基于IC卡和GPS数据的城市公交系统评价及优化——以淄博市中心城区为例

郭 聪，王晓琳，张荣基，孙 锋

（1.北京工业大学 建筑与城市规划学院，北京 朝阳100124；2.山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博255049）

公共交通作为城市建设的重要组成部分，旨在高效、优质地满足城市居民日常出行需求，具有其服务面广、载客量大、污染面积小、运营成本低以及运输效率高等特点。目前城市形态发展与公共交通系统需求在时空上的不均衡性，使公交运行供需矛盾不断加剧。城市空间治理提出了公交运行组织智能化和精细化的发展需求［1］。

为了充分发挥公交系统在可持续交通以及城市空间整治中的作用，其效能评价的研究至关重要。目前，针对公交系统效能的研究主要有基础设施和服务质量两类，前者主要研究线路空间分布、性能评价和优化，后者主要研究服务和运营效率［2］。吴放等［3］研究了空间环境因素引导城市公交出行的内在机制，结合国内外实例对比分析了道路密度、车站密度、人均CBD距离等因素的不同影响力；王健［4］分析了城市交通系统与城市空间的共生关系，整合城市规划、交通规划和经济学的方法，建立了以城市、交通协调发展的评价体系；韩昊英等［5］利用北京市的IC卡刷卡数据，构建城市功能区识别模型，并结合居民日常出行相关特征和兴趣点分布进行诠释和匹配。在已有的研究成果中，评价指标体系主要从可用性、便利性、可靠性、舒适性和安全性5个维度构建［6］；常用的评价方法有效果评分法、因子分析法和层次分析法等。效果评分法对调查样本的依赖性较强，因子分析法主要应用于服务质量的维度识别，而层次分析法能够综合多种评价指标，从多个维度实现对系统的客观评价［7］。可以看出，目前的公交系统评价指标已成体系且朝精细化方向发展，然而由于部分微观指标的获取较为困难，使得公交评价多偏重于宏观方面，这难以支撑公交系统的精细化改造和提升需求。

近年来，随着公交IC卡的普及以及大数据分析技术的成熟，进出站速度、站点服务时间、公交车头时距等微观运行指标的计算成为可能，也为公交系统的全面评价奠定了基础［8］。本研究基于公交IC卡和车载GPS数据，探索基于层次分析法的城市空间形态与公交发展协调性研究间治理视角下城市公交系统评价方法，对城市空间治理的常规公交系统改进提出建议，以期优化居民出行方式结构和提升城市空间布局。

1 研究区域概况

研究区域为山东省淄博市中心城区，总面积360 km2，常住人口85万。公交线路51条，共有702辆运营车辆，公交线网运营里程为886.5 km，公交服务总面积为347.13 km2。目前，中心城区现有公共汽车线路297条，营运公交车2 742辆；设有中途停靠站约有650个［9］，其300 m 半径覆盖率约为52.79%，500 m半径的站点覆盖率约为83.04%，详见图1。

图1 半径服务范围Fig.1 Radius of service

本研究的主要数据为山东省淄博市中心城区2019年5月6日—12日连续一周的公交IC卡和车载GPS数据，共计230万条，其中涵盖全部中心城区线路，均为一票制线路。

2 评价指标体系构建

依据《公共交通通行能力和服务质量手册》中公交评价因素的选取［10］，结合居民日常出行需求，从公共交通基础设施条件和服务质量这两方面选取评价指标，构建公交系统服务水平评价指标体系［11］。

2.1 基础设施指标

1）线网密度Q1：反映居民出行靠近线路的程度，线网密度越大表明承载能力越强。

2）公交分担率Q2：公交出行量与居民出行总量之比，是衡量城市交通结构合理性的重要指标［12］。

3）万人公交车标台数Q3：指每万人平均拥有的公共交通车辆标台数。

2.2 服务质量指标

1）万车事故率Q4：指区域内公交车辆发生的事故总数与运营公交车辆之比。

2）车内安全防护措施Q5：主要包括把手和安全护栏等保证乘客在车辆行驶中安全的设施。

3）行车准点率Q6：指公交车上在运营线路上准点行车的次数与总行车次数之比。

4）空调车比例Q7：指带空调系统的公交车数量占公交车总数的比例。

5）公交车运行平稳程度Q8：车辆运行过程中的晃动可能带来晕车反应和一定危险。

6）行驶速度Q9：公交车运行期间的平均速度，是迅速性的直观体现［13］。

7）发车频率Q10：合理的发车频率能够确保在给定时间内载客量与出行量相适应，决定乘客出行所需的等待时间［14］。

8）票价Q11：票价是吸引居民乘坐公交出行的一个重要因素。

9）首末班时间安排Q12：延长公交车的首末班时间能够吸引更多的公交乘客，但这会增加公交运营成本［15］。

2.3 评价指标体系

基于上述评价指标分析，构建如图2所示评价指标体系。

表1 公交评价标准因素表Tab.1 Bus evaluation criteria factor table

图2 公共交通系统服务水平评价体系Fig.2 Public transport system service level evaluation system

3 基于层次分析法的综合评价模型

层次分析法由美国运筹学家Saaty教授于上世纪七十年代提出，是一种定性与定量相结合的多目标决策分析方法，因为其具有分析思路清晰、所需数据量少等优点，常被运用于多目标、多准则、多要素、多层次的非结构化复杂问题评价［16-18］。本部分通过结构分析建立系统层次模型，确定评价基准，并基于专家打分得到评价模型中的指标权重。

3.1 实施步骤

1）系统层次结构模型。

系统层次结构模型主要包含目标层、准则层和措施层，如图3所示。

2）评价基准确定。

层次分析法中评价指标的判断标准如表2所示。

3）基于顶部要素，比较下一层要素，然后建立判断矩阵，记为M=（bij）。

4）根据判断矩阵计算每个要素的权重向量。

图3 系统层次结构模型Fig.3 Systematic hierarchy model

表2 层次分析法判断标度Tab.2 Analytic hierarchy process（AHP）determining scales

如果判断矩阵为n×n 矩阵，首先计算矩阵每行元素乘积的n 次根：

将上述计算结果正交化，并将上述数字相加除以每个数，获得每个要素的优先级向量：

Wi=（W1，W2，…，Wn）即为权重（特征根）向量。

5）确定总体权重向量。

6）根据权重向量对系统进行分析、评价和排序。

7）判断矩阵一致性的检验。

当λmax=n，CI=0时，它是完全一致的，CI值越大，完全一致性越差，一般只要CI＜0.1，判断矩阵一致性是可以接受的，否则重新进行比较。

8）判断矩阵的维数越大，判断的一致性就越差，因此应放宽对高阶判断矩阵一致性的要求，引入判断矩阵的平均随机一致性指标RI值（表3）。

表3 1～9阶判断矩阵的RI值表Tab.3 RI value date of order 1-9 judgment matrix

3.2 指标权重

对于评价指标权重的确定一般采用专家打分法。首先，由专家对模型中每一层次因素的相对重要性给予定量表示，然后使用数学方法确定每一层次全部因素相对重要性次序的权重，最后通过综合计算各层因素重要性的相对权重，得到最低层相对于最高层的相对重要性次序的权重。下面以服务质量为例进行指标权重的确定。

1）根据专家打分，建立最初矩阵

2）对矩阵进行列归一化得到矩阵

3）对判断矩阵按行相加得向量

计算可得，该矩阵的最大特征根为6.300 2，进行一致性检验

由表3可知，当n=6时，RI=1.24时，

因此，安全性、准时性、舒适性、迅速性、经济性和方便性相对于服务质量的权重分别为：0.383 4、0.238 6、0.163 5、0.093 7、0.064 4和0.058 2。

权重确定结果如表4所示，指标层名称后括号中的数字表示相对于上一层的权重和专家打分法的最终权重。

3.3 评价模型

对于常规公交服务水平的评价主要分为优、良、中、差四个等级，对应评价值为［80，90］、［70，80］、［60，70］、［0，60］。评价模型如下：

其中，ai为指标Qi的无量纲化值；pi为指标i的权重。

表4 评价指标权重表Tab.4 Evaluation index weight

4 实例验证

依据淄博市常规公交系统的公交IC卡和车载GPS数据，结合市民日常出行的问卷调研，对中型城市公交系统的现状进行综合评价。

4.1 公交站点服务时间

以K2 路公交车为例，对车载GPS数据进行处理，提取车辆在站点的停靠时间，并进一步计算得到平均停靠时间，如图4所示。从图中可以看出，公交车辆的站点服务时间大部分在30 s左右，但站点14和27的平均服务时间都超过了50 s，说明这些站点的乘车需求较大，有必要采取管理措施提升站点服务能力，才能保证公交车的高效准点运行。

图4 K2路公交车站点服务时间Fig.4 K2 bus station service hours

表5 基础设施条件指标计算及评价Tab.5 Index calculation and evaluation of infrastructure conditions

4.2 评价指标计算

4.2.1 基础设施条件

根据淄博市中心城区的基础数据，计算得到基础设施条件的评价指标如表5所示。

4.2.2 服务质量指标

1）安全性指标

2018年至今，淄博市中心城区共发生涉及公交客运车辆事故526起，伤62人，死亡2人，其中简易程序处理513起，一般程序处理13起。因此，淄博市中心城区的万车事故率为4 415.95起/万车，Q4评价为差。

目前运营车辆上都配备把手、护栏等安全措施。根据问卷调查，19%表示非常满意，65%比较满意，16%选择一般，该项得分为80.3分，Q5评价为优秀。

2）准时性指标

目前，中心城区缺少公交到站时刻信息的实时发布，导致乘客无法准确预判出行时间。根据车载GPS数据计算了公交车辆到站间隔，如图5所示。在［0，12］内的间隔时间较为可靠和稳定，都在8～10 min左右；随着站点序号增加，点的分布愈加分散，说明行车间隔忽大忽小，准时性和可靠性变差。同时，问卷调查显示公交车到站时间的不稳定性降低了居民的乘坐意愿，行车准点率仅为50%，Q6评价为中等。

3）舒适性指标

空调车比例为100%，Q7等级为良。

根据问卷调查，15%非常满意，60%比较满意，20%一般，5%较不满意，运行平稳程度得分为78.5分，Q8评价为良。

4）迅速性指标

以重点线路K2为例，通过Python语言编程，在公交车辆GPS数据中计算进出站时间、停靠时间、平均行程速度等参数，如图6所示。从图中可以看出，大部分区间公交车速维持在20～30 km/h，但是，5～6、13～15、16～18、27～30等区间的公交车速平均低于20 km/h，说明这些路段的公交车辆受干扰严重。同时，问卷调查显示，18%非常满意，36%比较满意，43%一般，3%较不满意，得分为76.9分，Q9评价为良。

根据乘客对发车频率满意度调查，19%表示非常满意，51%比较满意，16%一般，14%较不满意，该项得分为77.5分，Q10评价为良。

图5 公交车辆到站间隔图Fig.5 Bus arrival interval chart

图6 K2路公交车上行平均行程速度Fig.6 Average travel speed of bus K2

5）经济性指标

淄博市中心城区的公交车票价存在季节差异，每年6月1日至9月30日，12月1日至次年3月31日为公交车空调开放时间，执行2元/人次，非空调开放期间执行1元/人次。与此同时，普通IC卡6折优惠，学生卡4折，65周岁及以上老年人、伤残军人、离休干部、残疾人等持卡免费乘车。根据问卷调查，20%表示非常满意，65%比较满意，15%一般，该项得分为80.5分，Q11评价为优。

6）方便性指标

根据对现行首末班时间统计，50%以上车辆在6：00之前开始首班车，超过76.5%的公交线路在晚上19：30之前就停止运营。问卷调查显示仅有15%非常满意，30%比较满意，30%一般，25%较不满意，经过计算该项得分为73.5分，Q12评价为良。

4.3 服务水平综合评价

将上述数据代入公式（4），计算结果如表6所示。

综上，淄博市中心城区公交系统得分为65.57，评价等级为中等，这说明淄博市中心城区公交系统已具有一定的规模，基本满足了市民出行需求，但也存在如下问题：

1）公交场站严重不足，尤其是城市核心区缺少枢纽站，这导致核心区乘车供需矛盾突出。

2）公交线网设置不合理，表现在外围区域密度偏低、线路过长。

3）公交车专用道数量偏少，且未实施监管，社会车辆进出方便，专用性不强。

4）公交服务水平不高，表现在公交到站时间不确定、站点实时信息显示缺失。

5）公交车运行环境不佳以及驾驶员守法意识淡薄，导致交通事故发生率较高。

6）公交车数量不足，导致高峰时段的运输能力难以满足需求。

7）大部分公交线路晚间发车频率低且运营结束时间较早，无法满足居民的夜间出行需求。

表6 淄博市中心城区公交系统综合得分Tab.6 Comprehensive score of Zibo central district bus system

5 公交系统优化建议

针对上述对淄博市中心城区公交系统的评价结果，提出如下优化对策：

1）在城市核心区增加公交枢纽场站：在义乌小商品城、银座、中心医院等客流最密集的核心区域建设枢纽站，由于这些区域用地较为紧张，因此，应结合商场一层及地下空间开发建设，以满足核心区域的大规模客流集散，减少出行者对私家车的依赖。

2）实施公交线网优化：结合场站建设开展线网优化，减少公交线路的非直线系数及长度，依据公交出行需求及服务质量的定期评估对线路做出微调优化，可在部分线路开启高峰大站快车、区间车等运行模式。

3）实施公交优先举措：评估道路运行状态，对于公交车运行速度较低的路段，设置分时段公交优先车道，仅在早晚高峰时段（7：00—8：30，16：30—18：00）启用，降低部分道路因素在高峰时期干扰公交车，从而提升运行速度和效率。

4）建立公交车辆实时调度系统：基于车载GPS及IC卡信息开发公交车辆的实时调度系统，根据乘客需求动态调整公交发车时间、车辆调度方案等，实现公交出行供需动态平衡，提高公交准点率；采用互联网、手机APP以及站点信息屏等多种模式显示车辆实时信息，以提高公交出行服务质量。

5）适度增加公交车辆数并延长夜晚运行时间：针对部分客流量较大的线路适度增加公交车辆数，并对运营停止较早的线路进行适当延长，以满足乘客夜晚出行需求。

6）组织公交司机进行学习和培训：定期组织公交驾驶员进行安全知识和交通法律法规的学习，通过真实的案例提高驾驶员的安全意识；定期进行驾驶员驾驶操作培训，提高驾驶员的业务能力，提高公交在行驶过程中的平稳程度。

6 结论

本研究基于公交IC卡和车载GPS数据，构建了空间治理视角下城市公交系统的评价体系及方法，并以淄博市中心城区常规公交系统为例，验证了评价模型的有效性，结果显示该模型不但能够从设施、环境和安全等方面对城市公交系统进行宏观评价，还能从运行可靠性、站点服务水平以及调度水平等方面进行客观精准的微观评价，这为公交服务水平的全面提升奠定了坚实基础，并对居民出行方式结构优化、城市空间治理具有重要意义。