（交通运输规划与管理专业论文）城市公交线网优化研究.pdf

摘要 城市公共交通是城市赖以生存的重要基础，是城市整体发展中不可缺少的物 质条件和基础产业，城市公共交通线网是提高公交系统服务水平，提高公交竞争 力的基础，本文在对国内外公交线网优化的研究历史和现状进行分析与评价的同 时，系统分析了公交线路优化的方法，运用功能层次分析对城市现状公交枢纽、 公交线网进行分析，同时对线网优化目标及约束条件进行研究，建立公交线网优 化模型和优化方法，结合具体项目的需求，对既有公交线网进行优化和调整。 本文针对公交线网功能层次的紊乱现状，在公共交通需求预测的基础上，综 合分析城市用地布局结构、客流走廊、道路网结构等要素，对现状公共交通的枢 纽结构和公交线网进行功能层次分析，结合线网优化目标及约束条件，对既有线 路进行分析与评价，然后针对城市公交线网的优化问题，从提高乘客服务水平以 及公交企业的利益角度，建立求解优化模型，运用遗传算法，建立全新公交路线， 将此路线结构与之前层次分析的现状公交路线相结合，完善和优化公交线网。 最后，文章运用所求公交线网优化方案结合现有公交路网提出的调整方法， 以邵阳市为例进行了相关的算例研究。 关键词：公交线网；优化：功能层次分析；遗传算法 a b s t r a c t u r b a np u b l i ct r a n s p o r ti nc i t i e si s a ni m p o n a n tf o u n d a t i o nf o rt h ec i t y ，t h e o v e r a l ld e v e l o p m e n to ft h ec i t y a ni n d i s p e n s a b l em a t e r i a l9 0 n d i t i o n s a n db a s l c i n d u s t r i e s ，u r b a np u b l i ct r a n s i tn e t w o r ki st oi m p r o v et h ep u b l i ct r a n s p o ns y s t e m s e r v i c el e v e l s ，i m p r o v et h ec o m p e t i t i v e n e s so f t h eb a s i so fp u b l i ct r a n s p o r t a t l o n ，a t h o m ea n da b r o a di nt h i sa r t i c l ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o n n e t w o r kt oo p t l m l z et h c r e s e a r c hh i s t o r ) ra n dc u r r e n t s i t u a t i o na n a l y s i sa n de v a l u a t i o n ， t h es y s t e m a t l c a n a l v s i so ft h eb u sl i n e st oo p t i m i z et h em e t h o d s ，t h eu s eo fa h p i nu r b a np u b l l c t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ka n a l y s i so ft h es t a t u sq u o ，w h i l et h e9 0 a l l i n eo p t 姗1 z a t l o n a n dc o n s t r a i n t ss t u d y t h ec s t a b l i s h m e n to fp u b l i ct r a n s p o r t a t l o n n e t w o r k o p t i m i z a t i o nm o d e la n do p t i m i z a t i o nm e t h o d ，c o m b i n e dw i t ht h en e e d so fs p e c l t l c p r o je c t s ，f 0 rb o t hp u b l i ct r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kt oo p t i m l z ea n da d j u s t i nt h i sp a p e r ，t h el e v e lo fp u b l i ct r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ko f d i s o r d e r e df u n c t i o n o ft h es t a t u sq u o ，i nt h ep u b l i ct r a n s p o r td e m a n df o r e c a s t ，b a s e do n ac o m p r e h e n s l v e a n a l v s i so ft h el a y o u to ft h es t l l l c t l l r e o fu r b a nl a n du s e ，t r a 伍cc o r r i d o f s ，r o a d n e t w o r k sa n do t h e re l e m e n t so ft h es t n l c t u r e ，t h eu s eo fa h p f o rt h es t a t u sq u o s t m c t u r eo fp u b l i ct r a n s p o r ta n dp u b l i ct r a n s p o r th u bi nl i n en e t w o r k - l e v e l a n a l y s l s ， c o m b i n e dw i t hl i n eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e sa n dc o n s t r a i n t s ，b o t hl i n e so fa n a l y s l s a n de v a l u a t i o n ，a n dt h e nt h eo p t i m i z a t i o no fu b a np u b l i ct r a n s p o r t a t l o nn e t w o r k f r o mc u s t o m e rs e r v i c et oe n h a n c et h el e v e la n dp e r s p e c t i v eo f t h ei n t e r e s t so fp u b l i c e n t e r p r i s e s ，t h ee s t a b l i s h m e n to fs o i v i n gt h eo p t i m i z a t i o nm o d e i ，t h eu s e o tg e n e t l c a l g o r i t h m ，t h ee s t a b l i s h m e n to f an e wb u sl i n e ，t h i sl i n eo fa n a l y s i so ft h es t m c t u r e a n dt h es t a t u sq u op r i o rt ot h el e v e lo fac o m b i n a t i o no fb u sr o u t e s l m p r o v ea n d o p t i m i z et h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k f i n a l l y ，t h ea r t i c l ef o ru s eb yt h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k t oo p t l m l z et n e p r o g r a mi nl i n ew i t ht h ee x i s t i n gp u b l i ct r a n s p o r tn e t w o r k o ft h ea d j u s t m e n tm e t h o d p r o p o s e d t os h a o y a n gc i t ya sa ne x 锄p l eo tr e l e v a n tr e s e a r c n k e y w o r d s ： p u b l i c t r a n s p o r t a t i o n n e t w o r k ；o p t i m i z a t i o n ； f u n c t i o n l e v e l a n a i y s i s ；g e n e t i ca l g o r i t h m 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：歹艺7 1 乙 醐吻7 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团 。 ( 请在以上相应方框内打“) 导师签名： 弋夸 之力7 年具谚b 年r 黾硌日 叩稠 期 期 日 日 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 城市公共交通作为城市经济不断发展的必然产物，逐渐成为城市赖以生 存的重要基础，城市经济的不断发展以及城市化进程的不断加快使的小汽车拥 有率不断的增加，同时城市交通的拥挤现象也日益严重，影响到了城市的可持 续性发展。根据国内外城市交通实践以及相关理论研究的证明，要解决城市交 通的拥挤问题就必须优先发展公共交通，优化城市交通结构，实现道路资源的 高效利用。【2 j 历史经验告诉我们，要解决大中小城市的交通问题，并使其具有必要的 活力就的特别重视公共交通的优先发展，因为城市公共交通系统运载量大、运 送效率高、能源消耗也低，污染少，运输成本低【3 】，而相反私人交通只能作为 公共交通的辅助方式适当的发展，因而世界各国包括号称“汽车王国”的一些 主要工业发达国家的城市政府也都在政策和各种交通管理措施上扶持公共交 通的发展，以改善城市的交通状况。八十年代，随着经济体制改革的深入，经 济建设迅速发展，城市社会、经济结构发生了巨大变化，社会经济文化活动空 前繁荣，居民出行成倍增长。人民生活水平的不断提高，对公交服务水平的要 求也越来越高。到九十年代初，公交的发展速度、发展水平已经不能满足城市 人口、经济的发展需求，公交系统内部矛盾日益严重。公交线路车辆的发展水 平落后于居民需求日益增长需要。 以相同的乘客量作对照，私人小汽车与公共交通( 包括公共电汽车、地铁、 轻轨等) 相比，各比例如下表所示： 表卜1各种交通工具静止和行驶时占用空间情况 比较项目步行 自行车摩托车小汽车公共汽车 静止时占用 1 2 531 56 0 空间 占用停车场 1 593 0l o o 面积 动态占路面 l 6 1 03 0 4 04 0 6 08 0 1 0 0 积 单位载客占 l6 l o2 8 2 91 0 2 0l 2 用道路面积 表卜2 各种交通工具消耗表 方式小汽车摩托车地铁公共汽车机动白行车 油耗( 克人 6 52 52 0 3 06 2 01 0 千里) 因此，要解决城市目前存在的交通拥挤、交通事故频繁和环境污染严重 等问题，应特别重视发展城市公共交通。优先发展公共交通己经被世界各国公 认为是解决城市交通问题的最佳策略，它是城市可持续发展的必由之路。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 在国外，各个国家对公交线网以及线网优化的研究起步比较早，目前在 公交线网以及公交线网的优化技术领域有着广泛而深入的研究，其方法也很 多，一般思路是根据有关理论，将居民公交o d 合理地分配到公交网络中，形 成优化流分布，在一定的约束条件下，采用各种优化方法产生最佳线路网络， 国外研究的近期一些主要成果如下所述。初期由于受到科技发展水平和投资条 件的限制，人们一般采用专家定线的方式对公交线网进行优化，这种方法是采 用某权威机构或专家意见确定线网布局，它只定义了布设公交线网应当遵循的 原则，多数为线网功能特性的叙述，很少使用量化的分析。6 0 年代至8 0 年代 初，随着运筹学和系统工程学科的迅速发展，线路网的确定多是运用系统工程 和运筹学的有关原理、方法，在既定的目标函数下进行线网的优化布设。具代 表性的有l a m p k in 等【3 】以乘客的舒适度和出行时间一起作为公交线网服务指 标，建立的网络设计模型。h i r s h c 等【4 】所做的公交网络优化问题研究，他们把 公交线网优化模型设计成一个固定需求模型，但这些模型着重于评价模型的建 立，但缺乏较明确的设计方法与步骤。j a n a r t h a n a n 等【5 】设计了公交线网对设 计方案进行模拟分析，并提供交互式图形支持，借助该专家系统可有效提高公 交网络设计效率，k ik u c h i 等【6 】提出了应用模糊逻辑设计公共交通网络与此同 时，数学寻优法开始运用于线网优化中，此法是指将公交线网的结构抽象为简 单凡何形状，在对出行供需关系分析的基础上，建立数学模型来确定最优的公 交线路，一般这种方法适用于简单的路网。d u b n is 等人采用启发式搜索方法 建立了线路网生成模型：c e d e r 等【7 】将三阶段法引入到公交网络设计中，当时所 谓的三阶段法包括：出行分配、规划路径和确定发车间隔，f e r n a n d e z 等【8 】采 用组合数学方法，模拟决策者的决策过程建立了大容量公交站点布局和设计专 家系统：p a t t n a k i 等【9 j 将遗传算法应用到公交线网设计中，该模型以系统中乘 客出行费用和运营费用综合最小为目标，通过遗传算法进行优选：s u l liv n a 等 【lo 】利用流行的桌面g i s 对生成等时线地图的可行性进行分析，提供了公交最 佳路径选择的分析方法。 1 2 2 国内研究概况 国内城市公共交通规划的研究和发展比较缓慢，其研究是在八十年代才 开始的，随着经济与技术的不断加强，也受益于公交优先政策的提出，公交线 网的优化也越来越受到政府及专家们的重视。首先，长沙市在对其城市的公交 线网络规划时是采用的a h p 法，也称之为层次分析法【l ，它的优化主要是从 乘客的利益出发，以乘客直达率最高为主要目标进行分析与研究；将公交线网 络进行归纳，并拟设线路的优化配对，对线路走向优化，东南大学王炜提出“逐 条布设、优化成网 的算法，最终目标是使直达乘客运输量最大和乘客乘车时 间最短【1 2 】；吉林工业大学的教授提出在公交线网的预选和搜素中采用逐条预 选，对候选线路进行人工预选，然后将乘客集散量分配到每一个交通小结节点， 对其进行流量分配后在进行方案的对比最终确定优化线路，其最终目标也是从 乘客的利益出发，使乘客出行尽量不转车，并且尽量使日均满载率达到最大 【1 3 】；胡启渊，常玉林【1 4 1 将多个公交线网优化目标函数和约束条件构建为线性模 型，并给出了求满意解的步骤。陈启洲提出的对乘客直达率最大、线网的日均 满载率最大、乘客的总出行时间最小、路线网络覆盖率最大、路线重复系数最 低和公交企业的经济利益最好这六个目标进行多目标规划：林柏梁【l6 】等基于 组合优化的角度，提出了公交网络优化设计的非线性o l 规划模型，以乘客的 出行时间和实现公交网络的资金投入为目标函数，在满足车站容量限制的条件 下，最小化目标函数，以获得公交线路的优化决策。孙艳丰等【1 7 】和陈洪仁等【1 8 】 从不同的角度，使用遗传算法对规划模型进行求解。后来，汤可夫，吴大为用 改进的遗传算法用以求解该模型。改进的算法有两个特点：基于优先级的编码 和多染色体的结构。李琼星的探索法结合运用公交线网设计者的知识和经验， 并采用组合优化算法，以实现最大效益为目的，同时兼顾了用户耗时最省与运 营费用浪费最少之间的平衡，更有便于规划者根据公交政策来选择合适公交直 达率和线网覆盖率约束。北京交通大学高自友教授等人i i9 】提出了连续平衡网 络设计的双层规划模型和求解方法。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 研究的主要内容 文章针对近年来国内各城市普遍存在的公共交通线网问题，首先对现状 公交线网进行分析，主要是对现状公交线路进行功能层次分析，并对城市现状 各交通枢纽进行功能层次的分析，从中找出现状城市公交线路所存在的问题， 并对现有线路进行逐条分析，在对现状公交线网分析的基础上，文章第三章对 公交线网的优化模型进行了讨论，论文分别从公交企业以及乘客的利益出发， 进行研究，最后从提高乘客服务水平及公交企业的利益角度出发，加权并建立 公交线网优化的求解模型，同时对模型的解的有效性进行了数学分析。论文第 四章对遗传算法进行了研究，论文对模型的求解采用遗传算法，通过公交线网 优化模型及遗传算法求解最后生成全新的公交线网，然后将全新路网与之前对 现状公交线路网的分析相结合，对现有公交线网进行调整与优化并适当增加新 公交线网，完善和优化公交线网，从而使城市公交与城市总体规划用地布局 和空间发展战略相协调，适应城市的发展，最后文章以邵阳市为例加以验证和 评价，达到比较满意的结果。 1 3 2 研究的技术路线 4 第二章现状公交线路功能层次分析 公共交通线路是公交系统的构成的基础，公交线路的功能层次是不是合理 主要是看各条公交线路功能划分是否明确以及公交线网的层次结构是否完善。 明确、合理的公交线路功能层次可以有效的提高公交线路的运输效率，增加公 交出行的吸引力【2 1 1 。对现状公交线网的功能层次分析有利于更好的把握对公 交线网规划及优化的方向。 本章采用“以现状公交枢纽的现状分层结构为基础，分析现有公交线路功 能层次，确定规划线路功能层次一的方法，从城市土地利用布局【2 2 】出发，分 析各交通区内公交枢纽的层次结构，通过枢纽的层次结构分析确定公交线路的 层次结构特性，明确公交线网的层次结构。 2 1 对现状公交线路功能层次分析的必要性 有n 个节点的联通图最少需要n l 条边。本节把公交线网简化成一组含 有n 一1 条公交线路的最基本网络图形。王缉宪1 2 3 】将公交网络分为四种基本的 连接结构：通道式、星式、多点辐射式和分叉式。 假设一个地区有六个首末站，需要用公交线路连通。以图论的基本连接结 构表述，形成四种连通结构，如图2 一l 所示。在其上加上一个简单的均衡需求 分布：设每点产生5 0 个公交客流，平均分配1 0 个客流到其它每一个点。图中 标出了在不同的基本连通结构上的客流在公交线路上单方向总客流量。由于公 交需求不随线路变化而变化，因此认为是定需求状况【2 4 1 。 a 单通道 c 多枢纽 b 单枢纽 d 分叉式 图2 1 公交线路四种基本连接结构 假设1 ：有五条公交线路，它们的长度基本相同，所跑的道路路况也基本 相同。在此情况下，对于所有的公交线路，他们的平均车速、车况均会相同， 在这里我们取线路长度为1 0 个单位。 假设2 ：f 、d 间的道路等级高，也就是城市的主要交通干道。这种情况， 布设公交线路为两种层次的公交线路，在这里，由于f 、d 间的公交线路等级 比其它公交线路要高，因此此车速是其它公交线路的1 5 倍，也就是等效于线 路长度变为原长度的2 3 。 设车辆的额定载客量为1 0 个单位元，我们让其基本连接结构相对应，线 路的容量为1 0 0 个单位元，由公交网络效率公式计算得到四种公交线网的效率 如表2 1 所示： 表2 1 四种公交网络结构分析 线网效率( 不分 线网效率( 分 平均满载率 层)层) 单通道0 8 60 8 67 0 单枢纽1 2 01 2 95 0 多枢纽1 0 31 1 55 8 分叉式 o 9 4o 9 9 6 4 注：( 1 ) 网络平均满载率计算公式：! 生，式中n 一公交线路条数； 力智c i i 一第i 条线路的乘客数；c 一线路的容量，根据假设为1 0 0 个单位； v ，t i i ( 2 ) 网络效率计算公式：专案，式中q i j 一节点i 、j 间的客流量； 乙鬯i | c l i 一线路i 的长度；q i 一路线i 的最大断面流量；c 一车辆额定载客量 由上表可知，即使是在最简单的线网结构下，不分层的公交网络效率对于 分层的公交网络效率都有不同程度的降低，其中网络效率提高的最多的是结构 相对较复杂的多枢纽结构，略为简单的单枢纽结构次之，最简单的单通道结构 基本上没什么变化，线路效率的提高的关键是网络效率的提高，由此可见我们 要提高公交线路的效率关键在于对公交线路进行功能层次划分，而提高程度的 多少基本取决于公交网络结构的复杂程度，要使功能层次划分对线网效率的提 高明显我们所需要的网络则越需复杂。 2 2 公交线路公交层次分析思路 对于不同等级的枢纽，可以划分不同层次的公交线路，从而使公交网络的 结构清晰。根据以上分析以及全文结构，本文重在对现状公交线网进行层次结 6 构划分，其划分的方法的基本思路是：“以现状公交枢纽的现状分层结构为基 础，分析已有公交线路功能层次，确定规划线路功能层次一。该方法的特点是 将现状公交线网的服务区域进行划分为大、中、小三种交通区，先以交通大区 为基础找出几个综合公交枢纽，然后针对现状公交线网，划分高等级公交线路 并归类为干线层：再以交通中区为基础找出区域公交枢纽，依据综合公交枢纽 和区域公交枢纽，划分出公交次干线层；以此类推，从现状公交线网中划分出 现状公交支线层，至此针对现状公交线网的层次结构划分也就完成了。公交线 路功能层次划分的思路流程如图2 2 所示。 图2 2 公交线路层次结构划分流程图 2 3 公交枢纽功能层次分析 2 3 1 公交枢纽层次结构概述 公交线路之间、公共交通与其它交通方式之间客流转换相对集中的场所我 们称之为公共交通枢纽，公共交通枢纽一般有对外交通枢纽和市内交通枢纽两 类。公交枢纽常规划分方法比较笼统，对于各种不同类型的公交枢纽的特点并 未有体现。本论文对于公交线网层次结构的划分方法主要是借鉴道路网层次结 构划分方法，针对城市公交枢纽功能作用及服务区域的不同，公交枢纽的划分 一般为三个层次：综合公交枢纽、区域公交枢纽、地方公交枢纽。 7 ( 1 ) 综合公交枢纽 综合公交枢纽服务区域主要为大型的客流集散点，配套设施很齐备，其客 流量也很大，同时联系的公交线路也很多，主要依靠发达的公交线网快速汇集 和发散庞大客流量。综合公交枢纽按功能的主要分为以下两种类型【2 5 】： ( 2 ) 区域公交枢纽 交通中区一般是区域公交枢纽为其服务，像公园、大型超市等一些大型设 施也充当了一部分职能。在公交枢纽层次结构中，作为综合公交枢纽在交通大 区内汇集发散客流的主要通道，区域公交枢纽所承担的客流量较大，公交线路 较多，它主要承担的是一个承上启下的作用。 同时它也是综合公交枢纽在交通大区的分散发散点，作为公共交通方式之 间换乘的场所，它通常设置在城市边缘地且客流比较密集的地方亦或是规划交 通区之间联系的主要通道处。 ( 3 ) 地方公交枢纽 交通小区主要分布地方公交枢纽，比如说郊区的部分行政村。由于地方公 交枢纽处于公交枢纽层次结构的末端位置，它们是以分布在交通大区内的每个 角落，其主要作用是汇集分散客流和发散客流，其客流量较小，联系的公交线 路也较少。 2 3 2 各层次公交枢纽选址方法 本文的公交线路优化方法是在现状公交枢纽层次结构已定的基础上，对现 状公交线路进行功能层次结构分析，然后再研究各层次的公交线路并与后章遗 传算法所生成的全新公交线网相结合进行分析。由于在公交线路优化调整前我 们已得到公交客流0 d 矩阵，因此其现状公交线网是确定的。 4 3 2 1 枢纽选址影响因素 ( 1 ) 宏观因素 城市发展形态 任何一个城市，都有自己的布局形态，即发展形态。不同城市发展形态对 应的路网形态、城市的客流分布特点也不相同。因此，城市的发展形态是影响 城市公交枢纽布局的重要因素。 城市功能 城市总体规划确定了城市性质、功能分区和城市的发展方向。城市公交客 运枢纽是以居民工作出行、经济活动、文化体育活动、对外交通的需求为布设 的主要依据，因此，城市功能影响着不同层次公交枢纽的规划选址。 客流集散点的分布及强度 因为城市公交枢纽应布置在客流集散量大的地方，所以不同城市的客流集 散点分布特点不同，城市公交枢纽层次布局也不相同。 8 ( 2 ) 微观因素 城市公交枢纽的交通方式构成 城市公共枢纽的交通方式越多，可能换乘的客流量就越大，公交的可达性 也较好，所对应的公交枢纽的层次也越高。 公交发达程度 包括线路规模，到站距离。其中线路规模又包括地面公交线路及轨道线路， 到站距离一般用步行耗时来衡量。 用地制约情况 具体可分为a 、用地条件紧张，难以提供大规模的公共交通枢纽用地；b 、 用地条件较好，可提供一定规模的公共交通枢纽用地；c 、用地条件充裕，可 建成完善的公共交通枢纽。 4 3 2 2 公交枢纽的选址 理论上划分综合公交枢纽的基础是交通大区，本文与以往选择公交枢纽位 置时通过比较客流集散强度z = m a x e 。( 式中，e a 2 备选枢纽a 的客流集散强度指 标，) 不同，拟采用类似于城市物流中心选址的方法，即使枢纽点到各个客流 发生点的加权距离最小来确定综合公交枢纽的位置。综合公交枢纽具体选址步 骤如下： 步骤1 ：找出确定性枢纽 确定性枢纽应满足两个基本条件：a 、是对外交通枢纽，如火车站、长途 汽车站等；b 、有一定的场地。 步骤2 ：搜寻最优枢纽点位置 理论上，最优枢纽点应是在使其到影响区域内各个交通小区质心的“总加 权距离最小并且枢纽的建设费用最小一的位置。枢纽的建设成本放在位置调整 中考虑，这里使用简化的物流中心选址模型初步确定枢纽点的位置：在加权的 图g 上寻求每一交通大区的最优点p ，使其到每一客流产生点的加权距离和达 到最小。假设有n 个交通小区，m 个交通大区，k 个确定性公交枢纽，可用公 式3 1 表示： l 脚一七疗二 m i n z = 研( 俨力) 2 + ( 一y ，) 2 】 ( 2 1 ) f 1 ，一i 式中：( x i ，y j ) 一各个交通小区产生点坐标 ( u i ，v i ) 一非确定性公交枢纽点坐标 b i 一第j 交通小区客流量 本文在建立模型时进行了两点简化。首先，使用的是交通小区客流量与交 通小区到枢纽点空间距离相乘来衡量枢纽的客流集散强度。理论上应采用公交 枢纽到客流产生点之间实际道路的距离，如此就会涉及到道路是否可以通公交 9 车、复线距离、最短路等。由于只是初步确定位置，并且本算法强调实用性， 因此对其进行简化，使用空间距离。其次，由于公交o d 十分复杂，在模型中 加权系数只使用各个客流点的客流量，不考虑公交o d 的距离与方向。 步骤3 ：依据实际情况调整最优枢纽点，确定综合枢纽点位置 由步骤2 求得的是理论上的最优解，而在实际情况中，由于土地使用权及 足够的土地面积等问题，一般需要依据实际情况对最优枢纽点的位置进行调 整，本文针对不同情况提出了实用的调整方法。 首先，综合公交枢纽的主要作用是使交通大区的公交客流快速而经济的流 入流出，同时联系综合公交枢纽的公交干线主要运行在城市的快速路和主干道 上，所以综合枢纽点的位置应靠近城市快速路和主干道。 其次，在老城区或市中心所在的交通大区，由于土地开发强度较大或文物 的保护问题，一般很难有足够的闲置土地作为综合公交枢纽，而且也不可能将 其它商业或居住性质的土地变为公交枢纽。因此，本文提议如果在城市的老城 区或市中心没有足够的土地建设综合公交枢纽，可以采用把综合公交枢纽外移 至老城区或市中心的边缘地区的方法，在联系周围交通大区的干道附近选择已 有一定公交设施并有较大的公交客流量以及有一定土地使用空间的点作为综 合公交枢纽的备选点。 2 4 公交线路功能层次分析 2 4 1 线路功能层次特性概述 在进行城市道路网规划时，由于道路功能不同，将城市道路划分为快速路、 主干路、次干路和支路四个不同的等级。不同等级道路功能不同：快速路为中、 长距离的机动车快速出行服务，主干路为相邻组团之间和与市中心或片区中心 的中等距离运输服务，次干路是城市内部各功能组团及分区内的主要交通集散 道路，支路在交通上起汇集性作用。 城市公交网络主要负责把客流从城市的一个地方运送到另一个地方，每名 乘客的乘行距离不同，每名乘客的出行目的也各不相同。因此，不同的居民对 公交线路的要求是不同的，主要体现在速度、运力、便利性等方面。根据城市 公交线路客流特征和公交出行服务水平调查，认为居民对公交线路有不同的要 求，就如同对道路网中不同道路的要求一样。参照道路划分标准，将常规公交 线路划分为3 个层次：公交干线、公交次干线和公交支线。 ( 1 ) 公交干线 公交干线如同道路网中的主干道，是公交网络中的骨架性公交线路，主要 为城市客流走廊服务。公交干线以快速路和主干路为载体，具有速度快、运力 大等特点，为交通性公交线路，主要采用的线路形式有两端在市区边缘穿过市 1 0 中心繁华地区的直径线和市中心外围的环形线。 ( 2 ) 公交次干线 公交次干线如同道路网中的次干道，是公交线网中的重点运输线路，具有 两方面的作用：一方面作为公交干线的辅助线路，帮助公交干线满足客流走廊 的需求；另一方面联系周围客流量较大的公交枢纽，作为公交干线往周围地区 发散的辐射线路，提高公交线路的服务面积。公交次干线以主干道和次干道为 载体，运行速度一般，运力较大，主要采用的线路形式有连接市中心与市区边 缘的半径线以及交通大区问联系的区际联络线。 ( 3 ) 公交支线 公交支线如同道路网中的支路，是公交线网中的重点辐射线路，起着提高 公交线网覆盖面积的作用，主要服务于市区道路条件较差的老居民小区以及郊 区的各行政村，基本为区内公交线路，联系区内各个公交枢纽。公交支线运行 于各种类型的道路上，运行速度较慢，主要采用辐射线的形式，是辐射性线路。 不同功能层次的公交线路的主要特征见表3 2 ，结构特点见图3 3 ： 表2 2 不同功能层次的公交线路比较 公交干线公交次干线 公交支线 运行道路城市快速路、主干道城市主干道、次干道 各种道路 允许适量的弯曲和迂 线路形状 弯曲少，迂回少允许弯曲和迂回 回 站距 = 8 0 0 m5 0 0 8 0 0 m5 0 0 m 左右 容量大、舒适性高、一般为车长7 l o m 运营车辆多种车型混合 车速高的标准车 运行平均车速 = 2 5 k m h 2 0 k m h 左右 = 1 5 k m h 路线配车多、发车频部分线路发车频率较不同的线路有不同德 线路调度 率高高情况 综合公交枢纽、区域 公交枢纽综合公交枢纽各种枢纽 公交枢纽 首末站火型公交首末站一般无要求没有要求 公交优先措施提供公交优先措施可提供公交优先措施一般无要求 一个合理的城市公交网络需要包含不同的线路层次，实行不同的运送标 准，才能够物尽其用，合理有序的组织公交系统的运营，公交的服务水平也将 提高一个等级，对城市常规公交线路功能层次的合理划分，设置不同的线路等 级，有利于针对不同线路灵活执行不同的运营标准。 2 4 2 公交线路功能层次分析方法 2 4 2 1 公交干线层的划分方法 公交干线层是公交线网的结构基础，公交干线层的划分对其它层次结构的 公交线路划分意义重大。本文依据图3 2 ，归纳与总结出一般对公交干线层次 划分的步骤： 步骤1 ：土地利用布局分析 作为城市规划的主要内容，对土地利用布局的分析是公交优化的基础，对 土地利用性质及土地布局的分析我们可以衍生出客流分析和道路网布局两部 分内容，明确城市的道路网布局，同时将道路网布局与土地利用布局结合分析， 能够熟悉客流分布特别是客流走廊的走向。 步骤2 ：划分交通大区 对交通大区的划分一般是按照城市总体规划的要求，根据其区域及功能特 点进行划分，有时候也采用行政区域划分。 步骤3 ：确定综合公交枢纽 根据前面划分的交通大区，按照综合公交枢纽点选址的方法，对现状公交 枢纽的位置进行分析与确定。 步骤4 ：确定公交干线层基本结构形式 公交干线层基本结构决定了公交线网的结构形式，城市的布局形态和土地 利用决定了客流走廊的走向，而客流走廊的走向和道路网结构特别是干道网的 结构以及综合公交枢纽点三部分决定了公交干线层的基本结构形式，现状公交 干线层的结构形式一般是沿着客流走廊采用“以市中心为中心，横纵贯穿交汇 外加环线”，部分城市由于受自然条件或其他条件的限制，客流走廊走向随轴 线变化而改变，所以公交干线层的分布也不是固定模式发展，而是因地制宜， 采取最合理的结构形式布置。 步骤5 ：分析公交线路 对公交线路的分析首先应遵循两个基本原则，一是公交线路应联系综合公 交枢纽；二是公交线路走向应与公交干线层结构形式基本保持一致，在此原则 的基础上，对公交线路进行分析并进行第一轮筛选，根据综合公交枢纽和公交 干线层的结构形式，分析现状公交线路各条线路，筛选合适公交线路作为备选 公交线路。 步骤6 ：筛选公交线路，确定备选公交干线集 在确定备选公交集以后，通过对公交线路的功能形式分析，进行第二次筛 选，筛选合理备选公交干线，对于被滤出的公交线路自动进入下一集公交次干 线集，对公交干线集功能评价一般是从线路客流量、线路途径道路、线路形势 三部分内容进行分析与评价。 4 4 2 1 公交支线层的划分方法 公交支线线路主要采取的线路形式为发散式，其功能作用为区内线路，作 为公交线网的枝节线路，在公交干线和公交次干线确定的基础上，剩下线路自 1 2 然归属公交支线层，其组成部分为剩余公交线路以及公交次干线层筛选以后滤 出来的线路。此外，在公交干线曾和公交次感想层未确定的情况，对公交支线 层的划分同样可以采取公交次干线层的划分方法。 2 5 本章小结 公交线路功能层次划分是公交线路优化的重要内容，也是公交线路优化的 基础。合理、科学的划分现状公交线路层次结构，可以使功能紊乱的公交线网 变得井然有序，有效的提高公交线路的运行效率。 本章首先提出综合公交枢纽、区域公交枢纽和地方公交枢纽的三个层次的 公交枢纽，给出了各层次枢纽的选址方法；接着对公交线路功能层次结构进行 分析，提出公交干线、公交次干线和公交支线的三级公交线路功能层次结构； 在此基础上，明确“以枢纽的分层结构为基础，结合现状公交线网，分层划分 公交线网 的各级公交线路层划分思路并对各级公交线路层分别提出了线路层 划分实用方法。 第三章公交线网优化模型 3 1 公交线路优化目标及思路 随着社会的不断发展，城市公交线路对居民的公交出行所产生的影响也 越来越大，城市公交线网的优化问题也备受交通工作者关注，如何处理公交需 求供给之间的复杂关系成为交通工作者尚待解决的一个难题。公交优化模型的 建立是对公交线网优化的基础，遗憾的是到目前为止还没有研发出公交线网优 化的最优模型，因此对公交线网优化模型的进一步讨论与研究是值得的。 在建立模型的过程以及对公交线路优化的过程中，由于线路优化目标指 出线路优化所需要的结果，而优化思路同样也对目标的方向做出了指引，因此 建模过程以及优化过程需要明确的优化目标和清晰优化思路。【2 7 j 3 1 1 公交线路优化设计目标及原则 城市公交线网的优化不应该仅凭经验设计，而应该设定一定的标准，如 公交线网的优化可以首先采用乘客公交出行总时间最短等目标来布设，然后根 据经验以及对现状公交线网的分析进行优化并调整。城市公交线网都是建立在 道路网上的，每条公交线网都是相邻路段组成连续的路径，将所有线路结合起 来就形成了公交线网，作为一个完善并且高效的公交线网必须满足下面的条 件：【2 8 1 1 可达性好：尽量使整个网络中的需求都能够得到满足； 2 换乘次数少：减少换乘时间，尽可能的让乘客直达目的地； 3 出行时间短：使乘客的出行时间最短，因地制宜，尽量按最短距离布 设线路。 4 线网效率高：在充分发挥路线以及运载工具的运能的前提下，分析客 流密集的线路，并对其进行优化布设。 公交线路系统的复杂性以及其优化的难度决定其在优化过程中受到的影 响应诉也很多，但是从公交线路优化的目标以及公交线网设计的目的和功能我 们仍然可以寻找出优化过程必须遵循的原则，以下为主要几点原则：【2 1 】 1 线路布设是在满足沿线居民日常上班、上学出行活动的需求同时尽量 满足人们生活以及文化出行活动的需求： 2 线路走向在方便城市居民乘车出行前提下，尽量保持其走向与城市客 流走廊的一致，线路的布设尽量分布均匀，尽可能消除公交空白区域。 3 处理好各公交线路之问的衔接与层次，并对各层次的公交线路的客流 1 4 集散能力进行协调。 4 从乘客的利益出发，尽量尊重历年来乘客出行习惯，尽量减少现有线 路调整的幅度。 3 1 2 公交线路优化思路 本文研究的公交线路优化方法并不是针对孤立的公交线路的优化方法， 而是研究公交线网中的线路优化方法。本文采用解析法与证优法相结合的优化 思路，在已有公交线网的基础上，以实践经验为指导和辅助决策，得到更贴近 实际情况的最优目标，更好的优化公交线网。【2 9 】 本文通过线路功能层次分析和公交线路线网诊断分析，对不合理的线路 进行定量和定性分析，明确优化原则，选取合适的优化方式，利用既有线路优 化调整方法和新增线路优化布设方法来合理优化公交线路主要内容如下： ( 1 ) 现状公交线网的功能层次划分与分析 ( 2 ) 公交线网优化模型分析 ( 3 ) 运用遗传算法生成初始理想公交线网 ( 4 ) 将现状公交线网与初始理想公交线网，得出调整后的优化公交线网。 3 2 影响公交线网优化目标因素 公交线网规划是一个复杂的过程，它受到多方面因素的影响【3 0 1 ，其中主 要包括： ( 1 ) 交通需求 理想公交线网布局最重要的特点是服务范围广、非直线系数小、换乘率 低、步行距离短、出行时间短，而公交线网优化的首要因素分析就是对城市交 通需求的出行数量、出行分布以及出行路径进行选择。 ( 2 ) 道路条件 公交线网的布设都是在城市道路网结构的几乎上布设的，没有道路网也 就没有公交线网的存在，但同时，即使是存在道路网，也并非是所有道路都适 合公交线路网的布设，主要是因为道路几何线路、路面条件和容量条件的限制， 使的公交车辆无法通行，因此在进行公交线网的规划以前，我们可以先定义适 合公交车辆行驶的道路网为公交线网的“基础道路网 ，然后在基础道路网的 基础上布设公交线路。 ( 3 ) 场站条件 根据最优站距和车站长度的限制等情况，从起讫点所生成线网出发，根据 路线及车辆配置的情况确定终点站的规模。 ( 4 ) 车辆条件 根据公交车辆的车辆物理特性和载客指标以及操作性能，分析车辆各因素 1 5 之问的协调性，在确定公交线网优化过程中的“基础道路网 ，当然也可以先 规划线网根据，根据路线配置车辆所需的总车辆数，然后考虑数量的限制。 ( 5 ) 效率因素 效率因素是指公共交通线网单位投入( 如每公里、每班次等) 获得的服务 效益，反映路线效益的指标有：每月行驶次数、每车次载客人数、每车公里载 客人数、每车公里收入、每车次收入和营运成本效益比等。它不仅反映路线的 运营状况，还反映路线经过地区的客运需求量和路线的服务吸引能力，因而在 规划中应特别考虑效益因素。 ( 6 ) 政策因素 政策因素包括交通管理政策( 如车辆管制和优先措施) 、社会公平保障政 策( 如照顾边远地带居民出行) 和土地发展政策( 如通过开辟公共交通路线诱导 出行，促进沿途地带的发展等) 。 此外，还有经济因素、文化因素和人口与年龄组成因素。 3 3 公交线网优化模型 3 3 1 公交线网优化目标选择 从城市生活的实际情况出发，总结出以下各优化目标及其常用数学表达 式：【3 0 】 ( 1 ) 使公交乘客总的出行时间最短 m i n r = 嘶乃 ( 3 1 ) 驴= l 式中t 一公交总出行时间( h ) ； a i j 一公交节点i 到节点j 的公交乘客量( 人次) ； t i j 一公交节点i 到节点j 的公交出行总时间( h ) ； n 一交通小区数目( 个) ( 2 ) 为更多的乘客服务，使乘客直达率最大 s 溯 m a x l ，= 告 琦 ，= l f 1 ( 3 2 ) 式中v 一乘客直达率 s i j 一线网内公交节点i 到节点j 的直达客流量( 人次) ； x i j 一决策变量，若起点i 到终点j 配对时，则x i j = l ：否则x i j 2 0 ； 1 6 t i j 一线网内公交节点i 到节点j 的客流量( 人次) ； ( 3 ) 公交企业经济效益 一p = k 棚么。心， 3 ， 式中p 一公交企业经济效益； l 。一同一线路中公交两相邻终点s 到节点t 的距离( 公里) ： k 。一。一公交同一线路相邻节点：到节点t 的车流量( 辆次) ： q 。一。一公交同一线路相邻节点，到节点t 的客流量( 人次) ： ( 4 ) 保证线网的服务面积率，线网覆盖率最大 m a x z = 有公交线道路总长可通行道路总长 ： 三h 一( 三h 儿 ，) 】，h ( 3 4 ) lh6瞒l s t l l - i l g | l l - i 怕 式中z 一线网覆盖率 o ，一全部公交线路长度之和( 公里