（计算机应用技术专业论文）城市公交线网的优化与仿真研究.pdf

摘要 随着经济的发展和技术的进步，公共交通己经成为经济生活中的重要方面，并对保 证社会经济体系的正常运转发挥着越来越大的作用，实现公共交通的现代化己为各国政 府日益重视。 实践表明，优先发展公共交通是缓解大中城市交通问题最有效的一种手段，而优先 发展公共交通的一个重要内容是优化公交线网，线网的优化是提高公交系统服务水平， 提升公交竞争力的基础。本文结合安徽科力信息产业有限公司的研究和开发工作国 家8 6 3 项目“城市道路交叉口的微观交通仿真软件研究”，重点研究了蚁群算法在公交线 网优化中的应用和仿真。 本文的主要内容有：首先根据保证乘客乘车时间最少的方法得出公交站点的位置及 站间距，将居民公交出行的0 d 矩阵的出行量分配到各公交站点，形成个公交站点0 d 矩 阵，建立公交网络优化模型并结合改进的蚁群算法对公交线网的进行优化，然后在优化 后的公交线路上进行基于乘客候车满意度的公交车发车频率优化，并利用微观交通仿真 软件进行仿真实验，根据得出的数据对公交线网的复线系数、直线系数、直达客流量， 乘客的候车满意度以及公交站点位置的合理性等进行分析，最后对合肥市的公交线网及 公交车发车频率进行优化，并取得了良好的效果。 关键词：公共交通蚁群算法公交线网发车频率公交站点 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di m p r o v e m e n to ft e c h n o l o g y ，p u b l i ct r a n s p o r t a t i o n h a sb e c o m ea l li m p o r t a n tp a r ti ne c o n o m i cf i e l d ，a n di t p l a y sag r e a t e ra n dg r e a t e rr o l ei ns o c i a le c o n o m i cs t a b i l i t y g o v e r n m e n ta l lo f t h e w o r l dh a v e i n c r e a s i n g l yt h o u g h tm u c h o fr e a l i z i n gt h em o d e r n i z a t i o no fp u b l i ct r a n s p o r t a t i o n 。 a sam a t t e ro ff a c t ，b u sp r i o r i t yi so n eo ft h em o s te f f i c i e n tm e a s u m st or e s o l v et r a f f i c p r o b l e m si nc i t i e s a n do n eo ft h ef u n d a m e n t a l c o n t e n t so fp r i o r i t yf o rp u b l i ct r a n s p o r t a t i o n i st oo p t i m i z et h et r a n s i tn e t w o r k ，i ti st h eb a s i sf o rd e v e l o p i n gt h ep u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m s e r v i c el e v e la n dc o m p e t i t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nc o m b i n e sw i t ht h er e s e a r c hw o r kw h i c hi so f t h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t u r b a nc r o s sm i c r ot r a f f i cs i m u l a t i o ns o f t w a r er e s e a r c h ”a n t c o l o n ya l g o r i t h m sa p p l i c a t i o na n ds i m u l a t i o ni nt r a n s i tn e t w o r k so p t i m i z a t i o nh a sb e e n r e s e a r c h e d t h e r ea r es e v e r a lc e n t r a lc o n t e n t si n t h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t ，g e tt h eb u ss t o p sp o s i t i o n a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w ob u ss t o p s ，a l l o c a t ep a s s e n g e r sf l o w st oe a c hb u ss t o p ，t r a n s i t n e t w o r ko p t i m i z a t i o nm o d e li sc r e a t e da n di sc o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p e da n tc o l o n y a l g o r i t h mt oo p t i m i z et r a n s i tn e t w o r k ，t h ep r o b l e mo fb u sd i s p a t c h i n gi n t h ea n g l eo f p a s s e n g e r s s a t i s f a c t o r yd e g r e eo fw a i t i n gi sa n a l y z e da n dam o d e lw h i c hb a s e so nt h e p a s s e n g e r s n e e da n ds a t i s f i e st h ep a s s e n g e r s s a t i s f a c t o r yd e g r e ei se s t a b l i s h e d a tl a s t ，t h e m o d e l sa r es i m u l a t e db ym i c r ot r a f f i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h ed a t ai sa n a l y z e d t h e s o f t w a r ei su s e di nt h eo p t i m i z a t i o no ft r a n s i tn e t w o r ki nh e f e ia n dh a sag o o dr e s u l t k e yw o r d s ：p u b l i ct r a n s p o r t a t i o n , a n tc o l o n ya l g o r i t h m ，t r a n s i tn e t w o r k ，b u sf r e q u e n c y ， b u ss t o p 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：枯之加严厂月杉阳 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：格之勿产歹月群日 铷酶巨永呻1 撕呼日 长安大学顾士学位论文 1 1 城市公共交通概述 第一章绪论 城市公共交通是指在城市及其近郊范围内为方便居民和公众的出行，使用各种客运 工具的旅客运输体系，是国家综合运输网中的重要组成部分，是城市客运交通体系的主 体，是城市建设和发展的重要基础之一，是生产和生活必不可少的社会公共设施，也是 城市投资环境和社会生产的基本物质条件，同时又是展示城市精神文明，反映城市国民 经济、社会发展水平和市民道德思想风貌的窗口。 公共交通系统具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低 等优点。据有关资料表明，公共汽车占用道路和停车用地最为经济，以每平方米每小时 通行人数多少为标准来衡量道路的使用效率，公共汽车是小汽车的1 0 1 5 倍。运送同样 数量乘客，公共交通( 包括公共电汽车、地铁、轻轨等) 与私人小汽车相比，分别节省土 地资源的3 4 、建筑材料的4 5 、投资的5 6 ；私人小汽车产生的废气是公共汽车的1 0 倍，耗油量是公共汽车的2 - 3 倍，交通事故率比公共汽车高出1 0 0 倍。 目前，我国大中城市大都面临着交通拥挤、道路堵塞、事故增多等诸多交通问题。 这些问题不仅影响城市居民的生活、也制约了城市经济的发展。究其原因，除城市交通 基础设施建设不能满足快速增长的交通需求外，城市交通结构不合理，公共交通服务水 平低，竞争力不强，自行车拥有量居高不下，以及私人小汽车数量猛增都促使了城市交 通问题的日益严重 1 l 。随着经济的增长，我国的机动车拥有量将进一步增长，其中私用 机动车拥有量从1 9 9 1 年的5 5 1 万辆增加到1 9 9 9 年的1 4 5 3 万辆，年平均增长率为 1 1 4 t2 1 。在机动化迅速发展的背景下，城市交通需求和基础设施供给之间的矛盾将更 加突出。因此，发展城市公共交通是解决大、中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的最佳策略，也是城市可持续发展的必由之路。 1 1 1 国内城市公共交通现状 改革开放后，我国公共交通事业迅速发展。截止2 0 0 3 年，全国公共交通营运车辆 数到达2 6 2 万辆，运送乘客4 8 3 7 亿人次【3 】。目前，我国已基本形成了以公共汽车、 第一章绪论 电车为主体，以出租汽车、地下铁道、城市轮渡等为辅助手段的城市客运公共交通体系。 全国城市公共交通呈现良好局面，基础设施有了很大发展，高新科技广泛应用，初步形 成了智能型公共交通体系框架。 1 1 2 城市公共交通存在的问题 城市公共交通支撑了我国各大中城市的客运交通，对确保人民群众的上下班交通和 城市的各项生产建设的j 下常进行发挥了巨大的作用。然而，随着经济改革的不断深入和 城市建设的不断发展，公共交通也逐步暴露出与城市经济建设不相适应的地方。目前， 城市公共交通存在的突出问题为： ( 1 ) 城市公共交通规划不足； ( 2 ) 公交基础设施投资短缺； ( 3 ) 道路不足，路网密度及道路面积率低； ( 4 ) 城市公交结构单一； ( 5 ) 公交运营效率低、速度慢，服务水平低。 1 1 3 改善城市公共交通的方法 解决城市公共交通存在的问题，应该从以下几个方面入手： ( 1 ) 加大交通基础设施的投资； ( 2 ) 改善城市公共交通结构，使其多样化； ( 3 ) 合理规划路网、公交站点和发车频率。这一方面是本文研究的重点内容，因 为已形成的公交路网存在一些不合理的线路，这些线路存在非直线系数较高，重复系数 较高，直达客流量相对较小等问题；已经设置的部分公交站点的位置及站点间距不够合 理；单条线路的公交车发车频率不够准确，导致乘客候车满意度较低。这些都直接影响 到整个城市的公交效率和公交吸引力。 1 2 智能公共交通系统简述 所谓智能公交系统，就是在公交网络分配、公交调度等关键基础理论研究的前提下， 利用系统工程的理论和方法，将现代通信、信息、电子、控制、计算机、网络、g p s 、 g i s 等高新科技集成应用于公共交通系统，并通过建立公共交通智能化调度系统、公共 交通信息服务系统、公交电子收费系统等，实现公共交通调度、运营、管理的信息化、 2 长安大学硕上学位论文 现代化和智能化，为出行者提供更加安全、舒适、便捷的公共交通服务，从而吸引公交 出行，缓解城市交通拥挤，有效解决城市交通问题，创造更大的社会和经济效益【4 】。 作为智能交通系统的重要组成部分，智能公共交通系统主要以出行者和公交车辆为 服务对象。对于出行者而言，智能公共交通系统通过采集与处理动态交通信息( 如客流 量、交通流量、车辆位置、紧急事件的地点等) 和静态交通信息( 如交通法规、道路管 理措施、大型公交出行生成地的位置等) ，通过多种媒体为出行者提供动态和静态公共 交通信息( 如发车时刻表、换乘路线、出行最佳路径等) ，从而达到规划出行、最优路 线选择、避免交通拥挤、节约出行时问的目的。对于公交车辆而言，智能公共交通系统 主要实现对其动态监控、实时调度、科学管理等功能，从而达到提高公交服务水平的目 的。 1 2 1 国外智能公共交通系统研究现状 自2 0 世纪8 0 年代以来，许多国家的公共交通部门开始应用先进的信息与通信技术 进行公交车辆定位、车辆监控、自动驾驶、计算机辅助调度及提供各种公共交通信息， 以提高公交服务水平。其中，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这些方面的研究，并取得了显著的效果，在国际上处于领先地位。 美国城市公共交通管理局( u t m a ) 已经启动了智能公共交通系统项目“a d v a n c e d p u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( a p t s ) 。现场试验表明，a p t s 可以显著提高公共交 通服务水平，吸引更多乘客采用公交和合伙乘车的出行模式，从而带来了减少交通拥挤、 空气污染和能源消耗等一系列社会效益。a p t s 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、通信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 面的研究。 日本城市公共交通智能化的发展经历了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；进入9 0 年代，由于机动车数量的增长和 严重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度是十分困难的，由此引发的公共交通的不 便性和不可靠性导致乘客数量的急剧减少。东京都交通局开发了城市公共交通综合运输 控制系统( c t c s ) ，旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客。在c t c s 中，公共交通运营 3 第一章绪论 管理系统是一个基本的框架，其目的是通过掌握运行情况以及积累乘客数据实现精确平 稳的公共交通运营服务。它将运营中的公共汽车和控制室之间建立信息交换，并利用诱 导和双向通信的方法，将服务信息提供给公共汽车运营人员和驾驶人员，同时这些信息 也通过进站汽车指示系统和公交与铁路换乘信息系统提供给乘客。 欧洲许多国家的城市街道都比较狭窄，但是它们通过实施公交优先政策，设立公交 专用道，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等措施，提高公交 车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行，从而有效地缓解了城市交通 压力，解决了城市交通问题，并取得明显的经济效益，这些经验值得中国许多大中城市 借鉴。 1 2 2 国内智能公共交通系统研究现状 与欧美国家相比，我国的公共交通事业还比较落后。然而，许多大中城市面临日益 严重的交通拥挤和环境污染等问题，只有大力发展公共交通才是获得城市交通可持续发 展的根本途径。各级政府一直高度重视公交事业的发展，每年都对公交给予巨额财政投 入，以改善目前落后的公共交通状况。 同时，我国政府还积极实施公交优先发展政策，对于先进技术的引入给予大力支持， 这些都为智能公共交通系统在我国的实施提供了有利条件。我国已经有杭州、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，以及电子站牌上实时显示下班车位置信息等功能。由于上述功能， 使得调度过程有据可依，并实现了计算机辅助管理，节约了劳动力，减轻了劳动负担， 同时提高了车辆运行j 下点率和服务水平，吸引了大量客流。虽然这些系统使得中国迈入 了公交智能化时代，但由于它们普遍缺乏对许多基础理论的深入研究，一般没有将动态 交通状态信息与车辆定位信息有效融合，使目前的系统具有以下缺陷： ( 1 ) 不是以公交线网优化为基础，致使调度效果欠佳； ( 2 ) 大多数系统线路与线路之间缺乏联系，未能实现公交网络上的整体协调调度； ( 3 ) 缺少信息服务系统，使系统智能化程度大大降低； ( 4 ) 由于站点间运行时间直接由站点问距离与车辆运行速度相比求得，没有先进 的算法作保证，致使在电子站牌上显示的下班车到达时间不准确。 根据我国大城市交通状况和存在的问题，为了赶超世界交通领域的先进水平，对于 城市智能交通系统的关键理论和实施技术进行系统而深入的研究是十分必要的，这对解 4 长安人学硕。t ：学位论文 决我国城市交通存在的问题具有重大的科学价值和现实意义。 1 2 3 智能公共交通系统的关键理论与技术1 4 - 7 i 为了保障智能公交系统能够有效实施，需着重解决如下关键理论与技术问题： ( 1 ) 数据采集与处理技术。实施智能公共交通系统需要用到大量静态和动态交通 数据。静态数据如：公交站点间距、居民出行o d 量、换乘站点统计、路段运行时间、 居民收入水平等。动态数据如：全球卫星定位系统( g p s ) 定位数据、地理信息系统( g i s ) 中电子地图上的矢量数据等。 ( 2 ) 智能公共交通优化理论与方法。主要是公共交通网络优化设计，以及公交站 点的优化方法和公交车发车频率的优化方法。采用的优化理论包括神经网络、遗传算法 和蚁群算法等。 ( 3 ) 智能公共交通调度系统理论与技术。要解决的关键问题就是如何进行区间车、 快车、跨线车、紧急情况车辆的实时调度。此问题实质上是一个模式识别问题，一定的 交通状态( 由客流量、车辆运行状况、交通流量、紧急事件等因素组成) 对应一种待定 的调度方案( 一种模式) 。 ( 4 ) 智能公共交通信息服务实现方法。在智能公共交通信息服务子系统中，最难 解决的就是如何向出行者提供出行前和在途公交路径诱导信息。 ( 5 ) 智能公共交通评价方法。可以采取计算机模拟的方法对比智能公共交通系统 实施前后公交车运行时间、换乘时间、车辆准点率等评价指标的变化情况，从而从定量 的角度作出科学评价。 1 。3 相关的研究工作 智能公共交通的研究领域包括很多方面，本文主要针对智能公交系统的关键问题： 公交线网的优化设计和公交运营参数优化设计展开研究，下面分别介绍国内外的相关研 究的现状。 1 3 1 公交线网优化方法的研究现状 公交线网的优化设计直接影响公交服务水平，并且受到很多条件的限制，一直受到 第一章绪论 国内外学者的关注。国外在这方面的研究起步较早，1 9 9 5 年，b a a j 和m a h m a s s a n i 提出 人工智能和运筹学混合算法，该方法将人工智能中车辆路径搜索启发式算法和运筹学中 的公交系统分析的方法结合起来。1 9 9 5 年，c h a k r o b o r t y 等人采用遗传算法求解公交线 网优化问题。在国内：城市公交线网设计的研究具有代表性的有：东南大学王炜教授等 人在城市交通规划理论及其应用中提出的全网最优的规划方法、逐条布设优化成网 的规划方法、结合现状公交网络的启发式逐步优化方法等三种方法。北京交通大学高自 友教授等人提出的连续平衡网络设计的双层规划模型和求解方法。韩印等人提出的城市 公交线网调整优化的p s o ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) 算法【8 】也被广泛地应用到公 共交通网络设计中。这些方法和模型为我国公交线网优化工作开辟了崭新的研究思路， 其中一些方法被广泛应用到公交网络设计中，并取得了很好的效果。 1 3 2 公交运营参数优化方法的研究现状 目前，国内外有许多学者致力于城市公共交通运营方法的研究。比较有代表性的有： l a z a r 和p a u l ( 1 9 9 4 ) 认为公交线路的长度在公交运营参数中具有非常重要的地位，他们 建立了基于运营费用和乘客出行费用之和最小的公交运营模型，用来优化城市c b d ( c e n t r a lb u s i n e s sd i s t r i c t ) 地区到郊区的线路长度。并基于路线长度的优化结果 来计算各个线路的发车间隔、站点间距、路线间距等。m a o c h a n gs h i h 等人在给定的 网络结构和o - d 需求矩阵的情况下，给出了优化公交系统各线路车型的方法，并通过计 算与车队规模相关的最大允许载客量来修正各公交线路的发车频率。p a r t h a c h k r o b r t y ( 1 9 9 5 ) 建立了基于等车时间和换乘时间之和最小的公交调度模型。a v i s h a i c e d e r ( 1 9 9 5 ) 解决了如何在一个给定的公交发车时刻表中有效安排车辆以执行所有行车 任务问题。g b e l l e i 等建立了公交收费和发车频率优化模型，并把该优化问题归结为 一个特殊的平衡分配问题。在国内，近年来也有一些相关的研究成果出现。比如：孙芙 灵( 1 9 9 7 ) 根据西安市公交公司客流调查数据，引入时段配车数的概念，探讨了在不同 客流状态下确定时段配车数和发车间隔的方法【9 1 。牛学勤、陈茜等设计的城市公交线路 调度发车频率优化模型【l o j ，它综合考虑乘客候车满意度、乘客车上舒适满意度和企业 满意度三个方面对公交车发车频率进行优化。 6 长安人学硕士学位论文 1 3 3 本文研究的主要特色 上述研究对本人撰写论文有很大启发，但是这些研究中也存在着一些问题。例如， 公交线网优化方法的研究并未得出公交线网优化后的准确数据，公交运营参数优化方法 的研究没有考虑到在实际公交运营中是多线路同时发车、相互影响的。针对这些研究中 存在的问题，本文利用蚁群算法得到优化后的公交站点、公交线路和发车频率，研究并 开发了微观交通仿真中的公交仿真模块，并在仿真平台上对优化后的公交站点、公交线 路和发车频率等结果进行了仿真实验，通过微观交通仿真软件运行后的数据对公交站点 的位置和间距，公交线路的复线系数、直线系数、直达客流量等性质，对乘客候车满意 度进行分析，判断优化的效果，比上述方法和模型更为直观、准确。 1 4 本文的研究目标和技术路线 研究目标： 针对城市公共交通系统的公交网络、站点布局和发车频率等关键技术，研究优化理论和 算法，进行公交网络、公交站点和公交车发车频率等的优化设计，提出城市智能公共交 通的相关解决方案，为解决我国城市智能公共交通发展问题进行有益的尝试。 技术路线： 首先结合城市客流分布情况设置公交站点，然后利用蚁群算法，选取城市中其中几条主 要的公交线路进行优化，并将优化后的线路与原线路进行比较，分析算法的优化效果。 然后，研究并开发微观交通仿真的公交模块，编写公交车发车函数，作为车辆线程的一 部分与主线程进行通信，其中包括：( 1 ) 调用车辆跟驰、换道函数，以及与主线程对应 的接口关系；( 2 ) 公交车进站和出站的相关操作( 包括进站的减速和强行换道，到站后 根据车上人数和等车人数确定在站停靠时间) 。 最后，考虑乘客的候车满意度，进行公交车发车频率的优化，即根据不同时段设置不同 的乘客到达率，利用仿真软件检测乘客的候车满意度是否达到要求。文中的优化算法的 有效性，均以微观交通仿真软件为平台进行测试和分析。 1 5 本文的论文组织及主要内容 本文以城市公交线网优化为研究背景，贯穿文章始终。首先概括介绍城市公共交通 7 第一章绪论 和智能公共交通系统的相关情况，进而引出文章研究的主要目标和主要内容。然后，对 城市公交站点的位置和站点间距进行优化。在优化好的公交站点基础上生成公交线网。 在公交线网优化完成后，再进行公交站点位置和公交运营参数的优化研究。全部研究过 程完成之后，由微观交通仿真软件来进行测试，统计测试结果并分析之，总结优化算法 和软件设计中存在的不足和需要改进的地方。 本文的主要内容如下：( 1 ) 系统介绍城市公共交通的发展历程和发展趋势，提出城 市公共交通中存在的问题和相应的解决办法。提出智能公共交通系统的概念，总结国内 外相关研究现状，介绍应用于公共交通系统的主要理论与技术。阐明本论文的研究目标 和研究方向。( 2 ) 说明公交站点优化的必要性，提出公交站点的优化方法，并进行相应 的实验和分析。( 3 ) 根据居民公交出行0 d 矩阵中的出行量建立公交站点o d 矩阵。建立 公交线网优化模型，采用蚁群算法对模型进行求解，并对结果进行分析。( 4 ) 介绍主要 的公交基础数据采集方法，并利用这些方法优化公交车发车频率。本文的发车频率优化 主要解决多条线路的发车频率优化问题，通过使用遗传算法得出最终优化结果。( 5 ) 介 绍微观交通仿真软件的构成，详细分析公交车模块部分，并在微观交通仿真软件中加载 公交车模块，根据三、四章己研究好的优化方法( 公交线网优化、公交车发车频率优化 等) 进行仿真实验，统计实验结果加以分析，并总结软件中存在的问题及需要改进的地 方。( 6 ) 展望智能公共交通领域的发展前景，归纳总结优化方法中存在的不足，提出今 后研究的目标和方向。 【本章小结】 系统介绍城市公共交通的发展历程和发展趋势，提出城市公共交通中存在的问题和 相应的解决办法。介绍智能公共交通系统的概念。总结国内外相关研究现状，介绍应用 于本文的主要理论( 蚁群算法) 与技术。阐明本论文的研究目的和研究方向。 8 艮安大学硕卜学位论文 第二章公交线路站点的布设及优化方法研究 公交站点是标定公交线路空间边界，保证公交系统正常运营，为乘客提供乘车服务 的重要交通基础设施。公交站点的设置在很大程度上决定了整个公交系统的运行质量， 关于其设置的问题具有很重要的实用价值。只有合理地选择和优化公交线路站点的位 置，才可以使公交线路网络的设置和优化更加有据可依。本章主要根据公交站点设置的 基本要求，提出设置城市公交站点位置和优化公交站点间距的合理方案。 在国内外关于公交站点确定及优化的研究中i1 1 - 1 9 1 ，南京大学的谢华、都金康在基 于优化理论和g i s 空间分析技术的公交站点规划方法中，介绍了一种基于g i s 空间分析 方法的交通站点规划方法该方法依据乘客总出行时间最短确定单个线路上的站点个 数，结合g i s 在路线上做站点设置的适宜性分析，从而确定站点的位置。东南大学的蒋 文涛在公交站点选址与平面布置探讨中提出目前城市公交停靠站在交叉口附近、路 段上的设置存在一些不合理的地方，以及公交停靠站的设置应在保证公交乘客候车安 全，方便乘客换乘、过街的基础上的观点。k o l l a r o sa g e o r g e 在t r a n s p o r t a t i o n c o m p a t i b l el a n du s e sa n db u s - s t o pl o c a t i o n 中提出城市公交站点合理用地和确定 位置的方法。 2 1 公交站点的分类及其布设原则 2 1 1 公交站点的分类 公交站点按其在线路上的位置可分为起终点站和中间停靠站两类。 ( 1 ) 起终点站，即运营线路起讫点，是供车辆始发、折返或暂时停放，同时兼做 乘客上下车、线路运营现场调度人员组织车辆运行及运营服务人员休息和学习的场所。 公交线路的起终点站作为一条线路的主要控制点和若干线路的可能交汇点，在整个公交 线网中具有十分重要的作用。 ( 2 ) 中间停靠站，是沿运营线路设置的供乘客上下车及候车使用的场所，一般应 设有候车廊( 亭) ，便于乘客上下车及在雨天、热天、雪天改善候车条件。中间停靠站 按其利用情况又分为固定站、临时站和招呼站。固定站，指车辆在每单程运输过程中必 须停靠的车站；临时站，指在一天的某些时刻或一年中的某个季节需停车的车站；招呼 9 第二章公交线路站点的布设及优化方法研究 站，指在线路上有乘客招呼上、下车才停车的车站。 2 1 2 公交站点的布设原则 公共交通工具的起终点站及中间停靠站的合理布局属于静止交通研究的一部分。公 共交通停靠站主要布设在客流集散点，如火车站、商场、干道交叉口、工矿企业等。有 时还需要考虑地形、特殊的治安要求等因素。在大量人流集中的地方，为了居民换乘方 便，各线路的站点集中于一处，此时，最好在路边另外开辟专用场地，以便换乘和候车 之用。此外，所有停车站，均应设置站杆、站牌，对应停车站名、路别、路线走向、沿 线站名、起终点首术车时间需在站牌上标记清楚。现代化的停车设施中，还应包括行车 信息的显示装置( 如电子站牌) 及自动化问讯装置。 1 起终点站布设原则 公共汽车起终点站的主要功能是为线路上的公交车辆在开始和结束运营、等候调度 以及下班后提供合理的停放场地。它既具备普通公交站点的功能，又可以兼做车辆停放 和小规模保养之用。对起终点站的规划主要包括对其位置的选择、规模的确定以及出入 道口的设置等内容，规划时应主要遵循以下原则： ( 1 ) 应与城市道路网的建设及发展相协调，宜选择在紧靠客流集散点和道路客流主要 方向的同侧。 ( 2 ) 选址宜靠近人口比较集中、客流集散量较大、而且周围留有一定空地的位置，便 于停放车辆，使大部分乘客处在以该站点为中心的服务半径范围内( 通常为3 5 0 m ) ，最 大距离不超过7 0 0 m 一8 0 0 m 。 ( 3 ) 规模应按所服务的公交线路所配营运车辆的总数来确定。一般配车总数( 折算为 标准车) 大于5 0 辆的为大型站点；2 6 辆一5 0 辆的为中型站点；小于2 6 辆的为小型站点。 ( 4 ) 与公交起讫站相连的出入口道路，应设置在使用面积较为宽裕的道路上，尽量避 免接近平面交叉口，必要时出入口可设置信号控制，以减少对周边道路交通的干扰。 2 中间停靠站布设原则 中间停靠站的设置是否合理，直接影响车辆的行驶速度、乘客的步行时间和道路 的通行能力。对中间停靠站的规划主要应解决好站距和站址的选定问题，规划时应主要 遵循以下原则： ( 1 ) 应设置在公共汽车线路沿途所经过的主要客流集散点上。 ( 2 ) 站址宜选在能按要求完成车辆通行的地方。 l o 长安人学硕士学位论文 ( 3 ) 在路段上设置站点时，上下行对称的站点宜在道路平面上错开，其错开距离宜不 小于5 0 m 。在主干道上，快车道宽度大于或等于2 2 m 时也可不错开。如果路旁绿化带较宽， 宜采用港湾式中途站。 ( 4 ) 在交叉路口附近设置中间停靠站时，一般设在过交叉路h 5 0 m 以外处。在大城市车 辆较多的主干道上，宜设在l o o m 以外处。 ( 5 ) 几条公交线路重复经过同一路段时，其中间停靠站宜合并。站的通行能力应与各 条线路最大发车频率的总和相适应。共用同一停靠点的线路不宜太多。 ( 6 ) 中间停靠站候车廊前必须划定停车区，停车区的长度视所停主要车辆类型而定。 通过该站的车型在两种以上时，均按最大一种车型的车长计算停车区的长度，停车区的 宽度一律为3 5 m 。 2 1 3 公交换乘枢纽的布设 公交换乘枢纽的分类【3 j 表2 1 公交换乘枢纽的分类 分类方式内容主要特点 按交通功能分类对外枢纽一般设在城市出入口，连接着对外交通运 输线路与城市公交线路，其规模与城市发 展形态、经济文化活动相当。 市内枢纽主要为城市内部区域间或区域中心对外枢 纽的客流交换服务。一般设在城市内主要 客流集散点，多种交通方式、多条线路汇 交点，对通畅、便捷要求很高。 特定设施处枢纽这些地点在某时i 日j 段内集散量强度大，枢 纽为满足人们文化、娱乐出行而设，如体 育场、全市性公园等大型公共活动场所。 按交通方式分类方式换乘枢纽如城市公共电、汽车与地铁、轻轨、铁路、 水路、航空运输等线路相互衔接的枢纽。 线路换乘枢纽主要指公共汽车线路之间包括公共汽车与 长途汽车线路问的交汇处枢纽。 第一二章公交线路站点的布设及优化方法研究 表2 1 公交换乘枢纽的分类( 续) 按交通组织分类公交首末站枢纽内有多条电、汽车的首术站，并设有 换乘枢纽停车、候车、调度以及有关指示标志等设 施。 公交中途站位于道路条件好、公交线路通达性较高、 换乘枢纽多条线路交汇的路网节点。站点设置、人 流组织是此类枢纽设计的重点内容。 按布置形式分类立体式枢纽枢纽站为地下、地面或地上多层结构形式。 适用于交通方式复杂、用地受到限制的地 点。同时也可与综合性服务设施，如商业、 文娱活动场点相协调。 平面式枢纽枢纽站设施布置在地面上。其规模视换乘 需求而定。 按服务区域分类市级枢纽吸引全市范围和对外交通客流的枢纽，客 流集散量大，公交线路多，设备齐全。如 火车站、航空港等城市大型出入口。 市区级枢纽连接卫星城镇与市内公交线路的枢纽以及 城区内交通重心处枢纽。 地区级枢纽设在地区性区域中心的客流集散点的枢 纽，服务范围小，设备简单。 2 公交换乘枢纽布设考虑因素 公交枢纽优化的主要内容是枢纽选址和枢纽规模的确定。枢纽选址是一项比较复杂 的工作，按国家标准要求，中小城市的换乘系数应小于1 3 ，大城市应小于1 5 。其布设 主要考虑的因素有： ( 1 ) 城市的发展形态。任何一个城市，都有自己的布局形式，即发展形态，如同心圆 式的团状发展形态、带状发展形态等。城市的形态直接影响到城市出入口的规划 设计，而城市出入口又是城市公交枢纽的重要选点。 ( 2 ) 城市功能。城市公交枢纽的布设，应以城市居民工作出行、经济活动、文体活动、 1 2 长安大学硕十学位论文 对外交通的需求为根据。因此，城市的功能影响着公交枢纽的定位。 ( 3 ) 客流集散点的客流分布及强度。公交枢纽应布置在客流集散量大的地点。城市居 民出行调查得到的客流量、流向分布、出行结构以及各区域中心的客流集散强度 等资料，是公交枢纽规划设计的基础资料。 ( 4 ) 公共交通系统中的交通方式构成。公共交通系统中，交通方式越多，可能换乘交 通方式的客流量就越大，不同交通方式的交汇点就越多，从而影响到公交枢纽的 布设。 ( 5 ) 公共交通的管理。公共交通的管理体制和管理水平，对乘客都有影响，对枢纽平 面设置、规模大小等也有影响。 ( 6 ) 道路状况。道路网的形状，道路密度，快速路、主干路、次干路的长度及比例， 道路网的发展规划，都直接涉及公交枢纽的选择、规模和布局。 ( 7 ) 经济环境。资金是决策者在决策时不可回避的问题，投资多少，效益大小，现有 财力及集资的渠道，应经过充分的分析论证，方可做出适当的选择。 ( 8 ) 商业战略。在公交枢纽布设的同时，进行商业开发，加快资金回收，提高经济效 益。对商业开发的性质和规模应做具体分析，严格控制。因为商业服务必然引起 人流滞留，并可能吸引额外的客流，从而影响枢纽的功能发挥。 ( 9 ) 政治因素。在保密单位及高级外事部门附近，不宜设置枢纽。 对于一般公交换乘枢纽，应尽量方便乘客换乘，通常设在交叉口附近，使不论哪个 方向的乘客换车都很方便。为了交通安全和通畅，它的位置应避丌交叉口的视距三角形 范围，不妨碍右转车辆的通行及路口的行人过街，同时还应考虑与红绿灯柱有一段距离， 一般距路口为5 0 米左右。不同线路的停靠站的换乘距离应尽量短，同侧换乘时最多不超 过5 0 米，异向换乘时最多不超过1 0 0 米，穿越平交或立体交叉口的公共交通线路车站换 乘距离不宜大于1 5 0 米。凡换乘量大的公共交通站点和轮渡口，在其5 0 米范围内应设公 共交通车站。 3 公交枢纽布设形式 换乘枢纽的布设形式，纵观国内外，大致可分为以下三类： ( 1 ) 高楼式。高楼式是将多种交通方式的换乘，汇集在一座高楼之中。这类换乘枢纽 的好处是：占地不多，换乘距离较小，秩序井然。 ( 2 ) 桥梁式。桥梁式是将某些公交车站设在立交桥的匝道边，以便在此交汇更多的线 路，通过桥的阶梯，即可换乘，相当方便。 第- 二章公交线路站点的布设及优化方法研究 ( 3 ) 平铺式。平铺式是将公共汽车的到发站，围绕在地铁出入口平铺摆开。 2 2 公交站点的优化方法研究 2 2 1 公交站点优化的必要性 目前，国内大多数城市公共交通的主体都是公共汽车，公共汽车在普通居民的日常 生活中起着非常重要的作用。公交站点的布设是否合理，不仅影响到客运车辆运行速度、 居民乘车的方便性和道路的通行能力，而且直接影响到乘客吸引量的大小。因此，停车 站设置问题，是城市客运网点配置的一个重要方面。 如果公共汽车停靠点的选取缺乏科学性，势必会造成出行人步行时间的不必要浪 费，因此产生人行道的拥挤，影响交通安全。特别是在交叉口停靠站设置的不合理，会 造成道路交通不畅，甚至阻碍视线，造成交通事故。停靠站间距过小，就要在道路上过 多设站，增加乘客乘车的时间，车辆速度不高，且车辆在停靠站频繁制动、启动，轮胎 和燃料的消耗会很大，也容易破坏路面。反之，停靠站间距过大，虽然车辆运行速度提 高，乘客乘车时间减少，但对于乘客乘车不便，增加了步行时间。从以上分析不难看出， 公交站点的优化可使客运能力与客运负荷相协调，防止停靠站的路面过早损坏，同时缓 解交通拥挤，提高交通安全程度，因而在城市公共交通中起到了十分重要的作用。 2 2 2 公交站点的优化方法 公交站点的优化主要包括公交站点位置优化和公交站点间距优化两个方面。由于本 章第l 节已经有关于公交站点位置设置的介绍，所以本节主要解决公交站点间距的优化 问题。 合理设置站点间距对公交车的运营，乘客的出行时间及舒适度等都有着很重要的影 响。一般而言，较长的站点间距可提高公交车的平均运营速率，并减少乘客因停车造成 的不适。但站点间距长会使乘客从出行起终点到上下车站点的步行距离增大：站点间距 短则反之。最优站点间距可使所有乘客的总出行时间即车内时间和上车前、下车后步行 时间的总和最小，乘客出行时间示意图如图2 1 所示： 1 4 长安人学硕士学位论文 离站时闭 内l i 于闺 最优虫占何讴率站闻跪 综合考虑乘客步行时间和在车时间两个因素，本节以乘客乘车总时间最小为目标函 数，即2 嘻+ = 最小值。其中，2 嘻为乘客上车前和下车后步行时间的总和。 式中 f 粥：( 土+ 旦) 木旦( m i n ) 步 3 万4 ( 2 1 ) = 警2 警+ 争卜m 汜2 ， 艿为公共交通线网密度( k i n ，k i n 2 ) ，去为乘客由出发地步行到公交线路所需的平均距 离： 为乘客步行速度，一般为3 6 4 o k m h ： 为乘客在车上行程为k 时所用的时间； 为车辆的行驶速度( k m h ) ： 吃为车辆的运行速度( k m h ) ： 嚷为乘客平均乘距( k m ) ： d 为平均站距，鲁为乘客沿公交线路步行到公交车站的平均距离； t 下为平均每站停站损失时间，即在平均运距内，乘客因车辆停站而延误的乘车时问， 包括停站时间及车辆因起步加速与停车减速而损失的时怕j ( m i n ) 。 第二章公交线路站点的布设及优化方法研究 令筹删腻噍= 萍。 以合肥市长江路为例，= 4 k m h ，岛2 6 k m ，t 上下2 1 5 s 一2 4 s 2 0 2 5 m i n 一0 4 m i n ，根 据最佳站距公式可彳! 导：丸= 户半_ 0 4 4 8 ：0 5 6 6 砌 一般来说，公交站点间距约为5 0 0 6 0 0 m 。但实际上，在市区道路上布设公共交通 站点时，其站距还要受道路系统、交叉口间距等的影响。因此，在整条公交线路上，站 距是不等的。在市中心区，客流密集，乘客上下频繁，则站距应小些；城市边缘地区， 站距可大些，而郊区可更大些。同时，考虑到乘客心理是宁愿少走点路，而多花点时间。 所以，在选用站距时，应比公式计算结果稍小一些。此外，站距还与乘客出行需求、公 交车辆运营管理、交通安全、居民点、购物中心、学校、办公地点、娱乐场所等因素的 规划有关。 【本章小结】 本章介绍了公交站点( 包括公交枢纽) 的分类及布设原则，提出基于乘客在途时间 最少的公交站距优化方法，给出具体的计算公式，结合实际得出合理的公交站距。 1 6 长安大学硕f j 学位论文 第三章城市公交线网优化设计方法研究 城市公交线网优化是实施智能公共交通系统的基础，只有在优化后的公交线网上进 行公交车的发车频率优化和调度优化才更有意义。 公共线网( t r a n s i tn e t w o r k ) 是城市交通网络的子集，它是由公交车站( s t o p ) 和站点间的连接路段( l i n k ) 组成。公交站点又分为起终点站和中间点站。公交站点的连 接路段可以是单向的或双向的。 公交线网优化设计在城市公交规划过程中是最为重要的规划步骤。这不仅是因为所 设计的公交线网直接影响发车频率的确定、公交司乘人员的配置，而且公交线网一旦设 计好，公交公司一般不会改变。因此，需要加倍重视。 3 1 公交线网优化设计总体架构 3 1 1 设计思路 结合国内外在公交线网优化领域的研究成果1 2 0 - 2 5 ，本文提出一种新的研究方法， 即先根据不同情况将小区的公交客流量分配到小区附近的各个站点，然后由蚁群算法依 次得出满足约束条件的公交线路。 3 1 2 具体建模和求解的步骤 ( 1 ) 对公交网络中起终点进行编号，建立起终点数据库： ( 2 ) 根据网络节点的连接关系建立公交站点的链接数据库； ( 3 ) 将居民公交出行的o d 矩阵的出行量分配到各公交站点，形成一个公交站点0 d 矩 阵； ( 4 ) 建立公交网络优化模型； ( 5 ) 调用蚁群优化算法，依次求出满足约束条件的公交线路； ( 6 ) 将本组中最优解代表的公交线路所运送的客流量从公交站点o d 矩阵中减掉，返回 步骤( 5 ) ，直到没