[发明专利]基于公交-地铁双层加权换乘网络下的拥塞感知路由策略

权利要求书

1.一种基于公交-地铁双层加权换乘网络下的拥塞感知路由策略，其特征在于：

在公交-地铁双层无权换乘网络的基础上，对公交-地铁双层无权换乘网络加权，构建了公交-地铁双层加权换乘网络模型；

具体步骤如下：

步骤一：构建公交-地铁双层无权换乘网络；

1)构建站点网络；站点网络是将公交站点和地铁站点视为节点，若两个站点相邻且在一条线路上，这两个节点之间则有连边；其中，公交网络与地铁网络通过地铁站点与其周围的公交站点相连，设定地铁网络与公交网络之间采取一对多的连接方式，即一个地铁站点可连接多个公交站点，但一个公交站点只连接一个地铁站点；

2)构建换乘网络；公交-地铁换乘网络中定义两种性质的换乘，第一种是每层网络内部的换乘，即公交与公交之间，地铁与地铁之间的换乘；第二种是两层网络间的换乘，即公交与地铁之间的换乘；在每一层的换乘网络中，同样是将公交站点和地铁站点视为节点，若两个站点在一条公交线路或地铁线路上，这两个站点之间则有连边，这两层网络之间的连接与双层站点网络的连接方式相同；

3)构建线路网络；公交-地铁线路网络中同样定义两种性质的连接方式，第一种是每层网络内部的连接，即公交线路与公交线路之间，地铁线路与地铁线路之间的连接；第二种是两层网络间的连接，即公交线路网络与地铁线路网络之间的连接；在每一层的线路网络中，公交线路或地铁线路被定义为节点，如果两条线路之间含有至少一个相同站点，那么这两条线路之间就有连边，代表这两条线路的两个节点相连；两层线路网络之间的连接与双层站点网络和双层换乘网络的连接方式相同；

步骤二：构建公交-地铁双层加权换乘网络模型；

换乘网络中的边表示边两端的节点在一条线路上，边权值通过计算站点网络中这两个节点的长度得出；即在换乘网络中，边的权值表示这两个站点间的实际站数，边权值越大，表示这两个站点之间的站数越多，距离越长；

步骤三：获得公交-地铁双层加权网络中投递包的代价函数；

考虑乘客在网络中所行走的最短距离，最少换乘次数以及所选路径的拥塞情况，获得公交-地铁双层加权网络中投递包的代价函数；

在t时刻，从节点i投递包到节点k的代价函数定义为Cost_ik(t)，经计算后，节点i将选择代价最小的路径投递包；

Cost_ik(t)＝α·L_ik+β·g_ik(t)+(1-α-β)·H_ik(t) (1)

其中，L_ik为加权换乘网络中从源节点i到目的节点k的最短路径长度，即乘客从出发站点i目的站点k所需的最少站数，L_ik越大，乘客从出发地到目的地所经过的站点越多，所需的乘车时间越长；g_ik(t)是一个拥塞函数，代表从节点i到节点k的最短路径上的整体拥塞程度，g_ik(t)越大，表示乘客从出发地到目的地的代价越大；H_ik(t)为无权换乘网络中从节点i到节点k的最短路径长度，其意义为乘客在公共交通网络中需要乘几辆车才能从起点到达终点，[H_ik(t)-1]为乘客在公共交通网络中的换乘次数，H_ik(t)越大，表示乘客在从出发地到目的地需要的换乘次数越多；α和β为在[0,1]内可调的参数，α衡量了路由策略中考虑最少乘车站数的权重，当α＝0时乘客出行时不考虑最少的乘车站数，当α＝1时路由策略变为加权网络下的最短路径路由策略，此时乘客的出行路线仅根据最少的乘车站数来选择；β衡量了路由策略考虑中考虑从出发地到目的地的最短路径上整体拥塞程度的权值，β＝0时乘客只根据网络的静态结构选择出行路线，不考虑网络中的拥塞情况，β＝0时乘客对从出发站点到目的站点最短距离上的拥塞程度感知能力最强，此时乘客仅根据从出发站点到目的站点最短距离上的拥塞情况来选择出行路线；当α＝0,β＝0时，路由策略变为无权网络下的最短路径策略，乘客出行时只根据最少换乘次数来选择路线；

拥塞函数g_ik(t)表示在t时刻，从节点i到节点k在加权网络最短路径上的所有节点拥塞程度的累加和，如公式2所示；

其中S_x(t)为t时刻节点x的排队队列中的总包数，即t时刻在站点x处等待出行的乘客数；c_x为节点x单位时间内的处理能力，其值与节点的介数相关，即站点x在单位时间内能运输的乘客数量；表示节点x投递完其排队队列中的包所需要的时间，即站点x运输完在该站点处等车的乘客所需的时间，其值反映了该站点的拥塞程度；表示从节点i到节点k最短路径上拥塞程度的累加；

因为公交站与地铁站具有不同的处理能力，每一个地铁站的运输量更大，因此在网络模型中将公交网络节点和地铁网络节点的处理能力设为不同值，地铁网络的节点处理能力为公交节点的μ倍；

c_x2＝μc_x1 (3)

其中c_x2表示地铁站的处理能力，c_x1表示公交站的处理能力，μ为比例系数；

步骤四：通过序参数和平均传输时间描述传输性能

在每个时间步，网络中的每个节点会同时生成包、投递包和移除包；通过网络的序参数η(A)和平均传输时间T_avg来描述网络的传输性能；

平均传输时间是指网络中所有包从初始节点到目的节点的平均传输时间，其中总时间包括包在节点中的等待时间和包在网络内的投递时间；序参数是指相对于单位时间内网络中产生包的数量A，网络中包的总量的变化速度；采用序参数η(A)来反映网络中拥塞状态的转变；在不同的路由策略中，包的平均传输时间和序参数都不相同，平均传输时间越短，序参数越小，说明网络的传输性能越强。