基于消費者決策心理的公交換乘算法的設計

顏桂梅，林宇洪，郭建鋼

（福建農林大學1.金山學院；2.交通學院，福建福州350002）

公共交通是城市重要的交通基礎設施，是關系民生的公益事業。目前交通擁堵已成為城市運行管理中的突出矛盾之一，許多城市制定了“單雙日限行”、“限電禁摩”等限制性交通政策，并提出了公交優先的發展戰略，作為城市主動脈的公交系統將承擔起緩解交通壓力的重擔。公交優先指市內客運交通以大容量、快速度的大公交系統（包含公交車、出租車、地鐵、輕軌）為主，以其他交通工具為輔。2010年8月課題組在福州市對公交環境進行調查，調查表明：福州市在公交優先方面給予了充分的政策支持、加大了財政扶持力度、加強了基礎設施建設、改善了公交技術裝備。但是，公交出行和私家車、電動摩托車之間依然產生了劇烈的競爭。調查認為，部分公交乘客消費體驗不理想，在消費決策心理上不能做到“公交優先”［1］。課題組從消費者決策心理分析入手，設計了一個公交車換乘短信查詢平臺，服務于高校師生，為師生公交出行提供了參考方案，運行已1年，使用效果良好。

1 公交乘客消費決策心理分析

課題組于2011年6月份對福建農林大學師生做了公交問卷調查，發放400份，回收有效問卷311份，其中有260位學生及51位青年教師填寫了有效問卷。列舉幾項數據見表1。調查表明了消費者從心理上對時間、費用、舒適感考慮的權重不同，因而影響了最終的消費決策［2］。表1中的第6項虛構了50 min內要從福建農林大學至福州市火車站的情景：① 36.3%的乘客選擇“尋找出租車并全程乘坐出租車”，這一方案早午晚三次實測平均費用38元，時間約35 min，但是存在等不到出租車的風險；② 35.4%的乘客選擇“公交和出租車混合方式出行”，利用公交車進入市區出租車較多的區域，再換乘出租車，三次實測平均費用27元，時間約42 min；③ 11.6%的乘客選擇“電話招喚出租車”，三次實測平均費用41元，時間約32 min；④ 16.7%的乘客選擇“全程乘坐公交車”，三次實測平均費用1元，時間約62 min。以上時間包含了等車時長、尋車時長。

表1 調查統計結果Tab.1 Statistical Results

分析可知，多數青年師生在消費決策時有其共同點［3］，消費心理表現如下：在出行中求實惠，希望在不誤事的前提下，盡可能地利用公交車出行。如果發現一次乘車距離不足2站，愿意用步行或自行車代替短距離的乘車。通過測量，2站距離在大學周邊約1 km，在商業區約800 m，在住宅區約600 m。青年師生喜歡把步行階段安排在混合出行的開始或結束階段，這樣有時可用自行車代步。但是本次調查也發現一部分師生在消費決策中有自己的獨特考慮，表現出具有個性特點的消費偏好。有些乘客寧可多花些時間，也要選擇座位寬松的公交線路，而有些乘客喜歡公交車、出租車混合出行［4］。

2 換乘算法的研究

系統將為乘客提供3套具有代表性的方案：① 為消費者個性需求定制的特殊方案，盡可能改善其消費體驗，促進其在心理上能形成“公交優先”消費習慣。② 提供滿足大眾化消費心理需求的方案，在多次換乘時盡可能安排第1次乘車線路在2站以內，鼓勵乘客用步行或自行車的綠色方式代替第1次乘車。③ 假設乘客出行時間不充裕，為乘客提供快速方案，從起點向終點方向搜索出租車熱點區域，提示乘客可在該區域換乘出租車，并提供呼車熱線電話。該方案是純公交出行、純出租車出行的折衷方案。

2.1 基本樹形搜索算法

課題組參照樹遍歷的原理，設計了一種智能算法［5］。以經過起點的公交線路為根，以經過根的線路為枝。同一路車的上行、下行視為不同線路，只考慮正在運營的線路，每條線路僅允許在樹中出現一次，遍歷樹以尋找換乘解。從理論上，該方法能夠求出各種換乘次數的所有解，但是考慮到公交乘客心理特點，應控制換乘次數，所以構建樹時對枝的層數做出限制。經調查有91.3%的青年師生在消費決策過程中，認為換乘次數超過2 次的換乘方案不能接受，將優先采用出租車、步行及公交車混合出行的方式。所以在樹形搜索算法中最多遍歷2 層的枝即可，樹的規模受到了限制，也有利于提高算法響應時間。見圖1所示，搜索從“三中”至“上渡”的公交換乘方案，首尾相聯的箭頭表明遍歷過程，在樹中出現幾個與終點同名的節點，即獲得幾種換乘方案，取其換乘次數最少且換乘次數相同時站點數最少的解法，即為最優解。

圖1 樹狀遍歷算法Fig.1 Tree-model algorithm

2.2 權重改良的樹形搜索算法

在樹形搜索算法中加入權重影響因子［6］，設置方法見表2。引入權重后，樹形搜索算法就演變成能夠滿足乘客消費偏好的定制算法。其中“座位寬松”的評優函數如公式（1）所示，此時乘客獲得座位的概率最大。

式中：z為座位寬松評價指標；Ui為站點i的上車人數；Di為站點i的下車人數；m為站點總數；s為該公交車提供的座位數。

本算法是一種計算動態數據的算法，根據公交車的GPS數據判斷線路是否正在運營，由正在運營的線路來構建樹，所以算法獲得換乘方案是可以實現的。而其它同類換乘查詢系統提供的換乘算法通常是靜態的算法，即乘客在夜間發出查詢時，卻可能獲得白天才可實現的換乘方案，將會影響乘客出行。

圖2 同心圓算法Fig.2 The concentric circle algorithm

2.3 同心圓搜索算法

調查表明大多數青年師生在第1 次乘車僅有2 站時，愿意用步行或自行車代替短距離的乘車。因此系統針對大多數人的需求，設計了同心圓搜索算法。如圖2所示。搜索算法解釋如下：在不能從起點直達終點的時候，從起點搜索所有線路中相鄰一圈站點，考察這些站點是否有線路可達終點。如果失敗，則擴大一圈再逐點考察。例如，在圖2中先逐個考察A，B，C，D是否有線路能達到終點，然后再考察E，F，G，H，起點至換乘點的交通距離必須控制在1km以內。

將同心圓考察方法加入樹形搜索算法中，按圖3流程工作。最后獲得的換乘方案的特點如下：該算法首先考慮換乘次數n最少優先；在必須多次換乘時，考慮第1次乘車站點在2站以內優先。

圖3 同心圓搜索算法流程圖Fig.3 Flowchart of the concentric circle algorithm

3 短信平臺的建設

大多數青年師生認為通過手機免費查詢換乘方案是最便捷的查詢方式，但是目前手機型號繁多，操作系統雜亂，無法編寫一種手機軟件就能在所有手機上良好運行［7］。目前各種型號的手機都能完美支持超長短信功能，因此系統選擇短信平臺的開發模式，采用超長短信技術向乘客發送換乘方案。系統架構見圖4。公交總公司由多臺服務器構成計算云，接收并處理公交車實時發來的GPS信息，獲知各線路的運營狀態、站間距離、站間時間，為搜索算法提供動態數據。計算云集中受理消費者發出換乘查詢請求，運行搜索算法，向消費者提供最優的公交換乘方案。在云計算的支持下，實現了手機硬件無關性，即使手機CPU計算能力很弱也能夠快速獲得換乘方案［8］。

圖4 系統架構圖Fig.4 System architecture

系統在試運行時發現，許多乘客不知起點、終點對應的公交站點的標準名稱。如果在收到查詢請求后，臨時在GIS地圖中模糊尋找起點、終點匹配的公交車站［9］，在測試機上約耗時3.7 s，CPU、內存負擔重，求解效率低。因此編寫程序，從GIS中導出每個地點最近的4個公交站點生成“車站匹配表”。并對地名字段建立索引［10］。從此系統可脫離GIS 地圖檢索地名，檢索耗時約0.05 s。為了記錄公交乘客個體消費偏好，對任何新出現的手機號，系統發送1條調查短信，調查內容見表1的第3項，當乘客做出選擇后，將選擇結果存入“消費偏好表”，為制定個性方案提供了依據。為了優化公交車與出租車混合出行的方案，課題組在市區調查了25個最容易招呼到出租車的地點，存儲在“出租車熱點表”，為制定快速方案提供了依據。

短信平臺的開發過程詳見文獻［11］，該文獻介紹了短信平臺的軟硬件及工作流程。超長短信的開發詳見文獻［12］，該文獻提供超長短信的編碼與解碼。車載GPS 端的開發詳見文獻［13］，該文獻介紹車載GPS端的結構、電路及GPRS通訊方式［14］。這些模塊均由本課題組開發，技術較為成熟，皆以投入商用。

4 系統運行實例

課題組于2011年7月在實驗室架設了換乘查詢短信平臺，24小時工作。因為在實驗中無法獲得公交車實時GPS數據，因此準備了3套公交車線路數據，分別是7：00至19：00，19：00至22：00，22：00至7：00的公交車通暢狀態表，按時間切換，避免查詢者獲得的換乘方案不能使用。對師生發放宣傳卡片1500份，說明這是學校建設的一個公益性免費平臺，介紹操作方法。師生很積極的參加系統測試，在寒暑假的出行高峰期，系統自動受理了最高達287條/日的查詢請求。

例如收到內容為“天豐電子城#森林公園”的查詢短信，系統按如下流程工作：① 接收并解析短信，按“起點（任意分隔符）終點”的格式，取出起止地點；② 模糊匹配起點、終點對應的公交站；③ 檢索消費偏好，制定個性方案；④ 采用同心圓搜索算法，制定推薦方案；⑤ 制定快速方案，在搜索個性方案過程中，會獲得一批待選方案，從中尋找一次乘車且10站以內到達出租車熱點區域的方案；⑥ 構建超長短信，通過GPRS MODEM向查詢者發送短信，內容如下：天豐電子城在“打鐵垱站”附近，森林公園在“森林公園站”附近。個性方案：從“打鐵垱站”乘“51路”至“五四路口站”共6站，換乘“72路”至“森林公園站”共13站，此方案座位較寬松；推薦方案：從“打鐵垱站”乘“37路”至“兒童公園路站”共2站，換乘“54路”至“森林公園站”共21站，您也可步行至換乘點；快速方案：從“打鐵垱站”乘“2路”至“外貿中心酒店站”共10站，此處出租車較多，可換乘出租車，出租車招呼熱線電話968968。

系統選用3臺舊計算機（單核CPU主頻1.60 GHz、2 G內存）組成一個簡單的云計算中心。接收并解析查詢短信耗時0.13 s，系統隨機選擇一臺計算機承擔該短信的解析和計算，獲得3種方案耗時1.86 s，發送超長短信耗時17.21 s，即用戶發送查詢短信后，約20 s后能收到系統回應。日后如果客戶群增加，計算量增大，只須向云計算中心掛入新的計算機即可，計算耗時不會因為客戶人群增長而增大，這是云計算架構的優勢之一。短信平臺Sim卡選擇短信0.03 元/條資費的公安金盾卡，每次回復信息長度通常在250字以內，采用基于GPRS MODEM 短信技術費用為0.12 元/次。如果采用網關短信技術后，回應時間可縮短至2.5 s，但是運營成本提高到0.24元/次。兩種短信技術，可根據實際需要加以選擇。青年師生通常使用校園套餐，每月獲贈300條免費短信，所以查詢費用為0。

5 結論

優先發展城市公交是貫徹科學發展觀，建設環境友好型、資源節約型社會的重要舉措，是提高交通資源利用率的有效手段，也是改善城市環境，提高城市競爭力，促進城市可持續發展的必然要求。然而要徹底地實現“公交優先”，不僅僅是加強城市基礎設施軟硬件的建設，還需要對乘客消費心理給予足夠的重視［15］。只有讓消費者產生良好的消費體驗，才能夠在消費者內心真正樹立“公交優先”消費決策理念。在此認識的基礎上，課題組設計了3種換乘搜索算法，3種算法優缺點見表3。

表3 算法優缺點對比表Tab.3 Algorithm comparisons of advantages and disadvantages

其中“經過權重改良的樹形搜索算法”滿足了乘客在消費決策中產生的個性化偏好，有助于乘客對公交系統產生更多的好感。而“同心圓搜索算法”則試圖從觀念上引導消費者形成更加綠色健康的混合出行習慣。如果“同心圓搜索算法”算法能全面推廣，影響到每一位乘客消費決策，能將一定范圍（500 m至1 km半徑［16］）的乘客吸引到個別公交線路較多的優質站點，提高這些站點客流量，從而發展成為公交換乘樞紐［17］。這些換乘樞紐形成后，可升級采用更高效率的大型公交車，提高運輸效率，減少排放，促進公交網絡的優化。還能促進在優質站點周邊形成更大規模的自行車存放服務點，使自行車、公交混合出行更加方便，能減少校園、商業區、住宅區內的汽車通行量［18］，降低生活空間的污染，減少居民區事故隱患，提高市民生活質量［19-20］。

［1］張秀敏，姚建明.基于旅客心理需求的鐵路客運服務綜合評價模型研究［J］.鐵道運輸與經濟，2005（9）：79-81.

［2］曲思源，徐行方.基于DEA的城際鐵路列車開行方案評價［J］.華東交通大學學報，2012，29（1）：79-94.

［3］傅冬綿.交通系統中最少換乘算法及其實現［J］.華僑大學學報：自然科學版，2001，22（4）：348-350.

［4］汪江紅.公交換乘系統研究及評價［D］.西南交通大學碩士學位論文，2006：50-53.

［5］郭建鋼，伍雄斌.多智能體技術在交通系統協調控制中的應用［J］.華東交通大學學報，2005，22（6）：38-41.

［6］詹彩娟，潘曉東.交通影響評價中交通量預測算法的實例檢驗［J］.華東交通大學學報，2011，28（4）：52-57.

［7］郭建鋼，林宇洪，莊清強，等.彩信技術在交通違法主動告知中的應用［J］.交通運輸工程與信息學報，2011，9（3）：5-11..

［8］林宇洪，林森，邱榮祖.基于RFID的林產品原料追溯系統的設計［J］.森林工程，2011，27（4）：34-37.

［9］楊新苗，王煒，馬文騰.基于GIS的公交乘客出行路徑選擇模型［J］.東南大學學報：自然科學版，2000，30（6）：87-91.

［10］林宇洪，林玉英，胡喜生，等.后林改時期的林權WebGIS 管理系統的設計［J］.中南林業科技大學學報，2012，32（7）：146-150.

［11］林宇洪，景銳，景林.森林防火手機短信平臺的設計與實現［J］.西南林業大學學報，2009，29（4）：59-62.

［12］胡為穎，林宇洪.基于超長短信技術的林業運輸信息平臺的研制［J］.西北林學院學報，2008，23（5）：201-204.

［13］林宇洪，沈嶸楓，邱榮祖.南方林區林產品運輸監管系統的研究［J］.北京林業大學學報，2011，33（5）：130-135.

［14］林宇洪，張春霞，邱榮祖. 基于C#. net 林業運輸無線監察系統的開發［J］. 交通運輸工程與信息學報，2010，8（3）：99-104.

［15］徐錦強，陳竹師，丁藝.基于駕駛行為的車道變換模型研究及仿真［J］.華東交通大學學報，2011，28（6）：68-72.

［16］呂慎，田鋒，李旭宏.組團式大城市客運綜合換乘樞紐布局規劃方法［J］.交通運輸工程學報，2007，7（4）：98-103.

［17］胡華，楊曉光.基于TOD 的城市公共交通樞紐設計方法研究［J］.交通與計算機，2007，25（2）：106-110.

［18］王靖陽，李林波，王珺.關于城市公共交通綜合換乘樞紐建設的思考［J］.交通科技與經濟，2006（3）：99-101.

［19］張娟.基于人類心理需求的居住區規劃設計［J］.科技創業月刊，2007，（6）：192-193.

［20］許海華，肖文穎.基于VB、Matlab 的交通事故現場勘查攝影測量系統的開發與應用［J］.華東交通大學學報，2010，27（6）：52-58.