基于出租車(chē)運(yùn)營(yíng)GPS數(shù)據(jù)的城市公交線路優(yōu)化方法研究

巴興強(qiáng)，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(diǎn)多為滿足交通小區(qū)的連通和小區(qū)局面出行需求，對(duì)公交的具體運(yùn)行路徑和運(yùn)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(zhuān)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(yàn)法給出優(yōu)化建議。

在公交需求獲取中，出租車(chē)運(yùn)營(yíng)信息的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉玫降臄?shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)庫(kù)和GIS地理信息系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)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(yùn)行信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后統(tǒng)一到同一系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并依據(jù)實(shí)際獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提出實(shí)驗(yàn)性的公交路線優(yōu)化思路，直接利用出租車(chē)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)來(lái)提出公交優(yōu)化建議。同時(shí)可以將出租車(chē)運(yùn)營(yíng)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(lái)源。

2 出租車(chē)運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)及其信息采集系統(tǒng)

2.1 出租車(chē)在城市交通中的作用及運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)

伴隨著城市居民收入的提高，居民出行使用出租車(chē)頻率逐步提高，出租車(chē)的數(shù)量和運(yùn)營(yíng)旅客量在近些年里增長(zhǎng)迅速，如深圳市出租車(chē)數(shù)量由2001年的8 505輛增長(zhǎng)到2011年的14 735輛［2］;哈爾濱出租車(chē)運(yùn)營(yíng)旅客量從2008年的34萬(wàn)人次/日增長(zhǎng)到2012年了50余萬(wàn)人次/日，其輸送乘客的規(guī)模相當(dāng)于城市公交車(chē)出行量的17%，同時(shí)，其分擔(dān)率達(dá)到居民總出行的6.1%［3］。可見(jiàn)，選擇出租車(chē)出行已經(jīng)是一種具有普遍性的居民出行方式，出租車(chē)運(yùn)營(yíng)信息從一個(gè)重要的側(cè)面反映出城市居民的交通需求。同時(shí)，由于出租汽車(chē)行業(yè)定位是大容量公共交通的補(bǔ)充，其主要滿足的應(yīng)是居民特殊出行需要，通過(guò)對(duì)不同城市250人的調(diào)查問(wèn)卷顯示居民選擇出租車(chē)出行的原因見(jiàn)表1。

表1 居民選擇出租車(chē)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(chē)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(chē)出行是由可以由公交出行轉(zhuǎn)移的，可見(jiàn)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(qiáng)度(單位cps)能夠達(dá)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(qiáng)度都能達(dá)到109以上；

2.2 出租車(chē)車(chē)載運(yùn)營(yíng)信息采集系統(tǒng)的建立

出租汽車(chē)是一種不定線路、不定車(chē)站、以計(jì)程或計(jì)時(shí)方式營(yíng)業(yè)，為乘客提供門(mén)到門(mén)服務(wù)的公共交通工具。

依靠出租車(chē)運(yùn)營(yíng)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(shí)間分布。

(3)各區(qū)域之間的交通需求密度。

(4)實(shí)時(shí)道路情況。

出租車(chē)運(yùn)營(yíng)監(jiān)控設(shè)備獲取出租車(chē)是否載客，乘客上、下出租車(chē)的地點(diǎn)及載客時(shí)出租車(chē)的行駛軌跡，其GPS系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖1所示。

圖1 出租車(chē)車(chē)載運(yùn)營(yíng)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(chē)運(yùn)營(yíng)信息支持的公交線路優(yōu)化方法

3.1 利用出租車(chē)起訖點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)分布、出行目的、出行方式、出行時(shí)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(shí)間，建立居民出行量與車(chē)流量之間的換算關(guān)系［5］。

利用出租車(chē)運(yùn)營(yíng)信息采集系統(tǒng)，對(duì)出租車(chē)乘客的出行起訖點(diǎn)進(jìn)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(chē)運(yùn)營(yíng)起訖點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)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(duì)分組出租車(chē)起訖點(diǎn)數(shù)據(jù)的GIS地圖中，就可以通過(guò)GIS軟件直接計(jì)算區(qū)域內(nèi)同屬性點(diǎn)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(chē)數(shù)量多、分擔(dān)率高，每天有數(shù)十萬(wàn)人次的出租車(chē)出行，進(jìn)行出租車(chē)運(yùn)營(yíng)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(shí)期或一天內(nèi)不同時(shí)間段的居民出行數(shù)據(jù)。能夠及時(shí)、持續(xù)和廣泛的提供長(zhǎng)時(shí)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(bǔ)充，可以為交通預(yù)測(cè)和公交線路調(diào)整提供依據(jù)。

3.2 依靠出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)對(duì)公交線路進(jìn)行優(yōu)化

3.2.1 基于時(shí)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(shí)也是基于時(shí)間的優(yōu)化。如發(fā)車(chē)間隔、始末車(chē)時(shí)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(chē)和興路車(chē)站300m范圍內(nèi)19h出租車(chē)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(diǎn)300米乘客吸引范圍內(nèi)，出租車(chē)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(gè)高峰。其中第三個(gè)高峰的產(chǎn)生原因經(jīng)分析為公交車(chē)末車(chē)后對(duì)公交需求的轉(zhuǎn)移。

由表3可以發(fā)現(xiàn)，公交站點(diǎn)經(jīng)過(guò)的線路在運(yùn)行時(shí)間上存在以下問(wèn)題:

(1)在高峰時(shí)段公交車(chē)的到達(dá)密度無(wú)法滿足居民出行的需要。

(2)19:30末車(chē)后站點(diǎn)附近仍有大量的出行需求公交無(wú)法滿足。

表2 公交車(chē)站點(diǎn)300m吸引范圍內(nèi)5:00-24:00出租車(chē)運(yùn)營(yíng)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(duì)上述問(wèn)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(shí)段前提高公交車(chē)發(fā)車(chē)密度，增加公交服務(wù)密度。

(2)晚間末車(chē)時(shí)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(diǎn)布設(shè)的優(yōu)化。通常公交站點(diǎn)布設(shè)時(shí)會(huì)考慮到換乘方便，人口區(qū)域密度等因素，其站點(diǎn)設(shè)置一般較為集中，而城市公交總運(yùn)力有限［6］，這些因素會(huì)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(chē)GPS運(yùn)營(yíng)起訖點(diǎn)數(shù)據(jù)后，將出租車(chē)GPS運(yùn)營(yíng)起訖點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GIS電子地圖［8］中，利用GIS軟件將出租車(chē)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(guò)DBSCAN、K-Means［7］等空間聚類(lèi)算法以公交車(chē)站吸引范圍300米［9］作為最小鄰域，計(jì)算出租車(chē)起訖點(diǎn)的中心點(diǎn)，并將其輸入到GIS地圖中去。同時(shí)將城市公交車(chē)站點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的覆蓋與出租車(chē)需求熱點(diǎn)需求的特征有差異，由此可以提出進(jìn)一步調(diào)查的方向及優(yōu)化建議。

圖2 公交站點(diǎn)熱力型圖Fig.2 Bus stops thermodynamic diagram

圖3 出租車(chē)起訖點(diǎn)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(gè)方面:一是車(chē)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(shí)間;二是以最少的投入運(yùn)送盡可能多的乘客［11］。

公交車(chē)線路大多會(huì)選擇在城市主干線、干線或城市一類(lèi)街道上，因?yàn)檫@些道路路面寬、車(chē)道多、通行能力較強(qiáng)。但是，伴隨著城市汽車(chē)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(qiáng)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(chē)采用定線定點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)方式，在城市主干道行駛的公交車(chē)易進(jìn)入堵車(chē)區(qū)域反而降低公交出行的效率，增加乘客出行所需時(shí)間［12］。

圖4 時(shí)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(chē)在每個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)的速度和方向數(shù)據(jù)作為GPS坐標(biāo)點(diǎn)屬性值導(dǎo)入GIS地圖中，可以根據(jù)多點(diǎn)數(shù)據(jù)分析一條道路上車(chē)輛在不同時(shí)段的平均行駛速度，發(fā)現(xiàn)某些時(shí)刻空間上的最短路徑并不是時(shí)間上的最短路徑，圖4根據(jù)出租車(chē)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。可以看出，雖然AB，BC路段道路等級(jí)弱于AC但從A點(diǎn)到C點(diǎn)的時(shí)間最短路徑為A-B-C路段。

從上述分析可見(jiàn)，利用出租車(chē)GPS數(shù)據(jù)可以得到道路上不同時(shí)段的平均車(chē)速，發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)擁堵地點(diǎn)和擁堵時(shí)段，為公交車(chē)路線選擇及優(yōu)化的依據(jù)，可以合理地為公交車(chē)設(shè)計(jì)繞行路線，減少由于道路擁堵所耗費(fèi)的時(shí)間。

4 結(jié)論

伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，出租車(chē)憑借其自身便利快捷等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為居民城市內(nèi)出行的主要交通工具之一，同時(shí)也從另一方面反映出城市公共交通運(yùn)力的不足，多數(shù)大城市公共交通的發(fā)展速度沒(méi)有跟上當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展速度。本文研究的利用租車(chē)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化公交服務(wù)的方法，可以解決以下問(wèn)題:

(1)利用出租車(chē)運(yùn)營(yíng)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(diǎn)

(3)利用這種方法獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)具有時(shí)效性強(qiáng)，準(zhǔn)確反映出近期(甚至即時(shí))的城市交通運(yùn)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(chē)位置點(diǎn)、起訖點(diǎn)、公交車(chē)站點(diǎn)布設(shè)、途徑路徑等數(shù)據(jù)直觀可靠。

(4)為未來(lái)建立實(shí)用性強(qiáng)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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