基于SuperMap的智能公交分析系统的设计与实现

吉祥，石快快，史守正

（苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009）

基于SuperMap的智能公交分析系统的设计与实现

吉祥，石快快，史守正*

（苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009）

采用苏州智能公交运营系统获取的公交运营数据，结合数据库技术、组件式GIS技术SuperMap Objects，以及层次分析法（AHP）、TCQSM模型等科学方法，利用C#语言开发出智能公交分析系统。系统能够运用合理的指标进行公交场站、线路及公交专用道分析，指出公交运营中存在的问题及需要改善的地方，最终给出整改措施。经过苏州公交数据实例验证，该系统指出的问题与公交实际运营中出现的问题相吻合，因而该系统可为公交发展提供决策支持。

公交；线网；场站；专用道；TCQSM模型

公交作为市民出行最主要的工具之一，在日常生活中扮演着重要的角色，智能交通系统（ITS）将成为今后交通发展的主要方向[1]。近年来，关于公交的研究不胜枚举，但这些研究[2-3]多停留在单个线路、场站或效益以及一些关于算法的创新等方面，各研究之间过于独立，没有宏观地把握地区公交各方面的整体状况，使得分析存在单一性。同时研究没有应用于实际生活，导致极大浪费并且无法验证其可靠性。现有研究在线网分析方面，虽然根据公交特性提出诸如客流不均衡系数、路段运营匹配度、平均运距等衡量指标，但是仅简单给出概念和求解方法。在线网评价方面，提出AHP模型[4]、灰色关联模型[5]、非线性模型[6]、模糊神经网络预测模型等评价模型，但这些模型适应于不同的线网环境，各自存在优缺点。在场站和专用道方面，虽然提出场站、专用道设置的分析指标[7]，如站距、车道数、人流量、车流量等，以及场站、专用道的设置样式，但未根据指标求解结果分析出具体路况下场站和专用道的设置样式。为此，笔者综合公交研究的各个方面、各种方法归纳并研制出关于智能公交的分析系统，系统综合以上研究成果，在线网分析方面深入研究线网指标的适用范围（单个或整体），结合分析结果给出公交线网改善措施，在场站和专用道方面，以已有场站、专用道设置的分析指标和设置样式作为参照，归纳总结出适应不同路况的场站和专用道设置样式，并运用最新的数据进行实地的求解与验证，具有一定的现实意义与应用价值。

1 系统设计

1.1 功能设计

在该阶段的设计中，系统分为线路智能生成、场站分析、线网分析、专用道规划四大模块（基本地图操作、图层管理、专题图操作作为GIS系统的基本功能没有单独作为模块），系统功能结构图如图1所示。

1.2 数据库设计

数据库设计主要包括栅格数据库设计、矢量数据库设计以及属性数据库设计三部分，调用Sql Server作为系统的外接数据库，并使用.udb数据格式来存储矢量及属性数据。

2 主要功能实现

2.1 线网分析

线网的质量决定了整个公交系统的服务水平。为此对线网的分析显得意义非凡。该模块主要分三个方面对线网进行分析。首先是线路分析（单个线路的水平分析）：依据每条线路的各项内容单独进行线路合理性分析，从线路评估指标入手，结合公交现状对过长线路提出拆分意见与方案；其次是道路上的线路分析：借助线路对道路的依赖性，以道路为对象，分析道路上的线路状况，对道路上线网布设的合理性，进行评估和统计分析，找出道路上的线网布设存在的问题并给出合理的规划建议；最后是整体线网分析（宏观分析）：整体分析各区线网状况，找出其存在的问题，并给出规划建议以解决问题，供公交部门参考。除此之外，该模块还给出市区线网的评价方法。

图1 系统功能结构图

2.1.1 线路分析每条线路都有各自的运营路线，保证各线路的运营水平与线路状况符合运营的需要才能创造最大的运营效益。

（1）分析指标介绍。①线路非直线系数：指公交线路的线路长度与该线路首末站之间的空间直线距离之比，反映公交线路的曲折程度，用于评价线路的绕行程度[6]。线路的非直线系数以小为佳，线路非直线系数偏大，降低了公交的服务水平和吸引力，不利于公交的长远发展。计算方法如下

其中：a为非直线系数；D为该线路首末站之间距离；L为该线路长度。

②运输效益：某线路日客运量与该线路长度和线路配车数乘积的比值，反映公交线路正常运营的日常效益，是衡量公交线路合理性的重要指标。即

其中：b为运输效益；m为日客运量；L为该线路长度；n为线路配车数。

③平均站距：指各相邻停靠站之间的平均距离，站距过大会降低公交对乘客吸引能力，站距过小会降低公交运营效率。其计算方法为

④线路长度：是一条线路从起点到终点的里程，与城市的规模、形态和平均乘距大小等因素有关。公交线路长度在各项运营指标中是一个基本要素，在一定程度上决定了线路的性质。

⑤客流断面不均衡系数：用于衡量客流量的变化，用于求解线路拆分功能中的拆分临界值，其求解公式为

其中：Vh为公交单向高峰小时最大断面客流，人次·h；L为公交线路长度，km；Pi为站间断面i的公交客流，人次·h；Li为站间断面i前后临近两站的间距，km[8]。

一般认为Ph为1.2～1.4。对于Ph超过1.5的线路应采用在最大断面加发区间车、快车等调度方法，以增加最大断面的运输能力，保持线路各个断面运力与运量的平衡[9]。

（2）分析指标求解。线路非直线系数求解需要获取线路长度与首末站之间的直线距离。运输效益求解需要获取日客运量、各线路车辆数和线路长度。客流断面不均衡系数求解需要获取客流量和站间距。这些数据可以利用属性表、数据库进行查询和简单计算得到。

（3）线路拆分。随着城市的扩张与城市交通的日益发达，许多城市的公交线网中产生了延伸至城市周边地区的超长公交线路，此类线路由于其长度的影响会导致许多问题，包括运营准点率下降、公交车辆难以达到均衡满载、公交驾驶人员劳动强度过大等问题，线路的经济效益和社会效益均会受到严重影响[8]，为此合理拆分超长的公交线路尤为必要。对一条超长公交线路进行合理地拆分需分为以下两个步骤[8]：

①确定拆分后线路的合理长度。（a）拆分判定：对于大于最大线路长度的公交线路需要进行拆分，确定城市公交最大线路长度Lmax的计算公式如下

其中：V为公共汽车的平均运营车速，km/h；Tmax为95%居民的单程最大出行时耗，h。

（b）拆分后的合理长度求解。首先，求解平均运距La，其公式如下

其中：R为客运周转量，人·km；a为公交线路客流量，人次·d-1，可通过刷卡量获得；Pi为站间断面i的公交客流，人次·h；Li为站间断面i前后临近两站的间距，km。

其次，求得线路理想长度L′，即为

其中：F为满载率，即实际乘客数与满载乘客数的比值；Ph为客流断面不均衡系数。

②确定拆分线路的分断点和保留的线路区间。需要依据不同线路的实际情况和城市发展要求进行合理设置，在此不再赘述。

2.1.2 道路上的线路分析

主干道往往承担着最大交通量，也是公交车频繁行驶的道路，因此，主干道上线路的合理性对线网服务水平有着非常重要的意义。道路上的线路分析选择市区主干道进行线路分析，主要从路段重复度、客流不均衡系数、路段运营匹配度三个指标进行分析。

（1）分析指标介绍。①路段重复度：某路段上设置的公交线路的条数。路段重复度较低则该路段公交服务水平不高，影响市民出行，而超过一般范围就会造成公交服务效率不高从而导致资源浪费。②客流不均衡系数：某路段的最大客流量与平均客流量的比值，即

其中：bn为某路段客流不均衡系数；Vk为线路第k个断面的客流量，人次；Vv为线路的平均断面客流量，人次；Lk为线路第k个断面的长度，km[10]。

③路段运营匹配度：道路网上某一路段上的所有公交线路提供的客位数总和与该路段上的客流需求的比值，反映了公交线网上的运力匹配情况，是进行公交车类型调整和公交调度等线网优化的重要依据之一，其公式为

其中：i为公交车辆类型总数；Ni为某一路段上行驶的第i种公交车辆类型；Qi为第i种类型公交车辆的载客数；Demand为该路段上的客流需求[11]。

（2）指标求解。路段重复度求解需要进行网络分析、建立缓冲区并查询缓冲区内的线路条数。客流断面不均衡系数可以根据查询出的道路断面客流量、平均客流量和断面长度求解。路段运营匹配度则需要查询路段上公交车的实际载客数，再利用公交车车型确定最大载客数求得。

2.1.3 整体线网分析

整体线网分析用于分析各区线网状况。对于线网的大面积分析主要从线网密度、线网覆盖率两个指标进行，可以快速有效地得到线网的状况。

（1）分析指标介绍。①线网密度：有公交线路的道路中心线总长度与公交服务区域面积之比[10]，即

其中：L0为公交线路的道路中心线总长度，km；F为公交服务区域面积，km2。

公交线网密度用来表示公交线网的规模及分布状况，反映乘客与线网的接近程度。通常线路的规划密度，在市中心应达到3～4 km/km2，在城市边缘地区应达到2～2.5 km/km2[10]。

②线网覆盖率：公交运营线路网长度（并非公交线路总长度）与道路网长度的比值[11]，即

其中：L0为公交线路的道路中心线总长度，km；L为道路总长度，km。

（2）线网评价。对城市公交路网性能的整体评价往往是衡量地区公交线路水平的重要依据，文中综合AHP[4]和灰色关联模型[5]给出线网评价方法。

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）是美国运筹学家、匹兹堡大学T.L.Saaty教授在20世纪70年代初期提出的，AHP是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法。它的特点是把复杂问题中的各种因素通过划分为相互联系的有序层次，使之条理化，利用数学方法计算反映每一层次元素的相对重要性次序的权值，并以其定性分析与定量分析相结合的方法处理各种决策因素。

灰色关联模型，通过计算公交线网综合关联度，给出定量的数值评定结果，利用综合关联度进行综合定量分析，将多指标的评价归结为单目标决策，来直观全面地衡量城市公交线网的状况[5]，从而为公交决策部门提供决策依据。

在线网评价方面，文中结合层次分析法的内容，由定性分析公交线网的状况转为线网指标的定量分析，并把指标分析划分为两个层次，分别是一级指标和二级指标，二级指标是对一级指标的细化，各指标的权重反应指标相对重要性。由于各指标之间存在关联且关联度各不相同，笔者利用灰色关联模型中的关联矩阵求解各指标之间的关联度和权重。

一级指标共有6个（网络能力、经济效益、环境影响、客运能力、服务水平、乘客满意度），一级指标的权重依据文献[5]中的5级权重法获取。二级指标是一级指标的层次划分，考虑到评价过程的客观性，依据文献[5]采用离差法来确定二级指标的权重。

2.2 专用道规划

公交专用道是指在城市特定道路路段上通过特定的交通标志、标线或其他隔离设施将其中一条或多条车道分隔出来，仅供公交车在全天或一天中某一时段使用，而其他社会车辆在该时段内禁止使用的车道[12]。

（1）根据公交专用道的设置标准[13]，分析道路是否需要设置专用道。

（2）专用道通行能力评估：建立信号控制通行能力模型、停靠站通行能力模型和多停靠位累积效率分析模型，最后得出TCQSM修正模型并求解通行能力修正系数，即得出专用道对通行能力的影响。涉及到的模型分别介绍如下：

①信号控制通行能力模型：信号控制对停靠站通行能力影响因公交停靠站地理位置而异，当公交站点设置在路段中间，其受信号控制的影响较小，此时绿信比取值为1；当公交站点设置于信号交叉口附近，其受影响较大，在模型计算中绿信比按正常取值[14]。

②停靠站通行能力模型：不同样式的公交停靠站对道路通行能力的影响各有差异，为了计算停靠站对通行能力的修正系数，停靠站的排队现象可以基于排队论中的M/M/C系统进行分析。

其中：y为研究站点的公交车辆到达率，veh/h；v为经过研究站点的公交线路总数；Pi为经过研究站点的第i条公交线路的发车频率，veh/h；u为研究站点对公交车辆的服务率，veh/h；Td为公交车辆的停留时间，s[14]。

③多停靠位累积效率分析模型：停靠站通行能力并不随着泊位数的改变而改变，停靠站的有效泊位数才是决定停靠站通行能力的关键[15]。根据数学分析，可以得到直线式和港湾式停靠站的单个停靠位利用效率，于是可以得出单停靠站多停靠位累积效率模型为

其中：NB为单停靠站多停靠位累积效率；NBn为第n个停靠位的利用效率；n为停靠位序号；m为研究站点的总停靠位数[14]。

④TCQSM修正模型：TCQSM模型，又名经验模型，即是由巴西著名交通工程师保罗·卡斯图迪奥（Pedro Szasz）在2004年提出公交单停靠站停靠位通行能力模型。由于该模型没有考虑信号控制对停靠位通行能力的影响，而且该模型本身是经验模型，在应用上具有相当的局限性。所以分析可能存在较大误差，单点停靠位通行能力修正模型为

其中：B1′为修正后的单一公交停靠位站点的通行能力；tg/C为绿信比；φ为公交车站对通行能力的修正系数；ti为车辆进站停车所用时间，s；to为车辆离开车站所用时间，s；tx为车辆进站后车门开闭的时间，一般取3～4 s；ty为乘客上、下车所需的平均时间，s；Z为车辆停靠失败率的标准差；cv为停留时间变化系数；Δt为车辆在停靠位上的延误时间[14]。

多停靠位站点通行能力模型为[14]

3 应用实例

3.1 数据说明

公交运营设备获取的数据存储于数据库中，数据表见表1。

表1 公交运营设备获取的数据表

地理数据以图层形式存储，逻辑预处理结果见表2。

表2 地理数据逻辑预处理结果

系统界面图如图2所示。

3.2 线网分析

3.2.1 线路分析

以27路线路分析为例，27路公交线路连接古城区与工业园区并且其线路大部分位于工业园区内，工业园区相对空旷，27路没有明显人流聚集路段且人流量远低于人流密集的古城区，但大于工业园区内部线路的人流量。线路过长（大约25.5 km），首末站间距约为14 km，弯道较多。27路线的指标分析结果如图3，弯道多说明非直线系数（线路长度/首末站间距）较大且分析值与实际较吻合（约为1.82）。人流量偏低、线路过长导致运输效益较小与分析值较吻合。27路线路没有明显的人流聚集路段说明客流断面不均衡系数在合理值范围内。综上来看，分析结果基本符合27路线路的实际情况。根据分析结果可以得到27路线路长度大于合理值需要拆分。图3中的运输效益的统计图说明苏州公交线路效益的整体状况，符合苏州出行人口众多的特征。

图2 系统界面

图3 线路指标分析结果

3.2.2 道路上的线路分析

以人民路为例，人民路作为苏州主干道，承载着巨大的交通流量，也有众多线路的公交途径这条道路，导致路段重复度必定远大于合理值，在此求出人民路上经过的所有公交线路数，又由于人民路较长，在乐桥和平门路段较为繁华且车流量、人流量远大于其他路段，所以人民路各指标的值应远大于合理值。根据已有数据（2012年4月份道路上公交数据），人民路在2012年4月16日早上8：00-12：00的道路情况分析结果如图4，线路过多导致路段重复度较大符合实际路况，路段较长、发展不平衡说明客流不均衡系数偏大且导致了公交资源在非繁华路段的浪费，总体来看，分析结果基本符合人民路的实际道路状况。

3.2.3 线网评价

在此根据苏州的数据对苏州公交整体线网进行分析，评价模型是结合层次分析法（AHP）的运用，给出线网评价的一级指标和二级指标，由线网定性分析转为量化分析，然后利用关联矩阵求解一、二级指标权重及关联度获得最终评价模型，具体指标及权重值见图5。另外，考查值是公交管理部门依据公交现状作出的相应评估，可以根据公交的发展状况进行实时的修改，这里根据简单调查统计结果赋予不同的初值进行实例验证，具体各项考查值见图5。

苏州近年来发展迅速，相应的公交水平已不能满足发展的需要，在公交日常运营中存在各区公交发展不平衡、线网布局不明确、个别线路较长等问题，导致公交服务水平的下降，现通过系统对苏州公交水平进行评估，结果如图5，从得分（0.578 3分）可以看出，其服务水平低于市民出行的需求水平，同样符合苏州公交服务水平低的现状。

图4 道路上的线路分析结果

图5 线网评价分析结果

图6 专用道通行能力评估

3.3 专用道规划

依据TCQSM修正模型，对专用道通行能力进行预测，通过实际采集体育中心站数据[15]：车辆进站停车所用时间4 s；乘客上、下车平均时间34.5 s；车辆离开车站所用时间4.89 s；停靠失败率约13%；公交车辆站台延误时间8.2 s；参考标准正态分布表Z=1．13；停留时间变化系数0.61；公交车站对通行能力的修正系数0.97。预测结果如图6，预测通过车辆数为114辆，与实际通过车辆数112辆极其接近，可以认为该模型可以对专用道通行能力进行有效的预测，为专用道的设置提供依据。

4 结语

该系统实现对公交的场站、线网、专用道的分析，主要是对线网分析和专用道规划进行详述，旨在发现公交线路运营中存在的问题并提出解决办法，为实现更合理地公交线路规划、推动智能公交发展贡献一份力量。系统以苏州公交为研究切入点，结合公交分析的科学指标及公交运营的最新数据，借助科学的方法进行分析，充分保证了分析的科学性、时效性与真实性，具有一定的实用价值。

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Design and implementation of smart bus analysis system based on SuperMap

JI Xiang，SHI Kuaikuai，SHI Shouzheng
（School of Environmental Science and Engineering，SUST，Suzhou 215009，China）

By means of database technology,components GIS technology of SuperMap Objects,Analytic Hierarchy Process（AHP）,TCQSM models and other scientific methods，a smart bus analysis system programmed in C# language has been developed by using bus operating information obtained through Suzhou smart bus operation system.With this system,we can analyze the placement of bus stations,lines and exclusive bus lanes and point out the operating problems and places for improvement,and ultimately propose corrective measures.After verification with Suzhou bus data,problems identified by this system are consistent with the actual ones.Therefore, this system can provide decision support for the development of public transport.

bus；line network；station；exclusive bus lanes；TCQSM model

P208

B

1672－0687（2015）01－0074－07

责任编辑：谢金春

2013－09－17

吉祥（1992-），男，江苏盐城人。

*史守正（1973-），男，山东莘县人，讲师，博士研究生，研究方向：地理信息系统与计量地理学。