孫蕊　張冬有

摘要：地理信息系統(tǒng)（GIS）應(yīng)用于城市公共交通系統(tǒng)，極大地提高了人們的生活工作效率，簡化了城市公交系統(tǒng)的管理。利用GIS手段的緩沖區(qū)分析、疊加分析等方法，可以將發(fā)展完全的復(fù)雜城市公交網(wǎng)絡(luò)的單一公交線路進(jìn)行局部優(yōu)化;也可以對未發(fā)展完全的簡單城市公交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體規(guī)劃和優(yōu)化。再利用方位編碼，將公交線路的編碼同其所行駛的路線進(jìn)行一定程度的關(guān)聯(lián)。公交線路是不同路線公交的特定代碼，其作用的最佳體現(xiàn)是對公交行駛路線的大致脈絡(luò)顯示。建立新的公交線路編碼方式，并對公交行駛路線和公交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，GIS在城市公交系統(tǒng)上的應(yīng)用，公交編碼方式的意義化使人們在乘坐公交時(shí)進(jìn)行簡單地決策選擇，方便相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行公交管理，一定程度上減少了乘坐公交時(shí)的選擇錯誤率，間接地提高了公交的性能效率。公交線路和公交網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整優(yōu)化能夠提高公交系統(tǒng)的運(yùn)作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)（GIS）;公交線路優(yōu)化;公交網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化;公交編碼方式

中圖分類號：U491.1+7 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）18-0141-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.034 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Bus line doning and driving route optimization in Harbin based on GIS

SUN Rui，ZHANG Dong-you

（Heilongjiang Province Key Laboratory of Geographical Environment Monitoring and Spatial Information Service in Cold Regions，

Harbin Normal University，Harbin 150025，China）

Abstract： The application of geographic information system （GIS） in urban public traffic systems，greatly improves peoples life efficiency，simplify the management of urban public transport system. Using GIS methods such as buffer analysis and overlay analysis， local optimization of a single bus line for a complete complex urban bus network. It can also be used for overall planning and optimization of a simple urban bus network that has not been fully developed. Using Azimuth coding to relate the code of bus code with the general running routes. The bus number are the specific codes of bus in different routes， its perfect function is to display the general framework of the bus route. Setting up a new method of encoding and optimizing the bus routes，the result showed that the application of GIS in urban public traffic systems， The significance of public transport coding mode is convenient for people to make simple choices when taking public transportation，handy some institution to manage the public transport，reduces the error rate to a certain extent when people choose the bus， and improves the overall bus efficiency. The adjustment and optimization of bus route and bus network can increase the operation efficiency of public transportation system and promote economic efficiency.

Key words： geographic information system （GIS）; route optimization; network analysis; coding optimization

隨著城市的發(fā)展，公交系統(tǒng)逐步形成與完善，同時(shí)城市發(fā)展的階段性與地域性，使得公交在發(fā)展過程中，過度重視城市的可流通情況而忽略了其性能的優(yōu)良程度。目前，城市公交系統(tǒng)大多沒有系統(tǒng)化的管理方式。公交網(wǎng)絡(luò)的雜亂及線路編碼的低利用率使得缺乏整體性規(guī)劃的公交系統(tǒng)，非但不能提高人們的出行效率，某種程度上反而對城市的交通運(yùn)輸和居民出行造成一定的不利的影響。

20世紀(jì)80年代起，國內(nèi)開始研究公交網(wǎng)線的優(yōu)化，鄒志云等[1]、吳稼豪等[2]、夏偉民等[3]相對全面地論述了有關(guān)于城市公交網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題的模型及方法;劉清[4]在公交管理系統(tǒng)中提出了基于AI的廣義A*算法;張國伍等[5]通過提取公交網(wǎng)線的特性，利用擴(kuò)展福勞德算法，提出多條公交線的最短路徑算法;王志棟[6]提出以最短出行時(shí)間、最高客流直達(dá)率、最大網(wǎng)線覆蓋率、最低線路重復(fù)系數(shù)等，多目標(biāo)、多約束條件的模型計(jì)算方法。通過公交線網(wǎng)規(guī)劃建立數(shù)學(xué)模型，在一定約束條件下，確定該公交網(wǎng)線的線路組成形式，使目標(biāo)函數(shù)結(jié)果為最優(yōu)。而國外關(guān)于公交線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的思路是依據(jù)相關(guān)理論，合理地將居民區(qū)分配到公交網(wǎng)絡(luò)中，形成優(yōu)化流分布，設(shè)定優(yōu)化條件，生成最佳路線。例如，Kikuchi等[7]提出利用模糊邏輯來設(shè)計(jì)公交網(wǎng)絡(luò);Fitzpatrick等[8]利用乘客反饋，站點(diǎn)現(xiàn)狀及公交企業(yè)布設(shè)站點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助公交站點(diǎn)設(shè)計(jì)軟件，指導(dǎo)公交站點(diǎn)布局和優(yōu)化設(shè)計(jì);Pattnaik等[9]運(yùn)用遺傳算法設(shè)計(jì)公交線網(wǎng)，以公交乘客出行費(fèi)用和運(yùn)營費(fèi)用總和最小為目標(biāo)，生成線路合集，再通過遺傳算法對路線合集進(jìn)行優(yōu)選。Sullivan等[10]利用桌面地理信息系統(tǒng)（GIS）對等時(shí)線地圖進(jìn)行可行性分析，是一種選擇公交最佳路徑的分析方法。

通過對公交線路的重新編碼，簡略顯示公交行駛的首末站、途經(jīng)站等信息，方便人們在出行過程中快速準(zhǔn)確地選擇出行方案，通過對已有站點(diǎn)和道路網(wǎng)的分析，在最大限度減小城市公交線網(wǎng)的復(fù)雜程度的前提下，建立大客流量場所之間的便捷聯(lián)系網(wǎng)，合理安排公交車次，方便城市內(nèi)部人口運(yùn)輸。建立合理便利的公交網(wǎng)線，在直接方便居民出行的同時(shí)，間接減少私家車數(shù)量、改善城市環(huán)境。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)概況

哈爾濱市是典型的行政區(qū)劃由舊城區(qū)向城市邊緣擴(kuò)建的發(fā)展方式，內(nèi)部的道路線路非常復(fù)雜，巷道多，交錯縱橫，走向沒有按照正方位方向，致使公交行駛路線的極為雜亂，缺乏系統(tǒng)性、科學(xué)性。市區(qū)邊緣地區(qū)，乘客出行可供選擇的公交線路單一，沒有很好地利用居民出行主要流動場所的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)乘客不能利用公交直達(dá)高客流量場所。老市區(qū)內(nèi)部，公交線路分配不夠合理，不同服務(wù)場所的公交線路數(shù)量差距大，不同公交所搭載乘客數(shù)量差距大，公交的利用率低。市區(qū)邊緣與市中心沒有形成良好的連通性，總體換乘指數(shù)過高。公交線路編碼隨意，不方便進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配管理，同時(shí)，對外鄉(xiāng)游客來說，選擇旅游出行路線也是一大難題。

1.2 ?數(shù)據(jù)收集

對公交GIS數(shù)據(jù)庫的建立需要大量收集相關(guān)信息，例如公交場站區(qū)位信息、已有公交線路信息、線路客流量、人口分布和道路網(wǎng)布局情況等。

數(shù)據(jù)信息管理是地理信息系統(tǒng)的重要組成部分，數(shù)據(jù)可以按照類別進(jìn)行分層存儲，方便對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行合理、高效的統(tǒng)計(jì)和檢索。所存儲的數(shù)據(jù)集合就是數(shù)據(jù)庫，其具有數(shù)據(jù)量大、能同時(shí)存儲要素的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。

1.3 ?理論與方法

城市公共交通系統(tǒng)分為公共交通運(yùn)輸?shù)墓ぞ吆驮O(shè)施、公共交通的規(guī)劃與運(yùn)營管理兩個(gè)組成部分，其中公交線網(wǎng)規(guī)劃與站點(diǎn)選址是其運(yùn)營管理的最重要部分。

公交站點(diǎn)的選擇直接關(guān)系到城市人口在高流動場所之間的轉(zhuǎn)移效率，進(jìn)一步影響城市生活質(zhì)量。公交站點(diǎn)的選擇遵循的一般原則有：一等鄰近居民區(qū)、超市、醫(yī)院、商場;二等鄰近寫字樓集中區(qū)、公園等;避免流動車輛多的信號燈道口位置，停靠在人行道邊;多個(gè)公交在同一道路上所設(shè)的站點(diǎn)應(yīng)該相隔一定距離;同一線路公交的來去兩個(gè)方向在同一道路的站點(diǎn)設(shè)置應(yīng)該在保持一定距離的同時(shí)，盡量相互呼應(yīng)。

公交行駛路線的確定則是整個(gè)城市公交運(yùn)輸?shù)墓趋老到y(tǒng)，就是城市人口流動網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)人口集中區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)網(wǎng)線。在確定整個(gè)城市的站點(diǎn)需求情況之后，通過站點(diǎn)之間的連線確定某線路公交的行駛路線。公交路線的規(guī)劃關(guān)系到城市生活的便利程度和吃穿住行的聯(lián)系程度，也是公交路線優(yōu)化的主要部分所在：①沿主要客流方向開線;②大流量直達(dá)客流優(yōu)先;③線路平均客流應(yīng)不低于開線標(biāo)準(zhǔn);④盡量提高滿載率;⑤線路的長度既要符合規(guī)定又要盡可能選取最短布設(shè)方式;⑥客流量盡可能均衡。

2 ?公交路線的優(yōu)化

2.1 ?單一公交線路站點(diǎn)優(yōu)化

對公交行駛路線一定范圍內(nèi)的城市地圖進(jìn)行矢量化顯示（以116線為例），見圖1。結(jié)合當(dāng)前公交行駛線路周邊場所的分布情況，對各場所的服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評價(jià)并賦值，通過所賦值進(jìn)行緩沖區(qū)分析，作為其服務(wù)能力的量化體現(xiàn)——服務(wù)范圍。對于應(yīng)該避開的交通信號燈等車流量大的路口的服務(wù)價(jià)值賦負(fù)值。

首先通過道路周邊場所的緩沖區(qū)分析得到其服務(wù)范圍的大小，然后對除交通信號燈的其他場所緩沖區(qū)進(jìn)行疊置分析，其次去除交通信號燈影響范圍，最后導(dǎo)入原有公交站點(diǎn)位置信息，根據(jù)已有站點(diǎn)所在位置與附近各場所服務(wù)范圍覆蓋情況，對已有站點(diǎn)進(jìn)行重要性價(jià)值分析。已有站點(diǎn)重要性情況如圖2示，所得值為負(fù)的站點(diǎn)處于車流量大的交通燈路口影響范圍，其危險(xiǎn)性遠(yuǎn)高于價(jià)值性，建議取消此站點(diǎn);重要性值相對較小的站點(diǎn)可以適當(dāng)?shù)姆侄魏喜ⅲ詼p少公交?？看螖?shù)縮短行駛時(shí)間;重要性值較高的站點(diǎn)是人流量大的場所聚集地，應(yīng)該保留該站點(diǎn)。

2.2 ?城市公交網(wǎng)絡(luò)道路分級方法調(diào)整

對哈爾濱市區(qū)主要道路地圖（圖3）進(jìn)行矢量化顯示，對網(wǎng)狀的道路周邊場所進(jìn)行顯示，結(jié)合各場所的人口流動情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對其服務(wù)能力進(jìn)行計(jì)算，利用緩沖區(qū)分析方法將各場所的服務(wù)能力直觀化顯示為服務(wù)范圍，同時(shí)避開交通信號燈等車流量大的路口，得到不同價(jià)值等級的道路，包括參數(shù)值大的重要道路（所有公交必須?？浚┖蛥?shù)值小的普通道路（少量公交?？浚?。

結(jié)合道路周邊場所的緩沖區(qū)分析得到的服務(wù)范圍的大小，對除交通信號燈的其他場所緩沖區(qū)進(jìn)行疊置分析，去除交通信號燈影響范圍，提取必需站點(diǎn)道路位置，通過對道路的服務(wù)價(jià)值體現(xiàn)，對城市整體公交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體規(guī)劃。圖4顯示兩個(gè)級別道路，加粗道路為服務(wù)價(jià)值高的必停線路，其余為服務(wù)價(jià)值較低選擇性?？烤€路，對公交網(wǎng)絡(luò)的整體規(guī)劃和局部優(yōu)化提供決策支持。

2.3 ?公交線路編碼優(yōu)化

公交線路編碼優(yōu)化就是公交車次的命名意義化。把公交車次與公交行駛線路進(jìn)行一定程度的關(guān)聯(lián)，有利于乘客在選乘時(shí)粗略定位適合的公交車次，有利于相關(guān)部門對城市公交系統(tǒng)系統(tǒng)化地管理。第一位為始發(fā)站所在區(qū)編碼，最后位為終點(diǎn)所在區(qū)編碼（同區(qū)可省略最后位）。利用道路線分布情況將哈爾濱市進(jìn)行大致的分區(qū)，并對區(qū)域編碼（圖5）。加粗箭頭道路是某路公交所行駛的線路，起點(diǎn)在1區(qū)，終點(diǎn)在2區(qū)，則該公交線路的編碼應(yīng)為1X2。

中間位編碼既要保證代碼與路線的聯(lián)系，又要盡量減少編碼位數(shù)：第一種方法是利用方位編碼方式。對公交行駛方向進(jìn)行表示，進(jìn)行中間位編碼，將8個(gè)方位向進(jìn)行編碼，按公交大致走向選取與方向相差角最小的方向代碼做中間位。圖5中所示起點(diǎn)至終點(diǎn)連線所代表公交線路大致行駛方向與2—6方向線相近，再由起始終止方向可知，采用2方向編碼，則該公交線路編碼應(yīng)為122;第二種方法是對公交行駛線路的重要參數(shù)值進(jìn)行表示，將參數(shù)值進(jìn)行等級分類后編碼，做中間位編碼。

非直線系數(shù)：β=l實(shí)際/l直線 ? ?（1）

式（1）中，β為非直線系數(shù);l實(shí)際為公交線路實(shí)際長度（km）;l直線為首末站間的空間直線距離（km）。

非直線系數(shù)能夠體現(xiàn)公交行駛路線的彎曲程度，以其作為中間位的體現(xiàn)，能夠直觀地表示出該公交路線起點(diǎn)站和終點(diǎn)站的運(yùn)輸效率、繞行程度。對不同公交線路進(jìn)行非線性系數(shù)計(jì)算，得到的值按段分為0～9個(gè)等級（0為非直線系數(shù)最高，9為非直線系數(shù)最低），中間位則表示為這參數(shù)的等級數(shù)。

如果想在公交線路編碼中體現(xiàn)更多的屬性，則可適當(dāng)增加公交線路編碼位數(shù)來表示不同的參數(shù)特征。

3 ?結(jié)論

在公交網(wǎng)絡(luò)整體優(yōu)化調(diào)整的過程中，地理信息系統(tǒng)在全局上的規(guī)劃和局部的微調(diào)都起到了巨大的作用。通過合理設(shè)計(jì)公交路線，提高公交運(yùn)輸效率。對公交網(wǎng)絡(luò)的整體規(guī)劃，使不同時(shí)段不同公交線路所承受的運(yùn)輸壓力得到均衡，減小事故發(fā)生概率、改善環(huán)境污染，為居民提供快速方便、安全高效、準(zhǔn)時(shí)的交通環(huán)境，方便城市內(nèi)部人口運(yùn)輸。公交車次編碼方式的改進(jìn)，方便城市公交系統(tǒng)的管理，加強(qiáng)了數(shù)字城市與公交系統(tǒng)的交互。

對于一個(gè)已建成的并具有相當(dāng)規(guī)模公交網(wǎng)絡(luò)的哈爾濱市區(qū)來說，進(jìn)行全區(qū)的整體公交網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，大規(guī)模的網(wǎng)線變更使得居民需要一個(gè)較長的熟悉與適應(yīng)過程，反而給居民出行帶來很大的不便，所以進(jìn)行局部公交路線的站點(diǎn)調(diào)整比較合理。最佳調(diào)整原則是利用整體規(guī)劃公交網(wǎng)絡(luò)的方法對道路進(jìn)行價(jià)值分級，利用其結(jié)果對局部線路調(diào)整提供決策支持，或?qū)π陆ǔ菂^(qū)進(jìn)行公交系統(tǒng)規(guī)劃。調(diào)整中應(yīng)盡量保持現(xiàn)有的合理線路，繼續(xù)部分不合理公交路線利用單一公交線路的站點(diǎn)優(yōu)化方案，根據(jù)局部線路站點(diǎn)評價(jià)結(jié)果，進(jìn)行站點(diǎn)的增刪與位置調(diào)整，適當(dāng)加長、縮短或局部改線處理。

城市公交系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的大系統(tǒng)，道路線網(wǎng)情況十分復(fù)雜，對于不同特征的公交行駛線路的優(yōu)化需要采取不同的優(yōu)化方案。對于多種公交網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，不同指標(biāo)有不同的適用路況：線路長度和公交站點(diǎn)間距適合對公交進(jìn)行經(jīng)停站點(diǎn)間進(jìn)行分段優(yōu)化;線路網(wǎng)密度適合高人口流動的市區(qū)內(nèi)（舊城區(qū)）公交路線優(yōu)化;非直線系數(shù)適合路況復(fù)雜，多彎路的公交路線優(yōu)化;公交站點(diǎn)覆蓋率可以應(yīng)用于公交站點(diǎn)數(shù)目的優(yōu)化;網(wǎng)絡(luò)連通度是應(yīng)用于某區(qū)域公交線網(wǎng)整體優(yōu)化的性能指標(biāo)。在進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)，應(yīng)該憑借豐富的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用多種工具，結(jié)合地理信息，應(yīng)用多種公交網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的結(jié)合反演優(yōu)化線路，使公交網(wǎng)絡(luò)更加合情合理。

哈爾濱市公交網(wǎng)絡(luò)以上述方式進(jìn)行優(yōu)化后，對老城區(qū)居民區(qū)附近的站點(diǎn)進(jìn)行整合，公交站點(diǎn)在合理前提下相對減少，新站點(diǎn)多分布在居民聚集區(qū)中心位置，以不同聚集區(qū)人口的多少確定站點(diǎn)數(shù)量。新開發(fā)區(qū)通往舊城區(qū)的公交數(shù)目有所增加，周邊村鎮(zhèn)的經(jīng)停站點(diǎn)的設(shè)置增多。公交網(wǎng)線整體變化情況為高密度區(qū)密度降低，稀疏區(qū)密度有所提高。經(jīng)過優(yōu)化和完善的哈爾濱市公交系統(tǒng)，可提高哈爾濱公交系統(tǒng)服務(wù)水平，為哈爾濱市的發(fā)展提供基本物質(zhì)條件。

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