基于GIS位置分配模型的公交站點(diǎn)布局優(yōu)化研究
——以武漢市南湖片區(qū)為例

白 楊 劉 穩(wěn)

（武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院，武漢 430000）

基于GIS位置分配模型的公交站點(diǎn)布局優(yōu)化研究
——以武漢市南湖片區(qū)為例

白 楊 劉 穩(wěn)

（武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院，武漢 430000）

公交站點(diǎn)是城市公共交通的重要組成，其布局合理與否直接影響城市公共交通的運(yùn)行效率和吸引力。文章以武漢市南湖片區(qū)為例，應(yīng)用GIS網(wǎng)絡(luò)分析工具對(duì)研究區(qū)域公交站點(diǎn)的布局現(xiàn)狀進(jìn)行分析，之后針對(duì)現(xiàn)狀問(wèn)題使用位置分配模型對(duì)區(qū)域公交站點(diǎn)布局進(jìn)行優(yōu)化研究。研究針對(duì)不同情景提供了三種優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)比分析，認(rèn)為第三種方案更具優(yōu)勢(shì)。本文關(guān)于站點(diǎn)布局的優(yōu)化過(guò)程為相關(guān)問(wèn)題研究提供了技術(shù)方法，優(yōu)化結(jié)果可以作為研究區(qū)域未來(lái)站點(diǎn)布局的參考。

位置分配模型；公交站點(diǎn)布局優(yōu)化；武漢市南湖片區(qū)

引言

伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，城市發(fā)展速度驚人。然而在城市的快速發(fā)展過(guò)程中，隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題也不容忽視。在交通領(lǐng)域，逐年上升的人均機(jī)動(dòng)車擁有量與人均道路面積比嚴(yán)重失衡，造成交通擁堵、環(huán)境污染、城市熱島效應(yīng)等一系列問(wèn)題。為緩解上述矛盾，前國(guó)務(wù)院總理溫家寶在2012年10月主持召開(kāi)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，研究部署在城市優(yōu)先發(fā)展公共交通。

城市公共交通作為現(xiàn)代交通的重要出行方式，具有運(yùn)量大、污染小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是緩解城市交通問(wèn)題的關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)作為城市交通的主要方式大力推廣。加強(qiáng)公共交通建設(shè)，增加公共交通的吸引力，可以緩解大量小汽車出行給城市交通帶來(lái)的壓力，是現(xiàn)今和以后我國(guó)各級(jí)城市交通發(fā)展的總趨勢(shì)。然而目前我國(guó)大多數(shù)城市公共交通出行比例偏低，城市公共交通的效用并沒(méi)有得到最好的發(fā)揮。

公共交通站點(diǎn)是城市公共交通的重要組成部分，站點(diǎn)布局合理與否直接影響到公共交通的運(yùn)行效率和吸引力。本文利用GIS中的位置分配模型對(duì)武漢市南湖片區(qū)的公交站點(diǎn)布局進(jìn)行優(yōu)化研究，通過(guò)對(duì)比分析得出比較適宜的布局方案，為區(qū)域站點(diǎn)優(yōu)化提供參考。

1 武漢市南湖片區(qū)公交站點(diǎn)布局實(shí)證研究

1.1 研究區(qū)域概況

南湖片區(qū)是近年來(lái)武漢市房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)域，因東臨南湖而得名。一般認(rèn)為南湖片區(qū)是指白沙洲大道以東，南湖以西，雄楚大道以南，三環(huán)線以北的區(qū)域。研究區(qū)域在南湖片區(qū)的基礎(chǔ)上有所擴(kuò)大，南北分別以三環(huán)線和雄楚大道為界，東部以珞獅路為界，西部到長(zhǎng)江東岸。

區(qū)域現(xiàn)狀路網(wǎng)比較密集，大體呈網(wǎng)格狀分布。道路走向以白沙洲大道為界，以西多為東北—西南走向和西北—東南走向；以東道路為東—西走向和南—北走向。為了便于陳述，以二維平面地圖為參考，將區(qū)域內(nèi)道路用橫向和豎向進(jìn)行表達(dá)。區(qū)域橫向主要道路有雄楚大道、江國(guó)路、江盛路、雅安街、建安街、南湖大道和三環(huán)線；縱向道路由西向東主要有武金堤路、白沙洲大道、南李路、平安路、書城路和珞獅路。這些主要道路也是區(qū)域公交站點(diǎn)分布較多的道路。

除公路外，區(qū)域內(nèi)還有武漢市軌道交通5號(hào)線、7號(hào)線、8號(hào)線在建?？紤]到公共交通的整體性和協(xié)調(diào)性，因此在對(duì)公交站點(diǎn)的布局進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，未來(lái)軌道交通站點(diǎn)也將作為設(shè)施點(diǎn)在優(yōu)化模型中使用。

1.2 數(shù)據(jù)描述

本文關(guān)于區(qū)域站點(diǎn)布局優(yōu)化的研究所需數(shù)據(jù)包括人口數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀路網(wǎng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀步行路網(wǎng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀公交站點(diǎn)數(shù)據(jù)和未來(lái)軌道交通站點(diǎn)數(shù)據(jù)。人口數(shù)據(jù)和建筑數(shù)據(jù)來(lái)自武漢市地理信息中心；路網(wǎng)數(shù)據(jù)、步行路網(wǎng)數(shù)據(jù)、公交站點(diǎn)數(shù)據(jù)和軌道交通站點(diǎn)數(shù)據(jù)是作者依據(jù)百度地圖和智能公交APP使用ArcMap制作。

1.3 區(qū)域公交站點(diǎn)布局現(xiàn)狀問(wèn)題研究

1.3.1部分區(qū)域公交站點(diǎn)分布與人口分布匹配度差，站點(diǎn)布局不合理

將研究區(qū)域的人口數(shù)據(jù)和站點(diǎn)數(shù)據(jù)疊加，獲得人口分布與站點(diǎn)分布對(duì)比圖（圖1），字母ABC標(biāo)示之處代表站點(diǎn)分布與人口分布匹配度較差的典型區(qū)域。

如圖1所示，研究區(qū)域北部整體人口分布較多，相應(yīng)站點(diǎn)密度也較大，但是圖中A區(qū)站點(diǎn)分布密集而人口密度卻不高；南部整體人口密度較小，但是圖中B區(qū)、C區(qū)站點(diǎn)分布較少而人口密度較高。所以研究區(qū)域的公交站點(diǎn)布局整體上與區(qū)域人口分布大致匹配，但一些具體位置的站點(diǎn)分布還需要調(diào)整。

圖1 研究區(qū)域現(xiàn)狀站點(diǎn)分布與人口分布對(duì)比圖

1.3.2區(qū)域公交站點(diǎn)服務(wù)面積不足，公共交通覆蓋率有待提高

使用ArcMap中的緩沖區(qū)工具對(duì)站點(diǎn)做500米緩沖區(qū)，這些緩沖區(qū)可以看成是公交站點(diǎn)的有效服務(wù)區(qū)，通過(guò)計(jì)算可以得出區(qū)域公交站點(diǎn)服務(wù)面積。在得出站點(diǎn)服務(wù)面積的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步計(jì)算區(qū)域的公共交通覆蓋率。公共交通覆蓋率是衡量公共交通發(fā)展程度的重要指標(biāo)，反映了一個(gè)城市公共交通服務(wù)的便捷程度。公共交通覆蓋率的計(jì)算式如下：

公共交通覆蓋率=建成區(qū)內(nèi)公共交通站點(diǎn)服務(wù)面積/建成區(qū)面積

根據(jù)計(jì)算式計(jì)算，研究區(qū)域公共交通覆蓋率約為82.53%?！冻鞘械缆方煌ㄒ?guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于城市公共交通覆蓋率的建議是，以300米為半徑計(jì)算公交站點(diǎn)服務(wù)面積，公交覆蓋率不得小于城市建成區(qū)面積的50%，以500米為半徑計(jì)算，不得小于90%[1]。研究區(qū)域的公共交通覆蓋率顯然不足。

2 武漢市南湖片區(qū)公交站點(diǎn)出行生成預(yù)測(cè)

2.1 預(yù)測(cè)方法

可達(dá)性模型是預(yù)測(cè)公交出行需求的方法之一，與其他預(yù)測(cè)方法相比，其優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)算更加簡(jiǎn)便，更能反映城市交通的微觀特征?？蛇_(dá)性內(nèi)涵于1959年由Hansen提出，即在城市公交需求預(yù)測(cè)中各節(jié)點(diǎn)在交通網(wǎng)絡(luò)相互作用的機(jī)會(huì)大小，我們可以將可達(dá)性理解為出行者通過(guò)公共交通工具到達(dá)目的地的便利程度[2]?？蛇_(dá)性的研究圍繞關(guān)鍵的四類構(gòu)成要素進(jìn)行，即交通、用地空間布局、時(shí)間、個(gè)體[3]。這四項(xiàng)構(gòu)成要素同時(shí)也可以看做是可達(dá)性的影響因素。例如良好的交通設(shè)施條件、合理的用地布局、恰當(dāng)?shù)某鲂袝r(shí)間選擇、較強(qiáng)的個(gè)體行動(dòng)能力，這樣的情況下可達(dá)性好，反之可達(dá)性差。

黃正東以距離衰減理論為基礎(chǔ)，利用GIS分析工具，提出了城市公交出行需求預(yù)測(cè)的模型方法。其預(yù)測(cè)的基本流程是采用負(fù)羅切斯特可達(dá)性模型估算站點(diǎn)周邊公交出行發(fā)生概率，結(jié)合人口分布模型獲得站點(diǎn)周邊的公交發(fā)生分布，應(yīng)用雙約束蒙特卡洛分解算法，獲得全市公交吸引分布[4]。預(yù)測(cè)方法的流程如圖2所示。

圖2 基于可達(dá)性模型計(jì)算公交站點(diǎn)出行需求

研究區(qū)域公交站點(diǎn)的部分生成值（表1）代表以站點(diǎn)為中心在阻抗范圍內(nèi)居民的出行量，數(shù)值越大，代表此站點(diǎn)周邊居民的出行需求越大。在應(yīng)用位置分配模型時(shí)，作為候選設(shè)施點(diǎn)的公交站點(diǎn)被選擇的機(jī)會(huì)是有區(qū)別的。被選擇機(jī)會(huì)的大小對(duì)應(yīng)候選設(shè)施點(diǎn)的權(quán)重屬性，權(quán)重值即為公交站點(diǎn)的生成值。

2.2 預(yù)測(cè)過(guò)程

（1）在ArcMap中加載研究區(qū)域的公交站點(diǎn)數(shù)據(jù)、建筑點(diǎn)數(shù)據(jù)和步行路網(wǎng)數(shù)據(jù)；

（2）以500米為半徑對(duì)站點(diǎn)建立緩沖區(qū)，篩選出緩沖區(qū)內(nèi)的建筑點(diǎn)數(shù)據(jù)i；

（3）以研究區(qū)域的步行道路網(wǎng)為基礎(chǔ)，計(jì)算每個(gè)建筑點(diǎn)i在步行路網(wǎng)中到達(dá)公交站點(diǎn)的距離d，距離信息保存在建筑點(diǎn)的屬性表中；

（4）計(jì)算建筑點(diǎn)i的公交出行概率,信息保存在建筑點(diǎn)屬性表中，計(jì)算公式為：；

（5）將緩沖區(qū)范圍內(nèi)建筑點(diǎn)的出行生成累計(jì)相加得出站點(diǎn)S的公交生成值Ps：。

表1 研究區(qū)域公交站點(diǎn)生成值（部分）

3 基于位置分配模型的公交站點(diǎn)布局優(yōu)化

在GIS 的網(wǎng)絡(luò)分析工具中，位置分配模型針對(duì)從可能的候選位置中選擇指定數(shù)量的設(shè)施點(diǎn)非常有效，通常用于各種設(shè)施的選址問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇何種問(wèn)題類型進(jìn)行求解取決于要定位的設(shè)施點(diǎn)種類。其中最大化覆蓋范圍問(wèn)題模型以被覆蓋的請(qǐng)求點(diǎn)數(shù)量最大化為目標(biāo)，在定位設(shè)施點(diǎn)時(shí)會(huì)選擇較多數(shù)量以滿足優(yōu)化目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上給出更加適合的設(shè)施點(diǎn)布局。因此，本文使用最大化覆蓋范圍模型對(duì)研究區(qū)域的公交站點(diǎn)布局進(jìn)行模擬優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化過(guò)程

站點(diǎn)優(yōu)化過(guò)程是模型的多次實(shí)驗(yàn)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中的自變量為 “要選擇的設(shè)施點(diǎn)”數(shù)量，因變量為被選擇的設(shè)施點(diǎn)數(shù)量。通過(guò)賦予“要選擇的設(shè)施點(diǎn)”不同的數(shù)值來(lái)獲得不同的優(yōu)化結(jié)果，空間上反映為公交站點(diǎn)的不同布局。模型優(yōu)化流程如圖3所示：

圖3 模型站點(diǎn)優(yōu)化流程圖

在站點(diǎn)優(yōu)化布局的過(guò)程中，模型對(duì)于候選設(shè)施點(diǎn)的處理方式有兩種：一是候選合適點(diǎn)位置合理，模型處理方式為選擇此設(shè)施點(diǎn)，表現(xiàn)為圖4中綠色方形設(shè)施點(diǎn)。二是候選設(shè)施點(diǎn)位置不合理，模型處理方式為不選擇此設(shè)施點(diǎn)，表現(xiàn)為圖4中紅色方形設(shè)施點(diǎn)。

圖4 設(shè)施點(diǎn)選擇示意圖

3.3 優(yōu)化方案

方案一：候選設(shè)施點(diǎn)為現(xiàn)狀公交站點(diǎn)和交叉口點(diǎn)數(shù)據(jù)，不設(shè)置必選設(shè)施點(diǎn)。需求點(diǎn)為建筑點(diǎn)數(shù)據(jù)。選擇的設(shè)施點(diǎn)數(shù)量為113個(gè)，即現(xiàn)狀公交站點(diǎn)的數(shù)量。

圖5 方案一優(yōu)化布局圖

實(shí)驗(yàn)使用最大化覆蓋范圍模型進(jìn)行模擬運(yùn)算，優(yōu)化布局見(jiàn)圖5。此時(shí)的公共交通覆蓋率約為86.10%，有47個(gè)公交站點(diǎn)被保留，66個(gè)公交站點(diǎn)被交叉口的位置取代，乘客從需求點(diǎn)到設(shè)施點(diǎn)的距離阻抗和為2043710.454959米。

方案二：候選設(shè)施點(diǎn)為公交站點(diǎn)和交叉口，必選設(shè)施點(diǎn)為軌道交通站點(diǎn)。需求點(diǎn)為建筑點(diǎn)數(shù)據(jù)。選擇的設(shè)施點(diǎn)數(shù)為132個(gè)，這是加入軌道交通站點(diǎn)后設(shè)施點(diǎn)的數(shù)量。

實(shí)驗(yàn)使用最大化覆蓋范圍模型進(jìn)行模擬運(yùn)算，優(yōu)化布局見(jiàn)圖6。優(yōu)化結(jié)果為62個(gè)公交站點(diǎn)被保留，其余51個(gè)公交站點(diǎn)被交叉口取代。此時(shí)覆蓋率達(dá)到88.2%，乘客從需求點(diǎn)到設(shè)施點(diǎn)的距離阻抗和為1999048.163959米。

方案三：候選設(shè)施點(diǎn)為公交站點(diǎn)和交叉口，必選設(shè)施點(diǎn)為軌道交通站點(diǎn)。需求點(diǎn)為建筑點(diǎn)數(shù)據(jù)。選擇的設(shè)施點(diǎn)數(shù)為n（88≤n≤244）,n的取值范圍是區(qū)域公共交通覆蓋率最大化時(shí)選擇設(shè)施點(diǎn)的取值范圍。

優(yōu)化過(guò)程使用最大化覆蓋范圍模型模擬設(shè)施點(diǎn)從88個(gè)到244個(gè)之間公交站點(diǎn)個(gè)數(shù)和公共交通覆蓋率的變化情況。因?yàn)樵O(shè)施點(diǎn)區(qū)間內(nèi)的數(shù)字較多，所以文章以12個(gè)公交站點(diǎn)為單位制作了方案三的數(shù)據(jù)表（表2）。

圖6 方案二優(yōu)化布局圖

表2 方案三優(yōu)化數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)顯示，保留的公交站點(diǎn)數(shù)量與要選擇的設(shè)施點(diǎn)數(shù)量呈正相關(guān)，而距離阻抗之和則與要選擇的設(shè)施點(diǎn)數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。即建立越多的公交站點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)乘客從需求點(diǎn)到設(shè)施點(diǎn)的距離成本越小，但是這也意味著公交公司要付出更多的成本。乘客需求并不是建設(shè)公交站點(diǎn)的唯一重要因素，公交公司建設(shè)公交站的意愿同樣重要。

3.4 優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)與建議

3.4.1優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)

方案一是在區(qū)域公交站點(diǎn)原本數(shù)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的模擬，在不考慮其他公共交通方式的情況下，約有58.4%的公交站點(diǎn)分布不合理，被候選交叉口取代。其中雄楚大道、建安街、恒安路、珞獅路以及白沙洲大道公交站點(diǎn)冗余情況較為突出，站點(diǎn)布局改動(dòng)較大。此方案是在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上對(duì)公交站點(diǎn)的優(yōu)化方案，沒(méi)有考慮未來(lái)建成軌道交通的影響，優(yōu)化結(jié)果不具前瞻性。

方案二的優(yōu)化結(jié)果顯示，區(qū)域公共交通覆蓋率和站點(diǎn)保留數(shù)量有所提高，乘客從設(shè)施點(diǎn)到需求點(diǎn)的距離阻抗之和有所減少。此方案是在加入軌道交通站點(diǎn)后在原本公交站點(diǎn)數(shù)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的模擬，這說(shuō)明了軌道交通建成對(duì)區(qū)域公共交通的積極作用。同時(shí)方案也體現(xiàn)了在非單一交通方式下站點(diǎn)優(yōu)化的協(xié)調(diào)性，更具前瞻性和整體觀。

方案三是相對(duì)開(kāi)放的優(yōu)化方案，在保證區(qū)域公共交通覆蓋率最大的情況下給出多種選擇。該方案同樣使用最大化覆蓋范圍模型，要選擇的設(shè)施點(diǎn)數(shù)量是一個(gè)區(qū)間，該區(qū)間是保證區(qū)域公共交通覆蓋率最大化的數(shù)值區(qū)間，理論上在區(qū)間內(nèi)以1為單位的156種結(jié)果都可以作為優(yōu)化布局的選擇方案。但是該方案需要權(quán)衡公交公司的利益和乘客利益，在數(shù)據(jù)上，分別對(duì)應(yīng)選擇的設(shè)施點(diǎn)數(shù)量和距離阻抗和。站點(diǎn)越多，乘客到達(dá)站點(diǎn)的機(jī)會(huì)就越大，但是公交公司則要花費(fèi)更多的成本。因此在方案三的優(yōu)化選擇內(nèi)建議決策者可以在資金允許的情況下選擇盡可能多的設(shè)施點(diǎn)，然后按照模型優(yōu)化后的位置對(duì)站點(diǎn)進(jìn)行布局。

3.4.2優(yōu)化建議

（1）合理公交站點(diǎn)布局，盡量滿足居民出行需求。參照研究的優(yōu)化方案，對(duì)區(qū)域公交站點(diǎn)布局進(jìn)行調(diào)整，保留位置適當(dāng)?shù)墓徽军c(diǎn)并建設(shè)新的公交站點(diǎn)；合理布局公交站點(diǎn)，提高區(qū)域公共交通覆蓋率，盡量滿足居民出行需求。

（2）樹立交通結(jié)構(gòu)整體觀，注重各交通方式間的協(xié)調(diào)。在建設(shè)公交站點(diǎn)時(shí)，其他交通方式也是重要的參考因素。區(qū)域未來(lái)有軌道交通建成，交通方式并非單一結(jié)構(gòu)，因此在站點(diǎn)布局時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮軌道交通站點(diǎn)的影響，注重各交通方式之間的協(xié)調(diào)。

4 結(jié)語(yǔ)

武漢市南湖片區(qū)的現(xiàn)狀公交站點(diǎn)布局，存在位置分布不合理和公共交通覆蓋率不足的問(wèn)題。本文用GIS的位置分配模型對(duì)該片區(qū)公交站點(diǎn)布局進(jìn)行研究并提供了三種優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)比分析，方案三具有更好的適應(yīng)性和靈活性。本文應(yīng)用的位置分配模型是最大化覆蓋范圍模型，模型選擇針對(duì)研究區(qū)域公交站點(diǎn)的現(xiàn)狀問(wèn)題，但最大化覆蓋范圍模型只是位置分配模型中的一種，不同種類的設(shè)施點(diǎn)類型可以選擇不同的問(wèn)題模型，在公交站點(diǎn)作為設(shè)施點(diǎn)時(shí)，最小化阻抗模型也可以作為候選模型考慮。

研究的不足之處是在提供的方案中需要權(quán)衡公交公司和乘客的利益做出最后決策，本文沒(méi)有對(duì)此深入探討，在公交站點(diǎn)的實(shí)際建設(shè)時(shí)，利益的權(quán)衡是一個(gè)值得探索的問(wèn)題。

[ 1 ] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局,中華人民共和國(guó)建設(shè)部.城市道路交通規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范[ M] .北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1995 GB50220-95.

[ 2 ] HansenW.G.How Accessibility Shapes Land Use[J].Journal of American Planning, 1959, 25.

[ 3 ] Geurs K T,Ritsama van Eck J R.2001.Accessibility Measure:Review and Applications. Bilthoven, National Institute of Public Health and The Environment，The Netherlands[M]:265.

[ 4 ] 黃正東,劉學(xué)軍.大城公共交通空間網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃.[M].北京：科學(xué)出版社,2013.11:110-112.

Research on bus station layout optimization based on GIS location allocation model——A case study of Nanhu District in Wuhan

Bai Yang Liu Wen
（School of Urban Design of Wuhan University：430000）

The bus station is an important component of urban public transport and its layout directly affects the working eff i ciency and attractiveness of urban public transport. This paper takes Nanhu District in Wuhan as research area,applicating GIS network analysis tools to study the present situation of bus station layout in Nanhu District, then use location allocation model to optimize the layout of bus station. In this paper, three optimization programmes are provided for different situation.After comparison, it is concluded that the third programme have more advantages. The optimization process provides a technical method for the research of similar problems and the results can be used as reference for the bus station layout of the research area.

location allocation model; bus station layout optimization; Nanhu District of Wuhan

U492.1+1

A