（管理科学与工程专业论文）衡阳市公交线网优化研究.pdf

摘要 基于衡阳市目前的公共交通发展水平较低、公交类别单一、结 构欠完善等现状，本文通过选取市内1 0 0 余个公交站点、2 0 余个交 通小区进行实地调查统计所获得的资料，按照需求预测线网分析 证优整体优化方案典型路口优化的研究思路，讨论了衡阳市 公共交通线网优化的相关问题。 以重力模型为基础，用分层分布法对其进行修正，分析提出了衡 阳市公交分布的不同交通区层及全市公交出行分布的o d 预测矩阵； 以数学模型为手段，将公交线网优化的“乘客直达率最高、乘客出行 总时间最短、公交运营总费用最小”三个核心目标转化为，总候车时 间最短、总在车时间最短、总空位时间最短 三个可加总计算的目标， 从而实现从多目标函数到单目标函数的转化，进而简化了线路总效益 证优的计算过程，通过实例分析，完成了逐条线路的优化；以城市公 交发展的长远目标为依据，结合现实情况，分别提出了2 0 1 0 年和2 0 2 0 年衡阳市公交线网整体优化调整的详细方案，以实现衡阳市公交运营 的“八点、六线、五环、七片”总体目标；以晶珠广场十字路口为典 型案例，提出了短期内公交线路进行回避性调整、长期内进行以建设 高架桥为主的解决路口拥堵问题的方案。 这一系列的研究及其结论，既可实现衡阳市公交线网的整体优 化、也针对了单条线路和瓶颈性交通路口的优化，可为同类城市的公 共交通建设与发展提供有价值的决策参考。 关键词：衡阳交通分布预测公交线网优化 a bs t r a c t b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f d e v e l o p m e n t ，t h es i n g l et y p eo fp u b l i c s t r u c t u r e ，t h i st h e s i ss e l e c t sm o r et h a n10 0 t h el o w e r p u b l i ct r a n s p o r t t r a n s p o r ta n dt h ei m p e r f e c t p u b l i cs t a t i o n sa n ds t o p sa n d o v e r2 0t r a f f i cc o m m u n i t i e st om a k eal o to ff i e l ds u r v e y sa n do b t a i n s s o m ed a t a t h r o u g ht h ed a t a ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eo p t i m i z a t i o no f p u b l i ct r a n s p o r tn e t w o r ki nh e n g y a n gc i t ya c c o r d i n gt ot h ed e m a n d f o r e c a s t - - n e t w o r ka n a l y s i sa n dp r o o fo p t i m i z a t i o n - - w h o l e o p t i m a l s c h e m e - - - t y p i c a li n t e r s e c t i o no p t i m i z a t i o n b a s e do nt h eg r a v i t ym o d e l ，i tu s e st h el a y e r i n gd i s t r i b u t i o nm e t h o d t oa m e n dt h ep u b l i ct r a n s i t ，a n a l y z e sa n db r i n g sf o r w a r dt h ep u b l i ct r a f 丘c d i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n td i s t r i c t si nh e n g y a n ga n dt h eo dp r e d i c t i v e m a t r i xo nt h ed i s t r i b u t i o no ft h eu r b a np u b l i ct r a n s i tt r i p b yt h em e a n so f m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h et h r e ec o r eo b j e c t i v e so fp u b l i cl i n en e t w o r k o p t i m i z a t i o n ，“t h eh i g h e s tp a s s e n g e r sd i r e c ta r r i v i n gr a t e ，t h es h o r t e s t p a s s e n g e r st r a v e l i n gt i m e ，t h em i n i m u mc o s to fp u b l i ct r a n s p o r tr u n n i n g c o s t ”，c a nb et r a n s f o r m e di n t ot h r e ea g g r e g a t i o nc a l c u l a t i o no n e st h a tc a n b ec a l c u l a t e da g g r e g a t e l y ，“t h eg e n e r a ls h o r t e s tw a i t i n gt i m ef o rv e h i c l e s ， t h ew h o l es h o r t e s tt i m ef o rt a k i n gv e h i c l e s ，t h ew h o l es h o r t e s tt i m ef o r v a c a n c y ”，s oa st or e a l i z et h et r a n s f o n nf r o mm u l t i o b j e c t i v ef u n c t i o nt o s i n g l e o b j e c t i v ef u n c t i o na n dt h e ns i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o np r o c e s so fl i n e t o t a lb e n e f i tp r o o f o p t i m i z a t i o n t h r o u g he x a m p l ea n a l y s i s ，t h el i n e sh a v e b e e no p t i m i z e di t e mb yi t e m ；o nt h eb a s i so ft h el o n g - r a n g eo b je c t i v eo f u r b a np u b l i c t r a n s p o r t a t i o nd e v e l o p m e n ta n dc o m b i n i n gw i t hr e a l c o n d i t i o n ，i tp u t sf o r w a r dt h ed e t a i l e dp l a no nt h ew h o l eo p t i m i z a t i o no f t h et r a f i l el i n en e t w o r ki n2 010a n d2 0 2 0i nh e n g y a n g ：t h a ti st h r o u g h a d d i n g ，d e l e t i n g ，a d j u s t i n g ，e x t e n d i n gt h el i n e sa n dr e g u l a t i n gv e h i c l e n u m b e r s ，s e r v i c ef r e q u e n c y ，s t o p o v e rs t a t i o nt or e a l i z et h et o t a lg o a lo f p u b l i ct r a n s i t “e i g h tp o i n t s ，s i xl i n e s ，f i v ec i r c u i t s ，s e v e nd i s t r i c t s ”，s oa s t op r a c t i c a l l yi m p r o v et h ep u b l i ct r a n s p o r tc o n s t r u c t i o n ，d e v e l o p m e n ta n d s e r v i c el e v e l t a k e nt h ei n t e r s e c t i o nb yj i n z h um a l lf o rt y p i c a le x a m p l e i tb r i n g sf o r w a r das c h e m e ，w h i c hi st oc a r r yt oo na v o i d a n c ea d j u s t m e n t o np u b l i ct r a n s i tl i n ei nas h o r tt i m ea n db u i l dv i a d u c t si n1 0 n gf u n ，t o s o l v et h ep r o b l e mo ft r a f f i ci a ma tt h ei n t e r s e c t i o n s t h es e r i e so fr e s e a r c h e sa n dc o n c l u s i o n sn o to n l yc a nr e a l i z et h e w h o l eo p t i m i z a t i o no ft h eu r b a np u b l i ct r a n s i tn e t w o r ki nh e n g y a n g ，b u t a l s oc a no p t i m i z et h es i n g l el i n ea n dt h eb o t t l e n e c ki n t e r s e c t i o n s t h i s t h e s i ss h o u l db ea b l et op r o v i d ev a l u a b l e d e c i s i o nr e f e r e n c ef o rt h e c o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f p u b l i ct r a n s p o r tf o rt h es a m ek i n dc i t i e s k e y w o r d s ：h e n g y a n g ；t r a f f i cd i s t r i b u t i o n ；f o r e c a s t i n g ；p u b l i ct r a f f i c l i n en e t w o r k ；o p t i m i z a t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名日期： 学位论文版权使用授权书 年鱼月上日 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名导师签名：日期： 垒月厶日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 1 1 1衡阳市的公交发展历程 衡阳是地处湖南中南部的全省第二大城市，其公共交通的发展经历了三个阶 段。 第一是初建阶段。计划经济时代，公交管理和建设部门以中小城市的基本需求 为基础，以行政指令性计划为依据，以大中型厂矿企业为客流枢纽，建立了全市 公交线网的布局框架，并逐年扩容和完善。在二十世纪八十年代以前，由于城市 人口相对稳定，经济总量有限，衡阳市公交线网系统基本满足了当时的需求。 第二是活跃阶段。改革开放以后，作为湘南地区的区域性经济文化中心，衡阳 市区在常住人口较快增长的同时，流动人口也快速增长。公交管理与运营机构的 改革和发展步伐落后于形势的变化，城市公交客运显现出一种公私并存的活跃局 面，但体制落后、行业规范缺失和公私企业竞争基点不平衡等因素的存在，以及 出租车市场的迅速发育，导致了公交系统在营运方面一定程度的混乱。 第三是优化阶段。进入二十一世纪以来，由于经营规模偏小、资本存量偏低， 私营公交企业和个体经营户渐次退出了行业竞争或被国有公司并购，衡阳市公交 公司重新取得了对全市公交营运的垄断经营权。此后，在政府的指导下，公交公 司在保证利益最大化前提下逐步地拓展公交线网，增开班车，并对原有线网进行 调整、优化。系统运行初步具备了良性发展的趋势。 但到目前为止，衡阳市公交线网仍然没有改变建国以后按当时理念形成的基 本布局，陆上公共交通仍是主要手段，对衡阳市城区拓展的现状和环城公路建设 的规划目标等尚未制订针对性的适应计划。在前瞻和系统优化的立场来看，衡阳 市公交线网的优化研究，是一项有很大经济价值和社会意义的工作，或者说，是 衡阳市公交系统发展到今天所必须面临和解决的一项课题。 1 1 2 本文的研究目的 根据初步调查，针对衡阳市公交线网优化问题目前还没有较为系统和深入的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 研究。近年来，官方和民间对局部线路的增删调整有过分析论证，但均未上升到 全市的线网整体。因此，笔者希望借此机会，在充分掌握衡阳城区的道路、场站、 运营车辆、交通环境及资金等信息资料，以及进行必要的调查、实地测算和数据 统计分析的基础上，借鉴前人在城市公交线网优化方面已经形成的成熟而可行的 理论体系、分析模型段和取得的研究成果，采用科学的分析方法，建立适应模型， 具有一定前瞻性地提出衡阳城市公交线网短期与长期的优化调整方案，同时以公 交线网的调整优化和城市道路基础设施建设与改造等为手段，提出衡阳市主要路 口交通拥堵问题的解决方案，开发公交自身的潜力，提高公交运营效率，增大载 客量和改善服务水平，实现公交运能科学配置。进而缓解城市公交紧张局面、保 障公交线网布局的连续性和可变性，为衡阳城市公交系统的可持续发展提供可行 方案。使衡阳的城市公共交通状况既有整体性的优化，又能完成重点难点问题的 治理。从而在实践上为衡阳的城市公共交通事业发展提供有价值的决策参考，在 理论上丰富公交线网优化技术的应用。 1 1 3 研究的意义 近年来，随着湖南加快推进新型工业化进程，衡阳的社会经济发展速度也有 了较快增长，其作为衔接和联系泛珠三角区域的节点和纽带的功能日益明显，越 来越多的沿海工业企业将其生产制造基地搬迁到了衡阳，并在衡阳市的城区周边 繁衍出了许多人流量集中的工业园区，这一趋势还在不断地增强。城市空间的扩 展使现有的公共交通网络越来越难以满足居民出行的需要。进行本市公交线网的 优化研究，其研究结论一方面可以切实解决各交通片区之间出行的公共交通工具 及方式不足、部分主干交通道口拥堵问题严重、部分公交线路设置不合理乃至效 益低下等一系列现实问题，另一方面也可以站在全市公交运营系统的总体高度， 调整优化衡阳市的整体公交线网，在改善居民出行的公共服务质量的同时，也提 高公交客运部门的经济效益，从而为全市的公共交通事业发展做出有益的贡献。 1 2 国内外研究现状 公交线网规划是以现代交通规划理论为基础，依据居民出行调查、公交专项 调查的数据资料和相关的预测结果，运用数学规划方法、图论方法、人工智能及 模糊数学等方法，依托城市道路网络系统，进行公交线网布局规划，寻找其最优 布局。公交线网规划是一项系统工程，牵涉到社会学、经济学、心理学等诸多方 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 面。实现公交运营线网的合理、科学规划，可以在有限的投资条件下，充分挖掘 公交自身的潜力，实现公交运能的科学配置，具有提高公交营运效率和增大载客 容量、改善公交系统整体服务水平的双重意义。 1 2 1 国外研究概况 国外对公交线网的研究起步比较早，目前在公交线网的优化技术领域有广泛而 深入的研究。基于公交线网的规划一般过程，形成了多种线网规划方法。c h u a 1 】 曾将这些方法归纳为规划手册法( m a n u a la p p r o a c h ) 、系统分析法( s y s t e m a n a l y s i s ) 、市场分析计划法( m a r k e ta n a l y s i sp r o j e c t ) 、交互式图形系统分析法 ( s y s t e ma n a l y s i sw i t hi n t e r a c t i o ng r a p h i c s ) 及数学寻优法( m a t h e m a t i c a la p p r o a c h ) 等五类【2 1 。 1 规划手册法( m a n u a la p p r o a c h ) 从战后至6 0 年代初，由于科技发展水平和投资条件的限制，公交线网规划采 用规划手册法( 经验法) 。这种方法有两种形式：自然演变，随着城市的扩大使 公交线路逐渐增加，线路布设的主要依据是市民的反映和公交公司的观察和经验。 专家定线：在线网布设过程中，采用某权威机构或专家意见确定线网布局。这 种方法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。线网规划人员根据这些原则形成线网方案，大多仅凭个人的 专业经验和主观认识来判断公交线路合理与否，缺乏科学依据，因此形成的线网 往往效率不高。然而这种方法具有操作简单、费用低廉的优点，所以公交营运者 使用普遍。 2 系统分析法( s y s t e ma n a l y s i s ) 从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。规划方法一般是依照一套程序步骤制定公交线网方案后，再使用交 通规划的分配方法来预估各条线路的流量，以此作为线网方案的评价依据。在公 交线网规划上，着重于评价模型的建立，但缺乏较明确的设计方法和步骤。具体 有l a m p k i n t 3 】等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 c h t 4 】等所作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。 3 市场分析计划法( m a r k e ta n a l y s i sp r o j e c t ) 市场分析计划法类似于系统分析法。它将影响现状收益、成本关系的所有因素 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 进行研究分析后，重新拟定方案并预测未来线路的收益和成本，然后反复寻找最 优方案并评价方案直到满意为止。这种方法需要大量详实、准确的数据，而且不 考虑线网其他方面的优化约束，因此对于都会区域复杂的线路，准确性比较低， 通常适用于乡村或城际间线网布设。 4 数学寻优法( m a t h e m a t i c a la p p r o a c h ) 数学寻优法是指将公交线网的结构抽象为简单几何图形，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。这种方法可以适应于简单的 路网。对于复杂的公交系统，如果将其过于简化，应用这种方法所得到的结果将 很难反映实际情况。 5 交互式图形系统分析法( s y s t e ma n a l y s i sw i t hi n t e r a c t i o ng r a p h i c s ) 从8 0 年代至今，是研究的高潮，这一阶段规划方法多与计算机技术相结合， 并在模型的建立和求解时大量使用了遗传算法，神经网络等先进技术。 j a n a r t h a n a n 5 】等设计了公交线网设计的辅助专家系统：专家系统可以提供交互 式图形支持，并对设计方案进行模拟分析，这一系统可以有效提高公交网络的设 计效率。f e r n a d e z 等f 6 】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 i k 等【_ 7 】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，首先生成备选线路集， 然后通过遗传算法进行了优选。s u l l i v a n 等【8 】基于g i s 系统，对生成等时线地图的 可行性进行分析，提出了一种公交最佳路径选择的分析方法。 综上所述，将各种公交线网规划方法的优缺点整理如表1 1 所示f 8 】： 表1 1 各种公交线网规划方法的优缺点对照 方法 优点 缺点 适用范围 规划手册法简单、方便、低成本规划受主观价值小范嗣地区、简单路网、 判断影响线路较少、短期规划 系统分析法系统化、适合综合性分析、测试方案少、偏向中小型城市、复杂路网、 简单、低成本、可多重目标现有线路、需大量多条线路、短期调整规划、 资料概念性长期规划 市场分析计系统化、可用于综合性分析、同上，不适用于大小范围地区、营运计划、 划法低成本型都市线网郊区和城际公交线路、小 型路网 数学寻优法最优系统化、测试方案多、成本高、涵盖范围小到大型城市、全新公交 不适合既有线路、配合启发小、复杂、须分析线网、系统的中长期规划 法可得近似最优解所有替选方案。 交互式图形系统化、测试方案方便、可成本较高、涵盖范大、小城市的短期至长期 系统分析法处理复杂路网嗣小、偏向于既有复杂路网 线网 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国内研究概况 国内关于公交线网优化的研究始于8 0 年代，目前主要集中于数学寻优法的模 型及已有模型算法的研究。 较早进行这方面研究的吴稼豪、李硕、夏伟民等【9 】1 ；o l l 较系统地叙述了有关 城市公共交通网络优化问题的模型和方法，他们奠定了这一研究领域的基本框架 和平台。杨兆升【n 】、张启入等【1 2 】根据不同的约束提出了不同的公交线网优化模型， 为现实中的具体公交线网优化问题展示了不同约束层面的分析结论，但未涉及到 模型处理之外的道路、场站、设施等的研究。刘清掣1 3 】基于人工智能理论，采用 启发式算法，从每对端点搜索出满足有关约束条件的备选线路，按二进制理论将 备选线路组合成若干优化网络，然后评价比较确定最优，他们丰富了线网优化模 型分析中的算法理论。张国伍等【1 4 】在扩展福劳德算法的基础上，提出了公交线网 的多条最短路径算法，从卜d 间距最短即乘客到达时间最短的维度讨论了目标 函数方式的线网优化问题。这些学者们的研究工作，为后来者提供了基本的研究 思路、方法和技术，起到了开创性的作用，但他们共同的局限在于只着眼于技术 和方法层面，而没有涉及到公共交通管理与服务的制度创新层面。如一个城市公 共交通服务组织的所有制性质对公交线网设置与选择的价值判断及其决策的影 响，就没有进行相应的研究。 近几年来，针对公交网络优化提出了不少新的模型和算法。 王炜【l5 】提出一种相对比较实用的公交网络逐条布设方法，这种方法以直达客 流量最大为目标，采用“逐条布设，优化成网 的思路进行线网优化。这种“从 局部到整体 的研究逻辑很容易地解决了公交线网系统的复杂性、动态性、开环 性问题从而简化了优化工作，且至少保证了单条线路的相对最优化。但这种方法 的不足在于逐条布设之后形成的线网整体仍然未必是优选组合。其根据公交需求、 场站条件等综合约束条件进行调整，不仅是必然的，而且工作量相当大。 王志栋l l6 】提出了包括乘客总出行时间最小、客流直达率最高、线网覆盖率最 高、线路重复系数最低、公交经济效益最高五个目标的多目标公交网络优化模型。 应该说这个多目标函数体系相当准确地定义了线网优化工作的核心价值，具有理 论上的高度合理性。但他的多目标函数模型由于各个目标的约束条件单位不同、 函数表达式难以替换计算，从而很难用数学方法求解，最终仍不得不归结为一种 单目标的优化模型。这样一来，又面临着将多目标函数转化为单目标函数的方法 问题。从数学原理上讲，这项工作始终是困难且无法完全等价的。尽管包括本文 在内，人们都在进行这种转化，但难题至今仍未得到理想的解决。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 林柏梁等【r 7 】从组合优化的角度，提出了公交网络优化设计的非线性0 1 模型， 以乘客的出行时间最短和实现公交网络的资金投入最少为目标函数，在满足车站 容量限制的条件下，获得公交线路的优化决策。单连龙等【l8 j 提出了用双层规划模 型来描述连续平衡公交网络设计问题。唐利民等【1 9 】提出了f l a p ，i 模型。孙艳丰等【2 0 】 和陈洪仁等【2 l 】使用遗传算法，从不同的角度，对规划模型进行求解。此外北京市 公共电、汽车线网系统规划实施方案【2 2 1 ，广州市线网调整方案【2 3 】等研究了线网近 期规划的一些实用方法。上述学者和工作机构，进一步扩展了公交线网优化模型 和方法的内涵，为这一研究领域提供了更为丰富的理论研究成果和实践应用经验。 1 3 本文的主要研究内容 本文研究的核心内容是公交线网优化模型在衡阳市公交实践中的应用问题。 第一章作为绪论提出了本文的研究背景和研究意义，对国内外有关研究概况、 主要方法和成果进行了综述，介绍了本文的主要研究内容。 第二章为全文研究所依托的理论基础。主要包括公共交通系统优化理论；交通 需求预测的有关模型与理论、交通分布的分层分布法；公交线网优化的目标函数 模型等。 第三章为衡阳市公交需求预测及其分析。在分析衡阳市公共交通基本现状的基 础上，采用分层分布的交通分布预测方法，以道路实例数据为依据，提出了分层 的原则，形成交通分布的层次划分、公交出行预测、分布预测等，并归纳出近、 远期公交需求预测的总体结论。 第四章针对衡阳市现有的公交网络结构，提出了优化公交网络的模型、方法并 进行了相应的计算分析和处理。形成了公交线网优化的建议方案。 第五章选择了衡阳市晶珠广场路口为对象，通过实地调查分析，提出了解决路 口拥堵问题的短、长期对策。 第六章为结论与展望。对全文的分析方法、结论及研究的不足进行了归纳，并 提出了根本性发展衡阳公交事业的一些设想。 6 中南大学硕士学位论文 第二章公交线网优化相关理论 第二章公交线网优化相关理论 本文的研究以衡阳市的公共交通线路网络为对象，主要涉及公交需求预测、 公交线网优化和路口拥堵问题解决等三个方面的实际问题。因此，本文的研究分 析也依托于相应的理论基础。 2 1 公交线网系统的有关理论 2 1 1公交线网内涵及其相关指标 一个城市的公交线网，直观地说，是由各种公共交通工具在特定的出发点与 到达点之间经过若干停靠点而形成的一个动态与静态相结合的网络系统，其中涉 及一系列的概念与指标。 1 根据公交线路的走向和位置，可将全部线路划分为以下类型【2 4 1 ： 半径线。自城市周边地带的居民集散点到城市中心或市中心区的边缘。此 线优点是：可对任意需要联系的点进行服务，也可以和别的线路合用终点站。缺 点是：对经过市中心区的乘客，都要换乘；在市中心设置终点站要有一定的回车 和停车场。直径线。从市中心穿过，避免了半径线的消极作用，经常作为城市 的主干线。缺点是：在特大城市中，公交线路过长时，若路况复杂，很难调度好。 切向线。在市中心地区边缘切过，若在其附近有强大的客流集散，这种线路就 能做到经济合理。环形线。它由几段切向线连接而成的，因此具有切向线的某 些特征，环形线可对经过市中心区的某线路中超负荷客流的区段起分担作用。其 首末站一般设在继续向前的客流量少的地方，环线一般都设为双向对发，以便利 换乘、减少迂回交通。辅助线。这是一种短程的输送线，起着运送某区的乘客 到一条或几条主要公交线路的作用。缺点是：乘客需要换乘其它线路的车。 2 根据所有公共交通工具及其线路在城市空间上的分布状况，公交线网的性能 主要取决于线网密度以及线路长度与条数两大指标。 公共客运交通线网密度【2 5 】 公交线网密度( 万) 是指在有公共交通服务的单位面积城市用地上，所有公共 交通路线的道路中心长度。 t， 万= 娜( 公里平方公里)( 2 一1 ) 7 中南大学硕士学位论文第二章公交线网优化相关理论 其中：岛公共客运交通路线的道路中心线长度( 公里) ； f 公共客运交通服务的城市用地面积( 平方公里) 。 在一个人口数量稳定的城市里，客运周转量基本稳定，这样，为完成客运任 务的公交车辆数也基本上确定了。这时，若公交线路越多，则每条线所服务的城 市面积越小，居民出门步行到站点和从站点步行到目的地的时间也就越短。但是 公交线路越多，每公里路线上所能分摊到的公交车辆数就越少，使行车间隔时间 增长，居民候车时间也长。反之，路线少，行车间隔时间就短，候车时间也短。 但由于线路稀疏，居民步行到站点和从站点步行到目的地的时间就长。每个乘客 都希望步行时间短，候车时间也短，即要求：2 t 佑+ t 候= 最小值。 公交事业发展的任务之一，就是要统一这个矛盾。图2 1 为一互相平行、其 间隔为，的客运路线，站点间距为d 。则t 老为： t = ( 线+ 站) 6 0 ( 分钟) ( 2 - - 2 ) 式中：矗姥乘客从出发地垂直路线步行的平均距离( 公里) ，其值约为路线间 距的的1 1 4 。 毛就乘客沿着路线步行到站点的平均距离( 公里) ，其值为d 1 4 。 i 一，一 k d 一 图2 一l 乘客从出发点步行到平行路 线和站点的行程 t 1 r 一一一一一- 一- - ， ， l -商枇 |l 上 i ： i - j 7 线皇r ri i l i 一 k 一， 一 r1 一 + 图2 2 乘客从出发点步行到方格网 在城市规划用地中，若公交线网平行布置， 站= d 1 4 ，则有 路线和站点的行程 由平均状况而言，线= 1 ( 3 8 ) ， f 步= ( 线+ 岛站) 6 0 = 【1 ( 3 万) + d 1 4 1 6 0 1 v 步( 分) t 候= ( 6 0 屯j 嘛吆) ( 分钟) 对于全市公交客运线路网，线路总长度： l 线= f 酗 式中：公交线网上公交线路的重复系数。 8 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 中南大学硕士学位论文第二章公交线网优化相关理论 由以上分析可知：嘻和喙均与公交线网密度万有关，5 若i 2 t 步+ 候为最小值，则 其对密度万的一阶导数等于零。由此即可得最佳密度( 晚) 值，即 垡垒生丛：o d 6 解之得：畦= ( 公里平方公里) ( 2 6 ) 公交线路长度与条数 全市公交线路总长度可大致确定，即么= f 6 1 1 = 。 从实践经验可知，路线过短，会造成乘客换车过多而不方便。同时，也会造 成车辆在线路起终点站停歇时间相对增加而降低运营速度；反之，若线路过长， 会造成沿线客流不均匀，行车间隔时间不准确，使得公交车辆的运载能力难以充 分发挥，并使乘客的候车时间增长【2 6 】。因此，公交线路的平均长度( k ) 常根据 城市规模和形态来考虑，可取其城市直径( 中、小城市) 或半径( 大城市) 为平 均线路长度；也可参照线路上乘客上下车交替情况确定线路长度，它约为乘客平 均乘距的2 - - - - 3 倍。通常，市区线路长度约在6 8 公里或l o 公里左右。郊区线路 长度视实际情况而定。 于是可估算出全市公交客运线路的条数，z ，即n = l 绋i 纬。 2 1 2 公交专用道路系统及其实施条件 公交专用道路系统是一种提供大运量客运设施的低成本、高效益的手段，其 利用为短期快速实现公交优先，提高公共交通的客运能力提供了可能，也为轨道 交通的建设提供了缓冲【2 7 】。 公交专用道路系统是将公交系统与其他交通相分离，实现分离或公共交通， 包括公交专用道和公交专用车道两种形式。其中，公交专用道是指公交行车道与 其他交通进行隔离的形式，例如采用岛式公交车站或者用路缘或栅栏进行完全隔 离；公交专用车道是指仅用交通标志标线与其他交通分道行驶的公交车道。 一些发展中城市对公交专用道路系统的开发应用表明，在那些单向客流量达 2 5 0 0 0 人次小时的交通走廊，大运量的公共汽车系统可以提供满意的大众运输选 择方式，因而，在特大城市的交通走廊，并非只有地铁和市郊铁路才能满足乘客 需求。同时还可以通过一些特殊的运营手段来提高基本型公交专用道的性能，如： 车站超车设施、干线一支线联运、车辆排序、大运量公共汽车、车下票务、交通 信号技术以及停靠时间限制等。 9 中南大学硕士学位论文 第二章公交线网优化相关理论 从公交专用道路对交通状况的影响来看，其实施有如下5 个前提条件，根据 各条件的重要性，5 个设计参数排序大致为【2 8 】： 道路的几何条件。道路必须具有双向四车道及以上的条件，但从专用道路 实施后的可靠性和可操作性来看，最好在双向六车道及以上的道路才设置公交专 用道路。 断面的公交客流量。公交优先不是单纯“公交车的优先 ，而是使用公交车 出行的人的优先。所以，在选择实施公共优先道时，应优先考虑客流量大的地段， 即高峰小时单向公交乘客量至少应占路段所有车辆乘客量的5 0 以上。 断面的公交车流量。如果路段断面的公交车流量过小，设置公交专用道路 将是不可取的，公交车流量标准为公交车流量大于机动车流量的2 0 或者公交车 的数量至少应在每小时6 0 辆以上或者1 2 小时内到达4 0 0 辆以上，满足这一条件， 一方面可以使绿灯信号得到较为充分的应用，另一方面还可以保证公交车在交叉 路口前不会出现两次排队的现象。 社会车辆占总流量的比例。由于设置公交专用道路后，使得社会车辆可选 择的通行空间减少，为了避免因车道不足而导致社会车辆出现饱和度过大甚至堵 车的现象，在设置公交专用道路时，还应考虑社会车辆在路段交通流中所占的比 例。 公交车行程车速。判断现状道路是否要实行公交优先措施，还可以选择公 交车辆的行程速度作为指标之一。有关经验表明，公交车时速低于1 8 k m h 时应考 虑设置公交专用道路。 在方案设计前要对推荐的5 个设计参数进行优先排序，但并不是5 个条件均 满足才设置公交专用道路，如果其中的道路几何条件、公交客流量、车流量3 个 主要条件具备就可考虑设置公交专用道路。 2 1 3 公交线网换乘枢纽 一般而言可将公交线网系统中的换乘枢纽分为两大类。一类是连接城市内部 交通的客流集散中心，另一类是连接城市内部交通与城市外部交通的客流集散中 心。应当根据其功能进行选址，城市内部交通的客流集散中心一般适宜布置在中 心或副中心地带，城市内部交通与外部交通的客流集散中心一般适宜布置在城市 外围地区。在设置换乘枢纽时，必须与城市用地布局紧密结合，与区域交通综合 考虑，并且重点明确各换乘枢纽的规模及其相关设施配置。 1 换乘枢纽规模的确定 l o 中南大学硕士学位论文第二章公交线网优化相关理论 换乘枢纽的规模由其使用功能以及所处位置决定。一般分为大型综合换乘枢 纽、中型换乘枢纽两类。 依据枢纽功能确定规模。换乘枢纽可分为城市内部客运枢纽以及城市对外 客运枢纽。其中城市内部客运枢纽又可以按照服务对象的不同，分为综合换乘枢 纽及普通换乘枢纽。所谓综合换乘枢纽，即为提供多种交通方式连接设施。而普 通换乘枢纽一般只是大型地面公交换乘站。功能越齐全，枢纽所需要的用地范围 越大，规模也就越大。 依据交通需求确定规模。土地利用等原因确定了不同地区的交通需求，交 通需求是换乘枢纽客源的根据，因此交通需求也是确定换乘枢纽规模的主要因素。 依据用地条件确定规模。目前城市用地十分紧张，要在市中心区建设大型 换乘枢纽所需用地十分困难，从某种程度上说，用地条件也大大制约了换乘枢纽 的规模。 2 换乘枢纽相关设施的配置 配车数量和输送能力的确定。为了保证能及时输送和疏散换乘与起、终点 的乘客，各条公交线路的车辆输送能力u 要大于各线高峰小时的单向客流量q 。 u = m n ( 人次4 , 时)( 2 7 ) 式中：必车辆的最大载客人数( 人次) ； 发车频率( 次4 , 时) ，n = 6 0 t ，t 为发车问隔时间，一般是4 - - 8 分钟，高峰时段2 分钟，而且发车频率最大值必须小于各条线路停靠站的通行能 力g ) 。 (s)=60tg)(2-8) 式中：f ( s ) 公交车辆在停靠站上的停车时间，要求t f j ) 。 枢纽内单条公交线路的配车数为： 矽= 2 l n ( 辆) ( 2 - - 9 ) 式中：运营线路的长度( 公里) ； 公交车辆的运营速度( 公里川、时) 。 公交车辆的停车场地。枢纽站内的公交车辆停车场地，应保证能够正常的 输送乘客所需车辆的停车空间。在各条线路的始发( 终点) 站各停一部分车辆的 情况下，其开始营运时的最小停车数量疋为： t s = 。i 。) + p ( 2 - - 1 0 ) 式中：乞运营线路的长度( 公里) ； 。i 。线路开始运营时的发车频率( 6 0 t 。i 。) ； 一，公交车辆的运营速度( 千米4 , 时) ； 中南大学硕士学位论文 第二章公交线网优化相关理论 尸考虑线路两端发车后都不能按时到达各自终点、发车频率加大等因 素而准备的备用车辆数。 进入高峰时段所需的最小停车数量l 为 弓= 。0j 一( l n v , j + p ，且 ( 2 - - 1 1 ) 式中：m 。高峰时段公交最大发车频率( 6 0 f 一) ； 以高峰时段公交车辆的行程速度( 千米小时) ； 标准发车频率。 枢纽站公交停车场的最小面积，按高峰时段所需最小停车数量l 乘以单辆车 停车面积彳计算；a 的取值，可视公共交通枢纽的平面布置、车种车型及停车泊 位的具体条件加以确定。 2 2 公交需求预测的相关理论 公交需求预测是城市公交线网优化乃至公共交通规划的基础和前提，它的职 能在于通过现有拟研究区域的社会经济活动以及交通情况，推测出未来特定期间 该地区的预计数据，并使该数据成为进行城市公共交通规划、建设、管理与控制 的基础，从宏观上指导城市公共交通的发展。但由于人们出行心理的复杂性、城 市居民生活活动和生产的多样性，城市公共交通需求预测是一项复杂而困难的工 作。一般来说，公共交通需求预测包括交通生成、交通分布、出行方式和交通分 配四个阶段【刀j ，并且在理论上有相对应的四阶段模型对其进行预测分析，其中， 交通生成模型和交通分布模型是关键和主要部分。 2 2 1交通生成模型预测理论 交通生成预测是通过数学方法来获得人口、社会经济、土地使用和交通实施对 研究区域的各个交通小区的交通需求造成的结果。它往往采用统计学的手段来处 理数据，并试图找出它们之间的逻辑关系，得到对象的交通生成规律。它包括出 行发生预测和出行吸引预测。 1 出行发生预测模型： 居民出行发生预测的方法较多，经常使用的有：回归模型法、家庭类别分析法、 增长率法、时问序列法等【1 5 】【3 0 】。 回归模型法。回归模型法主要是建立出行量和相关因素的函数关系，依次类 推预测。在居民出行发生预测中一般以土地利用强度指标为自变量，如小区人口 数、劳动力资源数、就业岗位数、各类土地利用面积等，然后依据居民出行0 d 调 1 2 中南大学硕士学位论文第二章公交线网优化相关理论 查数据建立模型。 线性回归预测模型的基本形式为： y ：a + y b i x i ( 2 1 2 ) 式中：y 交通小区出行产生量； 彳；第i 种土地利用强度指标； a ，b l 回归系数。 回归预测模型的主要优点是函数关系明确，可用统计方法检验模型精度，其 缺点表现在常用的方程y = a + b x 具体应用时，有时出现相关系数较高但a 值较大 的情况，造成出行率虚假上升、下降的假象。 家庭类别分析法。家庭类别生成模型是根据交通调查数据或相关城市资料， 按土地利用性质、社会经济特性等，将出行主体分类，确定各类出行率。一般来 说，国外在该法中采用的出行主体的基本单位是家庭。该模型方法基本描述为： 把家庭按家庭结构、家庭收入或者汽车拥有率的不同加以分类，再依据居民出行 o d 调查统计的各种类型的家庭平均的出行率和家庭的总数来计算出行量。其基本 形式如下： g i = 瓦民 ( 2 一1 3 ) k = l 式中：g 交通小区f 的出行生成量； 尺。第k 类家庭的平均出行率( 通过调查资料获得) ； r 交通小区i 中的第k 类家庭的总户数： n 划分的家庭类别总数。 家庭类别分析法的优点是可比性强，直观反映了用地与交通生成之间的关系， 其缺点是计算分类较繁琐，分类的代表性影响其预测精度。 2 出行吸引预测模型 居民出行吸引预测的方法与居民出行产生预测的方法相似，也包括回归模型 法、类别分析法和增长率法等。同样这些方法也存在着与出行发生预测相似的缺 点，因此可考虑下述的出行吸引预测模型。 由于交通区区位是影响出行吸引预测的主要因素，因此引入反映交通区所处 区位吸引特点的出行吸引区位系数。建立每一个交通区的出行吸引预测模型如下：