基于GIS的哈爾濱市公交線路編碼及行駛路線優(yōu)化

孫蕊　張冬有

摘要：地理信息系統(tǒng)（GIS）應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)展完全的復雜城市公交網(wǎng)絡的單一公交線路進行局部優(yōu)化;也可以對未發(fā)展完全的簡單城市公交網(wǎng)絡進行整體規(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)絡進行優(yōu)化。結(jié)果表明，GIS在城市公交系統(tǒng)上的應用，公交編碼方式的意義化使人們在乘坐公交時進行簡單地決策選擇，方便相關(guān)機構(gòu)進行公交管理，一定程度上減少了乘坐公交時的選擇錯誤率，間接地提高了公交的性能效率。公交線路和公交網(wǎng)絡的調(diào)整優(yōu)化能夠提高公交系統(tǒng)的運作效率和經(jīng)濟效益。

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

中圖分類號：U491.1+7 ? ? ? ? 文獻標識碼：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（資源服務）標識碼（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輸和居民出行造成一定的不利的影響。

20世紀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]提出以最短出行時間、最高客流直達率、最大網(wǎng)線覆蓋率、最低線路重復系數(shù)等，多目標、多約束條件的模型計算方法。通過公交線網(wǎng)規(guī)劃建立數(shù)學模型，在一定約束條件下，確定該公交網(wǎng)線的線路組成形式，使目標函數(shù)結(jié)果為最優(yōu)。而國外關(guān)于公交線網(wǎng)絡優(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)絡中，形成優(yōu)化流分布，設定優(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計公交網(wǎng)絡;Fitzpatrick等[8]利用乘客反饋，站點現(xiàn)狀及公交企業(yè)布設站點經(jīng)驗的總結(jié)，設計了相應的計算機輔助公交站點設計軟件，指導公交站點布局和優(yōu)化設計;Pattnaik等[9]運用遺傳算法設計公交線網(wǎng)，以公交乘客出行費用和運營費用總和最小為目標，生成線路合集，再通過遺傳算法對路線合集進行優(yōu)選。Sullivan等[10]利用桌面地理信息系統(tǒng)（GIS）對等時線地圖進行可行性分析，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確地選擇出行方案，通過對已有站點和道路網(wǎng)的分析，在最大限度減小城市公交線網(wǎng)的復雜程度的前提下，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，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)向城市邊緣擴建的發(fā)展方式，內(nèi)部的道路線路非常復雜，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)計數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)乘客不能利用公交直達高客流量場所。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，不方便進行統(tǒng)一調(diào)配管理，同時，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)可以按照類別進行分層存儲，方便對已有數(shù)據(jù)進行合理、高效的統(tǒng)計和檢索。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、能同時存儲要素的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的特點。

1.3 ?理論與方法

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

公交站點的選擇直接關(guān)系到城市人口在高流動場所之間的轉(zhuǎn)移效率，進一步影響城市生活質(zhì)量。公交站點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，?？吭谌诵械肋?多個公交在同一道路上所設的站點應該相隔一定距離;同一線路公交的來去兩個方向在同一道路的站點設置應該在保持一定距離的同時，盡量相互呼應。

公交行駛路線的確定則是整個城市公交運輸?shù)墓趋老到y(tǒng)，就是城市人口流動網(wǎng)絡，各個人口集中區(qū)之間的聯(lián)絡網(wǎng)線。在確定整個城市的站點需求情況之后，通過站點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大流量直達客流優(yōu)先;③線路平均客流應不低于開線標準;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 ?單一公交線路站點優(yōu)化

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

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

2.2 ?城市公交網(wǎng)絡道路分級方法調(diào)整

對哈爾濱市區(qū)主要道路地圖（圖3）進行矢量化顯示，對網(wǎng)狀的道路周邊場所進行顯示，結(jié)合各場所的人口流動情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對其服務能力進行計算，利用緩沖區(qū)分析方法將各場所的服務能力直觀化顯示為服務范圍，同時避開交通信號燈等車流量大的路口，得到不同價值等級的道路，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)分析得到的服務范圍的大小，對除交通信號燈的其他場所緩沖區(qū)進行疊置分析，去除交通信號燈影響范圍，提取必需站點道路位置，通過對道路的服務價值體現(xiàn)，對城市整體公交網(wǎng)絡進行整體規(guī)劃。圖4顯示兩個級別道路，加粗道路為服務價值高的必停線路，其余為服務價值較低選擇性?？烤€路，對公交網(wǎng)絡的整體規(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行一定程度的關(guān)聯(lián)，有利于乘客在選乘時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，起點在1區(qū)，終點在2區(qū)，則該公交線路的編碼應為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。對公交行駛方向進行表示，進行中間位編碼，將8個方位向進行編碼，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中所示起點至終點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為122;第二種方法是對公交行駛線路的重要參數(shù)值進行表示，將參數(shù)值進行等級分類后編碼，做中間位編碼。

非直線系數(shù)：β=l實際/l直線 ? ?（1）

式（1）中，β為非直線系數(shù);l實際為公交線路實際長度（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站和終點站的運輸效率、繞行程度。對不同公交線路進行非線性系數(shù)計算，得到的值按段分為0～9個等級（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。通過合理設計公交路線，提高公交運輸效率。對公交網(wǎng)絡的整體規(guī)劃，使不同時段不同公交線路所承受的運輸壓力得到均衡，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、準時的交通環(huán)境，方便城市內(nèi)部人口運輸。公交車次編碼方式的改進，方便城市公交系統(tǒng)的管理，加強了數(shù)字城市與公交系統(tǒng)的交互。

對于一個已建成的并具有相當規(guī)模公交網(wǎng)絡的哈爾濱市區(qū)來說，進行全區(qū)的整體公交網(wǎng)絡優(yōu)化，大規(guī)模的網(wǎng)線變更使得居民需要一個較長的熟悉與適應過程，反而給居民出行帶來很大的不便，所以進行局部公交路線的站點調(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)絡的方法對道路進行價值分級，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)進行公交系統(tǒng)規(guī)劃。調(diào)整中應盡量保持現(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優(yōu)化方案，根據(jù)局部線路站點評價結(jié)果，進行站點的增刪與位置調(diào)整，適當加長、縮短或局部改線處理。

城市公交系統(tǒng)是一個非常復雜的大系統(tǒng)，道路線網(wǎng)情況十分復雜，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)絡性能指標，不同指標有不同的適用路況：線路長度和公交站點間距適合對公交進行經(jīng)停站點間進行分段優(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)適合路況復雜，多彎路的公交路線優(yōu)化;公交站點覆蓋率可以應用于公交站點數(shù)目的優(yōu)化;網(wǎng)絡連通度是應用于某區(qū)域公交線網(wǎng)整體優(yōu)化的性能指標。在進行優(yōu)化方案設計和實施時，應該憑借豐富的經(jīng)驗，運用多種工具，結(jié)合地理信息，應用多種公交網(wǎng)絡性能指標的結(jié)合反演優(yōu)化線路，使公交網(wǎng)絡更加合情合理。

哈爾濱市公交網(wǎng)絡以上述方式進行優(yōu)化后，對老城區(qū)居民區(qū)附近的站點進行整合，公交站點在合理前提下相對減少，新站點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)停站點的設置增多。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)服務水平，為哈爾濱市的發(fā)展提供基本物質(zhì)條件。

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