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城市公交网络结构分析及公交网络设计研究

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致谢

摘要

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 论文研究意义

1.3 研究内容与技术线路

1.3.1 研究内容

1.3.2 论文结构

1.3.3 研究技术路线

1.4 本章小结

2 研究综述

2.1 城市公共交通网络特性

2.2 公交网络换乘系统研究

2.3 城市公交网络客流分配

2.4 公交网络设计与优化

2.5 蜂群优化算法研究

2.6 本章小结

3 城市公交网络拓扑结构分析

3.1 公交网络构成要素与特点

3.2 基于图论的公交网络拓扑结构分析

3.2.1 基于图论的统计指标

3.2.2 测试网络

3.2.3 实例分析

3.3 基于复杂网络理论的公交网络拓扑结构分析

3.3.1 公交复杂网络拓扑描述

3.3.2 常用的复杂网络分析工具

3.3.3 基于复杂网络理论的统计指标

3.3.4 实例分析

3.4 本章小结

4 公交网络换乘系统分析及评价

4.1 公交网络换乘次数分析

4.1.1 公交网络平均换乘次数计算方法

4.1.2 线路在网络换乘中的作用

4.1.3 有效减少网络换乘次数的方法

4.2 基于随机客流分配的换乘分析

4.2.1 超级网络构造

4.2.2 假设条件和超级网络中边费用

4.2.3 随机平衡配流模型

4.2.4 仿真与结果分析

4.3 基于灰色关联度的换乘站点评价

4.3.1 评价指标的建立

4.3.2 灰色关联度模型与算法

4.3.3 案例分析

4.4 本章小结

5 基于蜂群算法的公交网络设计

5.1 公交网络设计相关问题分析

5.1.1 公交出行费用组成与乘客线路选择

5.1.2 基础数据

5.1.3 单条公交线路设计

5.1.4 多条公交线路设计

5.2 基于蜂群算法的公交网络设计模型

5.2.1 蜂群优化算法实现

5.2.2 公交网络设计的蜂群算法模型

5.3 算例分析

5.3.1 瑞士Mandl网络

5.3.2 Mumford大规模网络

5.4 蜂群算法效率分析

5.5 实例分析

5.5.1 保定市公交线路存在的问题

5.5.2 优化方案

5.5.3 优化结果

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

附录

作者简历

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摘要

随着经济发展和社会进步,城市交通需求不断增加,城市机动车数量呈现爆发式增长,城市交通需求增长与能力供给的矛盾日益突出,带来了严重的交通拥堵、能源消耗、环境污染和噪声污染等问题。面对这些问题,大城市纷纷采取措施限制机动车增长,大力发展城市公共交通已被公认是解决城市交通难题的一种有效方法。城市公共交通是一个十分复杂的系统,公交网络是系统运营的基础,然而既有公交网络结构设计不尽合理,造成了运营效率低、乘客出行距离长、换乘次数多等问题,严重影响了乘客使用公共交通出行的积极性。因此,对既有公交网络的问题进行深入分析,研究城市公交网络的拓扑结构特点和设计方法有利于公交网络结构优化,进而提高公交系统的运营效率,增加公交系统的竞争力。
  本文以公交网络为研究对象,从公交网络结构评估分析、换乘因素和网络设计三方面展开研究,旨在系统的分析公交网络结构特征,构建公交网络设计可行方案,为公交网络优化设计提供理论支撑,具体的研究内容如下:
  首先,以城市公交网络拓扑结构为基础,利用图论和复杂网络理论构建评估因子,分析公交网络结构特性。以保定市、济南市、石家庄市、苏州市和北京市5个城市的公交网络为例,分析了国内公交网络结构的复杂特性,结果表明公交网络度分布符合漂移幂律分布,是一种正相关的网络,具有明显的社团结构。
  其次,研究了公交网络的换乘问题。介绍了三种公交网络站点间换乘次数的计算方法,并提出一种基于P空间构建的公交网络换乘次数计算模型,深入分析了公交网络的换乘特性。通过增加线路的方式减少网络换乘次数,发现在度较小节点之间增加线路能有效减少网络换乘次数。考虑换乘因素,建立了随机客流分配模型,得到换乘距离对公交乘客在网络上客流分布的影响;利用灰色关联度法建立了公交网络换乘站点评价系统,评价指标主要包括乘客换乘设施、换乘便捷性和换乘舒适性,实例表明所构建模型能有效的对公交站点进行评估,可为公交站点换乘优化提供参考。
  最后,研究了公交网络设计问题。采用系统分析法分析了公交网络设计过程中费用的组成,以及不同线路布局对费用产生的影响,比较了单条线路布局和多条线路布局的差异。以乘客总出行时间和网络总换乘次数最少为优化目标建立了公交网络设计模型,提出了基于蜂群算法的求解方法。利用贪婪算法产生初始线路集合,然后采用一种新型蜂群算法对初始解集进行改进。使用瑞士Mandl网络与Mumford网络对模型进行验证,结果表明该模型能产生更优的解,算法效率较好,适用于大规模公交网络设计问题,并以保定市公交网络为例进行案例分析,结合线路在网络换乘中的作用和线路非直线系数构造线路评估因子,对保定市公交网络进行了优化设计,取得了满意的结果。

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