建立了模型来解决多种公交方式换乘过程中计算换乘方式数目及换乘中的非线性费用两个问题。NguyenS与SpiessH将乘客选择公交换乘作为通常的线性问题研究，他认为乘客并不是选择在公交站点第一辆到达的公交汽车，而是使整个出行时间最短的公交汽车。wu，J.H考虑了公交等待时间和在车时间，对spiess的研究内容加以改进。FernandezE建立了多种运输方式交叉换乘的框架模型，提出了3种整合模式和路径选择方式。LZoanoA与StorchiG研究了换乘方式选择中的行为问题5。1.2.2 国内研究现状我国的公交换乘系统虽然较国外起步晚一些，但是经过国内学者的不懈努力，取得了一定的研究成果，主要体现在如下4个方面5:(1) 研究公交换乘系统功能，指标以及对公交网络优化的影响裴玉龙等通过引入换乘强度指标，建立了换乘强度模型，探讨了换乘强度指标在停车换乘规划和换乘需求定性分析中的实际应用意义。韩传峰，胡志伟通过建立数学模型，研究城市公交路网的拓扑结构，计算反映其综合性能的指标一平均换乘次数，对该城市的公交路网的性能做出评价，据此评价给出该公交路网的发展战略汇。师桂兰等以平均换乘次数反映网络可达性这一指标，来讨论公交线网的性能，最后得出结论：换乘次数越大说明城市公交路网的可达性越差，公交路网的性能也越差，反之换乘次数越小说明该城市的公交路网的可达性越好，公交路网的性能也越好。田琼考虑从生活区到工作区有三种交通方式可供选择的情形：一是全程驾车，二是地铁直达，三是在瓶颈处停车再换乘地铁到达目的地。以瓶颈模型为基础，建立了基于随机均衡的交通方式选择模型。研究结果表明，设置恰当的地铁票价和停车收费水平，可以实现系统的净收益极大，此外，也存在一种地铁票价策略使地铁的收益最大，但票价水平高于系统净收益极大时的票价水平，并且设计了算例，算例结果支持了模型分析结论。(2) 研究基于公交换乘的公交线路最短路问题翁敏在讨论公交网络特性的基础上，提出适于公交网络的数据组织，将公交网络的数据组织以结点一弧段一有向线进行描述，研究综合换乘次数及距离因素的出行路径选择模型，并提供算法的实现。傅冬绵设计了最小换乘的广度优先搜索算法摘要，他把图论中针对单个结点的广度优先搜索思想，推广到拥有若干个结点集合的广度优先搜索上。对旅游路线中最佳路径的问题，提出一种新的算法，可解决旅游路线中的最少换乘问题。赵巧霞分析了一般公共交通的特点，建立了以换乘次数最小为第一目标，途经站数最小为第二目标的最优公交出行路径模型。对这一组合优化问题，设计了广度优先搜索算法，包括换乘次数上界确定和换乘点选择算法。徐兵从节约存储空间、提高运算速度出发，结合最短路径换乘算法的优缺点，给出了一种高效的换乘算法数据模型，并设计了基于站点优先级的公交换乘算法，最后给出该算法的应用实例。苏爱华针对公交网络换乘问题构造了公共交通网络模型。基于该模型，提出了基于改进Dijkstra算法的公交网络最短路径问题的求解。将求解最短路径获得的站点作为搜索站点，并将这些站点及经过这些站点的线路构成换乘矩阵，结合换乘次数的要求，给出了换乘的实现算法，确定可行的换乘方案。(3) 研究换乘枢纽的系列问题王有为针对我国大城市综合交通系统的不足，参照国外的先进经验，对城市公共交通枢纽做了比较深入的研究。他首先对城市公共交通枢纽进行合理的分类，在此基础上提出了关于城市公共交通枢纽吸引范围和设计规模的合理预测方法。将Logit数学模型引入公共交通枢纽的研究。提出了预测公共交通枢纽的Logit模型。城市交通换乘衔接是一个十分复杂的问题，涉及多个部门和多个学科，具有很强的社会性、综合性与交叉性。周伟针对这一问题对城市交通换乘衔接的内涵、分类及换乘影响因素进行了深入的分析，并以此为基础，按照目标理论分析、内容设计、检验实施的系统分析过程提出了城市客运交通换乘衔接研究的理论框架，重点从换乘量分析、换乘衔接组织、换乘建设策略与方法及换乘综合评价等方面介绍了城市客运交通换乘枢纽衔接问题研究的理论与方法，并对其进行了理论分析和探讨。席庆通过对交通运输枢纽换乘模式的研究，从保证枢纽中各种运输方式协调的角度出发，提出了根据集中与分散相结合的交通运输通道理论，对枢纽中的客运站点进行布局，并结合实例，阐述了枢纽客运站点的布局方法。盛志前从换乘和交通设计的角度理清了枢纽的组成内容，明确了枢纽交通设计在规划层次中的地位，提出了枢纽交通设计的设计原则、设计内容和流程。刘有军通过评估各个备选点位可达性指标的大小，提出一种简单可行的基于GIS的停车换乘设施优化选址方法。分析了影响居民使用停车换乘方式的最重要的个体特征，各个备选点位的影响范围及可达性指标，对备选点位进行分析排序，并对其在城市交通战略研究中的作用进行展望。(4) 换乘系统评价问题的研究孙小年在分析城市客运交通换乘衔接内涵的基础上，依据综合评价指标体系建立的原则，建立了城市客运交通换乘衔接的综合评价指标体系，并对综合评价指标体系进行了定义与量化，最后，结合宁波客运换乘实际状况采用层次分析法对系统进行了分析与评价。覃煌提出了用数据包络分析方法进行轨道枢纽换乘效率评价的新思路，建立了输入输出指标体系和DAE非均一评价模型，给出了换乘效率、输入冗余率和输出亏空率以及运行有效性的评价分析方法，并进行了广州地铁枢纽换乘效率评价的实例研究。朱雪松采用系统工程学的层次分析方法建立了评价指标体系，并对不同指标赋予了权重；在此基础上提出了对公共枢纽的换乘衔接进行评价的模糊评价方法。覃煌在总结我国城市交通主要矛盾的基础上，提出建立城市综合客运交通体系来缓解城市交通问题的建议；简要介绍其优化的目标和基本要素以及换乘系统规划布局的措施；建立换乘系统的评价指标体系和评价指标的量化方法。1.3 课题研究的意义和内容1.3.1 研究的意义1.3.1.1 研究的理论意义近年来，随着社会经济的高速发展，城市公共交通系统的建设与发展己经成为一个公众非常关注的问题，城市的发展与社会的进步，需要更加现代化的城市公共交通系统来满足人们出行的需求，而对城市公共交通系统的高要求也促使它需要一个高标准的公交换乘系统与之匹配。目前我国的城市公交换乘系统还相当不成熟，理论研究也起步较晚。探讨城市公交换乘系统的组织模式、相应的理论，将会极大促进我国公交换乘系统的发展，为我国建立现代化的城市公交系统提供支持与理论依据，研究换乘设施建设的社会效益以及环境效益，对实现城市公交系统的可持续发展有重要的意义。当前，实现公交换乘现有的算法和方法为：迪杰斯特拉(Dijkstra)算法、蚂蚁算法、依靠GIS组件等8。其中迪杰斯拉算法在公交站点很多的情况下，数据量大，运算速度慢；蚂蚁算法难于理解；GIS组件成本高。相对上述已有方法，用邻接矩阵方法实现公交换乘能够弥补上述不足。威海市公交线路存在往返路线一致、来返路线不一致等情况。这个系统模块要实现以不依靠第三方组件、乘车路线较优为约束条件的公交换乘。通过对邻接矩阵实现公交换乘方法进行了改进，增加实现来返路线不一致、内外线、最少站点等功能。1.3.1.2 研究的实际意义威海市是一个集市内公共交通、长途客运交通、铁路交通、海运、航空等多种交通出行方式于一体的城市。各种交通出行方式之间的换乘接驳则成为了一个重要的问题。而公交出行无疑是连接各种出行方式的一个有效的桥梁，公共交通的可达性及公交的换乘就成为了我们必须关注的一个课题。公共交通在道路使用权上的优先(如开辟公交专用道和公交专用路，在路口配以公交优先的信号系统)是公交在“行”方面的优先。而公交换乘系统体现了公交在“停”和换乘方面的优先。整体化是城市客运交通的发展趋势9。整体化的客运交通是一种多模式，多层次综合性的城市公共交通系统，它有轨道交通，公共汽车交通，小公共汽车和出租汽车组成。整体化的公交系统要在运能上适应不同层次客运的需要，必须以公交换乘系统为中介，使各种交通方式在时空上合理搭配。整体化的公交系统运营上的统一调度，运行时间的统一编排，衔接换乘的高效率，也必须通过公交换乘这个重要环节才能完成。交通可达性是影响城市空间布局的重要因素。各种不同的交通方式形成具有各自特点的区位可达性分布，对应一定的空间分布形态。如果不同的交通方式之间缺乏应有的衔接，各自区位可达性的简单叠合不仅不能提高，反而可能因相互影响而降低5。公交换乘系统通过协调各种方式，可以使各自的区位可达性差异缩小。由此带动城市核心人口的疏解，激活城市外围用地，诱导城市人口和就业的重新分布，促使城市空间形态结构的优化。在威海市中公交线路多达百条以上，居民难以掌握，而构建一个合理、快捷的公交换乘系统，就可以成为最好的组织城市居民活动的地方，居民只要到达某几个换乘枢纽站后，就可以通过换乘，方便地到达全市各地。此外，在换乘枢纽之间可运行直达车或大站快车，缩短乘客的出行时耗，这样一来，城市的用地虽然不断扩大，居民的出行时耗仍能被控制在规定的范围内。1.3.2 研究的内容和方法1.3.2.1 主要研究内容及观点在城市的公共交通网络中，公交换乘是乘客出行的一个重要的问题。随着城市公交规模的不断扩大，有相当部分的出行难以直达，乘客必须换乘才可到达目的地。在研究公交换乘的最优路径算法时，有必要先了解乘客出行时所考虑的因素，通过对乘客出行心理、行为的研究来确定模型的优化目标和约束条件。按照传统的想法，乘客总是选择从起始点到终迄点的最短路径。研究表明，在大部分的城市公交网络模型中。最短距离并不是决定公交线路选择的主要因素，其它因素却是十分重要的影响因素。通常受到以下几个因素的作用10： 换乘次数：是指乘客在完成一次出行过程中所换公交车的次数； 出行距离：包括车上距离和车外距离，车外距离指的是乘客为了乘车而步行的距离； 出行耗时：指乘客在一次出行过程中所需的时间，它也包括车上和车外部分，车外耗时除了在车外距离部分所耗的时间外还包括在车站等车的时间； 出行费用：指的是乘客在完成一次出行过程中所花的车费。不同乘客对于各项因素的要求都是不同的，有些人优先考虑换乘次数，有些人则优先考虑出行距离。针对实际的公交换乘要求，结合威海市公交线路的实际情况，本文提出运用邻接矩阵法1117实现公交换乘数据模型，实现以不依靠第三方组件、乘车路线较优为约束条件的公交换乘。通过对邻接矩阵实现公交换乘方法进行了改进，增加实现来返路线不一致、内外线、最少站点等功能。具体研究过程为：(1) 调查威海市公共交通网络现状。将威海市交通网络按照出行大区进行分块，选取重要出行站点作为主要研究对象，对各个站点的通过路线进行汇总，得出公交线路网络的基础数据。并根据各个重要站点位置绘制线路网络示意图，从直观图上可以看出公交线路分布情况。(2) 对已经调查得出的公共交通线路网络基础数据进行整理。在考虑换乘次数因素时，考虑把公交线路作为邻接矩阵的顶点。线路有共同的换乘站点时，矩阵元素标记为1，否则为0。再根据布尔法则进行推算，求出各站线通达所需的换乘次数18。其中，选取火汽车站、海港客运站、华联商厦、莱海、威韩商城、特乙甲家居广场、实验中学等重要出行站点作为研究的主要对象进行线路换乘研究。(3) 实现了空间上的接驳后，选取候车时间作为研究的另一个因素。例如：从哈工大站到实验中学站，可以考虑在鲸园小学或者华联商厦进行换乘。假设选取鲸园小学站进行换乘，那么可以考虑1路、13路、33路等线路。此时，等车时间就是最主要的因素之一。在时间接驳环节，预计同样用邻接矩阵来进行推导运算。设想方案为：当等车时间小于等于3min时，设矩阵元素为1；当等车时间大于3min时，设矩阵元素为0。根据该思路求出等车时间较短的换乘方案，是整个换乘过程更为优化。(4) 实现空间及时间上的换乘后，辅助考虑票价因素等出行换乘因素对规划网络进行优化，对于现有公交换乘网络系统不完善的地方进行改进，对于通达性不好的出行点进行线路增设设计。使整个威海市公交换乘系统更为优化。1.3.2.2 研究的方法利用邻接矩阵法，对城市的公交换乘系统中换乘次数、换乘时间等因素进行列写推算，从而定量分析现有换乘系统，根据结果对威海市的主要公交线路进行优化，使重要站点间以及市区间的交通出行更为便利，实现高效的公交换乘系统。第2章 城市公交换乘组织理论研究2.1 公交换乘系统概述2.1.1 公交换乘组织定义交通换乘是指交通对象为完成一定出行目的在同种交通方式、不同交通方式或交通设施之间搭乘转换的全过程以及在该过程中所得到的由载运接驳设施(如衔接通道及线路、换乘站厅等)提供的交通服务。2.1.2 公交换乘系统主要内容公共交通换乘系统包括以下三个基本方面:客运换乘枢纽的基础设施建设；交通方式之间的运能衔接与组织；先进的信息服务系统19。为了充分发挥城市公共交通的运输效益，吸引更多的私人交通方式的客流，实现城市综合客运交通体系的优化目标，就要使各类公共交通的服务水平超过私人交通工具，同时为便于城市内外交通的联系，因而公交换乘体系包括进行公共交通线网的优化设计和公交站点的合理布局以及提高公共交通的服务水平，以及发展城市内部各种客运交通方式之间以及城市内部客运交通与城市对外客运交通之间的综合换乘系统。2.2 公交换乘的地位和作用2.2.1 换乘的必要性城市的客运交通系统庞大而复杂，必须建立完善便捷的换乘系统，才能使系统充分发挥活力。其必要性可以从以下两点来说明4：(1) 以百万人口占地一百平方公里的城市为例，若每2km划分一个交通小区，其点点均直接联系需要4950条线路。显然，既无可能也绝对不必要，必须用换乘来解决。(2) 如果采用不同的交通工具，换乘更是大量存在。交通发达的国家，小汽车拥有量很大，居民出行乘小汽车的较多，而城市的公共交通，则大多依靠轨道交通。由于投资水平及城市条件的限制，轨道交通的线路是有限的，其公共交通体系多以快速轨道交通为主，地面公交为辅。很显然，在这些国家中，居民出行不可避免地会产生私人交通与公共交通地转换、公共交通间地转换需求。即使是在轨道交通尚不发达地我国，居民出行由于线路条数有限，在常规公交线路上的换乘量也是非常庞大的。2.2.2 换乘的有效性 (1) 合理方便的换乘可以充分适应出行者的选择要求，减少出行时间，提高公共交通的竞争力。(2) 考虑到重要的出行起止点以及必要和可能的出行换乘点，这种多点公共交通线路的设置方法可以经济合理地设置线路。(3) 换乘枢纽地合理设置可以为公交线网的优化、调整提供必要的条件，增加公交运营线路的应变能力，提高运营效率。(4) 现代化公共交通体系是一种多平面、多层次的立体化的客运交通体系。换乘枢纽不仅是连接城市各功能分区，实现交通方式和线路转换的功能体，它更为客运系统子系统间的有机衔接、协调、连续运转提供了有利的条件。(5) 换乘枢纽的设置为公共交通体系分阶段发展、可持续发展奠定了必要的基础4。2.3 公交换乘的实现方法2.3.1 常规方法当前，实现公交换乘现有的算法和方法为：迪杰斯特拉(Dijkstra)算法、蚂蚁算法、依靠GIS组件等18。2.3.1.1 Dijkstra算法两点间的最短路径以Dijkstra算法最为经典，但Dijkstra算法只能求出两点间的一条最短路径，不能求出两点间的所有最短路径。该算法在公交站点很多的情况下，数据量大，运算速度慢81820。2.3.1.2 蚂蚁算法蚁群算法(ant colony optimization，ACO)，又称蚂蚁算法21，是一种用来在图中寻找优化路径的机率型技术。它由Marco Dorigo于1992年在他的博士论文中引入，其灵感来源于蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行为。它包括的考虑因素有：范围，环境，觅食规则，移动规则，避障规则，播撒信息素规则等。根据这几条规则，蚂蚁之间并没有直接的关系，但是每只蚂蚁都和环境发生交互，而通过信息素这个纽带，实际上把各个蚂蚁之间关联起来了。 蚂蚁如何找到最短路径的？这一是要归功于信息素，另外要归功于环境，具体说是计算机时钟。信息素多的地方显然经过这里的蚂蚁会多，因而会有更多的蚂蚁聚集过来。假设有两条路从窝通向食物，开始的时候，走这两条路的蚂蚁数量同样多(或者较长的路上蚂蚁多，这也无关紧要)。当蚂蚁沿着一条路到达终点以后会马上返回来，这样，短的路蚂蚁来回一次的时间就短，这也意味着重复的频率就快，因而在单位时间里走过的蚂蚁数目就多，洒下的信息素自然也会多，自然会有更多的蚂蚁被吸引过来，从而洒下更多的信息素；而长的路正相反，因此，越来越多地蚂蚁聚集到较短的路径上来，最短的路径就近似找到了。也许有人会问局部最短路径和全局最短路的问题，实际上蚂蚁逐渐接近全局最短路的，为什么呢？这源于蚂蚁会犯错误，也就是它会按照一定的概率不往信息素高的地方走而另辟蹊径，这可以理解为一种创新，这种创新如果能缩短路途，那么根据刚才叙述的原理，更多的蚂蚁会被吸引过来。2.3.1.3 依靠GIS组件进行公交换乘 地理信息系统23(GeograPhieInformationSystem，GIS)是用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统。其基底数据模型表达主要有点、线、面三种。在城市公交网络模型中，自然需要通过GIS点模型来描述公交车站信息，用线模型来描述公交线路的路径信息。相比较而言，城市公交网络比道路网络更为复杂，除了节点与线的数据模型之外，还有许多其它的信息10。(1) 公交站点：包括城市公交网络中所有的公交站点，可以通过点型来描述其空间位置，并将其站点名称等信息记录在性数据中。(2) 公交线路：各公交线路具有惟一编号，并且可将公交线路名称、起点、终点、开班、收班时间等信息记录在属性数据中。(3) 公交段：包括城市公交线路的路径信息。可通过线模型来描述其空间位置。(4) 线路与站点关联：记录公交线路经过站点的信息，并且按顺序记录站点，以此记录线路与站点的关联信息。(5) 站点与线路关联：记录站点所经过的公交线路信息，以此记录站点与线路的关联信息。虽然GIS组件功能很强大，但是该换乘研究方法的设备先进，同时成本很高，高费用使得它的应用受到限制。2.3.2 邻接矩阵法相对上述已有方法，用邻接矩阵18方法实现公交换乘能够弥补上述不足。威海市公交线路存在来返路线一致、来返路线不一致等情况。这个系统模块要实现以不依靠第三方组件、乘车路线较优为约束条件的公交换乘。通过对邻接矩阵实现公交换乘方法进行了改进，增加实现来返路线不一致、内外线、最少站点等功能。邻接矩阵是图论中的重要理论，邻接矩阵和有向图之间有着一一对应的关系，即从邻接矩阵可以画出唯一的有向图，反之，根据有向图可以写出唯一的邻接矩阵。具体的讲，对于有n个要素的系统(p1，p2，p3pn)，定义邻接矩阵A如下:A= aij (2-1)式中 aij=当线段从pi向着pj时，aij值为1，否则为0。利用图论方法研究问题日益广泛，首先将研究的对象抽象成一个图。图的顶点表示事物，图的边表示事物之间的联系，然后根据图的性质和有关的理论进行研究。城市公交线路系统换乘模型的建立：假定某城市共有n条公交线路，可以把n条公交线路抽象为n个顶点，任意两条公交线路之间的联系决两者之间有无交点(共同的停靠站点)，相应地该两条线路之间的矩阵元素值为1或者0，这样就把城市交线路系统可以抽象为n*n邻接矩阵。可以借用邻接矩阵的特性和算法，来解决公交线路换乘问题。我们假定某城市有1路、2路、3路、4路这四条公交线路；组成的邻接矩阵为： (2-2)矩阵(22)表明，1路与2路有共同的停靠站点，1路和2路的各站点间最多经过1次换乘就可到达，1路路、4路没有共同的停靠站点，经过1次换乘无法