IC卡数据驱动下的公交客流分布及线路优化策略研究

肖志良　汪丽娟　郑雁予

摘 要：为提升公交车的运营效率，研究以某市公交IC数据为基础，对公交客流进行分析，并提出基于遗传算法改进的公交线路优化模型。研究发现，该市全天公交客流出现早晚两个峰值段。工作日到节假日，客流集中地从市中心附近转变为旅游景点、公园和购物中心等地区。公交线路优化模型将某公交线路的利用率提高了15%，将乘客的平均等待时间降低了21%，有效提高了公交系统的运营效率和乘客满意度。此次研究为提升公交运营效率、改善乘客体验、优化城市交通结构、促进城市可持续发展提供重要依据和方法。

关键词：IC卡 数据驱动 公交客流 分布特征 优化策略

1 引言

公交客流分布及线路优化是城市公共交通系统中的重要问题。随着城市人口的增长和交通需求的不断增加，公交运输系统面临着日益严峻的挑战[1]。传统的公交线路规划方法往往基于统计数据和经验判断，缺乏对实际客流需求的准确把握，导致了许多问题，如客流不均衡、拥挤和低效等[2]。因此，需要寻找一种新的方法来提高公交系统的效率和服务质量[3]。近年来，随着信息技术的快速发展，IC卡数据成为公交客流分析的重要数据源[4]。IC卡数据能够记录乘客在公交车上的上下车时间、地点和数量等信息，通过对这些数据的深入分析，可以了解乘客的出行行为和乘车需求，从而为公交线路优化提供有力的支撑[5]。此次研究旨在通过基于IC卡数据驱动的方法，对公交客流分布进行研究，并提出相应的线路优化策略。研究的意义在于为城市公交运输系统的规划和管理提供科学的决策支持，同时也有助于提升城市交通的可持续发展。通过深入分析公交客流分布和提出线路优化策略，能够减少交通拥堵、提高通行效率、改善乘客出行体验，进而推动城市交通的智能化和绿色化发展。

2 IC卡数据驱动下的公交客流分布及线路优化策略

2.1 公交客流分布特征分析方法

研究对公交IC数据进行深入分析，以揭示某城市公交客流在时空上的分布规律。首先，需要对原始公交IC数据进行清洗和处理[6]。由于公交IC数据量庞大且分散，传统的数据处理方法无法满足要求。因此，研究采用Hadoop分布式計算框架对数据进行处理。将原始数据分割成多个小块，每个小块由不同的计算节点处理。在每个计算节点上，研究利用Hadoop的MapReduce模型进行数据清洗，去除无效数据、异常数据和重复数据，同时将数据格式化为统一的数据结构。清洗和处理完的数据将被存储在Hadoop分布式文件系统中，方便后续的分析和挖掘[7]。

然后，研究使用叠置分析方法对公交客流进行分析，将不同的数据图层叠置在一起，观察它们之间的交叉关系。此处，将公交站点、线路、行政区域和时间段作为不同的数据图层，通过叠置分析来研究它们之间的关系。例如，可以通过叠置分析来观察在不同时间段和行政区域内，某些公交站点的客流量变化情况，以及不同线路之间的客流互动[8]。

叠置分析完成后，研究利用信息可视化技术将分析结果进行可视化展示。信息可视化是将数据转化为图形或图像的过程，可以帮助研究更直观地理解数据。可以利用柱状图、折线图、热力图等不同的可视化方式来展示公交客流的时空特征分布规律。通过可视化分析发现一些隐藏在数据中的规律和趋势，进一步加深对公交客流的理解。

最后，研究将进行空间相关性分析，通过空间自相关性分析来检测公交客流的空间集聚效应。通过计算公交站点之间的空间相关性指标，判断客流是否呈现出空间聚集或分散的特征。

2.2 公交线路优化策略研究

为提高公共交通系统的效率和便利性，减少乘客等待时间和乘坐时间，同时减少交通拥堵和空气污染，研究提出基于遗传算法改进的公交线路优化模型。遗传算法优化过程如图1所示。

首先，将乘客、公交和环境三者的总成本定义为目标函数，目标是使总成本最小化。乘客成本包括等待时间和乘车时间；公交成本包括车辆运营成本和线路长度成本；环境成本包括排放和噪音成本。然后，创建初始种群，通过随机生成一组符合线路规划要求的个体来初始化种群。每个个体代表一条公交线路，包含了经过的站点和车辆的行驶路径。接下来，根据目标函数，计算每个个体的适应度值。适应度值越高，表示个体对于目标函数的优化效果越好。然后，采用选择算子，如轮盘赌选择或竞争选择，根据个体的适应度值选择一定数量的个体作为父代。接着，采用交叉算子，如单点交叉或多点交叉，将选出的父代个体进行交叉操作，生成新的子代个体。然后，采用变异算子，对子代个体进行变异操作，引入随机因素，增加种群的多样性。接下来，将新的子代个体与原来的父代个体合并，形成新的种群。最后，重复上述步骤，直到达到终止条件（如达到最大迭代次数或满足一定的收敛条件）。约束条件方面需要考虑以下几个角度：

（1）线路约束：确保每条线路覆盖所有的目标站点，并且线路之间不能有重叠部分。这样可以保证线路的完整性和有效性。

（2）站点约束：每个站点应该有足够的乘客需求，以确保公交线路的经济性和实用性。这样可以避免低利用率的线路和站点。

（3）车辆约束：根据车辆的容量和运营成本等因素，确定每条线路的车辆数量。这样可以平衡运营成本和服务质量。

3 公交客流分布及线路优化结果分析

3.1 公交客流分布特征分析结果

研究以某市公交IC数据为基础，分析该市的公交客流的时空特征分布规律。2023年9月的工作日和节假日的全天公交客流分布如图2所示。

图2中，该市公交车运营时间为早上6点到晚上11点，平均每5-10分钟一班车，高峰时段每2-3分钟一班车。该市工作日和节日的公交车客流量均出现两个高峰期，且变化趋势基本相同。工作日的客流高峰期出现在早上7点到10点时间段内，高峰期持续时间约为3个小时，IC刷卡次数最高可达8.9×105人次；11点到17点的公交客流较少，约为高峰期客流人次的0.4倍；18点到20点时间段为公交车客流的晚高峰时段，晚高峰期持续时间约为2个小时，IC刷卡次数最高可达8.3×105人次。节假日的公交车客流量约为工作日的0.5倍。由此可见，该市的工作日和节假日全天公交客流分布情况呈现出明显的早晚高峰特征，其中工作日的早晚高峰客流量较大，节假日则相对较少，与大部分经济型城市的状况相同。

该市的公交车客流空间分布特征在工作日和节假日有一定的差异。在工作日，公交车客流主要集中在市中心附近地区。这是因为市中心是商业、办公和交通枢纽集中的地方，许多市民在这里工作、上学或购物。因此，工作日的公交车客流量较大且分布较为集中。相比之下，在节假日，公交车客流的空间分布特征有所不同。由于许多市民会选择外出旅游或者休闲娱乐，市中心的客流量相对较少。相反，远离市中心的旅游景点、公园和购物中心等地区成为公交车客流的热点。例如，公园、度假区等景区在节假日时吸引大量游客，公交车客流量也相应增加。

3.2 公交线路优化策略应用分析

研究以该市某区域公交车乘车区间为试验对象，通过基于遗传算法改进的公交线路优化模型，在考虑乘客、企业和环境等多方面因素的基础上，对公交线路进行优化，以得到更加有效的优化路径集合，从而提高公交系统的运营效率和乘客满意度。具体应用效果如下：

（1）提高线路利用率：通过对公交线路进行优化，将该线路的利用率提高了15%，从而减少了公交车的空载率，降低了公交企业的运营成本，提高了企业的经济效益。

（2）缩短乘客等待时间：通过对公交线路进行优化，使得公交车的运行效率得到提高，将乘客的平均等待时间降低了21%，提高乘客的出行效率和满意度。

（3）减少交通拥堵：通过对公交线路进行优化，使得公交车的行驶路线更加合理，从而能够减少交通拥堵，降低车辆尾气排放和噪音污染，提高城市环境质量。

（4）灵活适应市场需求：基于遗传算法改进的公交线路优化模型，可以根据不同的市场需求和实际情况进行调整和优化，从而满足不同乘客的出行需求，提高公交系统的灵活性和适应性。

（5）自动化程度高：基于遗传算法改进的公交线路优化模型，可以实现自动化运行，减少人工干预的成本和时间，提高公交线路规划的效率和准确性。

综上所述，基于遗传算法改进的公交线路优化模型，在提高线路利用率、缩短乘客等待时间、减少交通拥堵、灵活适应市场需求、自动化程度等方面，都具有显著的应用效果，可以有效地提高公交系统的运营效率和乘客满意度，促进城市交通的可持续发展。

4 结论

此次研究以某市公交IC数据为基础，运用分布式计算平台Hadoop和空间分析方法叠置分析，对公交客流的时空特征分布规律进行了深入研究。通过数据清洗、处理和可视化展示，发现了公交客流在时间和空间上的分布特征，并提出基于遗传算法改进的公交线路优化模型。分析结果表明，该市的工作日和节假日全天公交客流分布情况呈现出明显的早晚高峰特征，其中工作日的早晚高峰客流量較大，节假日则相对较少。工作日的公交车客流主要集中在市中心，节假日的市民多选择外出旅游或休闲娱乐，使得远离市中心的旅游景点、公园和购物中心等地区的公交车客流量增加。实验结果显示，优化后的线路利用率提高了15%，乘客等待时间降低了21%，交通拥堵得到缓解，适应市场需求的能力增强，自动化程度提高。此次研究对于优化公共交通系统，提高公共交通运营效率，减少乘客等待时间和乘坐时间，同时减少交通拥堵和空气污染具有重要的理论和实践意义。

广东省教育厅2021年度普通高校重点科研平台项目，项目名称：物联网应用技术创新团队，项目负责人：肖志良，项目编号：2021KCXTD074。

参考文献：

[1]张文胜，卢梦，朱冀军，等.基于公交IC卡和AVL数据的公交客流OD推算[J].计算机应用与软件，2021，38（7）：100-105.

[2]王颜萍，宗玉志，杨昭阳.基于IC卡的公交枢纽客流特征分析[J].山东理工大学学报：自然科学版，2020，34（3）：49-65.

[3]林浩，李雷孝，王慧.SPGAPSO-SVM：一种城市公交客流量预测算法[J].小型微型计算机系统，2020，41（11）：2458-2464.

[4]赵海宾，郭忠，吴洪洋，刘海旭，王子甲.适用于一票制公交大数据的系统化处理方法及应用——以银川市为例[J].交通运输研究，2020，6（4）：109-116.

[5]龚兰兰，凌兴宏.CNN+GRU公交短时客流预测研究[J].现代电子技术，2021，44（14）：70-74.

[6]黄益绍，韩磊.基于RS-IPSOSVM的公交客流量预测方法[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2020，39（11）：11-19.

[7]Kumar A，Jain S，Yadav D.A novel simulation-annealing enabled ranking and scaling statistical simulation constrained optimization algorithm for Internet-of-things （IoTs）[J].Smart and Sustainable Built Environment，2020，9（4）：675-693.

[8]马伯浩，布少聪，夏非凡，等.基于多维数据的常规公交时空客流分析[J].中国高新科技，2021（10）：123-127.