本文摘要：摘要：公交普線規(guī)劃因服務(wù)對象時間、空間的分散性，是大城市公交系統(tǒng)中最難規(guī)劃的部分。本文分析了大規(guī)模多中心城市地區(qū)公交網(wǎng)絡(luò)分層級功能及規(guī)劃次序，重點針對普線網(wǎng)提出基于運營商和用戶廣義成本最低的連續(xù)體近似法模型搭建方法。通過確定區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的普線總服務(wù)距離
摘要：公交普線規(guī)劃因服務(wù)對象時間、空間的分散性，是大城市公交系統(tǒng)中最難規(guī)劃的部分。本文分析了大規(guī)模多中心城市地區(qū)公交網(wǎng)絡(luò)分層級功能及規(guī)劃次序，重點針對普線網(wǎng)提出基于運營商和用戶廣義成本最低的連續(xù)體近似法模型搭建方法。通過確定區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的普線總服務(wù)距離，總�？空緮�(shù)，以及發(fā)車間隔等決策變量的最佳值，使公交運營企業(yè)和乘客在單位時間內(nèi)的廣義預期成本最小化。利用本文提出的方法，對北京市進行區(qū)域劃分，重新優(yōu)化普線網(wǎng)，并基于北京市路網(wǎng)和興趣點分布，校核規(guī)劃的理想網(wǎng)絡(luò)，得到能夠?qū)嵤┑脑O(shè)計網(wǎng)絡(luò)。相比現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化后的方案在成本控制和乘客出行體驗方面都得到明顯提升，分別減少企業(yè)運營成本5%，減少乘客出行時間21%，達到了降本增效的目標。
關(guān)鍵詞:城市交通;公交系統(tǒng)規(guī)劃;連續(xù)體近似法;廣義成本;網(wǎng)格布局
0引言
從經(jīng)濟學的視角看，公交網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的目標是以最小的用戶和運營商廣義成本滿足出行需求。很多學者利用數(shù)學規(guī)劃模型和數(shù)值解方法進行了大量研究，這些模型被用于解決特定地形條件下的公交網(wǎng)絡(luò)類型和多種類型服務(wù)的整合，以及不同規(guī)模公交系統(tǒng)的車輛和司機調(diào)度等問題[1]。利用數(shù)學規(guī)劃模型進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的方法，需要輸入大量的原始數(shù)據(jù)，在非常大的尺度上準備這種數(shù)據(jù)(例如，人口分布等)往往需要通過空間和時間上的聚合，換取可操作性，但會影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
公交工程論文范例：公交到站時間預測方法研究
反之，解決方案又嚴重依賴于復雜的啟發(fā)式方法，這些方法需要大量的計算成本[2]。由于這些計算負擔，在中等規(guī)模以上的城市案例中，即使使用最先進的離散模型公式和商業(yè)求解軟件，也無法成功獲得精確最優(yōu)設(shè)計。而且，在有限的數(shù)值實驗范圍內(nèi)，計算負擔限制了可以現(xiàn)實考慮的“假設(shè)”方案和多情景設(shè)計方案。
目前，還沒有城市根據(jù)純粹的離散網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型設(shè)計公交網(wǎng)絡(luò)。為便于理解公交線網(wǎng)規(guī)劃，學者們通過使用連續(xù)量作為輸入和輸出的連續(xù)體近似(ContinuumApproximation，CA)模型簡化計算。早期的工作始于對通勤巴士系統(tǒng)的討論，大多數(shù)研究考察了典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，例如，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和軸輻式布局。
后來有學者在混合型公交網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中擴展了這種建模方案，在混合型公交網(wǎng)絡(luò)中，城市中心線路采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)布局，在所有位置提供4向公交服務(wù)(即雙線路覆蓋);城市外圍則采用樞紐和軸輻式結(jié)構(gòu)，提供雙向服務(wù)(即單線路覆蓋)。這種混合型結(jié)構(gòu)結(jié)合了樞紐型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)的特點，在乘客換乘便利性和運營商總服務(wù)距離之間取得平衡，規(guī)劃方案取決于幾個關(guān)鍵的決策變量，例如，網(wǎng)格區(qū)域大小、路線和站點間距，以及發(fā)車間隔[3]。
此類模型后來陸續(xù)被調(diào)整，以允許線路和站間距的方向異質(zhì)性[4]、環(huán)形輻射式公交網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等[5]。CA模型通常假定需求在空間上是同質(zhì)的或單中心的。然而，在現(xiàn)實世界中，許多多中心城市的出行分布在空間上是不同的，甚至是聚集出行的，這就決定了一些街區(qū)的公交網(wǎng)絡(luò)比其他街區(qū)的線路和站點更密集。此外，在許多城市，特別是像北京這樣的大都市，多種公交系統(tǒng)(例如，地鐵、快速公交和普通公交)并存，形成一個為不同類型需求服務(wù)的多層次網(wǎng)絡(luò)。
例如，公交車價格便宜但速度慢，適合短途出行;地鐵價格稍貴但速度快，適合長距離出行。一個特大城市的完整公交系統(tǒng)規(guī)劃是很復雜的因此，分層次的或特大城市的線網(wǎng)規(guī)劃內(nèi)容在文獻中沒有得到系統(tǒng)的論述。本文討論了地面公交在多方式公共交通系統(tǒng)中的作用，以及3種不同的地面公交子系統(tǒng)各自的功能和作用并定性討論了子系統(tǒng)的規(guī)劃程序及其原理;提出基于運營商和用戶成本的連續(xù)體近似法模型搭建方法;以北京為例，介紹連續(xù)體近似法模型在實際中的應用。
1線網(wǎng)層級及功能分析
大城市公交系統(tǒng)服務(wù)的出行距離范圍較廣，從1~40km長短不等，這些不同距離的行程應該得到不同的公交服務(wù)。長途旅行最好采用站間距長的服務(wù)，雖然是更長的兩端到站距離，但也能使長途旅行乘客避免經(jīng)歷無數(shù)次的車站�？�;短途旅行最好采用站間距離短的服務(wù)。因此，需要提供一個服務(wù)于不同站間距離的分層級公交系統(tǒng)。
對于大城市而言，3個子系統(tǒng)應該是足夠的，再多的子系統(tǒng)會帶來邊際效益遞減。因此，按長度對旅行進行分類：長距離(10～30km)、中距離(～10km)和短距離(～km)。長距離出行主要是通勤出行，集中在高峰時段，規(guī)劃中應考慮在盡量少的�？亢蛽Q乘的情況下提供服務(wù)。在特大城市，通勤出行的數(shù)量特別多、時間特別長，地鐵往往無法舒適地服務(wù)于所有的乘客。為此，應該使用公交車作為地鐵的補充，增加額外的運力。例如，可以在平行于擁擠的地鐵線路上部署具有長站間距的公交快線，并與地鐵實現(xiàn)無縫連接，或部署在完全沒有地鐵服務(wù)的走廊上。中等距離出行通常在空間和時間上比較分散。
雖然有些人可能會因為出發(fā)地和目的地恰好在地鐵線車站附近而得到良好的服務(wù)，但仍有大量出行應該由組織良好的普通地面公交提供更好的服務(wù)。這里的“普通”指一個能提供全面的中長距離覆蓋的系統(tǒng)(即從城市的任何地方到10km內(nèi)的任何地方)，其服務(wù)頻率與地鐵相當。中等規(guī)模城市(例如，巴塞羅那)的設(shè)計方法已經(jīng)開發(fā)，并已證明了其價值。從理論和經(jīng)驗中可以看出，大城市中目前普遍存在的非常長的公交線路無法按計劃運行，容易產(chǎn)生大間隔或串車現(xiàn)象[6]。因此，本文提出將特大城市劃分為中等規(guī)模的區(qū)域(50～100km)，然后為每個區(qū)域設(shè)計一個高效、高頻的公交網(wǎng)狀系統(tǒng)。
這些系統(tǒng)在邊界處重疊，從一個區(qū)到另一個區(qū)的乘客可以很容易地換乘。由于中、長距離旅行距離在10km以下，因此，最多一次換乘就可以滿足所有需求。短距離出行服務(wù)的重點是提供最后一公里的接駁出行。由于其中一些行程可能已經(jīng)由中、長距離公交系統(tǒng)提供了很好的服務(wù)，因此，在規(guī)劃中應首先確定服務(wù)較差的區(qū)域，以便在那里部署線路。由于規(guī)模經(jīng)濟的原因，最后一公里服務(wù)的需求越低，其單位成本越高。
因此，對于需求量小的地區(qū)來說，提供需求響應式公交服務(wù)或共享單車更為經(jīng)濟可行。理想情況下，3個子系統(tǒng)應按公交快線(長距離)、普通線路(中距離)、微循環(huán)(短距離)順序規(guī)劃。這種順序，是因為普通公交系統(tǒng)路線靠近公交快線車站，這些站的位置是公交快線的部分規(guī)劃成果。
此外，最后一公里服務(wù)的需求在很大程度上取決于普通公交系統(tǒng)能滿足的程度。公交快線應集中分布于軌道交通無法覆蓋或軌道交通能力不足的大客流走廊，規(guī)劃時以這些走廊為對象，結(jié)合乘客出行起點、終點分布逐一布設(shè)。因此，本文研究核心為普通線路公交系統(tǒng)規(guī)劃，這個層級的線網(wǎng)規(guī)劃不僅承上啟下，而且因為其服務(wù)對象的分散性，規(guī)劃方法不易掌握，因此，本文的研究也更具有現(xiàn)實意義。
2基于運營商和用戶廣義成本最低的連續(xù)體近似法模型搭建考慮一個長方形城市，其街道網(wǎng)格非常密集，如果需要的話，其中任何一條街道都可以用于布設(shè)公交線路。假設(shè)城市中已經(jīng)鋪設(shè)了服務(wù)于長距離出行的公交快線，需要設(shè)計一個為中距離出行服務(wù)的公交普線系統(tǒng)。
3北京的案例分析
要為大城市制定全市性的計劃，需要將城市劃分為規(guī)�？煽氐膮^(qū)域，提供每個區(qū)域的需求目標，并為每個區(qū)域設(shè)計符合這些目標的公交系統(tǒng)。
3.1分區(qū)方法
在分區(qū)之前，需要明確分區(qū)原則：(1)為盡量避免長線運營帶來的大間隔或串車問題，每個區(qū)域的面積宜控制在50～100km2;(2)每個區(qū)的形狀盡量為長方形，邊界盡量為道路，以便于形成形態(tài)規(guī)整的內(nèi)部線網(wǎng);(3)各區(qū)盡量以區(qū)內(nèi)出行為主，區(qū)與區(qū)之間的出行為輔;(4)每個區(qū)的人口分布盡量比較統(tǒng)一。關(guān)于實操層面的分區(qū)方法，有學者做過相關(guān)研究，并開發(fā)了針對特大城市分區(qū)的系統(tǒng)性方法，但整體系統(tǒng)成本和服務(wù)水平對分區(qū)結(jié)果并不十分敏感，因此，在實踐中，合理的分區(qū)可以結(jié)合分區(qū)原則進行人為劃分[10]。
本案例主要采用人工分區(qū)方法，基于中心城6個行政區(qū)(標定為1～6)以及實際人口分布情況，劃分了12個區(qū)域，基本滿足分區(qū)原則，北京中心城區(qū)公交服務(wù)區(qū)域劃分。北京中心城區(qū)的區(qū)位特征。基于北京市域宏觀模型測算的不同區(qū)域之間和區(qū)域內(nèi)部的出行距離。其中，3e代表3區(qū)東部，3w代表3區(qū)西部，4nw代表4區(qū)西北部，4ne代表4區(qū)東北部，4se代表4區(qū)東南部，4sw代表4區(qū)西南部，5e代表5區(qū)東部，5m代表5區(qū)中部，5w代表5區(qū)西部。
3.2分區(qū)規(guī)劃目標設(shè)定
完成分區(qū)后，應該為每個地區(qū)設(shè)定一個規(guī)劃的需求目標。本文強調(diào)，不應該是對當前需求或預測需求的估計，而是對未來的一個愿景。當前的需求是當前服務(wù)的反映，而當前的服務(wù)在城市某些地方可能很差或根本不存在。在北京的案例研究中，設(shè)定中心城區(qū)每天公交出行目標為1400萬人次，比目前的公交需求(包括使用公交快線的公交需求)高出約50%。然后，將這一目標按比例分配到每天運營的17.5h內(nèi)(5:30-23:00，平均每小時約80萬人次，按照目前高峰小時系數(shù)，規(guī)劃高峰小時將達到152萬人次)，再根據(jù)人口分配到各個分區(qū)。最后，將產(chǎn)生的公交出行次數(shù)換算成每小時客運量。
3.3基于路網(wǎng)和興趣點
POI的網(wǎng)絡(luò)校核基于模型的輸出結(jié)果制定一個可實施的設(shè)計方案，以適應現(xiàn)有的街道和潛在的車站位置。由于北京當?shù)爻鞘薪值赖牟灰?guī)則性，許多公交線路不得不被扭曲。這種不規(guī)則性通常是由城市核心區(qū)內(nèi)的主要建筑(例如，故宮-紫禁城)或外圍的不規(guī)則景觀(例如，河流、山脈)造成的。例如，模型輸出建議在1區(qū)和2區(qū)的“e-w”方向布置約16條路線。然而，在各區(qū)的中心地帶，只有6條街道可以容納跨區(qū)的交通路線。
在這些情況下，鋪設(shè)線路的原則按優(yōu)先順序遞減：(1)確保跨區(qū)域連接;(2)根據(jù)準則盡可能均勻地分布路線;(3)允許重疊，必要時在當?shù)乩@行路線，既便于換乘，又能避免各區(qū)交界的中間地帶由于分區(qū)誤差帶來的服務(wù)水平的顯著差異，提高網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性。最后，所有地區(qū)的公交網(wǎng)絡(luò)基本上都是網(wǎng)格狀的，對于大多數(shù)高需求地區(qū)，實際可實施的定向地面公交服務(wù)距離在其各自推薦值的30%以內(nèi)。
4結(jié)論
本文得到的主要結(jié)論如下：
(1)特大城市公交線網(wǎng)，按照服務(wù)距離分為公交快線、普線和微循環(huán)線路，且依次規(guī)劃是比較合理可行的。普線網(wǎng)由于其服務(wù)的出行在時間和空間上更為廣泛，是公交線網(wǎng)層級中最難規(guī)劃的一個層次，也是本文論述的重點。
(2)普線規(guī)劃可以通過用戶和運營商成本的連續(xù)體近似法系統(tǒng)地確定。通過北京的案例，證明這種方法簡單、有效。新的公交網(wǎng)絡(luò)在相近的運行速度下通過更高頻的服務(wù)、更直接的出行，提供了更好的乘客體驗，體現(xiàn)在出行時間減少和可達性得到提升，同時，在運營車隊規(guī)模和線路距離上實現(xiàn)了顯著節(jié)省。
(3)基于本文方法設(shè)計得到的公交線網(wǎng)，在小區(qū)域內(nèi)基本上遵循網(wǎng)格狀的布局思路，盡量減少不同線路共線的問題，集中車輛資源在更少的公交線路上以提供高頻、高可靠性服務(wù)。但由于路網(wǎng)條件所限，在局部區(qū)域仍有共線現(xiàn)象存在。此外，由于本文只涉及到普線網(wǎng)規(guī)劃，如果在設(shè)計的普線網(wǎng)基礎(chǔ)上增加干線和微循環(huán)線路，不同層級線路共通道的情況將普遍存在，但這是合理的，可以保證不同出行距離的乘客有不同的線路選擇。
(4)基于分區(qū)的方法比較適用于中距離出行的普線規(guī)劃。為避免不同區(qū)域交接處由于分區(qū)誤差可能帶來的服務(wù)水平的顯著差異，交接處的公交線路盡量重疊一段，避免單點交接，但仍無法避免不同分區(qū)方法導致的同一地區(qū)服務(wù)水平的差異，例如，換乘的增加。即系統(tǒng)優(yōu)化不能保證每個個體的出行都得到優(yōu)化。
參考文獻
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作者：劉雪杰1,2，榮朝和*1，歐陽彥峰3，卡洛斯·F·達岡佐4，朱家正2，馬騰騰2
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