基于交通態(tài)勢可視化分析的公交專用道布局

薛運強, 譚彩鳳, 張兵,3, 鄧明君, 涂浩愷, 孔琪芳

(1.華東交通大學(xué)交通運輸工程學(xué)院, 南昌 330013; 2.東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096; 3.江西省高鐵區(qū)域發(fā)展研究中心, 南昌 330013)

交通擁堵問題是困擾城市的普遍難題,在城市道路空間資源有限的情況下,僅靠“工程性措施”難以緩解道路交通中突出的供需矛盾。公交優(yōu)先已成為世界各城市管理者的共識,而公交專用道是實現(xiàn)公交優(yōu)先的重要載體,通過建設(shè)公交專用道可以促進公共交通的發(fā)展來改變居民的交通出行方式,提高城市道路的運輸效率。

科學(xué)有效地規(guī)劃公交專用道的方法,也一直是國內(nèi)外交通學(xué)者的研究對象。部分學(xué)者對公交專用道的設(shè)置條件、布設(shè)方式、交通組織等方面進行研究,確定了針對不同城市的通行需求、客流量、路權(quán)保障等因素影響下的不同設(shè)置條件和標(biāo)準(zhǔn)[1-4]。近年來,中國智能交通信息化系統(tǒng)建設(shè)取得了長足的發(fā)展,道路交通信息基礎(chǔ)設(shè)備不斷完善,在提高交通基礎(chǔ)設(shè)施效率和管理水平等方面都起到重要作用,現(xiàn)如今在公交領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。許多學(xué)者借助大數(shù)據(jù)手段來分析公交覆蓋范圍、熱點區(qū)域、公交客流的空間分布等特性,滿足城市公交出行多元化需求,提供更高水平的公共交通服務(wù)[5-7]。劉祥峰等[8]通過對公交全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)和IC卡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)融合分析公交客流的空間分布特征,依此構(gòu)建公交專用道網(wǎng)絡(luò)布局方案。韓艷紅[9]對公交運行IC卡數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)進行融合處理,對公交線路運行效率進行評價。

總結(jié)現(xiàn)有研究成果,在解決公交專用道布局規(guī)劃問題時,大數(shù)據(jù)在分析公交客流的空間分布等方面發(fā)揮了重要作用,但對交通態(tài)勢數(shù)據(jù)的應(yīng)用較少。交通態(tài)勢數(shù)據(jù)能反映路網(wǎng)的運行狀態(tài),提供交通路況信息,有效解決傳統(tǒng)公交專用道規(guī)劃布局方法中存在的數(shù)據(jù)支撐不足、建設(shè)必要性難以說清等問題。

基于以上研究背景,現(xiàn)將道路交通信息技術(shù)運用于公交專用道布設(shè)問題研究,以南昌市黃家湖周邊區(qū)域為例,融合交通路況分析與發(fā)布平臺的實時大數(shù)據(jù)與路網(wǎng)地理信息,對路網(wǎng)進行精確度更高、信息更真實的交通研判,更清晰地獲取公交專用道需求,得到適宜的公交專用道設(shè)計方案。

1 交通態(tài)勢分析

中國許多互聯(lián)網(wǎng)公司均有推出專門用于分析和發(fā)布交通大數(shù)據(jù)的平臺,如百度地圖、騰訊地圖等,這些平臺通過采集交通基礎(chǔ)設(shè)施傳感數(shù)據(jù)或個人信息移動定位數(shù)據(jù)等方式,能夠?qū)煌ù髷?shù)據(jù)進行實時融合計算和發(fā)布。本文中交通態(tài)勢數(shù)據(jù)來源為百度地圖開放平臺的實時路況查詢服務(wù),獲取指定地理范圍的實時擁堵情況做出交通路網(wǎng)態(tài)勢評價。

1.1 構(gòu)建基礎(chǔ)路網(wǎng)

本文中基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于OpenStreetMap(OSM),OSM是自發(fā)地理信息項目之一,具有數(shù)據(jù)高度開放、信息體量大、采集成本低等特點,作為眾源地理信息數(shù)據(jù)的典型代表,OSM含有分類詳細(xì)的交通要素信息,支撐本次研究的前期構(gòu)建基礎(chǔ)路網(wǎng)模型部分內(nèi)容。

1.1.1 提取路網(wǎng)

基于OSM完成對研究區(qū)域路網(wǎng)的提取,得到表示道路的矢量線數(shù)據(jù),從中篩選出符合公交專用道設(shè)置條件的數(shù)據(jù)類型,最后提取可設(shè)置公交專用道的基礎(chǔ)路網(wǎng)。OSM數(shù)據(jù)模型為層次模型,由基本元素點、線、面構(gòu)成,每種元素都包括幾何特征等屬性的詳細(xì)描述。如面要素包括Water、Natural、Places等;線要素Railways、Roads等;點要素包括Pois、Transport等,以上三種矢量數(shù)據(jù)中,線數(shù)據(jù)雖然存在過于冗余情況,但數(shù)據(jù)完整,經(jīng)初步分析適宜作為研究公交專用道布設(shè)問題的初始數(shù)據(jù)。

本文研究數(shù)據(jù)主要使用OSM交通要素數(shù)據(jù),下載地圖后通過格式轉(zhuǎn)換工具將OSM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為通用數(shù)據(jù)處理軟件識別格式(ArcGIS ShapeFile),導(dǎo)入ArcGIS并裁切出研究范圍。圖1所示為基于OSM提取原始路網(wǎng)示意圖。

圖1 提取原始路網(wǎng)數(shù)據(jù)Fig.1 Extraction of raw road network data

1.1.2 篩選路網(wǎng)數(shù)據(jù)

公交專用道的設(shè)置是公交車高效平穩(wěn)運行的重要保障,但公交專用道的施劃也占用了道路資源,施劃不當(dāng)會加劇城市道路資源和交通需求之間的矛盾。我國目前公交專用道設(shè)置主要遵循公安部頒布的《公交專用車道設(shè)置》(GA/T 507—2004),同時借鑒其他地區(qū)的相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn),如北京《公交專用道設(shè)置規(guī)范》(DB11/T 1163—2015)、山東 《公交專用道設(shè)置規(guī)范》(DB37/T 3541—2019),參考總結(jié)可知公交專用道對道路基本條件一般性要求是單向3車道及以上道路。

對所提取數(shù)據(jù)的特征屬性進行分析,結(jié)合公交專用道設(shè)置的道路基礎(chǔ)條件建立標(biāo)簽集,對路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行篩選,剔除不適宜設(shè)置公交專用道的道路、水路等冗余數(shù)據(jù)。標(biāo)簽集如表1所示。得到路網(wǎng)如圖2所示。

表1 數(shù)據(jù)篩選標(biāo)簽集Table 1 Data filter label set

圖2 篩選滿足公交專用道設(shè)置條件路網(wǎng)Fig.2 Screening the road network to meet the conditions for bus-only lane installation

1.2 提取交通態(tài)勢數(shù)據(jù)

百度地圖開放平臺實時路況查詢服務(wù)提供了周邊實時路況查詢功能,可查詢某中心點周邊半徑范圍內(nèi)的實時擁堵情況和各擁堵路段信息,本文基于Python進行交通態(tài)勢數(shù)據(jù)抓取操作。

1.2.1 獲取中心點坐標(biāo)

獲取研究區(qū)域內(nèi)的交通態(tài)勢數(shù)據(jù)需要將研究區(qū)域劃分為多個矩形,并提取每個矩形的中心坐標(biāo)點,依此批量獲取研究區(qū)域的交通態(tài)勢數(shù)據(jù)。

主要操作步驟:使用創(chuàng)建漁網(wǎng)工具創(chuàng)建500 m×500 m漁網(wǎng)格,再使用相交工具得到研究范圍內(nèi)的漁網(wǎng),最后在屬性表中計算幾何中心坐標(biāo)并導(dǎo)出坐標(biāo)數(shù)據(jù)表格,圖3為獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)示意圖。

圖3 批量獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)Fig.3 Obtaining coordinate data in batch

1.2.2 批量獲取交通態(tài)勢數(shù)據(jù)

根據(jù)獲取的批量中心點坐標(biāo),循環(huán)提取該點附近的實時交通數(shù)據(jù)。偽代碼如下:

批量獲取交通態(tài)勢# 導(dǎo)入requests庫import requests# 循環(huán)提取坐標(biāo)信息for k in range(len(df)):# 構(gòu)建url并訪問url = 'https://api.map.baidu.com/traffic/v1/around?ak='+str(key)+'¢er='+str(y)+','+str(x)+'&radius=250&coord_type_input=wgs84&coord_type_output=gcj02'#"Key": "申請的百度地圖api密鑰" #"center":中心點坐標(biāo)# 發(fā)送get請求,獲取返回的json數(shù)據(jù)response = requests.get(url, params=params)data = response.json()# 解析json數(shù)據(jù),提取交通態(tài)勢信息traffic_api = [[id, x, y, status, description, eve_status, eve_desc, road_traffic]]#輸出表格save_path

1.3 交通態(tài)勢數(shù)據(jù)可視化

通過表格中的ID字段與漁網(wǎng)標(biāo)識的路網(wǎng)進行連接和關(guān)聯(lián),將路況信息鏈接至路網(wǎng),進行可視化展示。圖4為2023年3月13日(周一)19時交通態(tài)勢可視化結(jié)果。

圖4 2023年3月13日19時交通態(tài)勢可視化Fig.4 Traffic situation visualization at 19:00 on March 13, 2023

對連續(xù)一周的早高峰、平峰、晚高峰數(shù)據(jù)進行提取整理,選取交通擁堵嚴(yán)重、暫未布設(shè)公交專用道、且滿足公交專用道設(shè)置條件的路段。經(jīng)調(diào)查,南昌黃家湖周邊的文化大道-會展路均為單向3車道及以上道路且無公交專用道,根據(jù)周交通態(tài)勢統(tǒng)計,擁堵次數(shù)為5次以上,因此選取文化大道-會展路周邊區(qū)域為研究對象。

2 公交專用道布局多目標(biāo)優(yōu)化模型

公交專用道布局多目標(biāo)優(yōu)化問題可描述為在有限的道路資源里,在滿足公交專用道的設(shè)置條件、服務(wù)水平等約束條件下,找到路網(wǎng)整體碳排放最低、出行時間最短的公交專用道布局方案。

2.1 模型假設(shè)

以下為模型的幾點假設(shè):

(1)出行方式只有社會車輛出行和公交出行兩種。

(2)不考慮公交在交叉口的延誤。

(3)專用道設(shè)置前后,公交車的發(fā)車頻率、乘客上下車的服務(wù)時間以及公交車加速和減速所損失時間均保持不變。

(4)只考慮公交單方向運行情況。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化模型

2.2.1 碳排放優(yōu)化指標(biāo)

從城市管理者角度出發(fā),以碳排放指標(biāo)最優(yōu)確定公交專用道布局方案。是否設(shè)置公交專用道是模型中的決策變量,路網(wǎng)中各交通方式的總碳排放最低為模型的目標(biāo)函數(shù)。建立全類型車在全路段的碳排放計算模型,表達式為

(1)

式(1)中:Z1為路網(wǎng)中所有類型車輛的碳排放總量;m為車類型;a為路段;Om為m型車在路段a的碳排放量;xam為m型車在路段a上的流量。

2.2.2 總出行時間優(yōu)化指標(biāo)

從路網(wǎng)內(nèi)交通出行者角度出發(fā),以總出行時間最少確定公交專用道布局方案。計算路網(wǎng)出行者最小總出行時間。模型表達式為

(2)

λa∈{0,1}

(3)

綜上可得,公交專用道布局方案的多目標(biāo)優(yōu)化模型為

min{Z1,Z2}

(4)

2.2.3 路阻函數(shù)模型

以Davidson模型作為基礎(chǔ)路阻模型[10],模型表達式為

(5)

通過對路段的理論通行能力進行修正,可以得到路段的設(shè)計通行能力。在修正理論通行能力時,通常考慮自行車、交叉口、車道寬度和車道數(shù)等因素的影響。同時考慮路段長度對行程時間的影響,此處加入路段長度修正系數(shù)[11]。經(jīng)修正后的公式為

(6)

式(6)中:αa為路段a的車道寬度修正系數(shù);βa為路段a的車道數(shù)修正系數(shù);la為路段長度修正系數(shù);C為城市道路單車道的理論通行能力。根據(jù)模型假設(shè),此處忽略交叉口和自行車對路段通行能力的影響。

另外,考慮到公交停靠站也會影響道路的通行能力。因此在計算道路的設(shè)計通行能力時加入公交停靠站修正系數(shù)γ,計算公式為

(7)

由于各種交通方式的平均承載人數(shù)不同,因此選擇不同交通方式的出行者數(shù)量所形成的道路流量也是不同的[12],出行者需求和交通流量關(guān)系為

(8)

式(8)中:xa為路段a上的流量;Pa為路段a上的出行者數(shù)量;A為平均承載人數(shù)。

綜上分析可得路阻函數(shù)模型表達式為

(9)

(10)

解上述模型計算以公交專用道設(shè)置與否為變量的路網(wǎng)碳排放和總出行時間,得到碳排放最低和總出行時間最短的公交專用道布局方案。

3 實例研究

3.1 交通調(diào)查數(shù)據(jù)

根據(jù)交通態(tài)勢分析,選取文化大道-會展路作為本次實例研究的研究對象,具體交通數(shù)據(jù)通過實地調(diào)查取得,在工作日早高峰時段6:30—7:30進行采集。調(diào)查范圍及公交站、路段編號如圖5所示。

圖5 研究范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of the scope of the study

經(jīng)調(diào)查,研究范圍內(nèi)共有7個公交車站,根據(jù)公交車的進出研究路段情況,將研究范圍劃分為7個包含公交車站的路段,對每個公交車站公交車滯站時間、公交車到站車次、路段的交通流量進行調(diào)查。調(diào)查結(jié)果如表2～表4所示。

表2 各車站各車次停站時間Table 2 Stopping time of each train at each station

表3 各車站高峰時段到站車次Table 3 Arrival trains at each station during peak hours

表4 各路段單向社會車流量Table 4 Unidirectional social traffic flow of each road section

3.2 模型求解與評價

結(jié)合研究范圍內(nèi)交通現(xiàn)狀和公共交通調(diào)查結(jié)果,對數(shù)學(xué)模型進行參數(shù)標(biāo)定和計算,得到研究范圍內(nèi)出行者總出行時間。研究范圍為路段都為單向三車道路段,車道寬均為3.5 m, 公交加速和減速損失時間和為4 s,社會車輛零流車速為50 km/h,公交車輛零流車速為40 km/h。碳排放計算參數(shù)參考碳排放交易網(wǎng)站統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

各路段排放統(tǒng)計情況如表5、圖6所示。

表5 各路段碳排放統(tǒng)計表Table 5 Carbon emission statistics table for each road section

圖6 各路段碳排放統(tǒng)計圖Fig.6 Carbon emission statistics chart of each road section

各路段出行者總出行時間統(tǒng)計情況如表6、圖7所示。

表6 各路段出行者總出行時間Table 6 Total travel time of travelers in each road section

圖7 各路段總出行時間統(tǒng)計圖Fig.7 Statistical chart of total travel time for each road section

根據(jù)實例數(shù)據(jù)可知,設(shè)置公交專用道有利于減少交通運輸碳排放,且能改善路段的整體通行效率,為進一步描述公交專用道的優(yōu)化效益,統(tǒng)計各路段碳排放及總出行時間優(yōu)化比率。計算結(jié)果如表7所示。

表7 各路段設(shè)置公交專用道優(yōu)化效益Table 7 Total travel time of travelers in each road section

本節(jié)主要內(nèi)容為根據(jù)前文研究方法對城市擁堵路段文化大道-會展路提出公交專用道布設(shè)方案,并根據(jù)本文提出的多目標(biāo)優(yōu)化模型計算公交專用道方案的優(yōu)化效益。

由表5和表6可知,在設(shè)置了公交專用道后,各路段的碳排放和出行者總出行時間都有所減少。初步分析認(rèn)為,公交專用道的設(shè)置提高了公交車的運行效率,增強了公交車的吸引力,促使更多人選擇綠色出行方式,從而減少了路網(wǎng)碳排放。同時,社會車流也避免了公交車和公交車站的干擾,車速更加穩(wěn)定,出行者總出行時間也隨之降低。表7表明,在采用了本文的公交專用道布局優(yōu)化方案后,各路段優(yōu)化比率均為正,碳排放平均優(yōu)化率為4%左右,出行時間平均優(yōu)化率為5%,說明運用本文研究方案得到的布局優(yōu)化方案可以達到減少碳排放和提升出行者出行效率的效果。

4 結(jié)論與展望

相較于傳統(tǒng)的主觀選取公交專用道設(shè)置方案研究范圍,本文結(jié)合交通態(tài)勢數(shù)據(jù)對城市交通路網(wǎng)進行評價分析,選取研究公交專用道布局問題的研究范圍,并建立以出行者的總出行時間最小作為目標(biāo)函數(shù)的評價模型對公交專用道布設(shè)方案的時間效益進行評價分析,得出以下結(jié)論。

(1) 將交通路況分析與發(fā)布平臺的大數(shù)據(jù)和路網(wǎng)地理信息數(shù)據(jù)融合分析,實時計算交通路網(wǎng)態(tài)勢,能直觀展示城市路網(wǎng)中交通擁堵嚴(yán)重、需要交通管控措施的區(qū)域,方便管理者的直觀決策。

(2) 結(jié)合交通態(tài)勢分析結(jié)果,選取公交專用道布局規(guī)劃研究區(qū)域,有利于解決傳統(tǒng)公交專用道網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃中存在一些問題,例如數(shù)據(jù)支撐不足、建設(shè)必要性難以說清等。可以更準(zhǔn)確地評估公交專用道的需求、效果和影響。

(3) 以出行者的總出行時間最小作為目標(biāo)函數(shù)的評價模型,對公交專用道布設(shè)方案進行評價分析,通過案例分析,對公交專用道設(shè)置前后的路網(wǎng)整體效益進行評價,分析可知該公交專用道布設(shè)方案可提升5%效益,可給交通決策者提供決策依據(jù)。

不足之處在于本文在選取公交專用道的布局規(guī)劃范圍時主要參考依據(jù)為公交專用道的設(shè)置條件和交通態(tài)勢數(shù)據(jù),沒有結(jié)合公交客流數(shù)據(jù)進行分析,存在一定不足,下一步可以增加公交客流數(shù)據(jù)進行分析,使規(guī)劃方案更加貼合市民需求。