孙蕊　张冬有

摘要：地理信息系统（GIS）应用于城市公共交通系统，极大地提高了人们的生活工作效率，简化了城市公交系统的管理。利用GIS手段的缓冲区分析、叠加分析等方法，可以将发展完全的复杂城市公交网络的单一公交线路进行局部优化;也可以对未发展完全的简单城市公交网络进行整体规划和优化。再利用方位编码，将公交线路的编码同其所行驶的路线进行一定程度的关联。公交线路是不同路线公交的特定代码，其作用的最佳体现是对公交行驶路线的大致脉络显示。建立新的公交线路编码方式，并对公交行驶路线和公交网络进行优化。结果表明，GIS在城市公交系统上的应用，公交编码方式的意义化使人们在乘坐公交时进行简单地决策选择，方便相关机构进行公交管理，一定程度上减少了乘坐公交时的选择错误率，间接地提高了公交的性能效率。公交线路和公交网络的调整优化能够提高公交系统的运作效率和经济效益。

关键词：地理信息系统（GIS）;公交线路优化;公交网络优化;公交编码方式

中图分类号：U491.1+7         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）18-0141-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.034           開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Bus line doning and driving route optimization in Harbin based on GIS

SUN Rui，ZHANG Dong-you

（Heilongjiang Province Key Laboratory of Geographical Environment Monitoring and Spatial Information Service in Cold Regions，

Harbin Normal University，Harbin 150025，China）

Abstract： The application of geographic information system （GIS） in urban public traffic systems，greatly improves peoples life efficiency，simplify the management of urban public transport system. Using GIS methods such as buffer analysis and overlay analysis， local optimization of a single bus line for a complete complex urban bus network. It can also be used for overall planning and optimization of a simple urban bus network that has not been fully developed. Using Azimuth coding to relate the code of bus code with the general running routes. The bus number are the specific codes of bus in different routes， its perfect function is to display the general framework of the bus route. Setting up a new method of encoding and optimizing the bus routes，the result showed that the application of GIS in urban public traffic systems， The significance of public transport coding mode is convenient for people to make simple choices when taking public transportation，handy some institution to manage the public transport，reduces the error rate to a certain extent when people choose the bus， and improves the overall bus efficiency. The adjustment and optimization of bus route and bus network can increase the operation efficiency of public transportation system and promote economic efficiency.

Key words： geographic information system （GIS）; route optimization; network analysis; coding optimization

随着城市的发展，公交系统逐步形成与完善，同时城市发展的阶段性与地域性，使得公交在发展过程中，过度重视城市的可流通情况而忽略了其性能的优良程度。目前，城市公交系统大多没有系统化的管理方式。公交网络的杂乱及线路编码的低利用率使得缺乏整体性规划的公交系统，非但不能提高人们的出行效率，某种程度上反而对城市的交通运输和居民出行造成一定的不利的影响。

20世纪80年代起，国内开始研究公交网线的优化，邹志云等[1]、吴稼豪等[2]、夏伟民等[3]相对全面地论述了有关于城市公交网络优化问题的模型及方法;刘清[4]在公交管理系统中提出了基于AI的廣义A*算法;张国伍等[5]通过提取公交网线的特性，利用扩展福劳德算法，提出多条公交线的最短路径算法;王志栋[6]提出以最短出行时间、最高客流直达率、最大网线覆盖率、最低线路重复系数等，多目标、多约束条件的模型计算方法。通过公交线网规划建立数学模型，在一定约束条件下，确定该公交网线的线路组成形式，使目标函数结果为最优。而国外关于公交线网络优化的思路是依据相关理论，合理地将居民区分配到公交网络中，形成优化流分布，设定优化条件，生成最佳路线。例如，Kikuchi等[7]提出利用模糊逻辑来设计公交网络;Fitzpatrick等[8]利用乘客反馈，站点现状及公交企业布设站点经验的总结，设计了相应的计算机辅助公交站点设计软件，指导公交站点布局和优化设计;Pattnaik等[9]运用遗传算法设计公交线网，以公交乘客出行费用和运营费用总和最小为目标，生成线路合集，再通过遗传算法对路线合集进行优选。Sullivan等[10]利用桌面地理信息系统（GIS）对等时线地图进行可行性分析，是一种选择公交最佳路径的分析方法。

通过对公交线路的重新编码，简略显示公交行驶的首末站、途经站等信息，方便人们在出行过程中快速准确地选择出行方案，通过对已有站点和道路网的分析，在最大限度减小城市公交线网的复杂程度的前提下，建立大客流量场所之间的便捷联系网，合理安排公交车次，方便城市内部人口运输。建立合理便利的公交网线，在直接方便居民出行的同时，间接减少私家车数量、改善城市环境。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

哈尔滨市是典型的行政区划由旧城区向城市边缘扩建的发展方式，内部的道路线路非常复杂，巷道多，交错纵横，走向没有按照正方位方向，致使公交行驶路线的极为杂乱，缺乏系统性、科学性。市区边缘地区，乘客出行可供选择的公交线路单一，没有很好地利用居民出行主要流动场所的统计数据，绝大多数乘客不能利用公交直达高客流量场所。老市区内部，公交线路分配不够合理，不同服务场所的公交线路数量差距大，不同公交所搭载乘客数量差距大，公交的利用率低。市区边缘与市中心没有形成良好的连通性，总体换乘指数过高。公交线路编码随意，不方便进行统一调配管理，同时，对外乡游客来说，选择旅游出行路线也是一大难题。

1.2  数据收集

对公交GIS数据库的建立需要大量收集相关信息，例如公交场站区位信息、已有公交线路信息、线路客流量、人口分布和道路网布局情况等。

数据信息管理是地理信息系统的重要组成部分，数据可以按照类别进行分层存储，方便对已有数据进行合理、高效的统计和检索。所存储的数据集合就是数据库，其具有数据量大、能同时存储要素的属性数据和空间数据的特点。

1.3  理论与方法

城市公共交通系统分为公共交通运输的工具和设施、公共交通的规划与运营管理两个组成部分，其中公交线网规划与站点选址是其运营管理的最重要部分。

公交站点的选择直接关系到城市人口在高流动场所之间的转移效率，进一步影响城市生活质量。公交站点的选择遵循的一般原则有：一等邻近居民区、超市、医院、商场;二等邻近写字楼集中区、公园等;避免流动车辆多的信号灯道口位置，停靠在人行道边;多个公交在同一道路上所设的站点应该相隔一定距离;同一线路公交的来去两个方向在同一道路的站点设置应该在保持一定距离的同时，尽量相互呼应。

公交行驶路线的确定则是整个城市公交运输的骨骼系统，就是城市人口流动网络，各个人口集中区之间的联络网线。在确定整个城市的站点需求情况之后，通过站点之间的连线确定某线路公交的行驶路线。公交路线的规划关系到城市生活的便利程度和吃穿住行的联系程度，也是公交路线优化的主要部分所在：①沿主要客流方向开线;②大流量直达客流优先;③线路平均客流应不低于开线标准;④尽量提高满载率;⑤线路的长度既要符合规定又要尽可能选取最短布设方式;⑥客流量尽可能均衡。

2  公交路线的优化

2.1  单一公交线路站点优化

对公交行驶路线一定范围内的城市地图进行矢量化显示（以116线为例），见图1。结合当前公交行驶线路周边场所的分布情况，对各场所的服务价值进行评价并赋值，通过所赋值进行缓冲区分析，作为其服务能力的量化体现——服务范围。对于应该避开的交通信号灯等车流量大的路口的服务价值赋负值。

首先通过道路周边场所的缓冲区分析得到其服务范围的大小，然后对除交通信号灯的其他场所缓冲区进行叠置分析，其次去除交通信号灯影响范围，最后导入原有公交站点位置信息，根据已有站点所在位置与附近各场所服务范围覆盖情况，对已有站点进行重要性价值分析。已有站点重要性情况如图2示，所得值为负的站点处于车流量大的交通灯路口影响范围，其危险性远高于价值性，建议取消此站点;重要性值相对较小的站点可以适当的分段合并，以减少公交停靠次数缩短行驶时间;重要性值较高的站点是人流量大的场所聚集地，应该保留该站点。

2.2  城市公交网络道路分级方法调整

对哈尔滨市区主要道路地图（图3）进行矢量化显示，对网状的道路周边场所进行显示，结合各场所的人口流动情况的统计数据对其服务能力进行计算，利用缓冲区分析方法将各场所的服务能力直观化显示为服务范围，同时避开交通信号灯等车流量大的路口，得到不同价值等级的道路，包括参数值大的重要道路（所有公交必须停靠）和参数值小的普通道路（少量公交停靠）。

结合道路周边场所的缓冲区分析得到的服务范围的大小，对除交通信号灯的其他场所缓冲区进行叠置分析，去除交通信号灯影响范围，提取必需站点道路位置，通过对道路的服务价值体现，对城市整体公交网络进行整体规划。图4显示两个级别道路，加粗道路为服务价值高的必停线路，其余为服务价值较低选择性停靠线路，对公交网络的整体规划和局部优化提供决策支持。

2.3  公交線路编码优化

公交线路编码优化就是公交车次的命名意义化。把公交车次与公交行驶线路进行一定程度的关联，有利于乘客在选乘时粗略定位适合的公交车次，有利于相关部门对城市公交系统系统化地管理。第一位为始发站所在区编码，最后位为终点所在区编码（同区可省略最后位）。利用道路线分布情况将哈尔滨市进行大致的分区，并对区域编码（图5）。加粗箭头道路是某路公交所行驶的线路，起点在1区，终点在2区，则该公交线路的编码应为1X2。

中间位编码既要保证代码与路线的联系，又要尽量减少编码位数：第一种方法是利用方位编码方式。对公交行驶方向进行表示，进行中间位编码，将8个方位向进行编码，按公交大致走向选取与方向相差角最小的方向代码做中间位。图5中所示起点至终点连线所代表公交线路大致行驶方向与2—6方向线相近，再由起始终止方向可知，采用2方向编码，则该公交线路编码应为122;第二种方法是对公交行驶线路的重要参数值进行表示，将参数值进行等级分类后编码，做中间位编码。

非直线系数：β=l实际/l直线    （1）

式（1）中，β为非直线系数;l实际为公交线路实际长度（km）;l直线为首末站间的空间直线距离（km）。

非直线系数能够体现公交行驶路线的弯曲程度，以其作为中间位的体现，能够直观地表示出该公交路线起点站和终点站的运输效率、绕行程度。对不同公交线路进行非线性系数计算，得到的值按段分为0～9个等级（0为非直线系数最高，9为非直线系数最低），中间位则表示为这参数的等级数。

如果想在公交线路编码中体现更多的属性，则可适当增加公交线路编码位数来表示不同的参数特征。

3  结论

在公交网络整体优化调整的过程中，地理信息系统在全局上的规划和局部的微调都起到了巨大的作用。通过合理设计公交路线，提高公交运输效率。对公交网络的整体规划，使不同时段不同公交线路所承受的运输压力得到均衡，减小事故发生概率、改善环境污染，为居民提供快速方便、安全高效、准时的交通环境，方便城市内部人口运输。公交车次编码方式的改进，方便城市公交系统的管理，加强了数字城市与公交系统的交互。

对于一个已建成的并具有相当规模公交网络的哈尔滨市区来说，进行全区的整体公交网络优化，大规模的网线变更使得居民需要一个较长的熟悉与适应过程，反而给居民出行带来很大的不便，所以进行局部公交路线的站点调整比较合理。最佳调整原则是利用整体规划公交网络的方法对道路进行价值分级，利用其结果对局部线路调整提供决策支持，或对新建城区进行公交系统规划。调整中应尽量保持现有的合理线路，继续部分不合理公交路线利用单一公交线路的站点优化方案，根据局部线路站点评价结果，进行站点的增删与位置调整，适当加长、缩短或局部改线处理。

城市公交系统是一个非常复杂的大系统，道路线网情况十分复杂，对于不同特征的公交行驶线路的优化需要采取不同的优化方案。对于多种公交网络性能指标，不同指标有不同的适用路况：线路长度和公交站点间距适合对公交进行经停站点间进行分段优化;线路网密度适合高人口流动的市区内（旧城区）公交路线优化;非直线系数适合路况复杂，多弯路的公交路线优化;公交站点覆盖率可以应用于公交站点数目的优化;网络连通度是应用于某区域公交线网整体优化的性能指标。在进行优化方案设计和实施时，应该凭借丰富的经验，运用多种工具，结合地理信息，应用多种公交网络性能指标的结合反演优化线路，使公交网络更加合情合理。

哈尔滨市公交网络以上述方式进行优化后，对老城区居民区附近的站点进行整合，公交站点在合理前提下相对减少，新站点多分布在居民聚集区中心位置，以不同聚集区人口的多少确定站点数量。新开发区通往旧城区的公交数目有所增加，周边村镇的经停站点的设置增多。公交网线整体变化情况为高密度区密度降低，稀疏区密度有所提高。经过优化和完善的哈尔滨市公交系统，可提高哈尔滨公交系统服务水平，为哈尔滨市的发展提供基本物质条件。

参考文献：

[1] 邹志云，李  硕.公交综合发展水平评价的灰色聚类分析方法[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2000，24（1）：38-41.

[2] 吴稼豪，李  硕，卢丙成.城市公共交通车线网络设计的一种优化方法[J].上海理工大学学报，1983（4）：29-41

[3] 夏伟民，黄  斌，陈绍仲.城市公交线路的规划设计[A].中国城市交通规划学术讨论会[C].成都：中国建筑学会，1986.

[4] 刘  清.实现城市公交线网优化的数学模型和广义A*算法[J].系统工程理论与实践，1992，12（2）：11-17.

[5] 张国伍，钱大琳.公共交通线路网多条最短路径算法[J].系统工程理论与实践，1992，12（4）：22-26.

[6] 王志栋.公交线网优化模型的建立[J].大连交通大学学报，1997（4）：33-36.

[7] KIKUCHI R F，ALLSOP R E. University of London center for transport studies report for 1996，part 2[J].Traffic engineering & control，1997，38（1）：20-25.

[8] FITZPATRICK K，HALL K，PERKINSON D，et al. Location and design of bus stops[J].Ite journal，1997，67（5）：36-41.

[9] PATTNAIK S B，MOHAN S，TOM V M. Urban bus transit route network design using genetic algorithm[J].Journal of transportation engineering，1998，124（4）：368-375.

[10] SULLIVAN D O，ALASTAIR M，JOHN S. Using desktop gis for the investigation of accessibility by public transport：An isochrone approach[J].International journal of geographical information science，2000，14（1）：85-104.