基于GIS的蕪湖市公交線路優(yōu)化分析

曾昭毅 李春雪 梁棟棟

摘要：公共交通對(duì)于節(jié)能減排、環(huán)境治理具有重要意義，借助Google平臺(tái)提供的Selenium自動(dòng)化測(cè)試工具結(jié)合python3編寫的網(wǎng)絡(luò)爬蟲對(duì)高德地圖蕪湖市內(nèi)公交數(shù)據(jù)進(jìn)行爬取，獲得了蕪湖市現(xiàn)有的公交站點(diǎn)和公交線路數(shù)據(jù)，同樣通過爬蟲獲得了蕪湖市內(nèi)百度POI數(shù)據(jù)點(diǎn)，以及蕪湖市民論壇內(nèi)城市居民近年來對(duì)公交線路的滿意度數(shù)據(jù)，通過爬取的蕪湖市公共交通大數(shù)據(jù)，建立蕪湖市公共交通的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，利用GIS空間分析的強(qiáng)大優(yōu)化算法對(duì)不合理公交線路站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，著重從公交系統(tǒng)整體布局與承載能力來找出蕪湖市現(xiàn)存公交系統(tǒng)優(yōu)化布局不合理區(qū)域。分析結(jié)果提出了通過增設(shè)線路，改進(jìn)首末站布局等優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：蕪湖市；公交線路優(yōu)化；大數(shù)據(jù)；空間分析

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）09-68-6

中國(guó)城鎮(zhèn)化與機(jī)動(dòng)化發(fā)展已經(jīng)到了關(guān)鍵時(shí)期，當(dāng)今中國(guó)的人口資源基數(shù)、制度環(huán)境和社會(huì)環(huán)境下，車多路少，人均土地面積不足，各個(gè)城市都出現(xiàn)了不同程度的交通擁堵狀況。交通擁堵帶來更大程度的資源損耗可能導(dǎo)致嚴(yán)重的能源危機(jī)，長(zhǎng)時(shí)間擁堵造成的燃油不充分燃燒帶來的環(huán)境影響，甚至擁堵造成嚴(yán)重的公共災(zāi)難。實(shí)施公共交通優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，構(gòu)建完善公交系統(tǒng)，優(yōu)化現(xiàn)有公交線路勢(shì)在必行。

同時(shí)，中國(guó)現(xiàn)處于建設(shè)全面小康社會(huì)階段，生活水平大幅度提升，私家車保有量逐年增長(zhǎng)，根據(jù)我國(guó)耕地資源制約，人均城市建設(shè)用地僅有100 m2，城市規(guī)模道路廣場(chǎng)用地占城市建設(shè)用地的7%～15%[1]。面對(duì)機(jī)動(dòng)車日益增長(zhǎng)的需求，用地指標(biāo)必定無法滿足，因此必須大力發(fā)展公共交通，提高土地資源的利用率，實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展。

2018年，高德地圖和中國(guó)社會(huì)科學(xué)研究院、未來交通與城市計(jì)算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、阿里巴巴等單位聯(lián)合發(fā)布了《2018年度中國(guó)主要城市交通分析報(bào)告》[2]。報(bào)告顯示，對(duì)基于路網(wǎng)行程延時(shí)指數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)的50個(gè)城市進(jìn)行了對(duì)比分析，2018年各大城市的擁堵情況有了顯著的改善，比2017年全國(guó)90%的城市擁堵下降或持平，61%的城市通勤高峰時(shí)處于緩行狀態(tài)，13%的城市處于擁堵狀態(tài)，26%的城市則沒有擁堵困擾。這可能與政府對(duì)交通治理的重視、城市智能交通系統(tǒng)中新技術(shù)的不斷應(yīng)用、基礎(chǔ)道路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和改善以及公共交通的不斷完善有關(guān)。

我國(guó)沿海、沿江地帶的公共交通覆蓋程度要明顯優(yōu)于內(nèi)陸和西部地區(qū)，尤其是長(zhǎng)三角地帶人口密集度高，公共交通的覆蓋程度最為發(fā)達(dá)。同時(shí)，高德大數(shù)據(jù)還發(fā)布了包括上海、北京、深圳、廣州和珠海等20個(gè)城市的公共汽電站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況，其中主要城市的公共汽電站點(diǎn)覆蓋率達(dá)到了76%以上，線網(wǎng)覆蓋率平均可達(dá)72%，但是線路重復(fù)系數(shù)大于4的主要城市有15個(gè)，在統(tǒng)計(jì)的20個(gè)城市中占比75%，其中，廣州線路重復(fù)系數(shù)達(dá)9.42，深圳重復(fù)系數(shù)高達(dá)8.27。由此可見，公共交通系統(tǒng)優(yōu)化問題亟待解決。

國(guó)外公共交通的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于基于Moovit Insights公共交通指數(shù)所統(tǒng)計(jì)的通勤時(shí)間、候車時(shí)長(zhǎng)、出行距離、換乘次數(shù)、步行距離等24個(gè)國(guó)家和地區(qū)，近130個(gè)城市的具體數(shù)據(jù)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息可以看出，統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)乘客每日搭乘公共交通的時(shí)間是69 min，70%以上的乘客花費(fèi)超過2 h，秘魯?shù)钠骄畛藭r(shí)間最長(zhǎng)，每日在車長(zhǎng)等車的時(shí)間平均為14.6 min，西班牙的等車時(shí)間最短，只有8.7 min，其中發(fā)達(dá)國(guó)家城市平均乘車時(shí)間60 min以上，居民乘坐公共交通出行比例要大于發(fā)展中國(guó)家城市。通過數(shù)據(jù)分析可以看出，居民的出行方式和出行質(zhì)量與城市的發(fā)展水平密切相關(guān)。

公交系統(tǒng)的優(yōu)劣程度直接反映了一個(gè)城市的公共服務(wù)水平，公交路線優(yōu)化不僅可以提高城市居民的生活質(zhì)量和滿意度，而且對(duì)于城市長(zhǎng)久健康發(fā)展、公共安全等方面也有促進(jìn)作用。

本文通過建立蕪湖市公交線路的規(guī)范化GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，可以方便實(shí)現(xiàn)公交系統(tǒng)的查詢，找出現(xiàn)有公交系統(tǒng)存在的不完善區(qū)域，設(shè)計(jì)更適合當(dāng)下發(fā)展的方案。同時(shí)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)便于后續(xù)的分析。

蕪湖市位于安徽省東南部，地處長(zhǎng)江下游，地理坐標(biāo)位于東經(jīng)117°40′～118°44′、北緯30°19′～31°34′，與多個(gè)城市接壤。蕪湖市地理位置優(yōu)越，位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江三角洲的上緣，位于長(zhǎng)江中下游平原，主要由階地和河漫灘組成。蕪湖大多為平原地區(qū)，在廣闊的平原區(qū)域上散落著些許低丘和殘丘。地勢(shì)南高北低，地表河網(wǎng)密布。在這樣的地理環(huán)境下形成了較有特色氣候條件———亞熱帶溫潤(rùn)季風(fēng)氣候。本文研究區(qū)設(shè)定在蕪湖市，研究范圍根據(jù)蕪湖政區(qū)范圍以及公交線網(wǎng)服務(wù)區(qū)范圍綜合考量確定，主要包括無為縣、鳩江區(qū)、繁昌縣、三山區(qū)、弋江區(qū)、鏡湖區(qū)、蕪湖縣以及南陵縣，占地面積約6004km2。

在進(jìn)行公交線路分析優(yōu)化時(shí)，對(duì)公交基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集整理是關(guān)鍵的一步。本文將公交數(shù)據(jù)整理為公交基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與非公交調(diào)查數(shù)據(jù)。公交基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要有公交站點(diǎn)、公交路線、公交發(fā)車時(shí)間、公交首末班數(shù)據(jù)、公交車一日運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng)、公交一日班次數(shù)量、蕪湖政區(qū)矢量、蕪湖交通數(shù)據(jù)、蕪湖市土地利用等。非公交調(diào)查數(shù)據(jù)主要有居民出行時(shí)長(zhǎng)、居民每日乘車時(shí)間、平均等車間隔和居民滿意度等。

2.1公交站點(diǎn)數(shù)據(jù)

研究區(qū)內(nèi)部，蕪湖市共計(jì)存在1 162個(gè)公交站臺(tái)，站臺(tái)與站點(diǎn)一般不存在一一對(duì)應(yīng)，本文將多個(gè)公交線路?？康墓徽九_(tái)劃分為單個(gè)公交站點(diǎn)，也即重復(fù)的公交站點(diǎn)只單次計(jì)數(shù)。數(shù)據(jù)來源于高德地圖API提供的最新公交信息，每一個(gè)公交站點(diǎn)含有站點(diǎn)名稱、經(jīng)過公交數(shù)目、公交站點(diǎn)的經(jīng)緯度、是否為首末站等信息。利用GIS軟件將公交站點(diǎn)信息轉(zhuǎn)換為矢量圖層，得到圖1，可以看出研究區(qū)域內(nèi)大致的站點(diǎn)分布情況。

2.2公交首末站數(shù)據(jù)

公共交通站點(diǎn)的規(guī)劃原則是從公交的首末站以及途經(jīng)站來考慮，公交首末站的選取直接反映城市交通服務(wù)水平的好壞，公交首末站有著嚴(yán)格的選取規(guī)則，一般需要緊靠在人口集散點(diǎn)，同時(shí)需要與客流量方向保持一致。在選取時(shí)還應(yīng)該避免站點(diǎn)位置處于平面交叉口附近來減少干擾元素，類似于火車站、汽車站、公園等。蕪湖市公交首末站分布如圖2所示。

2.3公交首末站數(shù)據(jù)

蕪湖市的公交線路共有116條，主要分為數(shù)字線路和特殊線路。特殊線路包括特1路、特2路、特3路、特4路、特5路、特6路、游1路、游2路、游3路和游5路；數(shù)字線路中包含12條環(huán)線以及16條晚班線路。蕪湖市公交線路分布如圖3所示。

2.4交通道路矢量

交通道路矢量作為客流量估計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以作為估計(jì)公交客流量的重要依據(jù)，根據(jù)道路矢量的屬性，按照交通承載量的高低依次將道路分為高速、國(guó)道、省道、快速路、縣道和鄉(xiāng)道等層級(jí)。蕪湖市內(nèi)各層級(jí)道路分布如圖4所示。，可以得出蕪湖市公交線路大部分位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)村道上，其中39路公交線路部分處于高速道。

2.5土地利用數(shù)據(jù)

本文研究的土地利用數(shù)據(jù)使用的是百度POI數(shù)據(jù)爬取得到的各類POI點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，便于研究使用，結(jié)合高分辨率遙感影像進(jìn)行輔助糾正，傳統(tǒng)監(jiān)督分類得到的結(jié)果精度不能滿足公交線路優(yōu)化需要。結(jié)合公交線路與客流量方向數(shù)據(jù)，通過POI點(diǎn)可以清晰辨認(rèn)出蕪湖市中心城區(qū)位于鏡湖區(qū)、鳩江區(qū)及弋江區(qū)。蕪湖市PIO分布如圖5所示。

2.6非公交調(diào)查數(shù)據(jù)

公交調(diào)查數(shù)據(jù)大部分屬于城市居民主觀數(shù)據(jù)，是公交線路測(cè)試運(yùn)行調(diào)整階段必不可少的前期工作，借助調(diào)查可以很好地得到居民出行方式、出行時(shí)間以及對(duì)現(xiàn)有公交系統(tǒng)的滿意程度、作為公交線路優(yōu)化的主要指導(dǎo)依據(jù)，本文采用了抽樣調(diào)查與論壇搜集的方式，通過抽樣調(diào)查公交系統(tǒng)的市民反饋。抽樣調(diào)查了大學(xué)城區(qū)附近公交周末兩日內(nèi)的客流量變化，同時(shí)聯(lián)合安徽師范大學(xué)QQ服務(wù)號(hào)問卷調(diào)查所得數(shù)據(jù)，得到大學(xué)城區(qū)附近節(jié)假日公交線路的擁擠程度與站點(diǎn)人數(shù)反饋。本次抽樣調(diào)查共計(jì)抽取了20輛公交車，包括10路、32路、88路、228路公交在內(nèi)的客流量利用爬蟲程序爬取蕪湖市民論壇數(shù)據(jù)，通過搜索公交關(guān)鍵字，自2013年—2019年間蕪湖市民不滿意公交點(diǎn)以及不滿意公交線路，同時(shí)對(duì)條目進(jìn)行計(jì)數(shù)匯總。

3.1公交單條線路指標(biāo)

（1）單條線路長(zhǎng)度

蕪湖市共計(jì)116條公交線路，通過統(tǒng)計(jì)得到各條線路的線路長(zhǎng)度繪制圖6，可以看出，蕪湖市116條公交線路總長(zhǎng)度達(dá)2 111 km，平均長(zhǎng)度為18.12 km，按照我國(guó)公交駕駛規(guī)定，取公交車平均行駛速度為24 km/h，綜合考慮Moovit市民出行與單趟乘坐時(shí)間取單趟運(yùn)行最大時(shí)間為50 min，得到公交線路合理最值為20 km，對(duì)比蕪湖公交線路數(shù)據(jù)，超過20 km的公交線路有37條，占比31.90%；線路長(zhǎng)度在8 km一下的有6條，占比5%，同時(shí)特4路公交長(zhǎng)度只有3.5 km特5路公交只有4.5 km，線路長(zhǎng)度過短，利用率不高。

（2）線路非直線系數(shù)

公交線路的非直線系數(shù)是分析單條公交線路的重要指標(biāo)，線路非直線系數(shù)綜合考慮了公交服務(wù)區(qū)的利用率過高或者過低都會(huì)給居民出行舒適度帶來影響，利用GIS軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)于公交線路直線距離的計(jì)算：

非直線系數(shù)=路線長(zhǎng)度/直線距離。

蕪湖市公交線路直線距離對(duì)比如圖7所示。蕪湖市公交線路非直線系數(shù)如圖8所示。

可以看出，蕪湖市公交平均線路非直線系數(shù)1.77，低于1.4的有28條，環(huán)線的非直線系數(shù)較高，除去環(huán)線，整體平均值為1.71，高于常規(guī)水平，可能需要改善。

（3）站點(diǎn)平均間隔

站間平均站距采用線路的總長(zhǎng)度除以站點(diǎn)數(shù)目，不同方向的公交線路站點(diǎn)按照方向計(jì)算，站點(diǎn)只考慮一次；環(huán)線站點(diǎn)根據(jù)弧線長(zhǎng)度除以站點(diǎn)總數(shù)，不考慮方向進(jìn)行計(jì)算。得到結(jié)果如圖9所示。，可以看出，蕪湖市平均站間距達(dá)706.1 m，站間距大于800 m間隔的多為郊區(qū)縣，景點(diǎn)線和特殊線路站間距超過1 km，54路公交超過2 km以上。

（4）線路重復(fù)程度

通過導(dǎo)出公交線路站點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用宏統(tǒng)計(jì)重復(fù)站點(diǎn)數(shù)目得到所有重復(fù)站點(diǎn)數(shù)目達(dá)1 667，占總站點(diǎn)數(shù)目3 192的52%。

（5）單條線路站點(diǎn)總數(shù)

公交線路經(jīng)過站點(diǎn)總數(shù)指的是同一方向上的公交站點(diǎn)數(shù)目，站點(diǎn)數(shù)目的合理設(shè)置可以有效提高乘客出行滿意度，節(jié)約出行時(shí)間。按照統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平均站點(diǎn)間隔706 m，公交車行駛速度取24 km/h，居民平均出行時(shí)間1 h，得到期望站點(diǎn)數(shù)目為28，蕪湖市公交線路站點(diǎn)總數(shù)如圖10所示。蕪湖市極端公交站點(diǎn)如表1所示?？梢钥闯觯徍泄痪€路站點(diǎn)數(shù)目不超過28個(gè)的線路數(shù)目為30，其中204號(hào)線路站點(diǎn)最多，達(dá)到59個(gè)，特4路與特5路公交站點(diǎn)數(shù)目過少，只有3～4個(gè)。整體平均站點(diǎn)數(shù)目為28，剛好到達(dá)期望水平，但極值差異過大，存在優(yōu)化的需要。

3.2整個(gè)公交線網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）線網(wǎng)密度

根據(jù)公交路線長(zhǎng)度除以區(qū)縣面積得到蕪湖市各區(qū)縣的線網(wǎng)密度，如表2所示。從線網(wǎng)密度可以明顯看出，蕪湖市中心城區(qū)位于鳩江區(qū)、鏡湖區(qū)、弋江區(qū)，三區(qū)平均線網(wǎng)密度可達(dá)10.12 km/km2，鏡湖區(qū)公交線路最為發(fā)達(dá)，平均線網(wǎng)密度達(dá)到了21.24；但無為縣、南陵縣公交線路較為稀疏，其中無為縣線網(wǎng)密度最低，只有0.05。

（2）站點(diǎn)覆蓋率

站點(diǎn)覆蓋率是按照公交站點(diǎn)設(shè)置原則，要求站點(diǎn)服務(wù)半徑300～500 m來設(shè)置緩沖區(qū)進(jìn)行分析，根據(jù)之前統(tǒng)計(jì)得到站點(diǎn)平均距離706.1 m，每個(gè)站點(diǎn)服務(wù)距離總體符合標(biāo)準(zhǔn)，利用GIS軟件統(tǒng)計(jì)緩沖區(qū)面積分別為376.340 5 km2、661.636 7 km2，500 m覆蓋在中心城區(qū)覆蓋率可達(dá)90%以上，但在中心城區(qū)外公交站點(diǎn)覆蓋度不高。為便于展示截取了中心城區(qū)的站點(diǎn)覆蓋圖，如圖11所示。

（3）公交站點(diǎn)線路承載

每個(gè)公交站點(diǎn)通過線路的總數(shù)可以作為衡量該站點(diǎn)的容納情況，利用GIS軟件Spatial Join工具提取出每個(gè)站點(diǎn)經(jīng)過的公交線路，利用Dissolve工具進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后使用反距離權(quán)重插值得到公交站點(diǎn)的聚集分布狀況，蕪湖市公交線路站點(diǎn)承載如圖12所示。可以看出，在中心城區(qū)的公交站點(diǎn)具有明顯聚集態(tài)勢(shì)，平均在12條以上，而非中心城區(qū)，公交站點(diǎn)的線路平均在4條以下，普遍較少。

（4）公交首末站區(qū)位評(píng)價(jià)

根據(jù)百度地圖POI數(shù)據(jù)使用歐氏距離插值方法對(duì)距離柵格按照1～6級(jí)對(duì)距離柵格進(jìn)行重分類得到如圖13所示的蕪湖市公交選址區(qū)位優(yōu)勢(shì)圖。

通過疊加權(quán)重因子，按照客流量方向計(jì)算區(qū)位優(yōu)勢(shì)較高地點(diǎn)，疊加公交首末站矢量可以發(fā)現(xiàn)，大部分公交首末站都處于區(qū)位優(yōu)勢(shì)最高區(qū)域，但仍有部分站點(diǎn)存在優(yōu)化的必要。

4.1城鄉(xiāng)線路

蕪湖市除中心城區(qū)外，無為縣、南陵縣、繁昌縣都存在孤島效應(yīng)，蕪湖市公交線路分布不均，如圖14所示。

從圖14可以看出，無為縣公交線路最為稀疏，同時(shí)與周邊區(qū)縣聯(lián)系不緊密，居民很難從無為縣乘坐公共交通前往鄰縣，公交線路圍繞無為高鐵站進(jìn)行輻射；南陵縣公交線路集中分布于中心，同樣也缺少與臨近區(qū)縣的聯(lián)系。

本文針對(duì)無為縣、南陵縣進(jìn)行新的公交線路增改實(shí)現(xiàn)兩地與蕪湖市整體的公交線路優(yōu)化，利用得到的蕪湖市首末站區(qū)位優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)柵格、已有交通道路矢量進(jìn)行疊加，提取出符合公交線路的待選公交新線路。

4.2公交快線

根據(jù)上文研究得到的蕪湖市公交線路承載高低來設(shè)置公交快線，緩解公交承載過高站點(diǎn)壓力。快速公交是一種介于軌道交通和普通公交之間的公共交通出行方式，具有節(jié)能高效、運(yùn)載量大的特點(diǎn)，在高負(fù)載區(qū)域使用公交快線進(jìn)行人流量疏通，公交線路高承載地區(qū)如圖15所示。

4.3公交首末站

疊加區(qū)位評(píng)價(jià)柵格分析可以篩選得出公交站點(diǎn)設(shè)置不合理如圖16所示，蕪湖市公交站點(diǎn)設(shè)置不合理統(tǒng)計(jì)如表5所示。可以看出，蕪湖市仍有部分公交首末站點(diǎn)位置處于區(qū)位得分不理想?yún)^(qū)域。

通過本文分析不難發(fā)現(xiàn)，蕪湖市中心城區(qū)公交的各項(xiàng)指標(biāo)現(xiàn)狀，利用空間分析得到了公交站點(diǎn)路線選址的區(qū)位優(yōu)勢(shì)柵格圖，總結(jié)了目前公交現(xiàn)狀存在的各種問題。

在研究時(shí)通過爬取高德地圖數(shù)據(jù)、百度POI熱力圖等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合城市居民滿意度針對(duì)現(xiàn)有公交系統(tǒng)進(jìn)行了合理優(yōu)化，比較貼近現(xiàn)實(shí)。

蕪湖市處于高速發(fā)展和變化更新的狀態(tài)中，目前已知的2條輕軌線路在建設(shè)完成后將會(huì)極大地方便居民出行，蕪湖市的公交線路此時(shí)需要更加靈活的變化，需要結(jié)合新興技術(shù)進(jìn)行管理與監(jiān)測(cè)，提高城市的科技化水平，提供更好的公共服務(wù)。

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