基于大數(shù)據(jù)的張江科學(xué)城公交走廊和骨干線路規(guī)劃

張臨輝 陳 龍 劉 杰

（1.上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 201204）（2.上海世脈信息科技有限公司，上海 201210）

張江科學(xué)城作為綜合性國(guó)家科學(xué)中心將成為“科研要素更集聚、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)更活躍、生活服務(wù)更完善、交通出行更便捷、生態(tài)環(huán)境更優(yōu)美、文化氛圍更濃厚”的世界一流科學(xué)城。在此背景下，張江科學(xué)城的建設(shè)離不開公共交通的支撐，然而2025年前張江科學(xué)城軌道交通面臨“空窗期”，因此優(yōu)化提升常規(guī)公交線網(wǎng)、構(gòu)建高品質(zhì)的骨干公交系統(tǒng)對(duì)于填補(bǔ)加密軌道交通網(wǎng)絡(luò)，支撐張江科學(xué)城的發(fā)展具有重要意義。

本次研究主要根據(jù)手機(jī)信令大數(shù)據(jù)、公共交通刷卡數(shù)據(jù)、公交車GPS軌跡數(shù)據(jù)和行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料等，挖掘提取得到張江科學(xué)城區(qū)域人口職住、區(qū)域間全方式OD及公交OD、客流走廊等出行時(shí)空特征，通過(guò)公交客流數(shù)據(jù)（現(xiàn)狀供給）和手機(jī)信令數(shù)據(jù)（潛在需求）的雙數(shù)據(jù)疊加確定骨干公交走廊，并對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)軌道交通和骨干公交線網(wǎng)錨固總公交客流的80%以上的目標(biāo)，有效支撐了張江科學(xué)城可持續(xù)發(fā)展。本次骨干公交走廊的選址和骨干公交線路規(guī)劃創(chuàng)新性方法可為其他城市地區(qū)的公交線網(wǎng)規(guī)劃提供有益借鑒。

一、數(shù)據(jù)來(lái)源與技術(shù)方法

（一）矢量公交線網(wǎng)

通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)抓?。ǜ叩隆俣龋┇@得數(shù)據(jù)，抓取范圍為上海市域，包括軌道線路站點(diǎn)和公交線路站點(diǎn)。數(shù)據(jù)量包含3280條雙向線路、68327萬(wàn)個(gè)站點(diǎn)（17358個(gè)物理站點(diǎn)），用于數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算和數(shù)據(jù)可視化表達(dá)。

（二）公交IC卡和GPS數(shù)據(jù)分析技術(shù)

通過(guò)卡公司、公交公司獲得2018年9月整月數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間范圍包括浦東公交線路、部分浦東-浦西線路。數(shù)據(jù)量包含卡數(shù)據(jù)日均160萬(wàn)記錄、80萬(wàn)張卡；GPS數(shù)據(jù)日均2200萬(wàn)行，約3800輛車。通過(guò)GPS數(shù)據(jù)與IC卡數(shù)據(jù)的時(shí)間關(guān)聯(lián)進(jìn)行現(xiàn)狀公交供給分析、站點(diǎn)上下客推算、站間OD推算、斷面客流推算等。公交卡數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為公交客流指標(biāo)和出行特征，并用于進(jìn)行不同時(shí)間粒度、不同空間維度的分析，從而篩選出短距離出行需求客流并分析其出行特征，根據(jù)歷史公交客流量分布及規(guī)律來(lái)支撐公交走廊和線路規(guī)劃方案。

（三）手機(jī)信令數(shù)據(jù)和分析技術(shù)

手機(jī)信令數(shù)據(jù)主要是通過(guò)提取移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基站與移動(dòng)電話終端（即手機(jī)）間的信息交換及其時(shí)間戳，確定手機(jī)用戶的空間位置信息、狀態(tài)信息等。每條手機(jī)信令數(shù)據(jù)都是由事件觸發(fā)的，在發(fā)生開/關(guān)機(jī)、正常性/周期性位置更新、主/被叫、收/發(fā)短信等事件時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生手機(jī)信令數(shù)據(jù)。將手機(jī)定位數(shù)據(jù)及POI數(shù)據(jù)映射至交通分析單元，通過(guò)手機(jī)信令數(shù)據(jù)降噪算法、用戶出行OD提取算法、人口崗位識(shí)別算法等獲取現(xiàn)狀全方式需求特征、人口分布特征、職住分離情況與通勤OD客流推算。

本次規(guī)劃通過(guò)合作廠商獲取2018年9月整月數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間范圍為上海市域。數(shù)據(jù)量包括每日手機(jī)識(shí)別號(hào)約550萬(wàn)，日總記錄數(shù)約30億條。

（四）大數(shù)據(jù)分析公交走廊技術(shù)路線

1.區(qū)域人口的識(shí)別與分析

人口的居住地和工作地識(shí)別，首先需要篩選出長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)中天數(shù)頻率（超過(guò)60%天數(shù)）相對(duì)較高的用戶群體，作為長(zhǎng)期服務(wù)人群。分析篩選用戶長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)中夜間20:00至次日07:00中逗留時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)、天數(shù)頻率最高的交通小區(qū)，作為用戶的居住地交通小區(qū)。分析篩選用戶長(zhǎng)期歷史工作日數(shù)據(jù)中09:00至18:00中逗留時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)、天數(shù)頻率最高的交通小區(qū)，作為用戶的工作地交通小區(qū)。從而用于職住人口統(tǒng)計(jì)與通勤特征分析。

2.出行群體時(shí)空行為特征分析

通過(guò)深度挖掘IC卡數(shù)據(jù)，能獲取居民的公交出行空間和時(shí)間分布特征，得到公交出行OD量，具體處理方法：首先對(duì)卡號(hào)、刷卡時(shí)間進(jìn)行排序，選擇一條IC刷卡數(shù)據(jù)，記錄其上車線路、車站、時(shí)間，然后找尋同一卡號(hào)的下一時(shí)間的刷卡數(shù)據(jù)，根據(jù)下一時(shí)間刷卡站點(diǎn)是否在同條線路上或靠近該線路，來(lái)確定下車站點(diǎn)，再通過(guò)上車站點(diǎn)和下車站點(diǎn)時(shí)間差是否符合換乘時(shí)間閾值，確定下一時(shí)間的刷卡數(shù)據(jù)為換乘路徑或新路徑[1]，如圖1所示。

圖1 公交IC卡數(shù)據(jù)處理公交OD分布流程

結(jié)合時(shí)間序列的手機(jī)信令數(shù)據(jù)，判斷每位手機(jī)用戶在各交通分析區(qū)域的進(jìn)入、停留、離開等情況，可以得到全方式通勤客流數(shù)據(jù)。結(jié)合對(duì)工作地與居住地識(shí)別的衡量指標(biāo)，篩選出相應(yīng)的具有通勤出行目的的人群。通過(guò)一定的時(shí)間閾值限定，分析在各時(shí)段每位手機(jī)用戶所處的交通分析區(qū)域，然后對(duì)統(tǒng)計(jì)期內(nèi)每天不同時(shí)段各交通分析區(qū)域間手機(jī)用戶的出行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，分層擴(kuò)充樣本至總體人群[2]。

3.公交供需和客流分析

一是利用公交IC數(shù)據(jù)分析現(xiàn)狀公交供給情況，結(jié)合矢量公交線網(wǎng)圖對(duì)現(xiàn)狀公交出行鏈進(jìn)行可視化分析，篩選出公交供給走廊集T1，再利用手機(jī)信令數(shù)據(jù)分析潛在的全方式出行需求情況，結(jié)合路網(wǎng)圖對(duì)全方式出行需求進(jìn)行可視化分析，篩選出全方式出行需求走廊集T2，取T1、T2的交集為廊道判斷總集合T；二是根據(jù)公交出行鏈計(jì)算每一個(gè)客流廊道的供給客流因子，根據(jù)全方式出行鏈計(jì)算需求客流因子；三是根據(jù)總客流因子，判定客流廊道是否設(shè)定為公交客運(yùn)走廊。

4.規(guī)劃方案形成

結(jié)合多源數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將公交客流數(shù)據(jù)和手機(jī)信令全方式客流數(shù)據(jù)進(jìn)行雙數(shù)據(jù)疊加，梳理出骨干公交需要布設(shè)的通道，最終形成公交走廊和線網(wǎng)規(guī)劃方案，如圖2所示。

圖2 基于大數(shù)據(jù)的公交走廊規(guī)劃技術(shù)流程

二、基于大數(shù)據(jù)的張江科學(xué)城人口崗位分析

利用手機(jī)信令數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各時(shí)間階段記錄用戶量的變化，反映記錄用戶量與生活作息規(guī)律的關(guān)系，從中選取最適當(dāng)?shù)臅r(shí)間點(diǎn)分別代表白天人口和晚上人口，進(jìn)而對(duì)人口的晝夜空間動(dòng)態(tài)分布進(jìn)行研究。將不同時(shí)間段的記錄人數(shù)進(jìn)行空間可視化，展示一天內(nèi)的人口動(dòng)態(tài)空間分布變化。通過(guò)人口分布圖可以看到，張江集鎮(zhèn)、張江動(dòng)遷基地人口密度最高，達(dá)到了10 000人/平方公里，另外科學(xué)城S20以南區(qū)域人口密度也較高，為8001～10 000人/平方公里。張江科學(xué)城現(xiàn)狀工作崗位主要集中于川楊河以北地區(qū)（即張江北區(qū)），平均崗位密度達(dá)到了8000人/平方公里，其余區(qū)域工作崗位密度較小，尤其是張江南區(qū)、國(guó)際醫(yī)學(xué)園區(qū)工作人口密度最小，人口的分布整體表現(xiàn)為北密南疏，疏中有密。

根據(jù)手機(jī)信令數(shù)據(jù)測(cè)算，工作日期間，張江科學(xué)城區(qū)域日間（10：00～15：00）人數(shù)均值及夜間（00：00～04：00）人數(shù)均值分別為61.4萬(wàn)人和35.6萬(wàn)人，即工作日期間有超過(guò)40%的人口進(jìn)行跨區(qū)域通勤行為；而在周末期間，區(qū)域日間及夜間的人數(shù)均值為46.3萬(wàn)人和35.6萬(wàn)人，兩者差值僅為10.7萬(wàn)人，周末期間的人口以居住人口為主，外部通勤流動(dòng)行為較少，如圖3所示。綜合工作日及周末情況，夜間人口非常接近，區(qū)域內(nèi)的居住人口較為穩(wěn)定，從側(cè)面說(shuō)明該區(qū)域所能提供的居住性質(zhì)服務(wù)相對(duì)飽和；而工作日日間人數(shù)存在較大的區(qū)域外部居住行為，對(duì)區(qū)域內(nèi)交通出行造成一定的壓力[3]。

圖3 張江科學(xué)城工作日及周末人口24 h分布

三、基于大數(shù)據(jù)的常規(guī)公交供需分析

利用公交數(shù)據(jù)可以分析出現(xiàn)狀公交供給分布情況，利用手機(jī)信令數(shù)據(jù)可以分析出居民出行需求特征，通過(guò)將供給與需求疊加分析，分析供需不平衡的地方及原因，梳理出真正匹配需求的公交走廊和骨干公交線路。

（一）出行分布特征分析

利用公交IC卡刷卡數(shù)據(jù)、公交GPS到離站數(shù)據(jù)等公交數(shù)據(jù)，可以分析出現(xiàn)狀公交乘客的出行特征，通過(guò)深度挖掘IC卡數(shù)據(jù)，得到張江科學(xué)城公交出行OD，分析出公交乘客出行特征呈多中心輻射狀；另外基于手機(jī)大數(shù)據(jù)張江通勤客流OD分布分析，科學(xué)城與周邊街鎮(zhèn)日均客流5000人次以上有唐鎮(zhèn)和周浦鎮(zhèn)，日均客流2000～5000人次有金橋鎮(zhèn)、洋涇街道、花木街道、康橋鎮(zhèn)、川沙等，通過(guò)公交客流OD與全方式客流OD對(duì)比（如圖4所示）發(fā)現(xiàn)部分方向全方式客流較高，但公交供給不足，如曹路和唐鎮(zhèn)方向。

圖4 高峰時(shí)段全方式通勤客流OD和公交客流OD圖

（二）公交線路運(yùn)力供給與出行需求分析

將公交供給投入與居民出行需求疊加分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀公交運(yùn)力供給與總體客流需求分布有一定偏差，在主要客流走廊缺乏骨干公交支撐，現(xiàn)狀公交的投入不能較好地服務(wù)總體客流。從對(duì)外出行分布來(lái)看，張江科學(xué)城東西向與唐鎮(zhèn)聯(lián)系最強(qiáng)，但缺少骨干線路的支撐，比如636路作為目前唯一通達(dá)唐鎮(zhèn)的日均客流最高的線路，早高峰7:30～8:30客流最集中，集中區(qū)高峰期滿載率超90%，客流主要集中在張江東區(qū)集電港和唐鎮(zhèn)區(qū)域，主要客流走廊公交服務(wù)水平較低，無(wú)法有效滿足客流出行需求；另外張江科學(xué)城南北聯(lián)系方向上目前僅有浦東25路一條線路，其發(fā)車間隔較長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)速度較低，同樣無(wú)法滿足客流需求并有效承擔(dān)高峰時(shí)段同向軌交16號(hào)線的分流作用。

四、張江科學(xué)城公交走廊選址和骨干線路規(guī)劃

（一）公交走廊選址

在多源大數(shù)據(jù)的表征下篩選形成供需匹配的公交走廊方案。

通過(guò)手機(jī)大數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)狀全方式通勤客流主要集中在北區(qū)，高客流走廊具體如下：現(xiàn)狀公交客流同樣主要集中在北區(qū)，東西方向有祖沖之路-龍東大道、張衡路-蔡倫路-高科中路-高科東路、華夏中路-華夏東路、丹桂路、晨暉路和周祝公路，南北方向有金科路、金橋路-張江路、碧波路、科苑路和張東路。

基于供需耦合的公交走廊選擇。根據(jù)手機(jī)通勤全方式客流需求與公交客流情況，聯(lián)合分析篩選骨干客流走廊：通過(guò)早高峰路段公交客流量（如圖5所示）與手機(jī)大數(shù)據(jù)全方式通勤客流量（如圖6所示）進(jìn)行匹配，結(jié)合路段實(shí)際公交客流，經(jīng)過(guò)總體數(shù)據(jù)分析，85%的路段高峰時(shí)段公交客流小于1000人次，85%的路段全方式通勤客流量小于4000人次，筆者選取早高峰公交客流量和手機(jī)大數(shù)據(jù)全方式通勤客流量均為第一梯隊(duì)高客流的路段作為公交走廊，即選取高峰時(shí)段公交客流因子為大于1000人次，全方式通勤客流因子為大于4000人次，同時(shí)符合兩個(gè)客流因子條件的路段作為骨干公交走廊。

圖5 路段早高峰公交客流量

圖6 手機(jī)大數(shù)據(jù)高峰時(shí)段全方式路段客流

綜合大數(shù)據(jù)分析，同時(shí)考慮用地服務(wù)的原則，即公交走廊應(yīng)當(dāng)滿足周邊大型需求點(diǎn)客流出行、路徑串聯(lián)科學(xué)城主要功能區(qū)域的要求，篩選出有祖沖之路、松濤路、科苑路、蔡倫路、高科路、龍東大道、張江路、張衡路和華夏中路需求較成熟型公交走廊。另外雖然部分路段現(xiàn)狀高峰公交客流量不足1000人次，但全方式通勤客流量較高，遠(yuǎn)期待公交服務(wù)水平提升后，個(gè)體出行將向公交轉(zhuǎn)移，可以作為TOD引導(dǎo)發(fā)展型走廊。張江科學(xué)城骨干公交走廊規(guī)劃如附表及圖7所示。

附表 張江科學(xué)城骨干公交走廊規(guī)劃表

圖7 骨干公交走廊規(guī)劃

（二）骨干公交線路規(guī)劃

公交主要供給應(yīng)當(dāng)集中投入到與總體客流需求相一致走廊上，通過(guò)公交走廊上大的客流方向與客流走廊上既有通過(guò)公交線路進(jìn)行對(duì)比，將公交走廊上的高強(qiáng)度客流公交線路提升為骨干公交線，進(jìn)一步匹配支撐公交走廊的需求，提升整體公交線網(wǎng)服務(wù)水平。

從方向一致性角度，先導(dǎo)出走廊上運(yùn)行的主要公交線路，以長(zhǎng)度大于10公里的公交線路作為初步備選庫(kù)，選出21條；然后根據(jù)公交線路在張江科學(xué)城內(nèi)部長(zhǎng)度比例30%以上、在公交走廊上所占長(zhǎng)度比例大于20%、張江客流占比40%以上等指標(biāo)進(jìn)一步在備選庫(kù)中篩選骨干線路；從高客流量角度，再?gòu)闹泻Y選出全線日均客流量大于2500人次、百公里人次大于100人次的線路。比如通過(guò)分析祖沖之路和張江路公交走廊與現(xiàn)狀636路方向基本一致，現(xiàn)狀636路百公里人次為230，日均客流量超過(guò)1.3萬(wàn)人次，客流量較大，因此將現(xiàn)狀636路提升為骨干線。

另外骨干公交線網(wǎng)應(yīng)覆蓋軌道交通未覆蓋的客流走廊，或者覆蓋有軌道運(yùn)行但是客流需求量大、高峰時(shí)段軌道已經(jīng)滿載運(yùn)行的走廊[1]。目前張江科學(xué)城已有2號(hào)線、13號(hào)線、11號(hào)線和16號(hào)線軌道交通線路，骨干公交應(yīng)當(dāng)填補(bǔ)軌道交通服務(wù)空白區(qū)，與軌道交通合理銜接，比如公交走廊上的浦東25路可以作為承擔(dān)高峰時(shí)段既有軌交16號(hào)線溢出客流出行需求的功能，彌補(bǔ)近期南北向軌道交通供給的不足[4]。

綜合考慮以上原則，最終確定近期骨干公交線路11條，分別為浦東22路、778路、961路、浦東25路、188路、浦東12路、609路、大橋六線、636路、張江1路和有軌電車。骨干公交近期沿客流走廊布局，服務(wù)主流向客流需求，填補(bǔ)軌道交通未能覆蓋的區(qū)域；遠(yuǎn)期客流需求增長(zhǎng)較大的通道，部分走廊將被軌道交通替代，骨干線路進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，如圖8所示。

圖8 近期軌道交通和骨干公交線路方案

（三）方案評(píng)價(jià)

基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行方案評(píng)價(jià)，近期11條骨干公交線路總長(zhǎng)210.7公里，張江科學(xué)城內(nèi)長(zhǎng)度95.1公里；站點(diǎn)總數(shù)334個(gè)，張江科學(xué)城內(nèi)站點(diǎn)數(shù)149個(gè)；骨干公交在張江科學(xué)城內(nèi)人口覆蓋率約78.2%，崗位覆蓋率約71%。骨干公交線路滿足主要對(duì)外聯(lián)系方向需求，即張江同唐鎮(zhèn)、川沙、周康、金橋、花木等街鎮(zhèn)的聯(lián)系需求。目前張江科學(xué)城地區(qū)的4條軌道和11條骨干公交線路客流量占區(qū)域公共交通出行總量80.5%，錨固了大部分的客流，高效地滿足了張江科學(xué)城客流出行需求。

五、結(jié)語(yǔ)

張江科學(xué)城作為綜合性國(guó)家科學(xué)中心在當(dāng)下軌道交通尚未完善的背景下，建議近期形成骨干公交網(wǎng)絡(luò)以支撐科學(xué)城的發(fā)展，研究主要通過(guò)手機(jī)大數(shù)據(jù)和公交大數(shù)據(jù)分析方法，基于張江科學(xué)城的骨干公交走廊規(guī)劃技術(shù)要點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了公交客流數(shù)據(jù)和手機(jī)信令數(shù)據(jù)的雙數(shù)據(jù)疊加確定骨干公交走廊的方法，在此基礎(chǔ)上形成骨干公交線路規(guī)劃方案，實(shí)現(xiàn)骨干公共交通網(wǎng)絡(luò)錨固主要公交客流的目標(biāo)。