聚類分析法在公交網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

李冬梅，陳軍霞

（河北科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北石家莊 050018）

聚類分析法在公交網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

李冬梅，陳軍霞

（河北科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北石家莊 050018）

依據(jù)公交網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整的原則，提出了分別用于交通分區(qū)公交線網(wǎng)和公交線路的聚類指標(biāo)，應(yīng)用聚類分析法對(duì)城市公交網(wǎng)絡(luò)和單條公交線路的特征進(jìn)行了分析、評(píng)價(jià)，歸納出了各類線路的特征，分析了不合理線路及其原因。在此基礎(chǔ)上，提出了現(xiàn)有公交線網(wǎng)的改進(jìn)措施。

公交網(wǎng)絡(luò)；聚類分析；聚類指標(biāo)

在城市公交規(guī)劃的制定過程中，公交網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化調(diào)整是一項(xiàng)重要工作，以成本低、效率高、見效快為原則，許多學(xué)者從不同角度對(duì)其進(jìn)行了研究［1－4］。若對(duì)公交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，就必須了解城市各個(gè)區(qū)域的公交網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平和服務(wù)狀況。對(duì)于每一個(gè)交通分區(qū)來說，只有掌握了該交通分區(qū)的公交網(wǎng)絡(luò)的空間分布，才能制定出有針對(duì)性的公交網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整和發(fā)展對(duì)策。對(duì)于每一條公交線路來說，只有了解該線路的狀態(tài)和特征，才能提出具有針對(duì)性的線路調(diào)整和優(yōu)化策略。

聚類分析法是統(tǒng)計(jì)學(xué)的一個(gè)分支，是按照性質(zhì)、特征上的相似程度和親疏關(guān)系對(duì)一批樣本或變量進(jìn)行分類。筆者應(yīng)用聚類分析法對(duì)城市交通區(qū)公交服務(wù)水平及公交線路的狀態(tài)和特征進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1 聚類指標(biāo)的確定

所選取的聚類指標(biāo)應(yīng)能夠客觀、全面地反映公交網(wǎng)絡(luò)各方面的本質(zhì)特征。所選的全部指標(biāo)應(yīng)能夠評(píng)價(jià)出公交網(wǎng)絡(luò)的功能、結(jié)構(gòu)及適應(yīng)性特征，也能夠反映交通需求、客流量等方面的信息，指標(biāo)體系應(yīng)具有較強(qiáng)的綜合性。聚類指標(biāo)并不是越多越好，要考慮各個(gè)指標(biāo)能否量化，能否容易獲得可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，指標(biāo)體系應(yīng)具可有操作性。根據(jù)以上原則，筆者分別確定了用于交通區(qū)評(píng)價(jià)和單條線路評(píng)價(jià)的聚類指標(biāo)，各指標(biāo)的定義及其計(jì)算公式如下所述。

1.1 交通區(qū)公交網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1.1 公交供給指標(biāo)

1）公交線網(wǎng)密度 公交線網(wǎng)密度是衡量公交線網(wǎng)的一個(gè)重要指標(biāo)，可用式（1）表示：

式中：D為公交線網(wǎng)密度（km／km2）；Lz為公交線路經(jīng)過的道路中心線總長度（km）；S1為有公交服務(wù)的城區(qū)面積（km2）。該指標(biāo)的大小反映居民接近線網(wǎng)的程度，一般情況下，在市中心區(qū)域客流量較大處可以適當(dāng)增加，市邊緣地帶客流密度較低，可適當(dāng)減小。

式中：γR為線網(wǎng)R的車站服務(wù)面積率（公交站點(diǎn)覆蓋率）；SR為線網(wǎng)R的公交車站服務(wù)面積（km2）；S為城市的用地面積（km2）。

3）公交分區(qū)的可達(dá)性 可達(dá)性是衡量線網(wǎng)服務(wù)效率的重要指標(biāo)，表征公交網(wǎng)絡(luò)中某一分區(qū)往來其他分區(qū)的難易程度。

式中：Ai為分區(qū)i的可達(dá)性指標(biāo)，如果分區(qū)i有公交車直達(dá)分區(qū)j，則Aij＝1，否則Aij＝0；M為分區(qū)總數(shù)，該指標(biāo)可統(tǒng)計(jì)從某一分區(qū)乘坐公交可以直達(dá)的分區(qū)總數(shù)，表征從該分區(qū)乘坐公交到其余分區(qū)便利的程度。

4）線路重復(fù)系數(shù) 在交通區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取上，以往的研究未考慮線路重復(fù)系數(shù)，在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中加上這個(gè)指標(biāo)，才能更全面、更合理地對(duì)交通區(qū)的公交網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：α為線路重復(fù)系數(shù)；Li為第i條線路的長度；N為線路總條數(shù)；L′為有公交線路的道路總長。線路重復(fù)系數(shù)反映公交線路分布的均勻性和公交站點(diǎn)的?？磕芰?，該指標(biāo)的取值為1.25～2.5比較適宜。

1.1.2 公交需求指標(biāo)

第二，政策制定和執(zhí)行的需要。中國兒童福利的研究從一開始就是政策導(dǎo)向的，密切關(guān)注困境兒童面臨的生存困境和急需解決的問題。政策制定和執(zhí)行都需要建立在一個(gè)科學(xué)的、被普遍接受的概念體系之上。中國兒童福利制度的發(fā)展，需要對(duì)兒童面對(duì)的困難和問題做出政策回應(yīng)。急需建立科學(xué)的和可操作的概念體系。隨著納入政策視野的兒童問題越來越多，困境兒童概念的外延有可能擴(kuò)展。

交通區(qū)人口密度（萬人／km2）是衡量公交需求的指標(biāo)。交通區(qū)人口密度越高，反映該區(qū)域公交出行的需求也越高。

1.2 公交線路評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2.1 線路的物理狀態(tài)指標(biāo)

1）線路長度 某一條線路的實(shí)際運(yùn)營長度（km）。

2）線路的非直線系數(shù) 線路的非直線系數(shù)為公交線路的首末站之間實(shí)地距離與空間直線距離的比值。非直線系數(shù)表征了該線路曲折的程度。該系數(shù)過大，增加了乘客出行時(shí)間，公交車的頻繁轉(zhuǎn)彎給路口交通管理也加大了難度。另一方面，公交線路的走向受道路實(shí)際狀況的制約，始終直線行駛也比較困難，在線網(wǎng)密度低的區(qū)域筆直線路對(duì)乘客也不利，因此根據(jù)GB 50220—95《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，線路的非直線系數(shù)為1.2～1.3較好，最大不宜超過1.4。

1.2.2 線路的流量狀態(tài)指標(biāo)

1）日均客流量 某條線路上平均每天運(yùn)送的乘客數(shù)量（萬人／日），客流量愈大，則說明該線路的效益愈好。

2）線路的平均滿載率 滿載率為車輛的實(shí)際載客量與其額定載客量的比值，線路的平均滿載率是指線路在一天當(dāng)中各時(shí)段滿載率的平均值。

1.2.3 線路的效益指標(biāo)

以往的研究未考慮公交企業(yè)和線路的效益情況，公交企業(yè)在實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的同時(shí)，也要獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于單條線路來說，也要盡量提高其經(jīng)濟(jì)效益。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中加上反映公交線路效益情況的這個(gè)指標(biāo)，才能更全面、更合理地對(duì)公交線路的運(yùn)營狀況和服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。在這里，筆者把線路的效益指標(biāo)定義為該線路每日產(chǎn)生的客運(yùn)量與該線路每日投入的總行車?yán)锍痰谋戎怠?/p>

式中：ri為第i條線路的效益指數(shù)；Qi為第i條線路的日客運(yùn)量（萬人／日）；Ni為第i條線路的每日發(fā)車車次數(shù)（車次／日）；Li為第i條線路的長度（km）。

2 聚類分析法

聚類分析法能夠根據(jù)在性質(zhì)和特征上的親疏和相似程度，將樣本或變量自動(dòng)分類，類內(nèi)個(gè)體在性質(zhì)和特征上表現(xiàn)出較強(qiáng)的相似性，而不同類別間的個(gè)體在性質(zhì)和特征上有較大的差異性［5］。

系統(tǒng)聚類法是比較常用的一種聚類方法［6］。其基本的分類思路是：首先將每個(gè)樣本各自形成一類，規(guī)定樣本之間的聚類統(tǒng)計(jì)量（可稱為距離），并規(guī)定類間距離。然后計(jì)算并比較各個(gè)類別之間的距離，把類間距離最小的2類合并成新的1類。再次計(jì)算并比較新的各類間的距離，再把類間距離最小的2類合并。重復(fù)上述計(jì)算、比較、合并的過程，每次減少1個(gè)類別，直到所有樣本都聚在一起，成為1大類為止。一般在實(shí)際應(yīng)用中，可結(jié)合所研究問題的實(shí)際情況設(shè)置閾值，以便確定類別的個(gè)數(shù)。

應(yīng)用最短距離方法，選定歐氏距離作為類間距離，其計(jì)算公式為

式中：dij為第i類交通分區(qū)（或公交線路）與第j類交通分區(qū)（或公交線路）之間的歐氏距離；xik為第i類交通分區(qū)（或公交線路）的第k個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值；yjk為第j類交通分區(qū)（或公交線路）的第k個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值。

對(duì)于交通分區(qū)，k＝1，2，3，4，5分別對(duì)應(yīng)第i類交通分區(qū)的5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于公交線路，k＝1，2，3，4，5分別對(duì)應(yīng)第i類線路的5項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

對(duì)于交通分區(qū)，通過聚類計(jì)算，可得到交通分區(qū)聚類圖與交通分區(qū)的分類結(jié)果。通過對(duì)聚類結(jié)果的分析，可以歸納出各類別的交通分區(qū)所具有的屬性和特征；對(duì)公交線路來說，通過聚類計(jì)算，可以得到所有線路的分類結(jié)果，據(jù)此可以歸納出各類線路的主要特征，進(jìn)而掌握公交線路的現(xiàn)狀。

3 實(shí)例研究

某城市市區(qū)現(xiàn)有公交線路75條，線路總里程為858.8km，現(xiàn)用聚類分析法對(duì)這75條線路進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于公交線路的幾個(gè)指標(biāo)的取值相差很大，首先要對(duì)各條線路的各個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。筆者采用以下方法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。首先從數(shù)據(jù)矩陣的每個(gè)變量中找出其最大值和最小值，這兩者之差稱為極差，然后從每個(gè)原始數(shù)據(jù)中減去該變量中的最小值，再除以極差，就得到標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)。設(shè)原始數(shù)據(jù)為xij，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)為x′ij，則有

式中：i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m。

經(jīng)過變換后，將每列的最大數(shù)據(jù)變?yōu)?，最小數(shù)據(jù)變?yōu)?，其余數(shù)據(jù)取值為0～1。計(jì)算得到現(xiàn)有75條線路標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)矩陣后，對(duì)這些線路進(jìn)行聚類分析，共分為5類，根據(jù)聚類分析結(jié)果進(jìn)行各類線路的特征分析，各類特征的分析結(jié)果見表1。

表1 聚類和特征分析的結(jié)果Tab.1 Result of cluster and character analysis

根據(jù)表1可以確定需要優(yōu)化調(diào)整的線路，對(duì)這些線路進(jìn)行優(yōu)化，以提高公交線網(wǎng)的運(yùn)營水平。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)對(duì)該市公交線路的聚類分析和對(duì)線路的特征分析，提出以下改進(jìn)措施。

1）對(duì)第4類和第5類線路基本保持不變；

2）對(duì)于第1類線路，客流指標(biāo)、效益指標(biāo)較合理，但線路物理指標(biāo)不太合理，則可以考慮起點(diǎn)和終點(diǎn)保持不變，調(diào)整線路走向，并盡量經(jīng)過公交樞紐，以便改善線路物理指標(biāo)；

3）對(duì)于第2類線路，物理指標(biāo)基本合理，但客流指標(biāo)、效益指標(biāo)不夠理想，則可以考慮延長線路或適當(dāng)調(diào)整線路走向，以提高這些線路的客流指標(biāo)和效益指標(biāo)；

4）對(duì)于第3類線路，物理指標(biāo)、客流指標(biāo)和效益指標(biāo)都不合理，則可以考慮將其刪除或用新線來代替；

5）對(duì)部分線路可適當(dāng)延長，使之能夠進(jìn)入公交服務(wù)薄弱的區(qū)域，提高公交服務(wù)水平；

6）對(duì)于在公交走廊上運(yùn)行的線路，在不影響主要客流的情況下，可把部分線路平移至與該走廊平行的道路上，以減少該走廊上的重復(fù)線路；

7）添加新線路，以改進(jìn)線網(wǎng)的薄弱區(qū)域，改善公交服務(wù)水平。

5 結(jié) 語

對(duì)公交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià)是公交網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的重要一環(huán)。筆者提出了分別用于交通分區(qū)公交線網(wǎng)和公交線路的聚類指標(biāo)，提出應(yīng)用聚類分析方法對(duì)城市交通分區(qū)和單條公交線路的特征進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)。筆者應(yīng)用該方法對(duì)某城市的公交線網(wǎng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)分析結(jié)果，提出了現(xiàn)有公交網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)措施。

［1］ 胡啟洲，鄧 衛(wèi)，田新現(xiàn).基于四維消耗的公交線網(wǎng)優(yōu)化模型及蟻群算法［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）（Journal of Southeast University（Natural Science Edition）），2008，38（2）：304－308.

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Application of cluster analysis in evaluation of public traffic network

LI Dong－mei，CHEN Jun－xia
（College of Economical and Management，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

According to the feature of bus line network optimization and adjustment，the cluster evaluation indexes for public traffic network in traffic regions and each bus line are established respectively.Then the features of the public traffic network and each bus line are analyzed by using cluster method.The features of various kinds of lines are summarized，and the unreasonable lines and their causes are determined.Based on this，the measures to improve the existing public traffic network are suggested.

public traffic network；cluster analysis；cluster index

U491.1＋3

A

1008－1542（2012）03－0279－04

2011－11－12；責(zé)任編輯：張 軍

石家莊市科技局資助項(xiàng)目（05579265A）

李冬梅（1963－），女，河北香河人，教授，博士，主要從事系統(tǒng)工程理論與應(yīng)用、信息管理方面的研究。