基于改进麻雀搜索算法的地铁突发运营中断客流疏运方法

本发明涉及应急管理，尤其是基于改进麻雀搜索算法的地铁突发运营中断客流疏运方法。

背景技术：

1、地铁系统在运营过程中，其内部的稳定性、可用性及可观测性极易受到突发因素的干扰，进而增加服务延误甚至中断的风险，导致乘客滞留在车站或车厢内，对城市公共交通安全构成潜在威胁。为应对此类情况，进行应急接驳公交调度和地铁运行调整成为应对地铁突发运营中断事件的两个主要运力弥补措施，其对于保障乘客安全、减少延误和维持交通秩序至关重要。

2、但现有方法存在以下问题：

3、应急接驳公交主要服务于中断事件发生瞬间滞留在中断区间内的静态乘客需求，以充分发挥其疏散功能。然而，对于在得知地铁发生区间中断后，仍然选择应急接驳公交与地铁搭配出行的乘客的出行保障相对薄弱，一定程度上限制了应急接驳公交在中断持续期间运输保障潜力的发挥。

4、应急接驳公交和地铁临时短交路是两个主要运力弥补措施，在地铁突发运营中断事件中起到了至关重要的作用。然而，两种交通方式独立调度，由于应急接驳公交和地铁列车因容量和数量不同造成的运载能力的差异，易出现运力资源浪费或运力不足的情况，导致乘客可能面临长时间的等待，降低运输效率。

5、综上所述，当地铁客流量较大的线路发生中断时，如果无法有效协调应急接驳公交与地铁临时短交路之间的调度，可能导致乘客的严重滞留，对城市公共交通的正常运行和乘客的出行体验造成严重影响。因此，必须高度重视并加强应急调度机制的协调性和灵活性，确保能够迅速、有效地应对突发情况，保障乘客的出行安全和顺畅，进一步提升应急调度效率和服务质量。

技术实现思路

1、本发明提出基于改进麻雀搜索算法的地铁突发运营中断客流疏运方法，为一种基于改进麻雀搜索算法的地铁突发运营中断下客流协同疏运优化方法，该方法有利于提升乘客在地铁临时短交路折返站的换乘效率和协调性，有效减少乘客的等待时间，从而提升整体的乘客出行体验。

2、本发明采用以下技术方案。

3、基于改进麻雀搜索算法的地铁突发运营中断客流疏运方法，用于地铁运营突发中断后的客流疏运，所述方法通过拟合乘客路径出行时间与最大延误容忍时间的函数关系式，综合考虑出行时间、出行费用、出行舒适度和最大延误容忍时间作为路径损益参考点，计算价值函数、决策权重函数和累计前景值，构建基于累计前景理论的地铁突发运营中断下乘客出行路径选择模型，并通过考虑中断持续时间内的乘客需求进一步建立客流协同疏运模型，利用改进麻雀搜索算法求解得到协同调度方案。

4、基于改进麻雀搜索算法的地铁突发运营中断客流疏运方法包括以下步骤：

5、步骤s1：收集乘客最大延误容忍时间，拟合乘客出行路径时间与最大延误容忍时间的函数关系式；

6、步骤s2：获取路径方案的出行时间成本和费用成本，通过费用成本计算舒适度成本，综合作为广义出行成本，并整合出行路径方案；

7、出行路径方案包括地铁相关出行路径方案、非地铁相关出行路径方案；

8、步骤s3：利用步骤s1中各路径乘客延误最大容忍时间和步骤s2出行时间成本、出行费用成本、舒适度成本计算路径损益参考点，进一步计算路径价值函数、决策收益权重函数、决策损失权重函数、累计决策收益权重函数、累计决策损失权重函数、累计前景值；将累计前景值作为随机效用值，利用logit模型计算路径选择划分率；

9、步骤s4：结合步骤s3路径选择划分率和地铁自动售检票系统数据，统计原始滞留乘客和站外累计到达乘客；

10、步骤s5：通过乘客在折返站的换乘，将地铁相关出行路径方案内的应急接驳公交调度与地铁临时短交路相联系，建立以乘客总等待时间最小为优化目标的协同疏运模型；

11、步骤s6：采用spm混沌映射、蝴蝶算法全局搜索策略、柯西变异策略对麻雀搜索算法进行优化，得到改进麻雀搜索算法，求解协同疏运模型，以模型决策变量的近似最优解作为协同疏运方案的线路发车时刻表、车辆行车计划表、地铁临时短交路时刻表，从而完成地铁突发运营中断下应急接驳公交和地铁临时短交路协同调度优化方法。

12、地铁相关出行路径方案包括：地铁系统内部绕行、地铁组合应急接驳公交、地铁组合常规公交、地铁组合出租车、地铁组合网约车、地铁组合共享自行车、原地等待；

13、步骤s1中，乘客最大延误容忍时间的定义为，在地铁突发运营中断，乘客无法按照原出行时间抵达目的地，面临候车时间的不确定性但对候车等待时间表现出容忍时的与原路径出行时间有关的最大延误容忍时间，

14、最大延误容忍时间通过问卷获取，

15、拟合乘客出行路径时间与最大延误容忍时间的函数关系式的方法是，研究区域内地铁出行乘客的最大延误容忍时间，对受访者的日常出行时间和最大延误容忍时间进行函数拟合，得到拟合曲线图，若拟合曲线图直观展现随着出行时间的增加，乘客的最大延误容忍时间整体呈现递增的趋势，且拟合曲线的平方大于0.8，残差平方和较低，则判定拟合函数的拟合优度高，能够描述出行时间与最大延误容忍时间之间的定量关系，如公式所示：

16、；

17、式中：表示乘客可接受的最大延误容忍时间；表示乘客出行时间。

18、非地铁相关出行路径方案包括：全程常规公交、全程出租车、全程网约车、全程共享自行车、私人小汽车、步行、放弃出行。

19、所述步骤s4具体包括以下步骤：

20、步骤s41：获取地铁运行时刻表，得到各站点列车离站时刻；

21、步骤s42：根据中断时刻和地铁线路各站点列车离站时刻，结合地铁自动售检票系统数据，获得站台原始滞留乘客；

22、步骤s43：将中断区间内的列车滞留乘客转移至最近的安全站点，将该部分乘客与站台乘客相加，作为该站台的原始滞留乘客；

23、步骤s44：利用步骤s3计算得到的路径选择划分率，对站台的原始滞留乘客进行折减，计算得到该站点的原始滞留乘客；

24、步骤s45：根据线路乘客进站量，将研究时段划分为若干个等时长的小时段，计算公式为：

25、

26、式中，为地铁车站集合，a和c为车站索引；为第n个时间窗内到达车站a的准备前往车站c的乘客数；为时间窗长度；为第n个时间窗内到达车站a的准备前往车站c的站外乘客的到达率；n为时间窗总数。

27、步骤s46：利用中断持续时间内的历史地铁自动售检票系统数据，统计各研究小时段内的累计到达乘客需求。

28、所述步骤s5建立地铁突发运营中断下协同疏运模型，具体步骤如下：

29、步骤s51：确定协同调度模式为直达式应急接驳公交组合全站式地铁临时短交路，在中断区间内开行应急接驳公交，中断区间外开行地铁临时短交路列车；

30、步骤s52：根据步骤s4计算的乘客需求分别计算应急接驳公交和地铁临时短交路的乘客等待时间，计算公式为：

31、

32、

33、

34、

35、

36、

37、

38、

39、

40、

41、

42、

43、

44、

45、

46、

47、式中： 、 、、、、、分别为搭乘应急接驳公交各类乘客的等待时间；

48、tbwait1：在地铁突发运营中断瞬间的原始滞留乘客等待时间，每位乘客的等待时间应从中断瞬间开始计算至接驳线路第一辆应急接驳公交驶离候车站点为止；

49、tbwait2：在地铁突发运营中断瞬间至第一辆应急接驳公交驶离接驳，此期间以一定到达率抵达站点的乘客的等待时间；

50、tbwait3：在线路每两个班次离站时刻之间抵达站点的乘客的等待时间；

51、tbwait4：对于乘坐地铁列车抵达折返站换乘应急接驳公交的乘客等待时间，其等待时间应从列车到站时刻开始计算至对应线路的应急接驳公交班次发车为止；

52、tbwait5：未能搭载应急接驳公交班次 u-1 的滞留乘客的等待时间，等待时间应从公交班次 u-1 发车时刻开始计算至公交班次 u 发车为止；

53、tbwait6：各线路应急接驳公交最后一个班次|u|离开后，站点仍可能存在滞留乘客、站外累积到达乘客、折返站列车换乘乘客的等待时间；

54、tbwait7：站外累积到达乘客等待时间；

55、tbwait8：列车换乘乘客等待时间；

56、s为中断区间中断站点集合；为应急接驳公交服务站点索引；d为应急接驳公交蓄车点集合；d为应急接驳公交蓄车点索引；b为应急接驳公交车辆集合；b为应急接驳公交车辆索引；u为应急接驳公交班次的索引；为在中断瞬间计划从站点i前往站点j的原始滞留乘客数；为从站点i至站点j的应急接驳公交线路班次u的发车时刻；为0-1变量，当时，从蓄车点d派遣应急接驳公交b执行从站点i至站点j的班次u的输运任务；为在站点i等待应急接驳公交班次u前往站点j的站外累计到达乘客数；|u|为线路班次总数；m为中断区间中间站集合，s=m+o；o为折返站集合；o为折返站索引；v为临时短交路列车班次集合；v为地铁车次索引；为地铁车次v抵达折返站o时，下车乘客中需要搭载应急接驳公交前往中断区间中间站j的乘客数量；为地铁车次v在折返站o的进站时刻；为第一辅助0-1变量，当时为地铁车次v在抵达折返站的时刻，处于公交班次u-1与u的发车时刻之间；e为中断区间下游临时短交路中正常运营车站和折返站的集合；为在站点i未能搭载公交班次u-1前往站点j的滞留乘客数；t为中断持续时长，也代表中断恢复时刻；为从站点i至站点j的应急接驳公交线路最后一个班次的发车时刻；为第二辅助0-1变量，当时为地铁车次在抵达折返站的时刻，处于线路最后一个公交班次|u|发车时刻与中断恢复时刻t之间；

57、、 、、、、、分别为临时短交路各类乘客的等待时间；

58、tmwait1：在地铁突发运营中断瞬间的原始滞留乘客等待时间，每位乘客的等待时间应从中断瞬间开始计算至第一辆临时短交路列车驶离候车站点为止；

59、tmwait2：在地铁突发运营中断瞬间至第一辆临时短交路列车驶离车站，此期间以一定到达率抵达站点的乘客的等待时间；

60、tmwait3：在线路每两个班次离站时刻之间抵达站点的乘客的等待时间；

61、tmwait4：对于乘坐应急接驳公交抵达折返站换乘地铁列车的乘客的等待时间；

62、tmwait5：未能搭载地铁列车班次v-1的滞留乘客的等待时间。等待时间应从列车班次 v-1 发车时刻开始计算至列车班次v发车为止；

63、tmwait6：各线路地铁列车最后一个班次|v|离开后，站点仍可能存在滞留乘客、站外累积达道乘客、折返站列车换乘乘客的等待时间；

64、tmwait7：站外累积到达乘客等待时间；

65、tmwait8：列车换乘乘客等待时间；

66、为地铁车次v在站点a的出站时刻；为0-1变量，为地铁车次v在抵达折返站的时刻，处于公交班次u-1与u的发车时刻之间；|v|为地铁车次总数；为中断瞬间计划从车站a搭乘地铁车次v前往车站c的滞留乘客数；为站点a等待地铁车次v前往站点c的站外累计到达乘客数；h为应急接驳公交车辆输运次数集合；e为应急接驳公交车辆疏运次数索引；|e|为中断区间下游临时短交路的最后一个车站；为应急接驳公交第e次疏运执行从站点i至站点j的线路班次u时实际搭载的乘客数；为应急接驳公交抵达折返站o之后，车内需要换乘临时短交路列车的各站点间乘客的比例；为应急接驳公交从中断站点i至中断站点j的行程时间；为第三辅助0-1变量，当时，为；为在车站a未能搭载地铁车次v前往车站c的滞留乘客数；为第四辅助0-1变量，当时为应急接驳公交班次u在抵达折返站的时刻，处于地铁车次v出站时刻与中断恢复时刻t之间；

67、为在第n个时间窗内到达公交站站i的准备前往公交站站j的站外乘客的到达率，单位：人/min；

68、为时间窗长度，单位：min；

69、为地铁车站点集合；

70、为第五辅助0-1变量，当时，表示该车站不存在车次v-1服务；

71、为应急接驳公交从中断站点i至中断站点j的行程时间，单位：min；

72、为第六辅助0-1变量，如果公交班次u在抵达折返站的时刻，处于地铁车次v-1与v的发车时刻之间，则，否则，；

73、步骤s53：将应急接驳公交和地铁临时短交路的乘客等待时间作为一个整体，计算公式为：

74、

75、

76、

77、式中：表示应急接驳公交接驳乘客的总等待时间；为地铁临时短交路乘客的总等待时间。

78、步骤s5中，建立地铁突发运营中断下协同疏运模型还包括以下步骤；

79、步骤s54：设定各应急接驳公交线路最后一辆车的发车时刻不超过中断时刻、每辆应急接驳公交应该设定最大疏运次数、任意一个蓄车点派遣至各接驳线路的车辆数不能超过该蓄车点的剩余可用车辆数、每辆应急接驳公交车内的乘客数量不能超过车辆核载人数、公交线路发车间隔需介于最大发车间隔和最小发车间隔之间、每一辆应急接驳公交每次只能被分配到一个车站执行直达车任务、应急接驳公交每次执行疏运任务所服务的两个站点至少有一个是折返站、各线路应急接驳公交第一趟班次的发车时刻不小于车辆从蓄车点到达接驳线路起始站点、应急接驳公交执行的后一车次的发车时刻不能超过前一车次的结束时刻、应急接驳公交每个班次之前都有一个班次、应急接驳公交每个班次之后都有一个班次，共十一条约束条件。

80、步骤s5中，建立地铁突发运营中断下协同疏运模型还包括以下步骤；

81、步骤s55：设定地铁临时短交路列车停站时间应介于最大停站时间和最小停站时间之间、同一站点后一车次的离站时刻与前一车次的到站时刻之差要介于最大发车间隔与最小发车间隔之间、同一站点后一车次的到站时刻与前一车次的到站时刻之差要介于最大发车间隔与最小发车间隔之间、同一站点后一车次的离站时刻与前一车次的离站时刻之差要介于最大发车间隔与最小发车间隔之间、在车乘客数不能超过列车核载人数、站台上的滞留乘客不超过站台最大容量，共六条约束条件。

82、步骤s5中，地铁突发运营中断下协同疏运模型还包括步骤s56：综合步骤s51至步骤s55，考虑地铁突发运营中断瞬间的原始滞留乘客，同时兼顾了中断持续时间内的站外累计到达乘客，以构成地铁突发运营中断下客流协同疏运模型。

83、所述步骤s6的实现步骤如下：

84、步骤s61：在麻雀搜索算法初始化阶段加入spm混沌映射，计算公式为：

85、

86、式中：表示第个混沌序列数；表示取余函数；λ和μ表示混沌参数，取值范围均为(0,1)；r表示一个(0,1)之间的随机数；

87、将产生的混沌序列数映射到种群解的空间中，计算公式为：

88、

89、式中：表示种群解的空间下界；表示种群解的空间上界；

90、步骤s62：采用蝴蝶搜索算法全局搜索策略替换麻雀搜索算法生产者位置更新策略的阶段的关系式，计算公式为：

91、

92、

93、式中，表示麻雀种群在第t次迭代后编号i的麻雀个体在维度j的位置信息；表示一个服从[0,1]正态分布的随机数；表示种群在t次迭代后适应度最优的麻雀位置；表示蝴蝶算法中第i只蝴蝶的香味浓度；f表示蝴蝶散发出的香味浓度的衡量值；c表示蝴蝶的感觉模态因子，取0.1；i表示刺激强度；ε表示香味因子，取0.01。q表示一个随机数，服从正态分布；l表示一个1×d的矩阵；和st表示警戒值和警戒阈值，当时，代表觅食区域安全，当，代表觅食区域不安全；

94、步骤s63：在麻雀搜索算法中引入柯西变异策略，计算公式为：

95、

96、式中：表示在种群次迭代后适应度最差的麻雀位置；表示种群在t+1次迭代后适应度最优的发现者的位置；表示标准柯西分布；表示相乘；a表示一个1×d的矩阵，其随机选择1或-1作为元素，并满足；n表示设定的跟随者数量，当时，代表该部分个体适应度值差，无法跟随发现者，需要自行觅食，其他情况代表跟随者可跟随最优个体进行觅食。

97、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

98、本发明通过应急接驳公交调度和地铁列车运行调整的紧密配合，不仅充分考虑了地铁突发运营中断瞬间的原始滞留乘客，还兼顾了中断持续时间内的站外累计到达乘客，从而有效了发挥公共交通在地铁突发运营中断期间内的紧急疏运和接续保障作用，确保了地铁乘客的出行连续性、安全性与便捷性，显著减少了由应急接驳公交和地铁短交路所构成的临时系统的乘客出行延误。

99、本发明计算的客流协同调度方案，有助于提升地铁系统在中断期间内的整体运营水平，对增强地铁系统的韧性和可持续性具有实际意义。