基于節(jié)點(diǎn)重要度聚類的可變線路公交站點(diǎn)規(guī)劃

張新明 馬賽賽 劉曉婧

（濰坊市規(guī)劃編制研究中心，山東濰坊 261041）

城鄉(xiāng)低出行密度地區(qū)，居民出行總量小且波動(dòng)大，常規(guī)公交出行方式可能導(dǎo)致居民出行體驗(yàn)較差且運(yùn)營(yíng)效率較低。可變線路式公交兼具常規(guī)公交的低成本以及需求響應(yīng)式公交的靈活性，能夠解決低強(qiáng)度地區(qū)出行問(wèn)題。面對(duì)可變線路公交站點(diǎn)規(guī)劃問(wèn)題時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)解決可能導(dǎo)致公交實(shí)際運(yùn)營(yíng)達(dá)不到預(yù)期，最終停運(yùn)。有關(guān)可變線路公交規(guī)劃方面的研究較少。Erricof等[1]對(duì)可變線路式公交的固定站點(diǎn)選址和站點(diǎn)的訪問(wèn)次序進(jìn)行研究，提出2種確定可變線路式公交站點(diǎn)及線路走向的方法。肖景文[2]基于需求響應(yīng)式運(yùn)輸系統(tǒng)的概念，研究適合推行需求響應(yīng)式公交服務(wù)的中小型城市服務(wù)區(qū)域的特性，在滿足乘客需求的前提下，選擇公交的最佳運(yùn)營(yíng)模式和彈性線路方案。本文以城市公交出行節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，綜合考慮可變線路公交運(yùn)營(yíng)區(qū)域的旅運(yùn)特性、公交需求相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)特性、土地利用特性、道路條件特性、交通政策特性，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)重要度模型并進(jìn)行聚類分析，為可變線路公交站點(diǎn)規(guī)劃提供參考。

1 可變線路式公交站點(diǎn)規(guī)劃

可變線路式公交在車輛滿足相鄰站點(diǎn)間松弛時(shí)間約束的條件下，通過(guò)篩選滿足乘客靈活需求，按其要求的地點(diǎn)提供乘客上下車服務(wù)。運(yùn)行過(guò)程中，車輛必須通過(guò)每一個(gè)固定站點(diǎn)，完成靈活需求服務(wù)后仍需回到基準(zhǔn)線路繼續(xù)行駛[3]。可變線路公交系統(tǒng)屬于靈活式公交。目前，已有部分地區(qū)將各種形式的靈活式公交系統(tǒng)投入使用，并取得不錯(cuò)成效。

可變線路式公交服務(wù)如圖1所示。

圖1 可變線路式公交服務(wù)

根據(jù)規(guī)劃層次不同，可變線路式公交的運(yùn)營(yíng)規(guī)劃可以細(xì)分為戰(zhàn)略規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃以及運(yùn)營(yíng)規(guī)劃[4]。本文重點(diǎn)研究可變線路式公交戰(zhàn)略規(guī)劃中的公交站點(diǎn)規(guī)劃，根據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的特性，篩選適合布設(shè)可變線路式公交站點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。站點(diǎn)規(guī)劃進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃及運(yùn)營(yíng)規(guī)劃的前提和基礎(chǔ)。站點(diǎn)規(guī)劃方案直接影響整個(gè)公交系統(tǒng)未來(lái)的乘客量和服務(wù)水平。宏觀層面需要確保站點(diǎn)基于土地利用及客流出行特征選取；城市綜合公共交通出行系統(tǒng)層面，需要盡量降低對(duì)其他交通方式的站點(diǎn)的影響；乘客出行層面，需要確保站點(diǎn)的安全性[5]。國(guó)外可變線路式公交的站點(diǎn)規(guī)劃結(jié)合常規(guī)公交的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行，在現(xiàn)有常規(guī)公交站點(diǎn)及場(chǎng)站的基礎(chǔ)上進(jìn)行改擴(kuò)建與優(yōu)化，規(guī)劃過(guò)程必須考慮現(xiàn)有公交系統(tǒng)的各項(xiàng)特性[6]。本文在其理論基礎(chǔ)上引入節(jié)點(diǎn)重要度模型，對(duì)既有公交場(chǎng)站的特征進(jìn)行刻畫，避免過(guò)于依賴經(jīng)驗(yàn)的問(wèn)題。

2 節(jié)點(diǎn)重要度

2.1 節(jié)點(diǎn)重要度模型

節(jié)點(diǎn)重要度按發(fā)生與吸引分為發(fā)生節(jié)點(diǎn)重要度和吸引節(jié)點(diǎn)重要度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有兩個(gè)重要度。

式中：K——某節(jié)點(diǎn)的重要度；n——指標(biāo)的個(gè)數(shù)；αi——節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)所占權(quán)重；Ci——節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)i的值；Cj——各節(jié)點(diǎn)指標(biāo)i的平均值；β——綜合修正系數(shù)，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)具體情況標(biāo)定。

2.2 參數(shù)標(biāo)定

（1）旅運(yùn)特性。可變線路式公交運(yùn)行區(qū)域客流量在時(shí)間分布上并不明顯，無(wú)明顯的高峰狀況，彈性出行的居民主要以?shī)蕵?lè)、探親訪友等時(shí)間緊迫度不高的出行目的為主。本文以節(jié)假日平峰出行客流為研究對(duì)象，以某時(shí)間段公交客流量與全天公交客流量的比值標(biāo)定特性。

式中：Pa——某時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)的公交客流量；Pi——節(jié)點(diǎn)全天客流量。

（2）社會(huì)經(jīng)濟(jì)特性。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究通常以區(qū)域旅客單位的時(shí)間價(jià)值（Vot）作為指標(biāo)標(biāo)定因素。

式中：Vot——單位時(shí)間價(jià)值（元/h）；——i地區(qū)人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（元）；k——影響區(qū)的人口數(shù)（萬(wàn)人）；P——影響區(qū)總?cè)丝跀?shù)（萬(wàn)人）。

（3）土地利用特性。以經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密度和區(qū)域人口密度的比值標(biāo)定該因素。

式中：Ke——節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密度；Kp——節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)區(qū)域人口密度。

（4）道路條件特性。本文以線路最優(yōu)系數(shù)Q標(biāo)定該特性。

式中：C4——以節(jié)點(diǎn)i為半徑的500 m范圍內(nèi)的所有線路系數(shù)之和；Qi——第i條路段對(duì)應(yīng)數(shù)；Ai——第i條路段對(duì)應(yīng)度系數(shù)；Bij——第i條路段對(duì)應(yīng)級(jí)值；λj——道路等級(jí)權(quán)重指數(shù)；Li——第i條路段的長(zhǎng)度；L0——所有路段的總長(zhǎng)度；A0——路段長(zhǎng)度系數(shù)高差，即最長(zhǎng)路段與最短的差。

Bij與A0的關(guān)系由道路等級(jí)確定，可以使用道路等級(jí)權(quán)重指數(shù)λj（j=l，2，3，4）表示，指標(biāo)取值范圍為0 ≤λ1≤λ2≤λ3≤λ4≤1，道路權(quán)重系數(shù)的取值間隔越大，表明道路等級(jí)對(duì)路線選擇的影響越大。城市快速路、主干路、次干路、支路的等級(jí)權(quán)重指數(shù)為0.2、0.4、0.6、0.8。

（5）交通政策特性。

利用節(jié)點(diǎn)500 m范圍內(nèi)已布設(shè)的公交站點(diǎn)數(shù)來(lái)標(biāo)定該特性。

式中：C5——反映政策特性的指標(biāo)；Nb——節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)公交站點(diǎn)數(shù)。

（6）權(quán)重系數(shù)。

權(quán)重系數(shù)采用層次分析法確定，運(yùn)用9個(gè)層面的數(shù)字表達(dá)某兩個(gè)因素間的比較與判斷，在構(gòu)造判斷矩陣的兩兩比較中，按一定的比例標(biāo)度對(duì)重要性程度賦值[7]。影響可變線路式公交規(guī)劃設(shè)計(jì)的因素包括許多方面，相互間既有區(qū)別又有聯(lián)系。因此，使用九標(biāo)度法很難確定元素Xi和Xj間的重要性程度，只能試探性地給出各項(xiàng)值，計(jì)算得到一致性檢驗(yàn)指標(biāo)C.R.，C.R.大于0.1時(shí)，必須重新賦值計(jì)算，增加了計(jì)算量。指標(biāo)復(fù)雜且具有許多的影響因素，評(píng)價(jià)體系較模糊。采用三標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣可以很好解決問(wèn)題。

三標(biāo)度法是構(gòu)造判斷矩陣的間接方法，利用三標(biāo)度判斷代替九標(biāo)度判斷。假設(shè)某個(gè)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)指標(biāo)一共有n個(gè)，決策者通過(guò)三標(biāo)度法將這n個(gè)元素兩兩比較其重要性，得到n階的比較矩陣M。甲乙兩元素比較時(shí)，若甲比乙重要，比較矩陣的元素用2表示；若甲與乙同等重要，比較矩陣的元素用1表示；若甲沒(méi)有乙重要，則比較矩陣的元素用0表示。計(jì)算各元素的重要性排序指數(shù)，得到由三標(biāo)度法給出的判斷矩陣，后續(xù)的計(jì)算方法與九標(biāo)度法一致。

3 節(jié)點(diǎn)重要度聚類

3.1 聚類算法簡(jiǎn)介

聚類是一種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，涉及數(shù)據(jù)點(diǎn)的分組。給定一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以使用聚類算法將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分為一個(gè)特定的組。理論上，同一組中的數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)具有相似的特征。常用的聚類算法按照聚類原理主要可以分為劃分法、層次法、密度算法以及網(wǎng)格算法。

各聚類方法對(duì)比如表1所示。

表1 各聚類方法對(duì)比

3.2 聚類算法選擇

本文對(duì)城市節(jié)點(diǎn)重要度數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，便于發(fā)掘節(jié)點(diǎn)重要度較小的聚集區(qū)域（即城市低密度出行區(qū)域），基于劃分的聚類算法以數(shù)據(jù)對(duì)象的距離作為聚類準(zhǔn)則，識(shí)別噪聲數(shù)據(jù)和離群點(diǎn)，適用于本文的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，本文使用基于劃分法聚類中的k均值聚類的方法發(fā)掘城市彈性出行熱點(diǎn)區(qū)域，確定候選可變線路式公交站點(diǎn)。

4 實(shí)例分析

本文以國(guó)內(nèi)某城市對(duì)可變線路公交的需求為例，進(jìn)行可變線路式公交的站點(diǎn)規(guī)劃研究，利用transcad軟件構(gòu)建路網(wǎng)，transcad軟件可以直接顯示路段長(zhǎng)度以及公交站點(diǎn)數(shù)，節(jié)點(diǎn)即交通小區(qū)中心。

節(jié)點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)分布

站點(diǎn)規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 站點(diǎn)規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

共58個(gè)節(jié)點(diǎn)，分為吸引點(diǎn)與發(fā)生點(diǎn)，本文只列舉公交發(fā)生節(jié)點(diǎn)的重要度指標(biāo)，吸引節(jié)點(diǎn)同發(fā)生節(jié)點(diǎn)，不再重復(fù)列舉。按照前文權(quán)重系數(shù)確定方法，

研究區(qū)域地面公共交通出行系統(tǒng)主要包括定制公交、常規(guī)公交、可變線路式公交3個(gè)層面。定制公交和常規(guī)公交主要提供定線定站的服務(wù)，可變線路式公交根據(jù)運(yùn)營(yíng)組織需求靈活制定，公共交通出行系統(tǒng)是龐大的、隨機(jī)的、多層次的復(fù)雜系統(tǒng)。聚類中心數(shù)為3。節(jié)點(diǎn)重要度如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)重要度

節(jié)點(diǎn)的分類根據(jù)公共交通乘客出行的特性，可分為發(fā)生和吸引兩種，對(duì)不同節(jié)點(diǎn)按照節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行聚類分析。

節(jié)點(diǎn)重要度聚類結(jié)果如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)重要度聚類結(jié)果

研究區(qū)域的多數(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)生較小、吸引也較小，與城市現(xiàn)狀一致。重要度較低的節(jié)點(diǎn)，客流的主要特性是發(fā)生與吸引的量都較小，符合可變線路式公交布設(shè)條件，在節(jié)點(diǎn)重要度小的一類的節(jié)點(diǎn)集合中篩選站點(diǎn)，布設(shè)可變線路式公交線路。

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立基于區(qū)域旅運(yùn)特性、公交需求相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)特性、土地利用特性、道路條件特性與交通政策特性的節(jié)點(diǎn)重要度模型，通過(guò)k均值聚類得到節(jié)點(diǎn)重要度較低的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以用于可變線路式公交的站點(diǎn)規(guī)劃。現(xiàn)有可變線路站點(diǎn)規(guī)劃是基于經(jīng)驗(yàn)制定的。本研究并未細(xì)致地討論節(jié)點(diǎn)重要度模型中權(quán)重的確定方法，基于以往學(xué)者研究相似區(qū)域時(shí)所取的權(quán)重確定，今后可以更進(jìn)一步探討不同研究區(qū)域下權(quán)重的取值問(wèn)題。