数据挖掘的城市上下班拼车线路优化拟合研究
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3 研究意义 4
1.4 研究思路 4
1.5 小结 5
2 城市上下班拼车线路优化拟合的必要性分析 5
2.1定时、定线路上下班拼车存在问题分析 5
2.2推行上下班拼车线路拟合选择的必要性 6
2.3小结 6
3 基于数据挖掘的城市上下班拼车线路优化拟合方法研究 6
3.1拼车线路拟合选择的原则 7
3.2拼车线路拟合选择的目标 7
3.3城市上下班拼车线路拟合选择的影响因素 7
3.4拼车线路拟合选择的信息系统架构设计 9
3.5基于数据挖掘的城市上下班拼车线路优化拟合的算法设计 10
3.5.1 层次分析法概述 10
3.5.2 蚁群算法概述 11
3.5.3 改进后的蚁群算法设计 12
3.6小结 14
4以淮安为例的基于数据挖掘的城市上下班拼车线路优化拟合 14
4.1淮安的背景介绍 14
4.2运用层次分析法优化蚁群算法的初始信息素 15
4.2.1 交叉口标号 15
4.2.2 计算各交叉口初始信息素权值 15
4.2.3区域分区 18
4.3基于改进的蚁群算法拼车线路拟合与选择 18
4.3.1运用Matlab程序进行线路寻优 18
4.3.2拟合适合的拼车线路 19
4.3.3比较蚁群算法改进前后的结果 20
4.4小结 21
结 论 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
22
致 谢 23
参 考 文 献 24
附录A 淮安市影响拼车线路拟合选择的因素问卷调查 25
附录B 改进后蚁群算法程序代码 26
1 引言
1.1 研究背景
近年来，随着我国经济和科技快速发展，城镇化建设步伐逐步加快，为各地区经济发展提供更大的空间，城市规模越来越大，道路也越铺越宽[1]。虽然城市规模、道路规模不断增大，但是城市中的某些地区人、车流量依旧超出道路本身的承受范围，在上下班或节假日等繁忙时段，某些路段会出现拥堵或阻塞现象，更有甚者会出现交通事故。据统计，我国大中城市每天因交通拥堵造成的经济损失将近10亿元，每年由于交通拥堵造成的损失甚至达到全国GDP的5%-8%。如何解决城市交通拥挤与拥堵这一民生问题，已经成为举国上下关注的热点。
目前，我国的汽车保有量数目急剧增加[2]，2015年，小型载客汽车达到1.36亿辆，其中，以私家车数量高达1.24亿辆，占小型载客汽车数量的91.53%，与2014年相比，私家车增幅约为17.77%。全国平均每百户家庭拥有大约31辆私家车，北京、上海、深圳等大城市每百户家庭拥有私家车甚至超过60辆。由此看来，汽车占机动车的比率迅速提高，近五年汽车占机动车比率从47.06%提高到61.82%，群众的出行方式经历了从公共交通、摩托车到汽车的转变，交通出行结构发生了根本性变化。
图1 全国汽车总计和私家车保有量图
汽车保有量的急剧增加引发了一系列社会问题，首当其冲的便是交通拥挤和环境污染问题。在今年政府工作报告中，“绿色”和“智能”是着重强调的。绿色和智能不仅是新时代下中国政府强调的经济发展的重要因素，更是衡量社会文明和进步程度的重要标准。对于汽车的发展来说，绿色和智能更是其未来的发展趋势[3]。显然，政府报告中强调的“绿色”已经不单是环保问题，而是达到了绿色生产、生活方式的全新高度。具体到汽车层面，今年将全面推广车用燃油国五标准，主要目标是到2020年实现乘用车平均油耗降至百公里5.0升，这个目标对汽车企业来说也极具挑战。由此可见，单纯依靠基础设施的扩建很难从根本上解决问题，相关专家们为此想了许多缓解交通拥挤的办法，拼车应运而生。
“拼车”是近几年新兴的热词[4]，根据相关报导，许多欧美国家的出租车已经在尝试“合乘制”。 美国还为拼车一族专门设立了快行道。在美国的交通图标中，有一种菱形图标，并写着“HOV”字样[5]，即“多人乘坐车辆”的意思。在这种通道上在周一至周五的规定时间且只有2人或3人以上乘坐，才能开车通过。当然，“HOV”通道是有时间规定的，一般都是上下班高峰期，而且就连同一条路的不同方向，时间规定都不相同。伦敦早在2003年就开始征收拥堵费，同时向各大城市推广拼车专道，也称作多人共乘车辆专用道，通常在马路的最左边，车里有两人以上时才能驶入。下图是2011到现在为止，关于“拼车”的搜索指数图。
图2 关于“拼车”搜索指数图
本文主要研究在上下班时段，淮安市市区内拼车路线的优化拟合研究。随着科学技术日新月异的发展，高新技术已渗入到我们生活的方方面面，在拼车中许多技术也得到了很好地利用。物联网便是其中一种，它是利用无线数据通信、射频识别等技术构成的网络体系，能实现各种信息的交互和共享，它强调的是物理世界信息的交换，所谓车联网，也是物联网的一个小分支，就是将物理世界具体定界为人、车、路系统，通过互联网的信息平台，利用RFID，GPS等高新技术，实现高效快速的信息互换[12]。
未来的拼车环境将处在车联网的大环境下，这就意味着每个私家车都能感知到其他汽车的位置及其所在道路状况，从而能在拼车过程中实时调整拼车路线，最终达到最佳的拼车效果，获得最大收益。
选择拼车的用户中大部分会采取定时、定线路的固定化拼车形式，因此安排好拼车路线便是提高拼车效率的关键所在。拼车线路优化问题很快引起运筹学、应用数学、组合数学、图论与网络分析、物流科学、计算机应用等学科的专家,以及运输计划制定者和管理者的极大重视,并一直成为运筹学和组合优化领域的前沿与研究热点问题。遗憾的是，目前对拼车线路的优化问题没有形成完整体系的的解决算法，许多学者只是尝试用多种数学、生物模型去研究，本文就是在已有经典算法的基础上，对于在上下班时段淮安市区的拥堵地区里用改进的算法选取合适的拼车路段。
本论文来源于江苏省交通运输与安全保障重点建设实验室开放基金项目（编号TTS2016-06）：车联网环境下私家车拼车智慧节约化研究。
1.2 国内外研究现状
对拼车线路优化的问题的解决思路主要可分为两大类：一类是精确算法，如Floyd算法、Dijkstra算法、Moore算法等经典算法，另一类是启发式算法，如蚁群算法、神经网络算法、遗传算法等，经典算法虽然结果比较精确，但具有一定的局限性，启发式算法开拓性较强，但普遍迭代次数比较多，总之各有优缺点。
车辆线路优化问题提出的几十年来，取得了大量的研究成果，在国外方面,最早的车辆路径优化问题可追溯到1964年，Clark and Wright在Dantzig-Ramser方法的基础上提出了一种有效的贪婪启发式算法求解车辆路径优化问题[6]； Hibino等人根据客流调查获得乘客在轨道交通系统的出行偏好和路径选择规律[7]；Azi等人于2007年基于最短路径方法提出了一种两阶段算法求解了车辆路径优化问题[8]。
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3 研究意义 4
1.4 研究思路 4
1.5 小结 5
2 城市上下班拼车线路优化拟合的必要性分析 5
2.1定时、定线路上下班拼车存在问题分析 5
2.2推行上下班拼车线路拟合选择的必要性 6
2.3小结 6
3 基于数据挖掘的城市上下班拼车线路优化拟合方法研究 6
3.1拼车线路拟合选择的原则 7
3.2拼车线路拟合选择的目标 7
3.3城市上下班拼车线路拟合选择的影响因素 7
3.4拼车线路拟合选择的信息系统架构设计 9
3.5基于数据挖掘的城市上下班拼车线路优化拟合的算法设计 10
3.5.1 层次分析法概述 10
3.5.2 蚁群算法概述 11
3.5.3 改进后的蚁群算法设计 12
3.6小结 14
4以淮安为例的基于数据挖掘的城市上下班拼车线路优化拟合 14
4.1淮安的背景介绍 14
4.2运用层次分析法优化蚁群算法的初始信息素 15
4.2.1 交叉口标号 15
4.2.2 计算各交叉口初始信息素权值 15
4.2.3区域分区 18
4.3基于改进的蚁群算法拼车线路拟合与选择 18
4.3.1运用Matlab程序进行线路寻优 18
4.3.2拟合适合的拼车线路 19
4.3.3比较蚁群算法改进前后的结果 20
4.4小结 21
结 论 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
22
致 谢 23
参 考 文 献 24
附录A 淮安市影响拼车线路拟合选择的因素问卷调查 25
附录B 改进后蚁群算法程序代码 26
1 引言
1.1 研究背景
近年来，随着我国经济和科技快速发展，城镇化建设步伐逐步加快，为各地区经济发展提供更大的空间，城市规模越来越大，道路也越铺越宽[1]。虽然城市规模、道路规模不断增大，但是城市中的某些地区人、车流量依旧超出道路本身的承受范围，在上下班或节假日等繁忙时段，某些路段会出现拥堵或阻塞现象，更有甚者会出现交通事故。据统计，我国大中城市每天因交通拥堵造成的经济损失将近10亿元，每年由于交通拥堵造成的损失甚至达到全国GDP的5%-8%。如何解决城市交通拥挤与拥堵这一民生问题，已经成为举国上下关注的热点。
目前，我国的汽车保有量数目急剧增加[2]，2015年，小型载客汽车达到1.36亿辆，其中，以私家车数量高达1.24亿辆，占小型载客汽车数量的91.53%，与2014年相比，私家车增幅约为17.77%。全国平均每百户家庭拥有大约31辆私家车，北京、上海、深圳等大城市每百户家庭拥有私家车甚至超过60辆。由此看来，汽车占机动车的比率迅速提高，近五年汽车占机动车比率从47.06%提高到61.82%，群众的出行方式经历了从公共交通、摩托车到汽车的转变，交通出行结构发生了根本性变化。
图1 全国汽车总计和私家车保有量图
汽车保有量的急剧增加引发了一系列社会问题，首当其冲的便是交通拥挤和环境污染问题。在今年政府工作报告中，“绿色”和“智能”是着重强调的。绿色和智能不仅是新时代下中国政府强调的经济发展的重要因素，更是衡量社会文明和进步程度的重要标准。对于汽车的发展来说，绿色和智能更是其未来的发展趋势[3]。显然，政府报告中强调的“绿色”已经不单是环保问题，而是达到了绿色生产、生活方式的全新高度。具体到汽车层面，今年将全面推广车用燃油国五标准，主要目标是到2020年实现乘用车平均油耗降至百公里5.0升，这个目标对汽车企业来说也极具挑战。由此可见，单纯依靠基础设施的扩建很难从根本上解决问题，相关专家们为此想了许多缓解交通拥挤的办法，拼车应运而生。
“拼车”是近几年新兴的热词[4]，根据相关报导，许多欧美国家的出租车已经在尝试“合乘制”。 美国还为拼车一族专门设立了快行道。在美国的交通图标中，有一种菱形图标，并写着“HOV”字样[5]，即“多人乘坐车辆”的意思。在这种通道上在周一至周五的规定时间且只有2人或3人以上乘坐，才能开车通过。当然，“HOV”通道是有时间规定的，一般都是上下班高峰期，而且就连同一条路的不同方向，时间规定都不相同。伦敦早在2003年就开始征收拥堵费，同时向各大城市推广拼车专道，也称作多人共乘车辆专用道，通常在马路的最左边，车里有两人以上时才能驶入。下图是2011到现在为止，关于“拼车”的搜索指数图。
图2 关于“拼车”搜索指数图
本文主要研究在上下班时段，淮安市市区内拼车路线的优化拟合研究。随着科学技术日新月异的发展，高新技术已渗入到我们生活的方方面面，在拼车中许多技术也得到了很好地利用。物联网便是其中一种，它是利用无线数据通信、射频识别等技术构成的网络体系，能实现各种信息的交互和共享，它强调的是物理世界信息的交换，所谓车联网，也是物联网的一个小分支，就是将物理世界具体定界为人、车、路系统，通过互联网的信息平台，利用RFID，GPS等高新技术，实现高效快速的信息互换[12]。
未来的拼车环境将处在车联网的大环境下，这就意味着每个私家车都能感知到其他汽车的位置及其所在道路状况，从而能在拼车过程中实时调整拼车路线，最终达到最佳的拼车效果，获得最大收益。
选择拼车的用户中大部分会采取定时、定线路的固定化拼车形式，因此安排好拼车路线便是提高拼车效率的关键所在。拼车线路优化问题很快引起运筹学、应用数学、组合数学、图论与网络分析、物流科学、计算机应用等学科的专家,以及运输计划制定者和管理者的极大重视,并一直成为运筹学和组合优化领域的前沿与研究热点问题。遗憾的是，目前对拼车线路的优化问题没有形成完整体系的的解决算法，许多学者只是尝试用多种数学、生物模型去研究，本文就是在已有经典算法的基础上，对于在上下班时段淮安市区的拥堵地区里用改进的算法选取合适的拼车路段。
本论文来源于江苏省交通运输与安全保障重点建设实验室开放基金项目（编号TTS2016-06）：车联网环境下私家车拼车智慧节约化研究。
1.2 国内外研究现状
对拼车线路优化的问题的解决思路主要可分为两大类：一类是精确算法，如Floyd算法、Dijkstra算法、Moore算法等经典算法，另一类是启发式算法，如蚁群算法、神经网络算法、遗传算法等，经典算法虽然结果比较精确，但具有一定的局限性，启发式算法开拓性较强，但普遍迭代次数比较多，总之各有优缺点。
车辆线路优化问题提出的几十年来，取得了大量的研究成果，在国外方面,最早的车辆路径优化问题可追溯到1964年，Clark and Wright在Dantzig-Ramser方法的基础上提出了一种有效的贪婪启发式算法求解车辆路径优化问题[6]； Hibino等人根据客流调查获得乘客在轨道交通系统的出行偏好和路径选择规律[7]；Azi等人于2007年基于最短路径方法提出了一种两阶段算法求解了车辆路径优化问题[8]。
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