基于供需协同下的山地组团城市多层次公交线网设计研究

蒙井玉，王玉刚，成 冰，屈新明，张东东

(1.中国城建集团第三工程局，重庆 401336；2.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；3. 重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074；4.河南省城乡规划设计研究总院有限公司，河南 郑州 450044)

基于供需协同下的山地组团城市多层次公交线网设计研究

蒙井玉1，王玉刚2，成 冰3，屈新明3，张东东4

(1.中国城建集团第三工程局，重庆 401336；2.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；3. 重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074；4.河南省城乡规划设计研究总院有限公司，河南 郑州 450044)

为了缓解城市交通系统涌现的三大交通问题，适应城市交通发展新常态，抓住城市交通发展新机遇，在分析公交线网供需协同内涵关系基础上，从微观、中观、宏观等3个层次探讨供需协同模型构建，分别从站点分级、线网间协同以及线网宏观评价进行分层设计，并以重庆市主城区作为实例进行验证分析。通过研究提出基于供需协同下的山地组团城市公交线网设计方法，用来指导山地组团城市的公交线网优化设计。

交通运输工程；山地组团城市；多层次；公交线网；供需协同；设计方法

为缓解城市交通系统涌现的3大问题：交通拥堵、道路安全、能源危机，各大城市都不约而同地提出实施“优先发展公共交通，倡导绿色出行”战略。我国自改革开放以来，社会经济取得了飞速发展，由此也带来了各种各样的交通问题。各地政府为了寻求快速解决之道，纷纷把城市交通系统的发展重心逐渐转移到了可以承载较大运量、运行时速较快的轨道交通，致使常规公交系统的建设速度受到限制。轨道交通的网络正在慢慢形成并逐步走向成熟，但是轨道交通网络不管如何畅通发达，其覆盖的城市区域面积和线网发展程度始终不会赶上常规公交的水平。常规公交承担着的一些功能是轨道交通无法实现的，比如在扩大城市客流吸引范围方面，常规公交始终发挥着重要的作用[1]。

山地组团城市由于地形的原因，建设轨道交通施工难度较大，未来一段时间内，居民的出行方式仍会以常规公交出行为主。对于山地组团城市，某种程度而言，常规公交算的上是城市发展的“生命线”。协调好常规公交与山地城市居民出行的关系，是促进城市和谐、稳定发展必要前提条件。

目前，国内外学者关于城市的公交线网优化设计的方法做了大量的研究，但在城市公交线网的分层次方面研究较少[2-6]，在城市公交系统协同研究方面尚不深入，涉及到公交线网供需协同研究更是少之又少[7-9]。随着城市化进程的加快，城市的发展形态以及城镇化水平的不同，使得居民的公交需求越来越多样化，就会产生了多层次的公交出行需求。在城市化建设步伐日益加快的今天，尤其是最近有关建设“智慧城市”战略提出，赋予了城市公共客运交通发展以更高目标。因此，为了更好发挥城市公交在山地城市客运交通中主体地位，加强对城市常规公交系统问题研究势在必行。

1 公交线网供需协同内涵

从系统进化角度来看，协同是为了不断实现系统的目标要求，通过各子系统之间有效协作，使系统整体实现统一的动态过程。山地组团城市公交线网供需系统研究的是各个子系统之间通过与外部环境之间有效协作，逐步实现供需和谐统一发展。根据系统分析知识，可通过研究各子系统之间内涵关系，来研究整个供需系统发展动态关系。笔者将山地组团城市公交线网供需系统分为需求子系统和供给子系统，然后从供需子系统的微观、中观、宏观3个层次来研究二者协同。

1)微观层次协同。公交线网的微观层次协同主要研究公交站点客流特征问题，确定站点相对于公交线网影响度大小。

2)中观层次协同。公交线网的中观层次协同主要研究公交线网的分层问题，即在微观协同基础上，提出站点分级阈值，然后依此对公交线网进行协同分层设计。

3)宏观层次协同。公交线网的宏观层次协同主要研究山地组团城市公交线网系统供需系统协同度，即对中观协同设计的结果做出评判。

2 公交线网供需协同模型

2.1 微观层次协同模型

2.2.1 构建站点评价指标矩阵

设某区域某条公交线路，有n个公交站点，统计m个时段，每个站点某一时段内的公交客流吸引和发生量为y，由此构成的矩阵B为

2.1.2 站点评价指标分级

分级规则：设矩阵B中的第j列的最大值记为M，最小值记为N，评价分为T级，则根据数据的平均步长，每组数据的间隔S=(M-N)/T，分级标准如表1。

表1 公交站点评价指标分级标准

2.1.3 建立相关权重矩阵

根据上述建立的各时段的因子分级值，列出m个站点的列联表，按列联表中的数值计算相关权重：

式中：nkl为x处于k级，y处于l级的次数；nk为x处于k级的总次数；nl为y处于l级的总次数；T为因子分级数。

2.2 中观层次协同模型

2.2.1 公交站点分级

站点相关权重的概念，只针对单独的站点客流量研究，无法完全反应客流出行特征。因此，仅仅依靠站点相关权重这一个指标是无法完成公交站点的分级，还需从公交线网整体情况进行考虑，结合公交线网客流OD出行特征，进行站点分级。站点分级具体步骤如下：

1) 分析站点客流出行特性：

2) 制定分级标准

式中：Fj为第j站点相关权重值归一值；ψ为站点相关权重值的取值参考指标，根据各条线路不同，取值待定。

根据各个站点的出行特征，对已经筛选的权重值较大的站点，进一步筛选，既满足公式：

由此可定义分级标准如表2。

表2 公交站点分级阈值

2.2.2 分级站点筛选

根据分级的结果，进行站点的筛选，如表3。

表3 分级站点筛选

2.2.3 公交线网设计.

根据保证线网连通性的原则将筛选的站点连接起来,构建山地组团城市多层次公交网络系统。

设计思路：① 公交支线须确保所有组团内的三级站点相连接，构成组团内的支线公交线网。此外，公交支线也可以同部分的一级、二级站点进行连接，保证组团内的各小区居民的组团内的出行和跨组团的出行换乘；② 公交普线须连接组团内的所有二级站点，构建组团内的出行的快速通道。此外，公交普线也可以与部分的一级站点和三级站点相连接；与一级站点的连接是为了组团内居民的跨组团移动提供快速的换乘服务，与三级站点连接是为了方便组团内的居民从客流比较分散的小区与组团内其他区域的快速换乘；③ 公交快线须连接所有的一级站点，构建组团间的出行的快速通道网络。为保证换乘的便捷性，公交快线还应当与部分的二级和三级站点相连接。设计概念见图1。

图1 山地组团城市多层次公交线网设计概念Fig 1. Concept map of mountain group city theory-oriented and multi-level design

2.3 宏观层次协同模型

2.3.1 宏观协同指标

建立山地组团城市公交线网供需协同评价指标,应坚持兼顾大局并有益于山地组团城市公交线网长远利益的发展，同时还要考虑公交线网的通达性、大众性及动态性等多种指标。然而，较多的评价指标将不利于正确评判系统的可靠度。因此，选择恰当的评价指标因素尤其重要。

1) 供给系统指标体系。供给系统涵盖的内容主要有公交线网基础设施、服务设施和管理设施系统等。公交线网基础设施(线网密度、线网长度、线网非直线系数、站点覆盖率)；公交线网服务设施(公交运行时速、线网换乘系数、公交运力)；公交线网管控设施(公交专用设施、公交发展投资水平)组成，见图2。

图2 山地组团城市公交线网供给系统指标体系Fig.2 Index system of transit network supply system in mountainous group cities

2) 需求系统指标体系。需求系统是产生于居民在选择公交方式出行过程中。通常情况下，城市社会经济发展水平对城市公交线网设施规模具有重要的影响。居民的出行需求随着经济水平的上升而增大，同时，伴随着需求的增大，也将产生更多的客运需求量，这些对公交线网的基础设施要求提出了更高的要求。换而言之，公交线网的需求不断增大的根本推动力就是社会经济的不断发展。因而，可以选用衡量社会经济发展的指标作为公交线网需求系统的评判指标。然而，由于山地组团城市的公交方式出行的特殊性，公交线网需求与社会经济发展水平不是简单的正相关关系，因此，增加对线网需求量大小的因素的分析是十分必要的。通过二者的结合，共同构成需求系统的评价指标体系，见图3。

图3 山地组团城市公交线网需求系统指标体系Fig.3 Index system of mountain group city transit network demand system

2.3.2 宏观协同模型

1) 定量分析。山地组团城市公交线网系统达到某一状态，对其供给系统和需求系统进行分析统计[10]。设山地组团城市公交线网供给水平指标集合为：X=(x11t,x12t,…,xijt)；设山地组团城市公交线网需求水平指标集合为：Y=(y11t,y12t,…,yijt)。供给和需求系统的评价指标集合xijt，yijt均采用三级指标构建。 其中：i为第二级指标序列数，j为第三级指标序列数，t为山地组团城市公交线网需求和供给系统的所属的状态时刻。在对供需系统进行整体评价时，要把不同量纲的数据进行标准化处理，以方便各指标之间的比较。标准化处理公式为：

在供需系统指标体系中,各参评指标的取值均有λmax>0,λmin>0,同理，yijt的取值依此类推。二者的综合评价函数为：

式中:ait和bit，aijt和bijt分别为供需系统第二级、三级指标层级指标权重；m为二级指标数量；n为相对应的二级指标下的三级指标数量。

2) 协同性评价。为了可以定量表述供需系统协同发展情况，引入系统协同度概念[11]。设山地组团城市公交线网供给系统为S1,需求系统为S2；S1，S2在时刻t的状况评判函数为F1(t,x)与F2(t,y)，S1与S2的协调意味着F1(t,x)与F2(t,y)的相对离差Cv很小,即有:

因为，F1(t,x)>0，F2(t,y)>0，所以，Cv最小的充分条件为：

定义S1与S2在时刻t的协调度为：

式中：k为辨别系数，通常k≥2。

Gt反映了系统S1与S2之间的协调程度。从数学视角分析，只有当F1(t,x)=F2(t,y)时，F1(t,x)·F2(t,y)取得最大值，此时表明系统S1与S2之间协同性最好，即Gt=1。

3) 趋势分析。系统协同度仅反映出系统供需发展协同一致性，它无法体现出系统当时所处状态的发展程度的高低。比如当F1(t,x)=F2(t,y)=0.5时，系统S1与S2协同度等于1；然而，当F1(t,x)=F2(t,y)=0.8时,系统S1与S2的协同度也等于1。但是，后者的发展程度明显要比前者的高[12]。所以,为了准确描述系统协同发展情况，需要把系统的协同度和系统当时发展程度结合起来评判。笔者用GD(t)描述系统协调发展度,并定义：

式中：α,β为待定系数。

协同发展度是对系统S1与S2的协调发展程度进行的综合性评价。

为能全面反映供需系统的发展情况，还可以在研究供需系统协同发展度的基础上，进一步分析系统S1与S2协同程度变化趋势。为此，定义系统S1与S2协同变化趋势函数γ(t)。假设系统S1与S2在t时刻和t-1时刻的协同程度分别为G(t)和G(t-1)，则：

当γ(t)>1时，表明了系统S1与S2的发展趋向协同状态的方向；当γ(t)=1时,表明了系统S1与S2处于协同状态；当γ(t)<1时,表明了系统S1与S2的发展趋向背离协同状态的方向。

4) 判别标准。杨士弘等[13]在研究环境和经济协同发展的时候，提出了一种评判划分方法。笔者借鉴其理论方法，制定了线网的需求和供给系统的协同评价的标准，见表4。由表4可以判定系统S1与S2协同类型和协同发展趋势，如表5。

表4 协同关系评价类别判定

(续表4)

GD(t)协同类型过渡类0.60～0.69初级协同发展类0.50～0.59勉强协同发展类0.40～0.49濒临失调衰退类0.30～0.39轻度失调衰退类失调类0.20～0.29中度失调衰退类0.10～0.19严重失调衰退类0～0.09极度失调衰退类

表5 协同类型和协同趋势判定

3 公交线网供需协同设计方法

3.1 设计步骤

1) 公交站点特征分析。根据公交线网的优化和设计不同，可分为新建站点设计和已建站点优化设计。新建站点特征分析，须结合城市公交总体规划，对站点选址布局的各影响因素进行研究。已建站点的客流特征分析，可以通过直接调查调查站点的客流量。主要分析站点上下客流总量和跨组团出行客流量。

2) 计算站点相对权重。由于每个站点在公交线网承担的功能有所不同，其相对整个线网的影响度大小也有所差别。计算各站点的影响度是为了进行站点分层分级服务。

3) 确定站点分级阈值。站点的分级阈值通过站点的相对权重值和站点的客流特征进行确定。本文通过选取站点相对权重值和站点客流跨区域出行比例进行确定站点分级阈值。

4) 分级站点筛选。根据站点分级的阈值，筛选相应级别的站点，构建多层次站点体系。

5) 分层线网设计。根据初选线路大致走向，把同级别的站点连接起来，形成不同层次公交线网，从而构建多层次公交线网体系。

6) 线网体系的综合评价。对线网优化设计前后进行综合评判，评判的指标有公交线网系统供需发展水平、供需协同度、供需协同发展度以及供需协同变化趋势指数。

3.2 设计流程

对山地组团城市的公交线网供需协同设计步骤进行归纳，绘制出山地组团城市的公交线网供需协同多层次设计流程图。具体的设计流程见图4。

图4 山地组团城市公交线网供需协同多层次设计方法流程Fig.4 Flow chart of multi-level co-design methodology based on the mountainous group city transit network supply and demand system

4 实例分析(以重庆市主城区为例)

4.1 微观设计

1) 组团式公交中心站点。组团式换乘中心站点是跨区域公交线网的首末站。根据主城区公交站场的分布图，结合现有的道路网系统和重庆市地形条件，将主城区的公交线网按照组团分布划分为4个“组团式公交换乘中心站点”[14]，见表6。

表6 主城区组团式公交中心站点

(续表6)

所属组团站场名称换乘中心枢纽北部组团花园新村车站红旗河沟站场人和车场空港站场大学城站场石桥铺车站红旗河沟枢纽站西部组团陈家坪车站中梁山站场大学城站场南坪枢纽站陈家坪枢纽站南部组团外河坪枢纽站李家沱车场茶园站场南坪枢纽站

根据实际的道路网系统，将连接着4个组团的线网设计为 “6个方向12条线路”的跨组团快速公交线网系统。

2) 公交站点权重值计算。根据上述所设计的连接“4个组团6个方向12条线路”的跨组团快速公交线网系统，调查各线路站点所经过站点的实际客运量，并计算各站点客流量相对权重。根据所计算的数据，将列联系数C≥0.5的情况视为该站点对线网的客流量的影响相对较大，可备选为作为一级、二级站点，其余站点作为三级站点的备选。

4.2 中观设计

1)公交站点分级。首先，分析主城区跨组团公交线网站点客流出行特点，即公交站点跨组团客流出行比例，然后，结合所跨组团之间经济、人口等因素，制定不同分级标准。据实际调研的跨组团线路各站点客流OD出行数据，分析各站点的客流跨组团出行比例。结合实际情况考虑，当θ≥50%，ψ≥0.5时，公交站点的客流量对该线路客流总量的影响比较显著；而当θ<40%或ψ<0.4时，公交站点的客流量对该线路的客流总量影响不明显。故而，可以得到主城区的公交站点分级阈值，见表7。

表7 主城区公交站点分级阈值

2)公交站点筛选。根据主城区公交站点分级阈值，进行站点分级筛选。

3)公交线网设计。根据所筛选的分级站点，设计主城区快线多层次公交线网。图5主要描述的是主城区快线公交线网布设和一级站点的布设，以及部分布设在快线公交线网上的二级站点。由于涉及的三级站点数目较多，图5中没有标出三级站点的位置。

图5 主城区站点及快线公交线网Fig.5 Transit station and express public transit network

4.3 宏观评价

根据前文提到的公交线网的评价指标体系，运用所述方法对重庆市主城区的公交线网供需系统协同性做出总体评判。评价指标的权重确定，拟采用相邻指标比较法与德尔菲法计算求得。

4.3.1 指标分析

表8和表9分别为重庆市主城区公交线网供需系统指标。设计值是针对新的设计方法求得的预测值，参考值是指规划值、规范值或理想状态值。在公交公里控制的设施相关评价指标中，将公交专用设施和公交投资水平分为3级，分别对应一般、高、较高。

表8 重庆市主城区公交线网宏观协同评价供给系统指标

(续表8)

供给指标现状值设计值参考值线网服务设施运行速度υ/(km·h-1)172020换乘系数1.251.31.2公交运力8627900010000线网管控设施公交专用设施一般高较高公交投资水平一般高较高

表9 主城区公交线网宏观协同评价需求系统指标

4.3.2 评价分析

根据表8和表9，分别计算重庆市主城区公交线网供需系统综合评价值：

F1(t,x)=0.720，F1(t,y)=0.899，

F2(t,x)=0.869，F2(t,y)=0.932

取k=8，α=0.5，β=0.5，则可计算得到：

重庆市主城区公交线网供需系统协同度：G(t1)=0.767 1；G(t2)=0.990 3。

重庆市主城区公交线网供需系统协同发展度：GD(t1)=0.758；GD(t2)=0.983。

重庆市主城区公交线网供需系统协同变化趋势指数：γ(t1)=1.343；γ(t2)=1.296。

表10 重庆市主城区公交线网供需系统协同评价结果

由表10可见，重庆市主城区现状公交线网供需系统属于协调发展类，但是处于一种中级协同发展类，由供需系统协同发展趋势γ(t1)=1.343>1来看，重庆市主城区现状公交线网供需总体处于增长的态势。公交线网供给能力相对落后于需求能力，处于供给不足的状态，需要加大公交线网的供给方面的投入。在运用供需协同设计方法对公交线网优化后，可发现优化后供需系统属于良好协同发展类，协同度也比现状值更高，说明设计值比现在值具有更好协同性。当然，由供需系统协同发展趋势γ(t2)=1.296>1来看，此时的主城区的公交线网协同系统还需要继续发展。依据公交线网供给水平与需求水平综合评价值可知，实现重庆市主城区的公交线网的高度协同，还须通过进一步加大公交线网供给能力投入。

5 结 语

笔者开展基于需求与供给协同下的山地组团城市公交线网多层次设计研究，分析了公交线网供需协同关系，构建了公交线网多层次供需协同模型，提出了公交线网多层次供需协同设计方法，并以重庆市主城区作为实例进行了验证分析。通过对比计算重庆市主城区公交线网设计前后供需系统协同度，表明了采用该方法进行公交线网设计优化协同度更高。本文成果在指导山地组团城市公交线网优化设计方面具有一定的参考价值。

笔者提出的一种基于供需协同山地组团城市公交线网多层次设计方法，是对山地组团城市公交线网设计方法的一种探索。但在研究供需协同中观模型中提到的山地组团城市公交线网的站点分级阈值标定时只考虑了站点上下客流量和跨组团出行比例，考虑的因素偏少，标定的分级阈值有待进一步验证。另外，笔者提出的方法也未对新建站点进行验证。因此，下一步的研究重点将会围绕新建站点供需协同设计方法论证和分级阈值因素选取及标定展开。

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Study on Multi-Level Transit Network Design Based on the Coordination between the Demand and Supply of Mountainous Group City

MENG Jingyun1，WANG Yugang2，CHENG Bing3，QU Xinming3，ZHANG Dongdong4

(1.The Third Engineering Bureau of China City Construction Group Co.,Ltd.,Chongqing 401336,P.R.China; 2. School of Energy Science & Engineering，He’nan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，He’nan，P.R.China; 3. School of Traffic & Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China； 4.He’nan Urban-Rural Planning & Design Institute Co., Ltd.，Zhengzhou 450044，He’nan, P.R.China)

In order to alleviate the three major traffic problems caused by the urban traffic system, adapt to the development of urban traffic and seize the new opportunities for the further development of urban traffic, based on the supply-demand internal relationship for transit network, a supply-demand coordination model at three levels of micro, moderate and macro levels were established and the designs involve bus stops rating classification, transit network intercooperation and coordination and macro assessment of transit network by taking Chongqing central downtown district as example for verification analysis. Through study and research, a design method for transit network of mountainous and hilly cities is proposed and applied to guide the optimization design of transit network of mountainous and hilly integrated cities.

traffic and transportation engineering; mountain city; multi-level; transit network; supply and demand coordination; design method

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.26

2015-07-27；

2015-11-04

蒙井玉(1974—)，男，天津人，高级工程师，主要从事道路与交通工程方面的研究。E-mail:68388615@qq.com。

王玉刚(1988—)，男，河南固始人，硕士研究生，主要从事交通运输规划与管理方面方面的研究。E-mail:751571013@qq.com。

U491

A

1674-0696(2016)05-133-07