基于消費(fèi)者決策心理的公交換乘算法的設(shè)計

顏桂梅，林宇洪，郭建鋼

（福建農(nóng)林大學(xué)1.金山學(xué)院；2.交通學(xué)院，福建福州350002）

公共交通是城市重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，是關(guān)系民生的公益事業(yè)。目前交通擁堵已成為城市運(yùn)行管理中的突出矛盾之一，許多城市制定了“單雙日限行”、“限電禁摩”等限制性交通政策，并提出了公交優(yōu)先的發(fā)展戰(zhàn)略，作為城市主動脈的公交系統(tǒng)將承擔(dān)起緩解交通壓力的重?fù)?dān)。公交優(yōu)先指市內(nèi)客運(yùn)交通以大容量、快速度的大公交系統(tǒng)（包含公交車、出租車、地鐵、輕軌）為主，以其他交通工具為輔。2010年8月課題組在福州市對公交環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查表明：福州市在公交優(yōu)先方面給予了充分的政策支持、加大了財政扶持力度、加強(qiáng)了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、改善了公交技術(shù)裝備。但是，公交出行和私家車、電動摩托車之間依然產(chǎn)生了劇烈的競爭。調(diào)查認(rèn)為，部分公交乘客消費(fèi)體驗(yàn)不理想，在消費(fèi)決策心理上不能做到“公交優(yōu)先”［1］。課題組從消費(fèi)者決策心理分析入手，設(shè)計了一個公交車換乘短信查詢平臺，服務(wù)于高校師生，為師生公交出行提供了參考方案，運(yùn)行已1年，使用效果良好。

1 公交乘客消費(fèi)決策心理分析

課題組于2011年6月份對福建農(nóng)林大學(xué)師生做了公交問卷調(diào)查，發(fā)放400份，回收有效問卷311份，其中有260位學(xué)生及51位青年教師填寫了有效問卷。列舉幾項(xiàng)數(shù)據(jù)見表1。調(diào)查表明了消費(fèi)者從心理上對時間、費(fèi)用、舒適感考慮的權(quán)重不同，因而影響了最終的消費(fèi)決策［2］。表1中的第6項(xiàng)虛構(gòu)了50 min內(nèi)要從福建農(nóng)林大學(xué)至福州市火車站的情景：① 36.3%的乘客選擇“尋找出租車并全程乘坐出租車”，這一方案早午晚三次實(shí)測平均費(fèi)用38元，時間約35 min，但是存在等不到出租車的風(fēng)險；② 35.4%的乘客選擇“公交和出租車混合方式出行”，利用公交車進(jìn)入市區(qū)出租車較多的區(qū)域，再換乘出租車，三次實(shí)測平均費(fèi)用27元，時間約42 min；③ 11.6%的乘客選擇“電話招喚出租車”，三次實(shí)測平均費(fèi)用41元，時間約32 min；④ 16.7%的乘客選擇“全程乘坐公交車”，三次實(shí)測平均費(fèi)用1元，時間約62 min。以上時間包含了等車時長、尋車時長。

表1 調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical Results

分析可知，多數(shù)青年師生在消費(fèi)決策時有其共同點(diǎn)［3］，消費(fèi)心理表現(xiàn)如下：在出行中求實(shí)惠，希望在不誤事的前提下，盡可能地利用公交車出行。如果發(fā)現(xiàn)一次乘車距離不足2站，愿意用步行或自行車代替短距離的乘車。通過測量，2站距離在大學(xué)周邊約1 km，在商業(yè)區(qū)約800 m，在住宅區(qū)約600 m。青年師生喜歡把步行階段安排在混合出行的開始或結(jié)束階段，這樣有時可用自行車代步。但是本次調(diào)查也發(fā)現(xiàn)一部分師生在消費(fèi)決策中有自己的獨(dú)特考慮，表現(xiàn)出具有個性特點(diǎn)的消費(fèi)偏好。有些乘客寧可多花些時間，也要選擇座位寬松的公交線路，而有些乘客喜歡公交車、出租車混合出行［4］。

2 換乘算法的研究

系統(tǒng)將為乘客提供3套具有代表性的方案：① 為消費(fèi)者個性需求定制的特殊方案，盡可能改善其消費(fèi)體驗(yàn)，促進(jìn)其在心理上能形成“公交優(yōu)先”消費(fèi)習(xí)慣。② 提供滿足大眾化消費(fèi)心理需求的方案，在多次換乘時盡可能安排第1次乘車線路在2站以內(nèi)，鼓勵乘客用步行或自行車的綠色方式代替第1次乘車。③ 假設(shè)乘客出行時間不充裕，為乘客提供快速方案，從起點(diǎn)向終點(diǎn)方向搜索出租車熱點(diǎn)區(qū)域，提示乘客可在該區(qū)域換乘出租車，并提供呼車熱線電話。該方案是純公交出行、純出租車出行的折衷方案。

2.1 基本樹形搜索算法

課題組參照樹遍歷的原理，設(shè)計了一種智能算法［5］。以經(jīng)過起點(diǎn)的公交線路為根，以經(jīng)過根的線路為枝。同一路車的上行、下行視為不同線路，只考慮正在運(yùn)營的線路，每條線路僅允許在樹中出現(xiàn)一次，遍歷樹以尋找換乘解。從理論上，該方法能夠求出各種換乘次數(shù)的所有解，但是考慮到公交乘客心理特點(diǎn)，應(yīng)控制換乘次數(shù)，所以構(gòu)建樹時對枝的層數(shù)做出限制。經(jīng)調(diào)查有91.3%的青年師生在消費(fèi)決策過程中，認(rèn)為換乘次數(shù)超過2 次的換乘方案不能接受，將優(yōu)先采用出租車、步行及公交車混合出行的方式。所以在樹形搜索算法中最多遍歷2 層的枝即可，樹的規(guī)模受到了限制，也有利于提高算法響應(yīng)時間。見圖1所示，搜索從“三中”至“上渡”的公交換乘方案，首尾相聯(lián)的箭頭表明遍歷過程，在樹中出現(xiàn)幾個與終點(diǎn)同名的節(jié)點(diǎn)，即獲得幾種換乘方案，取其換乘次數(shù)最少且換乘次數(shù)相同時站點(diǎn)數(shù)最少的解法，即為最優(yōu)解。

圖1 樹狀遍歷算法Fig.1 Tree-model algorithm

2.2 權(quán)重改良的樹形搜索算法

在樹形搜索算法中加入權(quán)重影響因子［6］，設(shè)置方法見表2。引入權(quán)重后，樹形搜索算法就演變成能夠滿足乘客消費(fèi)偏好的定制算法。其中“座位寬松”的評優(yōu)函數(shù)如公式（1）所示，此時乘客獲得座位的概率最大。

式中：z為座位寬松評價指標(biāo)；Ui為站點(diǎn)i的上車人數(shù)；Di為站點(diǎn)i的下車人數(shù)；m為站點(diǎn)總數(shù)；s為該公交車提供的座位數(shù)。

本算法是一種計算動態(tài)數(shù)據(jù)的算法，根據(jù)公交車的GPS數(shù)據(jù)判斷線路是否正在運(yùn)營，由正在運(yùn)營的線路來構(gòu)建樹，所以算法獲得換乘方案是可以實(shí)現(xiàn)的。而其它同類換乘查詢系統(tǒng)提供的換乘算法通常是靜態(tài)的算法，即乘客在夜間發(fā)出查詢時，卻可能獲得白天才可實(shí)現(xiàn)的換乘方案，將會影響乘客出行。

圖2 同心圓算法Fig.2 The concentric circle algorithm

2.3 同心圓搜索算法

調(diào)查表明大多數(shù)青年師生在第1 次乘車僅有2 站時，愿意用步行或自行車代替短距離的乘車。因此系統(tǒng)針對大多數(shù)人的需求，設(shè)計了同心圓搜索算法。如圖2所示。搜索算法解釋如下：在不能從起點(diǎn)直達(dá)終點(diǎn)的時候，從起點(diǎn)搜索所有線路中相鄰一圈站點(diǎn)，考察這些站點(diǎn)是否有線路可達(dá)終點(diǎn)。如果失敗，則擴(kuò)大一圈再逐點(diǎn)考察。例如，在圖2中先逐個考察A，B，C，D是否有線路能達(dá)到終點(diǎn)，然后再考察E，F(xiàn)，G，H，起點(diǎn)至換乘點(diǎn)的交通距離必須控制在1km以內(nèi)。

將同心圓考察方法加入樹形搜索算法中，按圖3流程工作。最后獲得的換乘方案的特點(diǎn)如下：該算法首先考慮換乘次數(shù)n最少優(yōu)先；在必須多次換乘時，考慮第1次乘車站點(diǎn)在2站以內(nèi)優(yōu)先。

圖3 同心圓搜索算法流程圖Fig.3 Flowchart of the concentric circle algorithm

3 短信平臺的建設(shè)

大多數(shù)青年師生認(rèn)為通過手機(jī)免費(fèi)查詢換乘方案是最便捷的查詢方式，但是目前手機(jī)型號繁多，操作系統(tǒng)雜亂，無法編寫一種手機(jī)軟件就能在所有手機(jī)上良好運(yùn)行［7］。目前各種型號的手機(jī)都能完美支持超長短信功能，因此系統(tǒng)選擇短信平臺的開發(fā)模式，采用超長短信技術(shù)向乘客發(fā)送換乘方案。系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。公交總公司由多臺服務(wù)器構(gòu)成計算云，接收并處理公交車實(shí)時發(fā)來的GPS信息，獲知各線路的運(yùn)營狀態(tài)、站間距離、站間時間，為搜索算法提供動態(tài)數(shù)據(jù)。計算云集中受理消費(fèi)者發(fā)出換乘查詢請求，運(yùn)行搜索算法，向消費(fèi)者提供最優(yōu)的公交換乘方案。在云計算的支持下，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)硬件無關(guān)性，即使手機(jī)CPU計算能力很弱也能夠快速獲得換乘方案［8］。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.4 System architecture

系統(tǒng)在試運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)，許多乘客不知起點(diǎn)、終點(diǎn)對應(yīng)的公交站點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)名稱。如果在收到查詢請求后，臨時在GIS地圖中模糊尋找起點(diǎn)、終點(diǎn)匹配的公交車站［9］，在測試機(jī)上約耗時3.7 s，CPU、內(nèi)存負(fù)擔(dān)重，求解效率低。因此編寫程序，從GIS中導(dǎo)出每個地點(diǎn)最近的4個公交站點(diǎn)生成“車站匹配表”。并對地名字段建立索引［10］。從此系統(tǒng)可脫離GIS 地圖檢索地名，檢索耗時約0.05 s。為了記錄公交乘客個體消費(fèi)偏好，對任何新出現(xiàn)的手機(jī)號，系統(tǒng)發(fā)送1條調(diào)查短信，調(diào)查內(nèi)容見表1的第3項(xiàng)，當(dāng)乘客做出選擇后，將選擇結(jié)果存入“消費(fèi)偏好表”，為制定個性方案提供了依據(jù)。為了優(yōu)化公交車與出租車混合出行的方案，課題組在市區(qū)調(diào)查了25個最容易招呼到出租車的地點(diǎn)，存儲在“出租車熱點(diǎn)表”，為制定快速方案提供了依據(jù)。

短信平臺的開發(fā)過程詳見文獻(xiàn)［11］，該文獻(xiàn)介紹了短信平臺的軟硬件及工作流程。超長短信的開發(fā)詳見文獻(xiàn)［12］，該文獻(xiàn)提供超長短信的編碼與解碼。車載GPS 端的開發(fā)詳見文獻(xiàn)［13］，該文獻(xiàn)介紹車載GPS端的結(jié)構(gòu)、電路及GPRS通訊方式［14］。這些模塊均由本課題組開發(fā)，技術(shù)較為成熟，皆以投入商用。

4 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

課題組于2011年7月在實(shí)驗(yàn)室架設(shè)了換乘查詢短信平臺，24小時工作。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中無法獲得公交車實(shí)時GPS數(shù)據(jù)，因此準(zhǔn)備了3套公交車線路數(shù)據(jù)，分別是7：00至19：00，19：00至22：00，22：00至7：00的公交車通暢狀態(tài)表，按時間切換，避免查詢者獲得的換乘方案不能使用。對師生發(fā)放宣傳卡片1500份，說明這是學(xué)校建設(shè)的一個公益性免費(fèi)平臺，介紹操作方法。師生很積極的參加系統(tǒng)測試，在寒暑假的出行高峰期，系統(tǒng)自動受理了最高達(dá)287條/日的查詢請求。

例如收到內(nèi)容為“天豐電子城#森林公園”的查詢短信，系統(tǒng)按如下流程工作：① 接收并解析短信，按“起點(diǎn)（任意分隔符）終點(diǎn)”的格式，取出起止地點(diǎn)；② 模糊匹配起點(diǎn)、終點(diǎn)對應(yīng)的公交站；③ 檢索消費(fèi)偏好，制定個性方案；④ 采用同心圓搜索算法，制定推薦方案；⑤ 制定快速方案，在搜索個性方案過程中，會獲得一批待選方案，從中尋找一次乘車且10站以內(nèi)到達(dá)出租車熱點(diǎn)區(qū)域的方案；⑥ 構(gòu)建超長短信，通過GPRS MODEM向查詢者發(fā)送短信，內(nèi)容如下：天豐電子城在“打鐵垱站”附近，森林公園在“森林公園站”附近。個性方案：從“打鐵垱站”乘“51路”至“五四路口站”共6站，換乘“72路”至“森林公園站”共13站，此方案座位較寬松；推薦方案：從“打鐵垱站”乘“37路”至“兒童公園路站”共2站，換乘“54路”至“森林公園站”共21站，您也可步行至換乘點(diǎn)；快速方案：從“打鐵垱站”乘“2路”至“外貿(mào)中心酒店站”共10站，此處出租車較多，可換乘出租車，出租車招呼熱線電話968968。

系統(tǒng)選用3臺舊計算機(jī)（單核CPU主頻1.60 GHz、2 G內(nèi)存）組成一個簡單的云計算中心。接收并解析查詢短信耗時0.13 s，系統(tǒng)隨機(jī)選擇一臺計算機(jī)承擔(dān)該短信的解析和計算，獲得3種方案耗時1.86 s，發(fā)送超長短信耗時17.21 s，即用戶發(fā)送查詢短信后，約20 s后能收到系統(tǒng)回應(yīng)。日后如果客戶群增加，計算量增大，只須向云計算中心掛入新的計算機(jī)即可，計算耗時不會因?yàn)榭蛻羧巳涸鲩L而增大，這是云計算架構(gòu)的優(yōu)勢之一。短信平臺Sim卡選擇短信0.03 元/條資費(fèi)的公安金盾卡，每次回復(fù)信息長度通常在250字以內(nèi)，采用基于GPRS MODEM 短信技術(shù)費(fèi)用為0.12 元/次。如果采用網(wǎng)關(guān)短信技術(shù)后，回應(yīng)時間可縮短至2.5 s，但是運(yùn)營成本提高到0.24元/次。兩種短信技術(shù)，可根據(jù)實(shí)際需要加以選擇。青年師生通常使用校園套餐，每月獲贈300條免費(fèi)短信，所以查詢費(fèi)用為0。

5 結(jié)論

優(yōu)先發(fā)展城市公交是貫徹科學(xué)發(fā)展觀，建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的重要舉措，是提高交通資源利用率的有效手段，也是改善城市環(huán)境，提高城市競爭力，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展的必然要求。然而要徹底地實(shí)現(xiàn)“公交優(yōu)先”，不僅僅是加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施軟硬件的建設(shè)，還需要對乘客消費(fèi)心理給予足夠的重視［15］。只有讓消費(fèi)者產(chǎn)生良好的消費(fèi)體驗(yàn)，才能夠在消費(fèi)者內(nèi)心真正樹立“公交優(yōu)先”消費(fèi)決策理念。在此認(rèn)識的基礎(chǔ)上，課題組設(shè)計了3種換乘搜索算法，3種算法優(yōu)缺點(diǎn)見表3。

表3 算法優(yōu)缺點(diǎn)對比表Tab.3 Algorithm comparisons of advantages and disadvantages

其中“經(jīng)過權(quán)重改良的樹形搜索算法”滿足了乘客在消費(fèi)決策中產(chǎn)生的個性化偏好，有助于乘客對公交系統(tǒng)產(chǎn)生更多的好感。而“同心圓搜索算法”則試圖從觀念上引導(dǎo)消費(fèi)者形成更加綠色健康的混合出行習(xí)慣。如果“同心圓搜索算法”算法能全面推廣，影響到每一位乘客消費(fèi)決策，能將一定范圍（500 m至1 km半徑［16］）的乘客吸引到個別公交線路較多的優(yōu)質(zhì)站點(diǎn)，提高這些站點(diǎn)客流量，從而發(fā)展成為公交換乘樞紐［17］。這些換乘樞紐形成后，可升級采用更高效率的大型公交車，提高運(yùn)輸效率，減少排放，促進(jìn)公交網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。還能促進(jìn)在優(yōu)質(zhì)站點(diǎn)周邊形成更大規(guī)模的自行車存放服務(wù)點(diǎn)，使自行車、公交混合出行更加方便，能減少校園、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)內(nèi)的汽車通行量［18］，降低生活空間的污染，減少居民區(qū)事故隱患，提高市民生活質(zhì)量［19-20］。

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