（交通运输规划与管理专业论文）城市群一体化城际公交网络设计研究.pdf

摘要 随着我国大城市化进程的加快以及城市群一体化格局的不断完善，城市群城 际公交一体化已成为当前城市群发展的重要任务之一。以此为背景，本论文对城 市群一体化城际公交网络设计进行了研究。 本论文主要对城市群城际公交网络设计及其模型求解算法进行了研究。在城 市群城际公交网络设计方面，本论文采取定性与定量相结合的方法，以总社会效 益最大化为优化目标，建立了基于效率与公平的城市群一体化城际公交网络设计 的双层规划模型。针对城际公交双层规划模型的求解，基于其本身的n p 特征， 本论文采用遗传算法对其进行求解并给出了基于m a t l a b 工具箱的求解步骤。论文 给出一个算例，对前面提出的方法进行检验，结果表明本论文提出的双层规划模 型在城际公交网络设计方面具有一定的可行性。 根据论文研究的主要内容和方案，采取的主要方法有： 系统分析方法。在论文的写作中，采用系统分析的方法考虑城市群一体化公 交的需求特性及其服务属性要求。 数学建模方法。采用数学建模的方法，将城市群一体化城际公交的各个服务 属性要求进行指标量化，构建了一体化城际公交网络设计的双层模型，并采用遗 传算法进行模型仿真。 目前专门针对城市群城际公交网络设计理论和方法的研究很少。本论文依据 国内城市群的基本特征，建立了一个适合一般城市群城际公交网络设计的数学模 型，为国内城市群一体化公交网络设计提供了有力的理论支持，具有一定的理论 意义和实用价值。 关键词：城市群；公交网络设计；效率；公平；遗传算法 a bs t r a c t a st h eu r b a n i z a t i o np r o c e s si nc h i n aq u i c k l ya c c e l e r a t e da n di n t e g r a t e dp a t t e r n o fu r b a na g g l o m e r a t i o n sc o n s t a n t l yi m p r o v e d ，i n t e g r a t i o no fi n t e r 。c i t yt r a n s i th a si i o w b e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a s k si nd e v e l o p m e n to fu r b a na g g l o m e r a t i o n s f o r t h i sr e a s o n ，t h er e s e a r c hc o n t e n td i s c u s s e di n t h i st h e s i si s t h ei n t e r c i t yt r a n s i t n e t w o r kd e s i g np r o b l e mi nu r b a na g g l o m e r a t i o n s i nt h i st h e s i s ，ab i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e lf o ri n t e r c i t yt r a n s i tn e t w o r kd e s i g n i nu r b a na g g l o m e r a t i o n si sp r o p o s e d t h e nam e t h o db a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mi s i n t r o d u c e dt oo b t a i nt h eo p t i m a ls o l u t i o n aq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v em e t h o di s p r o p o s e df o rt h ei n t e r c i t yt r a n s i tn e t w o r kd e s i g n a i m i n gt om a x i m i z e t h et o t a ls o c i a l b e n e f i t ，ab i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e l b a s e do i le f f i c i e n c ya n de q u i t yf o rt h e i n t e r - c i t yt r a n s i tn e t w o r k sl a y o u ti s e s t a b l i s h e d f o rt h es o l u t i o no ft h i sb i l e v e l p r o g r a m m i n gm o d e l ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt oo b t a i nt h eo p t i m a ls o l u t i o nb e c a u s eo fi t s o w na nn p h a r d p r o b l e m t h a tam e t h o db a s e do n g e n e t i ca l g o r i t h m w i t h m a t l a b t o o l b o xi si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h e nd e t a i l e ds t e p sf o rt h ea l g o r i t h ma r e p r o v i d e d f u r t h e r m o r e ，a ne x a m p l ei sp r o v i d e di nt h i s t h e s i sf o rt e s t i n gt h i sm o d e l s i m u l a t i o ns h o w st h i sm e t h o di sf e a s i b l ei ni n t e r c i t yt r a n s i tn e t w o r kd e s i g n t h em a jo rm e a s u r e si nt h i st h e s i si n c l u d et h ef o l l o w i n ga r e a s ： s y s t e ma n a l y s i sm e t h o d t h em e t h o do fs y s t e ma n a l y s i s i st a k e nt oc o n s i d e rt h e t r a n s p o r tn e e d sc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e g r a t e di n t e r - c i t y t r a n s i ta n dr e q u i r e m e n t so f s e r v i c ep r o p e r t i e s m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gm e t h o d t h ec h a r a c t e r i s t i c s o ns e r v i c eo f p u b l i c t r a n s p o r ti nu r b a na g g l o m e r a t i o n sa r ef u l l yc o n s i d e r e dt h a td i f f e r e n ti n d i c a t o r s a r e u s e ds e p a r a t e l yt oq u a n t i f yt h ec h a r a c t e r i s t i c s i nt h i st h e s i s ，am e t h o db a s e do n g e n e t i ca l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt os i m u l a t ea n d o b t a i nt h eo p t i m a ls o l u t i o n t h es p e c i f i cp l a n n i n gt h e o r i e sa n dm e t h o d sf o ri n t e r - c i t yt r a n s i tn e t w o r kd e s i g n a r ev e r yr a r ea tt h ep r e s e n tt i m e i nt h i st h e s i s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi ss u i t a b l e f o rt h eg e n e r a li n t e r - c i t yt r a n s i tn e t w o r kd e s i g ni sp r o p o s e db a s e do nt h ea c t u a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h eu r b a na g g l o m e r a t i o n si nc h i n a ，w h i c hp r o v i d e sas t r o n gt h e o r y s u p p o r tf o ri n t e r c i t yt r a n s i tn e t w o r kd e s i g ni nc h i n a w i t hat h e o r ya n du t i l i t yv a l u e k e y w o r d s ：u r b a na g g l o m e r a t i o n ；t r a n s i tn e t w o r kd e s i g n ；e f f i c i e n c y ；e q u i t y ； 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：际 日期：伽年岁月 砂日 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 、不保密阱 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：际7 虱 导师签名： 日期：矽j 7 年箩月) 日 嗍砷年歹月歹弓日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 城市群一体化发展格局的形成 城市群【l 】( u r b a na g g l o m e r a t i o n s ) 是指在特定的地域范围内具有相当数量的 不同性质、类型和等级规模的城市，依托一定的自然环境条件，以一个或两个特 大城市或大城市作为地区经济的核心，借助于综合运输网络的通达性，发生与发 展着城市个体之间的内在联系，共同构成一个相对完整的城市“集合体”。其中中 心城市对群体内其他城市有较强的经济、文化辐射和向心作用。到目前为止，城 市群是城市发展的最高阶段。 2 0 世纪5 0 年代以来，大城市逐渐被城市化区域所取代，形成规模庞大的城 市群。城市群首先出现在美国东部大西洋沿岸和五大湖南部各州以及欧洲国家。 美国大西洋中部沿岸，北起波士顿、南至华盛顿，以波士顿、纽约、费城、巴尔 的摩、华盛顿等一系列美国的大城市为中心，其间分布在萨默尔维尔、五斯特、 普罗维登斯、新贝福德等城市将大的中心城市连成一体，在沿海6 0 0 多公里长、 1 0 0 多公里宽的地域形成了一个由5 个大城市和近2 0 0 多个中小城市组成的巨大 城市群。该城市群人口约4 5 0 0 万，城市化水平约为9 0 ，是美国经济的核心地 带，制造业产值占全国的3 0 。美国的第二大城市群分布于中部东北地区，该城 市群东起位于大西洋彼岸的纽约，西沿五大湖南岸至芝加哥，其间分布有匹兹堡、 克利夫兰、底特律等大中城市。而欧洲的城市群包括：英国伦敦一伯明翰一利物 浦和曼彻斯特城市群、巴黎一鲁昂一勒哈佛地区城市群、荷兰兰斯塔德城市群。 继欧美之后，亚洲的日本、中国、印度、韩国等国家都出现了区域城市化现象和 形成城市群的趋势，其中日本是亚洲城市群发展程度最高的国家，已形成典型的 城市群。 改革开放三十年来，我国大陆首先在最发达的地方形成了长江三角洲城市群、 珠江三角洲城市群以及京津塘城市群三大城市群，随后其他地方也正在形成真正 意义上的城市群，例如长株潭城市群、武汉“1 + 7 城市圈、浙中城市群、山东 的半岛城市群、河南的中原城市群等。随着我国经济的进一步发展，以及城市化 进程进入加速发展时期，城市群的出现和完善将不可避免，这就使得我们必须对 其进行深入研究，并且从各个方面加以引导，使其健康、有序发展。 1 1 2 城际交通引导城市群有序发展 城市总是随着交通条件的改善而向外扩展。在城市化之初，人们对居住地与 工作地的选择主要受交通条件制约，不得不居住于市内，造成城市内极高的居住 密度。随着交通工具的改善，大大拓展了城市居民的居住范围，城市空间结构也 发生了深刻的变化，从而引起了城市次中心、副中心的形成。大城市单中心的功 能逐渐被分散，形成了多个副中心。快速干道的发展，将城市单一中心过度密集 的功能迅速向外分散，城市中心的产业结构进一步得到调整，产业布局向外疏散， 给大城市周边的小城镇带来人流和物流，促进了多中心城市群的发展。城际交通 方便、快捷、经济、舒适，能够承担中心城市向周边相邻城市传递经济、交通辐 射的功能，对内与市域公路交通网络紧密衔接，对外与城市群对外公路交通网络 相连。 快速、便捷的城际交通能优化城市群体的布局、促进单个城市间职能的分工 以及改变产业经济发展格局。城市群常常拥有一个或几个作为经济辐射源的核心 城市，核心城市间的交往占的比例很大，城际交通既改变了群域城际交通结构， 又明显优化了城市布局和产业结构。快捷的城际交通便利了城市间交往的可达性， 引导城市沿其走向发展改变了城市的整体布局：同时不同工业园区、经济开发区 沿城际交通沿线分布过渡到带状分布，致使各种资源得到有效配置。 城际交通网络的发展与城市网络的形成有密切的关系。城际交通网络是城镇 网络的骨架，处于不同发展阶段和具有不同特征的各种类型的经济区域，它们的 城际交通网络系统的发展过程、特征、速度均不相同，区域的城镇网络系统的发 展状况也有很大的差异。城际交通网络是城市群空间网络结构形成与演化的基础， 每一次交通网络的优化，必然导致城市群空间结构的进一步完善与发展。在信息 经济时代，交通仍具有信息技术不可替代的地位，仍然是第一、二产业实物运输 的基础，也是第三产业和信息产业存在和发展的基础。 综上所述，城际公交规划对城市群的发展具有战略性和先导作用，对城市群 的综合交通规划有利于引导城市群的有序发展。因此，积极发展城市群一体化城 际公交，提高城市群间客运运营效率和服务质量，已成为当前我国城市群发展的 重要任务之一。 1 2 国内外研究综述 1 2 1 城市群发展理论研究 1 国外城市群发展理论 最早注意到城市群的出现并对其进行研究的是法国地理学家j 戈特曼2 1 。 1 9 6 1 年，法国地理学家j 戈特曼在研究了北美城市化的空间之后，发表了大都 2 市带：东北海岸的城市化p 】，提出了“大都市带( m e g a l o p o l i s ) ”的概念，探讨 了它的空间生长模式。m e g a l o p o l i s 被视为全新的城市群体概念，不是简单的一个 城市或者大都市，而是一个面积广大，有几个大都市相连接的城市化区域。弗里 德曼【4 】结合罗斯托( w w r o s t o w ) 的经济发展阶段理论，提出经济发展与空间演 化相关模式，反映了城市群的发展阶段与过程。瑞典学者哈格斯特朗【5 】提出现代 空间扩散理论，揭示空间扩散的多种形式加深了城市群空间演化研究。 1 9 5 4 年，日本学者提出“标准城市地区 的概念，它包括了市区以外的城市 功能地域。1 9 6 0 年，日本学者对“大都市圈 给出了明确的限定，认为大都市圈 的中心城市应该是中央制定城市( 相当于我国的直辖市) 或人口在1 0 0 万以上的 大城市，临近有5 0 万人以上的若干城市，外围地区到中心城市的通勤率达到5 以上。2 0 世纪7 0 年代，小林博氏在对东京大都市圈的研究后总结前人观点归纳并 强化了城市群发展过程的3 个概念：大都市地区( m e t r o p o l i t a nr e g i o n ) 、大城市区 ( m e t r o p o l i t a na r e a ) 、城市化地带( u r b a n i z a e da r e a ) 。 经济全球化和以信息技术为标志的革命极大地促进城市群研究。弗里德曼1 6 j 对城市体系的等级网络进行研究，划分了城市等级，指出城市体系的等级关系将成 为跨国公司纵向生产地域分工的体现。范吉提斯【7 】、昆曼与魏格纳( k r k u n z m a n n & m w e g e n e r , 1 9 9 1 ) 1 8 】都对经济全球化与区域经济一体化背景下跨国网络化城市 体系的研究，认为大城市带实际上是产业空间整合的产物，作为新的地域空间组织 形式，将占据全球经济的核心位置。富田禾晓【9 】以都市空间为经，结构演变为纬，从 人口、第三产业、居住、消费、通勤、中心地等级和职能对日本的城市群进行了 深入研究。 2 国内城市群发展理论 目前国内涉足城市群研究的主要是地理学、经济学、社会学、城市规划学等 学科，研究的视角主要是：城市群空间研究以及区域发展的经济网络因素。 1 9 8 0 年我国学者周一星 1 0 1 提出了与m e g a l o p o l i s 相对应的中国概念一都市连 绵区( m e t r o p o l i t a ni n t e r l o c k i n gr e g i o n ，m i r ) 。m i r 是以若干城市为核心，大城市 与周围地区保持强烈交互作用和密切社会经济联系，沿一条或多条交通走廊分布 的巨型城乡一体化区域。实际上，m i r 是城市群发展的更高级空间形态。 1 9 9 2 年，我国学者姚士谋【l l 】从区域空间布局的角度概括了城市群的概念，并 且研究了信息化背景下的城市群发展，认为信息革命对城市群区空间拓展的效应 有：协作效应、替代效应、衍生效应与增强效应，以及城市群如何通过对信息技 术在城市空间的多元运用来提高其竞争力。 2 0 0 3 年，薛东前等【1 2 】从城市群体结构、空间拓展和土地利用等方面论述了城 市群空间演化过程、动力机制、基本特征和规律，以及由此引起的城市群用地优 化配置趋势。 2 0 0 3 年，牛文元院士提出了组团式城市群的概念。武汉大学城市建设学院的 赵冰教授于2 0 0 4 年又提出“城市群脉 这一概念，他认为“城市群脉 指的是城 市群发展的脉络，即城市群在时间和空间上的形态演变，具有矢量性( 方向性) 、 动态性( 时空性) 以及能量性三个特点。 在区域城市与交通发展研究方面，我国学者也取得了丰硕成果。1 9 9 3 年，北 方交通大学系统工程研究所张国伍教授【l3 】在国内首次提出“交通经济带 的概念， 主张将交通建设与沿线经济开发区开发相结合，进行交通经济带一体化开发，同 年，国家科委图门江地区交通网络规划及交通经济一体化协同发展研究项目，把 交通经济带概念与图门江地区具体情况相结合，进一步发展了交通经济一体化思 想。2 0 0 1 年，长沙理工大学的管楚度教授提出了交通区位理论【1 4 1 。 1 2 2 公交网络优化设计研究 在城市交通研究领域中，公交网络设计问题一直是公认的难度最大、最具挑 战性的问题之一。国内外很多学者对公交网络设计问题进行了广泛的研究。 1 国外学者的研究 d i c kh a s s e l s t r o m 在公交网络规划方面做了深入的研究。他致力于研究将三 大参数统一设定的公交网络优化设计问题。在给定费用、运作成本等约束下，建 立了最大化消费剩余为目标的双层优化模型。求解方法是首先排除用户不会选择 出行的路段减小网络规模，然后用剩下的路段建立初始线路集合，最后又通过一 个线性规划模型为公交网络的线路设置发车频率。d i c kh a s s e l s t r o m 的研究提供了 非常广泛的应用价值，但是求解其数学模型十分复杂，需要对现实问题给出很多 的简化和假设，也因其复杂性，所以模型求解算法需要规划者和计算机交互工作， 因此确定一定条件下居民出行的公交线路和发车频率的计算很费时间【1 5 1 。 a c e d e r 和n h m w i l s o n l l 6 】把公交网络规划分成五个规划步骤，这五个步 骤包括：公交线网设计、频率设置、公交时刻表设置、公交行车时刻安排、驾驶 员工作时刻安排。该规划过程能够很好的表示公交服务过程。在进一步规划中， 采用了双层规划方法设计公交网络，其中第一层次是考虑乘客因素，第二层次考 虑了乘客和公交运作这两者之间的博弈关系。 b a a j 和m a h m a s s a n i0 7 , i s 】采用三阶段法设计公交网络。主要包括：路线生成、 公交网络分析、公交网络改善。在路线生成算法中，基于需求矩阵和规划者的知 识生成不同的路线集合。路线分析过程主要是检验生成的公交网络的换乘次数和 出行时间( 包括乘车时间、候车时间、换乘时间及总出行时间) 。路线改进算法主 要是通过合并、分离和改变支线等方法改善路线。这种方法对初始路线生成过程 要求很高，只有生成了很好的初始路线，才能得到更接近目标的结果。s o e h o d o s u t a n t o 1 9 】在考虑公交客流弹性需求条件下，利用三阶段法建立了公交网络设计模 4 型。 m a n d l 2 0 】设计了一个单一路径分配方法，他假设所有乘客都选择一条具体的 花费最少的路径往返于其事地和目的地之间。在这项工作中，m a n d l 用启发式算 法来寻找最优路线。此外，m a n d l 假设所有公交车的发车频率都是一样，这使得 b t r n d p 模型变得简单。优化过程如下：给出一组可行的路线集合，从中选出一套 新的路线使其花费最少，用新的路线与已有的路线集合相比较，如果发现更好的， 则它被作为新的路线，如此反复，直到没有更好的路线被找到。 y j l e e 和v r v u c h i c 2 q 认为，在总需求固定的情况下，公交出行的需求是有 弹性的，这种弹性表现在公交用户可能会选择小汽车出行或者小汽车用户可能会 选择公交出行。他们建立了基于总出行时间最小的数学模型，并且采用启发式算 法把路线设计和发车频率组合考虑。 w a nq u e n t i nk h 【2 2 】提出了基于多模式网络的两阶段法一体化公交网络设计 模型。在第一阶段，将起、终点以及多模式联运换乘点之间的客运需求作为其优 化目标，第二阶段用来求解最优公交路径。 2 国内学者的研究 国内学者如张启人2 3 1 、刘清【2 4 1 、王志栋2 5 1 等在早期的公交线网优化设计方 面大多建立单层模型，不考虑乘客的路径选择，或者将采用全有全无、多路径分 配等非平衡分配方法，将路径选择作为约束条件考虑。林柏梁等2 6 1 、安梅2 7 1 、毛 林繁【28 】等则研究了拥挤公交网络的客流分配，开始将容量限制法用于公交客流分 配，使优化结果更接近于实际情况。高自友【2 9 , 3 0 1 等提出公交网络中具有弹性需求 和能力限制条件下的随机用户平衡配流模型，并设计了模型的求解算法。 钱臻、陆化普【3 l 】( 2 0 0 5 ) 在现有公交客流分配方法的基础上，提出了完整的 公交网络设计概念，并给出了公交网络的表示方法。根据公交线路特性，分析了 换乘、发车频率、票价对客流分配的影响，将其考虑到公交网络的属性中，给出 了网络中各种阻抗的计算方法。 任华玲、高自友f 3 2 j ( 2 0 0 7 ) 根据城市公交网络的具体特点，对公交网络进行 了系统的描述，同时从公交管理部门和公交出行者两方面进行系统的考虑，提出 了一个双层规划模型来描述动态公交网络设计的问题。在双层规划模型中，上层 模型为一个基于时刻表的公交网络设计模型，下层模型是一个动态公交网络用户 最优配流模型，并针对所提出的模型设计了基于混沌优化方法的求解算法。 刘好德【3 3 】博士以用户出行时间和未满足出行需求量( 无有效公交出行路径出 行量) 两者费用最小为目标构筑了公交线网优化设计模型，基于候选线路集生成 方法的研究，结合公交出行路径搜索与客流分配方法，提出了一种基于路线选优 的公交线网优化设计方法。 总的来说，学者们对城市公交网络设计可以大致分为两种思路：一是将公交 5 线网和发车频率结合在一起考虑；另一方面是先考虑公交线网优化设计，然后在 规划好的网络上优化各条公交线路的发车频率。在公交网络优化设计中，一些先 进的交通仿真软件如e m m e 2 得到了很好的应用，给规划工作带来了极大的方便。 如文献【3 4 , 3 5 】。 1 2 3 城市群城际公交网络设计研究 国外城市群一般以轨道交通构成城际公交的主体，本论文主要介绍国内的城 市群一体化城际公交研究成果。 1 长三角城市群公交一体化 长三角是最早提出公交一体化的城市群，2 0 0 2 年就提出了“长三角公交一卡 通”的概念，目标是要在长三角各城市中实现公共交通卡的互通。2 0 0 2 年1 0 月 1 日，上海和无锡两地的公交公司率先推出“一卡两地刷”。两地市民可以持本地 公交i c 卡在公共交通工具上自由刷卡。2 0 0 3 年7 月，“长江三角洲旅游城市1 5 + 1 高峰论坛一宣布，今后长三角1 6 市之间的公交卡将实现“一卡通 。游客 只要持一张公交卡，可在长三角任一城市中坐公交车观光旅游。同年，杭州推出 杭州公共交通一卡通，上海市民到杭州，可以用上海公交卡在当地一部分出租车 上刷卡，但杭州的公交卡并不能在上海使用。2 0 0 3 年1 0 月，苏州公交卡也开始 与上海、无锡实现“单向通”：由于苏州公交卡采用了更加“先进 的制式，上 海、无锡的公交卡可在苏州所有公交车和部分出租车上使用，但苏州公交卡不能 被上海、无锡较为“低端 的刷卡器所识别。目前“一卡通 进展缓慢。上海大 众集团在成功入股杭州公交后，又将目光锁定整个长江三角的公交市场，提出了 “城际公交计划，现正在与相关部门协调。大众交通的g p r s 定位系统已经可以 覆盖整个长三角及安徽、江西等周边省市，实现长三角交通一体化的公交调度没 有技术障碍。 2 广佛都市圈 2 0 0 5 年9 月，由广州市第二公共汽车公司控股的佛山市恒通客运有限公司正 式开通了8 条公交线，其中4 条直达广州，打破了佛山市从未有公交车驶入广州 的历史，标志着广佛经济一体化中公共交通行业正式进入实操阶段。此次开通的 直达广州的4 条线路分别是佛山2 7 5 路( 芳村坑口公交场至狮山大学城) 、佛山 2 7 6 路( 东方广场至罗冲围) 、佛山2 7 7 路( 芳村茶叶市场至南国小商品市场) 以 及佛山2 7 8 路( 芳村坑口公交场至松岗商业广场) 。这4 条公交线路的开通，实 现了佛山与广州公交网络的无缝衔接。广佛目前站到站的传统跨区运输模式，已 不能满足两地客流的交通需求，但是佛山的公交线路进入广 k i l 市中心，会增加广 州市中心区的交通压力。广州市交委希望可以通过设置公交车换乘站来解决这个 问题。目前计划在窖口客运站、芳村客运站、罗冲围公交总站3 个公交站设置换 6 乘站，以供佛山方向的公交车在这些站换乘。 3 长株潭城市群公交一体化 2 0 0 7 年1 月2 5 日，长株潭城市群一体化公交正式通车。研究者根据长株潭 城市群道路网空间分布情况，充分调查，科学规划，采用定性与定量分析方法相 结合，得出长株潭城市群一体化公交网络计方案【3 6 1 ，其由四条沿停慢线公交线路 和十二条大站快线组成。长株潭公交投入运营后，很快便得到公众的好评。全新 的空调大巴为乘客提供了舒适的乘车环境。便捷的城际公交大大缩短了城际旅客 的出行时间。有关人士认为，长株潭开通公交将带动三市相关产业发展，三市的 资金、技术、人才将实现更好的互补。公交开通后，长株潭三地结合部将成为公 交枢纽，人流量大增，必将带来大量商机，对此地的开发又将带动三市相向发展。 4 深圳组团快线公交 深圳由于历史原因形成了特有的深圳特区内外的格局，深圳市划分成特区 ( 包括罗湖、福田、南山、盐田) 以及特区外( 包括龙岗区和宝安区) 两部分。 深圳组团快线的规划为组团间旅客的出行提供了极大的方便。2 0 0 8 年深圳市交通 部门通过学习、借鉴新加坡和香港的先进公交理念，启动了“快速公交一干线公交 支线公交”三层次公交网络规划研究，并在全国最先付诸实施。其中快线为城市组 团间长距离出行乘客提供快速运输服务( 如龙岗中心城到特区内，龙华、坂田到 特区内) ；干线为城市主要干道沿途乘客提供中快速运输服务( 如深南大道、笋 岗路、1 0 7 国道、宝安大道、松白路、深惠路等) ；支线为组团内部短距离乘客提 供中速服务，为快线、干线提供接驳换乘服务，并具备加密网络覆盖的功能。 综合以上案例看来，我国很多城市群城际公交都已投入使用，但目前还未形 成完整的城市群城际公交研究的理论体系，尤其城市群城际公交网络设计方面的 理论成果还较缺乏。 1 3 研究目的与主要内容 1 3 1 研究目的和意义 国外学者在对城市群以及公交网络优化研究方面不断提出一些新理念，这些 理念又推动城市群的空间拓展。根据国外经验以及中国经济发展态势，目前中国 即将迎来大力发展城市群的时代。城市群的发展必将带动区域经济发展，城市群 间的群际交流和旅客出行也将不断加强，这意味建立城市群一体化的公交服务网 络已经变得十分重要。 本论文立足于城市群经济一体化大背景，探求适应城市群发展需要的定量 化、适用化的城际公交网络设计方法。 7 1 3 2 范围界定 本论文研究范围仅限于城市群城际公交网络设计，不涉及单个城市内部的公 交网络设计问题。本论文中所指的城际公交仅指城际大、中巴士，不包括轨道交 通等其它运输方式。 1 3 3 主要研究内容 本论文主要包括以下几个方面的内容： 第一章，绪论。介绍论文研究的背景以及城际交通在城市群发展中的作用， 界定本论文研究的范围并介绍技术路线。 第二章，城市群一体化城际公交网络设计问题描述。给出城市群一体化城际 公交的简单定义，介绍城际公交客运出行需求特性和城际客流特性，进一步提出 城际公交网络的基本形态以及城际公交网络设计的基本流程。 第三章，公交客流分配方法。介绍了常用的公交客流分配方法。传统的公交 客流分配方法常常不考虑公交线路的拥挤，然而实际情况中，由于公交线路的运 力有限、站点停车容量有限等因素，会出现公交留站客流。本章介绍了容量限制 下基于频率的公交客流分配方法，该方法能较好地避免传统分配方法的不足，使 公交客流分配结果与实际情况更接近。 第四章，城市群一体化城际公交网络设计的双层规划模型。本章在现有公交 网络设计的理论与方法基础上，根据城市群一体化城际公交需求特征，考虑一体 化城际公交服务属性的要求，构建了基于效率与公平的城市群一体化城际公交网 络设计的双层规划模型。 第五章，城市群一体化城际公交网络设计双层模型的求解。由于城市群城际 公交网络设计的复杂性，其求解是一个很困难的问题。根据现有的理论和方法， 本章设计了基于m a t l a b 工具箱的遗传算法求解步骤，并给出了一个算例来验证模 型求解方法的可行性。 1 3 4 技术路线 本论文广泛搜集了国内外公交网络设计相关的参考文献以及国内典型的城 际公交网络设计案例。针对我国的具体国情，借鉴国内外经验，结合我国城市群 经济一体化发展趋势，立足经济一体化大背景，充分考虑城市群一体化城际公交 服务属性的要求，提出适合我国城市群的城际交通一体化公交模式。 本论文的技术路线框图如图1 1 所示。 图1 1 技术路线框图 9 第二章城市群一体化城际公交网络设计问题描述 目前城市群一体化是我国城市高速发展的趋势，城市群内部城际之间的交流 会日益加强。发达的、快捷的城际公交网络必将促进城市群内部城市之间的交流， 从而带动城市群经济的发展，发挥城市群的优势。本章针对城市群一体化城际公 交给出一个简单定义，然后从分析城市群城际旅客出行需求特征及城市群城际公 交客流特性出发，提出城市群一体化城际公交网络的基本形态及一体化城际公交 网络设计的基本流程。 2 1 城市群一体化城际公交网络描述 2 1 1 城际公交网络的概念 城市群的各城市内部、城市之间和城市群对外的交通需求随着人流、物流在 城市群这一空间上分布的增长而迅速增加，除了要满足出行可达性和通道交通容 量适应性外，建立快速的城市群公路交通网络系统已成为必然的趋势，该公路交 通网络能提供较高的可达性，整体提升中心城市分散生长的能力以及城市群的整 合效应；防止城市群蛙跳式发展，事先考虑到工业发展的选址以及外围地带的农 工复合发展问题；推进城市群多核发展模式，体现多中心、多轴与多组团的发展 模式。具体来说，城市群公路交通网络包括三个层次【3 7 】：城市群的市域公路交通 网络、城市群城际公路交通网络和城市群整体对外交通网络。 城市群中各城市之间发生的公路交通联系构成了城际公路交通网络，包括普 通公路网和高等级公路网。城际公路交通网络承担着中心城市向周边相邻城市传 递经济、交通辐射的功能。 城市群一体化城际公交网络就是建立在城市群城际公路交通网络基础上的 快速、便捷、经济的公共交通网络。一体化城际公交能够深入到城市群单个城市 内部，在各个城市中的商业、文化教育、体育、休闲等中心实现方便而快速的联 系。与一般城市公交不同的是，现有的城市公交只在城市内部出行，而城际公交 能够深入到单个城市的内部；两者的共性则表现为都具有公益性，享受一定的政 府补贴和优惠政策。 2 1 2 城际公交网络的构成 一般来说，城市群一体化城际公交网络也同城市公交网络一样，可以看成由 一系列节点、路段和线路组成。 节点( n o d e ) ：表示在一体化城际公交网络中可以上、下乘客和换乘的点。 路段( l i n k ) ：表示城际公交网络设计中一对节点之间的一种公交方式。 公交线路( t r a n s i tr o u t e ) ：是指一系列连续节点的集合，两个连续的节点对 之间必须有一种公交方式连接起来。 g = ( ，舢为一体化城际公交网络，为城际公交网络中节点的集合，a 为公 交网络中路段a 的集合，q 为所有可行路径流量的集合，为网络中o d 对的集 合，j 为起点站的集合，- ，为终点站的集合，f 为一个起点站，f ，j 为一个终 点站，j j 。k 。为公交网络中从起节点f 到终节点j f 之间的路径的集合，吼为高 峰期从起节点f 到终节点j f 之间的交通需求量。艺为路段a 上的流量，乞为路段a 上 的走行时间( 或费用，又称之为阻抗函数) ( a a ) ；硭为o d 对i j 之间的第k 条 路径上的流量，c ：为o d 对i j 之间的第k 条路径上的出行费用( k 墨，) ，z 为 城际公交线z 的频率，t 为通过路段a 的公交线z 的实际能力，磋为如果路段a 在 从起点i 到终点j 之间的路径k 上，则其值为1 ，否则为0 。“为网络平衡时o d 对f j f 之间的最小路径阻抗，f 。( x ) 为路段a 的阻抗函数。 2 2 城市群城际旅客出行需求特征 城市群作为一个发展水平较高的经济综合体，客运交通需求高，城际间的旅 客出行呈现出一些十分明显的特征。 2 2 1 乘客出行密度高、规律性强 城市群作为一个发展水平较高的地域经济综合体，客运交通需求较高，城市 问的交通联系造成城市间人员流动呈周期性、高频率的特点。由于对城市群的整 体规划，不同产业在城市群的广阔地域上的重新分布，传统城市内部通勤交通流 出现重新分布，相当部分转移到城市群地域上，使城市间乘客出行需求出现空前 集中的现象。通勤交通不仅数量大，而且时间和地段相对非常集中，容易对交通 系统造成较大的压力。1 9 9 0 年，日本东京都半径4 0 k m 圈内每天到市中心的通勤 人数已经从1 9 6 5 年的1 3 9 4 万人增加到3 6 1 万人，2 5 年增加1 6 倍f 3 引。由于城市 群一般都是经济发达地区，人员流动比其他地区强。另外，经商流、旅游流与通 勤流的结合形成了城市群内部巨大的客运需求量。可见，为适应城市群乘客出行 需求这一特点，在城市群中重要干道上建立快速、方便、经济的城市群城际公交 网络是很有必要的。 2 2 2 城际交通的“通道化 对于城际交通来说，应在经济区内城际交通实现网络化的基础上，在各经济 区的中心城市之间构筑城际客运交通走廊，实现各经济区之间城际交通的“通道 化 。城际交通的“通道化 是指在跨经济区的中心城市之间构筑由多种交通方 1 2 式所组成的旅客快速运输途径，通道化的节点为各经济区内的任一中心城市。通 道化的运输模式主要为点对点的城市对模式，在各自经济区的中心城市之间建立 通道化交通模式的同时，通过经济区内网络化的交通模式实现中心城市与其他城 市的交通联系。 2 2 3 城市群接合部沿线居民出行需求不断增长 城市群内城市之间日益密切的联系必然会对它们结合部的郊区农村溢出物 质和能量，从而为这些地区的发展带来机遇进而带动整个区域经济增长。因此， 城市群结合部沿线地带将会出现大量新的长距离、高频率的出行需求，同时乘客 对出行速度、出行便捷、出行服务时间的要求也在提高。这就需要扩大城间客运 交通系统服务范围和能力，开辟一条以服务接合部沿线居民出行为主的城际公交 线路，方便沿线居民出行，为城市化进程的加快、实现接合部经济腾飞打下坚实 的物质基础。 2 3 城市群城际公交客流特性分析 2 3 1 客流结构特性 城际公交客流结构即城际公交客流的构成，是指城际公交旅客中按不同类别 划分的客流量占总客流量的比例，它反映客流的形成及变动。以长株潭城市群城 际公交客流结构为例，长株潭城际公交出行的旅客中，农民、个体劳动者和自由 职业者的出行比例较大，其出行比例明显高于城内出行。这说明目前长株潭城市 群城际出行主要以务工、经商为主。这符合长株潭城市群还处于城市群发展初级 阶段的基本特征。从调查对象的收入状况看，城际出行的旅客收入主要集中在 1 0 0 0 元月以下和3 5 0 0 4 5 0 0 元月两个阶层【3 9 1 。这与城际出行的旅客大多为农民 和个体劳动者有关。 从调查结果看，时间和费用仍是大多数城际出行者出行首要考虑的两个因 素。由于城际出行距离较长，人们对出行的安全性和舒适性要求都较高。随着城 市群区域一体化发展的加快，人们对城际出行的便捷性和快捷度也会有更高的要 求。 2 3 2 客流分布的不均匀性 居民出行的时间分布反映了城市居民生活节奏、交通需求在时间上的分布情 况以及道路繁忙的频率，是分析、解决高峰小时交通问题的重要参考依据。根据 乘客出行调查，与城内出行相比，城市群内城际日出行两个出行高峰之间时段的 出行量变化不大，且峰值不突出。全天中城内出行与城际出行相互转换，早高峰 城际出行与城内出行相比具有一定的时滞性，相应地域内出行晚高峰较城际出行 有延迟性。以长株潭城市群为例，居民城际出行发生量主要产生在0 5 ：0 0 2 1 ：0 0 ， 出行量的早晚高峰分别发生在0 9 ：0 0 1 0 ：0 0 和1 6 ：0 0 1 7 ：0 0 t ”】。而一年内城市群城 际出行的高峰期则有规律地根据节假日呈季节性分布。但是，随着城市群的发展 与城市之间的相互融合，以及快速、大容量公交体系的建立，交通出行的时间分 布差异将会逐渐减小。 2 4 城市群城际公交的基本形态 在我国现有的体制下，城市客运被人为地划分为城市公交运输与公路客运两 部分，前者不能出城，后者不能进城，城际间的出行主要由公路客运承担。为了 减轻城市交通的压力，很多公路客运站被设在城市外围，城际间旅客出行往往要 经过多次换乘才能最终完成。在城市群一体化过程中，城市之间的联系日趋紧密， 乘客迫切需要在各个城市中的商业、文化教育、体育、休闲等中心实现方便而快 速的联系。在城市内部设立有限首末站的呼声越来越高，城市内也需要设置有限 停靠站满足客流集散地的乘车需求。 城市群单个城市之间存在多个城镇，城市群内城市之间联系的日益密切必然 会对它们接合部的地区溢出物质和能量，从而为这些地区带来发展机遇，城市接 合部沿线地带将会出现大量新的长距离、高频率的出行需求。因此，城际公交必 须在沿线做有限停靠。 综上所述，一体化城际公交网络的基本形态可以表示为图2 1 所示。 图2 1 城市群城际公交网络示意图 1 4 2 5 一体化城际公交网络设计流程 2 5 1 公交线网优化的基本原则 公交线网优化须遵循一些基本原则，归纳如下【3 3 l ： ( 1 ) 适当考虑历史和现状：对已有的合理公交路线要尽量保留，并适当考虑 线路原行经区域的连通性和乘客的乘车习惯。 ( 2 ) 保证公交线网结构和城市发展形态的协调：公交线网布设要结合土地开 发利用性质、强度、发展模式，公交线网规划要能推动城市规划的顺利实施，另 一方面要在满足居民基本公交出行需求的同时，充分考虑线网方案对城市土地利 用产生的反作用，引导城市发展。 ( 3 ) 尽量沿主要客流方向布设线路：优先考虑大流量的直达客流，降低线网 的平均换乘次数。优