陈深进

（广州南方学院电气与计算机工程学院 广州 510970）

1 引言

智能交通是城市基础性服务，掌握智能交通的客流分布对优化公共交通运输网络、提升公共资源利用有重要现实意义。陆百川等［1］提出了结合公交GPS数据，利用OD（Original Destination）反推分析客流分布，建立IC卡和径向基函数神经网络的短时公交客流预测模型。俞礼军等［2］具有高异质性出行需求的主支线公交树网络，提出了多目标非线性混合整数优化模型。柳伍生等［3］将公交线路计划排班表引入用户均衡模型中，分析两个小区间高峰时段客流分配结果，验证模型实用性和有效性。张思佳等［4］描述了接驳公交站点的路网乘客的出行行为，以客流OD、乘客总需求不变的情况下，将接驳公交站点对应的线路客流作为研究对象。俞礼军等［5］为了实现公交线网优化，在算法实现的过程中，需考虑相邻线路换乘、不同公交线路重复、复杂线网的问题。卢小林等［6］为解决最优的公交专用道选址与公交线网优化方案，利用下层模型方法进行客流分配。Rojas等［7］提出了面向区域网络的双目标模型，达到换乘成功率最大和车辆使用成本最低。文献［8］对公交线网进行研究，因智能公交是一项复杂的系统工程，将研究范围分为若干交通小区，计算小区测度指标值，评价总体均衡性。基于此，多数学者［9～13］采用Lorenz曲线构造与Gini系数求解方式，实现均衡性的量化评价，Griffin等［14］、Kaplan等［15］对网络密度与城市形态、居民收入等因素间的关联度分析。钟异莹等［16］研究了不同层面居住区位对公交出行行为的影响，构建涵盖居住区位与心理影响因素的多水平结构方程模型。

本文研究的创新点体现如下：利用公交线网、路网特殊性，采用最短距离方法实现所有可能产生的公交道路路径，也称为最短时间公交道路路径。本文通过构建离散选择模型，与改进布谷鸟算法的元启发式方法相结合，优化面向异质需求的公交线网和路网，实现一次性生成线网优化效果。

2 客流数据处理

2.1 公交客流采集

本文通过构建公交线网模型，利用公交刷卡数据和公交GPS数据，从公交刷卡数据中分析客流OD分布特点，预测公交客流OD变化趋势。此模型的输出，包括客流分布数据和客流GIS模拟数据，客流分布规律、变化趋势预测结果是整个线网评价和规划的主要数据来源。

假定智能交通AFC（Automatic Fare Collection System）系统采用IC卡刷卡和投币两种混合模式，仅以公交刷卡数据和刷卡比例作为客流输入数据存在数据偏差。系统借助客流检测仪抽样数据，修正公交刷卡数据，推算客流数据偏差，获取准确的客流输入数据。研究实现公交客流的分布分析和客流变化预测的模型，分析公交客流分布和客流变化预测，是公交线网分析评价和优化调整的主要依据。包括整体区域客流走向，交通区域客流变化，公交线路和站点的客流分布预测。

通过处理智能交通AFC系统中刷卡交易数据、GPS数据和客流数据，推算获得公交出行OD矩阵数据，根据OD矩阵数据的变化趋势预测目标年公交出行的OD矩阵，实现公交小区客流OD数据和客流变化趋势预测，推算班次、站点等中间信息。

2.2 公交OD矩阵推算

由于现有AFC系统运营管理信息和交易信息中，没有准确的刷卡站点的信息，因此为了计算站点的乘客信息，首先必须分析刷卡信息和车辆定位信息的关系，推算获得乘客刷卡的站点，推算各站点以及交通小区的乘客乘车出行信息。根据AFC系统交易表的刷卡时间信息，以及对应的公交车辆运营定位信息，如始发时间和方向等，确定公交车辆的车站停靠时间信息。

在公交出行OD过程中，利用推算方法对个人OD进行修正，获取全部公交出行OD矩阵，线路公交OD矩阵推算，定义上、下车乘客辅助参数，如式（1）、（2）。

其中，β、γ为上、下车辅助参数，ωjk为第k个站点下车人数，从第i个站点上车，第k个站点下车人数，如式（3）。

式（3）中，λjik为第k个站点下车人数。

3 公交客流分配

研究构建公交客流OD分配模型，将客流数据分配到公交线网、路网，通过GIS展示，实现公交线网优化、调整和评价分析。建立城市道路网拓扑模型，运用交通流分配模型，将公交OD量分配到路网上，采用公交客流分配算法，结合城市智能交通道路网络的实际情况，对该分配过程进行改进。公交客流分配采用交通阻抗函数与客流分配相结合的方法，获得各条公交线路上的客流分配，是公交线网优化、调整、评价的方法，将作为公交站点设置调整、公交调度优化的科学依据。

3.1 多路径概率分配方法

假定乘客从起点r到终点d，r到d之间有多条路径，对路径阻抗的估计可以看着分布在乘客群上的随机变量。

式（4）中，Vοd(i，j)为公交OD量，Pk(i，j)为第k条公交线路分配率，Pk为公交线路交通阻抗值，Rˉ为公交线路平均交通阻抗值，θ为分配参数，m为公交线路有效条数，Vk(i，j)为第k条公交线路分配量。

3.2 多路径容量限制分配方法

在公交线网模拟仿真中，对应的路径选择部分是在基本相同的已知条件下，生成车辆行驶路径及路径对应OD交通量。通过该分配方法分配OD交通量，将OD总表分解为k个OD分表，按路权最小分配OD交通量，采用道路阻抗函数修正路权，确定有效路径。在公交线网实际应用过程中，要考虑公交线网、路网的复杂性和大小，根据表1要求，选分配次数K与每次分配的公交出行OD量比例。

表1 分配次数与分配公交出行OD量比例

采用分配级数：

式（5）中，Cmax、Cmin为网络中路段的最大、最小通行能力。

4 公交线网优化

4.1 公交线网优化过程

公交线网优化主要包括整体与局部的线网优化，以及公交站点、公交线路、公交站场的优化与调整，以现有公交路网为基础、公交线网优化为目标，在公交线路网的基础生成分阶段过渡的公交线网。根据公交线路长度、公交首末站布局、公交大站布局、公交线路输送能力、公交线路限制、公交客流分布等相关数据，按公交线路客流分配的原则进行合理的公交路网、线网统一规划。需分析线路效率、确定备选线路、起止点确定方法、布设优化线路。

公交线网优化调整的原则为尽量保留现有的线路合理部分及特殊情况需要保留的线路，分析线路运送客流的质量，根据客流的分布以及约束条件进行线网的布设调整，调整的线网满足用户的约束条件。

首先，选择优化参数，系统通过评价分析及约束条件控制进行线路的选择，包括根据指标进行的约束以及线路的特殊性进行合理线路集的约定。然后，确认合理线路集的，合理线路集部分为根据评价结果及约束条件确定的合线路集，不合理线路集为不满足约束条件的线路，确定合理线路结合。最后，根据线网优化模型进行线网的优化调整，系统会自动给出优化调整的线路集合，生成相应的线网，设计控制界面，根据判断手工调整线路的布设，用户根据公交线网规划需要，修改线路站点、增加站台、删除线路、修改线路及增加线路。

4.2 公交线网生成

分析线路几何分布及客流运送效率，结合综合评价标准指标进行打分。根据现有公交线路的评价结果，分析各线路调整对客流的影响，确定保留线路及局部调整线路，生成备选线路集。在对现运行版本的线网进行优化或对优化后生成的新线网再度进行优化后生成新版本的线网结构，并生成各实体之间的拓扑关系。线网生成的过程是利用线网优化的结果，对线网发生的变更进行记录，重新分析线网实体间的拓扑关系，为以后对新线网的分配、评价、再次优化奠定基础。对公交线路长度、非直线性、客流均衡性、发车频率及客流运送质量等方面进行优化调整。

本文采用基于元启发式的改进布谷鸟算法，该算法模拟布谷鸟寄生繁殖行为，模型中公交线路的服务效率为待求的解，等同于布谷鸟算法过程中的宿主鸟鸟窝。

5 公交线网评价

5.1 线网、路网评价

根据线路的布局状况，计算分析某些主要指标满足约束的情况，对网络几何指标质量进行评价。当行车时间比较固定时，线网密度增至4km/km2，线网密度的下限为

公交路网覆盖率为

由表4可以看出，对奖学金了解程度不同的大学生在求知兴趣、声誉获取、利他取向维度上得分都有显著差异，进一步分析发现，对奖学金较了解的大学生比不了解的大学生更享受获取知识的乐趣，更注重声誉获取和帮助他人。

式（8）中，Dm为第m区路网覆盖率，l Rm为第m区线路长度（km），l Am为第m区路网长度（km）。

公交线网密集度，如式（9）。

式（9）中，δ为公交线网密集度，δ较小，表示线网分布均匀。Dˉ为线网覆盖率平均值，z为公交线路交通小区总数。

5.2 客运能力评价

客运能力主要由全规划区不换乘比、道路断面公交客流量和公交站点公交车流量表示。

1）确定全规划区不换乘比

确定公交网络实际不换乘比，公交网络乘客不换乘比按式（10）计算：

式（11）中，xR、xmax为线网R上的换乘率和最大允许换乘率。

换乘率计算式如式（12）：

式（12）中，PR′为线网R上换乘的乘客数（人次），PR为线网R上出行总量（人次），换乘系数：

线网的换乘率增大，则直达率降低，直达率如式（13）。

式（13）中，为路线I的直达公交客运人次。

2）评价道路断面公交客流量

根据公交线路道路断面客流量评价，道路断面公交客流量评价分为A，B，C，D，E五个等级，定义道路断面公交负荷度为线路断面客流不均衡系数，道路断面最大载客容量，如式（14）。

式（14）中，M xν为最大载客容量（人次），Cf为单向线路数，T'j为发车间隔加权平均值（min），Mzl为高峰、平峰公交满载率，Pr(Cf)为重复线路影响折减系数。

Cx为不同车型的客容量。

根据断面公交客流量的大小和路段上的通行线路条数显示公交线网的路段客流量分布和公交线网的路段布线质量图，将质量划分为五个等级，等级的取值方法如表2所示。一般城市以B、C级为宜，不宜超过D级。

表2 道路断面公交客流量评价等级取值表

3）评价公交站点公交车流量

公交站点公交车流量评价分为A、B、C、D、E五个等级，定义公交站点负荷度为流经某公交站点的公交车流量与此站点的最大停车容量之比。采用停车负荷面，而不采用客流负荷，是考虑到站点的停靠公交车辆数是受限制的，评价更符合实际情况。同时，停车负荷值的大小能反映客流量的站点分布质量。

公交站点公交车流量评价等级如表3取值，根据规划要求，当处于C级时，应考虑设立同名站点，D、E级则不仅需要设较多的同名站点，表明此站点在公交线网规划中具有重要的现实意义。

表3 公交站点车流量评价等级取值表

公交站点车流量按式（15）计算：

式（15）中，PSV为公交站点公交车流量（辆/h），m为流经此站点的公交路线数（双向），Tj(i)为第i条公交线路的发车间隔（min）。

根据评价等级给定不同显示颜色和不同大小的圆代表不同的服务等级，图形显示较直观、清晰。根据站点乘客量的大小在公交线网上显示出各站点的乘客量分布情况，根据站点类型值确定不同的图形标志，显示站点的类型。

4）评价客流分布质量

公交线路断面客流不均衡系数小于1.20，表明此路的利用率高，运营效益显著；线路断面客流不均衡系数大于1.50，则表明此线路的利用率低，在公交线网具体实施时，采用相应措施提高线路利用率，如表4所示。

表4 断面客流不均衡系数评价取值表

5）评价指标输出

通过上述方法获得的指标是评价交通规划网络是否合理的依据，这些指标以表格方式输出指标。

6 结语

本文运用公交出行OD客流推算理论，实现公交OD矩阵推算。构建公交客流OD分配模型，将客流数据分配到公交线网及道路网，采用基于具有多路径容量限制的交通流量分配模型，结合交通路网的实际情况，对该分配过程进行改进，实现公交线网的分析评价和优化调整。研究公交线网评价体系，构建公交线网评价模型，评估公交线网技术难度，规划优化公交线网。通过实验测试表明，公交线网优化、调整，满足智能公交线网评价的要求，具有可行性，为公交线网优化、公交站点布局策略，提供更加全面的决策支持。

因公交线网规划一般采用优化布局思路，以最优化方法规划理想的公交线路网，研究公交路网优化如何过渡到公交线网模型生成，公交线路运营模式与公交线路的服务能力（公交场站设施能力、公交车辆拥有量、公交线网特性等）等方面的考虑明显不足，需在下一阶段进一步完善、改进。同时在影响公交客流OD量相关因素发生变化时，难以及时提供公交线路调整方案及准确的评价结果。