基于GIS的城市常規公交線路優化研究

朵玉娟

(蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

近年來，城市公共交通快速發展導致城市道路資源緊缺，城市交通也愈發擁堵。因此，政府和社會各界都開始鼓勵公共交通的發展。另外，公共交通也因其費用低易乘坐成為了乘客首選的出行方式。

目前，國內外關于公交系統的研究較多。Sullivan[1]等運用GIS對等時線地圖進行了可行性分析，提出了選擇最佳路徑的分析方法。Andrew[2]以ArcGIS為基礎，研究患者乘坐私家車和公交到達就診點的可達性。匡星[3]考慮距離、安全、票價等因素對城市公交服務水平進行分析，并對長春市的公交服務水平進行評價。王艷天[4]通過TransCAD和BGL軟件提出了實現公交線網評價指標的方法，解決了目前研究中理論研究較多、算法難以實現的局面。張欣環[5]根據城市公交線網特點和交通規劃模型，對適合研究現有城市公交線網分析的TransCAD軟件的模型機理、數據結構和操作流程進行研究，并研究了基于GIS-T的城市公交線網指標評價方法以及城市公交線網優化技術。丁祥禎[6]利用ArcGIS對公交站點、線網進行評價，并通過空間句法理論對昆明市局部區域內的公交線網內的站點和線路進行評價。

1 城市常規公交線路優化系統設計

1.1 系統體系結構設計

系統充分考慮了用戶的需求，將數據流分為三大模塊，見圖1。

圖1 系統體系結構

第一層為顯示層。主要顯示城市常規公交線路優化系統的交互界面，當系統使用者進行查詢時，調用中間邏輯層的功能模塊，并將查詢結果反饋使用者；

第二層為中間邏輯層。主要通過調用相關組件，實現城市常規公交線路優化系統的相關功能。當系統功能模塊處理調用請求之后，將查詢結果返回顯示層。

第三層為數據管理層。主要用于儲存和編輯現有地圖的相關數據。

1.2 系統功能設計

城市常規公交線路優化系統在對乘客的出行需求進行研究之后，明確了系統最終實現的主要功能為查詢編輯功能和常規公交線路設計功能。

(1)查詢編輯功能

站點查詢：通過查詢某一站點，顯示通過該站點的所有公交線路信息。

線路查詢：通過查詢某一線路，顯示該線路所有的公交站點。

(2)常規公交線路設計功能

以出行距離最短為目標，最終實現出行最優路徑的設計。

2 城市常規公交線路優化系統功能分析

2.1 查詢編輯功能

查詢編輯功能主要是為了實現居民OD點查詢以及線路查詢。例如乘客出行查找學府路站時，學府路站點顏色將會發生變化，以此來區別于其他公交站點，并且還會以一定比例在主地圖窗口中進行顯示。查詢成功時，站點信息框中還會顯示經過該站點的相應公交線路。當輸入站點不存在時，系統將會提示“請檢查站點信息，重新輸入”。

通過線路查詢可以查找所需要的公交線路，和站點查詢相同，所查詢的公交線路會以一定比例居中并在主地圖窗口中進行顯示，所查詢到的公交線路顏色也會發生一定的改變，引起使用者的注意。當查詢成功時，線路信息框中將會顯示通過該線路的所有公交站點。當輸入線路查詢不到時，系統會提示“請檢查線路信息，重新輸入”。例如，當出行者查詢072路公交線路信息時，系統界面如圖2所示。

圖2 線路查詢

2.2 城市常規公交線路設計功能

乘客出行時往往會考慮多種因素，如出行時間、體力消耗、費用等，以使得出行成本最少。不同的乘客出行時出行目的不同，所以對最優路徑的選擇也是不一樣的。由此可見，最優路徑不是最短距離的問題，而是引申到費用最短的路徑問題和時間最少的路徑問題。所以，最優路徑是考慮乘客的出行需求、目的以及消耗等因素的一種出行路徑選擇方式。本系統主要為城市常規公交線路優化系統，所以本系統最優路徑主要是實現距離最短，最終實現最優路徑的設計。

最優路徑的實現主要還是實現路徑最短，本系統主要依據Dijkstra(迪杰斯特拉)算法實現最優路徑的設計。Dijkstra算法可以用來實現一個節點到其他任意節點的最短路徑，特點主要為以起始點為中心，向外進行擴展并擴展到終點[7]。Dijkstra算法是最短路徑算法中最具有代表性的，Dijkstra算法又名為單源最短路徑，單源是指在一個有向圖中，從頂點出發，求解該頂點到所有可到達點之間的最短路徑[8]。

城市常規公交線路優化系統主要是利用ArcGIS將蘭州市局部區域的公交站點和公交線路信息組織成一個有向通達圖，并為所有的站點和線路設置名稱以及線路等基本屬性[9]。其中，公交線路主要是由一段或者多段線路組成，最終顯示一條完整的公交線路。公交站點主要依附公交線路，在站點處對公交線路進行打斷，使得路徑得以實現[10]。

(1)出行最優路徑算法的實現

城市常規公交線路優化系統基于Dijkstra算法得到最優路徑的實現步驟如下。

①輸入公交線路的起點和終點；

②與起點連接的所有公交站點為集合A，并判斷與集合A中距離起點最近的公交站點為a，起點與a之間的路徑為L1；

③除起點之外與a連接的所有公交站點為集合B，并判斷與集合B中距離a點最近的點為b，a與b之間的路徑設為L1；

④重復以上步驟直至達到終點；

⑤獲得L0至Ln路徑即為最短路徑。

(2)最優路徑查詢的實現

當選擇最優路徑查詢時，最優路徑查詢界面如圖3所示。

圖3 最優路徑查詢

3 結 論

(1)通過分析現有常規公交所面臨的問題，以蘭州市局部地區公交線網為例，獲取相關常規公交站點和線路信息，基于GIS實現了城市常規公交線路優化系統設計。

(2)交通大數據已經成為公共交通發展的需要，互聯網數據的獲取不僅能夠規劃人員和政府管理部門，也能高效地規劃現有的公交線路，準確高效地對現有公共交通進行相應的調控。

(3)在進行常規公交線路優化時，僅僅只考慮了距離最短，在今后的研究中，還可以考慮出行者的換乘需求，這是本系統在未來進一步需要完善的部分。此外，還可以將3D仿真技術應用到本系統，使系統的可視化性能更加強大。