基于節點重要度的公交專用道關鍵節點識別

鄧紅星，王瑋琦

(東北林業大學 交通學院， 哈爾濱 150040)

公交優先已經成為很多大城市解決交通擁堵的重要途徑之一。完善公交運行體系、引導出行者更多地選擇公共出行方式是改善道路環境的有效措施。設置公交專用道的目的是將路權優先劃分給單位載客量大的公共交通方式，為公交車的運行提供保障，從而增加公共交通的吸引力。但目前很多城市布設的公交專用道都是交通部門按照經驗判斷進行劃線，未能連成有效的網絡，故運行效率沒有發揮到最大。因此，有必要對公交專用道的布設進行切實可行的規劃成網。

公交專用道路網規劃的方法主要有逐步成網法[1]、四階段預測法[2]、經驗判斷法等。近年來，國內外學者在公交專用道網絡設計與優化方向進行了研究。四兵鋒等[3]從系統最優的角度構造了城市公交專用道網絡設計模型。盧小林等[4]將公交專用道選址與公交線網調整結合對兩者進行了同步優化。

節點重要度的概念被廣泛應用于通信網絡領域，目前在交通領域上對節點重要度的分析和應用主要集中在公交線路優化[5]、道路建設時序[6-7]等領域。文獻[8-9]在關于節點辨識方法上進行了探索，分別提出了節點重要度傳輸貢獻矩陣方法和基于投影尋蹤分析的關鍵節點辨識方法。

本文基于復雜網絡特性和交通特征指標綜合分析，結合介數指標和工作強度指標，將城市道路網的節點重要度評估與公交專用道布設進行結合，建立節點重要度評價指標體系，計算節點重要度，從而識別出適合進行專用道設置的關鍵節點。這種方法使公交專用道規劃轉向更加科學合理的“由樞紐到網絡”的方式。優化線網與城市客流主要集散點更好地銜接，有利于增加公交專用道對出行者的吸引力。

1 節點選取

在交通規劃領域中，節點是重要的交通單元。公交專用道的設置是為了服務城市整體交通發展，因此選取的關鍵節點應為城市總體規劃確定的大型客流集散點。對于城市的經濟發展具有較強主導作用的節點應包括以下5類：行政中心點、交通樞紐點、文化商業點、大型企業點、大型居住區[10]，具體如表1所示。

文獻[11]中對公交專用道設置道路幾何條件進行了探討，并闡明設置在雙向六車道及以上的道路上的專用道其可靠性和可操作性最佳。因此，在選擇節點時，建議選取雙向六車道以上的道路節點。

表1 城市主要客流集散點類型

2 節點重要度綜合分析

節點重要度是交通網絡中節點運輸集散能力的量化指標，是衡量節點在城市道路中重要程度的主要依據。定量地計算節點的重要程度可以為道路規劃提供可靠的數據支持。

對于城市道路網中第i個節點的重要度綜合指數(即節點重要度)可用式(1)進行計算。

(1)

2.1 建立評價指標體系

公交專用道的設置受多方面因素的影響。應對影響公交專用道整體布局的關鍵因素進行分析，建立節點評價指標體系。公交專用道的布設是基于現有路網進行設置，因此要優先考慮現有路網的網絡拓撲結構特征以及區位因素。交通節點所產生的交通量等交通特性也是建設公交專用道的重要考量因素。在出行者選擇出行方式時，起訖點之間的最短路徑的走向同樣影響著出行者的選擇。綜上所述，本文從區位因素、交通特性、路徑選擇3個方面，選出7個具體指標構建了評價指標體系，從而綜合確定公交專用道關鍵點選取指標參數。

圖1 節點重要度綜合評價指標體系

1) 節點在城市發展規劃中的地位C1。該項綜合節點的社會經濟指標以及城市發展規劃中的定位，由專家評判法綜合確定，在0～10取值。

2) 基于道路等級的節點度C2。結合復雜網絡理論中節點度的概念，本文將基于道路等級的節點度定義為交叉口所連路段各進口道與出口道車道數之和的均值[12]，具體表示為

(2)

其中：m為節點處進口道數；kj0為進口道車道數；kji為出口道車道數。通常情況下，節點度越大說明該節點在路網結構中越重要，基于道路等級的節點度更能在一定程度上反映該節點在城市道路中的重要程度。

3) 站點客流集散量C3。指單位時間公交站點客流集結量(上車乘客數)和客流疏散量(下車乘客數)，反映了公交站點及其周邊的公交需求情況，是公交規劃的重要依據。本文采用高峰小時作為一個統計期，調查公交站點上下車人數之和。

4) 高峰小時公交車流量C4。指經過該站點的所有公交線路在一個高峰小時內的公交車數量。

5) 公交線路數量C5。指公交線路經過該站點的數量之和，能夠反映該點公交運行情況。

6) 工作強度指標C6。工作強度概念普遍應用于通信網絡中。在通信網絡中，信息按最短路徑傳遞，包含節點j的最短路徑的數量能夠反映該節點在網絡中的近似工作強度?，F將這一概念延伸至道路網中，可反映路網中該處道路節點的工作強度。

選擇合適的最短路徑算法，在路網中尋找最短路徑和次最短路徑，將經過節點j的最短路徑和次最短路徑數量記為E1(j)、E2(j)，節點總數記為p,則工作強度指標C6(j)可表示為

(3)

7) 介數指標C7。節點i、j之間經過節點k的最短路徑占兩點之間所有最短路徑的比例，表示為

(4)

其中：qij(k)表示從節點i到節點j經過k的最短路徑的數量；qij表示節點i和j之間最短路徑的數量。

2.2 確定指標權重

本文選擇主成分分析法確定指標權重。主成分分析是把原來多個彼此相關的指標(原變量)線性組合為少數幾個彼此獨立的綜合指標(新變量)。新變量是關于原變量的綜合指標，它提取了原指標的主要成分的統計信息，故將其定義為主成分。主成分分析法避免了Delphi法、AHP法等主觀賦權方法的弊端，使得分析更加客觀真實，更具有說服力，其基本步驟為：

步驟1確定基本數據矩陣X；

步驟2對數據進行量綱為一化處理。因各指標的計量單位不同，對其進行量綱為一化處理可解決數據的不可比性問題；

步驟3判斷變量是否適合做因子分析。可以用Bartlett球形檢驗、KMO測度等方法確定；

步驟4進行因子分析；

步驟5計算各節點重要度綜合評價指標的權重。

2.3 計算節點重要度

本文通過前期調研，獲取路網節點基本信息，計算指標參數，確定指標權重，將指標數據代入計算公式，求得各節點的重要度綜合指數，具體計算流程如圖2所示。

圖2 節點重要度綜合指數計算流程

3 實例驗證

哈爾濱城市主要發展區集中在松花江南岸，從公共設施、居住、商業文化中心等城市各種性質用地規模和比例上可以看出，道里區集中了哈爾濱市大多數行政、居住、商業文娛用地。同時，位于道里區的群力新區作為城市開發區，目前處于開發的起步階段，未來的發展前景可觀，將來會成為人口和城市功能疏散的重點區域。因此，本文選取哈爾濱市道里區為實例進行簡化路網，選取節點做交通調查，得到節點處進出口車道數、站點客流集散量和高峰小時公交車流量等相關數據，對該區域進行綜合評估，從而驗證方法的可行性。

3.1 計算節點指標數據

首先確定路網的鄰接矩陣。在Matlab中利用Dijkstra算法搜索簡化路網中各節點對之間最短路徑和次最短路徑。統計最短路徑和次短路徑經過各節點的數量，利用式(3)(4)計算15個節點的工作強度和介數指標。最終得到的各節點的指標數據，如表2所示。

表2 各節點基本信息

3.2 主成分分析確定權重

借助IBM SPSS Statistics 22進行數據分析操作，具體操作步驟如下：

步驟1數據量綱為一化。選擇菜單，分析—描述統計—描述，勾選將標準化得分另存為變量。這里使用Z標準化方法，即每一變量值與其平均值之差除以該變量的標準差。標準化后各變量的均值為0，標準差為1。

步驟2選擇菜單，進行“分析—降維—因子分析”。

步驟3設置選項，進行KMO和Bartlett 的球形度檢驗，抽取相關性矩陣、未旋轉的因子解，基于特征值，用最大方差法進行旋轉并顯示旋轉后的解，顯示因子得分矩陣。

按照以上步驟進行操作，輸出的主要結果見表3、4。對結果的詳細分析如下：

將選取的15個節點作為樣本，對評價體系中的7個指標進行了KMO和Bartlett 的球形度檢驗，結果如表3所示。一般認為KMO值大于0.6，Bartlett檢驗中的顯著性達到顯著水平，即sig<0.05，代表著適合做因子分析。通過結果可以看出：該樣本的KMO值為0.564，檢驗結果不是很理想，但是Bartlett的球形度檢驗的顯著性為0.000，小于顯著性水平0.05，因此拒絕球度檢驗的零假設，認為指標適合做因子分析。綜合考慮兩項檢驗結果，認為選取的7項指標做因子分析是恰當的。

由表4可以發現：前3個初始特征值均大于1，且提取前3個主成分的累計方差貢獻率達到了84.538%，超過了80%。因此，認為前3個主成分基本可以代表全部指標信息。

表3 KMO和巴特利特檢驗

表4 總方差解釋

用主成分分析確定指標權重等于以主成分的方差貢獻率為權重，要對該指標在各主成分線性組合中的系數進行加權平均歸一化。因此，需要知道主成分在各線性組合中的系數以及主成分的方差貢獻率，即不同主成分的權重。

具體過程參考文獻[13-14]。最終通過歸一化得到各因素的權重系數，如表5所示。

表5 各因素的權重系數

3.3 計算節點重要度

將確定的權重系數(Wji)代入式(1)，可以得到節點重要度(Di)的計算公式，再將表2中各節點基本信息分別代入計算公式即可求得各節點的節點重要度(Di)。

以節點2中央大街數據為例，對節點重要度的計算過程加以演示。

① 計算并代入第i個指標的均值；② 將節點2對應的指標數據代入，即可得到節點重要度數據。即：

按照上述方法可分別求得15個節點的重要度數值，結果如表6所示。

表6 各節點重要度

根據以上計算結果可將節點重要度分為4類，如表7所示。屬于極其重要和非常重要的節點對于公交專用道的建設有很大的需求，具有明顯的建設優勢，應考慮優先建設；對于一般重要和比較重要的節點，其客流及路網條件也比較適合進行公交專用道建設，可根據該區域的具體實際情況進行規劃建設。

表7 節點重要度分類

在TransCAD中將節點重要度進行可視化處理，得到如圖3所示結果。

圖3 節點重要度可視化結果

由結果可見，在經濟發展較好的二環路以內節點的重要度普遍偏高，與目前尚志大街、新陽路沿線已進行公交專用道建設的現實相符，證明了該識別方法是可行、有效的。在群力新區等開發區地域，目前人口較少，商業、配套設施建設尚未齊全，但該地區具有較大的發展潛力，應做好未來一段時間內的交通量預測，結合實際情況進行公交專用道規劃與建設。

4 結論

本文通過改進優化節點重要度的計算方法，對城市道路中適合建設公交專用道的關鍵節點進行識別分析，得到以下結論：

1) 在影響城市公交專用道節點識別的眾多因素中，工作強度指標、介數指標和站點客流集散量為3個主要因素，占比64.03%。其中，路徑選擇因素對于節點重要度的影響較為突出，因此在進行公交專用道布置時，應做好前期交通流量的調研，重點分析節點最短路徑。

2) 通過實例驗證，最終識別得到的結果與實際基本符合，驗證了該方法的合理性以及可行性，可為公交專用道后續的路網規劃以及建設時序提供借鑒和參考。