基于出租車運營GPS數(shù)據(jù)的城市公交線路優(yōu)化方法研究

巴興強，姜博瀚，朱海濤，陳思寧，郭維奇

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040)

1 研究目的與方法

1.1 研究目的

1.2 研究方法

目前各種方法側(cè)重點多為滿足交通小區(qū)的連通和小區(qū)局面出行需求，對公交的具體運行路徑和運行模式關(guān)注較少。主要步驟一般都分為兩步:其一是交通需求信息的獲取，通常采用調(diào)查法如OD調(diào)查專家調(diào)查等;其二是公交線路的優(yōu)化，通常采用數(shù)學(xué)分析法或經(jīng)驗法給出優(yōu)化建議。

在公交需求獲取中，出租車運營信息的實時采集系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉玫降臄?shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)庫和GIS地理信息系統(tǒng)等計算機軟件進行數(shù)據(jù)處理。在公交線路的優(yōu)化中將把得到的數(shù)據(jù)與城市現(xiàn)有

公交線路運行信息經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后統(tǒng)一到同一系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)分析，并依據(jù)實際獲得的實時數(shù)據(jù)提出實驗性的公交路線優(yōu)化思路，直接利用出租車運營數(shù)據(jù)來提出公交優(yōu)化建議。同時可以將出租車運營信息系統(tǒng)采集到的居民出行數(shù)據(jù)作為公交線路優(yōu)化的數(shù)據(jù)來源。

2 出租車運營特點及其信息采集系統(tǒng)

2.1 出租車在城市交通中的作用及運營特點

伴隨著城市居民收入的提高，居民出行使用出租車頻率逐步提高，出租車的數(shù)量和運營旅客量在近些年里增長迅速，如深圳市出租車數(shù)量由2001年的8 505輛增長到2011年的14 735輛［2］;哈爾濱出租車運營旅客量從2008年的34萬人次/日增長到2012年了50余萬人次/日，其輸送乘客的規(guī)模相當(dāng)于城市公交車出行量的17%，同時，其分擔(dān)率達到居民總出行的6.1%［3］?？梢姡x擇出租車出行已經(jīng)是一種具有普遍性的居民出行方式，出租車運營信息從一個重要的側(cè)面反映出城市居民的交通需求。同時，由于出租汽車行業(yè)定位是大容量公共交通的補充，其主要滿足的應(yīng)是居民特殊出行需要，通過對不同城市250人的調(diào)查問卷顯示居民選擇出租車出行的原因見表1。

表1 居民選擇出租車出行原因表Tab.1 The reasons of choosing taxis in travel

根據(jù)表中調(diào)查的數(shù)據(jù)居民選擇出租車出行與公交服務(wù)水平具有一定的關(guān)系，根據(jù)此次調(diào)查結(jié)果顯示在城市中大約有43%的出租車出行是由可以由公交出行轉(zhuǎn)移的，可見其出行具有公交的可替代性。

1)高純錫樣品的錫基體，在低分辨模式下激發(fā)所得到的同位素質(zhì)譜線強度(單位cps)能夠達到1010以上，在中分辨和高分辨模式下激發(fā)所得到的同位素質(zhì)譜線強度都能達到109以上；

2.2 出租車車載運營信息采集系統(tǒng)的建立

出租汽車是一種不定線路、不定車站、以計程或計時方式營業(yè)，為乘客提供門到門服務(wù)的公共交通工具。

依靠出租車運營GPS數(shù)據(jù)所能反映的交通信息如下:

(1)居民交通需求的空間分布。

(2)居民交通需求的時間分布。

(3)各區(qū)域之間的交通需求密度。

(4)實時道路情況。

出租車運營監(jiān)控設(shè)備獲取出租車是否載客，乘客上、下出租車的地點及載客時出租車的行駛軌跡，其GPS系統(tǒng)運行方式如圖1所示。

圖1 出租車車載運營信息采集系統(tǒng)工作流程Fig.1 The workflow of taxi operation information acquisition system

3 基于出租車運營信息支持的公交線路優(yōu)化方法

3.1 利用出租車起訖點進行OD調(diào)查

OD調(diào)查是現(xiàn)有常規(guī)公交線網(wǎng)優(yōu)化方法的基礎(chǔ)，OD調(diào)查的內(nèi)容主要有起止點分布、出行目的、出行方式、出行時間、出行距離、出行次數(shù)等。由此可以確定公交線網(wǎng)上的乘客分布規(guī)律，為公交線網(wǎng)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)，也可以確定各線路的乘客平均乘距及乘客平均乘行時間，建立居民出行量與車流量之間的換算關(guān)系［5］。

利用出租車運營信息采集系統(tǒng)，對出租車乘客的出行起訖點進行信息采集，可以為公交OD調(diào)查提供相關(guān)數(shù)據(jù)。以出租車運營起訖點數(shù)據(jù)進行聚類分析，結(jié)合城市交通小區(qū)劃分原則為城市劃分交通小區(qū)，再將小區(qū)框圖輸入到已經(jīng)含有成對分組出租車起訖點數(shù)據(jù)的GIS地圖中，就可以通過GIS軟件直接計算區(qū)域內(nèi)同屬性點的數(shù)目，得到居民乘出租出行的OD矩陣。由于大型城市出租車數(shù)量多、分擔(dān)率高，每天有數(shù)十萬人次的出租車出行，進行出租車運營信息采集可以獲取大量的OD數(shù)據(jù)，且還可以獲得一年中不同時期或一天內(nèi)不同時間段的居民出行數(shù)據(jù)。能夠及時、持續(xù)和廣泛的提供長時段的居民出行OD數(shù)據(jù)，可降低OD調(diào)查的總投入，是一種新的行之有效的OD調(diào)查方法，可以作為大型OD調(diào)查的補充，可以為交通預(yù)測和公交線路調(diào)整提供依據(jù)。

3.2 依靠出租車軌跡數(shù)據(jù)對公交線路進行優(yōu)化

3.2.1 基于時間公交線路優(yōu)化

公交線路優(yōu)化不只是空間上的線路調(diào)整，同時也是基于時間的優(yōu)化。如發(fā)車間隔、始末車時間優(yōu)化、調(diào)整也是公交線路優(yōu)化的組成部分。表2為哈爾濱市102路公交車和興路車站300m范圍內(nèi)19h出租車出行發(fā)生次數(shù)。

從表中可以看出，在距離和興路公交站點300米乘客吸引范圍內(nèi)，出租車需求產(chǎn)生分別在7:00～9:00、16:00～18:00、20:00～22:00產(chǎn)生了3個高峰。其中第三個高峰的產(chǎn)生原因經(jīng)分析為公交車末車后對公交需求的轉(zhuǎn)移。

由表3可以發(fā)現(xiàn)，公交站點經(jīng)過的線路在運行時間上存在以下問題:

(1)在高峰時段公交車的到達密度無法滿足居民出行的需要。

(2)19:30末車后站點附近仍有大量的出行需求公交無法滿足。

表2 公交車站點300m吸引范圍內(nèi)5:00-24:00出租車運營發(fā)生次數(shù)Tab.2 Taxi operation frequency for the bus site within the scope of 300 m during 5:00 to 24:00

針對上述問題，可以為途經(jīng)此站的公交線路可以提出以下優(yōu)化方案:

(1)在高峰時段前提高公交車發(fā)車密度，增加公交服務(wù)密度。

(2)晚間末車時間適當(dāng)向后推遲

3.2.2 基于空間的公交線路優(yōu)化

(1)站點布設(shè)的優(yōu)化。通常公交站點布設(shè)時會考慮到換乘方便，人口區(qū)域密度等因素，其站點設(shè)置一般較為集中，而城市公交總運力有限［6］，這些因素會使得城市公交線路在人口密集街道覆蓋率高、重疊率高，而在公交薄弱區(qū)的線網(wǎng)密度偏低。

在獲取出租車GPS運營起訖點數(shù)據(jù)后，將出租車GPS運營起訖點數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GIS電子地圖［8］中，利用GIS軟件將出租車出行由范圍參數(shù)為300 m的熱力型圖表示，也可先將GPS數(shù)據(jù)通過DBSCAN、K-Means［7］等空間聚類算法以公交車站吸引范圍300米［9］作為最小鄰域，計算出租車起訖點的中心點，并將其輸入到GIS地圖中去。同時將城市公交車站點的位置數(shù)據(jù)輸入GIS地圖中。如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可以看出公交站點的布置大部分與居民出行需求相符合，但仍有部分地區(qū)公交站點的覆蓋與出租車需求熱點需求的特征有差異，由此可以提出進一步調(diào)查的方向及優(yōu)化建議。

圖2 公交站點熱力型圖Fig.2 Bus stops thermodynamic diagram

圖3 出租車起訖點熱力型圖Fig.3 Taxi start point and end point thermodynamic diagram

(2)公交行駛線路的優(yōu)化。當(dāng)前的單條公交線路優(yōu)化的目標(biāo)，主要包括兩個方面:一是車輛在線路上的出行距離盡可能的短，即盡量縮短乘客總的出行時間;二是以最少的投入運送盡可能多的乘客［11］。

公交車線路大多會選擇在城市主干線、干線或城市一類街道上，因為這些道路路面寬、車道多、通行能力較強。但是，伴隨著城市汽車保有量的不斷上升，城市主干道由于其是城市核心路網(wǎng)具有強大的交通吸引能力，使其成為交通擁堵的高發(fā)區(qū)。由于公交車采用定線定點的運營方式，在城市主干道行駛的公交車易進入堵車區(qū)域反而降低公交出行的效率，增加乘客出行所需時間［12］。

圖4 時間最短路徑與空間最短路徑舉例示意圖Fig.4 Schematic map of shortest time path and spatial shortest path

將出租車在每個信號采集點的速度和方向數(shù)據(jù)作為GPS坐標(biāo)點屬性值導(dǎo)入GIS地圖中，可以根據(jù)多點數(shù)據(jù)分析一條道路上車輛在不同時段的平均行駛速度，發(fā)現(xiàn)某些時刻空間上的最短路徑并不是時間上的最短路徑，圖4根據(jù)出租車GPS獲取的AC路段平均速度為9.5 km/h，AB路段平均速度為21.2 km/h，BC路段平均速度為30.3 km/h?？梢钥闯?，雖然AB，BC路段道路等級弱于AC但從A點到C點的時間最短路徑為A-B-C路段。

從上述分析可見，利用出租車GPS數(shù)據(jù)可以得到道路上不同時段的平均車速，發(fā)現(xiàn)和預(yù)測擁堵地點和擁堵時段，為公交車路線選擇及優(yōu)化的依據(jù)，可以合理地為公交車設(shè)計繞行路線，減少由于道路擁堵所耗費的時間。

4 結(jié)論

伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，出租車憑借其自身便利快捷等優(yōu)點，已經(jīng)成為居民城市內(nèi)出行的主要交通工具之一，同時也從另一方面反映出城市公共交通運力的不足，多數(shù)大城市公共交通的發(fā)展速度沒有跟上當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展速度。本文研究的利用租車運營數(shù)據(jù)來優(yōu)化公交服務(wù)的方法，可以解決以下問題:

(1)利用出租車運營GPS數(shù)據(jù)，輔助軟件優(yōu)化城市公交線路，是一種全新的城市公交優(yōu)化方法。

(2)這種公交線路優(yōu)化方法具有調(diào)查成本低，獲取數(shù)據(jù)范圍廣，數(shù)據(jù)量大，方便快捷等特點

(3)利用這種方法獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)具有時效性強，準(zhǔn)確反映出近期(甚至即時)的城市交通運行狀況和局面交通需求狀況;效果可視性好，由GIS地圖反映出的出租車位置點、起訖點、公交車站點布設(shè)、途徑路徑等數(shù)據(jù)直觀可靠。

(4)為未來建立實用性強的公交線路優(yōu)化方法，為建立公交線路優(yōu)化指標(biāo)體系提出新的思路。

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