聚類和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析下的公交站點(diǎn)研究

陳亞洲，郭士正，宋 杰

（集美大學(xué) 誠(chéng)毅學(xué)院，福建 廈門 361021）

公交站點(diǎn)的運(yùn)行特性和效率的研究一直是許多交通工程人員關(guān)注的問(wèn)題，作為常規(guī)公交的重要基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，其基本的布局和設(shè)置直接影響著公共交通的服務(wù)水平和交通運(yùn)行的質(zhì)量。相比城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，如何利用有限的城市資源，優(yōu)化城市公交站點(diǎn)的設(shè)置和運(yùn)行，對(duì)提升公交車的整體運(yùn)行效率和方便乘客的出行需求，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 公交站點(diǎn)研究現(xiàn)狀分析

城市的不斷發(fā)展，人們出行的方式多樣便捷，但首選的出行方式仍舊是公共交通，公交車作為主要的出行工具，有助于緩解城市人口劇增引發(fā)的出行難問(wèn)題。公交站點(diǎn)作為公共交通系統(tǒng)的子系統(tǒng)，承載著客流集散的功能，科學(xué)的設(shè)置和優(yōu)化有利于公交車的快速、順利和平穩(wěn)的運(yùn)營(yíng)，有利于公共交通在服務(wù)速度、方便度和舒適度發(fā)揮效能。文獻(xiàn)閱讀分析發(fā)現(xiàn)，直線式的公交站點(diǎn)對(duì)車輛造成?？孔铚a(chǎn)生延誤[1]，公交站點(diǎn)的布設(shè)也會(huì)影響到乘客的選擇站點(diǎn)的行為[2]，由于公交站點(diǎn)的設(shè)計(jì)涉及乘客的出行成本和企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，需要建立多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧，合理優(yōu)化[3]，對(duì)公交站點(diǎn)的規(guī)劃設(shè)計(jì)的研究，目前的主流是利用收集的信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建智慧型的公交站點(diǎn)信息系統(tǒng)，比如通過(guò)乘客的IC卡綜合換乘的信息數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的上車站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)公交乘客上車站點(diǎn)的推估[4]，或利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)運(yùn)用在城市交通系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧公交信息查詢系統(tǒng)的研究和探索[5]，也有部分通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的思維進(jìn)行公交站點(diǎn)的布局設(shè)計(jì)，如研究“多起點(diǎn)—多目的地”模式的定制公交站點(diǎn)和線路規(guī)劃問(wèn)題，提出了定制公交站點(diǎn)規(guī)劃方法，構(gòu)建了定制公交線路規(guī)劃模型[6]，或運(yùn)用K-means聚類分析方法和范圍覆蓋公式確定定制公交站點(diǎn)的選址與布局[7]，或?qū)煌ㄐ^(qū)對(duì)應(yīng)到多個(gè)出發(fā)或到達(dá)站點(diǎn)即所謂的“多站點(diǎn)”的研究，實(shí)現(xiàn)城市常規(guī)公交線網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]。綜上，公交站點(diǎn)的規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題大都基于數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)思維的角度的研究，偏向單一性，本文將延續(xù)學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，借助聚類模型和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析工具，從整合數(shù)據(jù)信息和網(wǎng)絡(luò)位置的雙維度研究公交站點(diǎn)的優(yōu)化問(wèn)題。

2 聚類和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析下的公交站點(diǎn)優(yōu)化研究

2.1 聚類分析

聚類分析就是根據(jù)所定義的距離標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)分為若干個(gè)類別，使得這些類別內(nèi)數(shù)據(jù)的“差異”盡可能小，類別間的“差異”盡可能大的一種統(tǒng)計(jì)描述方法?；趯?shí)際的數(shù)據(jù)考慮，采用k-均值聚類方法，基本步驟如下[9]：

（1）依據(jù)對(duì)實(shí)際的數(shù)據(jù)集，確定需要聚類的類別數(shù)量（聚類中K的含義）；

（2）確定初始類別的原始中心點(diǎn)，由軟件自行隨機(jī)確定；

（3）逐一計(jì)算各案例到各個(gè)類別中心點(diǎn)的距離，并依據(jù)距離最近的原則歸入各個(gè)類別，并計(jì)算各類別新的中心點(diǎn)；

（4）按照新的中心位置，重新計(jì)算各案例距離新的類別中心點(diǎn)的距離，并重新進(jìn)行歸類，更新類別和中心點(diǎn)；

（5）重復(fù)步驟（4），直到達(dá)到一定的收斂標(biāo)準(zhǔn)為止。

2.2 社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析

社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析 （Social Network Analysis，SNA）是以關(guān)系作為基本分析單位，對(duì)個(gè)體和群體等不同社會(huì)單位的關(guān)系、結(jié)構(gòu)和屬性進(jìn)行定量分析的社會(huì)研究方法。基本思想是從人在社會(huì)環(huán)境中的相互作用出發(fā)，研究在相互作用基礎(chǔ)上產(chǎn)生的關(guān)系模式或者關(guān)系規(guī)則，主要通過(guò)一些特定的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的中心度、子群、網(wǎng)路中的位置和角色等來(lái)衡量和分析，從而考察其社會(huì)關(guān)系[10]。文中主要的考核分析指標(biāo)如下：

（1）密度分析。密度指標(biāo)表征團(tuán)體的緊密程度，密度指標(biāo)越大，表示團(tuán)體的關(guān)系越緊密，合作的行為越多，最大為1，最小為0。

（2）中心性分析。中心性分析是社會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的個(gè)人結(jié)構(gòu)位置指針，用來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)的重要性的重要指標(biāo)，一般用程度中心性來(lái)衡量，用來(lái)衡量誰(shuí)在這個(gè)團(tuán)體中是最主要的中心人物，以一個(gè)人的關(guān)系數(shù)量的總和來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的。

（3）核心—邊緣分析。衡量社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中哪些節(jié)點(diǎn)處于核心地位，哪些節(jié)點(diǎn)處于邊緣地位。

2.3 公交站點(diǎn)的聚類和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析框架

通過(guò)整合公交站點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息和網(wǎng)絡(luò)位置信息，提出基于橫縱兩維度的公交站點(diǎn)的優(yōu)化模型，如圖1所示。橫向上，利用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析工具對(duì)公交站點(diǎn)的位置進(jìn)行分析，依據(jù)公交線路的經(jīng)行情況，分析公交站點(diǎn)在城市公交站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的位置歸屬（中心站點(diǎn)坐標(biāo)和邊緣站點(diǎn)坐標(biāo)）；縱向上，借助聚類分析方法，依據(jù)公交站點(diǎn)的停靠時(shí)間、上下車人數(shù)、路線數(shù)和公交線路頻數(shù)等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行聚類，主要分為密集站點(diǎn)和稀疏站點(diǎn)兩類。在橫向的中心-邊緣坐標(biāo)和縱向的密集-稀疏坐標(biāo)的共同作用下，確定為四個(gè)象限：第一象限的中心-密集型、第二象限的邊緣-密集型、第三象限的邊緣-稀疏型、第四象限的中心-稀疏型，每個(gè)象限都具有自身的屬性和特色，公交站點(diǎn)的優(yōu)化即可根據(jù)坐落于優(yōu)化模型的象限位置，采取針對(duì)性的優(yōu)化策略。

圖1 基于聚類分析和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析的公交站點(diǎn)優(yōu)化模型Figure 1 The optimizationmodel of the bus station based on the clustering and social network analysis

3 案例論證

3.1 案例介紹

為了測(cè)試公交站點(diǎn)優(yōu)化模型的有效性，以局部廈門島內(nèi)公交站點(diǎn)為研究案例，選取典型的10個(gè)站點(diǎn)為研究對(duì)象(見表1)。分別收集這10個(gè)站點(diǎn)經(jīng)過(guò)的路線，只要站點(diǎn)與站點(diǎn)之間有經(jīng)過(guò)公交線路全部進(jìn)行標(biāo)注，調(diào)研變量為停靠站點(diǎn)時(shí)間長(zhǎng)、站點(diǎn)的平均上車人數(shù)、站點(diǎn)的平均下車人數(shù)、經(jīng)過(guò)該站點(diǎn)的公交路線數(shù)、在五分鐘的時(shí)間段內(nèi)經(jīng)過(guò)該站點(diǎn)的公交車的頻數(shù)等數(shù)據(jù)。

表1 廈門部分公交數(shù)據(jù)采集信息和聚類結(jié)果Table 1 the data collection and clustering results of the partial bus in Xiamen

3.2 公交站點(diǎn)的聚類分析

對(duì)選取廈門島內(nèi)公交的10個(gè)站點(diǎn)在高峰期進(jìn)行實(shí)地考察，得到的數(shù)據(jù)和聚類分析結(jié)果見表1所示。可見，輪渡站、思北路口站、特貿(mào)站和仙岳花園站四個(gè)公交站點(diǎn)屬于第一類，其余的白鷺洲公園、廈門茶廠、文化藝術(shù)中心、松柏、蓮岳路口和火車站小廣場(chǎng)屬于第二類。表1中的Z聚類是將這些站點(diǎn)的所有變量的得分求和后進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化得分。把聚類的兩類結(jié)果（類別1和類別2）的?？空军c(diǎn)時(shí)間長(zhǎng)（秒）、上車人數(shù)、下車人數(shù)、路線數(shù)和頻繁數(shù)的平均值作對(duì)照分析，見表2所示。可見，類別1的各個(gè)比較變量的數(shù)值都遠(yuǎn)大于類別2，因此將類別1命名為密集站點(diǎn)，將類別2的站點(diǎn)命名為稀疏站點(diǎn)，具體站點(diǎn)的歸屬情況見表1最后一列所示。

表2 聚類結(jié)果的比較Table 2 The comparison of the clustering results

3.3 公交站點(diǎn)的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析

3.3.1 公交站點(diǎn)整體網(wǎng)絡(luò)分析

圖2所示的是公交站點(diǎn)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)圖，顯示出調(diào)研的10個(gè)站點(diǎn)間的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系情況，體現(xiàn)了每個(gè)站點(diǎn)在站點(diǎn)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的位置。圖中的數(shù)字對(duì)應(yīng)表1中的站點(diǎn)編號(hào)，連接線表示站點(diǎn)之間存在的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)位置關(guān)系。圖2中的1、2、6、8節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的連結(jié)較多，表明這幾個(gè)公交站點(diǎn)在站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中與其他站點(diǎn)的聯(lián)系程度較高；而節(jié)點(diǎn)9、10等節(jié)點(diǎn)，相對(duì)而言與其他節(jié)點(diǎn)的連結(jié)較少，處于網(wǎng)絡(luò)的邊緣位置。

圖2 公交站點(diǎn)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)圖Figure 2 The social network map of the bus station

3.3.2 中心性分析

表3是公交站點(diǎn)的程度中心性分析結(jié)果，node列對(duì)應(yīng)表1的公交站點(diǎn)編號(hào)，Degree列表示程度中心性的原始數(shù)值，NrmDegree表示相對(duì)點(diǎn)中心度，Z社會(huì)網(wǎng)絡(luò)列表示標(biāo)準(zhǔn)化的程度中心性，是根據(jù)Degree列進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化形式得分。如以松柏公交車站點(diǎn)（node 8）為例，因?yàn)槠渌?個(gè)站點(diǎn)與松柏公交車站點(diǎn)的相連中共有26班次的公交車，所有站點(diǎn)相連的公交車班次共有72班，故Degree值顯示為26，Nemdegree是相對(duì)值即26/72=36.111%，Z社會(huì)網(wǎng)絡(luò)指的是將Degree值依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布形式計(jì)算出的Z分?jǐn)?shù)，即Z=(Xi-)/S公式計(jì)算得出，Xi對(duì)應(yīng)每個(gè)數(shù)字，表示均值，S表示標(biāo)準(zhǔn)差。

表3 公交站點(diǎn)的程度中心性分析結(jié)果Table 3 The central analysis results of the bus station

如表3所示，程度中心性前5名的公交站點(diǎn)是松柏（節(jié)點(diǎn) 8）、輪渡站（節(jié)點(diǎn) 1）、思北路口（節(jié)點(diǎn) 2）、特貿(mào)（節(jié)點(diǎn)4）和廈門茶廠（節(jié)點(diǎn)5），說(shuō)明這些公交站點(diǎn)的地理位置相對(duì)比較重要，發(fā)揮著公交車輛的重要樞紐功能，相對(duì)客流量比較大，是公交路線網(wǎng)絡(luò)中相互交叉的匯集和轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，可稱之為中心站點(diǎn)；排在后面的5個(gè)公交站點(diǎn)程度中心性比較低，途經(jīng)的公交路線偏少，承擔(dān)的是幾條公交路線的?？抗δ?，幾乎沒有換乘公交線路，這些站點(diǎn)可稱之為邊緣站點(diǎn)。

3.4 公交站點(diǎn)優(yōu)化模型實(shí)例論證

根據(jù)上述聚類分析和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析的計(jì)算結(jié)果，以0為分界點(diǎn)進(jìn)行劃分，將坐標(biāo)軸上劃分為四個(gè)象限，構(gòu)建公交站點(diǎn)的優(yōu)化模型，具體如圖3所示。

圖3 實(shí)例公交站點(diǎn)優(yōu)化模型Figure 3 The example analysis of the optimizationmodel of the bus station

圖3中所示公交站點(diǎn)1、2、4、7位于第一象限的中心-密集型區(qū)域，第二象限的邊緣-密集型沒有包含任何公交站點(diǎn)，3、6、9、10站點(diǎn)則位于第三象限的邊緣-稀疏型區(qū)域，站點(diǎn)5和8則隸屬于第四象限的中心-稀疏型。根據(jù)每個(gè)公交站點(diǎn)的定位象限，可給出站點(diǎn)的實(shí)際情況和優(yōu)化建議。

3.4.1 位于中心-密集型區(qū)域的公交站點(diǎn)（站點(diǎn)1、2、4、7）優(yōu)化對(duì)策

該象限的特點(diǎn)是公交站點(diǎn)橫向和縱向的指標(biāo)都表現(xiàn)很高，該區(qū)域的站點(diǎn)是交通擁堵問(wèn)題的高發(fā)點(diǎn)，需要時(shí)刻重點(diǎn)關(guān)注，采取的優(yōu)化對(duì)策有：在站點(diǎn)上增設(shè)多個(gè)小邊緣停靠點(diǎn)以錯(cuò)開?？课恢?，避免將所有的線路均?？吭谕徽军c(diǎn)，解決擁堵現(xiàn)象；或增設(shè)區(qū)間線，增加來(lái)回的車次；也可設(shè)置擁擠站點(diǎn)的輔助鏈接線，即時(shí)轉(zhuǎn)移乘客以提升換乘效率等多種優(yōu)化策略。

3.4.2 位于邊緣-密集型的公交站點(diǎn)的優(yōu)化對(duì)策

處于邊緣-密集型象限的公交站點(diǎn)，特點(diǎn)是公交線的?？繒r(shí)間等都比較長(zhǎng)，客流量比較多，但換乘的情況比較少，優(yōu)化對(duì)策有：一方面可以適當(dāng)延長(zhǎng)原有不到該站點(diǎn)的公交路線上至該站點(diǎn)，充分利用公交路線資源，另一方面可以適當(dāng)增加路線，以滿足客流量大的情況。

3.4.3 位于邊緣-稀疏型的公交站點(diǎn)的優(yōu)化對(duì)策 （站點(diǎn) 3、6、9、10）

處于這個(gè)象限的公交站點(diǎn)基本上不用進(jìn)行優(yōu)化，該站點(diǎn)提供的公交服務(wù)只需要滿足乘客需求即可，從資源優(yōu)化配置的角度看，可以根據(jù)實(shí)際站點(diǎn)的情況，及時(shí)調(diào)整剩余的公交資源，把剩余的公交資源調(diào)整到需要的公交站點(diǎn)線路上。

3.4.4 位于中心-稀疏型的公交站點(diǎn)的優(yōu)化對(duì)策 （站點(diǎn) 5和 8）

位于該象限的公交站點(diǎn)主要承擔(dān)的是交叉換乘的功能，優(yōu)化的對(duì)策為在這些區(qū)域站點(diǎn)上適當(dāng)增加換乘公交路線，同時(shí)在站點(diǎn)上增設(shè)交替錯(cuò)開的臨時(shí)?？奎c(diǎn)，或者增開輔助鏈接線以緩解換乘壓力等措施。

4 結(jié)論

文中基于目前公交擁堵問(wèn)題的現(xiàn)象出發(fā)，一方面借助聚類分析針對(duì)公交站點(diǎn)的?？空军c(diǎn)時(shí)間長(zhǎng)（秒）、上車人數(shù)、下車人數(shù)、路線數(shù)和頻繁數(shù)等變量進(jìn)行分析構(gòu)建縱軸指標(biāo)，另一方面利用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析對(duì)公交站點(diǎn)進(jìn)行公交站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)定位分析構(gòu)建橫軸指標(biāo)，由此構(gòu)建公交站點(diǎn)的優(yōu)化模型，以此優(yōu)化模型將公交站點(diǎn)進(jìn)行橫縱坐標(biāo)的科學(xué)定位，結(jié)合公交站點(diǎn)的實(shí)際情況，提出針對(duì)性的對(duì)策和建議，實(shí)例的論證結(jié)果表明，聚類分析和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析的公交站點(diǎn)的優(yōu)化模型在指導(dǎo)公交站點(diǎn)的優(yōu)化策略中有效性高，可實(shí)施程度強(qiáng)。

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