（系统工程专业论文）基于GIS的城市公共交通系统评价研究.pdf

中文摘要 摘要：城市公共交通系统是城市道路交通的重要组成部分，是城市发展的必然产 物，是联系国民生活、社会生产和流通领域的关键环节。世界各国在发展城市公 共交通时，都面临着机动车保有量急剧增长、城市交通严重拥堵和公共交通服务 水平下降等问题。因此，对城市公共交通系统的现状和存在的问题进行调查、客 观分析，做出正确有效的评价，并提出可行的改革措施，是提高公共交通系统服 务能力和服务水平的必由之路，也是当前城市公共交通研究的重要课题。 基于g i s 的公交评价有着传统评价方法无法比拟的优势，可在公交基础空间 数据库的支持下进行大量空间关系分析。本文建立了基于g i s 的城市公共交通基 础数据库，按照评价指标选取原则和方法，建立了基于g i s 的公交评价指标体系， 对指标进行了分析，划定了各指标的标准化指数。针对我国城市传统公交评价指 标计算方法的不足，给出了基于g i s 的城市内部不同区域的线网密度、线路重复 系数和站点覆盖率计算方法，利用g i s 技术准确、快速、简便地计算指标数值。 建立了结合层次分析法( a h p ) 的模糊综合评价模型，并将该综合评价模型应用到城 市公共交通综合评价中；确定了人口密度、线网密度、线路重复系数和站点覆盖 率四个聚类因子，进行分区域灰色聚类分析。最后利用g i s 技术，结合北京市公 交数据对文章中提出的方法进行例证，先对北京市公交整体进行评价，然后用灰 色聚类进行分区域评价，分析北京市公共交通现状，为规划部门提供决策依据。 关键词：地理信息系统；城市公共交通；评价指标；综合评价 j l 塞奎懑太芏亟堂越j 幺缝龆里l 趸 b s t r a c t a i i i s t r a l - t ：u r b a np u b l i ct r a l l s p o l 删o l li sav e r yi m p o r t a n tp a r to ft r a t t i ea n d t r a n s p o r t a t i o n , ap r o d u c to f u r b a nd e v e l o p m e i a ta n dt h ec r u c i a ll i n ko f s o c i a lp r o d u c t i o n a n dc i r c u l a t i o n 锄懒a l lc o u n t r i e si nt h ew o r l di nt h ed e v e l o p m e n to fu r b a np u b l i c l a a n s p o r t a t i o na 托f a c e dw i t l l t h er a p i dg r o w t ho fv e h i c l e 。s e r i o u su r b a nl x a f f i c c o n g e s t i o na n dt h ed e c l i n i n gl e v e lo f p u b l i ct r a m - p o r ts e l v i c a 落。t h e r e f o r e ，t h ee f f e c t i v e e v a l u a t i o no ft h eu r b a np u b l i ci r a f l i es y s t e m , t h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n tp r o b l e m sa n d t h ef e a s i b l em e a s u r e sa r et h eo n l yw a yt ot h er a i s et h el e v e lo f t r a f f i cs e r v i c ei nc u r r e n t e v a l u a t i o no f u r b a np u b l i ct r a t f i eb a s e d0 1 1 1g i sh a si n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e st h a n l r a d i t i o ne v a l u a t i o nm e t h o d 。g i s - b a s e de v a l u a t i o nl l c e d sa g r e a td e a lo f s p a t i a la n a l y s i s o nt h es u p p o r to fu r b a np u b l i ct r a f f i cd a t a b a s e ，s ot h i sp a p e rf i r s te s t a b l i s h e dab a s a l d a t a b a s eo ft h eu r b a np u b l i ct r a f f i c s e c o n d , t h i sp a p e re s t a b l i s h e da nu r b a np u b l i c t r a f l i ee o m p r e h e m i v ee v a l u a t i o n 姆噼e 毽a n a l y z e dt h e s ee r i t e r i aa n dd e l i m i t e dt h e s t a n d a r d so f t h e s ec r i t e r i a t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f c a l e u l a t i o nw i t hr o u t ec r i t e r i aa 托 c o m p l e x ，a l li m p r o v e da l g o r i t h mo fr o u t ec r i t e r i ai sp r e s e n t e dw i t hg i s t h i r d , t h e c o m p r e h e n s i v em u l t i * l e v e lf u z z ye v a l u a t i o nm e t h o dw a se s t a b l i s h e d , a n dw a su s e dt o e v a l u a t et h eu r b a np u b l i ct r a f f i c ，d e t e r m i n i n gt h ep o p u l a t i o nd e n s i t y , t h eb u sn e t w o r k d e n s i t y , t h el i n eo v e r l a pf a c t o ra n dt h es t o pc o w 糊g 。a sf o u rc l u s t e r i n gf a c t o r , u s eg r a y d u s t e ra n a l y s i st or e g i o n a le v a l u a t i o n f i n a l l y , t h i sp a p e r 璐eb e i j i a g 罄翘e x a m p l et o t e s t i f yt h e e v a l u a t i o no f u r b a np u b t i et r a t t i eb a s e do ng i s 。 k e y w o r d $ ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ；u r b a np u b l i ct r a f f i c ；e v a l u a t i o n c r i t e r i a ；c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文俸纛完全了解j 东交通大学露关保蜜、霞爝学位论文的蹴定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进彳予检索， 并采用影印、缩印戚扫描等复制警段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家鸯芙蘩门或爨稳送交论交戆复露嫠衮磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后潦用本授权说明) 擎经论文终者麓名：扫 霉繁樯 熬字日期：钞刁年f 上月p 日 导繇魏鹑岳锄 签字日期；聊年肛月t o 日 j b 鏖震撼太堂亟堂位沧塞垫熟l 挂岜明 独创性声明 本人声臻所星交簸学位论文怒本人在导黪攒导下进行鲶磅究工作秽联褥戆磅 究成栗，除了文中特剃加以标注翔致谢之处邦，论文中不包禽箕谴入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教宵机构的学位戚证书 面使用过的材料。姆貔一同工作的同志对本研究所做的任何贾献均己在论文中作 了明确豹诞臻莠表拳了瀣意。 学绽论文终者煞名；忍蘸褥 签字嚣翅： 司冬丝胃扩曩 致谢 本论文是在我的导师彭宏勤蒯教授指导下澄心完成的。譬师的谆谆缴诲贯穿 予我学习鹣魏终，罴论在奎嚣上逶是在学习、辩霹、辍久等诸多方瑟。彩老舞给 予了我无微不至的关怀和指导，在毕业论文的准备和写作道程中，更趋倾注了大 量心m ，从论文的选题、立意、构思、成文到论文的修改、定稿，每一个环节都 渗透骜譬师的关悔。导师广媾的学识、严谨的派学态度，给我墼下了深刻的印象， 值褥我永远学习，势激励着我不断遴取。在魏衷心感谢彭老烯对我的关心帮指导! 两年半的研究嫩生活转瞬即逝，这段美好的时光对我受益匪浅，无论是从专 业知识的学习、思想道德的培养，还是在学术科研的水平、应用能力的提高，都 吴有攀廷轻重豹影镝，惑落学蔽、学藐缢及获鸯帮韵蓬我懿老爨亵溺学。 猩论文的写作过程中，我j 丕得到了系统所许多老师、同学的帮助，在此谨向 他们表示我最衷心的感谢和最诚挚的敬意! 我还要感谢我的家人，正是他们对我 鲍关心，方绘了我战胜垂难的勇气，蒡激励我痰经直蘸。 1 1 研究背景及意义 1 绪论 城市公共交通是城市发展的必然产物，是城市赖以生存的重要基础设施之一。 随着城市化进程的不断推进，机动车数量的不断增加，道路负荷日益加重，城市 交通拥挤，道路堵塞等现象越来越严重，严重地困扰着城市居民的日常生活和出 行，智能交通系统的开发与实施是有效解决城市交通问题的根本途径。 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，简称i t s ) 是将先进的 信息技术、数据通信传输技术、自动控制技术以及计算机处理技术等有效地运用 于整个运输管理体系，使人，车、路密切地配合，和谐地统一，从而建立起一种 在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确而高效的运输综合管理系统。 智能公共交通系统是在公交网络分配、公交调度等关键基础理论的研究前提 下，利用系统工程的理论和方法，将现代通信、信息、电子控制、g p s 、g i s 等高 新技术集成应用于公共交通系统，实现公交调度、运营、管理的信息化和现代化， 为出行者提供更加安全、方便、快捷的公共交通服务，从而吸引公交出行，环境 城市交通拥堵“3 。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 简称g i s ) 在交通中的应用就 是交通g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mf o rt r a n s p o r t a t i o n ，b p g i s t ) ，它 以交通地理数据为基础，在计算机软硬件支持下，实现对交通地理信息的管理和 分析嗍。 对城市公共交通系统的现状和存在的问题进行调查、客观分析，做出正确有 效的评价，是提高公共交通系统服务能力和服务水平的前提。传统的公共交通系 统评价一般采用纸质地图或c a d 制图，这些方法存在着不可避免的弊端。当公交 线路和站点变化时，在纸质地图上进行修改不容易；c a d 虽然绘图方便，但其不是 数据库，无法存储大量的属性数据。而传统的计算方法在进行评价时也会遇到一 些难题，有些指标难以计算，如公交站点覆盖率。应用g i s 技术，可以方便直观 的进行城市公交信息管理，凭借其空间分析功能，正确、方便、快捷的计算分析 评价指标，有着传统评价方法无法比拟的优势，为城市公共交通系统的规划、实 施、评价、改进提供有效的支持和帮助。 北京作为我国的首都，以及政治、经济、文化和科技中心、国际交流中心， 是一个拥有上千万人口的特大城市，其公共交通发展更具有现实的意义。北京的 城市公共交通在城市交通中起着支撑性的作用，为缓解北京市交通拥堵、解决交 通供给矛盾、实现城市交通的可持续发展做出了巨大的贡献。 本论文正是基于这一背景，结合北京市交委科研项目北京市交通结构优化 中公共交通部分，以北京市为例，对公共交通评价方法进行研究，运用g i s 技术， 提出了“基于g i s 的城市公共交通系统评价研究”。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 智能公共交通发展现状 智能交通系统( i t s ) 是交通系统在自动化基础上发展到的一个更高阶段，即智 能化阶段，其实质是利用高新技术对传统的交通系统进行改造而形成的一种信息 化、智能化、社会化的新型现代交通系统，使交通运输设施发挥出最大的效能， 提高服务质量o ，。 i t s 的最早构想是由美国在2 0 世纪6 0 年代提出的，开始时称为。智能车辆道 路系统”。美国的智能公共交通系统项目主要研究基于动态公共交通信息的实时调 度理论和实时信息发布理论，以及使用先进的电子、通讯技术提高公交效率和服 务水平的实施技术。具体包括：车队管理、出行者信息、电子收费和交通需求管 理等几个方面。其中车队管理主要研究通信系统、地理信息系统、自动车辆定位 系统、自动乘客计数、公交运营软件和交通信号优先。出行者信息主要研究出行 前、在途信息服务系统和多种出行方式接驳信息服务系统。 日本的i t s 起步较晚，但由于政府重视，其发展和推进速度相当快。日本城 市智能公共交通系统发展经历了3 个阶段：2 0 世纪7 0 年代末开始应用公共汽车定 位系统一公共汽车接近显示系统；8 0 年代初开始应用公共交通运行管理系统，其中 包括乘客自动统计、运行监视和运行控制；9 0 年代初开始应用交通综合管理系统， 其中包括后勤业务改进和经营支援系统。 1 9 8 5 年欧共体1 9 个成员国为主的政府与民间企业组织合并后，共同推进i t s 的发展，并更名为欧洲道路运输信息技术实施组织，总开发投入5 0 亿美元，实施 “欧洲用于车辆安全的专用道路基础设施计划”，主要研究交通需求管理、交通和 旅行信息、城市间综合交通管理、辅助驾驶、货运和车队管理、公共交通管理等， 此计划在1 9 9 4 年完成。 韩国的i t s 示范工程选定在光州市，该工程选取了交通感应信号系统、公交 车乘客信息系统、动态线性引导系统、自动化管理系统、即时播报系统、电子收 2 费系统、停车预报系统、运行中测重系统。 新加坡已拥有先进的城市交通管理系统，该系统除了城市交通控制系统传统 的功能如信号控制、交通检测、交通诱导和交通信息服务外，还包括用电子计费 卡控制车流量。 2 0 世纪9 0 年代初以来，国内一些城市在应用推广i t s 系统方面取得了一定的 效果，如电子收费系统的应用范围已经有几十个城市。我国已经在杭州、上海、 北京等地安装了电子站牌，车载g p s 定位设备，实现了车辆的实时跟踪、定位、 公交车与调度室的双向通讯。广州己制定出i t s 的1 5 年规划，构建包括广州市交 通信息共用的主平台、物流信息平台、静态交通管理系统等主体框架。目前，除 了出租车g p s 系统外，广州市交通管理委员会正积极推进多项信息化公共交通项 目。广州市的“公交g i s 系统”和公交免费查询电子触摸屏推进也较快。i t s 在我 国城市公交系统的应用在起步阶段，但发展速度很快，该项技术在我国大中城市 公共交通系统中的应用将会更多。 1 2 2 公交综合评价研究现状 国外对城市公共交通服务水平的研究主要集中在对服务质量的因素分析、调 查方案设计和定量评价方面，在研究过程中较多的体现了乘客心理分析、调查方 法和数学模型构建等相关理论与方法。 b r o w n 和t y l e r “1 从定性和定量两个方面对乘客使用公共交通的方便程度进行 了评价。定性的指标包括舒适、安全、快捷等。定量采用的指标为时间、距离和 出行费用。m u r r a y ”1 等也对公交网络的覆盖水平以及网络的可接近程度进行了研 究，并以澳大利亚q u e e n s l a n d 南部地区为例评价了公交可接近程度同公交规划目 标之间的关系。d a v i da h e n s h e r ”1 对公共汽车服务质量中潜在、重要维数的集合 识别进行研究，探讨建立一种测定每个特性以及识别他们之间相对重要性的方法。 并且研究了一种定量计算服务质量和比较在相同和不同公共汽车司机之间的服务 水平的方法。b o t z o v 0 1 针对旧金山市快速交通系统( b a r t ) 的出行服务质量提出了相 应的分析评价方法；a l t e r ”1 将可达性、出行时间、可靠性、直达系数、服务频率 和客流密度作为吸引潜在乘客流量的6 项服务质量水平评价指标；d h i n g r a 0 1 等分析 了印度南部德里市三条公交线路的不同运行情况，考虑了9 项重要的指标因素； r a y “”评估了印度加尔各答市的2 条路线上不同类型公交车辆的服务质量水平。 我国现有的研究主要集中在评价指标的选取、评价方法的改进。 李维斌“”等分析与公共交通服务水平直接相关的公交运营的主要工作为：线 路的安排，站点的布设，运营车辆的配备以及调度的科学性、灵活性、行车服务 的组织等。在体现对乘客的服务质量方面，具体则应包含有关方便性，迅捷性等 多个方面的内容。 裴玉龙“2 1 等分析公共交通服务水平主要有线网密度、准点率、车辆满载率、 车辆安全行驶里程、公交站点覆盖率、非直线系数，此外，还包括服务方便、安 全、舒适程度等。 王炜“3 1 等提出了一种基于g i s 的公共交通系统服务水平模糊聚类分析方法。这 种方法从网络服务供给与需求的相互协调关系出发，通过定量和定性相结合的方 法对公交系统服务水平进行分析评价。 姚雪珍“”在“城市公共交通规划评价指标体系初探”一文中提出了公共交通 评价指标体系，该体系主要考虑了技术性、经济效益和社会环境影响三个方面的 因素。 周爱娣“”在其论文中考虑到公交线网与土地利用之间的关系，着重分析了土 地利用对公交线网密度的影响。 城市交通综合评价研究主要集中在城市路网规划、公交线网规划评价上，就 评价本身而言，评价不是决策，而是为决策服务。正如美国的m d 迈耶所指“”， 交通规划评价的目的有三个：第一，评价是确定各个比较方案的价值和确定一个 方案比另一个方案更为可取的过程：第二，评价为决策者提供政策建议的影响、 权衡轻重和不可靠性的主要方面信息；第三，评价向规划人员提供确定进一步研 究范围的机会。可见，评价本身成为分析问题的手段，它为交通规划方案的设计， 优化与决策提供科学的判断依据，又可帮助决策者理解复杂的系统“”。因此，评 价是分析问题的过程，又是向决策者提供信息的过程。评价重点不在于评价结果 上，而集中在应做的决策和决策者所面对的问题上，并向决策者提供比较方案的 实施条件、不同团体的得失、可能的影响和不确定性以及规划目标的吻合程度等 比较方案的全面信息。 最早被引入方案投资决策中的评价指标是经济评价指标。它以美国 b e n j a m i n f r a n k l i n 提出的工程经济中的费用一效益计算理论“”为基础，为自由竞 争条件下的私有企业追求利润最大的目标提供了最符合当时需要的评价决策依 据。受基础理论研究和当时社会发展的限制，该法偏重于以货币单位的形式分析 方案的微观利润，没有计及项目建设的一些难以货币化的效果。g i l l e n “”等研究 了属于费用效益分析范畴的三种方法来评价i t s 项目，即费用效益分析法、影响 分析和费用效果分析。l o n g o 1 探讨了多目标分析法在i t s 项目评价中的应用。 l e v i n e 和u n d e r w o o d 乜1 1 采用层次分析法评价f a s t - t r a c 的交通规划目标，得到各 交通目标的权重。胡明伟、史其信陋3 探讨了费用效益分析法和多目标分析法在i t s 项目评价中的具体应用，认为在i t s 项目评价中仅采用费用效益分析法是不足的， 4 层次分析法等多种多目标分析法较适合于i t s 项目评价。隽志才等应用费用效 益分析法和数据包络分析法对先进列队行驶技术的社会经济影响进行评价。 近年来，各国越来越注意到城市交通建设对社会、经济的重要性，在公路网、 公交线网规划理论得到发展和不断完善的同时，方案评价的理论与方法也有了长 足进步。众多学科的发展，如系统学等基础理论的建立，以现代物理学为基础的 耗散结构理论、协同论、突变论等新兴的科学理论诞生，以及模糊数学、数量经 济学等数学手段的发展和层次分析论、系统动态学等方法论的创立，大型计算机 及其软件的开发等等，这一切使得包括技术、经济、社会和环境等多目标综合评 价得到进一步发展和完善。 1 2 3g i s 在交通中的应用 交通地理信息系统是地理信息系统技术在交通领域的推广和应用。一般认为， g i s t 是在传统g i s 的基础上，加入几何空间网络概念及线的叠置( 1 i n eo v e r l a y ) 和动态分段( d y n a m i cs e g m e n t a t i o n ) 等技术，并配以专门的交通建模 ( t r a n s p o r t a t i o nm o d e l i n g ) 手段而组成的专门系统。由于交通本身所具有的动态 性、复杂性，使得g i s 技术在交通领域的应用与其它领域相比具有很大的差异， 这也使得g i s - t 被强化为一个专用名词。 从1 9 8 8 年美国公路运输协会( a a s h t o ) 在g i s - t 会议上发表一系列的论文开 始，g i s 被用作一种平台来显示交通基础设施，比如道路、桥梁的数据。在城市交 通方面，规划师、政策制定者意识到了g i s 的重要性。s p e a r 和l a k s h m a n a n 于1 9 9 8 年概括了g i s 在交通方面的几个应用：交通需求预报( g o l l e d g e ，1 9 9 8 ) ；基于行为 的交通分析( g o o d c h i i d ，1 9 9 8 ) ；公共交通规划与市场分析( r a c c a ，1 9 9 8 ) ；交通与 土地利用规划( y o ua n dk i m ，1 9 9 8 ) ：交通小区设计( y o u ，1 9 9 7 ) ；交通安全评价 ( a f f u ma n dt a y l o r ，1 9 9 7 ) ；公共交通设施分析( n e i1 1 ，1 9 9 2 ) ；数据属性与交通网 络表示( s u t t o n ，1 9 9 7 ) 。1 9 9 1 年a n t o n i s s e 指出地理编码、叠置、缓冲和线路数据 结构是公共交通的几个主要特征。h o i 和k i m 在1 9 9 4 年利用g i s 数据库来开发公 共交通网络；c h o i 和j a n g 曾发表了关于基于需求模型的公共交通网络的论文。洛 杉矶都市交通委员会研究建立了企业级的公交g i s 系统，服务于交通规划、运营 计划、运营管理以及效益评价。p e n gz h o n g r e n 较为系统的研究了如何建立适合公 交企业的g i s 系统。1 9 9 6 年美国联邦公共交通管理局还专门发布了适用于公共 交通的地理信息系统国家规范，通过规范公交g i s 数据，以推动g i s 技术在公 共交通中应用。美国在基于g i s 的公交规划应用与研究方面处于世界前列，己将 g i s 技术广泛应用于交通走廊的选择、规划方案的比选、公交线路的分析以及电话 5 询问服务等领域，并开发出了t r a n s c a d 软件。美国、日本、加拿大、英国、法国、 韩国等国家都投入了较大的人力和物力从事智能公共交通系统研究，并己取得了 显著的成果，建立了一种在对公交网络优化的基础上，运用系统工程理论将交通 流诱导技术、差分g p s 定位技术、g i s 及地图匹配技术、公交运营优化与评价技术、 计算机网络技术、数据库技术、通信技术、电子技术、智能卡技术等先进技术科 学集成，形成集智能化调度、公交电子收费、信息服务、网络通信于一体的先进 的公共交通规划管理系统。其中的公共交通优化与设计子系统对公交线网布局、 线路公交方式配置、站点布置、发车间隔确定、票价的制定等进行优化和设计， 从规划方面提高公交服务水平。 目前我国各大、中城市的公交管理部门运用先进的科技手段改造传统的公交 信息管理和网络规划模式。如南京市建立了公共交通基础信息系统，对南京市公 交网络的服务水平进行了科学地评价，诊断出了公交网络中服务水平薄弱的区域， 对指导南京市公交网络布局规划起到了重要的作用。杭州、上海、北京、大连等 几座大城市已在部分公交线路上建成了公共交通规划系统和公交车辆跟踪调度系 统，并实现了计算机辅助规划管理，提高了公共交通的服务水平，吸引了大量客 流。 由于g i s 在交通应用领域所存在的种种困难，再加上公交网络自身的复杂性， g i s 在公交领域的应用发展一直很缓慢嘲1 。由于我国与国外的城市交通发展阶段、 交通组成、居民出行特征等均有较大的不同，简单的引进国外的研究成果必然会 产生较大的误差，而系统的修正与调整绝非易事。国内很多学者和科研单位对基 于g i s 的公交规划技术做了大量的基础性工作。如东南大学对公交网络的g i s 表 示技术、公交乘客出行路径选择模型、公交信息系统标准化等进行了深入的研究 工作，武汉大学对公交实体的详细表达及最优路径搜索、同济大学对公交线网服 务面积的计算方法等均进行了大量的研究工作。 李红涛”在“基于g i s 的城市公交网络服务水平聚类分析”一文中基于g i s 技术选取了人口密度、线网密度、站点覆盖率和万人拥有公交营运线路长度四个 聚类因子，对城市公交线网服务水平进行聚类分析，寻找城市中公交服务较弱的 地区。 陈少沛唧分析了g i s 技术在公交线网规划中的应用，提出了基于g i s 的城市 公共交通线网辅助规划模型设计、开发及应用的研究。 李石科1 提出了一种基于g i s 的计算机辅助道路选线的新方法，并针对城市 道路规划量化手段的不足，提出了以道路路网密度、道路面积密度和交通可达性 为主要评价指标的城市规划路网评价模型。 吕北岳汹1 探讨了基于g i s 技术的交通规划辅助决策系统的功能需求和系统设 6 计提出了基于g i s 技术的交通地理数据的组织和管理方法和流程。 1 3 存在的问题与解决思路 由于传统公交评价由于技术条件落后，存在一系列问题，主要有以下几方面： ( 1 ) 公共交通的空间数据维护繁琐，数据更新的周期长，难以保证公交评价 所需数据的实时性和准确性。城市交通数据量非常大，以往的做法是将属性数据 存储在数据库中，用抽象的编码和相应数据表示，将空间数据用纸质地图或者c a d 图来保存。这种做法使空间数据的维护、更新都很繁琐，数据更新的周期长，且 容易出错，难以适应公共交通数据频繁变动的特点，不能保证公共交通评价所需 数据的实时性和准确性。 ( 2 ) 缺乏空间分析技术的支持，公交评价指标计算和空间分析过程繁杂，传 统方法中公交的空间数据存储在纸质地图上或c a d 图上，对于公交评价中常用到 的公交评价指标计算和空间分析中大部分的工作由公交规划人员手工完成，计算 繁杂，规划人员劳动强度大。 ( 3 ) 数据分析和结果表达分离为两个步骤。传统公交规划方法中数据分析和 结果表达分离为两个步骤，交通评价分析的结果又要靠规划者依据模型数据用c a d 或手工再另行绘制，往往难以结合原有的地形，地物加以分析，且既费时费力， 又难以满足数据可读性，可变性的要求，造成对城市及城市交通问题理解的困难。 如须调整规划方案，则绘图工作前功尽弃，造成人力物力的浪费。 ( 4 ) 公交数据存储分散，造成数据的冗余和不一致。在有些公交规划部门， 公交规划的属性数据分散存储在多台计算机中，数据往往被重复存储，这就容易 造成数据在各地点的存储不一致，造成公交评价分析的错误。 根据对公交评价存在问题的分析，我们找到如下解决思路： ( 1 ) 建立基于g i s 的公交基础数据库系统，该系统有以下几个特点，可解决 传统公交评价中存在的问题。 采用空间数据库存储公交规划的空间数据，建立空间数据和属性数据之间的 联系。我们将现实世界里的公交实体抽象到地理信息系统中，公交实体被抽象成 地理要素：公交线路可以抽象成线状地理要素；公交站点、站牌架、候车亭、公 交场站等可抽象为点状地理要素；行政区等可抽象为面状地理要素。公交实体抽 象成的地理要素存储在地理数据库中，以电子地图的形式显示在计算机屏幕上。 在地理数据库中，公交实体抽象成的地理要素由几何元素和描述几何元素的属性 两部分构成。几何元素描述公交实体的空间定位，空间分布和空间关系。属性描 7 述公交实体除几何特征之外的特征。将公交实体的坐标数据作为一个属性字段与 其它非空间属性存贮于关系数据库的一行，使几何元素和属性建立联系。公交线 路，公交站点，公交场站等公交实体各自构成一个地理要素层。每个要素层之间 在数据组织和结构上相对独立，数据更新、查询、分析和显示等操作以要素层为 基本单位。当公交规划数据发生变动，可以依靠g i s 的空间数据编辑功能，在电 子地图上进行公交实体的增加、删除、修改等。与地图存储空间数据相比，可以 简化空间数据的维护。 对数据的采集、存储、分析、表达进行一体化管理对数据采集，存储、分析、 表达进行一体化管理，各阶段数据采用统一的存储方式( 在计算机上的地理数据库 中存储) ，统一的数据格式，每一阶段的输出数据都可直接供其他阶段使用。采用 g i s 进行空间数据的分析，公交评价涉及大量的空间数据的分析，如交通覆盖区域 面积的计算，线路长度的计算，周边环境查询等。空间分析是g i s 的特有功能， 叠加分析，缓冲区分析，空间量算等功能，能够完成公交规划所需的线路重复状 况分析，区域间直达线路分析等空间分析。 ( 2 ) 将公交规划的数据集中统一存储，将公交规划数据集中统一存储在一台 数据库服务器中，其他客户机通过访问数据库服务器获取数据，如果数据发生变 动，只需改动数据库服务器上的数据。可实现数据的共享，避免数据的冗余，保 证数据的一致性。 1 4 论文主要内容 本文主要内容分别为： 第一部分绪论。介绍了论文的研究背景及意义，分析了国内外相关方面的研 究现状，总结了目前公交评价中存在的问题，介绍了本论文的主要内容。 第二部分基于g i s 的公交基础数据库。介绍了智能交通系统，对地理信息系 统进行了概述，总结了g i s t 的空间分析方法；提出了公交基础数据库框架，建 立了北京市的公交g i s 数据库。 第三部分基于g i s 的城市公共交通系统评价指标体系。根据评价指标的选取 原则和方法，建立了基于g i s 的城市公共交通评价指标体系，增加了人口密度这 一辅助指标，进行分区域评价时该指标作为聚类因子。对单指标进行了分析，划 定了各指标的标准化指数。针对我国城市传统公交评价指标计算方法的不足，给 出了基于g i s 的城市内部不同区域的线网密度、线路重复系数和站点覆盖率计算 方法，利用g i s 技术准确、快速、简便地计算指标数值。 第四部分公共交通评价模型。研究了两种评价方法，在现有公交评价方法的 基础上，针对目前单独使用层次分析法或模糊综合评判进行评价的不足，给出了 结合层次分析法( n i p ) 的模糊综合评价模型，该模型可以应用到不同城市以及城市 不同历史时期的评价中。在城市内部不同区域的分析比较中使用灰色聚类分析方 法，找出薄弱地区，为规划部门提供决策依据。 第五部分实例分析。利用g i s 技术，结合北京市公交基础数据库，计算评价 指标值，应用基于层次分析法的模糊综合评价模型进行北京市的公共交通现状综 合评价，从宏观层面分析北京市现状；确定人口密度、线网密度、线路重复系数 和站点覆盖率四个聚类因子，对城八区进行聚类分析，找出公交服务薄弱的区域， 验证了灰色聚类对城市分区域评价的实用性和有效性。 第六部分总结与展望。提出了研究中需要进一步解决的问题，对今后的工作 做了展望。 9 2 基于g i s 的公交基础数据库系统 2 1 智能交通系统 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，简称i t s ) 怒将先进的 信息技术、数据通信传输技术、自动控制技术以及计算机处理技术等肖效地运用 于熬个运竣管理体系，使入、车、鼹密切域配会，和谐娩缓一，扶两建立起一裁 在文范围内、全方位发挥俸用的实时、准确翁高效的运输综合管理系统。广义的 智熊交通包括交通系统的规划、设计、实施及运行管理智能化；而狭义的智能交 通则主要指交通系统的管理与缎织的智能化，其实质就怒利用高新技术对传统的 交遴系统连霉改逡嚣形成浆一静售塞纯、餐黢纯，柱会纯鹣薪鍪瑗我交遴系统。 i t s 将人( 包括道路使用者、管理者) 、率( 机动车、火车、轮船、飞机等) 、路 ( 公路、铁路、水道、航线等) 、环境系统通过技术群，如先进的信息技术、数据 遥臻终辏鼓寒、墩子控嘉l 技拳、诗算援处瑗技零、黄感嚣技术等骞捉熄联会残为 一个运行有序的系统，使其综合地运用于熬个交通俸系审，从而达到簸大提高交 通避输的效率，保障交通安全。改善环境质髓，提高资源利用率的目的，其核心 因素是人，包括粼驶员、行人、公交使用豢、交通运营众业和交通管域者，平行 要索楚车、路、邵境，嚣标藏怒要潢是搿鸯遴鼹使用者戆备释需求。i t s 褥有效透 利用现有交通设施、减少交通傲荷和环境瓣染、保证交通安全、提高逯输效率、 促谶社会经济发腿、提高人民懋活质量，报幼社会信息化。 蟹鹱公共交遴系统是在公交戆终分配、公交谖疫等荧键基礁理论豹疆究兹提 下，利用系统工禚的理论和方法，将现代通信、信息、电子控制、g p s 、g i s 等高 新技术集成应用子公共交通系统，实现公交调度、运营、管理的信息化和现代化， 为如行者提供更加安全、方便、快捷的公共交通服务，从褥暇引公交嫩行，环境 藏帮交逶掏壤。 2 。2 地理信息系统概述 2 2 1g i s 的概念 1 9 6 3 年加拿火测量学家r 。f m li 船o n 蓠先提出了缝璞信怠系统嘲这一术语， 并建成世界上第一个g i s ( 加拿犬地理信息系究c g i s ) 。地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m 簿稼g i s ) 蹙六年代孛期瑟戆发震怒寒豹薮技零。它最兹为 解决地理问题而麓，至今已成为门涉及测绘学、地理学，空间科学、生态环境 学、信息学、计算机科学、管璎学、人工智能、专家系统与网络通讯技术等领域 豹边缘交叉科学。g i s 是以这些攀辩为基础技术平台，用各釉现代化的方法来采集、 存储、管理、分耩、显示和疲霸与整个遣球袭嚣( 包摇大气层) 空闯帮蛾遴分布有 关的数据信息的信息系统。 2 。2 ，2o l s 的缝成 个实用的g i s 系统，要支持对空间数据的采集、管理、处理、分析、建模 和燕零等功能，箕基本组成一般毽括五个主鬃部分嘲。 ( 1 ) 计算机硬件系统 包括各种硬件设备，是系统功能实现的物质基础。 ( 2 ) 计算机软件系统 冀持数据采集、存键、麴王、鏊答蔫产溺蘧豹诗霎爨纛劳系统。 ( 3 ) 系统开发、管理和使用人员 人是g i s 的熏要构成因素，g i s 不同于一幅地图，而怒一个动态的地理模型。 仅农系统敦、硬终秘数据还不熊稳成完整豹g i s ，嚣要入遴撑系统组织、警理、维 护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采糟地理分析棱鍪萃取多 种倍息，为研究和决策服务。 ( 4 ) 空间数据 一个g i s 系统串蓑重要豹帮俘是空瘸数撵，宅是疆浚缝球表覆空翔位耋为参 照的自然、社会和人文经济数据，是系统分析与处理的对象，是g i s 所表达的现 实世界经过模型抽象的实质性内容。在g i s 中，空间数据童要包括： 坐标数掇 嫩标数据标识空间对象在融然界或包含蔡个区域的地胬中的空间佼鬣，戬几 何嫩标的形式表现出来，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等。 空闯关系数据 实体l 霹静空阙关系逶常惫撩：度量关系，弼两个逢耪乏蘑的距离：方位关系， 定义了两个地物之间的方位；拓扑关系，定义了地物之间遴通、邻接头系。 属性数据 瓣缝是与遮纛实薅褪联系豹缝建交量或逡遴意义，溪瞧分定牲窝定塞秀耱， 前脊包括名称、类型、特性等；后者包括数黧和等级； ( 5 ) 应用模型 解决某一专门应用的应用模型，是g i s 技术产生社会经济效益的关键所在。 2 2 3 g i s 的功能 为了完成g i s 的任务，完整的g i s 应该提供以下几个功能：数据的获取、数 据的初步处理、数据的存储及检索、数据的查询与分析、图形的显示与交互。 ( 1 ) 数据采集与输入 数据采集与输入，即在数据处理系统中将系统外部的原始数据传输给系统内 部，并将这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。主要有图 形数据输入、栅格数据输入、测量数据输入、属性数据输入等。 ( 2 ) 数据编辑与更新 数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。数据更新可以满足动态分析的需要。 ( 3 ) 数据存储与管理 数据存储与组织是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和 属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格矢量混合模型是常用的空间数据组 织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析的 功能；在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合 为一体。 ( 4 ) 空间查询与分析 空间查询是地理信息系统应具备的最基本的分析功能；而空间分析是地理信 息系统的核心功能，模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决生活中与空 间相关的问题。 ( 5 ) 可视化表现 地理信息系统为用户提供了许多用语地理数据表现的工具，其形式既可以是 计算机屏幕输出，也可以是诸如报告、表格、地图等形式。 2 3g i s t 空间分析方法 空间分析是地理信息系统的核心功能之一，是分析空间数据有关技术的统称。 根据作用的数据性质不同可以分为：基于空间图形数据的分析运算、基于非空间 属性的数据运算、空间和非空间数据的联合运算。空间分析赖以进行的基础是地 理空间数据库，其运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析、代数运 算等数学手段，最终的目的是解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传 输地理空间信息，以辅助决策。 ( 1 ) 空间数据量算方法 空间信息的自动化量算是地理信息系统所具有的重要功能，也是进行空间分 析的定量化基础。其中的主要量算有： 质心量算 描述地理目标空间分布的最有用的单一量算量是目标的质心位置。地理目标 的质心是目标的半径位置。它的目标保持均匀分布的平衡点，它可通过对目标坐 标值加权平均求得。质心的量算，可以跟踪某些地理分布的变化，例如人口的变 迁、土地类型的变化，也可以简化某些复杂目标，在某些情况下，可以方便的导 出某些预测模型。 几何量算 几何量算对点、线、面、体4 类目标物而言，其含义是不同的，点状目标：坐 标；线状目标：长度、曲率、方向；面状目标：面积、周长等：体状目标：表面积、 体积等。线由点组成，而线长度可由两点间直线距离相加得到。面积和周长的计 算。在平面直角坐标系中，计算面积时，计算y 值以下面积，按向量方向，分别 求出向右向左两个方向各自的面积，它们的绝对值之差，便是多边形面积值，周 长则是线段之和。 形状量算 目标物的外观是多变的，很难找到一个准确的量对其进行描述。因此，对目 标属紧凑型的或膨胀型的判断极其模糊。 ( 2 ) 包含分析方法 确定要素之间是否存在着直接的联系，即向量点、线、面之间是否存在空间 位置上的联系，这是地理信息分析处理中常要提出的问题，也是在地理信息系统 中实现图形一属性对位检索的前提条件与基本的分析方法。例如，若在计算机屏幕 上利用鼠标点击对应的点状、线状或面状图形，查询其对应的属性信息；或需要 确定点状公交站点与线状公交线路或面状交通小区之间的空间关系( 如是否相邻 或包含) ，都需要利用空间数据的包含分析与数据处理方法。例如，要确定某个公 交站点属于哪个交通小区：要测定某条公交线路经过哪些城市行政区，都需要通 过g i s 信息分析方法中对己有空间数据的包含分析来实现以上目标。在包含分析 的具体算法中，点与点、点与线的包含分析一般均可以分别通过先计算点到点， 点到线之间的距离，然后，利用最小距离阈值判断包含的结果。点与面之间的包 含分析，或称为p o i n t p o l y g o n 分析，具有较为典型的意义。 利用这种包含分析方法，还可以解决地图的自动分色，地图内容从面向点的 制图综合等等。例如，确定某区域内公交站点的个数，这是点与面之间的包含分 析，确定某一区内公交线路的类型以及长度，是线与面之间的包含分析。分析的 方法是：首先对这些公交站、线路要素数字化，经处理后形成具有拓扑关系的相应 图层，然后和已经存放在系统中的多边形进行点与面、线与面的叠加；最后对这 个多边形或区域进行这些点或线段的自动计数或归属判断。 ( 3 ) 缓冲区分析方法 缓冲区分析是研究根据数据库的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度 范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在水平方向得以扩展的信息分析 方法。它是地理信息系统重要的和基本的空间操作功能之一。例如，城市公交站 点或线路服务区域所影响的一定空间范围，即可分别描述为点的缓冲区与线的缓 冲带。而多边形面域的缓冲带有正缓冲区与负缓冲区之分( 如图2 - 1 所示) 。 o l 点的缓冲 b 线的缓冲面的缓冲 图2 - 1 缓冲区示意图 f i g2 - 1t