基于遺傳算法的大連市快軌三號(hào)線接運(yùn)公交布局研究

鄭明明，張勐豪

(1.大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院;2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院)

0 引 言

接運(yùn)公交線路(Feeder Bus Route)指專門為軌道交通集疏乘客的常規(guī)地面公交線路的總稱，它可以是常規(guī)巴士線路、中運(yùn)量公交(如BRT)、無(wú)軌電車線路等。建設(shè)接運(yùn)公交線路的目的是為了保證現(xiàn)有軌道交通線路有足夠的客流量，充分發(fā)揮軌道交通的運(yùn)能。

大連快軌三號(hào)線全長(zhǎng)63.45 km，其中主線長(zhǎng)49.15 km，支線長(zhǎng)14.3 km。快軌三號(hào)線起點(diǎn)位于大連站，主線終點(diǎn)至金州新區(qū)金石灘，是連接大連中心區(qū)與新市區(qū)的重要交通走廊。承擔(dān)大量的通勤和旅游客流。隨著大連市尤其是中心城區(qū)交通擁擠情況的日益惡化，同時(shí)隨著沿線土地的大力開(kāi)發(fā)，更多的客流趨向選擇大連快軌三號(hào)線出行。但是由于接運(yùn)公交網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的滯后，造成眾多客流無(wú)法方便的換乘大連快軌三號(hào)線出行。因此有必要規(guī)劃建設(shè)大連快軌三號(hào)線的接運(yùn)公交網(wǎng)絡(luò)，方便乘客出行，充分發(fā)揮其軌道交通的運(yùn)能。

目前在軌道網(wǎng)絡(luò)與公交線路的接運(yùn)優(yōu)化問(wèn)題上，陸化普提出接運(yùn)公交線網(wǎng)規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是接運(yùn)站點(diǎn)的選取和接運(yùn)路線的優(yōu)化;蔣冰蕾建立了基于已知軌道交通直接吸引流量和常規(guī)公交客運(yùn)需求OD 量基礎(chǔ)上的接運(yùn)模型;宋瑞、曹玫等研究了基于遺傳算法的城市軌道交通接運(yùn)公交線網(wǎng)的生成問(wèn)題。本文針對(duì)大連快軌三號(hào)線的接運(yùn)公交布設(shè)區(qū)域進(jìn)行具體分析，在選取接運(yùn)站點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立基于單位距離接運(yùn)公交客流量最大的城市軌道交通接運(yùn)線網(wǎng)優(yōu)化模型，采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行求解，對(duì)大連快軌三號(hào)線的接運(yùn)公交線路網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)。

1 大連快軌三號(hào)線接運(yùn)公交線網(wǎng)布局區(qū)域的確定

1.1 城市軌道交通吸引范圍

城市軌道交通吸引范圍是指城市軌道交通所吸引客流的全部區(qū)域范圍。城市軌道交通吸引范圍包括一次吸引范圍和二次吸引范圍，一次吸引范圍也稱直接吸引范圍，是指步行到城市軌道交通的客流分布范圍，是城市軌道交通的合理步行區(qū)的范圍，其最大接駁半徑為0.67 km;二次吸引范圍也稱間接吸引范圍，是指通過(guò)非步行交通方式與城市軌道交通換乘的客流區(qū)域范圍，是城市軌道交通的影響區(qū)范圍。本文中的二次吸引范圍是指地面常規(guī)公交與城市軌道交通的接駁范圍，其最大接駁半徑為2.6 ～4.1 km。

1.2 接運(yùn)公交站點(diǎn)的選取原則

對(duì)于沿固定線路運(yùn)行的快速軌道交通和常規(guī)公交來(lái)說(shuō)，車站間距都是其線網(wǎng)規(guī)劃及線路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素之一。軌道交通的常規(guī)公交站間距的合理設(shè)置，可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到提高整個(gè)公共交通線網(wǎng)的效率和效益的目的。本文中接運(yùn)公交站點(diǎn)的選取遵循以下規(guī)范:

圖1 城市軌道交通的吸引范圍

(1)接運(yùn)公交站點(diǎn)應(yīng)處在軌道站點(diǎn)的二次吸引范圍內(nèi);

(2)接運(yùn)公交站點(diǎn)應(yīng)盡量選取主干道的公交站點(diǎn)或者處在交叉口附近的站點(diǎn)，保證客流量，提高列車的運(yùn)行效率;

(3)接運(yùn)公交站點(diǎn)的站距要合理選擇，平均站距宜在500 ～600 m。市中心區(qū)站距宜選擇下限值，城市邊緣地區(qū)和郊區(qū)的站距宜選擇上限值，百萬(wàn)人口以上的特大城市，站距可大于上限值。

(4)同一區(qū)域有多個(gè)公交站點(diǎn)時(shí)，接運(yùn)公交站點(diǎn)盡量選擇符合原則(2)的有代表性公交站點(diǎn)，同時(shí)，盡量避免接運(yùn)公交盲區(qū)。

1.3 大連市快軌三號(hào)線接運(yùn)站點(diǎn)的選取

大連快軌三號(hào)線交通吸引范圍是以接運(yùn)軌道站點(diǎn)為圓心，以接駁半徑2.6 ～4.1 km 所圍成的區(qū)域即為每個(gè)軌道站點(diǎn)的吸引范圍。圖2 為輕軌三號(hào)線的吸引范圍示意圖。

圖2 大連輕軌三號(hào)線的吸引范圍示意圖

由于大連輕軌3 號(hào)線的起點(diǎn)——火車站車流密度非常大，且通往火車站的接運(yùn)公交線路多，本文不對(duì)其進(jìn)行站點(diǎn)布設(shè)。金沙灘一帶是大連新建的開(kāi)發(fā)區(qū)，客流量相對(duì)較少，也不對(duì)其進(jìn)行接運(yùn)公交站點(diǎn)布設(shè)。香爐礁，金家街和泉水由于沿線輕軌的帶動(dòng)，居民居住區(qū)增多，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，客流量非常大。故選取快軌3 號(hào)線的香爐礁，金家街和泉水三個(gè)連續(xù)的軌道站點(diǎn)，分別說(shuō)明他們的軌道站點(diǎn)的吸引范圍。

(1)首先選取香爐礁作為軌道站點(diǎn)，在地圖中通過(guò)測(cè)距獲得其二次吸引范圍，在距香爐礁軌道站點(diǎn)2.6 ～4.1 km 的圓域內(nèi)，搜索當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的所有公交站點(diǎn)，然后選擇處在主干道的公交站點(diǎn)和交叉口附近的公交站點(diǎn)，同時(shí)保證可作為接運(yùn)站點(diǎn)的距離在較小的范圍內(nèi)。如下圖3 得到B1，B2，B3，B4，B5，B6 六個(gè)公交站點(diǎn)作為香爐礁軌道站點(diǎn)的接運(yùn)站點(diǎn)集合。

圖3 香爐礁軌道站點(diǎn)的接運(yùn)公交站點(diǎn)選取圖

(2)選取金家街作為軌道站點(diǎn)，在地圖中通過(guò)測(cè)距獲得其二次吸引范圍，在距金家街軌道站點(diǎn)2.6 ～4.1 km 的圓域內(nèi)，搜索當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的所有公交站點(diǎn)，然后選擇處在主干道的公交站點(diǎn)和交叉口附近的公交站點(diǎn)，垂直于軌道站點(diǎn)的公交站點(diǎn)，盡量避免接運(yùn)公交盲區(qū)，同時(shí)保證可作為接運(yùn)站點(diǎn)的距離在較小的范圍內(nèi)。如下圖4 得到C1，C2，C3，C4，C5，C6 六個(gè)公交站點(diǎn)作為金家街軌道站點(diǎn)的接運(yùn)站點(diǎn)集合。

圖4 金家街軌道站點(diǎn)的接運(yùn)公交站點(diǎn)選取圖

(3)選取大連輕軌三號(hào)線第四站泉水作為軌道站點(diǎn)，在地圖中通過(guò)測(cè)距獲得其二次吸引范圍，在距泉水軌道站點(diǎn)2.6 ～4.1 km 的圓域內(nèi)，搜索當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的所有公交站點(diǎn)，然后選擇有代表性的公交站點(diǎn)，盡量避免接運(yùn)公交盲區(qū)。下圖5 得到D1，D2，D3，D4，D5，D6 六個(gè)公交站點(diǎn)作為泉水軌道站點(diǎn)的接運(yùn)站點(diǎn)集合。

圖5 金家街軌道站點(diǎn)的接運(yùn)公交站點(diǎn)選取圖

(4)將選取的香爐礁，金家街和泉水三個(gè)軌道站點(diǎn)，將它們分別表示為X，Y，Z。并將它們及其各個(gè)軌道站點(diǎn)的接運(yùn)公交站點(diǎn)集合{B1，B2，B3，B4，B5，B6}，{C1，C2，C3，C4，C5，C6}，{D1，D2，D3，D4，D5，D6}在一張圖中表示，如圖6所示。

圖6 選取的軌道站點(diǎn)及其接運(yùn)公交站點(diǎn)

2 接運(yùn)公交線網(wǎng)優(yōu)化模型及算法

2.1 優(yōu)化模型

對(duì)研究問(wèn)題做了如下的假設(shè):城市軌道交通線路固定;公交站點(diǎn)及軌道站點(diǎn)的相對(duì)位置已知;接運(yùn)公交客流量一定;公交線路的數(shù)量和軌道站點(diǎn)一致;即軌道站點(diǎn)為接運(yùn)公交線路的終點(diǎn);每個(gè)公交站僅對(duì)應(yīng)唯一的接運(yùn)公交線，每條接運(yùn)公交線僅與一個(gè)城市軌道交通車站相連，接運(yùn)公交車在其線路上的所有停靠站都停站。

基于上述的假設(shè)，在局部范圍內(nèi)，本文以接運(yùn)公交線路在旅客客流量一定的情況下接運(yùn)公交線路最短為目標(biāo)來(lái)建立接運(yùn)公交線網(wǎng)的優(yōu)化模型，計(jì)算公式如式1 所示

式中:Value 為接運(yùn)公交線路單位距離能承擔(dān)的旅客客流量，(人/km);E 為接運(yùn)公交線路所承擔(dān)的總旅客客流量，人;為接運(yùn)公交線路總線路長(zhǎng)度，km。

2.2 算法

采用遺傳算法進(jìn)行求解，設(shè)計(jì)遺傳算法如下。

(1)編碼方式

整個(gè)接運(yùn)公交線網(wǎng)用一個(gè)字符串來(lái)表示，每個(gè)字符串又由幾個(gè)子字符串組成，每個(gè)子字符串為一條接運(yùn)公交路線上公交停靠站的序列，并以它所接運(yùn)的城市軌道交通車站結(jié)束。基于上述假設(shè)，接運(yùn)站編號(hào)有21 個(gè)，此時(shí)若有三條線路。

Route1(a－b－c－d－e－f－x);Route2(g－h(huán)－i－j－k－l－y);Route3(m－n－p－q－r－s－z);

則它所代表的接運(yùn)公交線網(wǎng)為:

(a－b－c－d－e－f－x－g－h(huán)－i－j－k－l－y－m－n－p－q－r－s－z);

(2)初始種群及其適應(yīng)度

初始的接運(yùn)公交線路隨機(jī)產(chǎn)生，本論文通過(guò)以下C ++代碼產(chǎn)生初始種群。一個(gè)解的適配值是由其目標(biāo)值測(cè)定的，本文中接運(yùn)公交線路的優(yōu)劣由式1 來(lái)確定，可行解通常是在復(fù)制的過(guò)程才能確定。

(3)選擇策略

選擇運(yùn)算采用聯(lián)賽選擇，在聯(lián)賽選擇中，將初始種群數(shù)n 復(fù)制為兩份，每一份都分別任意排列。將相鄰的兩個(gè)染色體進(jìn)行比較，適應(yīng)度函數(shù)值較大的作為父體，則有n/2 個(gè)父體獲得，符號(hào)為fi，同樣的方法用于另一組獲得n/2 個(gè)父體，符號(hào)為mi。

(4)交叉策略

在遺傳算法中，新的交叉技術(shù)被設(shè)計(jì)以能確保后代的有效性，同時(shí)保留父代的優(yōu)勢(shì)。本文隨機(jī)選取一個(gè)交配位，子代1 交配位之前的基因選自父代1 交配位之間的基因，交配位之后的基因，從父代2 中按順序選取那些沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的基因。

(5)變異策略

變異能使個(gè)體發(fā)生突然變異，是保持群體差異，防止過(guò)早出現(xiàn)收斂現(xiàn)象的重要手段，隨機(jī)的產(chǎn)生兩個(gè)變異位，然后交換這兩個(gè)變異位上的基因。

(6)程序運(yùn)行結(jié)果

在VC+ +中運(yùn)行遺傳算法代碼，程序經(jīng)過(guò)400 代遺傳運(yùn)算后，目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解即接運(yùn)公交線路最短距離為57.7811，運(yùn)算結(jié)束。由結(jié)果可做出大連快軌3 號(hào)線的接運(yùn)公交線路如下圖7 所示。

3 結(jié) 論

本論文利用大連輕軌三號(hào)線為例對(duì)接運(yùn)公交布局區(qū)域進(jìn)行了分析，在布設(shè)區(qū)域內(nèi)按規(guī)范選取軌道站點(diǎn)的公交站點(diǎn)集合，接著對(duì)各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)確立，建立布設(shè)區(qū)域的優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)這一目標(biāo)，建立優(yōu)化模型，再用遺傳算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得出接運(yùn)公交線路布局。本文可基本解決在特定情況下的接運(yùn)公交線路的布設(shè)問(wèn)題，從而在旅客客流量一定的情況下保證接運(yùn)公交線路最短，達(dá)到使單位公交線路的旅客客流量最大的目的。

圖7 大連輕軌三號(hào)線接運(yùn)公交線路

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