基于最大熵分析的西安地鐵換乘系統(tǒng)優(yōu)化研究

【摘 要】 隨著西安發(fā)展，在打造國(guó)際化大都市的進(jìn)程中，原有的交通組織形式已經(jīng)不能適應(yīng)西安發(fā)展。本文主要從基于調(diào)查分析和最大熵的數(shù)據(jù)圖表，調(diào)整出優(yōu)化配置換乘方式的布局，為西安市城市交通的發(fā)展提供合理建議。

【關(guān)鍵詞】 ： 地鐵換乘 優(yōu)化 最大熵

【作者單位】： 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院在讀學(xué)生。

【文章快照】根據(jù)最大熵原理將數(shù)據(jù)代入Mathlab，得出換乘的優(yōu)化方案及乘客配比，以為西安市城市交通的發(fā)展提供合理建議。

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西安城市面貌正在發(fā)生日新月異的變化，經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)入了加速發(fā)展、加速提升的新階段。城市交通面對(duì)城市人流量快速增大的現(xiàn)狀，必須適時(shí)提供科學(xué)、合理的解決方案。交通猶如人體血管，關(guān)系著城市興亡發(fā)展，隨著西安發(fā)展，在打造國(guó)際化大都市的進(jìn)程中，原有的交通組織形式已經(jīng)不能適應(yīng)西安發(fā)展。軌道交通的出現(xiàn)是發(fā)展的必然結(jié)果。

2011年9月16日，西安地鐵 2 號(hào)線通車試運(yùn)營(yíng)。 要充分發(fā)揮軌道交通大運(yùn)量、高效率、低碳節(jié)能的作用，就需要處理好其與地面交通的換乘問題，保證充分有效地利用原有交通架構(gòu)，節(jié)約市民換乘的時(shí)間和體力。[1]本論文中，通過實(shí)地調(diào)研、約談等方式就換乘的基本問題進(jìn)行田野調(diào)查，在詳細(xì)調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)內(nèi)外城市軌道交通發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采取最大熵原理建模，模擬出西安地鐵四種換乘方式換乘優(yōu)化比，得出四種換乘方式的配備比，以為西安市城市交通的發(fā)展提供合理建議。

在研究過程中，我們逐步發(fā)現(xiàn)了四種公共換乘方式之間的有機(jī)聯(lián)系，這四種方式針對(duì)的是不同需要的市民，存在一定的正向干擾和聯(lián)系?？紤]到這種相互交織的聯(lián)系正是換乘系統(tǒng)中最重要的因素，在用最大熵原理建模的基礎(chǔ)上，從技術(shù)角度分析了四種換乘方式的配比，考慮到人的舒適度和滿意度，更從宏觀交通組織的角度考慮到實(shí)際換乘中所亟待改進(jìn)的方案。

1 地鐵換乘特征分析

地鐵本身的運(yùn)載能力和效率很高。但地鐵建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本很高，線路的特定和局限，使地鐵不可能滲透到城市各個(gè)角落。故而高運(yùn)量、高效率的地鐵需要依靠地面交通將城市各個(gè)方向的客流集中到地鐵站口和將出站口客流量及時(shí)分散至城市各個(gè)方向。地鐵與地面交通的換乘問題尤為突出。西安雖然只有一條 2號(hào)線，卻涵蓋了西安南北主要交通站點(diǎn)，承載量大，對(duì)地面換乘交通的要求也很高。

地鐵二號(hào)線北起未央?yún)^(qū)的西安火車北客站，南至位于雁塔區(qū)的西安曲江國(guó)際會(huì)展中心，與西安交通流量最大的主干道重合，站點(diǎn)聯(lián)系起南城的會(huì)展中心和北城的行政中心（均為人流聚集的城市中心區(qū)），分流了相當(dāng)多的人流。地鐵每車載客量 1480 多人，日均客流量 20萬人次，主要為公務(wù)員等。地鐵2號(hào)線與其他市內(nèi)交通的換乘方式有四種：常規(guī)公交、微公交、公共自行車和出租車。

1.1 常規(guī)公交

西安市常規(guī)公交共有 252 條線路，南北中軸線上與地鐵 2 號(hào)線全段重復(fù)一個(gè)站距以上的公交線路達(dá)114條，占將近一半，地鐵站點(diǎn)和公交站點(diǎn)的重合度相當(dāng)高。常規(guī)公交運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，最為市民所熟悉，也是交通換乘的首選。地鐵換乘和公交換乘之間的銜接將直接影響廣大出行的便利和舒適程度。目前為地鐵換乘的需要，西安市更改了 9085 塊公交站牌，距離地鐵出入口的公交站點(diǎn)均調(diào)整在 150 米以內(nèi)，并擴(kuò)建改造 12 個(gè)換乘站點(diǎn)以增加公交站點(diǎn)的候車能力和車輛安全停靠能力，保證道路正常通行。除了距離調(diào)整外，公交發(fā)車時(shí)間和間隔時(shí)間也會(huì)通過電子站牌來提醒市民。常規(guī)公交最大的優(yōu)勢(shì)在價(jià)格低廉，不足之處在于易堵車、路線迂回、行駛?cè)菀最嶔ぁ?/p>

1.2 微公交

微公交是指“微型公交”是指運(yùn)距短、票價(jià)低、車型小的公交車。微型公交運(yùn)距通常在十公里以內(nèi)，車型比目前常見的公交車要小，主要負(fù)責(zé)行駛到常規(guī)公交難以到達(dá)的交通盲區(qū)、街巷以及換乘中不易到達(dá)的居住或工作區(qū)。目前西安市有三條微公交：161，162 和163路，路線貫穿普通公交抵達(dá)不到的交通盲區(qū)，都跨越了行人不方便通過的立交橋，線路短、到站速度快，站點(diǎn)的設(shè)置也貼近市民需求，有兩條運(yùn)營(yíng)態(tài)勢(shì)良好。微公交目前與地鐵沒有有直接站點(diǎn)銜接，161、162 路與會(huì)展中心站較近，換乘偏重于公交乘客。如果要與地鐵站接駁，需要與公交站錯(cuò)開，避免地鐵出入口交通擁堵。

1.3 公共自行車

公共自行車在杭州市等城市投入運(yùn)營(yíng)后，以其網(wǎng)點(diǎn)密集、價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)解決了從交通干線到居住小區(qū)之前的“最后一公里”問題。2011 年 4 月，西安市投放了 800 輛公共自行車進(jìn)行試運(yùn)營(yíng)。西安自行車網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)呈南北走向，約 50%分布于地鐵2 號(hào)線路線上，是地鐵與目的地銜接的重要交通工具。[2]到 2012年4月，共 1500余名市民辦卡，相對(duì)西安800 萬人口而言，這個(gè)數(shù)目相當(dāng)小。使用率不高。研究中發(fā)現(xiàn)，公共自行車投放以來存在的主要問題包括：外地人口押金過高（700元），而網(wǎng)點(diǎn)過少，影響到使用者的數(shù)量；資金和維護(hù)成本高，資金回收渠道單一，回收周期長(zhǎng)，不利于商業(yè)上的激勵(lì)；投放點(diǎn)不均衡，導(dǎo)致出車后不知停放何處等。這都影響到了公共自行車的使用頻率和使用者數(shù)量。西安市計(jì)劃在2012 年年底前投入 1 萬輛公共自行車，增設(shè)自行車網(wǎng)點(diǎn)，除了硬件配備增強(qiáng)外，管理措施和資金回收上也需要有效調(diào)整。

1.4 出租車

西安出租車并不便宜，起步價(jià) 1元，每公里 1.5元。出租車具有靈活、方便、直達(dá)的特點(diǎn)，雖然不具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但成為關(guān)鍵時(shí)刻的首選。就地鐵 2號(hào)線而言，出租車的重要性和特殊性在于它不受停車場(chǎng)地和路線的限制，但到站后，乘客目的地一般已經(jīng)不遠(yuǎn)（乘車、走路、騎車時(shí)間差距不大），恐怕不會(huì)有太多人選這耗資較高的工具。在我們的調(diào)查中，四類的公共交通換乘關(guān)系和未來發(fā)展方向所示：為了與地鐵接駁，常規(guī)公交做了大幅度調(diào)整，與地鐵的銜接最多也最通暢；新出現(xiàn)的微公交只覆蓋了會(huì)展中心站偏南 6 公里的范圍；公共自行車以北城經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)為基礎(chǔ)，服務(wù)面積可覆蓋大約15平方公里范圍，后兩者遠(yuǎn)不能滿足城市建設(shè)的需要。常規(guī)公交和地鐵重合關(guān)系最多，聯(lián)系也最為緊密。微公交線路待將來網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后會(huì)分流乘客，但會(huì)造成地鐵出入口交通擁堵。 在地鐵站點(diǎn)短途換乘中， 公共自行車是最具優(yōu)勢(shì)的，不與機(jī)動(dòng)車搶道，停放和使用方式靈活，便于抵達(dá)多個(gè)街巷角落，不過管理和前期資金投入較大。

2 換乘受眾群體分析

乘客對(duì)交通換乘有直接的體驗(yàn)，對(duì)其中的問題也有最為切身、最直接的感受，而且乘客的身份、工作性質(zhì)、年齡、生活區(qū)段的不同，對(duì)換乘的要求也有差別。通過調(diào)查得知，地鐵2號(hào)線上最為擁堵的為末端站點(diǎn)——會(huì)展中心站。上下班的高峰期尤為擁堵，擁擠的車廂和長(zhǎng)隊(duì)候車的場(chǎng)景顯示出對(duì)交通換乘和替代交通的需求。

換乘受眾群體有下述特點(diǎn)，以中青年為主、公務(wù)員及大學(xué)生居多、近一半調(diào)查人群的目的地距換乘點(diǎn)在4公里以上。受眾群體年齡集中在 20—50歲，19 歲—30歲的人群最多。公務(wù)員（即國(guó)家機(jī)關(guān)、黨群組織群人的概括）、大學(xué)生群體最多，以南郊大學(xué)城的學(xué)生為主，大學(xué)生在“其他”類別中占到 80%，其它群體比例不大，平衡在 8%左右。換乘中大學(xué)生和公務(wù)員居多概因?yàn)椋菏紫?，行政中心北遷，北客站的開通使得西安進(jìn)入“北城時(shí)代”，因此地鐵二號(hào)線“行政中心站”成為重要的人流集散站，而前往或在此站上車的人群，多為公務(wù)員。其次，地鐵二號(hào)線已完成線路中，最南段始發(fā)站為“會(huì)展中心”站，開通后從一定程度上方便了南郊大學(xué)城大學(xué)生的出行，故大學(xué)生所占比例最大。

超過六成人群的換乘點(diǎn)距目的地的距離在1.5公里以上，參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，停靠站的服務(wù)半徑為1.5公里，那么60%以上的調(diào)查人士需要換乘，且有近50%調(diào)查人群的目的地距換乘點(diǎn)的距離是高于4 公里的。而通常情況下，公共自行車可解決 1—2 公里的換乘問題；2—4公里可采用微型公交進(jìn)行換乘；4公里以上可使用常規(guī)公交進(jìn)行換乘。出租車在應(yīng)急的情況下可解決城市內(nèi)任意距離的換乘。人群對(duì)于乘坐軌道交通所消耗時(shí)間的期望值集中在“10分鐘之內(nèi)”、“10分鐘—半個(gè)小時(shí)”兩個(gè)區(qū)間，但超過 65%的人實(shí)際消耗的時(shí)間在半個(gè)小時(shí)以上，甚至有 30%的人乘車時(shí)間超過 1 個(gè)小時(shí)，即超過常規(guī)軌道交通疲勞度最高時(shí)間，實(shí)際的換乘效率較低。（如圖1）

鑒于地鐵換乘過程中所存在的各癥結(jié)點(diǎn)，西安市有關(guān)部門采取了諸多方案調(diào)整優(yōu)化換乘，在原有換乘方式的基礎(chǔ)上，加入了公共自行車以及微型公交來緩解換乘壓力。97%的人群希望政府加大對(duì)新型換乘方式的扶持力度，反映了人群對(duì)于新型換乘方式的認(rèn)可度以及需求的迫切性。在現(xiàn)有情況下，微型公交只覆蓋了會(huì)展中心站偏南6公里的范圍；公共自行車以北城經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)為基礎(chǔ)，服務(wù)面積可覆蓋大約 15 平方公里范圍；兩種新型換乘方式服務(wù)半徑對(duì)于一座人口800萬的城市，遠(yuǎn)不能滿足其需求。故新型換乘方式還急需擴(kuò)展它的覆蓋范圍來滿足人群出行的需要。

公共自行車和微型公交在分布上呈現(xiàn)出明顯的地域特征，選擇公共自行車的多為“行政中心站”和“市圖站”的人群，選擇為微型公交的多為“會(huì)展中心站”的調(diào)查人群。過半的人群對(duì)新型換乘方式抱有好感，新型換乘方式的覆蓋范圍，影響人群對(duì)其的認(rèn)可度，成正比例關(guān)系：即覆蓋范圍越廣，服務(wù)人群越大，適用人群和普及度越高。對(duì)新型換乘方式的陌生，是不選擇該換乘方式的主要原因。新型換乘方式在調(diào)查人群中的觸及面雖達(dá)到 67%，但實(shí)質(zhì)上有52%的人群屬于點(diǎn)覆蓋，因此加大新型換乘方式的服務(wù)半徑、覆蓋面積，以及優(yōu)化各地鐵站換乘方式比例迫在眉睫。[3]

3 換乘系統(tǒng)優(yōu)化探索

3.1 設(shè)施服務(wù)因子分析

人群對(duì)地鐵換乘的最直接要求為換乘方式的多樣性。西安常規(guī)公交與出租車可以覆蓋所有地鐵換乘站。在基礎(chǔ)設(shè)施方面可以影響換乘的因素即為新型換乘方式的覆蓋范圍，微型公交的運(yùn)營(yíng)性質(zhì)在一定程度上決定了人們對(duì)其的偏好于選擇。西安現(xiàn)行的 3 路微型公交主要覆蓋了常規(guī)公交所不能觸及的公交盲點(diǎn)，規(guī)劃線路也偏向于背街小巷非主干道人口密集的社區(qū)、街道小區(qū)醫(yī)院、學(xué)校、市場(chǎng)等地方。而這些區(qū)域往往也是人群的高需求范圍。西安現(xiàn)行的地鐵換乘中不存在“0 距離”換乘點(diǎn)，因此各換乘點(diǎn)距地鐵出站的距離，會(huì)在一定程度上影響人群對(duì)不同換乘方式的選擇?；诔丝筒叫袚Q乘習(xí)慣性心理特征，換乘步行不應(yīng)超過100米，若能控制在 60米以內(nèi)，則屬于優(yōu)勢(shì)換乘方式。參照香港地鐵的要求， 在 1min內(nèi)完成換乘不會(huì)使乘客產(chǎn)生畏懼心理。按照一般人的步行速度， 結(jié)合車站內(nèi)的擁堵情況， 一般人可在1min內(nèi)走完100m 的距離。如能將換乘距離控制在60m以內(nèi)， 換乘時(shí)間是可以接受的。特別在通道換乘中采用快速電梯步道可大大加速人的流動(dòng)， 減少換乘時(shí)間。[4]

從心理習(xí)慣上可以理解調(diào)查群體最大限度追求最優(yōu)換乘效率的行為，但從理論上來講，微型公交的發(fā)車時(shí)間應(yīng)盡可能優(yōu)于常規(guī)公交。對(duì)比地鐵沿線常規(guī)公交如616路和600 路，發(fā)車時(shí)間在5 分鐘—15 分鐘，故微型公交的發(fā)車時(shí)間應(yīng)在 5 分鐘—20 分鐘內(nèi)浮動(dòng)。而公共自行車的數(shù)據(jù)顯示調(diào)查群體的選擇在 40 輛—100 輛區(qū)間內(nèi)保持平衡，基于不同換乘站點(diǎn)人流大小、社會(huì)群體構(gòu)成不盡相同，設(shè)置中應(yīng)視具體需求而定。

3.2 換乘關(guān)聯(lián)因子分析

常規(guī)公交較之出租車具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，故常規(guī)公交的普及程度最高。出租車在應(yīng)急方面具有其他類換乘方式所不具有的特點(diǎn)，所以所占比例也較重。

微型公交和公共自行車在西安的發(fā)展并不均衡，微型公交在南郊發(fā)展勢(shì)頭較好，公共自行車在北郊開發(fā)區(qū)發(fā)展勢(shì)頭不錯(cuò)，因此導(dǎo)致選擇這兩類換乘方式的人群分流。調(diào)查得知， 60%以上調(diào)查者換乘點(diǎn)距目的地距離在 1.5 公里以上，近 50%的調(diào)查者距離在 4 公里以上，需要常規(guī)公交或微公交換乘。出租車的頻率在這里并不具特殊性，一般去陌生地段和緊急情況下?lián)Q乘，對(duì)個(gè)體而言，一般不作為日常的交通工具。

參考國(guó)內(nèi)實(shí)例，1.5 公里以內(nèi)用公共自行車；1.5-4 公里的，經(jīng)由微公交換乘；4 公里以上的，由常規(guī)公交來運(yùn)載。也不排除1.5-4公里用公共自行車，及 4公里以上用微公交，取決于自行車投放點(diǎn)的配置和微公交路線的設(shè)置，以及發(fā)車周期和自行車數(shù)量等因素。[5]

總體而言，微公交和公共自行車之間存在一定的相互干擾；微公交和常規(guī)公交也存在干擾，出租車則與其他三類均有略微的干擾之處。

對(duì)乘客而言，影響因素最主要為交通工具的便利程度、速度和可達(dá)性，其次為價(jià)格和舒適程度，再次為安全、天氣和個(gè)人特殊要求等。從地鐵口出來之后，人們心理預(yù)期為 100米或50米以內(nèi)就有換乘的工具?？紤]到各個(gè)換乘點(diǎn)附近區(qū)域的性質(zhì)（商業(yè)區(qū)、行政辦公區(qū)、居住區(qū)、交通樞紐地段） ，在商業(yè)區(qū)和行政辦公區(qū)，微公交更為合適（站點(diǎn)設(shè)置明確，注重乘客乘坐的舒適度），居住區(qū)和交通樞紐地段，公共自行車可能更為便捷（方便臨時(shí)停車購物，不受堵車局限，可直接抵達(dá)房屋樓下）。[6]冬季，公共自行車使用效率會(huì)大為降低，建議設(shè)置冬季特供微公交，以滿足冬季行人出行需要。

微公交和公共自行車的安置數(shù)量及位置也需要特殊考慮。建議微公交站點(diǎn)與常規(guī)公交不在一條線上，或平行，或錯(cuò)開。建議微公交的車型、顏色與常規(guī)公交有明顯區(qū)別（鮮艷，活潑，親民，靈活、機(jī)動(dòng)） 。公共自行車應(yīng)能便捷地取用，停放。此外，應(yīng)鼓勵(lì)各單位提供單位車輛定點(diǎn)運(yùn)送職工或接送學(xué)生，以減輕公共交通的壓力，并保障集體安全。

最優(yōu)化的換乘方式配置比將最大限度的解決換乘難問題，并可以起到疏散城市交通流的作用，故建立起優(yōu)化換乘配置比是迫在眉睫的。

4 基于熵原理的模型檢驗(yàn)

采用數(shù)據(jù)建模的方式規(guī)整，并用最大熵原理[7][8]來分析四種換乘方式相互的制約關(guān)系和最佳配比?；谏鲜稣{(diào)查，為更好地促進(jìn)西安地鐵的運(yùn)行效率，我們期望從中找到地鐵換乘中公共自行車、微型公交、出租車、常規(guī)公交四類交通出行方式的合適比重。

5 結(jié)語

基于調(diào)查分析和最大熵的數(shù)據(jù)圖表，調(diào)整出優(yōu)化配置換乘方式的布局，首先，通過模型函數(shù)的建立與計(jì)算，提出各類換乘方式基礎(chǔ)的優(yōu)化配置比重為：27%、2%、54%、17%（常規(guī)公交、出租車、微型公交、公共自行車），其中微公交的需求人數(shù)最多，常規(guī)公交其次。也即從換乘點(diǎn)出來后，100個(gè)人中有54個(gè)人需要坐微公交，27個(gè)人需要坐常規(guī)公交，17個(gè)人需要乘公共自行車，2個(gè)人需要坐出租車。其次，考慮不同地鐵站周邊區(qū)域的屬性，如商業(yè)片區(qū)的特點(diǎn)為行人多，常規(guī)公交和出租車都不方便，此時(shí)微公交和公共自行車優(yōu)勢(shì)突出，應(yīng)多加設(shè)置。接著，微公交和常規(guī)公交線路需統(tǒng)一規(guī)劃，使兩種線路互不干擾，相互輔助，分工明確。如果一些線路，微公交可以完全承擔(dān)，建議在常規(guī)公交中取消，避免造成對(duì)乘客的干擾和不必要的競(jìng)爭(zhēng)。在已有的線路基礎(chǔ)上，增開的線路也需要照顧到民生民情，最好能深入居住區(qū)和各類商業(yè)、辦公區(qū)域的具體樓層下。同時(shí)，微公交的車型和顏色都可以更為活潑、親切，讓人頓生親近之感，與嚴(yán)肅的常規(guī)公交風(fēng)貌截然不同，這樣，微公交的優(yōu)勢(shì)可以充分體現(xiàn)。然后，公共自行車的換乘，最大的困難來自管理程序復(fù)雜，資金的缺口過大。應(yīng)根據(jù)西安市的實(shí)際情況，通過私人自行車和公共自行車之間的統(tǒng)籌安排，用不過度依賴技術(shù)的手段鼓勵(lì)和方便市民取用。包括用專用車牌號(hào)來規(guī)定公共自行車，不一定要在公共自行車停放站點(diǎn)停放，轉(zhuǎn)變時(shí)間計(jì)算方式，在騎完后立刻自動(dòng)可以算出使用時(shí)間，不需要專門到停放站點(diǎn)才能算時(shí)間扣費(fèi)。公共自行車的停放和使用更為靈活，也會(huì)增加使用效率和換乘效率。最后，鑒于新型換乘方式具有良好的發(fā)展前景，且具有綠色環(huán)保，能耗低的優(yōu)勢(shì)。建議政府給予財(cái)政補(bǔ)貼和政策優(yōu)惠，吸引民間資本流入，通過多種方式盈利（廣告，增值服務(wù)等），激勵(lì)新型換乘方式的加速發(fā)展。

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