一種突發事件下城市軌道交通客流預測方法與流程
2023-12-05 12:32:06
本發明涉及城市軌道交通技術領域。更具體地，涉及一種突發事件下城市軌道交通客流預測方法。
背景技術：
隨著社會經濟的快速發展，城市軌道交通以其大運量、高效率、低能耗、調度指揮可控性強等特點已成為大城市交通出行的重要方式。近年來，我國城市軌道交通發展迅速，其中，部分大城市如北京、上海、廣州等的軌道交通已進入成網運營階段。在成網運營的背景下，城市軌道交通客運量持續增加。因城市軌道交通具有客流量大、網絡結構複雜的特點，在成網條件下，一旦發生突發事件，由於缺少有效的客流預測，運營部門只能採取應急措施，造成軌道交通服務水平和運營效率的急劇下降，甚至會因應對不及時，嚴重影響乘客的出行乃至生命安全，網絡化的運營組織的難度極大。目前，我國城市軌道交通網絡化運營組織雖日趨完善，但由於城市軌道交通複雜多變的網絡運營環境將引起各類突發事件，如地鐵運營組織失誤或地鐵車輛、軌道、運營、通訊、信號設備設施故障等都有可能導致線路列車運營區間中斷、線路停運甚至整個網絡癱瘓。當城市軌道交通某條線路或者線路部分區間發生中斷後，整個城市軌道交通網絡拓撲結構發生變化，進而引起整個軌道交通網絡客流分布的變化，可能造成大量乘客滯留以及相關站點的擁擠。
突發事件下城市軌道交通乘客的心理和出行選擇行為產生不同於常態的變化，特別是在軌道交通網絡化條件下，可能產生出行方式的轉移、起訖點的重置、路徑的重選以及短時間內大量的客流聚集等行為，導致客流需求在網絡上的時空分布發生激變。現有軌道交通客流預測方法對突發事件下乘客出行選擇進行粗獷式地處理，未能全面地考慮出行方案的多樣性和可能性，未能從實際需求出發有效地進行客流預測。
因此，需要提供一種考慮突發事件下乘客出行行為特性的城市軌道交通客流預測方法，準確預測突發事件下城市軌道交通客流分布，為制定有效的應急預案和運營管理措施提供理論依據。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種突發事件下城市軌道交通客流預測方法，通過充分考慮突發事件對城市軌道交通運行的影響，考慮突發事件下乘客出行行為特性，提高突發事件下城市軌道交通客流分布預測的準確度，為制定有效的應急預案和運營管理措施提供理論依據，進而有效疏導因突發事件滯留的客流量，保障乘客出行安全，提高地鐵運營部門的服務水平。
為解決上述技術問題，本發明採用下述技術方案：
本發明公開了一種突發事件下城市軌道交通客流預測方法，所述方法包括：
s1：獲取城市軌道交通物理網絡信息、列車運行信息、客流數據和突發事件信息，確定城市軌道交通客流分布以及受影響客流數據；
s2：構建突發事件下乘客的備選出行方案集，更新乘客選擇各備選出行方案後的受影響客流數據；
s3：綜合非受影響客流數據，計算城市軌道交通各站的客流量。
優選地，所述s1包括：
s11：獲取城市軌道交通物理網絡信息、列車運行信息、客流數據和突發事件信息；
s12：計算城市軌道交通所有起訖站間的有效路徑，計算各有效路徑的選擇效用值，基於各有效路徑的選擇效用值計算各有效路徑上的客流量；
s13：根據突發事件信息，確定受影響的有效路徑，從而確定受影響客流數據。
優選地，所述s1中確定受影響客流數據的確定原則為乘客出行路線途經受突發事件影響的車站或線路、乘客到達出行路線上第一個受突發事件影響的車站的時刻在該車站受突發事件影響的時間範圍內以及乘客出行路線的方向和運營中斷方向一致。
優選地，所述受影響客流數據包括起點站、終點站、路徑、客流量和進站時間。
優選地，所述s2包括：
s21：構建突發事件下乘客的備選出行方案集；
s22：計算各備選出行方案的選擇效用，計算選擇各備選出行方案的客流量；
s23：更新城市軌道交通網絡的受影響客流數據。
優選地，所述備選出行方案集中的備選出行方案包括：
第一類：等待列車恢復通行後按照原計劃出行方案路線出行或不改變出行路線起訖站的情況下若有其他路線，改乘其他路線方案出行；
第二類：改變出行路線起訖站情況下繼續乘坐軌道交通到某站後再換乘地面交通或者選擇地面交通到達某站後換乘軌道交通；
第三類：退出軌道交通，選擇地面交通。
優選地，所述備選出行方案集為
d＝{b,g,s}
其中，b為突發事件下備選出行方案類別集，b＝{f1,f2,f3,f4,f5,f6}，f1方案表示乘客選擇等待原計劃出行路徑恢復運營後繼續出行；f2方案表示乘客選擇軌道交通內其他備選路徑出行到達目的地，f3方案表示乘客直接退出軌道交通，選擇公交方式出行；f4方案表示乘客直接退出軌道交通，選擇計程車方式出行，f5方案表示乘客選擇地鐵和公交的組合交通方式出行；f6方案表示乘客選擇地鐵和計程車的組合交通方式出行；g為各備選出行方案的規則集，為起訖站一個備選出行方案在多路徑情況下該方案屬性值的確定原則、存在出行方式轉換的備選出行方案中轉換點的確定原則；s為各備選出行方案的屬性值集，s是根據軌道交通內部任意兩站點間公交、軌道、計程車出行的特性變量屬性值，結合g確定的各備選出行方案的屬性值集。
優選地，所述備選出行方案的選擇效用模型為
cirs＝adlirs-btmirs-cctirs-dtnirs-edyirs,i＝1,2,...,n
其中，n為備選出行方案的個數；dyirs為起訖站r到s的第i種備選出行方案的固有啞元；dlirs為起訖站r到s的第i種備選出行方案的延誤時間；tmirs為起訖站r到s的第i種備選出行方案的出行時間；tnirs為起訖站r到s的第i種備選出行方案的換乘次數；ctirs為起訖站r到s的第i種備選出行方案的出行費用；a、b、c、d、e為待標定參數；
繼續選擇軌道交通出行的客流量qlsrs為
其中，qrs為起訖站r到s的客流量，c1rs為起訖站r到s的乘客選擇等待出行路徑恢復運營後按出行路徑繼續出行的選擇效用值；c2rs為起訖站r到s的乘客選擇軌道交通內其他備選路徑出行到達目的地的選擇效用值；cirs為起訖站r到s的乘客選擇第i種備選路徑出行到達目的地的選擇效用值；
選擇組合交通方式出行的客流量qldrs為
其中，c5rs為起訖站r到s的乘客選擇地鐵和公交的組合交通方式出行的選擇效用值，c6rs為起訖站r到s的乘客選擇地鐵和計程車的組合交通方式出行的選擇效用值；
選擇地面交通出行的客流量qlzrs為
其中，c3rs為起訖站r到s的乘客直接退出軌道交通，選擇公交方式出行的選擇效用值，c4rs為起訖站r到s的乘客直接退出軌道交通，選擇計程車方式出行的選擇效用值。
優選地，所述s3包括：
s31：獲取小於最小相鄰列車時間時隔的時間窗內更新後的受影響客流數據；
s32：考慮列車容量限制因素，根據乘客實際到達先後分配乘客，計算受影響乘客到達各個車站的時間；
s33：綜合非受影響客流數據，計算得到軌道交通網絡客流分布。
優選地，所述s32包括：
若乘客選擇等待列車恢復通行後按照原計劃出行路線出行，根據突發事件發生後變化的列車運行時刻表確定乘客到達各個車站的時間；
若乘客選擇不改變出行路線起訖站的情況下若有其他路線，改乘其他路線出行或改變出行路線終點站的情況下繼續乘坐軌道交通到某站後再換乘地面交通，考慮乘客站內的步行時間和換乘站的換乘時間，考慮列車容量限制因素，按到達站臺時間先後順序分批次上車，根據列車運行時刻表確定乘客到達各個車站的時間；若改變出行路線起點站的情況下選擇地面交通到達某站後再換乘軌道交通，考慮地面交通出行時間確定乘客進入軌道交通系統時間，並確定乘客到達各個車站的時間。
若乘客選擇退出軌道交通，選擇地面交通，則該部分乘客不再計入更新後的受影響客流量。
本發明的有益效果如下：
本發明針對突發事件下城市軌道交通網絡客流預測方法進行設計，在預測流程中充分考慮突發事件下出行備選方案集構建和出行選擇偏好。出行備選方案集構建是基於電子地圖獲取的網絡特徵信息，並考慮乘客接收到延誤信息的位置，設定一定原則確定各備選出行方案集屬性值、起訖點轉變信息，保證了突發事件下乘客備選出行方案的全面性、合理性、實際性；出行選擇偏好充分考慮了突發事件、備選出行方案等對乘客出行選擇的影響，合理地描述了乘客在突發事件下的行為方式，從而準確預測突發事件下城市軌道交通網絡客流分布，為城市軌道交通客流研究提供基礎數據，為制定有效的應急預案和運營管理措施提供理論依據。
附圖說明
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。
圖1示出本發明一種突發事件下城市軌道交通客流預測方法的流程圖。
具體實施方式
為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護範圍。
如圖1所示，本發明公開了一種突發事件下城市軌道交通客流預測方法，所述方法包括：
s1：獲取城市軌道交通物理網絡信息、列車運行信息、客流數據和突發事件信息，確定城市軌道交通客流分布以及受影響客流數據。所述s1可包括：
s11：獲取城市軌道交通物理網絡信息、列車運行信息、客流數據和突發事件信息。可從鐵路運營相關系統中獲取一定時間集計的包括乘客選擇的原定軌道交通出行路徑及對應的乘客人數的客流數據、城市軌道交通路網拓撲信息與站點信息、突發事件的詳細信息以及列車運行的計劃列車時刻表。突發事件可由外部不可預知的因素或者城市軌道交通系統內部故障、不當操作等引起的，造成城市軌道交通系統運營中斷且影響列車開行。
s12：計算城市軌道交通所有起訖站的有效路徑，計算各有效路徑的選擇效用值，基於各有效路徑的選擇效用值計算各有效路徑上的客流量。有效路徑為正常運營情況下乘客可能選擇的所有路徑，可通過基於k短路搜索算法中時間複雜度和空間複雜度相對較低、執行效率相對較高的double-sweep算法篩選出每對起訖站間的多條最短路徑，算法的輸入為城市軌道交通的網絡拓撲關係。
計算城市軌道交通中各有效路徑上的客流量，首先計算多路徑網絡分布模型，所述多路徑網絡分布模型是基於歷史統計數據在分析乘客路徑選擇偏好性的基礎上，利用路徑的服務水平屬性信息計算各條路徑的選擇效用，計算起訖站間各有效路徑的客流量分配。
多路徑網絡分布模型中起訖站間有效路徑i的效用函數為
vi＝gi(vt,tn,tt,ac,sy)
其中，vt、tn、tt、ac、sy分別為有效路徑i的乘車時間(h)、換乘次數(次)、換乘時間(h)、角度費用(m)、舒適程度(取值0-1)；
基於選擇效用的一對起訖站間有效路徑i的選擇概率為
基於路徑選擇概率的一對起訖站間的有效路徑i的客流量為
qo,d,i＝qo,d×pi
其中，qo,d為一對起訖站間的客流量(人次)。
s13：根據突發事件信息，確定受影響的有效路徑，從而確定受影響客流數據。其中，所述受影響客流數據可包括起點站、終點站、路徑、客流量和進站時間。確定所述受影響客流數據的原則為乘客出行路線途經受突發事件影響的車站或線路、乘客到達出行路線上第一個受突發事件影響的車站的時刻在該車站受突發事件影響的時間範圍內以及乘客出行路線的方向和運營中斷方向一致。確定受影響客流數據的原則算法可表示為
其中，spass＝{s1，…,sk,…,sm,…,sn}、tpass＝{t1，…,tk,…,tm,…,tn}分別為乘客從起點車站a到車站b經過車站的集合、時間,sinterrupt＝{sk,…,sm}為受突發事件影響的車站集合，ti,k為乘客到達線路i車站k的時刻。
s2：構建突發事件下乘客的備選出行方案集，更新乘客選擇各備選出行方案後的受影響客流數據。所述s2可包括：
s21：基於突發事件下軌道交通運營網絡、公交運營網絡、計程車運營網絡特徵，構建突發事件下乘客的備選出行方案集。
備選出行方案可分為三類：第一類：等待列車恢復通行後按照原計劃出行路線出行。此方案較適於在在原定路線受到影響的情況下，沒有其餘備選路徑的情況。或者，不改變出行路線起訖站的情況下若有其他路線，改乘其他路線出行。此方案較適於在原定路線受到影響的情況下，軌道交通網絡仍有其餘的路徑可供選擇，會有部分乘客選擇其餘路徑繞行，軌道交通其他備選路徑來源於可供選擇的備選路徑集合，並根據效用大小選擇各條備選路徑；規定備選路徑集合中最長路徑總耗時不得超過最短路徑總耗時的n倍。第二類：改變出行路線上起訖站情況下繼續乘坐軌道交通到某站後再換乘地面交通或者選擇地面交通到達某站後換乘軌道交通。此方案中，乘客可繼續換乘城市軌道交通至某一站後換乘地面交通或乘客先選擇地面交通到達某站後換乘軌道交通，乘客出行路徑的起訖站發生變化，需根據更新後的起訖站統計客流數據。第三類：退出軌道交通，選擇地面交通。此方案中，乘客出站退出軌道交通，在對客流數據統計中不必再統計選擇該方案的乘客客流量。
所述備選出行方案集為
d＝{b,g,s}
其中，b為突發事件下備選出行方案類別集；g為各備選出行方案的規則集；s為各備選出行方案的屬性值集。
突發事件下備選出行方案類別集b是按照乘客出行方式和起訖點的轉變情況、不同交通方式屬性值的顯著差異進行不同類別劃分。
b＝{f1,f2,f3,f4,f5,f6}
其中，f1方案表示乘客選擇等待出行路徑恢復運營後繼續出行；f2方案表示乘客選擇軌道交通內其他備選路徑出行到達目的地，f3方案表示乘客直接退出軌道交通，選擇公交方式出行；f4方案表示乘客直接退出軌道交通，選擇計程車方式出行，f5方案表示乘客選擇地鐵和公交的組合交通方式出行；f6方案表示乘客選擇地鐵和計程車的組合交通方式出行。
各備選出行方案的規則集g包括一對起訖站一個備選出行方案在多路徑情況下該方案屬性值確定原則、存在方式轉換的備選方案方式轉換點的確定原則。
各出行方案的設定規則集g中存在方式轉換的備選方案方式轉換點的確定原則是針對上述六種方案中組合交通出行方式，原則的關鍵在於確定地鐵和公交兩種方式之間換乘點。組合交通方式構建規則包括以下子步驟：
(1)假設乘客原計劃出行路徑為受影響路徑，此路徑途經站點為
a(1)-a(2)...-a(i)...-a(n)，乘客在第i個站點接收到延誤信息，其中，a(i)...a(n)為乘客未完成出行路徑。若未完成出行路徑不需要換乘時，則無組合交通方式出行，組合交通方式屬性值為，否則進入(2)；
(2)若未完成出行路徑上所有換乘站點都在中斷區間後，則乘客坐公交/計程車到未完成出行路徑上的第1個換乘站點後坐地鐵到達目的地，否則進入(3)；
(3)若未完成出行路徑上所有換乘站點都在中斷區間前，則乘客坐地鐵到最後1個換乘站點後坐公交/計程車到達目的地，否則進入(4)；
(4)考慮兩種子方案：①i→p：坐地鐵，p→終點：坐公交/計程車；②i→p+1：坐公交/計程車，p+1→終點：坐地鐵。對比兩種子方案的出行成本，選擇成本較小的子方案作為地鐵+公交/計程車的備選出行方案。
各備選出行方案的屬性值集s是基於電子地圖api接口利用網絡爬蟲程序抓取軌道交通內部任意兩站點間公交、軌道、計程車出行特性變量屬性值，並考慮乘客接收到延誤信息的位置，結合設定規則集g中準則確定各備選出行方案集屬性值。各出行方案的設定規則集g中一對起訖站間一方案存在多路徑的情況下，該方案屬性值準則是選擇該方案所包含的所有路徑中最短路徑的變量屬性值作為此方案的屬性值。
s22：計算各備選出行方案的選擇效用，計算選擇各備選出行方案的客流量。突發事件下乘客出行方案選擇模型是基於歷史統計數據或意願調查數據，在分析突發事件下乘客出行選擇偏好基礎上，利用突發事件信息、備選出行方案集出行屬性信息計算出行方案效用。所述備選出行方案的選擇效用模型為
cirs＝adlirs-btmirs-cctirs-dtnirs-edyirs,i＝1,2,...,n
其中，n為備選出行方案的個數；dyirs為起訖站r到s的第i種備選出行方案的固有啞元；dlirs為起訖站r到s的第i種備選出行方案的延誤時間；tmirs為起訖站r到s的第i種備選出行方案的出行時間；tnirs為起訖站r到s的第i種備選出行方案的換乘次數；ctirs為起訖站r到s的第i種備選出行方案的出行費用；a、b、c、d、e為待標定參數；
繼續選擇軌道交通出行的客流量qlsrs為
其中，qrs為起訖站r到s的客流量，c1rs為起訖站r到s的乘客選擇等待出行路徑恢復運營後按出行路徑繼續出行的選擇效用值；c2rs為起訖站r到s的乘客選擇軌道交通內其他備選路徑出行到達目的地的選擇效用值；cirs為起訖站r到s的乘客選擇第i種備選路徑出行到達目的地的選擇效用值；
組合交通方式出行的客流量qldrs為
其中，c5rs為起訖站r到s的乘客選擇地鐵和公交的組合交通方式出行的選擇效用值，c6rs為起訖站r到s的乘客選擇地鐵和計程車的組合交通方式出行的選擇效用值；
選擇地面交通出行的客流量qlzrs為
其中，c3rs為起訖站r到s的乘客直接退出軌道交通，選擇公交方式出行的選擇效用值，c4rs為起訖站r到s的乘客直接退出軌道交通，選擇計程車方式出行的選擇效用值。
本實施例中突發事件下r到s間各出行方案的效用函數為:
cirs＝-0.0394dlirs-0.1069tmirs-0.2163ct1rs-0.2163tnirs-1.9368dyirs,i＝1,2,...,6
由於固有啞元和延誤時間為突發事件發生時，線路乘客繼續等待路線恢復運營的出行方案的固有特性變量，因此，式中，dl2rs＝dl3rs＝...＝dl6rs＝0，dy1rs＝1，dy2rs＝dy3rs＝...＝dy6rs＝0。其中，固有啞元為0-1變量，是對模糊延誤時間的感知，反映乘客對不確定的延誤時間風險感知；延誤時間為乘客感知的確切時間，單位為min。如通知延誤時間在10分鐘以上時，取乘客確切的知道的時間10分鐘；出行時間，指突發事件下乘客從地鐵始發站出發到達終點站的總耗時，為乘車時間、換乘步行時間、換乘等車時間等的總和，單位min；出行費用指突發事件下乘客從地鐵始發站出發選擇各種方案到達終點站花費的費用，單位為元；換乘次數，指突發事件下乘客從地鐵始發站出發選擇各種方案到達終點站的換乘次數，單位次。
s23：更新城市軌道交通網絡的受影響客流數據。根據選擇各備選出行方案的客流量，重新分配受影響的客流量，並考慮一種方案多路徑情況下客流再分配，更新受影響客流的起訖站和出行路線。
建立一種方案有多條路徑情況下客流的再分配的乘客出行行為模型。假設i種方案有n條有效路徑，有效路徑集合為li＝{l1i,l2i,…,lki,…,lni}，將客流按照效用大小分配到n條路徑上。所述乘客出行行為選擇模型為
式中，為從r到s的起訖站間選擇第i種方案第k條路徑的客流量(人次)；qirs為從r到s的起訖站間選擇第i種方案的客流量(人次)；為從r到s的起訖站間第i種方案第k條路徑的選擇效用。
s3：綜合非受影響客流數據，計算城市軌道交通各站的客流量。所述s3可包括：
s31：獲取小於最小相鄰列車時間時隔的時間窗內更新後的受影響客流數據。其中，以小於全網最小相鄰列車時間間隔的時間窗將乘客進行劃分，以保證每一時間窗乘客可上同一列列車。
s32：考慮列車容量限制因素，根據乘客實際到達先後分配乘客，計算受影響乘客到達各個車站的時間。所述s32包括：
若乘客選擇等待列車恢復通行後按照原計劃出行路線出行，根據突發事件發生後變化的列車運行時刻表確定乘客到達各個車站的時間。選擇等待原路徑恢復通行時，途經站點仍是之前的站點{s1，…,sk,…,sm,…,sn}，但途徑時間需根據突發事件發生後變化的時刻表進行調整。待列車重新開通後，原地等待的乘客在所在站點上車，按照原定的途經站點依次記錄新的到站時間{t1，…,t'k,…,t'm,…,t'n}，形成新的路徑時刻表。
若乘客選擇不改變出行路線起訖站的情況下若有其他路線，改乘其他路線出行或改變出行路線終點站的情況下繼續乘坐軌道交通到某站後再換乘地面交通，需更新該部分客流的終點站和出行路徑，在考慮乘客站內的步行時間和換乘站的換乘時間以及列車容量限制因素下，按到達站臺時間先後順序分批次上車，根據列車運行時刻表確定乘客到達各個車站的時間；若改變出行路線起點站的情況下選擇地面交通到達某站後再換乘軌道交通，考慮地面交通出行時間確定乘客進入軌道交通系統時間，並確定乘客到達各個車站的時間。
若乘客選擇退出軌道交通，選擇地面交通，則該部分乘客不再計入受影響客流量。
具體的，根據實際列車時刻表確定各條線路各班次列車在各站點的到達時間及駛離時間；在考慮到步行時間及換乘站換乘時間的基礎上，將以時間窗劃分的更新後的受影響客流按照列車到達的先後順序排隊上車，依次記錄每一批乘客到達各站的時刻；每一批乘客在上車前先進行判斷，若該批乘客上車後列車上總乘車人數滿足車上最大乘客的約束條件，則可以乘車；否則這批乘客將繼續等待下一班列車乘車，從而通過實際列車時刻表確定乘客到達各站的時間。當乘客到達站臺時，對該線路上的列車進行遍歷，以等待時刻最短原則判斷，得到乘客到達站臺後乘坐列車的編號，由於列車編號在一定時間範圍內的唯一性，追蹤該列車下一時刻到達下一站點的時刻，由此可得到乘客所乘坐列車經過路徑上各站的客流量。
s33：綜合非受影響客流數據，計算得到軌道交通網絡客流分布。分時段統計各站更新後的受影響客流，同時，將非受影響客流進行清分，也加載到各站客流數據上，從而能夠統計出一定時間段內各站的客流量，在實際統計過程中，可15分鐘統計一次。
本發明提供了一種突發事件下城市軌道交通客流預測方法，在構建突發事件下多方式備選出行方案集的基礎上，考慮突發事件時乘客所在位置以及突發事件下乘客出行選擇偏好，預測乘客在突發事件下出行路徑的變更，從而準確地預測突發事件下軌道交通網絡客流時空分布，為城市軌道交通客流分配提供基礎數據，為制定有效的應急預案和運營管理措施提供理論依據。
顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。