基于OpenStreetMap的城市公交專用道設置優化

劉月, 薛運強, 孫立山

(1.北京工業大學城市建設學部, 北京 100024; 2.華東交通大學交通運輸工程學院, 南昌 330013:3.東南大學交通學院, 南京 210096; 4.江西省高鐵區域發展研究中心, 南昌 330013)

為緩解公共交通擁堵,國家大力提倡發展“公交優先”。其中,公交專用道作為公交優先發展的有效策略,對保證公交運行速度、提高公共交通吸引力具有重要作用。公交專用道設置優化的關鍵是在公交路權得不到保障的路段,合理設置優化公交專用道,以提高公交的運行效率與可靠性。因此,在設置公交專用道的過程中,有必要對城市交通進行實時態勢分析,精確識別須設公交專用道路段,并采用合理的公交專用道設置優化方式,達到改善公共交通擁堵、提高公交出行效率的目的。

在公交專用道設置方面,國內外學者已經做了大量研究。陳明[1]在傳統車輛速度模型的基礎上進行改進,考慮不同公交比例對車輛運行產生的不同時間效益,分別構建公交和社會車的車速模型。Zhu[2]在提出交通均衡模型的基礎上,進一步分析公交優先措施,建立公交車道的雙車道模型,論證設置間歇式公交車道對社會車流的影響不大。史遠等[3]通過建立車輛行駛時間—路段飽和度之間的關系模型,考慮公交與社會車輛運行情況的不同,對路段設置公交專用道前后分別進行定量分析,在此基礎上定性評價公交專用道的設置對車速的影響。關于OSM(OpenStreetMap)的相關研究,宋青等[4]在深入分析自行車騎行者的路徑選擇行為的基礎上,基于OSM數據構建了自行車路徑優化模型,提出了一種最優多判路徑規劃方法,并通過實驗仿真表明方法的可靠性。Hacar等[5]提出了一種新的道路匹配方法,針對3種不同模式的同一區域網絡,分別從距離、方向、彎曲度等方面來確定相似性評分,驗證該方法在不同道路模式下都能得到滿意的結果。

目前,針對道路擁堵情況的研究主要依托于人工調查、感應線圈等方式獲取交通數據[6-7],缺乏從交通大數據中提取路網與交通流信息的研究,大大降低了路網交通狀態識別的效率和范圍。因此,現基于OSM提取出可設公交專用道路網,采用Stroke道路表示法對OSM路網與百度路網進行融合,并選取道路幾何特征對兩種路網進行相似度計算及匹配,從而提高兩種路網間的匹配度。其次,將百度地圖實時交通數據在OSM可設公交專用道路網上實現交通態勢可視化,從而精準識別出公交專用道設置對象。最后,通過構建公交路阻函數模型,計算設置前后的時間效益差,以進一步優化公交專用道設置方案。

1 基于OSM路網確定公交專用道選址

OSM作為眾源地理信息數據的典型代表,是近年來國際地理信息學科研究的新熱點。OSM憑借其信息豐富、開源共享等優勢,得到了廣泛應用。此外,OSM是一個免費的開源地圖,其中包含來自世界各地的地理數據和信息,用戶可以隨意獲取豐富的路網數據,降低了數據采集的難度。

OSM數據中包含眾多圖層,主要有高速公路、鐵路、水系、水域和建筑等。同時,OSM中有著分類詳細的交通要素,如residential、pedestrian、trunk、cycleway等。OSM中分類詳盡的圖層與要素有利于根據用戶的不同需求構建出相應的路網集合,為進一步的研究分析提供路網支撐。OSM中現有路網為整個交通路網以及已存在公交專用道的路網。為更加準確地分析公交專用道的設置環境、快速確定公交專用道選址范圍,通過對OSM數據的特征屬性進行相關分析,構建OSM數據中可設公交專用道路段的集合要素,從而提取出可設公交專用道的路網,為路網數據融合做準備。

1.1 可設公交專用道路段的特征提取

OSM地理信息數據采用xml結構進行存儲,并通過包含拓撲性質的數據結構進行描述。OSM數據模型是由節點(Node)、道路(Way)、關系(Relation)3種基本矢量數據構成的,在這3種矢量數據中,道路數據雖然冗余但比較完整。因此,篩選OSM中的道路數據作為可設公交專用道路網的初始數據。由于OSM中的道路矢量數據的特征屬性全部通過標簽值進行記錄,因此,考慮結合可設公交專用道的道路特性,構建出可設公交專用道路網集合,并將道路特征屬性與標簽值進行關聯,從而得到可設公交專用道路網。

《公交專用車道設置》[8]是公交專用道設置的主要依據。根據該標準總結設置公交專用道的道路條件如下:①單向機動車道數不小于3;②禁止公交通行路段不可設置;③步行道路、行人通道、非機動車道等路段不可設置;④路段飽和度位于0.5～0.8。

根據《公交專用車道設置》中的內容,提出構建可設公交專用道路網集合主要有:可設公交專用道、不可設公交專用道兩大類。

由于城市道路中單向車道數大于等于3的道路滿足設置公交專用道的道路條件[9],因此,假設在OSM道路數據中bus、primary、secondary、motorway及其連接部分中車道數大于等于3的路段可作為數據源。一些路段由于不區分公交道、不滿足道路數要求、不允許公交通行等原因,故不可作為設置公交專用道路段,包括居住區、公園、郊區、步行道路、行人通道、非機動車道等,如表1所示。

表1 可設公交專用道路網集合Table 1 Bus lane network can be set up

將所構建的可設公交專用道路網集合內容與標簽值在ArcGIS中進行字段關聯。通過在ArcGIS屬性表中輸入地圖信息元素與標簽值[10],即對OSM路網數據進行篩選處理,提取出OSM可設公交專用道路網。

由于OSM路網僅提供道路矢量數據,為確定可設公交專用道路網中滿足路段飽和度要求的路段,考慮將OSM路網與百度路網數據進行融合匹配,實現百度路網數據在OSM可設公交專用道路網上的可視化。

1.2 OSM與百度路網數據融合匹配

由于OSM路網數據和百度路網道路數據分別采用兩種不同的坐標系,所以需要將兩者的坐標系進行轉換。此外,兩者數據量較大,其中OSM道路數據中的道路完整性更好;而百度路網將許多道路進行過分段處理,導致道路要素被分割多條,破壞了道路整體的完整性。因此,在道路匹配的過程中,需進行道路拼接以得到完整道路,提高道路匹配正確率。

采用Stroke道路表示法進行路網融合[11],拼接分段道路使之成為一條完整道路,從而簡化道路匹配流程。道路網Stroke的判斷原則是依靠兩條道路之間的偏向角判斷是否連接,如圖1所示。由于路段A與路段C的偏角較小,將路段A與路段C連接為一條路。同理,路段B與路段C連接,路段E找不到相連接的路段,不做處理。

圖1 道路Stroke示意Fig.1 Road Stroke schematic

在路網匹配方面,由于道路網數據較為復雜,僅以位置信息來判斷不同數據源的兩條道路是否匹配是不可靠的。因此還需要對道路的其他信息加以充分利用,以此提高匹配結果的可靠性。

對于待匹配的道路段相似度計算,綜合考慮兩方面:路段長度之間、路段方向之間的相似度。定義每條道路中的子弧[12]為

Arck,k+1={vertexk,vertexk+1}

(1)

式(1)中:Arck,k+1為道路中的第k個子弧;vertexk為第k個頂點;vertexk+1為第k+1個頂點。

(2)

路段整體相似度為

(3)

圖2 不同方向路段Fig.2 Section in different directions

根據上述定義計算兩條道路的相似度。選擇的相似度閾值是0.65[13],若相似度超過0.65,則斷定兩條路基本匹配;若有多個匹配路段,則取匹配度最高的路段作為最終匹配路段;否則視為不匹配。

經過融合匹配處理好的路網系統具有相對穩定性,不僅可以使路網空間數據與交通實況數據較高程度地匹配,還能使交通態勢分析更加精準。

1.3 交通態勢分析

交通態勢分析是公交專用道優化設置的重要前提。應用實時的交通數據可以快速識別道路交通狀態,從而篩選飽和度滿足公交專用道設置要求的路段。交通態勢分析中的實時交通數據來自百度地圖開放平臺中的應用程序編程接口(application programming interface,API),其中包含道路名稱信息、路況、速度信息、經緯度信息等。交通態勢分析的主要步驟是在路網融合匹配的基礎上,確定分析尺度、建立坐標集并與交通實況流量進行比對,從而獲取交通飽和狀態可視化[14],如圖3所示。

圖3 交通態勢分析流程Fig.3 Situation analysis process

為有效分析路網交通態勢,應進行多日多次采集交通實時信息數據,并取其平均值。同時,應保證獲取路網數據與交通態勢數據的時間應基本一致,確保路網信息具有相近的時效性,數據之間有較強的時間維度聯系。

將數據導入ArcGIS中,即可實現交通飽和狀態數據的可視化,如圖4所示。

圖4 路網擁堵情況Fig.4 Network congestion

黃色路段表示該路段既滿足設置公交專用道的道路條件要求又滿足飽和度條件要求。針對調查時段內多次滿足設置要求的路段進行路阻分析,確定公交專用道的設置方案。

2 公交路阻函數模型

2.1 模型假設

基于以下假設,建立公交路阻函數模型。

假設1公交專用道設置前后客流量和車流量不變。

假設2公交發車頻率、乘客等待時間不變。

假設3乘客上、下車服務時間與專用道設置與否無關。

2.2 模型構建

結合公交在道路上的運行狀態,將行駛過程分為三部分:純運行路段、交叉口路段、站臺路段,劃分情況如圖5所示。

圖5 運行路段劃分Fig.5 Division of operating sections

路阻函數模型[15]表示為

(4)

2.3 純路段延誤

2.3.1 設置公交專用道前

當交通流量較大時,建立路阻函數模型為

(5)

式(5)中:α、β為模型參數;v0為當路段流量為0時路段速度;k為路段交通流密度;kmax為路段極限密度;z=(2n±1)/n,n為大于0的奇數。

2.3.2 設置公交專用道后

設置公交專用道后,考慮公交車輛和社會車輛交通流密度的不同,模型為

(6)

式(6)中:v′0為設置公交專用道后路段流量為0時路段速度;kb為公交專用道交通流密度;kb,max為公交專用道極限密度;kc為非公交專用道交通流密度;kc,max為非公交專用道極限密度;α1、β1、α2、β2為待定系數。

2.4 交叉口延誤

根據信號交叉口的有效紅燈時長和車輛到達情況,求得每輛車的延誤。公式為

(7)

式(7)中:bm為每輛車的均勻延誤;r為有效紅燈時間;S為車輛離開交叉口的平均飽和流率;λ為公交車到達交叉口的平均到達率。

交叉口延誤時間模型為

(8)

式(8)中:t3為交叉口均勻延誤時間;C為j時刻、i路段上交叉口交通信號周期。

2.5 停靠站延誤

(9)

2.5.1 站點損失時間[16]

建立站點損失時間模型為

(10)

式(10)中:venter為公交進站速度;aenter為公交進站加速度;P0為站點沒有車輛停靠的概率;vouter為公交出站速度;aouter為公交出站加速度;tstart為公交啟動時間,取值2 s;x為0-1變量,設置公交專用道,取0;未設置公交專用道,取1;τ為駛入相鄰車道所需的時間間隔。

2.5.2 乘客上下車時間

根據研究路段的調查數據,確定乘客上下車時間關系為

(11)

式(11)中:tclose為公交關門時刻;topen為公交開門時刻;nijk為在j時刻、i路段、k站點的上下車乘客數。

3 案例分析

3.1 確定研究對象

以南昌市部分路網為例,依據構建的路網集合提取可設公交專用道路網,并將OSM路網與百度路網進行融合匹配,如圖6所示。

圖6 公交專用道路網Fig.6 Bus lane network

提取百度路網中2021年4月5日——2021年4月11日早晚高峰共14個時段的交通狀態數據。單次高峰時間需提取255個數據,早晚高峰共510個數據信息。將提取的數據導入ArcGIS中與OSM進行連接,實現交通狀態數據的可視化,如圖7所示。

圖7 常發擁堵路段可視化Fig.7 Frequently congested road visualization

通過交通態勢分析后發現,早晚高峰的擁堵情況相差不大,早晚高峰時輕微擁堵狀態的路段占據多數。將14個時段內飽和度滿足設置要求超過6次的區域ID進行標記,并將這些道路判定為待設公交專用道路段。

待設公交專用道中問題最為突出的路段為:青山南路、陽明路、八一大道、陽明東路,一周內滿足設置要求達到8次。其中,青山南路、陽明東路未設置公交專用道。為進一步確定優化方案,根據調查的數據分別對陽明東路、青山南路進行模型求解。

3.2 模型求解

3.2.1 參數確定[17]

陽明東路公交比例約為0.3,公交專用道設置前后的純路段延誤模型為

(12)

(13)

青山南路公交比例約為0.35,公交專用道設置前后的純路段延誤模型為

(14)

(15)

3.2.2 時間效益確定

按照早晚高峰劃分不同時間段,青山南路公交車在設置公交專用道前后的純路段延誤、交叉口延誤、站點延誤如表2～表4所示。陽明東路總時間效益差為3.76 s;青山南路總時間效益差為29.64 s。

表2 純路段延誤表Table 2 Pure road delay

表3 交叉口延誤表Table 3 Intersection delay

表4 停靠站延誤Table 4 Stop delay

綜合,陽明東路設置公交專用道對緩解交通壓力的效果并不明顯,青山南路設置公交專用道可以有效地減少延誤損失。結合青山南路現狀的公交運行情況,考慮在青山南路上設置公交專用道。

3.3 SUMO仿真評估

通過模型已求解出青山南路設置公交專用道所帶來的時間效益,但車輛的實際運行情況并不清楚。為進一步明確設置公交專用道所帶來的改善效果,利用SUMO軟件,將青山南路設置公交專用道前后的各運行指標進行對比,如圖8所示。

圖8 設置公交專用道前后對比Fig.8 Comparison before and after setting the bus lane

通過SUMO仿真結果表明:青山南路設置公交專用道對于緩解交通壓力、改善交通環境效果十分顯著。其中,公交車車輛延誤降低18.2%,社會車輛延誤降低10.8%。

4 總結

(1)基于OSM提取南昌市部分可設公交專用道路網,采用Stroke道路表示法將OSM路網與百度路網進行融合,并通過路段相似度計算實現了兩種路網間的高度匹配。

(2)將OSM路網與百度地圖數據進行關聯,實現可設公交專用道路網的交通態勢可視化。確定將滿足設置公交專用道次數最多的青山南路、陽明東路作為研究對象。

(3)分析公交在道路上的運行狀態,分別求解出陽明東路、青山南路設置公交專用道前后在站點的時間效益差為2.23、3.62 s;在交叉口的時間效益差為0.8、4.2 s;在純路段的時間效益差為0.73、21.82 s,考慮為青山南路設置公交專用道。

(4)通過SUMO仿真分析青山南路設置公交專用道前后的車輛實際運行狀況。結果表明,青山南路設置公交專用道后在車輛平均速度、平均延誤情況等方面均為明顯改善。本文提出的方法有助于優化公交專用道的設置,提高交通運輸效率、改善公交運行環境。