基于特征選擇的公交專用道設(shè)置方法

范馨月

(貴州大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院， 貴陽 550025)

設(shè)置公交專用道是公交優(yōu)先在空間上的體現(xiàn)[1]，2005年《國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)建設(shè)部等部門關(guān)于優(yōu)先發(fā)展城市公共交通意見的通知》(國辦發(fā)[2005] 46號)提出了公共交通的道路優(yōu)先使用權(quán)的概念，文件第五部分“保障公共交通的道路優(yōu)先使用權(quán)”提出要科學(xué)設(shè)置優(yōu)先車道(路)和優(yōu)先通行信號系統(tǒng)，加強(qiáng)優(yōu)先車道(路)和優(yōu)先通行信號系統(tǒng)管理，建立公共交通優(yōu)先車道監(jiān)控系統(tǒng)，保證道路優(yōu)先通行權(quán)。設(shè)置公交專用道可以提高公交車的運(yùn)行效率，突出公共交通的“路權(quán)優(yōu)先”，使乘坐公共交通具備大大高于駕車出行的性價比，公共交通才能成為市民優(yōu)先的選擇，管理部門才能在有限的空間和能源資源中，合理地引導(dǎo)居民出行選擇，調(diào)整出行需求結(jié)構(gòu)，改善城市交通狀況。特殊情況下，公交專用道也可以成為搶險應(yīng)急車道和搶救生命的綠色通道。但同時，公交專用道在有效實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先的同時，也加深了社會車輛與道路資源間的矛盾[2]，以及與社會車輛路權(quán)的矛盾。

國內(nèi)各大城市大多數(shù)都設(shè)有公交專用道，但有些道路設(shè)置公交專用道以后導(dǎo)致非公交專用道的社會車輛通行狀況惡化，并且專用道上公交車出現(xiàn)頻次也很低，其原因是僅套用中外設(shè)置公交專用道和公交優(yōu)先道的一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，而不是基于本地交通狀況和數(shù)據(jù)去設(shè)置，缺少科學(xué)方法支撐。目前的公交專用道設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)主要有公安部GA/T 507—2004，部分省市出臺了地方標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，內(nèi)容基本滿足單向2～3車道，每小時斷面客流為2 000～5 000人，標(biāo)準(zhǔn)公交車50～150輛。但是，每個城市地理環(huán)境、人口密度、交通狀況不一樣，采用統(tǒng)一的非自適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)無法使得公交專用道設(shè)置滿足各城市的需求。因此，需要通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)建模建立一套自適應(yīng)設(shè)置方法，解決哪些路段需要設(shè)置公交專用道、適不適合設(shè)置和怎樣設(shè)置的問題。文獻(xiàn)[5]結(jié)合交叉口停車延誤公式以人均延誤最小為目標(biāo)函數(shù)建立模型求解設(shè)置專用道的最佳公交流量比例，但模型僅考慮單一路段，沒有考慮路網(wǎng)以及方向等因素；文獻(xiàn)[6]考慮到了公交專用道設(shè)置和公交線路設(shè)置的關(guān)聯(lián)性，用離散網(wǎng)格模型研究了公交專用道選址與公交線路發(fā)車頻率的組合設(shè)計；文獻(xiàn)[7]提出了以用戶總出行成本最小和走廊公交線網(wǎng)效率最大的組合優(yōu)化模型，但沒有考慮到公交專用道對社會車輛車速的影響，僅以公交路權(quán)優(yōu)先為目標(biāo)。

現(xiàn)以貴州省貴陽市為實(shí)驗(yàn)城市，目前該市有些道路設(shè)置公交專用道以后道路通行效率嚴(yán)重降低，并且專用道上公交車出現(xiàn)頻次也很低，公交專用道設(shè)置不成體系，缺少數(shù)據(jù)分析方法支撐。基于此，融合電警、卡口地理位置信息數(shù)據(jù)及過車數(shù)據(jù)，公交GPS數(shù)據(jù)，公交站點(diǎn)和線路數(shù)據(jù)，探索基于特征選擇的公交專用道設(shè)置方案。從中外設(shè)置公交專用道的一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可以看出，主要是追求公交優(yōu)先通行權(quán)，本研究所計算出適合設(shè)置公交專用道的道路，在渠化公交專用道后會提高道路的整體通行效率，而不是一味追求公交優(yōu)先通行特權(quán)，在給政府交通管理部門提供決策支撐時更具有說服力；所采用的電警、卡口過車數(shù)據(jù)，公交車GPS數(shù)據(jù)，公交車線路數(shù)據(jù)等都是當(dāng)前交通管理部門能夠采集到的交通數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和模型計算都是可以自動完成，無需人工干涉；關(guān)鍵閾值的設(shè)置都是根據(jù)本地城市的實(shí)際交通數(shù)據(jù)計算所得，并且會定期自動計算更新，可以用于實(shí)際并在其他城市進(jìn)行推廣。

1 算法流程

算法總流程如圖1所示，子流程1 為數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包含電警、卡口數(shù)據(jù)的號牌匹配，車輛行程時間計算，社會車輛和公交車輛數(shù)據(jù)提取等；子流程 2為特征選擇模型，初步判斷哪些道路適合設(shè)置公交專用道；子流程3在初步適合設(shè)置的路段中，對設(shè)置公交專用道后道路通行效率進(jìn)行分析，篩選適合設(shè)置公交專用道的路段；子流程 4通過對路口左、直、右車流量，確認(rèn)公交專用道的限時設(shè)置方案，最終得到實(shí)驗(yàn)城市哪些道路適合設(shè)置公交專用道。

圖1 算法總流程Fig.1 Algorithm flow chart

2 特征選擇模型

一些學(xué)者對公交專用道設(shè)置效益進(jìn)行了研究[8-10]，大多數(shù)是以公交車速度作為研究對象。文獻(xiàn)[10]分析了深圳市主要道路公交專用道的車速特征，公交專用道對二次車速差有顯著積極的影響。文獻(xiàn)[11]研究什么樣的道路適合設(shè)置公交專用道，但未考慮公交專用道對社會車輛通行權(quán)的影響。路網(wǎng)中道路面積是一定的，設(shè)置公交專用道無疑會增加公交車的路權(quán)，同時減少社會車輛的路權(quán)，對社會車輛的行駛造成一定的干擾[12]。因此在考慮哪些道路適合設(shè)置公交專用道時，不僅需要考慮社會車輛對公交車行駛效率的影響，也需要考慮公交車對社會車輛行駛效率的影響。

路段車輛行程時間是分析車輛通過該路段效率的一個因素，若僅通過浮動車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無法描述所有車輛的行程時間及流量。因此，先利用實(shí)驗(yàn)城市安裝的電子警察、卡口的過車數(shù)據(jù)對車輛的實(shí)際行程時間進(jìn)行分析。在過車數(shù)據(jù)中，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除不符合車牌規(guī)則的數(shù)據(jù)(如黑Z貴Z)。根據(jù)公交車的號牌規(guī)則和車型分離公交車數(shù)據(jù)和社會車數(shù)據(jù)，通過號牌匹配建立路網(wǎng)的設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并計算車輛的實(shí)際行程時間。實(shí)際應(yīng)用中，車輛的實(shí)際行程時間不能代表所有車輛通過該路段的行程時間，因?yàn)橛械能囕v會長時停留在路段中的小區(qū)、停車場等，也可能是由于設(shè)備的錯檢、漏檢造成了計算出的實(shí)際行程時間是二次出行的時間。文獻(xiàn)[13]研究了車輛在不長時停留下單次出行通過該路段的行程置信時間，在路段行程置信時間的范圍內(nèi)，計算出實(shí)驗(yàn)路段通過該路段的平均行程時間。

圖2所示為隨機(jī)選擇的實(shí)驗(yàn)路段中一條大道1周車輛平均行程時間擬合曲線，該路段具有單向三車道，目前無公交專用道且車流量較大?？梢钥闯?，除雙休日外同一路段的車輛行程時間具有相似性，擁堵大多發(fā)生在工作日的高峰時段，路段平均行程時間達(dá)到峰值。公交車和社會車輛的行程時間的擬合曲線及路段車流量如圖3所示，從圖3可以看出，公交車的路段行程時間和社會車輛的行程時間曲線大部分相似，社會車輛的行程時間基本低于公交車的行程時間，但在高峰擁堵時段有交匯，社會車輛的行程時間超過了公交車的行程時間。

圖2 實(shí)驗(yàn)路段1周的平均行程時間擬合曲線Fig.2 Fitting curve of one week average travel time of experimental road section

圖3 實(shí)驗(yàn)路段公交車與社會車輛的平均行程時間及路段流量擬合曲線Fig.3 Average travel time of bus and social vehicle in experimental section and fitting curve of section flow

這說明路段嚴(yán)重?fù)矶?，公交車和社會車輛相互影響行駛效率。

用余弦相似度來刻畫公交車與社會車輛行程時間曲線的相似度作為設(shè)置公交專用道的一個特征：

(1)

由圖3可以看出，公交車與社會車輛曲線間的距離也是考慮設(shè)置公交專用道的一個特征。用曲線上各時段社會車輛與公交車行程時間的歐式距離的平均值來刻畫，當(dāng)兩曲線的距離越近，混行現(xiàn)象影響路段通行效率越嚴(yán)重。

(2)

路段上公交車流量和社會車輛的流量也是考慮是否設(shè)置公交專用道的特征，基于以上幾個主要特征，以實(shí)驗(yàn)城市路段為研究對象，計算路段的公交車與社會車輛行程時間曲線相似度、曲線距離、公交車與社會車流量如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)城市路段公交車與社會車輛特征Table 1 Characteristics of buses and social vehicles in experimental city section

根據(jù)以上特征進(jìn)行K-means聚類，聚類結(jié)果如表2所示。將實(shí)驗(yàn)城市603條路段分成4類，4類路段中第2類路段公交車和社會車輛平均行程時間曲線距離最小，行程時間曲線相似度較高，流量也較其他類別大。這類路段更適合設(shè)置公交專用道，共有124條路段。

表2 實(shí)驗(yàn)城市路段特征聚類中心Table 2 Clustering center of road section characteristics in experimental city

通過電警、卡口數(shù)據(jù)判斷的社會車輛和公交車輛的行為特征是一個方面，由于公交車行程時間受到公交站點(diǎn)、交叉口等因素的影響，需要結(jié)合公交車GPS數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析公交車在路段上行駛速度的變化情況，利用公交車GPS數(shù)據(jù)判斷路段上公交車輛是否存在走走停停現(xiàn)象，從而進(jìn)一步判斷在路段中間社會車輛與公交車輛是否相互影響嚴(yán)重。圖4所示為根據(jù)公交車GPS數(shù)據(jù)作的公交車軌跡分布，公交覆蓋率在實(shí)驗(yàn)城市已達(dá)95%。若公交車GPS數(shù)據(jù)速度變化頻繁，則混行現(xiàn)象嚴(yán)重，從而判斷路段是否需要設(shè)置公交專用道，將兩者分離，消除混行現(xiàn)象。算法流程見算法子流程2(圖5)。

圖4 實(shí)驗(yàn)城市公交車GPS分布Fig.4 GPS distribution of buses in experimental city

圖5 算法子流程2Fig.5 Calculation sub process 2

2 效用分析

借鑒其他城市公交專用道的建設(shè)情況，若在公交運(yùn)行狀況較好的路段設(shè)置公交專用道會占用道路資源，如果公交專用道設(shè)置不連續(xù)、在立交、平交口、右進(jìn)右出等節(jié)點(diǎn)處中斷，與社會車輛交織混行也會影響公交運(yùn)行效率[14]。故需要根據(jù)道路基礎(chǔ)信息和歷史流量數(shù)據(jù)，預(yù)判公交專用道設(shè)置后，對社會車輛通行效率是否有影響。用“0”表示該條道路不適合設(shè)置公交專用道，“1”表示適合設(shè)置公交專用道，每條車道的最大通行能力為1 000 pcu/h。在初步的篩選得出的應(yīng)該設(shè)置公交占用道的路段清單中，部分路段車道數(shù)小于3車道，再設(shè)置公交專用道會嚴(yán)重占用社會車輛的道路資源；部分城市外環(huán)快速路上，除公交車外的大型車也較多，若設(shè)置公交專用道，減少了大型車的路權(quán)，大型車又占用快車道，道路通行效率在設(shè)置公交專用道后會受到影響；部分路段小時公交量不大，盡管路段車流量大，但設(shè)置公交專用道后服務(wù)于少數(shù)公交，也不應(yīng)該設(shè)置公交專用道。因此，在算法子流程3中考慮了公交專用道的設(shè)置對道路通行效率會造成影響，如圖6所示。

圖6 算法子流程3Fig.6 Calculation sub process 3

用Nj表示第j個路段車道數(shù)，xi,j為j路段小時流量，yi,j為j路段除公交車外大型車小時流量，zi,j為j路段公交車小時流量(i=1,2,…,24)，判斷算法如下。

步驟1判斷Nj<3，若滿足，返回“0”，否則，執(zhí)行步驟2。

步驟4判斷zi,j≥12且zi+1,j≥12，若滿足，返回“0”，否則輸出“1”。

通過子流程3的路段效用分析，實(shí)驗(yàn)城市共109條路段可以設(shè)置公交專用道。

3 模型優(yōu)化

實(shí)際應(yīng)用中，公交專用道是否全天只允許公交車和出租車通行取決于該條路段社會車與公交車的流量、行程時間，站點(diǎn)設(shè)置等。公交專用道應(yīng)該設(shè)置在道路的最左側(cè)還是最右側(cè)需要更細(xì)致地進(jìn)行研判。本算法子流程4(圖7)是利用公交站點(diǎn)分布數(shù)據(jù)、各路段公交車流向分配比例數(shù)據(jù)和相互影響嚴(yán)重的時間段信息，綜合判斷公交專用道應(yīng)該設(shè)置在道路的最右側(cè)還是最左側(cè)，以及限時專用的時間段。判斷原則如下：第一，路段有公交站點(diǎn)的(右側(cè))，公交專用道設(shè)置在最右側(cè)；第二，沒有公交站點(diǎn)的，根據(jù)公交車流向分配比例設(shè)置，例如該路段上行駛的公交車只有左轉(zhuǎn)或直行的，公交專用道設(shè)置在道路最左側(cè)；第三，規(guī)定專用的時間段，需要全覆蓋公交車和社會車輛相互影響嚴(yán)重的時間段，盡量少覆蓋公交車和社會車輛相互影響較小的時間段。

圖7 算法子流程4Fig.7 Calculation sub process 4

模型優(yōu)化后對于實(shí)驗(yàn)城市，算法最終輸出需要設(shè)置公交專用道的路段公交專用道的設(shè)置方案，并給出每條路段公交專用道設(shè)置的車道位置以及限時專用的時間段。部分結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)城市適合設(shè)置公交專用道最終路段Table 3 Final sections suitable for bus lanes in experimental cities

4 結(jié)論

設(shè)置公交專用道是一種有效提升公交服務(wù)水平的措施，目的是為了更好地實(shí)施公交優(yōu)先策略。目前公交優(yōu)先的設(shè)置方法主要是為了減少行駛過程中社會車輛對公共汽車的干擾。公共汽車在公交專用道行駛時不會受到社會車輛和非機(jī)動車輛的干擾，因此能夠提升公共汽車的行駛速度，減少乘客的乘車時間，提升乘客對于公共汽車的滿意度，提升公共出行的比例。但是道路網(wǎng)絡(luò)中的道路面積是一定的，設(shè)置公交專用道會增加公交車的路權(quán)，同時也會減少社會車輛的路權(quán)，對社會車輛的行駛造成一定的干擾。因此需要采用科學(xué)合理的方法設(shè)置公交專用道，才能在提高公交服務(wù)水平的同時，對社會車輛造成的干擾最小。此次研究的創(chuàng)新性歸納為以下幾點(diǎn)：一是既考慮了社會車輛對公交車速度的影響，又考慮了公交車速度對社會車輛運(yùn)行效率的影響；二是融合了電警、卡口的過車數(shù)據(jù)及地理信息位置數(shù)據(jù)，以及公交車GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，探討設(shè)置公交專用道的科學(xué)方法；三是根據(jù)公交專用道運(yùn)行時間內(nèi)每個時段的需求不同的特點(diǎn)，對公交專用道的多時段設(shè)置進(jìn)行了研究(是否需要設(shè)置限時的公交專用道)；四是考慮到了路段是否有站點(diǎn)，根據(jù)路口車輛行駛方向的流量比例選擇公交專用道的設(shè)置車道。特征選擇模型可以初步判斷出城市哪些道路適合設(shè)置公交專用道，考慮到多因素路段后進(jìn)行模型優(yōu)化可以進(jìn)一步選擇適合設(shè)置公交專用道的道路。本研究的數(shù)據(jù)都可以獲取并且可以自適應(yīng)計算結(jié)果，在其他城市可以推廣應(yīng)用。