基于互聯網地圖數據的城市軌道交通規劃方案公交可達性計算方法

肖博華

（上海濟安交通工程咨詢有限公司，200092，上海∥工程師）

合理的城市軌道交通線路規劃，對于支撐城市空間拓展以及提升公交競爭力至關重要。因此，城市軌道交通方案的評價將是決定規劃方案成敗的關鍵所在。

現有的城市軌道交通規劃方案評價多采用層次分析法、模糊綜合評判法及專家打分法等來構建評價指標體系，對城市軌道交通規劃方案進行比選［1-3］。然而，這些評價指標體系主觀成分較為明顯，依賴于專家的經驗，且建設規模指標較多，公交服務水平指標較少。本文基于互聯網地圖數據，提出一種新的公交可達性指標的計算方法，并以此來評價城市軌道交通的規劃方案。

1 公交可達性指標

公交服務水平指標反映公交系統的運行狀態，是居民出行方式選擇的重要考慮因素，也是城市公共交通系統水平的體現。在公交服務水平指標中，公交時空可達性指標是一項重要的考量指標。

1.1 公交出行時耗

一次完整的公交出行時耗包括步行到站時間、候車時間、車內時間和換乘時間4 個部分。公交出行時耗受公交運行速度、發車間隔、換乘站點間距、線路選擇策略和道路網布局情況等因素影響，較私駕汽車的出行時耗，公交出行時耗的估算更為復雜。

1.2 公交等時圈分析

公交等時圈是由以公交出行時耗計值的等時線，主要展示特定區域到其他區域的公交出行時間或一定公交出行時間內可以到達的范圍。公交等時圈是體現公交服務水平和公交出行時空可達性的重要工具，常用于反應城市中心點的公交便捷程度。

1.3 公交可達性分析

公交可達性是反應城市公交系統效率、線網布局合理性的重要指標。可達性常用的計算方法包括空間阻隔模型、累積機會模型、空間相互作用模型和效用模型等［4］。其中，空間阻隔模型由于形式簡單、含義直觀，是應用最為廣泛的公交可達性計算模型，其表達式如下：

式中：

Ai——點i 的可達性；

J——所有點的集合；

di，j——點i 至點j 的公交出行時耗。

1.4 現有計算方法

當前公交出行時耗和公交可達性的主要計算方法包括兩種：一是基于傳統公交網絡分析；二是基于互聯網地圖的實時數據。

1.4.1 公交網絡分析法

目前，Transcad 和Arcgis 等軟件均具備公交網絡分析功能，可以直接計算公交出行時耗和公交可達性。公交網絡分析法［4-8］的研究思路主要是利用上述GIS（地理信息系統）類軟件通過構建城市道路網和公交網絡，求解出多個起終點間的公交出行時耗，再根據公式算得相應公交可達性指標。在道路運行速度和公交運行速度設置上，主要采用經驗法［4-7］和利用公交GPS（全球定位系統）數據進行的車速標定法［8］。目前我國特大城市公交線路達上千條，路段和交叉口數量超過萬個，傳統公交網絡分析耗費大量人力成本，限制了該方法在城市軌道交通規劃工作中的推廣和應用。同時，該方法在道路運行速度和公交運行速度的設定上存在數據獲取困難和主觀性較強的問題。

1.4.2 互聯網地圖數據分析法

近年來，隨著WebGis（網絡地理信息系統）、位置數據和GPS 技術的發展，互聯網供應商依靠精確的地圖數據和實時車速數據，對交通進行評估分析，已得到政府和業界高度的重視。其中，高德和百度地圖的實時出行數據已被廣泛用于等時圈和可達性的研究中［9-10］。該方法的研究思路是首先等間距建立采樣點和城市中心點，利用地圖API（應用程序編程接口）調取中心點至采樣點的實時交通出行數據；接著，利用插值分析得到中心點至整個城市的公交出行時耗，并計算公交可達性指標。該方法數學原理與公交網絡分析基本一致，只是出行時耗由互聯網供應商的內置公交網絡和GPS 數據計算所得。該方法無需構建交通網絡，能節省大量人力成本，但由于采取的是互聯網供應商的現狀網絡，無法對規劃方案進行評估。

2 數據獲取與分析方法

本文基于傳統公交網絡分析和互聯網地圖數據分析各自的原理和優缺點，提出一種新的方法用于評估城市軌道交通規劃對公交可達性的影響。

2.1 總體研究思路

基于互聯網數據，可以直接得到現狀公共交通出行時耗，因此本法的核心在于分析新建城市軌道交通對公交出行時耗的影響。新建城市軌道交通對公交出行時耗的影響分為兩種情景：一是公交出行者未使用城市軌道交通，仍采用常規公交作為出行方式；二是公交出行者采用了城市軌道交通作為出行方式。顯然，第一種公交出行者的出行時耗不會受城市軌道交通的影響，出行時耗維持不變；而第二種公交出行者的出行時耗則會縮短。

研究方法首先是確定分析城市的中心點O 和全市各采樣點Dj，遍歷所有中心點O 至采樣點Dj采用城市軌道交通出行的路徑，并計算出最短路徑的長度、距離和時間。將算得的時間與無城市軌道交通情況下的最短時間進行比較，若該值小于無城市軌道交通下最短時間，則認為城市軌道交通的規劃建設縮短了O 點至終點Dj的出行時間，用該值替換原最短出行時耗值；若該值大于無城市軌道交通情況下得最短時間，仍維持原最短出行時耗值不變。

本文將一次使用城市軌道交通工具的公交出行時間TO，D分解為3 個部分，分別為中心點O 至城市軌道交通站點Xi的時間TO，Xi，城市軌道交通站點間的出行時間TXi，Xj和城市軌道交通站點Xj至采樣點Dj的時間TXj，Dj。

利用求得的3 段公交出行時耗，構建一個虛擬網絡，求解中心點至采樣點之間的最短路徑，即可得到城市軌道交通規劃后中心點至各采樣點的公交出行時耗。

2.2 利用地圖API 調取公交出行數據

選定研究范圍中心點，等間距構建采樣點陣，獲取中心點和采樣點的經緯度信息。同時，基于城市軌道交通規劃方案，獲取城市軌道交通站點的經緯度信息。

通過調用高德地圖的公交路徑規劃API，并進行解析，獲得中心點至城市軌道交通站點、城市軌道交通站至采樣點、中心點至采樣點出行路徑的公交出行時耗和公交出行價格。同時，考慮到當兩點距離過近時，公交路徑規劃得到的公交出行時間會大于步行出行時間，對距離小于1 500 m 的采樣點，調取步行出行時間進行數據修正。技術路線見圖1。

圖1 利用地圖API 調取公交出行時耗技術路線

2.3 城市軌道交通網絡分析

在獲取中心點、城市軌道交通站點和采樣點間的出行時耗后，開始研究城市軌道交通的規劃對城市軌道交通站點間公交出行時耗的影響。基于城市軌道交通規劃方案，繪制城市軌道交通線路和城市軌道交通站點。設定城市軌道交通運行車速、平均候車時間及換乘時間，利用Arcgis 軟件的OD（起終點）成本矩陣獲得城市軌道交通各站點間的公交出行時間。

2.4 構建虛擬網絡

通過調用地圖API 和構建城市軌道交通網絡，可以獲得中心點至采樣點、城市軌道交通站點至采樣點、城市軌道交通站點間、中心點至城市軌道交通站點4 段公交出行路徑的出行時耗和起終點經緯度。利用Arcgis 軟件中的XY 轉線功能，生成虛擬網絡，將各階段得到的公交出行時耗作為阻抗值，求解中心點O 至各采樣點Dj的OD 成本矩陣。求解的結果即為城市軌道交通建設后，中心點至各采樣點的最小公交出行時間。

2.5 數據插值分析

根據上述方法可以得到所有中心點O 至采樣點Dj的公交出行時間。基于獲得的采樣點數據，利用插值分析中的反距離權重法獲得中心點O 至整個城市任意點的公交出行時耗。反距離權重插值法計算公式如式（3）：

式中：

Z（Sa）——預估點Sa處預估值；

N——預估時使用周圍采樣點的數量；

λi——第i 個采樣點的權重；

Z（Si）——在Si處的采樣值。

權重的計算公式如式（4）、（5）：

式中：

P——指數值，本次取2；

ti，a——預估點Sa至采樣點Si的距離。

2.6 城市軌道交通對公交可達性影響評價指標

為分析不同城市軌道交通規劃方案對公交可達性的影響情況，共選取3 個評價指標，分別為中心區公交可達性、公交1 h 等時圈面積增長率和單位長度公交等時圈面積。

中心區公交可達性，反應城市中心區公交出行的便捷程度。該指標越大，表明中心區公交服務水平越差，反之則越好。其計算公式同式（1）。

中心區公交可達性反應城市軌道交通的規劃建設對中心區公交服務范圍的影響。單位長度公交等時圈面積反應單位長度的城市軌道交通建設對公交等時圈的影響。兩者的計算公式分別如下：

3 案例分析和評價

3.1 蕪湖市城市軌道交通線網規劃方案

蕪湖市地處長江下游沖積平原，是華東地區重要的工業基地、科技基地和國家級綜合交通樞紐。蕪湖市軌道交通線網規劃于2014 年編制完成，根據研究報告［11］，基于線網規模、城市空間格局及建設條件共形成3 個預選方案。本文以3 大預選方案作為案例，進行方案比選。

方案一：包含1、2、3、4、5 號軌道交通線，線網長度136.97 km，設站89 座，其中換乘車站14 座。城市軌道交通線路走向及站點設置見圖2。

方案二：在方案一的基礎上對2 號、3 號軌道交通線進行了局部調整。該方案的城市軌道交通線網長度為137.795 km，設站89 座，其中換乘車站14座。線路走向及站點設置見圖3。

圖2 蕪湖市城市軌道交通規劃方案一

圖3 蕪湖市城市軌道交通規劃方案二

方案三：在方案一的基礎上對1 號線、3 號線、4號線進行了調整，其他線路與方案一完全一致。該方案的城市軌道交通線網長度為150.185 km，設站95座，其中換乘車站15 座。線路走向及站點設置見圖4。

3.2 參數設定

本方法計算規劃的城市軌道交通對公交可達性指標的影響，共設定5 個參數。

1）城市中心點的選取：蕪湖市規劃形成“龍湖為心、兩江三城”的城市空間布局結構，考慮到各片區發展現狀，選取蕪湖市內外交通的轉換點蕪湖火車站作為案例的城市中心點。

2）采樣點的選取：蕪湖市城鄉公交體系較為發達，市區至下屬縣基本已開通城鄉公交線路，因此本次研究范圍為蕪湖市全市。將蕪湖市全市劃分為大小為2 km×2 km 的網格，并剔除水系范圍，共選取1425 個采樣點。

圖4 蕪湖市城市軌道交通規劃方案三

3）城市軌道交通運行速度：根據研究報告［11］，各線路的旅行速度能達到35 ～45 km/h 左右。結合全國各城市軌道交通實際運營情況，本案例城市軌道交通運行速度取40 km/h。

4）乘客平均候車時間：乘客平均候車時間與城市軌道交通的發車間隔密切相關。當乘客到達城市軌道交通站點的時間服從均勻分布時，平均候車時間為發車間隔時間的一半。研究報告中列車運行間隔已可達到2 min，考慮到實際運營的情況，本案例發車間隔取4 min，平均候車時間為2 min。

5）乘客換乘時間：乘客的換乘時間主要包含步行時間和平均候車時間。平均候車時間計算如上所述，由于城市軌道交通換乘以站內換乘為主，換乘的步行時間取2 min。

3.3 方案評價和分析

本文共獲取城市中心點至城市軌道交通站點、城市軌道交通站點至采樣點公交平峰出行數據數十萬條。結合城市軌道交通網絡，求出三種規劃方案的中心點至采樣點的軌道交通出行時間。蕪湖市現狀公交1 h 等時圈面積為67 km2，規劃方案一公交1 h等時面積達203 km2，規劃方案二公交1 h 等時面積達138 km2，規劃方案三公交1 h 等時面積達264 km2。各方案詳細評價指標見表1。

從中心區公交可達性指標來看，規劃方案一和規劃方案三對于蕪湖市中心區的公交可達性提升明顯，而規劃方案二由于繞行蕪湖江南中心區導致在公交可達性上較差。公交1 h 等時圈指標基本與城市軌道交通線網布設一致，規劃方案三設置的環線對于中心區公交1 h 等時圈提升作用最明顯，規劃方案一公交1 h 等時圈南北方向面積更大，規劃方案二公交1 h 等時圈面積最小。

表1 規劃方案評價指標

4 結語

本文基于互聯網地圖數據，將傳統網絡分析方法與互聯網數據相結合，提出一種新的城市軌道交通規劃方案公交可達性指標計算方法，可直接應用于評價城市軌道交通規劃方案。該方法將地圖API數據應用于規劃方案的測試評估中，較傳統公交網絡分析法相比，節約了大量的人力和數據獲取成本，為城市軌道交通規劃方案比選提供了新的思路。同時，該方法考慮到了公交出行全過程的出行時耗，利用步行時耗修正了現有短距離出行中地圖API 公交出行數據的不足之處。

然而，該方法在應用過程中仍存在一定不足之處。首先，該方法通過部分調用地圖API 接口數據，評估城市軌道交通規劃方案的公交可達性，分析精度很大程度上取決于互聯網地圖服務商的內置算法和數據。部分小城市公交存在數據缺失的情況，影響該方法的推廣范圍。同時，城市軌道交通的規劃往往會伴隨著常規公交線路的調整，該問題的解決可以通過調取多條公交出行路徑，通過對涉及調整線路的公交出行路徑篩選，來修正公交出行時間，本文未對該問題進行深入研究。

該方法通過修正和改進，未來可以應用的研究項有：①評估新建道路、新建鐵路對出行時間的影響；②將公交可達性指標與多數據融合，進行多維度、多層次分析。