多源大數(shù)據(jù)視角下基于居民出行需求匹配的城市公交系統(tǒng)優(yōu)化策略

劉東虎 林娟玲 蔡李英杰 楊麒丙 時建平

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥 230601）

公共交通對于城市的運轉(zhuǎn)具有重要的作用。隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，大量人口涌向城市，以一線城市為代表的城市快速擴張，逐漸形成結(jié)構(gòu)體系和功能分區(qū)，城市居民的出行需求也更復(fù)雜和多樣。城市公共交通是居民出行的重要的方式，其規(guī)劃的合理性和便捷性直接關(guān)系城市的整體交通品質(zhì)和居民的出行體驗。近年來，大城市出現(xiàn)了早晚高峰時交通擁堵、公共交通系統(tǒng)運力不足、資源分配不合理等“城市病”，嚴(yán)重影響居民的生活品質(zhì)。因此，城市公共交通的規(guī)劃與居民需求的匹配度研究是重要的課題。

大數(shù)據(jù)的興起為這一研究課題提供了有力手段。傳統(tǒng)的城市公共交通規(guī)劃主要依據(jù)城市規(guī)劃、城市發(fā)展方向、城市結(jié)構(gòu)等確定，是“自上而下”為主導(dǎo)的，精細(xì)程度低，對居民的出行需求考慮不全面。大數(shù)據(jù)具有海量、真實、實時等特點，源于每一個城市居民，能夠真實地反饋居民的出行需求。采用大數(shù)據(jù)方法對城市居民的出行需求進(jìn)行研究，評估城市公共交通規(guī)劃的質(zhì)量，使城市居民通過大數(shù)據(jù)的反饋間接參與城市規(guī)劃，“自下而上”地輔助優(yōu)化城市公共交通規(guī)劃，提升城市品質(zhì)。國內(nèi)研究方面，公共交通大數(shù)據(jù)的獲取和應(yīng)用方法的相關(guān)研究較多，但較少使用大數(shù)據(jù)方法從城市居民需求的角度研究公共交通規(guī)劃。本文基于相關(guān)研究，簡要探討大數(shù)據(jù)在公共交通規(guī)劃中的作用和大數(shù)據(jù)的獲取方法，提出用于測度城市公共交通與居民需求匹配度的方法，針對不同的匹配度形成機制提出優(yōu)化策略。

1 大數(shù)據(jù)對公共交通規(guī)劃的作用

1.1 大數(shù)據(jù)與公共交通

目前我國公共交通發(fā)展滯后于經(jīng)濟社會發(fā)展，無法滿足人們出行的根本需要，部分線網(wǎng)、站點過度飽和或使用率較低，反映了公共交通線網(wǎng)、站點線網(wǎng)分布與人們出行的使用需求匹不完全匹配的問題。需要利用相比傳統(tǒng)公交數(shù)據(jù)更全面、科學(xué)、客觀的大數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)支撐，通過可視化處理，對公共交通線網(wǎng)和使用需求進(jìn)行匹配度分析，并提出優(yōu)化策略，使公交站點、線網(wǎng)分布的重新規(guī)劃更科學(xué)化、合理化、均衡化。

1.2 大數(shù)據(jù)對公共交通規(guī)劃的合理性判斷和引導(dǎo)

隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的創(chuàng)新，大數(shù)據(jù)類型趨向多樣化。公共交通相關(guān)數(shù)據(jù)逐漸被挖掘且不斷完善，多類型的數(shù)據(jù)可從不同方面對公共交通深入分析，對客流進(jìn)行建模仿真，更全面地反映客流情況，為決策者提供精確結(jié)果，有依據(jù)地對公共交通規(guī)劃和線路進(jìn)行調(diào)整提升。

眾多通過連接公交數(shù)據(jù)平臺的線網(wǎng)數(shù)據(jù)，GPS實時定位數(shù)據(jù)等手機App軟件可為乘客提供車輛到達(dá)情況、行駛狀況等公交運營信息，以便乘客合理安排出行時間和線路。通過利用大數(shù)據(jù)實時、動態(tài)的特性，可保障規(guī)劃和決策不與社會發(fā)展脫節(jié)，實時、精準(zhǔn)地進(jìn)行調(diào)度和管理，根據(jù)相應(yīng)的需求以對應(yīng)的手段對城市公共交通規(guī)劃進(jìn)行引導(dǎo)，使規(guī)劃可以針對性地利用資源和促進(jìn)城市合理發(fā)展。

2 研究數(shù)據(jù)類別

2.1 API技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)

API指的是應(yīng)用程序編程接口，由中國聯(lián)通智慧足跡統(tǒng)計數(shù)據(jù)API產(chǎn)品概述，城市以250 m×250 m網(wǎng)格均勻覆蓋，借用接口調(diào)用形式訪問，提供每一網(wǎng)格各維度人口分布分析和城市出行分析。

API可獲取數(shù)據(jù)類型如圖1所示。

圖1 API可獲取數(shù)據(jù)類型

2.2 手機信令數(shù)據(jù)

手機信令數(shù)據(jù)是一種時間序列數(shù)據(jù)，由基站的經(jīng)緯度和時間戳構(gòu)成。居民通過數(shù)據(jù)上網(wǎng)、接發(fā)短信等方式觸發(fā)基站響應(yīng)。采集對象以城市范圍內(nèi)的基站為坐標(biāo)拾取點，通過手機信令信號變化記錄居民的活動變化。

2.3 城市交通相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

靜態(tài)數(shù)據(jù)包括城市公交數(shù)據(jù)、城市路網(wǎng)數(shù)據(jù)；動態(tài)數(shù)據(jù)包括城市交通實時GPS定位。

3 數(shù)據(jù)處理方法與技術(shù)路線

3.1 GIS空間密度分析

將城市交通基礎(chǔ)靜態(tài)數(shù)據(jù)和城市POI導(dǎo)入城市GIS，數(shù)據(jù)內(nèi)點包含公交線路?？啃畔?，將位于街道兩側(cè)的同一站點視作一個站點。

借助GIS核密度計算工具，進(jìn)行兩者疊加分析，宏觀得出城市現(xiàn)有居民需求與城市公交的匹配度。

3.2 空間柵格切分

為提升研究精細(xì)性，結(jié)合接口數(shù)據(jù)劃分精細(xì)度，針對城市依照250 m×250 m范圍劃定城市柵格，并對城市柵格進(jìn)行編號。

根據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》（GB 50220—95），城市公交站點的服務(wù)半徑分為300、500、800 m三個范圍。公交站點的可達(dá)范圍可視為公交站點的服務(wù)半徑，一般由采用公交出行的乘客從出發(fā)點到達(dá)公交站點的10 min步行距離決定。

將城市柵格劃分后可能存在某柵格內(nèi)公交站點的服務(wù)半徑涉及周邊柵格，選擇750 m作為公交站點的服務(wù)范圍，將周邊柵格納入特定柵格內(nèi)站點的服務(wù)范圍內(nèi)。

3.3 柵格疊加分析

（1）OD需求獲取。

API技術(shù)獲取個體使用接口信息在一定時間出現(xiàn)頻率與天數(shù)進(jìn)行篩選。

依據(jù)城市居民的生活工作規(guī)律，9：00～17：00為工作時間，19:00～次日8:00為休息時間。

基于每日分析結(jié)果，依據(jù)工作時間段頻率與休息時間段頻率分析城市居民個體活躍度。個體在工作時間活躍度大的天數(shù)超過閾值比例，定義接口位置所在柵格為工作空間；個體在休息時間活躍度大的天數(shù)超過閾值比例，定義接口位置所在柵格為居住空間。

如果出現(xiàn)工作時間活躍度大的天數(shù)與休息時間活躍度大的天數(shù)超過一定閾值比例，判定該個體為居住空間與工作空間倒班制職工。借助手機信令進(jìn)行輔助論證，得到城市居民的OD導(dǎo)向需求。

居民出行方式多樣，應(yīng)在已有OD需求基礎(chǔ)上對實際使用公交出行數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，并將城市居民實際使用公交出行情況定義為忠誠度。主要借助早高峰和晚高峰城市居民手機信令實時描繪城市居民的出行變化活動，與城市公交車實時GPS進(jìn)行耦合性分析。如果同一用戶的出行數(shù)據(jù)與某一班次公交車GPS實時線路重合度較高，且超過一定閾值天數(shù)，判定用戶通勤方式為公交，依據(jù)高重合比例進(jìn)行忠誠度評級。

（2）公交線網(wǎng)可達(dá)性。

將居民的出發(fā)點假設(shè)為A點，將A點所在方格設(shè)為出發(fā)地核心方格，圍繞該核心方格的8個方格設(shè)為出發(fā)地輻射方格，將9個方格統(tǒng)稱為出發(fā)地組塊。同樣將居民的目的地點假設(shè)為B點，將B點所在的方格設(shè)為目的地核心方格，圍繞該核心方格的8個方格設(shè)為目的地輻射方格，將9個方格統(tǒng)稱為目的地組塊。

在圍繞核心方格的8個輻射方格中，將核心方格正東、正南、正西、正北的4個輻射方格稱為主輻射方格，其余4個稱為次輻射方格，通過相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行空間公交可達(dá)性分析。

評價指標(biāo)如圖2所示。

圖2 評價指標(biāo)

將城市居民OD出行需求與公交線網(wǎng)可達(dá)性可視化，進(jìn)行疊加分析，判斷柵格之間的匹配度，進(jìn)一步優(yōu)化。

技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線

4 匹配度差異形成機制與優(yōu)化策略

4.1 空間分布密度差異性

空間分布密度的差異主要由人口分布、地理區(qū)位、區(qū)域功能三個要素影響，三個要素之間相互影響、相互作用。

（1）人口分布。

同一服務(wù)半徑下，不同公交站點的輻射范圍內(nèi)如興趣點業(yè)態(tài)、興趣點密度具有區(qū)別，人口分布具有差異性，表現(xiàn)在公交站點的人口聚集程度不同。

（2）地理區(qū)位。

由于資源分配、功能結(jié)構(gòu)、線網(wǎng)密度等差異，城市中心區(qū)相比近郊區(qū)、郊區(qū)人群聚集度更高，站點分布相對密集。近郊區(qū)、郊區(qū)因人口密度低，公交站點的服務(wù)范圍可能會擴大，且由于線網(wǎng)、站點分布與人群需求匹配度不足，出發(fā)地到公交站點的出行時間過長或公交線路缺失，無法滿足人們的出行需要，人們選擇公共交通作為出行方式的概率大幅度降低。

（3）區(qū)域功能。

研究表明，公交站點的密度與餐飲場所中心、娛樂場所中心、商業(yè)場所中心、金融場所中心、生活服務(wù)場所中心五個自變量顯著相關(guān)，區(qū)域功能對公交站點的空間密度具有不同程度的影響，生活服務(wù)場所密度>商業(yè)場所密度>娛樂場所密度>金融場所密度>餐飲場所密度。

4.2 可達(dá)性不匹配性

城市公交可達(dá)性與居民出行的OD需求匹配度差異形成機制主要包括三個方面。

（1）公共交通組織模式與城市空間結(jié)構(gòu)演進(jìn)耦合度不足，且更新較慢。

（2）公共交通在城市交通體系中地位不高，整體公共交通資源缺乏。

（3）公共交通規(guī)劃系統(tǒng)性有所欠缺。

傳統(tǒng)的公交線路設(shè)計以及站點的布置主要基于居民出行調(diào)查獲得的時空特征模型，或基于TOD開發(fā)理念及綜合交通效益的空間分析結(jié)論。在一定程度上，這些理論對于城市公交系統(tǒng)規(guī)劃可行，但傳統(tǒng)的出行調(diào)查數(shù)據(jù)缺乏時間敏感性。城市公交更適合人流比較密集的高強度開發(fā)區(qū)域，例如商務(wù)區(qū)、住宅區(qū)等。公共交通機動性較差，城市發(fā)展演進(jìn)，公共交通組織沒有及時協(xié)同，可達(dá)性與居民需求匹配度下降。

與城市公交相比，小汽車更舒適、便捷，機動性更好。我國近年來大力支持基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，交通路網(wǎng)日益完善，優(yōu)化小汽車的道路環(huán)境。我國汽車保有量快速上漲，城市逐漸向小汽車依賴型發(fā)展，城市公交的地位下降。但缺乏實際的政策力度，公共交通資源總量缺乏、配置不均、可達(dá)性無法滿足民眾需求。

4.3 優(yōu)化策略

（1）發(fā)展戰(zhàn)略層面：構(gòu)建公共交通優(yōu)先的城市綜合交通體系。

將公共交通優(yōu)先的理念納入地區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略層面，提升公共交通在城市交通體系中的地位。完善公共交通體系，包括地鐵、骨干公共汽車線及支線等系統(tǒng)的完善；加強各公共交通系統(tǒng)間的聯(lián)動，加強地鐵與公共汽車、骨干公共汽車線與公共汽車支線的接駁；加強配套設(shè)施建設(shè)，公交專用道路及公交站臺的建設(shè)等；加大對城市公交系統(tǒng)的投入，建設(shè)城市公交數(shù)字化平臺，搭建城市公交實時監(jiān)測管理平臺等，提升城市公交運行力；相關(guān)部門出臺對公共交通的優(yōu)惠措施，引導(dǎo)居民從小汽車優(yōu)先向公共交通優(yōu)先轉(zhuǎn)變的出行理念；出臺規(guī)范居民相關(guān)行為的法律法規(guī)，保障公交系統(tǒng)的正常運行；改善公共交通運行環(huán)境，優(yōu)化城市公交運行結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)公交提速，降低居民出行成本。

（2）要素協(xié)同層面：推進(jìn)城市空間發(fā)展、人群活動與公共交通規(guī)劃的協(xié)同。

城市空間結(jié)構(gòu)、居民出行需求分布與公共交通網(wǎng)絡(luò)等要素應(yīng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，滿足居民出行需求，使城市高效率運轉(zhuǎn)。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)獲取城市POI數(shù)據(jù)和人群空間聚集度的相關(guān)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確識別城市空間結(jié)構(gòu)和需求分布。例如商務(wù)區(qū)、工作區(qū)的分布情況以及人群在某一時期的聚集情況。以此為依據(jù)及時調(diào)整線網(wǎng)的設(shè)置情況，及時調(diào)整或增減線路，推出定制公交線路。

（3）精細(xì)實施層面：構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺，實施公共交通資源精細(xì)化靈活配置。

目前各大城市紛紛開始建設(shè)智慧城市，其將城市的系統(tǒng)和服務(wù)打通、集成，以提升資源運用的效率，優(yōu)化城市管理和服務(wù)，是城市的“大腦”。

城市公共交通可以依托智慧城市的建設(shè)，打造智能公交系統(tǒng)，實現(xiàn)公交運行精細(xì)化、智能化。例如構(gòu)建公共交通智能調(diào)度平臺，在熱門線路乘車高峰時段調(diào)劑更多的車輛負(fù)責(zé)運營；推進(jìn)公交運行情況在乘客終端的可視化，用戶通過移動應(yīng)用可以得知公交車的位置和擁擠情況，合理安排出行；根據(jù)實際需求實時調(diào)整公交運行時間、發(fā)車頻次等，實現(xiàn)公交精細(xì)化運行、居民便捷出行。

5 結(jié)語

城市不斷發(fā)展變化，在城市公共交通的規(guī)劃和更新中，需要更多地從人群的實際需求出發(fā)，使其與群眾真正的需求契合，公共交通是城市運轉(zhuǎn)必不可少的一部分。本文探討了大數(shù)據(jù)與公共交通的關(guān)系，可用于城市公共交通研究的大數(shù)據(jù)類型，并研究了運用大數(shù)據(jù)測度公共交通線網(wǎng)與居民公交出行需求兩者間匹配度的方法，對匹配度差異形成的原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的優(yōu)化策略和思路。使用大數(shù)據(jù)方法研究城市公共交通規(guī)劃是主要的發(fā)展趨勢，但使用大數(shù)據(jù)的同時還應(yīng)注意數(shù)據(jù)的隱私保護。其他國家的大數(shù)據(jù)經(jīng)驗表明，大數(shù)據(jù)方法在交通領(lǐng)域中的高效應(yīng)用是建立在完備的法制體系和市場經(jīng)濟制度的基礎(chǔ)上，當(dāng)前我國在數(shù)據(jù)公開以及數(shù)據(jù)管理等層面仍存在較多需要改善的地方，還需要進(jìn)一步研究。