基于连续体近似法的特大城市公交系统规划研究

分类：论文范文 发表时间：2021-11-26 11:17

　　摘要：公交普线规划因服务对象时间、空间的分散性，是大城市公交系统中最难规划的部分。本文分析了大规模多中心城市地区公交网络分层级功能及规划次序，重点针对普线网提出基于运营商和用户广义成本最低的连续体近似法模型搭建方法。通过确定区域网络的普线总服务距离，总停靠站数，以及发车间隔等决策变量的最佳值，使公交运营企业和乘客在单位时间内的广义预期成本最小化。利用本文提出的方法，对北京市进行区域划分，重新优化普线网，并基于北京市路网和兴趣点分布，校核规划的理想网络，得到能够实施的设计网络。相比现状网络，优化后的方案在成本控制和乘客出行体验方面都得到明显提升，分别减少企业运营成本5%，减少乘客出行时间21%，达到了降本增效的目标。

　　关键词:城市交通；公交系统规划；连续体近似法；广义成本；网格布局

　　0引言

　　从经济学的视角看，公交网络规划的目标是以最小的用户和运营商广义成本满足出行需求。很多学者利用数学规划模型和数值解方法进行了大量研究，这些模型被用于解决特定地形条件下的公交网络类型和多种类型服务的整合，以及不同规模公交系统的车辆和司机调度等问题[1]。利用数学规划模型进行网络设计的方法，需要输入大量的原始数据，在非常大的尺度上准备这种数据（例如，人口分布等）往往需要通过空间和时间上的聚合，换取可操作性，但会影响数据的质量。反之，解决方案又严重依赖于复杂的启发式方法，这些方法需要大量的计算成本[2]。由于这些计算负担，在中等规模以上的城市案例中，即使使用最先进的离散模型公式和商业求解软件，也无法成功获得精确最优设计。而且，在有限的数值实验范围内，计算负担限制了可以现实考虑的“假设”方案和多情景设计方案。目前，还没有城市根据纯粹的离散网络优化模型设计公交网络。

　　1线网层级及功能分析

　　大城市公交系统服务的出行距离范围较广，从1~40km长短不等，这些不同距离的行程应该得到不同的公交服务。长途旅行最好采用站间距长的服务，虽然是更长的两端到站距离，但也能使长途旅行乘客避免经历无数次的车站停靠；短途旅行最好采用站间距离短的服务。因此，需要提供一个服务于不同站间距离的分层级公交系统。

　　对于大城市而言，3个子系统应该是足够的，再多的子系统会带来边际效益递减。因此，按长度对旅行进行分类：长距离（10～30km）、中距离（3～10km）和短距离（1～3km）。

　　长距离出行主要是通勤出行，集中在高峰时段，规划中应考虑在尽量少的停靠和换乘的情况下提供服务。在特大城市，通勤出行的数量特别多、时间特别长，地铁往往无法舒适地服务于所有的乘客。为此，应该使用公交车作为地铁的补充，增加额外的运力。例如，可以在平行于拥挤的地铁线路上部署具有长站间距的公交快线，并与地铁实现无缝连接，或部署在完全没有地铁服务的走廊上。

　　2基于运营商和用户广义成本最低的连续体近似法模型搭建

　　考虑一个长方形城市，其街道网格非常密集，如果需要的话，其中任何一条街道都可以用于布设公交线路。假设城市中已经铺设了服务于长距离出行的公交快线，需要设计一个为中距离出行服务的公交普线系统。

　　假设任意i区的面积为Ri，从i区到j区的出行需求（包括j=i时的区域内出行）近似地用平均出行生成率为?ij（??12hm?人）描述，平均出行距离为ijl。由于大多数长距离出行会使用地铁或公交快线，本文重点关注区域内的出行，或者只跨越两个相邻区域的出行。区域网络上的所有公交车都是相同的，每辆公交车在当时交通状况下的巡航速度为??1vkmh?；每站因上车/下车、车门操作、减速和加速而损失的停留时间为??s（h）。

　　3北京的案例分析

　　要为大城市制定全市性的计划，需要将城市划分为规模可控的区域，提供每个区域的需求目标，并为每个区域设计符合这些目标的公交系统。

　　3.1分区方法

　　在分区之前，需要明确分区原则：（1）为尽量避免长线运营带来的大间隔或串车问题，每个区域的面积宜控制在50～100km2；（2）每个区的形状尽量为长方形，边界尽量为道路，以便于形成形态规整的内部线网；（3）各区尽量以区内出行为主，区与区之间的出行为辅；（4）每个区的人口分布尽量比较统一。

　　关于实操层面的分区方法，有学者做过相关研究，并开发了针对特大城市分区的系统性方法，但整体系统成本和服务水平对分区结果并不十分敏感，因此，在实践中，合理的分区可以结合分区原则进行人为划分[10]。

　　本案例主要采用人工分区方法，基于中心城6个行政区（标定为1～6）以及实际人口分布情况，划分了12个区域，基本满足分区原则，北京中心城区公交服务区域划分如图1所示。北京中心城区的区位特征如表1所示。基于北京市域宏观模型测算的不同区域之间和区域内部的出行距离如表2所示。其中，3e代表3区东部，3w代表3区西部，4nw代表4区西北部，4ne代表4区东北部，4se代表4区东南部，4sw代表4区西南部，5e代表5区东部，5m代表5区中部，5w代表5区西部。

　　3.2分区规划目标设定

　　完成分区后，应该为每个地区设定一个规划的需求目标。本文强调，不应该是对当前需求或预测需求的估计，而是对未来的一个愿景。当前的需求是当前服务的反映，而当前的服务在城市某些地方可能很差或根本不存在。

　　在北京的案例研究中，设定中心城区每天公交出行目标为1400万人次，比目前的公交需求（包括使用公交快线的公交需求）高出约50%。然后，将这一目标按比例分配到每天运营的17.5h内（5:30-23:00，平均每小时约80万人次，按照目前高峰小时系数，规划高峰小时将达到152万人次），再根据人口分配到各个分区。最后，将产生的公交出行次数换算成每小时客运量，高峰小时公交出行次数如表3所示。

　　4结论

　　本文得到的主要结论如下：

　　（1）特大城市公交线网，按照服务距离分为公交快线、普线和微循环线路，且依次规划是比较合理可行的。普线网由于其服务的出行在时间和空间上更为广泛，是公交线网层级中最难规划的一个层次，也是本文论述的重点。

　　（2）普线规划可以通过用户和运营商成本的连续体近似法系统地确定。通过北京的案例，证明这种方法简单、有效。新的公交网络在相近的运行速度下通过更高频的服务、更直接的出行，提供了更好的乘客体验，体现在出行时间减少和可达性得到提升，同时，在运营车队规模和线路距离上实现了显著节省。

　　（3）基于本文方法设计得到的公交线网，在小区域内基本上遵循网格状的布局思路，尽量减少不同线路共线的问题，集中车辆资源在更少的公交线路上以提供高频、高可靠性服务。但由于路网条件所限，在局部区域仍有共线现象存在。此外，由于本文只涉及到普线网规划，如果在设计的普线网基础上增加干线和微循环线路，不同层级线路共通道的情况将普遍存在，但这是合理的，可以保证不同出行距离的乘客有不同的线路选择。

　　（4）基于分区的方法比较适用于中距离出行的普线规划。为避免不同区域交接处由于分区误差可能带来的服务水平的显著差异，交接处的公交线路尽量重叠一段，避免单点交接，但仍无法避免不同分区方法导致的同一地区服务水平的差异，例如，换乘的增加。即系统优化不能保证每个个体的出行都得到优化。

　　参考文献

　　[1]FANW,MACHEMEHLRB.Optimaltransitroutenetworkdesignproblemwithvariabletransitdemand:geneticalgorithmapproach[J].JournalofTransportationEngineering,2006,132(1):40-51.

　　[2]BAGLOEESA,CEDERAA.Transit-networkdesignmethodologyforactual-sizeroadnetworks[J].TransportationResearchPartB,2011,45(10):1787-1804.

　　[3]DAGANZOCF.Structureofcompetitivetransitnetworks[J].TransportationResearchPartB,2010,44(4):434-446.

　　[4]ESTRADAM,ROCARIUM,BADIAH,etal.Designandimplementationofefficienttransitnetworks:procedure,casestudyandvaliditytest[J].TransportationResearchPartA,2011,45(9):935-950.

　　刘雪杰1,2，荣朝和*1，欧阳彦峰3，卡洛斯·F·达冈佐4，朱家正2，马腾腾2

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