摘要：定制公交合乘站點(diǎn)選址是其運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，合理的站點(diǎn)選址方法是定制公交系統(tǒng)成功運(yùn)營(yíng)的重要保證。目前定制公交合乘站點(diǎn)的選址大多僅憑經(jīng)驗(yàn)確定，存在主觀性。因此，提出一種定制公交合乘站點(diǎn)兩步優(yōu)化選址方法。對(duì)定制公交出行需求數(shù)據(jù)進(jìn)行乘客步行等時(shí)圈分析，初步確定各個(gè)需求響應(yīng)點(diǎn)歸屬的合乘站點(diǎn)及合乘站點(diǎn)的備選區(qū)域，采用基于乘客人數(shù)的重心法精確優(yōu)化合乘站點(diǎn)布局位置，根據(jù)合乘站點(diǎn)間的車行時(shí)間及其服務(wù)的乘客人數(shù)，剔除空間較偏、人數(shù)較少的合乘站點(diǎn)，得到最優(yōu)的合乘站點(diǎn)選址位置。通過(guò)模擬若干個(gè)需求響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行算例分析，結(jié)果表明該方法對(duì)定制公交合乘站點(diǎn)的選址具有良好的適用性。
關(guān)鍵詞：城市交通;合乘站點(diǎn)選址;乘客步行等時(shí)圈;定制公交;需求響應(yīng)點(diǎn)
隨著城市化和機(jī)動(dòng)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，交通擁堵、環(huán)境污染和居民出行時(shí)間增加等問(wèn)題隨之出現(xiàn)。增大道路的通行能力或控制機(jī)動(dòng)化出行不能從根本上解決城市交通問(wèn)題，大力推廣公共交通服務(wù)、推進(jìn)可持續(xù)的交通系統(tǒng)建設(shè)雖然能夠有效利用城市道路資源，但常規(guī)公交和地鐵難以滿足居民差異化、高品質(zhì)的出行需求，于是產(chǎn)生了定制公交這種新型的公共交通模式，它主要為通勤者等特殊群體提供多元化、個(gè)性化、高水平的出行服務(wù)[1]。
定制公交作為多樣化公共交通服務(wù)的典型代表，目前已有越來(lái)越多的專家和學(xué)者對(duì)其展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[2]研究了定制公交的可靠性和舒適性，以運(yùn)營(yíng)成本最小為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了一種考慮乘客出行需求的定制公交線路設(shè)計(jì)模型。文獻(xiàn)[3]考慮在最大程度上滿足乘客的個(gè)性化出行需求，基于乘客的出行時(shí)間窗構(gòu)建了定制公交線路優(yōu)化模型。
文獻(xiàn)[4]針對(duì)需求響應(yīng)式公交系統(tǒng)中車輛可能偏離規(guī)劃路線接受臨時(shí)請(qǐng)求的問(wèn)題，提出了基于隨機(jī)混合整數(shù)模型的啟發(fā)式方法。文獻(xiàn)[5]采用k-means聚類算法分析了居民的即時(shí)出行需求數(shù)據(jù)信息，提出了以需求響應(yīng)范圍最大且費(fèi)用最小為目標(biāo)的雙層規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[6]從組織機(jī)構(gòu)、體制機(jī)制等方面討論了定制公交系統(tǒng)的適用條件，提出可應(yīng)用于不同城市規(guī)模的差異化定制公交服務(wù)模式。
綜上，現(xiàn)有的研究偏向于定制公交的運(yùn)營(yíng)模式和線路規(guī)劃等方面，關(guān)于合乘站點(diǎn)選址方面的研究較少，已有關(guān)于定制公交合乘站點(diǎn)的研究大多是依靠經(jīng)驗(yàn)，或利用常規(guī)的聚類算法對(duì)乘客出行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[7-9]。胡列格等討論了定制公交合乘站點(diǎn)布局的時(shí)空約束，運(yùn)用k-means聚類算法對(duì)合乘站點(diǎn)進(jìn)行選址并確定站點(diǎn)的覆蓋范圍[10]。Ren等通過(guò)挖掘公交IC卡數(shù)據(jù)來(lái)獲得乘客出行信息，分析乘客出行的時(shí)空特征，提出一種基于時(shí)空維度的改進(jìn)DBSCAN聚類算法[11]。
孫悅，宋瑞等對(duì)聚類度量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)的DBSCAN聚類算法，用來(lái)處理和分析乘客出行需求數(shù)據(jù)，并基于節(jié)點(diǎn)重要度篩選得到定制公交備選站點(diǎn)[12]。上述研究主要是利用k-means或DBSCAN聚類算法對(duì)乘客出行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到可選的合乘站點(diǎn)位置，未考慮k-means聚類算法需要提前給定類簇個(gè)數(shù)、DBSCAN聚類算法對(duì)參數(shù)較為敏感的問(wèn)題，也沒(méi)有考慮每個(gè)出行需求數(shù)據(jù)中包含的乘客人數(shù)權(quán)重。
因此，有必要對(duì)乘客出行需求數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化研究，考慮乘客步行至合乘站點(diǎn)的時(shí)間，引入乘客步行等時(shí)圈的概念，引導(dǎo)相距較近的乘客步行至同一個(gè)站點(diǎn)乘車[13]。結(jié)合乘客人數(shù)權(quán)重和站點(diǎn)間的距離，提出一種先確定初步范圍、再精確優(yōu)化具體位置的定制公交合乘站點(diǎn)兩步優(yōu)化選址方法。
1合乘站點(diǎn)的選址原則
公交站點(diǎn)的布局選址問(wèn)題是整個(gè)公共交通系 統(tǒng)成功運(yùn)營(yíng)的前提保障，其在定制公交系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用[14]。
合乘站點(diǎn)的優(yōu)化布局是促進(jìn)定制公交快速發(fā)展的重要途徑，將合乘站點(diǎn)服務(wù)的乘客出行需求數(shù)據(jù)稱為需求響應(yīng)點(diǎn)。若設(shè)置的合乘站點(diǎn)過(guò)多，使得站點(diǎn)覆蓋范圍更廣，能夠減少預(yù)約乘客的走行時(shí)間和距離，但同時(shí)會(huì)增加先上車乘客的車內(nèi)時(shí)間;若設(shè)置的合乘站點(diǎn)過(guò)少，使得站點(diǎn)覆蓋范圍較小，會(huì)增加預(yù)約乘客的走行時(shí)間和距離，從而降低了乘客的出行體驗(yàn)和定制公交的吸引力[15]。
在合乘站點(diǎn)選址前需要先從時(shí)空分散的乘客出行需求數(shù)據(jù)中篩選得到時(shí)間接近、空間趨同的需求響應(yīng)點(diǎn)，同時(shí)剔除時(shí)間和空間均較為孤立的需求響應(yīng)點(diǎn)，這些時(shí)空趨同的需求響應(yīng)點(diǎn)作為合乘站點(diǎn)選址的研究對(duì)象。定制公交合乘站點(diǎn)的選址要滿足以下5個(gè)原則：1)需求響應(yīng)點(diǎn)時(shí)間接近。從同一個(gè)合乘站點(diǎn)乘坐定制公交的乘客應(yīng)具有相同或相近的出發(fā)時(shí)間段，同時(shí)到達(dá)時(shí)間段也不宜相差過(guò)大。
2)需求響應(yīng)點(diǎn)空間趨同。從同一個(gè)合乘站點(diǎn)乘坐定制公交的乘客應(yīng)具有相同或相近的到達(dá)地位置，同時(shí)出發(fā)地位置不宜相距過(guò)遠(yuǎn)。3)需求響應(yīng)點(diǎn)唯一響應(yīng)。每個(gè)需求響應(yīng)點(diǎn)經(jīng)響應(yīng)后只對(duì)應(yīng)唯一的合乘站點(diǎn)。4)合乘站點(diǎn)覆蓋范圍適宜。合乘站點(diǎn)覆蓋范圍不宜過(guò)大，以免增加乘客的步行時(shí)間，同時(shí)覆蓋范圍不宜過(guò)小，應(yīng)滿足大部分預(yù)約需求。5)結(jié)合既有交通設(shè)施。合乘站點(diǎn)設(shè)置時(shí)可充分利用周邊的常規(guī)公交站點(diǎn)，減少經(jīng)濟(jì)成本，通過(guò)數(shù)學(xué)方法得到的合乘站點(diǎn)，可根據(jù)城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活調(diào)整，避免在交叉口附近設(shè)置站點(diǎn)[16]。
2合乘站點(diǎn)的選址思路根據(jù)上述原則，在合乘站點(diǎn)選址時(shí)需要對(duì)需求響應(yīng)點(diǎn)以及各需求響應(yīng)點(diǎn)歸屬的合乘站點(diǎn)進(jìn)行分析，基本思路是先確定合乘站點(diǎn)的初步范圍，再根據(jù)乘客人數(shù)精確優(yōu)化合乘站點(diǎn)的具體布局位置，并根據(jù)乘客人數(shù)和車行距離剔除空間較偏、人數(shù)較少的合乘站點(diǎn)，步驟如下：
1)合乘站點(diǎn)初步范圍的確定。在合乘站點(diǎn)初步范圍的研究中，需要確定合乘站點(diǎn)的個(gè)數(shù)值和需求響應(yīng)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，其中值較難確定[17]。
因此根據(jù)需求響應(yīng)點(diǎn)的空間位置分布，提出乘客步行等時(shí)圈的概念，采用基于乘客步行等時(shí)圈的聚合型層次聚類算法進(jìn)行分析，主要思路是通過(guò)判定乘客步行等時(shí)圈內(nèi)的人數(shù)對(duì)需求響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行類簇劃分，按照人數(shù)遞減的規(guī)則進(jìn)行聚類，直到所有的需求響應(yīng)點(diǎn)都?xì)w屬到相應(yīng)的類簇中，從而得到合乘站點(diǎn)的個(gè)數(shù)和初步范圍。
2)合乘站點(diǎn)具體位置的確定。針對(duì)基于乘客步行等時(shí)圈方法得到的合乘站點(diǎn)初步范圍，采用基于乘客人數(shù)的重心法精確優(yōu)化合乘站點(diǎn)的具體位置，并結(jié)合合乘站點(diǎn)初步范圍內(nèi)的乘客總?cè)藬?shù)以及合乘站點(diǎn)間的車行時(shí)間，剔除空間位置較偏、人數(shù)較少的合乘站點(diǎn)，得到最優(yōu)的合乘站點(diǎn)選址位置。
3合乘站點(diǎn)的選址方法
3.1基于乘客步行等時(shí)圈的合乘站點(diǎn)初步范圍選址方法 聚合型層次聚類算法的思想是將每個(gè)需求響應(yīng)點(diǎn)單獨(dú)視為一個(gè)類簇，然后按照某種距離度量規(guī)則合并距離最近的兩個(gè)或多個(gè)類簇，直到最后只剩下一個(gè)類簇時(shí)終止聚類[18]。在此算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，考慮乘客步行至合乘站點(diǎn)的時(shí)間，引入乘客步行等時(shí)圈的概念，提出一種基于乘客步行等時(shí)圈的聚合型層次聚類算法?；舅悸肥遣捎没诔丝筒叫械葧r(shí)圈的聚合型層次聚類算法對(duì)需求響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行分析。
獲得若干個(gè)等時(shí)圈，判斷等時(shí)圈之間是否存在交集，并對(duì)等時(shí)圈內(nèi)的需求響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行劃分，按照人數(shù)遞減的規(guī)則進(jìn)行聚類分析，從而確定合乘站點(diǎn)的個(gè)數(shù)和初步范圍。假設(shè)在理想路網(wǎng)條件下，從需求響應(yīng)點(diǎn)集合中選擇人數(shù)最多的需求響應(yīng)點(diǎn)，以μ為半徑形成等時(shí)圈，μ鄰域內(nèi)的所有需求響應(yīng)點(diǎn)都屬于同一個(gè)類簇，同時(shí)將它們標(biāo)記為已訪問(wèn)狀態(tài);然后選擇剩余人數(shù)最多的需求響應(yīng)點(diǎn)，重復(fù)上述步驟，判斷兩個(gè)等時(shí)圈是否有交集以及交集內(nèi)是否有需求響應(yīng)點(diǎn)，按照人數(shù)遞減的規(guī)則將需求響應(yīng)點(diǎn)劃分到對(duì)應(yīng)的等時(shí)圈內(nèi)。
3.2基于乘客人數(shù)的合乘站點(diǎn)具體位置選址方法在確定合乘站點(diǎn)的初步范圍后，考慮定制公交乘客的出行需求特點(diǎn)，結(jié)合需求響應(yīng)點(diǎn)的乘客人數(shù)，利用重心法獲得定制公交合乘站點(diǎn)的具體位置，主要思路是首先統(tǒng)計(jì)合乘站點(diǎn)初步范圍內(nèi)的乘客人數(shù)，然后采用重心法精確優(yōu)化合乘站點(diǎn)的具體位置，最后考慮合乘站點(diǎn)吸引的乘客人數(shù)及合乘站點(diǎn)間的車行時(shí)間，剔除乘客人數(shù)少且車行時(shí)間長(zhǎng)的合乘站點(diǎn)[19]。
4算例分析
4.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
模擬設(shè)定61個(gè)需求響應(yīng)點(diǎn)，共有乘客160人，隨機(jī)分布在方形區(qū)域內(nèi)。每個(gè)需求響應(yīng)點(diǎn)均包括出發(fā)地位置橫坐標(biāo)、出發(fā)地位置縱坐標(biāo)及乘客人數(shù)等3個(gè)關(guān)鍵屬性。
公交優(yōu)化論文：長(zhǎng)沙接駁公交優(yōu)化策略研究
5結(jié)論
1)定制公交合乘站點(diǎn)的選址對(duì)其線路的開(kāi)行尤為重要，若所設(shè)合乘站點(diǎn)數(shù)量較多，使得乘客的上下車時(shí)間較長(zhǎng)，難以體現(xiàn)定制公交高品質(zhì)的特點(diǎn);若所設(shè)合乘站點(diǎn)較少，則線路覆蓋的范圍較小，使得乘客數(shù)量減少，降低了定制公交的吸引力。因此通過(guò)定量化分析乘客出行需求數(shù)據(jù)，提出一種定制公交合乘站點(diǎn)兩步優(yōu)化選址方法。
2)根據(jù)合乘站點(diǎn)選址原則，采取“先初步范圍選址，再具體位置選址”的方式，分別采用基于乘客步行等時(shí)圈的層次聚類算法和基于乘客人數(shù)的重心法分析需求響應(yīng)點(diǎn)，算例分析結(jié)果表明該選址方法能夠?qū)⒎稚⒌男枨箜憫?yīng)點(diǎn)匯集到若干個(gè)合乘站點(diǎn)，使得合乘站點(diǎn)既能夠有效吸引周邊的需求響應(yīng)點(diǎn)，又盡可能實(shí)現(xiàn)“趨同性”。
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作者：薛浩楠1，2，王佳2
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