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原文传递大规模公交网络乘客出行-活动模式分析及优化设计

论文题名：	大规模公交网络乘客出行-活动模式分析及优化设计
关键词：	公交网络;乘客出行-活动模式;优化设计
摘要：	随着城市化和机动化的不断加速，我国主要城市的交通基础设施建设速度已经无法追赶城市居民出行需求的增长速度，城市交通压力与日俱增。在此背景下，公交优先发展作为城市可持续发展的重要战略得以实施，推动了城市公交系统的快速建设与发展，城市公交网络规模不断扩大，在一定程度上促进了城市的协调发展，缓解了日益严峻的城市交通拥堵。然而，城市公交网络规模的增长也增加了公交系统管理与优化的难度。一方面，大规模公交网络中乘客出行需求变得更难掌握，通过人工调查获取出行数据并利用传统方法估算公交乘客出行需求变得难以实现；另一方面，城市公交网络规模的扩大意味着其优化问题复杂度的增加，许多经典的系统优化理论与方法不再适用，大规模公交网络运行效率难以提升。计算机与信息技术的飞速发展促进了自动采集数据的产生和数据挖掘与分析方法的革新，为解决大规模公交网络研究所面临的实际困难带来了新的机遇挑战。　　本文紧紧围绕大规模公交网络管理与优化的切实需要，通过融合和改进计算机、信息论、网络学等多学科领域的前沿方法和交通工程学的经典理论与模型，针对大规模公交网络乘客出行需求特征分析和系统优化，提出一套涵盖公交客流OD推导、公交乘客出行-活动模式识别与分析和公交线网优化三个核心研究主题的新方法。得益于自动化、并行高效、通用性强等优势，所提方法有望帮助公交运营与管理者更好地理解公交乘客的出行行为，快速高效地优化公交线网，以期提升公交系统运行效率，降低公交乘客出行时间成本。本文主要研究工作如下。　　（1）基于公交自动采集数据的公交客流OD推导。针对经典出行链法无法推导公交单次出行下车信息的缺陷，基于熵率的概念提出了从公交乘客出行序列中估算其出行规律性的方法，并通过结合最小熵率优化原理模拟信息论中信号降噪的机制，提出了推导公交乘客单日单次下车站点和下车时间的新模型和新算法，完善了基于公交自动采集数据的公交客流OD推导方法，有效避免了因出行链法自身缺陷导致的数据损失。以南京主城区一个月公交自动采集数据为例，在公交乘客单日单次出行下车信息的推导中，基于最小熵率改进的出行链法相较已有研究提出的“通勤返程”假设，提升了60％的推导精度，相较经典出行链法增加了20%的OD推导结果，公交客流OD整体推导的平均准确率则达到了80%。公交客流OD推导结果为大规模公交网络乘客出行行为分析、出行模式识别与分析和公交网络建模优化了可靠的乘客出行需求信息支撑。　　（2）公交乘客出行-活动模式识别与分析。针对已有研究中公交乘客出行模式定义和表示方法不同、识别出行模式种类有限等问题，基于网络学中动态高频子图的概念，提出了公交乘客出行-活动模式定义与识别的通用方法，在统一不同公交出行方式下乘客出行模式表示形式的同时，从海量公交乘客出行OD推导结果构建的不同形态出行链中快速识别公交乘客多样的出行模式。以南京地铁及公共自行车为案例，通过结合土地利用数据，推测乘客出行目的，识别了包括通勤出行、换乘出行、“居住地→工作→下班后的活动(吃饭或购物)→居住地”环状出行、“家→工作地→家→工作地”往返出行等在内公交乘客出行模式。此外，本文还深入分析了出行模式中各次出行的时空分布特征，并通过利用公交乘客出行模式识别结果进行公交乘客出行活动、目的预测和出行模式规律性分析两个应用案例，证明了所提方法在交通工程实践中的实用价值。　　（3）基于公交客流OD图聚类的公交线网优化研究。针对大规模公交网络优化设计的实际困难，以降低公交线网优化问题复杂度、提升优化效率为目标，并以公交客流OD推导结果为模型输入，通过改进图聚类算法，结合运筹学的经典理论和方法，提出了大规模公交线网优化设计的通用方法框架。所提方法遵循“分解网络，逐个优化”的核心思路，将大规模公交网络分解成小规模子网络，并行且独立地运行遗传算法设计并优化各子网络公交线路，以缩减计算时间和计算资源。通过合并子网络公交线路得到公交线网全局优化方案，并以全局方案为初始解进行再优化，减少因网络分解带来的额外换乘。基于开源基准数据和南京地面公交实际数据的两个案例分析表明，所提方法的优化效果好于多数已有方法，且能够大幅度提升公交线网设计的优化效率，切实可行地提升公交系统运行效率。在南京地面公交案例中，优化后的线网方案使乘客平均出行时间下降18.6%，换乘次数下降17.7%。　　（4）基于出行模式图聚类的公交线网优化研究。为使公交网络优化设计得到的公交线网方案更符合乘客的出行习惯，基于“分解网络，逐个优化”的主要思路，采用识别得到的公交乘客出行模式作为模型输入，利用谱方法进行图聚类以分割大规模公交网络，在降低公交线网优化问题复杂度的同时，减少图聚类对乘客已形成的出行模式的破坏，并基于与公交客流OD图聚类的公交网络设计大体一致的方法框架优化公交线网，以提升公交系统优化效率，降低公交乘客出行成本。基于南京地面公交实际数据的案例分析表明，相较南京公交原有线网方案，基于出行模式图聚类的公交线网优化方案使得公交乘客平均出行时间下降8.2%，总换乘次数下降6.8%，同时能够保留公交乘客原有83.85%的出行模式，使得优化后的公交线路更符合乘客原已形成的出行习惯。　　综上所述，本文对大规模公交网络研究涉及的公交乘客出行需求估算、公交乘客出行-活动模式特征分析、公交网络优化设计等三方面内容进行了较为全面的探索和研究，结合跨学科、多领域的前沿方法提出了一系列适应大规模公交网络研究的新模型和新算法，研究成果可为切实掌握公交乘客出行需求特征，提升大规模公交网络系统运行效率，减少公交乘客出行成本提供理论及方法支撑。
作者：	雷达
专业：	交通运输工程
导师：	陈学武
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022