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基于IC卡信息的公交客流起止点反推方法

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基于IC卡信息的公交客流起止点反推方法 第40卷第7期 2012年7月 同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版) JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) Vol.40 No.7  Jul.2012 文章编号:0253-374X(2012)07-1027-04  DOI:10.3969/j.issn.0253-374x.2012.07.011 收稿日期:2011-05-19 基金项目:国家自然科学基金(60974093) 第一作者:周雪梅(1968—),女,副教授,工学博士,主要研究方向为交通运输规划与...
基于IC卡信息的公交客流起止点反推方法
第40卷第7期 2012年7月 同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版) JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) Vol.40 No.7  Jul.2012 文章编号:0253-374X(2012)07-1027-04  DOI:10.3969/j.issn.0253-374x.2012.07.011 收稿日期:2011-05-19 基金项目:国家自然科学基金(60974093) 第一作者:周雪梅(1968—),女,副教授,工学博士,主要研究方向为交通运输规划与管理.E-mail:zxm1007@sohu.com 通讯作者:杨熙宇(1982—),男,硕士生,主要研究方向为交通运输规划与管理.E-mail:yangxiyu001@163.com 基于IC卡信息的公交客流起止点反推 周雪梅,杨熙宇,吴晓飞 (同济大学 交通运输工程学院,上海201804) 摘要:公交客流起止点(origin-destination,OD)矩阵是公交 线路调整和优化的重要依据,通过公交IC(integrated-circuit) 卡信息获得的数据研究了公交出行的特征.以公交站点上下 客人数为约束条件提出了综合考虑了公交乘客上下车概率 与公交站点产生吸引因素的反推模型,实例表明该方法 能显著提高反推的精度,反推结果更具可靠性. 关键 词: 公 交 IC (integrated-circuit)卡;OD (origin- destination)反推;产生吸引系数 中图分类号:U 491  文献标识码:A Origin-destination Matrix Estimation Method of Public Transportaion Flow Based on Data From Bus Integrated-circuit Cards ZHOU Xuemei,YANG Xiyu,WU Xiaofei (College of Transportation Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China) Abstract:The origin-destination(OD)matrix is the important data for transit line adjusting and optimizing.The public transportation passenger’s travel behavior was researched based on data from integrated-circuit(IC)cards.A public transportation estimating OD matrix model was presented from the passengers’boarding and alighting probability and production-attraction factors of transit site, with the constraints of the boarding and alighting passenger number. The results of a rigorous validation with data from a real bus route reveal that the proposed model is quite effective and reliable. Key words:public transport integrated-circuit cards;origin- destination matrix;production-attraction coefficient   大力发展城市公共交通的首要问是做好城市 公共交通规划,而公共交通规划的前提则是获取公 交客流OD(origin-destination)矩阵,根据公交客流 OD矩阵调整或优化公交线路.公交客流OD矩阵的 获取大多通过客流调查的方法获取,这种方法 耗费大量的人力、物力和财力,并且取得的数据精度 很难控制,于是公交客流OD反推技术对于大力发 展公共交通具有一定的理论及实际意义. 公交客流 OD反推模型主要包括概率论模型、 结构优化模型、双层网络规划模型等.概率论模型是 根据大量调查统计资料建立公交乘客出行站数与概 率之间的关系模型,可通过少量的站点上下客人数 调查数据利用模型计算得到公交客流OD.结构优化 模型通过引入吸引权系数,建立各公交上下站之间 的指数分布模型.双层网络规划模型是通过设置上 下层模型和约束条件,利用遗传算法求解模型.自20 世纪70年代以来,国外的交通规划和数学规划界学 者就开始了对公交客流 OD矩阵反推问题的研究, 提出了一些反推模型和算法.Tsygalnitsky[1]最先提 出了一种较简单的算法,该法不考虑公交站点的性 质,假设乘客在各个站点下车的概率是一样的,通过 计算各个公交客流 OD对之间的吸引概率,从而计 算最终的公交客流 OD分布矩阵.Simon等[2]提出 了利用公交站点上下客人数进行公交线路OD矩阵 估算的模型并进行了数值分析.Furth等[3]的研究指 出公交线路经过的明显的大吸引区(如火车站、商业 中心)概率和一般站点概率相差很大,并通过简单明 了的模型和实例分析,找出了以往反推的精度不足 的原因.文献[4]通过居民出行目的的抽样调查分别 计算乘客在2类站点(住宅区和非住宅区站点)下车 的概率,以此为依据计算各个 OD对之间的分配概 率,最终得到各个OD对之间的出行量. 国内对公交客流OD矩阵反推方法的研究较国 外晚,公交客流 OD矩阵反推主要是基于调查数据     同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版) 第40卷  统计分析得来.朱从坤等[5]引入吸引权系数,提出了 由上下车人数推算单条公交线路量的结构化模型算 法.窦慧丽等[6]通过对公交出行行为特征调查分析, 研究了公交乘客出行站数的概率分布,基于公交乘 客下车概率,以公交站点上下客人数和路段客流量 为约束条件,提出了单条公交线路客流 OD矩阵的 推算方法.刘颖杰等[7]通过对公交IC(integrated- circuit)卡信息的处理获得公交站点上下乘客人数及 对公交乘客出行特征的分析,优化了单条公交线路 站点间公交客流OD反推算法. 本文针对单条公交线路提出了基于公交IC卡 数据的公交客流 OD矩阵反推模型.反推模型综合 考虑了公交乘客下车概率与公交站点用地性质对乘 客的上下车情况的影响,以站点上下客人数为约束 条件,进行修正迭代计算给出OD推算的计算结果. 1 公交IC卡信息 公交IC卡的普及为公交客流 OD 数据的获取 提供了新的途径.公交IC卡系统记录了大量有用的 数据信息,如乘客每次刷卡信息(包括刷卡时刻、刷 卡车辆编号、刷卡金额等),但是目前公交IC刷卡记 录中只记录乘客上车站点,不记录下车站点.因此, 现有IC卡数据信息不能直观反映公交客流 OD分 布情况. 但因大部分公交乘客为通勤出行即往返程出 行,所以通常公交线路的客流是稳定的.假定公交上 下行线路客流对称,即上行线路早高峰时刻各站点 下车人数与下行线路晚高峰时刻相应站点上车人数 相接近,由此可以等同地得到各站点的下车乘客数. 2 公交出行特征分析 城市公交出行受到出行距离的影响.出行者选 择乘坐公交出行时,其出行站数主要集中在某个范 围,当乘坐到一定站数时,其在此范围内公交站下 车的概率较大;而当相对于上车站点的距离过长或 过短的公交站点,其下车的概率相对较小. 公交出行同时还受各站点周边用地性质的影 响.假设站点1,2,3对应的周边用地性质为住宅区、 商业区、行政办公区,显然基于站点1产生和吸引的 公交客流OD量大于基于站点2产生和吸引的公交 客流OD量,基于站点2产生和吸引的公交客流OD 量大于基于站点3产生和吸引的公交客流OD量. 3 模型建立及算法研究 文献[6]通过对单条公交线路的跟车调查数据 进行处理分析,绘出了从出行站数的概率趋势曲线, 经过χ 2 检验,在显著水平0.05下服从泊松分布[6]. Pij(k)=λ ke-λ/(k!)-1 ∑ m k=1 λke-λ/k! ,k=1,2,3…,式中:Pij(k)为 乘客在站点i上车、站点j下车乘坐了k站公交的概 率;λ为乘客平均出行站数;m 为公交线路中的站点 编号.对图1所示的公交线路建立如表1所示的站 点概率矩阵. 图1 公交线路示意 Fig.1 Bus route 表1 站点概率矩阵 Tab.1 Bus site probability matrix 站点编号 1  2  3 … m-2  m-1  m ∑ 1  0  P1,2(1) P1,3(2) … P1,m-2(m-3) P1,m-1(m-2) P1,m(m-1) A1 2  0  P2,3(1) … P2,m-2(m-4) P2,m-1(m-3) P2,m(m-2) A2 3  0 … P3,m-2(m-5) P3,m-1(m-4) P3,m(m-3) A3       m-2  0  Pm-2,m-1(1) Pm-2,m(2) Am-2 m-1  0  Pm-1,m(1) Am-1 m 0   令P*(k)=Pi,j(k)/Ai,Ai 为从站点i上车到 其余各站下车的总概率,对站点概率矩阵进行归一 化处理,得到归一化后的站点概率矩阵如表2.   对于公交站点来说,如果在某站点上客人数越 多,就说明该站点公交客流发生量越大;如果在某站 点下客人数越多,就说明该站点公交客流吸引量越 大.因此,可以通过各公交站点上车人数和下车人数 来定量化站点周边的用地性质.因此,定义Fi 为公 交站点i与公交站点j之间的用地性质相关系数,称 为站点产生吸引系数Fi,j.Fi,j= TiUj (R-L)2 ,j>i 0,j≤ 烅 烄 烆 i ,式 8201  第7期 周雪梅,等:基于IC卡信息的公交客流起止点反推方法    表2 归一化后的概率矩阵 Tab.2 Bus site probability matrix after convergence 站点编号 1  2  3 … m-2  m-1  m ∑ 1  0  P*1,2(1) P*1,3(2) … P*1,m-2(m-3) P*1,m-1(m-2) P*1,m(m-1) 1 2  0  P*2,3(1) … P*2,m-2(m-4) P*2,m-1(m-3) P*2,m(m-2) 1 3  0 … P*3,m-2(m-5) P*3,m-1(m-4) P*3,m(m-3) 1       m-2  0  P*m-2,m-1(1) P*m-2,m(2) 1 m-1  0  P*m-1,m(1) 1 m 0 中:Ti为在公交站点i的上客人数;Uj 为在公交站 点j的下客人数;R为公交站点i到公交站点j的站 距;L为公交平均出行的距离.建立站点产生吸引系 数矩阵如表3. 表3 站点产生吸引系数矩阵 Tab.3 Bus site production-attraction coefficient matrix 站点编号 1  2  3 … m-2  m-1  m ∑ 1  0  F1,2 F1,3 … F1,m-2 F1,m-1 F1,m B1 2  0  F2,3 … F2,m-2 F2,m-1 F2,m B2 3  0 … F3,m-2 F3,m-1 F3,m B3       m-2  0  Fm-2,m-1Fm-2,m Bm-2 m-1  0  Fm-1,m Bm-1 m 0   令F*=Fi,j/Bi,Bi为从站点i上车到其余各站 产生吸引的总系数,对站点概率矩阵进行归一化处 理,得到归一化后的站点概率矩阵如表4.   由此,公交站点i到公交站点j的公交客流OD 量Xij可由下式确定:Xij=Ti·P*ij(k)·F*ij,根据该 式得出的Xij可以在理论上计算出各站的上下客人 数T*i 和U*j ,T*i =∑ m j=1 Xij =∑ m j=1 (Ti·P*i,j(k)· F*i,j),U*j =∑ m i=1 Xij =∑ m i=1 (Ti·P*i,j(k)·F*i,j).定义 站点公交客流产生修正系数θi和站点公交客流吸引 修正系数δj,θi=T*i/Ti,δj=U*j/Uj.利用修正系数 对公交客流 OD分布量进行修正,修正后的 OD分 布量X*ij =θi·δj·Xij.按照上式进行迭代计算,直 到第t次计算出的修正系数θi,t,δj,t的乘积θi,tδj,t接 近于1,满足设定的精度要求时停止迭代.此时的 Xij,t为推算出的公交客流OD分布量. 表4 归一化后的站点产生吸引系数矩阵 Tab.4 Bus site attraction coefficient matrix after convergence 站点编号 1  2  3 … m-2  m-1  m ∑ 1  0  F*1,2 F*1,3 … F*1,m-2 F*1,m-1 F*1,m 1 2  0  F*2,3 … F*2,m-2 F*2,m-1 F*2,m 1 3  0 … F*3,m-2 F*3,m-1 F*3,m 1       m-2  0  F*m-2,m-1F*m-2,m 1 m-1  0  F*m-1,m 1 m 0 4 案例应用 对江苏省江阴市K1路公交车途经的16个公交 站1d的公交IC卡数据整理,选择城市早高峰时刻 上行和对应的晚高峰时刻下行的公交IC卡数据,并 相应地进行了公交客流OD调查,如表5.乘客出行 站数概率如表6. 表5 早高峰时刻上行与晚高峰时刻下行数据 Tab.5 The counts of boarding passengers by direction in AM peak hours and the opposite direction in PM peak hours 站点编号 上车人数/人 早高峰 晚高峰 站点编号 上车人数/人 早高峰 晚高峰 站点编号 上车人数/人 早高峰 晚高峰 站点编号 上车人数/人 早高峰 晚高峰 1  20  0  5  46  27  9  13  32  13  3  7 2  25  0  6  44  43  10  25  42  14  1  7 3  30  5  7  21  34  11  19  25  15  0  30 4  41  8  8  30  35  12  36  34  16  0  22   按前面讲述的方法计算站点概率矩阵和站点产 生吸引系数矩阵,通过 MATLAB编程迭代计算9 次后,修正系数θi,t,δj,t的乘积θi,tδj,t近似收敛于1, 并推算出公交客流OD矩阵如表7所示.   用矩阵的二范数来检验反推得到的公交客流 OD矩阵与实际调查得到的公交客流 OD 矩阵间的 误差.推算OD矩阵的二范数为‖A‖*2 =43.12,实 测OD矩阵的二范数为‖A‖2=45.27,推算OD矩 阵与实测OD矩阵的误差ε= (‖A‖2-‖A‖*2 ) ‖A‖2 = 9201     同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版) 第40卷  4.75%,精度较好. 表6 乘客出行站数概率 Tab.6 Passenger bus site number probability 出行站数 概率/% 出行站数 概率/% 出行站数 概率/% 1  1.4  6  8.8  11  7.1 2  2.6  7  12.2  12  4.9 3  4.3  8  14.7  13  2.5 4  7.2  9  12.4  14  1.8 5  8.1  10  10.3  15  1.1 表7 反推得到的公交客流OD矩阵 Tab.7 Estimated OD matrixes 站点 编号 站点编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1  0 4 5 9 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0  0 2  1 2 12 6 0 2 0 0 0 0 1 0 1  0 3  1 4 16 7 0 0 0 1 0 0 0 0  1 4  2 13 20 4 0 0 0 0 0 2 0  0 5  8 7 18 6 3 2 0 0 0 0  0 6  0 9 15 9 6 3 1 0 0  0 7  2 7 8 2 1 0 1 0  0 8  4 15 7 2 0 1 1  0 9  5 4 2 1 0 1  0 10  0 22 0 0 2  1 11  3 2 2 13 11 12  1 1 8  6 13  0 3  3 14  1  0 15  0 16 5 结语 基于公交IC卡信息结合公交线路客流 OD调 查分析了公共交通出行特征,引入了公交站点产生 吸引系数,提出了反推公交客流OD的新方法,该方 法不仅可节约大量人力、物力,且准确、可靠.经过案 例分析验证,该方法精度较好. 提出的基于IC卡信息的公交客流 OD反推方 法从理论上可以推广到反推公交线网的客流OD矩 阵,但实际上由于目前网络的复杂性,可能会导致反 推过程中收敛于局部几条线路的最优值而非整个公 交网络的最优值.进一步的研究工作可以考虑在模 型中加入修正参数和制定新的收敛来提高模型 的预测精度. 参考文献: [1] Tsygalnitsky S.Simplied methods for transportation planning [D].Cambridge:Department of Civil Engineering of Massachusetts Institute of Technology,1977. 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