溫哥華公交線網(wǎng)和運(yùn)營規(guī)劃模型及啟示

熊 倩， Scherr Wolfgang， Fisher Ian

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶401121)

一、溫哥華區(qū)域公交規(guī)劃和運(yùn)營模型簡(jiǎn)介

加拿大哥倫比亞省(British Columbia)在近年公交規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)未來的10年里將大力改善和增加溫哥華都市地區(qū)的公交系統(tǒng)。TransLink作為北美第一家專門負(fù)責(zé)整個(gè)區(qū)域包括公交在內(nèi)的交通系統(tǒng)的戰(zhàn)略規(guī)劃、資金管理以及對(duì)運(yùn)營監(jiān)管的政府部門，需要一個(gè)區(qū)域公交模型為決策提供技術(shù)支持。區(qū)域公交規(guī)劃和運(yùn)營模型(Regional Transit Model，以下簡(jiǎn)稱RTM)最初在2006年用于溫哥華輕軌系統(tǒng)SkyTrain的分析。2008年，RTM已經(jīng)包括區(qū)域的所有公交線網(wǎng)的線路和運(yùn)營信息。

和傳統(tǒng)的宏觀公交規(guī)劃模型不同，RTM提供了精度很高的公交運(yùn)營信息。該模型主要包括三個(gè)模塊:客流量預(yù)測(cè)模型和全天候乘客動(dòng)態(tài)上下客流量信息;包含車輛編組、調(diào)度等信息的運(yùn)營模型;高質(zhì)量的圖形界面用于顯示各類輸入數(shù)據(jù)以及模型運(yùn)行結(jié)果。

該模型可以用于進(jìn)行精度要求很高的公交規(guī)劃和運(yùn)營方案的比選，通過比較運(yùn)營成本、效益、客流量以及運(yùn)力/需求比例(反映擁堵程度)來評(píng)估不同方案。

二、模型建立的背景

溫哥華目前人口有220萬，到2031年將達(dá)到300萬，公共交通在該地區(qū)城市交通中扮演著非常重要的角色。該區(qū)域的北端為山脈，南側(cè)與美國接壤，大量的農(nóng)業(yè)用地在規(guī)劃中不被考慮在城市發(fā)展的范圍以內(nèi)。這些特殊的地理?xiàng)l件，加上密度相對(duì)較低的高速公路網(wǎng)絡(luò)和以公交為主導(dǎo)的區(qū)域交通規(guī)劃戰(zhàn)略，造就了密度較高的人口和公共交通的良性發(fā)展。TransLink作為區(qū)域的交通規(guī)劃和融資部門，負(fù)責(zé)管理公交和主要城市道路。

區(qū)域公交系統(tǒng)包括多種出行方式——地面公交和有軌電車、通勤列車“西岸快車”(West Coast Express)、連接溫哥華市中心和北溫哥華的渡船SeaBus。該地區(qū)的骨架線公交系統(tǒng)空中列車SkyTrain為無人駕駛的輕軌系統(tǒng)，每天承運(yùn)24萬乘客，大約1/4的公交系統(tǒng)總客運(yùn)量。

兩條SkyTrain線路總長50公里，包括33個(gè)站點(diǎn)。列車高峰時(shí)刻有效發(fā)車時(shí)距為108秒。目前SkyTrain的高峰客流已經(jīng)接近其運(yùn)力。在其中的一個(gè)站點(diǎn)，前往市中心的乘客在早高峰最多需要等3趟列車才能上車。

地面公交網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括15條有軌電車線路(228輛標(biāo)準(zhǔn)車和鉸接車)，超過200條的柴油車線路由1200多輛巴士組成，這些巴士運(yùn)力相差較大，有的可以載客120人，小型社區(qū)巴士則只能載客24人。

2008年初，哥倫比亞省政府宣布了一個(gè)大膽的省公交規(guī)劃，計(jì)劃在2020年大幅度增加公共交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和進(jìn)一步提高公交服務(wù)質(zhì)量。省公交規(guī)劃旨在將公交分擔(dān)率從2007年的12%增加到2020年的17%，并在2030年達(dá)到22%。這些發(fā)展規(guī)劃的落實(shí)需要一個(gè)準(zhǔn)確合理的模型作為有力支撐，并對(duì)模型和分析工作提出了很高的要求。下面對(duì)該模型的結(jié)構(gòu)做詳細(xì)介紹。

三、模型構(gòu)架

RTM模型建立使用了PTV開發(fā)的VISUM軟件，該模型的公交功能的開發(fā)最早源于德國鐵路(German Rail)對(duì)軟件的使用需求，因此將精細(xì)化工作體現(xiàn)到了極致。該模型可以每隔30分鐘顯示公交運(yùn)營和客流情況。

RTM模型直接使用區(qū)域交通預(yù)測(cè)模型內(nèi)的公交出行OD，以確保不同模型之間的兼容性。RTM整合了該地區(qū)公交規(guī)劃和運(yùn)營數(shù)據(jù)——從不同部門獲得的數(shù)據(jù)常常只涵蓋某一種公交模式或者一部分公交網(wǎng)絡(luò)體系，或者出行需求和公交運(yùn)力數(shù)據(jù)的一個(gè)方面。有了這個(gè)平臺(tái)，公交規(guī)劃咨詢顧問可以對(duì)整個(gè)區(qū)域的公交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和預(yù)測(cè)。

(一)數(shù)據(jù)來源

RTM整合了下列公交運(yùn)力數(shù)據(jù):地面公交、渡船、通勤列車的運(yùn)營計(jì)劃安排，包括車船的編組和調(diào)度情況、SkyTrain的運(yùn)營數(shù)據(jù)、公交站點(diǎn)和列車站臺(tái)乘客相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫、GIS街區(qū)路網(wǎng)。

(二)需求數(shù)據(jù)

一是區(qū)域交通預(yù)測(cè)模型提供的公交OD矩陣(800個(gè)小區(qū));二是通過自動(dòng)乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)(APC)或者客流調(diào)查獲得的上下客數(shù)據(jù)。RTM模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則是所有數(shù)據(jù)的格式都和原始數(shù)據(jù)格式保持一致，因此任何時(shí)候都可以便捷地更新模型里的數(shù)據(jù)。最典型的例子是使用ACCESS數(shù)據(jù)庫對(duì)公交運(yùn)營計(jì)劃、車組編排以及乘客站點(diǎn)上下客數(shù)據(jù)隨時(shí)進(jìn)行更新。

(三)運(yùn)力模型

運(yùn)力模型包含了所有公交路線以及對(duì)應(yīng)的運(yùn)營情況，包括行駛速度、站點(diǎn)停車時(shí)間、發(fā)車時(shí)刻表、車輛編組、車輛調(diào)度情況等。其中的一個(gè)重要內(nèi)容是車輛編組和調(diào)度分析，用于確定每輛公交車或者一列輕軌在一天內(nèi)的運(yùn)行安排。這項(xiàng)分析工作用于確定每天各個(gè)時(shí)段路網(wǎng)上所需要的總的公交車或者輕軌列車的車輛數(shù)。結(jié)合需求模型，可以對(duì)未來需求/運(yùn)力匹配度進(jìn)行分析，獲得滿足要求的車輛總數(shù)。

(四)需求模型

RTM需求模型有三個(gè)重要模塊:一是24小時(shí)動(dòng)態(tài)公交出行矩陣;二是24小時(shí)乘客期望出發(fā)時(shí)刻;三是動(dòng)態(tài)公交分配方法。這些模塊都是動(dòng)態(tài)公交分配所特有的。

需求模型包括800個(gè)交通小區(qū)，輸入數(shù)據(jù)包括每個(gè)預(yù)測(cè)年限的四個(gè)時(shí)間段出行矩陣:早高峰、平峰、晚高峰和傍晚。模型分析師運(yùn)用TFLOWFUZZY對(duì)現(xiàn)狀初始矩陣進(jìn)行標(biāo)定，使得結(jié)果和現(xiàn)狀公交調(diào)查數(shù)據(jù)基本吻合，并對(duì)未來公交矩陣進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

不同區(qū)域的乘客出行有不同的期望出發(fā)時(shí)刻，例如距離市中心區(qū)域較近的出行者相比遠(yuǎn)離市中心的人來說，如果要求同時(shí)到達(dá)市中心，前者的期望出發(fā)時(shí)刻會(huì)更晚(路上耗時(shí)更少)。出發(fā)時(shí)刻的差別導(dǎo)致了各個(gè)站臺(tái)高峰流量在不同時(shí)段發(fā)生，居住在不同區(qū)域的居民一天內(nèi)期望出發(fā)時(shí)刻分布根據(jù)公交流量調(diào)查數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定。

將公交出行矩陣以基于時(shí)刻表的動(dòng)態(tài)分配方法分配到公交路網(wǎng)上。該分配方法首先根據(jù)各個(gè)公交線路的時(shí)刻表確定所有OD之間的多條可選路徑，然后在24小時(shí)內(nèi)建立每個(gè)OD對(duì)的動(dòng)態(tài)“連接方式”(connections)。這些連接可以理解為是通過手機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)為乘客提供的路徑信息，而RTM模型可以提供一天內(nèi)任何時(shí)候每個(gè)OD對(duì)之間的幾個(gè)可選路徑方案。

四、模型標(biāo)定和預(yù)測(cè)

模型標(biāo)定的目的是使現(xiàn)狀年模型能準(zhǔn)確反映現(xiàn)狀實(shí)際情況。

(一)運(yùn)營模型的標(biāo)定

從運(yùn)營角度考慮，現(xiàn)狀數(shù)據(jù)由運(yùn)營公司提供，主要包括運(yùn)營速度、行駛時(shí)間、每條線路或每組線路所需要的車輛數(shù)。在各個(gè)線路上運(yùn)營的車輛數(shù)是對(duì)RTM模型中的車輛編組和調(diào)度模塊進(jìn)行標(biāo)定的基礎(chǔ)。模型輸出的車輛數(shù)需求必須和實(shí)際值非常接近。對(duì)于輕軌系統(tǒng)，這兩組數(shù)值完全一樣。對(duì)于地面公交系統(tǒng)，每一條線路的誤差范圍都控制在±5%之內(nèi)。

(二)需求模型的標(biāo)定

需求標(biāo)定的過程和運(yùn)營模型相比更加復(fù)雜繁瑣，數(shù)據(jù)來源也更加多樣?，F(xiàn)狀數(shù)據(jù)包括了所有的軌道站點(diǎn)、軌道站點(diǎn)間客運(yùn)量、所有的地面公交線路(除社區(qū)巴士)。在需求模型標(biāo)定開始之前，乘客自動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)(APC)安裝在所有的地面公交車輛上，提供所有的標(biāo)準(zhǔn)公交線路相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括每條線路全天總的乘客量以及隨時(shí)間動(dòng)態(tài)分布的總乘客量，以及關(guān)鍵線路動(dòng)態(tài)分布的站點(diǎn)上下客量。

需求模型的標(biāo)定方法概括起來有以下幾個(gè)步驟:第一，公交路網(wǎng)核查與調(diào)整。第二，動(dòng)態(tài)公交分配的參數(shù)和路徑選擇的費(fèi)用函數(shù)的設(shè)置。第三，出行矩陣的標(biāo)定:基于站點(diǎn)上下客流量，站間車載乘客量等觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)公交出行OD進(jìn)行標(biāo)定。第四，出發(fā)時(shí)刻分布調(diào)整:乘客期望出發(fā)時(shí)刻是基于時(shí)刻表的動(dòng)態(tài)公交分配的一個(gè)重要參數(shù)。出發(fā)時(shí)刻分布首先從站點(diǎn)的上下客人數(shù)的時(shí)間分布曲線初步獲得，并假設(shè)乘客在高峰時(shí)段(特別是早高峰)出行距離越長，出發(fā)時(shí)間就越早。出行時(shí)間分布曲線根據(jù)主要的軌道站點(diǎn)以及公交站點(diǎn)的24小時(shí)上下客流量分布進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 各個(gè)大公交系統(tǒng)全天客流量(模型和觀測(cè)值比較)

圖2 各地面公交線路全天客流量(模型和觀測(cè)值比較)

圖1顯示了SkyTrain、西岸通勤列車、渡船、大站快線B線、常規(guī)公交以及社區(qū)巴士全天客流量統(tǒng)計(jì)(淺色為觀測(cè)值，黑色為模型值)。

圖2顯示了200多條地面公交線路中每一條的全天客流量的模型和觀測(cè)值比較(每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一條公交線路)。

圖3為架空列車在溫哥華市中心的水岸站上車乘客24小時(shí)分布圖(深色曲線為觀測(cè)值，淺色為模型值)。觀測(cè)數(shù)據(jù)沒有用于模型的標(biāo)定，而是直接用于模型的校核，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷馁|(zhì)量。可以看出兩組數(shù)據(jù)高度吻合。

五、運(yùn)營分析

RTM模型建立的一個(gè)重要目的是協(xié)助公交規(guī)劃，管理和運(yùn)營部門回答各類從規(guī)劃到設(shè)計(jì)和運(yùn)營的問題。下面列舉公交規(guī)劃決策者和交通咨詢師通常面臨的問題和挑戰(zhàn)，以及RTM模型所起的作用。

圖3 架空列車水岸站點(diǎn)上客人數(shù)24小時(shí)分布曲線(模型和觀測(cè)值比較)

疑問一:每一條公交線路的運(yùn)行質(zhì)量如何?——比較諸如以下的服務(wù)水平指標(biāo):乘客公里總數(shù)與座位公里總數(shù)的比較(滿載率和擁擠程度指標(biāo))，運(yùn)營費(fèi)用和售票營業(yè)額的比較，在車載乘客量最高的路段上的流量運(yùn)力比。

疑問二:哪一種公交類型(BRT，LRT，ALRT)最適合一個(gè)新的公交走廊?——在模型中比較所有方案，分析其建設(shè)/運(yùn)營成本、運(yùn)營速度、出行總行程、直達(dá)性以及客流量等指標(biāo)。

疑問三:一條新的公交線路需要多少節(jié)車廂(軌道系統(tǒng))或者地面公交車輛?未來對(duì)車輛設(shè)備的需求情況如何?——模型的車輛調(diào)度模塊可以顯示所需要的車輛數(shù)。通過計(jì)算整個(gè)公交網(wǎng)絡(luò)的車輛設(shè)備需求，模型可以為未來車輛設(shè)備的需求和購買計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。

疑問四:和其它城市相比，溫哥華大都市的快速公交運(yùn)力如何?——車廂—公里總數(shù)、總的公交線網(wǎng)長度和總的上下客流量是用于和其它城市進(jìn)行比較的典型指標(biāo)。

疑問五:在早高峰時(shí)刻需要在車廂內(nèi)站立的乘客比例是多少?——RTM模型可以計(jì)算現(xiàn)狀和未來每30分鐘的流量/運(yùn)力比例，并可以定義服務(wù)水平和預(yù)測(cè)未來的運(yùn)力潛在的問題。

疑問六:如果地塊的開發(fā)需要滿足其在30分鐘內(nèi)到達(dá)主要的商業(yè)區(qū)或者行政中心，應(yīng)該如何選址?——行駛時(shí)間等時(shí)線可以顯示任何一個(gè)地塊的公交可達(dá)性。

疑問七:一條新的快速公交線路如何與現(xiàn)狀公交系統(tǒng)有效整合?——未來的需求和現(xiàn)狀線路的換乘銜接以及運(yùn)營方面的限制是回答這個(gè)問題的主要分析指標(biāo)。

疑問八:在非高峰時(shí)期如何有效地運(yùn)作公交系統(tǒng)?——RTM模型覆蓋全天時(shí)段。非高峰時(shí)段可以選擇車廂較少的列車。模型還可以用于估計(jì)車輛調(diào)整的費(fèi)用以及判斷發(fā)車時(shí)刻表之間有無沖突。

疑問九:軌道線路的長度如何確定?未來軌道線路延伸線如何確定?——模型可以用于分析如何滿足公交需求(通常是較短的線路)以及對(duì)乘客出行的影響(換乘次數(shù))。模型也可用于分析“混合型運(yùn)營”，也就是長線路和短線路同時(shí)使用，互相配合。

疑問十:未來公交車和軌道車輛的停保場(chǎng)選址。——新的停保場(chǎng)可以結(jié)合用地條件，并在模型中根據(jù)對(duì)運(yùn)營成本的影響進(jìn)行分析。

六、RTM模型的項(xiàng)目運(yùn)用實(shí)例

加拿大線(Canada Line)是大溫哥華地區(qū)一條輕軌路線，連接溫哥華、列治文與溫哥華國際機(jī)場(chǎng)，是加拿大首條機(jī)場(chǎng)對(duì)外輕軌線。本線為溫哥華架空列車(SkyTrain)的第三條路線，于2009年8月17日通車，載客量于2011年2月達(dá)每天11萬人次。加拿大線的走線與98 B-Line快速巴士線大致平行;98 B-Line已于2009年9月7日(即加拿大線通車后三星期)取消。

在加拿大線通車以前，RTM模型被用于分析98 B線取消前后加拿大線的客流量預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示即使98 B線繼續(xù)存在，其流量大部分會(huì)轉(zhuǎn)移至加拿大線，這一結(jié)論為取消98 B線提供了有力的依據(jù)。

七、啟示

溫哥華作為世界上公交規(guī)劃和運(yùn)營質(zhì)量最好的城市之一，從組織機(jī)構(gòu)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及運(yùn)營管理方面都對(duì)中國城市公共交通發(fā)展提供了很好的啟示和借鑒。

一方面，TransLink作為區(qū)域負(fù)責(zé)公交、自行車、通勤出行以及智能交通系統(tǒng)的政府機(jī)構(gòu)，對(duì)都市圈內(nèi)部所有的公交系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理，確保各類公交模式之間有效整合，無縫銜接，滿足公交出行需求，避免重復(fù)建設(shè)和投資浪費(fèi)。例如在新增連接溫哥華國際機(jī)場(chǎng)和市中心的輕軌線路——加拿大線的同時(shí)，通過模型預(yù)測(cè)分析對(duì)公交線網(wǎng)同步進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)整，取消快線B98，新增社區(qū)接駁公交線。

另一方面，RTM模型得以成功建立和廣泛應(yīng)用基于各個(gè)下屬公交運(yùn)營公司提供的充實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)——客流量、時(shí)刻表、運(yùn)營指標(biāo)等，而數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集建立在公交運(yùn)營智能化的基礎(chǔ)上，例如公交車上安裝的GPS、APC(自動(dòng)乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng))，普遍使用的IC卡，以及不同數(shù)據(jù)之間格式的兼容性。以上特點(diǎn)充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享機(jī)制對(duì)交通規(guī)劃的積極影響。

RTM模型體現(xiàn)了“公交規(guī)劃設(shè)計(jì)運(yùn)營一體化”的設(shè)計(jì)理念，一體化既反映了不同運(yùn)營和管理機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一體化，也反映了運(yùn)力和需求分析的一體化。這樣的設(shè)計(jì)理念使得模型可以高效地更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使決策者清楚地看到城市公交系統(tǒng)的服務(wù)水平和潛在問題，并通過客流預(yù)測(cè)對(duì)未來規(guī)劃方案的分期實(shí)施以及投資估算提供科學(xué)的依據(jù)。這樣的模型在中國還沒有成型，具有廣闊的應(yīng)用空間。一旦推廣，將為國內(nèi)城市公共交通發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。

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