基于節(jié)點(diǎn)重要度的公交專用道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識別

鄧紅星，王瑋琦

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 哈爾濱 150040)

公交優(yōu)先已經(jīng)成為很多大城市解決交通擁堵的重要途徑之一。完善公交運(yùn)行體系、引導(dǎo)出行者更多地選擇公共出行方式是改善道路環(huán)境的有效措施。設(shè)置公交專用道的目的是將路權(quán)優(yōu)先劃分給單位載客量大的公共交通方式，為公交車的運(yùn)行提供保障，從而增加公共交通的吸引力。但目前很多城市布設(shè)的公交專用道都是交通部門按照經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行劃線，未能連成有效的網(wǎng)絡(luò)，故運(yùn)行效率沒有發(fā)揮到最大。因此，有必要對公交專用道的布設(shè)進(jìn)行切實(shí)可行的規(guī)劃成網(wǎng)。

公交專用道路網(wǎng)規(guī)劃的方法主要有逐步成網(wǎng)法[1]、四階段預(yù)測法[2]、經(jīng)驗(yàn)判斷法等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在公交專用道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化方向進(jìn)行了研究。四兵鋒等[3]從系統(tǒng)最優(yōu)的角度構(gòu)造了城市公交專用道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型。盧小林等[4]將公交專用道選址與公交線網(wǎng)調(diào)整結(jié)合對兩者進(jìn)行了同步優(yōu)化。

節(jié)點(diǎn)重要度的概念被廣泛應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，目前在交通領(lǐng)域上對節(jié)點(diǎn)重要度的分析和應(yīng)用主要集中在公交線路優(yōu)化[5]、道路建設(shè)時序[6-7]等領(lǐng)域。文獻(xiàn)[8-9]在關(guān)于節(jié)點(diǎn)辨識方法上進(jìn)行了探索，分別提出了節(jié)點(diǎn)重要度傳輸貢獻(xiàn)矩陣方法和基于投影尋蹤分析的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)辨識方法。

本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性和交通特征指標(biāo)綜合分析，結(jié)合介數(shù)指標(biāo)和工作強(qiáng)度指標(biāo)，將城市道路網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)重要度評估與公交專用道布設(shè)進(jìn)行結(jié)合，建立節(jié)點(diǎn)重要度評價指標(biāo)體系，計算節(jié)點(diǎn)重要度，從而識別出適合進(jìn)行專用道設(shè)置的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。這種方法使公交專用道規(guī)劃轉(zhuǎn)向更加科學(xué)合理的“由樞紐到網(wǎng)絡(luò)”的方式。優(yōu)化線網(wǎng)與城市客流主要集散點(diǎn)更好地銜接，有利于增加公交專用道對出行者的吸引力。

1 節(jié)點(diǎn)選取

在交通規(guī)劃領(lǐng)域中，節(jié)點(diǎn)是重要的交通單元。公交專用道的設(shè)置是為了服務(wù)城市整體交通發(fā)展，因此選取的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)為城市總體規(guī)劃確定的大型客流集散點(diǎn)。對于城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有較強(qiáng)主導(dǎo)作用的節(jié)點(diǎn)應(yīng)包括以下5類：行政中心點(diǎn)、交通樞紐點(diǎn)、文化商業(yè)點(diǎn)、大型企業(yè)點(diǎn)、大型居住區(qū)[10]，具體如表1所示。

文獻(xiàn)[11]中對公交專用道設(shè)置道路幾何條件進(jìn)行了探討，并闡明設(shè)置在雙向六車道及以上的道路上的專用道其可靠性和可操作性最佳。因此，在選擇節(jié)點(diǎn)時，建議選取雙向六車道以上的道路節(jié)點(diǎn)。

表1 城市主要客流集散點(diǎn)類型

2 節(jié)點(diǎn)重要度綜合分析

節(jié)點(diǎn)重要度是交通網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸集散能力的量化指標(biāo)，是衡量節(jié)點(diǎn)在城市道路中重要程度的主要依據(jù)。定量地計算節(jié)點(diǎn)的重要程度可以為道路規(guī)劃提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

對于城市道路網(wǎng)中第i個節(jié)點(diǎn)的重要度綜合指數(shù)(即節(jié)點(diǎn)重要度)可用式(1)進(jìn)行計算。

(1)

2.1 建立評價指標(biāo)體系

公交專用道的設(shè)置受多方面因素的影響。應(yīng)對影響公交專用道整體布局的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，建立節(jié)點(diǎn)評價指標(biāo)體系。公交專用道的布設(shè)是基于現(xiàn)有路網(wǎng)進(jìn)行設(shè)置，因此要優(yōu)先考慮現(xiàn)有路網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征以及區(qū)位因素。交通節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的交通量等交通特性也是建設(shè)公交專用道的重要考量因素。在出行者選擇出行方式時，起訖點(diǎn)之間的最短路徑的走向同樣影響著出行者的選擇。綜上所述，本文從區(qū)位因素、交通特性、路徑選擇3個方面，選出7個具體指標(biāo)構(gòu)建了評價指標(biāo)體系，從而綜合確定公交專用道關(guān)鍵點(diǎn)選取指標(biāo)參數(shù)。

圖1 節(jié)點(diǎn)重要度綜合評價指標(biāo)體系

1) 節(jié)點(diǎn)在城市發(fā)展規(guī)劃中的地位C1。該項(xiàng)綜合節(jié)點(diǎn)的社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及城市發(fā)展規(guī)劃中的定位，由專家評判法綜合確定，在0～10取值。

2) 基于道路等級的節(jié)點(diǎn)度C2。結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中節(jié)點(diǎn)度的概念，本文將基于道路等級的節(jié)點(diǎn)度定義為交叉口所連路段各進(jìn)口道與出口道車道數(shù)之和的均值[12]，具體表示為

(2)

其中：m為節(jié)點(diǎn)處進(jìn)口道數(shù)；kj0為進(jìn)口道車道數(shù)；kji為出口道車道數(shù)。通常情況下，節(jié)點(diǎn)度越大說明該節(jié)點(diǎn)在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中越重要，基于道路等級的節(jié)點(diǎn)度更能在一定程度上反映該節(jié)點(diǎn)在城市道路中的重要程度。

3) 站點(diǎn)客流集散量C3。指單位時間公交站點(diǎn)客流集結(jié)量(上車乘客數(shù))和客流疏散量(下車乘客數(shù))，反映了公交站點(diǎn)及其周邊的公交需求情況，是公交規(guī)劃的重要依據(jù)。本文采用高峰小時作為一個統(tǒng)計期，調(diào)查公交站點(diǎn)上下車人數(shù)之和。

4) 高峰小時公交車流量C4。指經(jīng)過該站點(diǎn)的所有公交線路在一個高峰小時內(nèi)的公交車數(shù)量。

5) 公交線路數(shù)量C5。指公交線路經(jīng)過該站點(diǎn)的數(shù)量之和，能夠反映該點(diǎn)公交運(yùn)行情況。

6) 工作強(qiáng)度指標(biāo)C6。工作強(qiáng)度概念普遍應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)中。在通信網(wǎng)絡(luò)中，信息按最短路徑傳遞，包含節(jié)點(diǎn)j的最短路徑的數(shù)量能夠反映該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的近似工作強(qiáng)度?，F(xiàn)將這一概念延伸至道路網(wǎng)中，可反映路網(wǎng)中該處道路節(jié)點(diǎn)的工作強(qiáng)度。

選擇合適的最短路徑算法，在路網(wǎng)中尋找最短路徑和次最短路徑，將經(jīng)過節(jié)點(diǎn)j的最短路徑和次最短路徑數(shù)量記為E1(j)、E2(j)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)記為p,則工作強(qiáng)度指標(biāo)C6(j)可表示為

(3)

7) 介數(shù)指標(biāo)C7。節(jié)點(diǎn)i、j之間經(jīng)過節(jié)點(diǎn)k的最短路徑占兩點(diǎn)之間所有最短路徑的比例，表示為

(4)

其中：qij(k)表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j經(jīng)過k的最短路徑的數(shù)量；qij表示節(jié)點(diǎn)i和j之間最短路徑的數(shù)量。

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

本文選擇主成分分析法確定指標(biāo)權(quán)重。主成分分析是把原來多個彼此相關(guān)的指標(biāo)(原變量)線性組合為少數(shù)幾個彼此獨(dú)立的綜合指標(biāo)(新變量)。新變量是關(guān)于原變量的綜合指標(biāo)，它提取了原指標(biāo)的主要成分的統(tǒng)計信息，故將其定義為主成分。主成分分析法避免了Delphi法、AHP法等主觀賦權(quán)方法的弊端，使得分析更加客觀真實(shí)，更具有說服力，其基本步驟為：

步驟1確定基本數(shù)據(jù)矩陣X；

步驟2對數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱為一化處理。因各指標(biāo)的計量單位不同，對其進(jìn)行量綱為一化處理可解決數(shù)據(jù)的不可比性問題；

步驟3判斷變量是否適合做因子分析?？梢杂肂artlett球形檢驗(yàn)、KMO測度等方法確定；

步驟4進(jìn)行因子分析；

步驟5計算各節(jié)點(diǎn)重要度綜合評價指標(biāo)的權(quán)重。

2.3 計算節(jié)點(diǎn)重要度

本文通過前期調(diào)研，獲取路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)基本信息，計算指標(biāo)參數(shù)，確定指標(biāo)權(quán)重，將指標(biāo)數(shù)據(jù)代入計算公式，求得各節(jié)點(diǎn)的重要度綜合指數(shù)，具體計算流程如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)重要度綜合指數(shù)計算流程

3 實(shí)例驗(yàn)證

哈爾濱城市主要發(fā)展區(qū)集中在松花江南岸，從公共設(shè)施、居住、商業(yè)文化中心等城市各種性質(zhì)用地規(guī)模和比例上可以看出，道里區(qū)集中了哈爾濱市大多數(shù)行政、居住、商業(yè)文娛用地。同時，位于道里區(qū)的群力新區(qū)作為城市開發(fā)區(qū)，目前處于開發(fā)的起步階段，未來的發(fā)展前景可觀，將來會成為人口和城市功能疏散的重點(diǎn)區(qū)域。因此，本文選取哈爾濱市道里區(qū)為實(shí)例進(jìn)行簡化路網(wǎng)，選取節(jié)點(diǎn)做交通調(diào)查，得到節(jié)點(diǎn)處進(jìn)出口車道數(shù)、站點(diǎn)客流集散量和高峰小時公交車流量等相關(guān)數(shù)據(jù)，對該區(qū)域進(jìn)行綜合評估，從而驗(yàn)證方法的可行性。

3.1 計算節(jié)點(diǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)

首先確定路網(wǎng)的鄰接矩陣。在Matlab中利用Dijkstra算法搜索簡化路網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)對之間最短路徑和次最短路徑。統(tǒng)計最短路徑和次短路徑經(jīng)過各節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，利用式(3)(4)計算15個節(jié)點(diǎn)的工作強(qiáng)度和介數(shù)指標(biāo)。最終得到的各節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 各節(jié)點(diǎn)基本信息

3.2 主成分分析確定權(quán)重

借助IBM SPSS Statistics 22進(jìn)行數(shù)據(jù)分析操作，具體操作步驟如下：

步驟1數(shù)據(jù)量綱為一化。選擇菜單，分析—描述統(tǒng)計—描述，勾選將標(biāo)準(zhǔn)化得分另存為變量。這里使用Z標(biāo)準(zhǔn)化方法，即每一變量值與其平均值之差除以該變量的標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)化后各變量的均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1。

步驟2選擇菜單，進(jìn)行“分析—降維—因子分析”。

步驟3設(shè)置選項(xiàng)，進(jìn)行KMO和Bartlett 的球形度檢驗(yàn)，抽取相關(guān)性矩陣、未旋轉(zhuǎn)的因子解，基于特征值，用最大方差法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并顯示旋轉(zhuǎn)后的解，顯示因子得分矩陣。

按照以上步驟進(jìn)行操作，輸出的主要結(jié)果見表3、4。對結(jié)果的詳細(xì)分析如下：

將選取的15個節(jié)點(diǎn)作為樣本，對評價體系中的7個指標(biāo)進(jìn)行了KMO和Bartlett 的球形度檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。一般認(rèn)為KMO值大于0.6，Bartlett檢驗(yàn)中的顯著性達(dá)到顯著水平，即sig<0.05，代表著適合做因子分析。通過結(jié)果可以看出：該樣本的KMO值為0.564，檢驗(yàn)結(jié)果不是很理想，但是Bartlett的球形度檢驗(yàn)的顯著性為0.000，小于顯著性水平0.05，因此拒絕球度檢驗(yàn)的零假設(shè)，認(rèn)為指標(biāo)適合做因子分析。綜合考慮兩項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為選取的7項(xiàng)指標(biāo)做因子分析是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

由表4可以發(fā)現(xiàn)：前3個初始特征值均大于1，且提取前3個主成分的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了84.538%，超過了80%。因此，認(rèn)為前3個主成分基本可以代表全部指標(biāo)信息。

表3 KMO和巴特利特檢驗(yàn)

表4 總方差解釋

用主成分分析確定指標(biāo)權(quán)重等于以主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，要對該指標(biāo)在各主成分線性組合中的系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均歸一化。因此，需要知道主成分在各線性組合中的系數(shù)以及主成分的方差貢獻(xiàn)率，即不同主成分的權(quán)重。

具體過程參考文獻(xiàn)[13-14]。最終通過歸一化得到各因素的權(quán)重系數(shù)，如表5所示。

表5 各因素的權(quán)重系數(shù)

3.3 計算節(jié)點(diǎn)重要度

將確定的權(quán)重系數(shù)(Wji)代入式(1)，可以得到節(jié)點(diǎn)重要度(Di)的計算公式，再將表2中各節(jié)點(diǎn)基本信息分別代入計算公式即可求得各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)重要度(Di)。

以節(jié)點(diǎn)2中央大街?jǐn)?shù)據(jù)為例，對節(jié)點(diǎn)重要度的計算過程加以演示。

① 計算并代入第i個指標(biāo)的均值；② 將節(jié)點(diǎn)2對應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)代入，即可得到節(jié)點(diǎn)重要度數(shù)據(jù)。即：

按照上述方法可分別求得15個節(jié)點(diǎn)的重要度數(shù)值，結(jié)果如表6所示。

表6 各節(jié)點(diǎn)重要度

根據(jù)以上計算結(jié)果可將節(jié)點(diǎn)重要度分為4類，如表7所示。屬于極其重要和非常重要的節(jié)點(diǎn)對于公交專用道的建設(shè)有很大的需求，具有明顯的建設(shè)優(yōu)勢，應(yīng)考慮優(yōu)先建設(shè)；對于一般重要和比較重要的節(jié)點(diǎn)，其客流及路網(wǎng)條件也比較適合進(jìn)行公交專用道建設(shè)，可根據(jù)該區(qū)域的具體實(shí)際情況進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)。

表7 節(jié)點(diǎn)重要度分類

在TransCAD中將節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行可視化處理，得到如圖3所示結(jié)果。

圖3 節(jié)點(diǎn)重要度可視化結(jié)果

由結(jié)果可見，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的二環(huán)路以內(nèi)節(jié)點(diǎn)的重要度普遍偏高，與目前尚志大街、新陽路沿線已進(jìn)行公交專用道建設(shè)的現(xiàn)實(shí)相符，證明了該識別方法是可行、有效的。在群力新區(qū)等開發(fā)區(qū)地域，目前人口較少，商業(yè)、配套設(shè)施建設(shè)尚未齊全，但該地區(qū)具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ瑧?yīng)做好未來一段時間內(nèi)的交通量預(yù)測，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行公交專用道規(guī)劃與建設(shè)。

4 結(jié)論

本文通過改進(jìn)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)重要度的計算方法，對城市道路中適合建設(shè)公交專用道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識別分析，得到以下結(jié)論：

1) 在影響城市公交專用道節(jié)點(diǎn)識別的眾多因素中，工作強(qiáng)度指標(biāo)、介數(shù)指標(biāo)和站點(diǎn)客流集散量為3個主要因素，占比64.03%。其中，路徑選擇因素對于節(jié)點(diǎn)重要度的影響較為突出，因此在進(jìn)行公交專用道布置時，應(yīng)做好前期交通流量的調(diào)研，重點(diǎn)分析節(jié)點(diǎn)最短路徑。

2) 通過實(shí)例驗(yàn)證，最終識別得到的結(jié)果與實(shí)際基本符合，驗(yàn)證了該方法的合理性以及可行性，可為公交專用道后續(xù)的路網(wǎng)規(guī)劃以及建設(shè)時序提供借鑒和參考。