基于開放數據的常規公交系統綜合評價研究

楊穎，趙己周

(1. 同濟大學 交通運輸工程學院，上海 201804；2. 天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

汽車保有量劇增，給城市帶來了交通擁堵、事故頻發及環境污染等問題。這不僅影響了城市居民的正常出行，而且也制約了城市及經濟的健康發展。由于傳統的公共交通規劃周期長、管理水平較落后，導致公交發展滯后于出行需求。目前，中國城市的公共交通普遍存在線網與站點布設不合理、網絡密度分布與需求量分布不匹配等問題，影響居民出行方式的選擇。部分城市甚至出現了公共交通衰落的尷尬局面。

傳統的公交評價指標體系基于站點、線路及網絡的靜態特征，篩選常規公交系統評價指標，指定權重系數，構建綜合評價模型[1?2]。該方法適用于常規公共交通規劃和城市公共交通系統綜合考核等宏觀性應用。

可達性在交通中通常被定義為：通過特定的出行方式，從一個地方到達另一個地方參加特定活動的難易程度[3]。倫敦交通局[4]設計了一種公交可達性水平評價方法(Public Transport Access Level，簡稱為PTAL)，考慮了站點輻射范圍和發車頻率，將倫敦不同區域的公交站點可達性進行分級。Saghapour[5]等人增加人口因素，研究了墨爾本的公交站點可達性。Yigitcanlar[6]等人提出了基于地理信息系統(Geographic Information System，簡稱為GIS)的土地利用和公交可達性指標。其他的研究基于該方法，構建多種場景，研究網絡可達性[7?8]。

分析不同出行方式的可達性差異，有利于評估城市的交通結構和不同交通方式的競爭力。行程時間與人們對距離的感知非常吻合，可作為可達性和競爭力評價的直觀度量[9?11]。因此，作者基于傳統公交評價指標體系和公交可達性方法，擬提出了網絡開放數據的常規公交綜合評價方法，并以上海市松江區的實際道路和公交網絡為例，評價該區的公共交通運行現狀。以期為公交交通規劃和公交系統進行綜合評價提供借鑒。

1 數據獲取

傳統的公交評價研究，通常基于GIS 的網絡分析，構建路網和公交線網。利用拓撲關系，計算出行距離和行程時間等指標。該方法計算復雜，且不能反映實際道路交通狀態。在實際工程應用中，難以推廣。而互聯網開放數據易于獲取和處理，在行程時間計算中，考慮路況信息。在實際應用中，具有可靠性。

高德開放平臺是基于位置服務的地圖開發工具。其中，Web 服務中路徑規劃的應用程序接口(Application Program Interface，簡稱為API)是一套以HTTP 形式，提供步行和公交等多模式的交通路徑、行駛距離及出行時間計算接口。用于實現路徑規劃功能的開發，適用于無需展現地圖場景下的線路、行程距離及時間查詢。

本研究構建了針對常規公共交通系統運行的綜合評價方法，并基于上海市松江區的實際道路和公交網絡，進行案例分析。使用Web 服務，獲取所需的公交線路、站點及指定起終點的多模式交通的出行距離和時間等數據。

2 常規公交系統綜合評價方法

2.1 傳統公交評價指標體系

國內外公交優化及評價指標體系，主要從公交服務水平、網絡技術性能、經濟效益水平及可持續發展水平等4 個方面，構建了城市公共交通系統評價指標體系[1]。本研究構建了常規公交系統的運行評價，并以公交網絡技術性能指標評價公交的靜態特征，見表1。

表1 傳統公交評價體系Table 1 The traditional evaluation system for public transit

傳統公交評價體系公交站點覆蓋率(f1)、公交線網密度(p)、公交線路重復系數(α)及公交線路非直線系數(f2)為：

式中：f1為區域公交站點500 m 的覆蓋率；G為區域的公交站點的500 m 半徑覆蓋面積，km2；S為區域總面積，km2。

式中：p為公交線網密度，km/km2；L為公交線路經過的道路中心線長度，km；S為區域總面積，km2。

式中：α為區域公交線路重復系數；l為單條公交線路長度，km；L為公交線路經過的道路中心線長度，km。

式中：f2為公交線路非直線系數；l為該公交線路的長度，km；d為線路起、終點站間空間直線距離，km。

2.2 基于PTAL 和POI 的站點可達性評價

PTAL 指標根據所選地點與公交車站的距離及該車站途徑線路的發車頻率，對所選地點進行評分，評分越高，則表示交通基礎設施的連通性和服務質量越好。PTAL 的計算與指定地點到交通站點的網絡距離和站點線路的發車頻率有關。因此，PTAL 值高的區域具有的特征為：①與最近的車站步行距離短；②最近車站的等待時間短；③這2 種特征的組合。

本研究依據PTAL 指標，結合高德開放平臺住宅類型的興趣點(Points of Interests，簡稱為POI)，分析常規公交站點的分布與住宅的相關性，評價公交系統的供給現狀。

本研究采用基于柵格的PTAL 計算方法，將研究區域劃分為邊長100 m 的方格，每個方格中心點計算得出的結果，作為該柵格區域的PTAL 值。單個點的PTAL 計算方法：

1) 篩選可接受步行時間內的公交站點。倫敦交通局的調查研究，假定乘客可接受的步行到站距離為640 m，行人平均步行速度為4.8 km/h，即可接受的最長步行時間為8 min。參考此標準，通過高德開放平臺，直接獲取所有公共交通站點與單個方格中心點的步行距離和步行時間。

2) 計算每個站點每條線路的時刻表等待時間。時刻表等待時間，基于工作日早高峰的公共交通線路服務頻率計算。由于早高峰期間公交線路服務頻率均較高，因此，假定乘客到達時間是隨機的。時刻表等待時間定義為每個公交站點的每條線路相鄰2 次到達的時間間隔的一半。如果同一條線路經過范圍內多個站點，那么僅考慮最近的站點。

式中：t1為時刻表等待時間，min；f為線路的發車頻率，次/h。

3) 計算每個站點每條線路的平均等待時間。平均等待時間，通過可靠性因子修正時刻表等待時間。反映因公交到站的不規律性，造成的實際等待時間偏高的現象。可靠性因子因運輸方式而不同。參考倫敦的研究，常規公交的可靠性因子為2 min。

式中：t2為平均等待時間，min。

4) 計算每個站點每條線路的總可達時間和等效門檻頻率。

式中：t3為總可達時間，min；twalking為從出行起點到公交站步行時間，min。

式中：F為等效門檻頻率。

5) 計算單個網格點的可達性指數。通常情況下，一次出行會選擇附近車站的特定線路出發。為了反映一個區域內全部公交出行的可達性，將可達性指數的計算方法簡化，最高等效門檻頻率賦予高權重，其他等效門檻頻率賦予低權重，然后求和。本次研究中，將最大等效門檻頻率值的權重值設為1，其他等效門檻頻率設為0.5。

式中：A為可達性指數。

對區域內所有網格中心點的可達性指數值進行分級，可以得到每個網格區域的PTAL。

POI 信息直接從高德開放平臺獲取，參考平臺對POI 分類，篩選住宅類型POI。分別對PTAL 結果和住宅POI 進行可視化。并統計不同PTAL 等級下住宅的分布，評價公交站點的分布合理性。

2.3 基于多模式出行時間的競爭力評價

為了評價公共交通網絡的運行情況，比較多種交通模式出行下公交的競爭力。本研究采用出行時間作為衡量指標，便于直觀地反映不同交通模式下的差異。由于基于GIS 的研究方法，通常將起點到終點的一次公交出行劃分為3 個階段：①從起點到公交車站；②乘坐公交車及換乘；③從公交車站到終點。其中，每個階段都需要自定義參數，如：等待時間、換乘時間和公交行駛時間等，計算較為復雜。因此，研究中使用高德地圖開放平臺的路徑規劃接口，直接計算。通過輸入起點和終點的經緯度信息，獲取指定起訖點的公交出行時間、換乘次數、駕車時間及騎行時間等數據。

與基于GIS 的出行時間計算相比，高德開放平臺利用既有的地圖資源和成熟的算法，充分考慮了交通狀態等信息。通過歷史數據及算法，對多模式出行時間進行較為精確預測，計算簡單方便。

3 案例研究

以上海市松江區作為案例。松江區是上海市西南部的一個郊區城市，共有一百余條公交線路。其中，11 條為跨區域公交線路。總體線路分布呈現松江中心區和東北片區密集及其他地區稀疏的特征，如圖1 所示。由于松江區內軌道交通，以連通松江中心區與上海中心城區為主要功能，區內出行中選擇地鐵的比例較低，因此僅選取松江區的常規公交進行研究。

圖1 松江區公共交通現狀Fig. 1 Present status of Songjiang public transit

3.1 松江區常規公交傳統評價

通過傳統評價體系指標對松江區常規公交的靜態特征進行分析。在對各項指標的評價中，不僅參考相關標準規范規定的指標閾值，而且對上海全市范圍、上海市區(上海市外環線以內的區域)及嘉定區(上海市西北部郊區)的公交系統各項指標進行計算。橫向對比，發現松江區公交系統存在的問題。各項指標值見表2。

根據《城市道路交通規劃設計規范(GB50220—95)》要求，站點500 m 覆蓋率不得小于90%；市中心區的公共交通線路網密度應達到 3 ～4 km/km2，在城市邊緣地區應達到2～2.5 km/km2；公交線路的非直線系數不應大于1.4。根據《交通工程手冊》[12]規定，公交線路重復系數以1.25～2.50為宜。

從表2 中可以看出，松江區的公交系統，具有的特點為：

1) 公交線網密度適中，重復系數略高。松江區公交線網密度適中，達到規范要求，相較于郊區嘉定區密度較高，與上海全市范圍基本持平。然而線路重復系數略高，如圖2 所示，公交線路重復覆蓋較高的路段主要集中于松江中心區及連通中心區與外圍片區的主要干道。

表2 上海市不同區域常規公交傳統評價指標Table 2 Traditional evaluation values for public transit across at Shanghai

圖2 松江區公交線路分布Fig. 2 Spatial distribution of Songjiang public transit routes

2) 松江區整體站點覆蓋率偏低。與同為西部郊區的嘉定區相比，松江區的站點500 m 覆蓋率較低。如圖3 所示，松江區外圍地區缺乏站點覆蓋，公共交通發展落后。

3) 非直線系數偏高，線路繞行嚴重。松江區公交線路非直線系數的均值高于規范要求，且滿足要求的公交線路，占比僅為6.5%，遠低于上海全市范圍和嘉定區。因此，松江區的公交線網存在嚴重的繞行問題。

圖3 松江區站點500 m 覆蓋區域Fig. 3 500 m coverage area of Songjiang public transit stops

3.2 松江區常規公交站點可達性評價

利用GIS 平臺，對松江區常規公交的站點可達性結果進行可視化。按照自然斷點分級法，進行分級，如圖4 所示。自然斷點分級法通過聚類，使類內差異最小，類間差異最大，因此，能有效表達可達性之間的差異。

結合松江區住宅類型的POI 信息，對其空間分布進行可視化，如圖5 所示。并統計不同可達性下，住宅的分布情況，見表3。

圖4 松江區PTAL 分布Fig.4 PTAL of Songjiang

圖5 松江區住宅POI 分布Fig. 5 Spatial distribution of Songjiang residential POI

表3 松江區站點可達性評價指標Table 3 Access index values of Songjiang public transit stops

從表3 可以看出，松江區公交系統具有的特征為：①公交的服務質量不均衡，從圖4 可以看出，松江區中心城區的PTAL 值整體較高，其他地區公交線路沿線的PTAL 值中等級。表明：中心城區的公交系統呈現網狀分布，站點密度、線路密度及服務水平較高；其他地區的公交系統，呈現帶狀分布，僅在主要干道上設置公交線路。②松江區總體公交連通性較差，松江區近一半的地區處于公交站點的服務輻射之外，可達性等級為0。將近80%的地區可達性等級不高于2 級，而可達性等級不低于5級的地區，僅占全區的4.4%。可達性等級為0 的地區，僅分布4.4%的住宅，過半的住宅位于可達性等級為2～4 的地區。表明：松江區的公交系統基本考慮了潛在需求，但仍存在供需不均衡和站點設置不合理的現象。從圖5 可以看出，該區北部片區，存在部分住宅區位于可達性等級極低的地區，而南部東西向干道的兩側，雖然分布了大量的空地和農田，但是有部分地區具有較高的可達性等級。

3.3 松江區常規公交競爭力評價

松江區人民政府位于松江中心城區，周圍分布著大量的住宅和商區，是松江區的核心位置。為便于研究將該區劃分為200 m×200 m 的柵格，以該區人民政府為出發點，其他柵格中心點為終點。分析中心城區在不同交通模式下的可達范圍及競爭力。在GIS 平臺下，對相同起訖點不同出行模式(公交、駕車和騎行)下的出行時間進行可視化，如圖6～8 所示，統計不同出行時間閾值下的可達面積，評價松江區常規公交的競爭力，見表4。

圖6 松江區常規公交可達范圍Fig. 6 Accessible areas by public transit in Songjiang

圖7 松江區駕車可達范圍Fig. 7 Accessible areas by driving in Songjiang

圖8 松江區騎行可達范圍Fig. 8 Accessible areas by riding in Songjiang

表4 不同出行模式下的可達范圍Table 4 Accessibility of different travel modes

由表4 可知，多種出行方式中，松江區常規公交的競爭力弱。主要原因：相同起訖點下，公交出行時間過長；相同時間閾值，常規公交可達范圍較小。主要表現：①中、短距離出行中，常規公交競爭力弱于騎行。在短距離出行中，常規公交30 min可達范圍，僅占全區面積的1.14%，遠小于騎行15 min 可達范圍。公交候車時間長，到達站點的步行時間也較長。在中等距離出行中，常規公交60 min可達范圍與駕車15 min 和騎行30 min 可達范圍持平。②在長距離出行中，公交競爭力遠不如駕車。在長距離出行中，駕車1 h 可達范圍已經完全覆蓋全區，而常規公交需要2.0～2.5 h。

4 結論

通過常規公交傳統評價指標體系、站點可達性評價及競爭力評價3 種方法，對松江區常規公交系統進行綜合評價。得到的結論為：

1) 松江區常規公交的線網密度達到規范要求，并且線位和站點設置考慮了潛在的出行需求，與住宅分布具有一定的契合性。但存在不足：①站點設置不合理和覆蓋范圍較低，導致公交系統供需不均衡。②非直線系數偏高，線路繞行嚴重。③公交出行時間較長，競爭力不足。

2) 通過對3 種方法的評價結果進行對比分析。表明：傳統的常規公交評價指標體系，反映的是公共交通系統的靜態特征。與站點500 m 覆蓋率相比，站點可達性評價，將區域內的站點覆蓋程度進一步細化，而非單純用覆蓋與否來評價。競爭力評價則是通過行程時間評價全出行鏈的公交運行特征。3 種評價方法相輔相成，可得到綜合性的評價結果。

本次研究仍有改進之處，如特定公交站點和線路存在的問題，需要更細致的方法進行評價分析。

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