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1、 1基于多层基于多层-多模式交通网络的最短路径分析的研究多模式交通网络的最短路径分析的研究 仇宁海1，秦勇2（1.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044；2.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044）摘摘 要：要：本文对现有网络路径分析研究的局限性进行了分析，通过深入分析城市交通网络多层次结构、多模式交通出行方式的特点，建立了一种多层多模式网络结构模型，并利用经典的 Dijkstra 算法，提出了一种对该网络模型进行路径分析的方法以及详细步骤。关键词：关键词：城市交通；多层交通网络；出行方式；最短路径；Dijkstra 算法 Research
2、for the Shortest Paths Analysis based on Multilayer and Multi-mode Traffic Network Qiu Ning-hai1，Qin Yong 2 (1.State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety of Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety of Beijing Jiaotong Uni
3、versity,Beijing 100044,China)Abstract:Based on analysis of the study of shortest paths analysis,in this paper,we find the limitations of those current methods.We also research the characteristics of the multiplayer network and multi-mode travel mode.On the basis of those researches we propose a new
4、multiplayer and multi-mode network model.Finally,based on the algorithm of dijkstra,the formal approach of how to implement the shortest paths analysis are described in detail.Key words:Urban Traffic;Multilayer Traffic Network;Travel Mode;Shortest Path;the Algorithm of Dijkstra 1 前言前言 近年随着地理信息系统的发展，
5、交通地理信息系统（GIS-T）也逐渐运用在交通管理、交通规划和交通信号控制系统中，而作为 GIS 最基本的网络分析功能最短路径分析，在电子导航、公交查询、设施资源规划、交通事故救援中得到了广泛的应用1。目前最短路径分析方法很多，比如Dijkstra算法和Floyd算法等。以及许多商业GIS软件，例如MapInfo公司的Mapinfo软件以及国内超图公司的SuperMap2等GIS软件，也提供了最短路径分析功能，但这些产品大多都是在单层次和单一出行模式的交通网络上求解最短路径，没有对交通网络进行层次细分，忽视了出行者在交通出行优先考虑高等级道路的习惯，并忽略了交通出行方式多样性的现状。而ESRI
6、公司的ArcGIS3软件则考虑建立多层交通网络进行最短路径的分析。有学者对多模式的交通系统、多模式的交通收费等问题进行了研究4-6。而在最短路径分析研究中，如果只考虑了单层网络和单一模式交通出行方式，将难以适应城市交通出行从单一模式向一个多模式交通体系的转变。因此目前需要将多模式的交通方式和多层网络相结合应用于网络路径分析的研究中。本文通过分析城市交通网络的多层次特点以及多模式交通出行方式，建立城市交通多层-多模式网络，结合 Dijkstra 最短路径算法，提出了一种针对该网络的最短路径分析方法以及详细步骤。基金项目基金项目：国家自然科学基金重点项目“高速铁路智能交通综合信息系统与关键技术的研
7、究”资助(60332020).作者简介作者简介：仇宁海（1982），男，江苏海门人，在读硕士研究生，主要研究兴趣为智能交通信息系统、铁路地理信息系统。E-mail:.22 城市交通多层网络城市交通多层网络 随着城市交通网络体系的发展和完善，目前城市交通网络主要分为城市道路网络、轨道交通网络、水系网络，以及铁路网络和航空交通网络等五种交通网络，本文关注的为城市道路交通网络和轨道交通网络。城市道路按照道路等级又划分为城市快速路、主干道、次干道、支路等四种。因此现代交通网络是一种多层次的网络模型。建立多层网络的目的是为了将原本混合在一起的网络模型进行细分，城市网络模型包括很多子网络模型，通过构建多层
8、网络，和出行者实际的交通出行行为相一致，例如在进行交通出行网络选择的时候，可以考虑在多层网络中，优先轨道交通网络以及快速道路的搜索，提高搜索的效率。图图 1 多层次交通网络图多层次交通网络图 3 多模式交通出行方式多模式交通出行方式 目前在网络路径分析的研究中，关注点的往往是最短路径，确切讲应该是步行出行，或者是机动车出行以及公交出行。但是对于目前复杂的交通网络系统，单纯的这种网络路径分析方法在一定程度上不满足交通出行者的使用要求。下文将对主要的交通出行方式进行分析。3.1 主要交通出行方式分析主要交通出行方式分析（1）步行 步行是一种绿色环保无污染的交通方式，其特点是速度较慢，一般适合于短出
9、行，或者为了在公交换乘站之间完成换乘，以及公交车站和地铁车站之间换乘，等等。（2）非机动车出行 同步行相同也是一种绿色环保的交通方式，速度介于机动车和步行之间。其特点为机动灵活，出行距离相对较长，可以完成一次出行，或者充当换乘的一种临时交通工具。（3）机动车出行 机动车包括私家车、公车以及出租车，其特点是灵活机动、速度快、便捷，能够根据当前道路网的路况信息进行出行线路的调整，比较容易通过一次出行就能从起点到达目的地。3（4）公交出行 公交车辆包括大容量的公交车，地面快速公交网络，普通公交车辆、电车等。大容量的公交车，车辆长度长，乘客容量大；而快速公交在城市快速路以及其连接线上通行，快速、准确，
10、速度快。（5）轨道交通 采用地铁、轻轨、地面轨道等多种形式，具有快速、安全、准时、运量大等特点。但轨道交通网络和城市道路网络相对独立，因此轨道交通车站出入口是连接城市道路网络的关键。3.2 多模式的交通出行多模式的交通出行 正由于交通出行方式的多样性，为出行者的交通出行提供了多种可选择的交通出行方式，出行者进行多模式交通方式的目的，是从对其交通出行的便捷性考虑(轨道交通的快速)和其自身经济型的考虑(公共交通的低廉票价)。而出行者的交通出行，不仅仅是单一模式，而应该是多种出行方式的混合模式的出行方案。从出发地到终点，往往没有直接的出行方式，比如先步行，到达公交车站，换乘公交，到达公交的某一车站，
11、步行或者以其他方式到达目的地。因此，网络路径分析应该对多种交通出行方式的组合，求出多种不同权重的出行线路。表一为多模式交通出行方式统计表。表表 1 多模式交通出行方式统计表多模式交通出行方式统计表 4 基于多层多模式网络的交通网络路径分析基于多层多模式网络的交通网络路径分析 4.1 Dijkstra 算法算法 采用贪心启发策略的 Diskstra78算法是目前已知的理论上最完善的算法。Dijkstra 算法是经典的解决最短路径问题的算法之一，它可以找出指定节点到其他各个节点间的最短路径。算法基本思想：从起源点求出长度最短的一条路径，然后通过对路径长度迭代得到从源点到其他各目标节点的最短路径。假
12、设每个点都有一对标号(,)jjwp，其中jw是从起点s到点j的最短路径的长度；jp则是从s到点j的最短路径中j点的前一个点。S 是标识集合；T 为未标识集合；M为节点集合；ijd为节点i到点j的距离（其中i和j直接相连，否则ijd=）。4.2 多层多层-多模式网络模型多模式网络模型 根据上文对城市交通网络多层次结构分析，并结合城市交通多模式出行方式，可以得到多层-多模式交通网络结构模型。该模型分为两层。其中，下层为交通网络层，主要包括城市交通网络和轨道交通网络，其中城市交通网络中包括快速路、主干道、次干道、支路。城市交通网络通过节点也就是交叉口相连。而出行模式 出行方式 备注 非机动车出行 包
13、括步行、自行车、电动车等，一般出行距离较短。单一模式 机动车出行 包括小汽车、面包车等。非+机 非机动车和机动车的多模式出行。非+轨道 非机动车和轨道交通的多模式出行，通过轨道交通车站完成多模式的交通出行。非+公交+轨道 非机动车和公交车、轨道交通之间的换乘，通过换乘车站或者换乘枢纽完成多模式的交通出行。机+轨道或 机+公交 采取机动车停车换乘的方式，控制机动车的数量，鼓励市民积极使用公共交通，缓解主城区的交通拥堵。多模式 其他方式 其他方式。4轨道交通网络中就为轨道线。城市道路网络和轨道交通网络通过换乘节点连接。而上层为多模式的交通出行方式层，包括步行、非机、机、公交车、轨道交通等出行方式。
14、而出行者的出行行为将这两层连接起来。图 2 为多层-多模式的交通网络结构图。图图 2 多层多层-多模式交通网络结构图多模式交通网络结构图 4.3 基于多层多模式的交通网络路径分析算法基于多层多模式的交通网络路径分析算法 根据上文提出的多层-多模式网络结构模型，对该网络进行网络最短路径分析。以下为多层多模式的交通网络路径分析算法步骤。步骤 1：首先确定出行的起始点和终止点。Case 1：出行方式为机动车，如果起始点和终止点都在快速路，就使用 Diskstra 算法，直接在快速路层次上求出最短路径，运算结束。如果不在快速路转化到步骤 2-Case1；Case 2：出行方式为步行或者非机动车，直接使
15、用 Diskstra 算法，通过主干道、次干道和支路寻找最短路径，运算结束；Case 3：出行方式为轨道交通+步行或非机。判断起始点和终止点的连线是否和轨道网络相交。如果没有相交，则退出。如果相交，在轨道网络中搜索，求出起始点和终止点距离最近的地铁车站，如果起始点和终止点都在轨道交通车站，直接求得最短路径。运算结束。否则转入步骤 2-Case 2；Case 4：出行方式为公交车+步行或非机。如果起始点和终止点都在公交车站，则直接求得公交出行线路。否则转入步骤 2-Case3；Case 5：出行方式为轨道交通和公交车+步行或非机，判断起始点和终止点的连线是否和轨道网络相交。如果没有相交，转入步骤
16、 1-Case 3。如果相交，步骤 2-Case 4。步骤 2：Case 1：如果不是在最高层，求出到起点和终止点距离最近的上一层次的结点和到这两个结点的最短路径，记录路径。以上一层次的两个结点为新的起始点和终止点转入步骤 1-Case 1。Case 2：如果起始点和终止点不是轨道交通车站，分别求出到起点和终止点距离最近轨道交通车站和到这两个结点的最短路径，记录路径。以上一层次的两个结点为新的起始点和终止点转入步骤 1-Case 3。Case 3：如果起始点和终止点不是公交车站，分别求出到起始点和终止点距离最近公交车站和到这两个结点的最短路径，记录路径。以上一层次的两结点为新的起始点和终点转入
17、步骤 1-Case 4。Case 4：分别求出到起始点和终止点距离最近轨道交通车站以及最近的公交车站。分别求出起始点到公交车站的最短路径，终止点到公交车站的最短路径。转入步骤 1-Case 3，分别求出公交车 5站到轨道交通车站的最短路径。转入步骤 1-Case 4。步骤三：依次连接所有记录的最短路径即为多层网络中的最短路径，同时记录下出行方式，结束。根据最短路径算法步骤，得到多层多模式网络分析算法流程图，如图 3 所示。图图 3 多层多模式网络路径分析流程图多层多模式网络路径分析流程图 5 结论结论 本文根据交通网络的多层结构的特点，并结合交通出行行为的多模式化，提出了一种基于多层-多模式的
18、网络结构模型。并借助传统的 Dijkstra 算法，对该网络模型进行路径分析的研究，该路径分析方法的提出，对于目前城市交通出行服务、应急救援的逃生线路的生成等具有一定的借鉴意义。有待于进一步研究的问题是需要更加周密地分析城市道路网络和轨道交通网络特点，找到一种符合实际交通出行路径选择的路径分析方法，进行仿真实验，对其进行修改并完善。参考文献参考文献 1 刘学军,徐鹏.交通地理信息系统M.北京：科学出版社，2006。2 北京超图地理信息技术有限公司,SuperMap开放式桌面平台产品,http:/ 姜云鹏.ArcGIS NetWork 扩展模块的使用R.北京:ESRI 中国(北京)培训中心,2005.4 张华歆,周溪召.多模式交通网络的拥挤道路收费双层规划模型J.系统工程理论方法应用,2005:14(6):546-551.5 史嘉玮,晏克.非城市交通多模式间的转换换乘枢纽的探讨J.交通与运输.2005,7:36-39.6 潘海啸.上海世博交通规划概念研究构建多模式集成化的交通体系J.城市规划学刊,2005,1：51-56.7 乐阳,龚健.Dijkstra 最短路径算法的一种高效率实现J.武汉测绘科技大学学报,1999,24(3):209-212.8 陆锋.最短路径算法:分类体系与研究进展J.测绘学报,2001,30(3):269275.