基于最大熵分析的西安地鐵換乘系統優化研究

【摘 要】 隨著西安發展，在打造國際化大都市的進程中，原有的交通組織形式已經不能適應西安發展。本文主要從基于調查分析和最大熵的數據圖表，調整出優化配置換乘方式的布局，為西安市城市交通的發展提供合理建議。

【關鍵詞】 ： 地鐵換乘 優化 最大熵

【作者單位】： 西北大學城市與環境學院在讀學生。

【文章快照】根據最大熵原理將數據代入Mathlab，得出換乘的優化方案及乘客配比，以為西安市城市交通的發展提供合理建議。

隨著西部大開發戰略的實施，西安城市面貌正在發生日新月異的變化，經濟社會進入了加速發展、加速提升的新階段。城市交通面對城市人流量快速增大的現狀，必須適時提供科學、合理的解決方案。交通猶如人體血管，關系著城市興亡發展，隨著西安發展，在打造國際化大都市的進程中，原有的交通組織形式已經不能適應西安發展。軌道交通的出現是發展的必然結果。

2011年9月16日，西安地鐵 2 號線通車試運營。 要充分發揮軌道交通大運量、高效率、低碳節能的作用，就需要處理好其與地面交通的換乘問題，保證充分有效地利用原有交通架構，節約市民換乘的時間和體力。[1]本論文中，通過實地調研、約談等方式就換乘的基本問題進行田野調查，在詳細調查資料的基礎上，借鑒國內外城市軌道交通發展的經驗教訓，采取最大熵原理建模，模擬出西安地鐵四種換乘方式換乘優化比，得出四種換乘方式的配備比，以為西安市城市交通的發展提供合理建議。

在研究過程中，我們逐步發現了四種公共換乘方式之間的有機聯系，這四種方式針對的是不同需要的市民，存在一定的正向干擾和聯系。考慮到這種相互交織的聯系正是換乘系統中最重要的因素，在用最大熵原理建模的基礎上，從技術角度分析了四種換乘方式的配比，考慮到人的舒適度和滿意度，更從宏觀交通組織的角度考慮到實際換乘中所亟待改進的方案。

1 地鐵換乘特征分析

地鐵本身的運載能力和效率很高。但地鐵建設運營成本很高，線路的特定和局限，使地鐵不可能滲透到城市各個角落。故而高運量、高效率的地鐵需要依靠地面交通將城市各個方向的客流集中到地鐵站口和將出站口客流量及時分散至城市各個方向。地鐵與地面交通的換乘問題尤為突出。西安雖然只有一條 2號線，卻涵蓋了西安南北主要交通站點，承載量大，對地面換乘交通的要求也很高。

地鐵二號線北起未央區的西安火車北客站，南至位于雁塔區的西安曲江國際會展中心，與西安交通流量最大的主干道重合，站點聯系起南城的會展中心和北城的行政中心（均為人流聚集的城市中心區），分流了相當多的人流。地鐵每車載客量 1480 多人，日均客流量 20萬人次，主要為公務員等。地鐵2號線與其他市內交通的換乘方式有四種：常規公交、微公交、公共自行車和出租車。

1.1 常規公交

西安市常規公交共有 252 條線路，南北中軸線上與地鐵 2 號線全段重復一個站距以上的公交線路達114條，占將近一半，地鐵站點和公交站點的重合度相當高。常規公交運營時間長，最為市民所熟悉，也是交通換乘的首選。地鐵換乘和公交換乘之間的銜接將直接影響廣大出行的便利和舒適程度。目前為地鐵換乘的需要，西安市更改了 9085 塊公交站牌，距離地鐵出入口的公交站點均調整在 150 米以內，并擴建改造 12 個換乘站點以增加公交站點的候車能力和車輛安全?？磕芰ΓＷC道路正常通行。除了距離調整外，公交發車時間和間隔時間也會通過電子站牌來提醒市民。常規公交最大的優勢在價格低廉，不足之處在于易堵車、路線迂回、行駛容易顛簸。

1.2 微公交

微公交是指“微型公交”是指運距短、票價低、車型小的公交車。微型公交運距通常在十公里以內，車型比目前常見的公交車要小，主要負責行駛到常規公交難以到達的交通盲區、街巷以及換乘中不易到達的居住或工作區。目前西安市有三條微公交：161，162 和163路，路線貫穿普通公交抵達不到的交通盲區，都跨越了行人不方便通過的立交橋，線路短、到站速度快，站點的設置也貼近市民需求，有兩條運營態勢良好。微公交目前與地鐵沒有有直接站點銜接，161、162 路與會展中心站較近，換乘偏重于公交乘客。如果要與地鐵站接駁，需要與公交站錯開，避免地鐵出入口交通擁堵。

1.3 公共自行車

公共自行車在杭州市等城市投入運營后，以其網點密集、價格便宜的優勢解決了從交通干線到居住小區之前的“最后一公里”問題。2011 年 4 月，西安市投放了 800 輛公共自行車進行試運營。西安自行車網點設計呈南北走向，約 50%分布于地鐵2 號線路線上，是地鐵與目的地銜接的重要交通工具。[2]到 2012年4月，共 1500余名市民辦卡，相對西安800 萬人口而言，這個數目相當小。使用率不高。研究中發現，公共自行車投放以來存在的主要問題包括：外地人口押金過高（700元），而網點過少，影響到使用者的數量；資金和維護成本高，資金回收渠道單一，回收周期長，不利于商業上的激勵；投放點不均衡，導致出車后不知停放何處等。這都影響到了公共自行車的使用頻率和使用者數量。西安市計劃在2012 年年底前投入 1 萬輛公共自行車，增設自行車網點，除了硬件配備增強外，管理措施和資金回收上也需要有效調整。

1.4 出租車

西安出租車并不便宜，起步價 1元，每公里 1.5元。出租車具有靈活、方便、直達的特點，雖然不具備價格優勢，但成為關鍵時刻的首選。就地鐵 2號線而言，出租車的重要性和特殊性在于它不受停車場地和路線的限制，但到站后，乘客目的地一般已經不遠（乘車、走路、騎車時間差距不大），恐怕不會有太多人選這耗資較高的工具。在我們的調查中，四類的公共交通換乘關系和未來發展方向所示：為了與地鐵接駁，常規公交做了大幅度調整，與地鐵的銜接最多也最通暢；新出現的微公交只覆蓋了會展中心站偏南 6 公里的范圍；公共自行車以北城經濟開發區為基礎，服務面積可覆蓋大約15平方公里范圍，后兩者遠不能滿足城市建設的需要。常規公交和地鐵重合關系最多，聯系也最為緊密。微公交線路待將來網絡優化后會分流乘客，但會造成地鐵出入口交通擁堵。 在地鐵站點短途換乘中， 公共自行車是最具優勢的，不與機動車搶道，停放和使用方式靈活，便于抵達多個街巷角落，不過管理和前期資金投入較大。

2 換乘受眾群體分析

乘客對交通換乘有直接的體驗，對其中的問題也有最為切身、最直接的感受，而且乘客的身份、工作性質、年齡、生活區段的不同，對換乘的要求也有差別。通過調查得知，地鐵2號線上最為擁堵的為末端站點——會展中心站。上下班的高峰期尤為擁堵，擁擠的車廂和長隊候車的場景顯示出對交通換乘和替代交通的需求。

換乘受眾群體有下述特點，以中青年為主、公務員及大學生居多、近一半調查人群的目的地距換乘點在4公里以上。受眾群體年齡集中在 20—50歲，19 歲—30歲的人群最多。公務員（即國家機關、黨群組織群人的概括）、大學生群體最多，以南郊大學城的學生為主，大學生在“其他”類別中占到 80%，其它群體比例不大，平衡在 8%左右。換乘中大學生和公務員居多概因為：首先，行政中心北遷，北客站的開通使得西安進入“北城時代”，因此地鐵二號線“行政中心站”成為重要的人流集散站，而前往或在此站上車的人群，多為公務員。其次，地鐵二號線已完成線路中，最南段始發站為“會展中心”站，開通后從一定程度上方便了南郊大學城大學生的出行，故大學生所占比例最大。

超過六成人群的換乘點距目的地的距離在1.5公里以上，參照國外經驗，停靠站的服務半徑為1.5公里，那么60%以上的調查人士需要換乘，且有近50%調查人群的目的地距換乘點的距離是高于4 公里的。而通常情況下，公共自行車可解決 1—2 公里的換乘問題；2—4公里可采用微型公交進行換乘；4公里以上可使用常規公交進行換乘。出租車在應急的情況下可解決城市內任意距離的換乘。人群對于乘坐軌道交通所消耗時間的期望值集中在“10分鐘之內”、“10分鐘—半個小時”兩個區間，但超過 65%的人實際消耗的時間在半個小時以上，甚至有 30%的人乘車時間超過 1 個小時，即超過常規軌道交通疲勞度最高時間，實際的換乘效率較低。（如圖1）

鑒于地鐵換乘過程中所存在的各癥結點，西安市有關部門采取了諸多方案調整優化換乘，在原有換乘方式的基礎上，加入了公共自行車以及微型公交來緩解換乘壓力。97%的人群希望政府加大對新型換乘方式的扶持力度，反映了人群對于新型換乘方式的認可度以及需求的迫切性。在現有情況下，微型公交只覆蓋了會展中心站偏南6公里的范圍；公共自行車以北城經濟開發區為基礎，服務面積可覆蓋大約 15 平方公里范圍；兩種新型換乘方式服務半徑對于一座人口800萬的城市，遠不能滿足其需求。故新型換乘方式還急需擴展它的覆蓋范圍來滿足人群出行的需要。

公共自行車和微型公交在分布上呈現出明顯的地域特征，選擇公共自行車的多為“行政中心站”和“市圖站”的人群，選擇為微型公交的多為“會展中心站”的調查人群。過半的人群對新型換乘方式抱有好感，新型換乘方式的覆蓋范圍，影響人群對其的認可度，成正比例關系：即覆蓋范圍越廣，服務人群越大，適用人群和普及度越高。對新型換乘方式的陌生，是不選擇該換乘方式的主要原因。新型換乘方式在調查人群中的觸及面雖達到 67%，但實質上有52%的人群屬于點覆蓋，因此加大新型換乘方式的服務半徑、覆蓋面積，以及優化各地鐵站換乘方式比例迫在眉睫。[3]

3 換乘系統優化探索

3.1 設施服務因子分析

人群對地鐵換乘的最直接要求為換乘方式的多樣性。西安常規公交與出租車可以覆蓋所有地鐵換乘站。在基礎設施方面可以影響換乘的因素即為新型換乘方式的覆蓋范圍，微型公交的運營性質在一定程度上決定了人們對其的偏好于選擇。西安現行的 3 路微型公交主要覆蓋了常規公交所不能觸及的公交盲點，規劃線路也偏向于背街小巷非主干道人口密集的社區、街道小區醫院、學校、市場等地方。而這些區域往往也是人群的高需求范圍。西安現行的地鐵換乘中不存在“0 距離”換乘點，因此各換乘點距地鐵出站的距離，會在一定程度上影響人群對不同換乘方式的選擇。基于乘客步行換乘習慣性心理特征，換乘步行不應超過100米，若能控制在 60米以內，則屬于優勢換乘方式。參照香港地鐵的要求， 在 1min內完成換乘不會使乘客產生畏懼心理。按照一般人的步行速度， 結合車站內的擁堵情況， 一般人可在1min內走完100m 的距離。如能將換乘距離控制在60m以內， 換乘時間是可以接受的。特別在通道換乘中采用快速電梯步道可大大加速人的流動， 減少換乘時間。[4]

從心理習慣上可以理解調查群體最大限度追求最優換乘效率的行為，但從理論上來講，微型公交的發車時間應盡可能優于常規公交。對比地鐵沿線常規公交如616路和600 路，發車時間在5 分鐘—15 分鐘，故微型公交的發車時間應在 5 分鐘—20 分鐘內浮動。而公共自行車的數據顯示調查群體的選擇在 40 輛—100 輛區間內保持平衡，基于不同換乘站點人流大小、社會群體構成不盡相同，設置中應視具體需求而定。

3.2 換乘關聯因子分析

常規公交較之出租車具有價格優勢，故常規公交的普及程度最高。出租車在應急方面具有其他類換乘方式所不具有的特點，所以所占比例也較重。

微型公交和公共自行車在西安的發展并不均衡，微型公交在南郊發展勢頭較好，公共自行車在北郊開發區發展勢頭不錯，因此導致選擇這兩類換乘方式的人群分流。調查得知， 60%以上調查者換乘點距目的地距離在 1.5 公里以上，近 50%的調查者距離在 4 公里以上，需要常規公交或微公交換乘。出租車的頻率在這里并不具特殊性，一般去陌生地段和緊急情況下換乘，對個體而言，一般不作為日常的交通工具。

參考國內實例，1.5 公里以內用公共自行車；1.5-4 公里的，經由微公交換乘；4 公里以上的，由常規公交來運載。也不排除1.5-4公里用公共自行車，及 4公里以上用微公交，取決于自行車投放點的配置和微公交路線的設置，以及發車周期和自行車數量等因素。[5]

總體而言，微公交和公共自行車之間存在一定的相互干擾；微公交和常規公交也存在干擾，出租車則與其他三類均有略微的干擾之處。

對乘客而言，影響因素最主要為交通工具的便利程度、速度和可達性，其次為價格和舒適程度，再次為安全、天氣和個人特殊要求等。從地鐵口出來之后，人們心理預期為 100米或50米以內就有換乘的工具?？紤]到各個換乘點附近區域的性質（商業區、行政辦公區、居住區、交通樞紐地段） ，在商業區和行政辦公區，微公交更為合適（站點設置明確，注重乘客乘坐的舒適度），居住區和交通樞紐地段，公共自行車可能更為便捷（方便臨時停車購物，不受堵車局限，可直接抵達房屋樓下）。[6]冬季，公共自行車使用效率會大為降低，建議設置冬季特供微公交，以滿足冬季行人出行需要。

微公交和公共自行車的安置數量及位置也需要特殊考慮。建議微公交站點與常規公交不在一條線上，或平行，或錯開。建議微公交的車型、顏色與常規公交有明顯區別（鮮艷，活潑，親民，靈活、機動） 。公共自行車應能便捷地取用，停放。此外，應鼓勵各單位提供單位車輛定點運送職工或接送學生，以減輕公共交通的壓力，并保障集體安全。

最優化的換乘方式配置比將最大限度的解決換乘難問題，并可以起到疏散城市交通流的作用，故建立起優化換乘配置比是迫在眉睫的。

4 基于熵原理的模型檢驗

采用數據建模的方式規整，并用最大熵原理[7][8]來分析四種換乘方式相互的制約關系和最佳配比?；谏鲜稣{查，為更好地促進西安地鐵的運行效率，我們期望從中找到地鐵換乘中公共自行車、微型公交、出租車、常規公交四類交通出行方式的合適比重。

5 結語

基于調查分析和最大熵的數據圖表，調整出優化配置換乘方式的布局，首先，通過模型函數的建立與計算，提出各類換乘方式基礎的優化配置比重為：27%、2%、54%、17%（常規公交、出租車、微型公交、公共自行車），其中微公交的需求人數最多，常規公交其次。也即從換乘點出來后，100個人中有54個人需要坐微公交，27個人需要坐常規公交，17個人需要乘公共自行車，2個人需要坐出租車。其次，考慮不同地鐵站周邊區域的屬性，如商業片區的特點為行人多，常規公交和出租車都不方便，此時微公交和公共自行車優勢突出，應多加設置。接著，微公交和常規公交線路需統一規劃，使兩種線路互不干擾，相互輔助，分工明確。如果一些線路，微公交可以完全承擔，建議在常規公交中取消，避免造成對乘客的干擾和不必要的競爭。在已有的線路基礎上，增開的線路也需要照顧到民生民情，最好能深入居住區和各類商業、辦公區域的具體樓層下。同時，微公交的車型和顏色都可以更為活潑、親切，讓人頓生親近之感，與嚴肅的常規公交風貌截然不同，這樣，微公交的優勢可以充分體現。然后，公共自行車的換乘，最大的困難來自管理程序復雜，資金的缺口過大。應根據西安市的實際情況，通過私人自行車和公共自行車之間的統籌安排，用不過度依賴技術的手段鼓勵和方便市民取用。包括用專用車牌號來規定公共自行車，不一定要在公共自行車停放站點停放，轉變時間計算方式，在騎完后立刻自動可以算出使用時間，不需要專門到停放站點才能算時間扣費。公共自行車的停放和使用更為靈活，也會增加使用效率和換乘效率。最后，鑒于新型換乘方式具有良好的發展前景，且具有綠色環保，能耗低的優勢。建議政府給予財政補貼和政策優惠，吸引民間資本流入，通過多種方式盈利（廣告，增值服務等），激勵新型換乘方式的加速發展。

參考文獻

[1] 沙濱，袁振洲，廖江華，曹守華.城市軌道交通換乘方式對比分析.[J].內蒙古科技與經濟，2007，23：11-15.

[2] 趙麗莉.西安經開區首批建成10個公共自行車投放站點[EB/OL].三秦新聞網.2012.07.14.

[3] 吳友梅，張秀媛.城市軌道交通的公交換成問題與對策分析.[J].城市公共交通，2005，11：30-33.

[4] 劉學軍.城市換乘行為以及換乘布置選型.[J].城市軌道交通研究，2006，08：25-28.

[5] 羅雁云，董國鵬，陳薇平.關于城市軌道交通換乘的幾點思考.[J].城市軌道交通研究.2004，06：14-16.

[6] 張石石，高志剛，劉海洲.軌道交通與常規公交一體化換乘協調分析.[J].交通科技與經濟，2009，1：109-111.

[7] E T Jaynes. Information Theory and Statistical Mechanics [J].Physical Review，1957，106（4）：620-630.

[8] E T Jaynes. Information Theory and Statistical Mechanics II[J].Physical Review，1957，108（2）171-190.

[9] 漆凱.基于最大熵原理的地鐵換乘站站乘客流線優化模型.[J].物流技術2011，19：87-90.