一種棋盤形路網(wǎng)中的公交環(huán)線網(wǎng)規(guī)劃方法

陳 琦 姚 鵬 畢煦東

西南交通大學(xué)，交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031

0 引 言

公共交通是城市發(fā)展的必然產(chǎn)物。隨著我國(guó)近年來經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和汽車保有量的迅速增加，城市道路交通問題成為了一個(gè)阻礙各大城市進(jìn)一步發(fā)展的屏障。目前很多城市投入了大量精力發(fā)展公共交通，雖然公共交通基礎(chǔ)設(shè)施水平得到了顯著提高，但線路和運(yùn)營(yíng)的合理性仍有待進(jìn)一步改善。公交線網(wǎng)的規(guī)劃和優(yōu)化[1]，可以在較低的成本下，有效提高居民的公共汽車出行效率，減少繞行距離、候車時(shí)間、換乘次數(shù)。公交線網(wǎng)的形成和城市形態(tài)、業(yè)態(tài)、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、居民出行習(xí)慣等多方面的發(fā)展和變動(dòng)密切相關(guān)。

本文提出一種在棋盤形路網(wǎng)下的公交環(huán)線布置思路。用矩形環(huán)線交錯(cuò)覆蓋路網(wǎng)，首先在設(shè)定的換乘系數(shù)約束下滿足直達(dá)客流，然后在約束條件限制下對(duì)線網(wǎng)局部到整體進(jìn)行修正，從而布設(shè)整個(gè)線網(wǎng)。整體上看，該方案公交線網(wǎng)布設(shè)形式簡(jiǎn)單，均為矩形環(huán)線，區(qū)域線網(wǎng)覆蓋較高。

該方案相較于傳統(tǒng)公交線網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在于：對(duì)公交出行者來說，可達(dá)到線路非直線系數(shù)最小，公交換乘的便利性高，公交出行者的線路選擇自由度大；對(duì)于公交運(yùn)營(yíng)者來說，公交車輛在平峰、高峰時(shí)段的調(diào)配更加便利，樞紐站周邊路網(wǎng)的交通壓力較小。本方案適用于中等范圍內(nèi)的公交網(wǎng)絡(luò)布置。區(qū)域內(nèi)可基本實(shí)現(xiàn)原地?fù)Q乘，一次以內(nèi)換乘可達(dá)性高。區(qū)域內(nèi)公交換乘較傳統(tǒng)公交線網(wǎng)更為方便，居民公交出行自由度更大。

本研究假定待規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的公交出行OD 矩陣已知，路網(wǎng)為規(guī)則棋盤形路網(wǎng)。

1 規(guī)劃目標(biāo)

線網(wǎng)規(guī)劃模型中，規(guī)劃目標(biāo)是根據(jù)公交出行者、公交運(yùn)營(yíng)者的總體利益進(jìn)行考慮的，其中公交出行者總體利益包含的因素有：直達(dá)客流量、公交可達(dá)率、換乘便利程度、乘車時(shí)間、票價(jià)等；公交運(yùn)營(yíng)者的總體利益是收益與綜合運(yùn)營(yíng)成本的差，即利潤(rùn)，包含的影響因素較多，它主要有：載客率、票價(jià)、車輛利用率、完成客運(yùn)量等[2]。

針對(duì)于棋盤形路網(wǎng)上的公交線網(wǎng)，本文設(shè)計(jì)了一種公交環(huán)線的設(shè)置方法來實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)：首先根據(jù)OD 調(diào)查數(shù)據(jù)，滿足預(yù)設(shè)比例的直達(dá)客流，初步布設(shè)主干線網(wǎng)，由于采用環(huán)線布置，因此滿足了非直線系數(shù)的最??；在此基礎(chǔ)上布設(shè)線網(wǎng)，并根據(jù)實(shí)際情況和需求對(duì)線網(wǎng)覆蓋率、復(fù)線系數(shù)以及站點(diǎn)位置進(jìn)行修正，得到不同約束、不同需求下的備選方案集；最后以公交出行者總體利益、公交運(yùn)營(yíng)者利益為目標(biāo)函數(shù)，采用多目標(biāo)決策的方法，對(duì)備選方案的目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行評(píng)價(jià)，比選擇優(yōu)最終確定線網(wǎng)。

2 環(huán)線布設(shè)方法

首先確定公交出行小區(qū)，將每一個(gè)公交車站的服務(wù)區(qū)域近似作為一個(gè)小區(qū)，公交車站所在位置稱為小區(qū)的形心。由于今后計(jì)算中小區(qū)間距離、出行路徑等都是考慮從小區(qū)的形心到形心，所以沒有必要明確劃定小區(qū)的邊界。

2.1 公交站點(diǎn)設(shè)置

在規(guī)則棋盤形路網(wǎng)內(nèi)，假定各條道路均可布設(shè)公交線路。公交站點(diǎn)的選取應(yīng)結(jié)合道路兩側(cè)土地利用性質(zhì)、公交乘客的發(fā)生量來進(jìn)行。對(duì)于出行發(fā)生較為集中的地方應(yīng)設(shè)置站點(diǎn)，如學(xué)校、醫(yī)院、車站、大型超市等[4]。

對(duì)于棋盤形路網(wǎng)，交叉口是各個(gè)方向客流集散和換乘的關(guān)鍵點(diǎn)，適宜設(shè)置公交站點(diǎn)。為盡可能減少對(duì)交叉口的影響，公交站點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在交叉口出口道，主干路上距停車線至少100m，次干路至少70m，支路最少50m[5]。

2.2 直達(dá)客流線路布設(shè)

考慮換乘系數(shù)和線路長(zhǎng)度約束條件，首先滿足主要客流的直達(dá)性。設(shè)定應(yīng)達(dá)到全網(wǎng)換乘系數(shù)為θ，在一次換乘可達(dá)率 100%的情況下，表示直達(dá)客流量比例為2-θ，線路長(zhǎng)度為l。

每一公交出行小區(qū)產(chǎn)生和吸引的乘客量，一般由該小區(qū)內(nèi)的公交站點(diǎn)運(yùn)送。對(duì)于規(guī)則的棋盤形路網(wǎng)，其干路交叉口處公交站往往位于該小區(qū)中心，將該公交車站的服務(wù)區(qū)域近似作為一個(gè)小區(qū)，公交車站所在位置稱為小區(qū)的形心[6]。對(duì)于路網(wǎng)較密集的小區(qū)，其內(nèi)部可能有多個(gè)交叉口以及公交站點(diǎn)，在初步布設(shè)線網(wǎng)時(shí)可以取較接近小區(qū)中心的一個(gè)交叉口進(jìn)行考慮（如圖1 所示，對(duì)小區(qū)內(nèi)J 點(diǎn)進(jìn)行考慮），并在后邊的線路修正過程中將公交路線分配于該小區(qū)內(nèi)其他路段。由于小區(qū)形心與公交站點(diǎn)位置近似重合，因此公交干線線網(wǎng)布設(shè)時(shí)以交叉口位置近似代替公交站點(diǎn)位置，路網(wǎng)及公交出行小區(qū)如圖1 所示。

圖1 路網(wǎng)示意Fig.1 Road network

圖中小區(qū)OD 編號(hào)也代表該小區(qū)中心交叉口編號(hào)。將公交出行OD 矩陣表進(jìn)行轉(zhuǎn)置相加，得到各個(gè)小區(qū)間的出行總量。將各小區(qū)間的公交出行量按降序排列為Qk，Qk的兩個(gè)點(diǎn)分別記為。每對(duì)OD 點(diǎn)記為一組，分別對(duì)應(yīng)其在棋盤形路網(wǎng)中的二維坐標(biāo)從 Q1開始令其中2-θ比例的交通量滿足直達(dá)要求。

具體操作方法為：

從Q1開始，依次向交通量較小的Qk取值。每規(guī)劃完一條線路，將該條環(huán)線所包含的OD 點(diǎn)對(duì)從公交出行OD 矩陣中劃去：

①若滿足線路長(zhǎng)度約束條件則設(shè)置環(huán)線Ci，分別以為矩形環(huán)線對(duì)角線。

②若不滿足線路長(zhǎng)度約束條件，進(jìn)行步驟（4）。方法如圖2 中（a）所示。

（3）計(jì)算表中還未劃去的小區(qū)間交通量所占比例，若小于θ-1，停止算法，否則繼續(xù)。

（4）取Qk+1：

（a）Qk+1和Qk走向平行，那么同步驟(1)進(jìn)行環(huán)路設(shè)定，如圖2 中（d）所示；

（b）Qk+1和Qk走向垂直，那么轉(zhuǎn)向步驟（5）。

該步驟如圖2 中（e），（f）所示。

圖2 線路布設(shè)方法Fig.2 Setting method of a bus route network

（6）從表中劃去包含在環(huán)線內(nèi)的OD 點(diǎn)對(duì)。為保證公交出行的非直線系數(shù)最低，每次從環(huán)內(nèi)劃去的OD 點(diǎn)應(yīng)滿足：至少有一個(gè)點(diǎn)位于環(huán)線的轉(zhuǎn)角處。如圖3 所示，圖中EK、JL 兩點(diǎn)間的交通量不能從出行矩陣表中劃去。

圖3 不能從出行矩陣表中劃去的OD 點(diǎn)對(duì)Fig.3 The OD pairs that can not be wiped off from the OD table

2.3 公交環(huán)線網(wǎng)修正

（1）線網(wǎng)覆蓋修正

上述布設(shè)方法確定了棋盤形路網(wǎng)的干線公交線路形式，但在路網(wǎng)內(nèi)可能仍有部分干路未被公交覆蓋，需要綜合線路長(zhǎng)度約束以及換乘客流量進(jìn)行線路布設(shè)，保證公交客流量大的路段都能被公交線網(wǎng)覆蓋。

（2）線路重復(fù)修正

由于研究范圍的中心區(qū)域交通量大，道路資源緊張，因此線路重復(fù)修正主要針對(duì)該區(qū)域。對(duì)于中心區(qū)域，由于客流量過大而造成線路重復(fù)系數(shù)較高的，為了將中心區(qū)域的過境客流向外圍引導(dǎo)，可將中心區(qū)域的環(huán)線調(diào)整為單線式線路，繞過中心客流集中區(qū)域。

（3）一次換乘可達(dá)率修正

在滿足換乘系數(shù)θ 條件下，已完成初始線網(wǎng)，這時(shí)OD 表中每一對(duì)可以直達(dá)的OD 值已經(jīng)劃去，余下不能直達(dá)的OD 點(diǎn)對(duì)。對(duì)各個(gè)OD 點(diǎn)對(duì)進(jìn)行檢驗(yàn)是否能夠滿足一次換乘到達(dá)，若不能滿足一次換乘到達(dá)則進(jìn)行線路修正。

2.4 公交車環(huán)線運(yùn)行分析

（1）樞紐站

公交環(huán)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)立在一定程度上弱化了樞紐站的作用和客流量，減輕了樞紐站周邊路網(wǎng)的交通壓力。對(duì)于起終點(diǎn)樞紐站，可設(shè)置在交通量較重的區(qū)域外圍道路，基本同傳統(tǒng)公交線網(wǎng)的起終點(diǎn)樞紐站布置一致；對(duì)于換乘樞紐站，由于公交環(huán)線網(wǎng)絡(luò)的換乘不同于傳統(tǒng)單線式公交網(wǎng)絡(luò)，換乘站在路網(wǎng)中分布較均勻，不需要在區(qū)域中心地帶設(shè)置大型換乘樞紐站。

（2）走行路線

公交車輛在環(huán)線上可設(shè)置雙向運(yùn)行。對(duì)于某些單行路段或者禁左交叉口，可以設(shè)置單向運(yùn)行。傳統(tǒng)公交線路在單行路段上或禁左交叉口處，需要設(shè)置公交專用道或公交專用相位，會(huì)在一定程度上造成交通資源浪費(fèi)；必要時(shí)需要對(duì)禁行方向的公交車改線運(yùn)行，又會(huì)導(dǎo)致線路管理的困難加大。

3 實(shí)例分析

如圖4 所示為某區(qū)域的交通分區(qū)和道路網(wǎng)絡(luò)情況，公交出行OD 表如表1 所示。

圖4 某區(qū)域交通分區(qū)與道路網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Road network and traffic zone

字母編號(hào)表示各公交出行小區(qū)形心，即是公交站點(diǎn)位置。各個(gè)小區(qū)間的公交出行OD 數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 公交出行OD 量Tab.1 OD volume of bus trip

運(yùn)用上文所述方法進(jìn)行公交干線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)，將公交出行OD 矩陣表進(jìn)行轉(zhuǎn)置相加，得到各個(gè)小區(qū)間的出行總量，如表2 所示。

表2 公交出行小區(qū)間交通量Tab.2 Traffic volume between bus trip districts

上文所述方法，首先滿足一定比例的直達(dá)客流，設(shè)定換乘系數(shù)θ 為1.3，則直達(dá)客流量為70%，得到初始線網(wǎng)，如圖5 所示。對(duì)該線網(wǎng)進(jìn)行修正，得到備選線網(wǎng)如圖6 所示。由于測(cè)試路網(wǎng)規(guī)模較小，修正方案少，因此可直接得到最優(yōu)線網(wǎng)（見圖6）。經(jīng)檢驗(yàn)該線網(wǎng)直達(dá)客流量達(dá)到97.6%，一次換乘可達(dá)率100%，非直線系數(shù)達(dá)到最小。

圖5 初始線網(wǎng)Fig.5 Initial network

圖6 修正后線網(wǎng)Fig.6 Revised network

4 總結(jié)

改進(jìn)傳統(tǒng)公交線網(wǎng)規(guī)劃方法多以“逐條布設(shè)，優(yōu)化成網(wǎng)”的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]，這樣可能導(dǎo)致公交出行非直線系數(shù)較高，換乘系數(shù)難以保證，高峰期間線路的不同路段乘客量分布極不均衡，平高峰轉(zhuǎn)換遲緩等問題。

本線網(wǎng)規(guī)劃思路以換乘系數(shù)為控制條件，所有線路均為矩形環(huán)線，保證了非直線系數(shù)最小。互相嵌套的環(huán)線大大提高了車輛的調(diào)度自由度，弱化了樞紐站的地位，減輕了樞紐站周邊路網(wǎng)的負(fù)荷；線路不同路段乘客分布相對(duì)均衡，乘客出行可選擇路線更加多樣化、自由化。該方法量化指標(biāo)，適合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

同時(shí)該方法也存在一些較難解決的問題：潮汐交通明顯的線路，同一條線路上客流分布不均衡；由于弱化樞紐站，導(dǎo)致中心站規(guī)模小、位置分散，不便于管理，早晚收發(fā)車車輛空駛距離較長(zhǎng)。

在今后的研究中將重點(diǎn)解決線網(wǎng)修正方法的具體步驟、車輛運(yùn)行方式、高峰時(shí)間偶發(fā)事件的車輛調(diào)度方法。

[1]李淑慶，滕宏偉，岳 順，穆首玉.城市公交現(xiàn)狀問題分析與線網(wǎng)布局規(guī)劃模式研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，25(2)：89-90.

[2]郭孜政，姜 梅，張殿業(yè)，段 力.點(diǎn)-域匹配的公交主干線網(wǎng)規(guī)劃方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008，8(6)：78-79.

[3]李 江.交通工程[M].北京：人民交通出版社，2002：232-239.

[4]毛 琳.城市新區(qū)公交線網(wǎng)規(guī)劃研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009：36-37.

[5]楊曉光，白 玉，馬萬(wàn)經(jīng).交通設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2010：154.

[6]王 煒.實(shí)用公交線網(wǎng)規(guī)劃方法研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，20(4)：81-87.