李國(guó)慶

摘 要：探討了基于GPS數(shù)據(jù)的出租車(chē)路徑選擇算法，提出了如何將蟻群算法與出租車(chē)交通運(yùn)行特性相結(jié)合的思想。分析了將GPS數(shù)據(jù)的出租車(chē)交通運(yùn)行特性應(yīng)用于路徑選擇算法的可行性及問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：路徑選擇；出租車(chē)；蟻群算法

近年來(lái)，城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，導(dǎo)致大量的農(nóng)村人口向城市集中，大大提高了城市人口的密度。并且，隨著家庭經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的日益改善，私家車(chē)正在快速的成為越來(lái)越多家庭的必備出行工具。人口和車(chē)輛絕對(duì)數(shù)目的增加相對(duì)于沒(méi)有多大改善的城市交通環(huán)境，必然造成日益嚴(yán)重的交通擁堵。出租車(chē)作為城市公共交通的重要補(bǔ)充力量，其方便快捷的特性受到越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。如何在擁擠的交通環(huán)境中規(guī)劃出一條快捷高效的行進(jìn)線路，提高效率，減少空駛率，快速的將客戶(hù)送的指定的地點(diǎn)，是每個(gè)出租車(chē)駕駛員都非常關(guān)心的問(wèn)題。

一、出租車(chē)常用的路線選擇方式

出租車(chē)在運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中，分空載和載客兩種狀態(tài)，在空載狀態(tài)下，為了能夠找到客源，出租車(chē)司機(jī)往往要去車(chē)站、商場(chǎng)、酒店、高密度住宅區(qū)等人員密集，客源比較豐富的地方。但是，正是由于這些場(chǎng)所較大的人員密度，對(duì)有限的道路資源容易造成更大的交通壓力，特別是上下班高峰時(shí)段，這些地方更容易產(chǎn)生堵車(chē)現(xiàn)象。所以空載狀態(tài)下，出租車(chē)司機(jī)一般會(huì)在人員密集的區(qū)域，根據(jù)當(dāng)前地段的交通擁堵?tīng)顩r隨機(jī)選擇交通比較順暢的路線。而在載客狀態(tài)下，選擇交通順暢的路線，盡快將客戶(hù)送到目的地，出租車(chē)司機(jī)往往會(huì)選擇避開(kāi)人流密集區(qū)域，有時(shí)會(huì)在征求客戶(hù)同意的時(shí)候選擇繞行。所以在載客狀態(tài)下，出租車(chē)司機(jī)一般會(huì)選擇兩點(diǎn)之間 的最短路徑，不過(guò)會(huì)盡量避開(kāi)交通擁堵地段。出租車(chē)司機(jī)每天都在城市的各條道路上穿行，因此會(huì)對(duì)城市的交通狀況有比較全面的認(rèn)識(shí)，什么時(shí)段哪些路段比較擁堵，哪里客戶(hù)較多等等。不過(guò)這些都是感性上的認(rèn)識(shí)，沒(méi)有具體的數(shù)據(jù)支持，所以有時(shí)候在路徑的選擇上還是不竟如人意。而通過(guò)GPS數(shù)據(jù)收集處理出租車(chē)交通運(yùn)營(yíng)特性數(shù)據(jù)，再進(jìn)過(guò)尋路算法的計(jì)算給出相對(duì)合理的運(yùn)營(yíng)路線，是一種解決出租車(chē)運(yùn)營(yíng)路線選擇的有效方法。

二、蟻群算法在出租車(chē)路徑選擇上的相似性

出租車(chē)駕駛員在城市道路中尋找客戶(hù)行為類(lèi)似于螞蟻個(gè)體的尋找食物行為。不過(guò)，出租車(chē)駕駛員在尋找顧客或者選擇到達(dá)目的地的路徑時(shí)的選擇行為時(shí)會(huì)受到交通擁堵、路徑長(zhǎng)短、客流量豐富程度等眾多因素的影響。經(jīng)驗(yàn)豐富的出租車(chē)駕駛員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以找到較好的路徑，或者與信息臺(tái)交流也可以找到合適的路徑。這與螞蟻尋找食物的時(shí)候群體之間的信息交流是非常相似的。

三、基于GPS數(shù)據(jù)的出租車(chē)交通運(yùn)營(yíng)特性

FCD 是指在固定的時(shí)間間隔或者固定的距離通過(guò)分布式傳感器如GPS 、移動(dòng)電話、Wi-Fi 或者藍(lán)牙等采集的車(chē)輛的定位數(shù)據(jù)。在出租車(chē)上安裝GPS，當(dāng)出租車(chē)駕駛員在道路上運(yùn)營(yíng)時(shí)，每隔固定的時(shí)間間隔采集出租車(chē)的位置信息、速度信息、載客信息、行駛方向等數(shù)據(jù)信息。并根據(jù)這些采集到的原始數(shù)據(jù)，加工處理后得到不同時(shí)段道路的擁堵程度、空載率、出租車(chē)速度、停靠點(diǎn)等能夠?yàn)槌鲎廛?chē)司機(jī)尋路提供參考的關(guān)鍵信息，也就是通過(guò)蟻群算法尋路所需要的信息元素。

四、基于GPS數(shù)據(jù)的道路信息構(gòu)建

（一）道路信息參數(shù)指標(biāo)

出租車(chē)作為城市公共交通的重要組成部分，幾乎是全天候運(yùn)營(yíng)，一般一輛出租車(chē)都有至少2名司機(jī)，采用輪班的方式。并且，出租車(chē)的道路覆蓋廣，幾乎是城市里凡是出租車(chē)能夠進(jìn)去的地方，都有出租車(chē)的足跡。因此，通過(guò)安裝在出租車(chē)上的GPS設(shè)備對(duì)出租車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采用和分析，可以比較準(zhǔn)確地反映城市中各條路段的通行狀況信息。本文通過(guò)GPS采用點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出在某個(gè)時(shí)段t道路i的出租車(chē)平均速度Vi（t）和平均載客率Ci（t），平均載客率Ci（t）的取值在0到1之間。

公式中：i表示路段編號(hào)；t表示一天中的某個(gè)時(shí)段，如7點(diǎn)—9點(diǎn)等；j表示某一輛出租車(chē)；m表示在時(shí)段t通過(guò)路段i的出租車(chē)總數(shù)量；k表示路段i上的某個(gè)采樣點(diǎn)編號(hào)。ni（t）表示路段i在t時(shí)間段采樣的數(shù)據(jù)的總數(shù)，vk（i，j）表示在路段i上車(chē)輛j在第K個(gè)采樣點(diǎn)的速度；ck（i，j）表示在路段i上車(chē)輛j在第K個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)車(chē)輛是否空載，空載取值為0，非空載取值為1。n（i，j）表示車(chē)輛j在路段i上采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

根據(jù)上面兩個(gè)公式得出的某條路段i在時(shí)間段t出租車(chē)的平均行進(jìn)速度Vi（t），我們可以得到該路段i在時(shí)間段t的道路擁擠程度Di（t）。這里使用出租車(chē)在該路段的運(yùn)行速度反映路段的擁堵?tīng)顩r。

公式中：vimax表示路段i在毫不擁堵的狀態(tài)下車(chē)輛允許的最高限速；Vi（t）表示路段i在t時(shí)間段的平均速度；Di（t）表示路段i在t時(shí)間段的擁堵程度，Di（t）的取值在0到1之間，當(dāng)Di（t）的取值為0時(shí)，表示道路i嚴(yán)重?fù)矶?，?dāng)Di（t）的取值為1時(shí)，表示道路i交通狀況非常好。

（二）道路擁堵度和載客率的建立

通過(guò)GPS采樣數(shù)據(jù)得到的城市街道中的每條道路信息參數(shù)反映了每條道路的擁堵程度以及出租車(chē)在每條道路上運(yùn)行時(shí)的載客率。道路擁堵率高，說(shuō)明當(dāng)前時(shí)段道路交通壓力大，車(chē)輛通行緩慢或者堵車(chē)；載客率高說(shuō)明客源豐富，容易拉到乘客。并且根據(jù)載客率的高低，可以合理設(shè)置出租車(chē)的?？奎c(diǎn)，方便出租車(chē)乘客出行。擁堵程度Di（t）和載客率Ci（t）可以為出租車(chē)駕駛員選擇運(yùn)行線路提供參考依據(jù)。擁堵程度Di（t）和載客率Ci（t）可以作為城市交通道路有向圖的邊的權(quán)重。出租車(chē)司機(jī)在考慮運(yùn)行路線時(shí)要充分考慮這兩個(gè)權(quán)重，出租車(chē)司機(jī)是否選擇邊Ei可以用P（Ei，t）表示。

公式中：a，b表示擁堵程度和載客率對(duì)于出租車(chē)司機(jī)是否選擇該路段的選擇系數(shù)，a為擁堵程度的選擇系數(shù)，b為載客率的選擇系數(shù)。

五、出租車(chē)路徑選擇模型

出租車(chē)司機(jī)在選擇運(yùn)行線路是要考慮的因素有很多，諸如道路運(yùn)行狀況、是否能夠拉到客戶(hù)；還要考慮到為了避免擁堵，客戶(hù)是不是介意繞路等等。本文不考慮客戶(hù)的因素，只是簡(jiǎn)單從到達(dá)目的地的距離L（t）和出租車(chē)司機(jī)選擇該條路段的意愿P（t）兩個(gè)方面建立路徑選擇模型

公式中：L（t）表示在t時(shí)間段從當(dāng)前位置行駛到目標(biāo)位置的距離；P（t）表示綜合考慮t時(shí)間段內(nèi)所經(jīng)過(guò)的路段擁堵程度和載客率等因素后的出租車(chē)司機(jī)選擇路段Ei的意愿；S（Ei，t）表示出租車(chē)司機(jī)選擇的出行路線。該路線要求到達(dá)目標(biāo)位置路線盡可能短，并且路段盡量不擁堵、載客率盡可能高。

六、結(jié)論

本文以許昌市道路導(dǎo)航電子地圖為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)出租車(chē)駕駛員路徑選擇進(jìn)行基于GPS數(shù)據(jù)的規(guī)劃試驗(yàn)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與某出租車(chē)駕駛員實(shí)際運(yùn)行路線進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文的尋路算法和出租車(chē)駕駛員實(shí)際行走路線都避開(kāi)了擁堵程度很高的路段，具有很高的相似性。不過(guò)，出租車(chē)在空載的情況下，算法會(huì)規(guī)劃到人流和車(chē)輛密集的區(qū)域的行進(jìn)路線，造成車(chē)輛擁堵，這個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步的完善。

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