本文摘要：摘要：公交普線規劃因服務對象時間、空間的分散性，是大城市公交系統中最難規劃的部分。本文分析了大規模多中心城市地區公交網絡分層級功能及規劃次序，重點針對普線網提出基于運營商和用戶廣義成本最低的連續體近似法模型搭建方法。通過確定區域網絡的普線總服務距離
摘要：公交普線規劃因服務對象時間、空間的分散性，是大城市公交系統中最難規劃的部分。本文分析了大規模多中心城市地區公交網絡分層級功能及規劃次序，重點針對普線網提出基于運營商和用戶廣義成本最低的連續體近似法模型搭建方法。通過確定區域網絡的普線總服務距離，總�？空緮�，以及發車間隔等決策變量的最佳值，使公交運營企業和乘客在單位時間內的廣義預期成本最小化。利用本文提出的方法，對北京市進行區域劃分，重新優化普線網，并基于北京市路網和興趣點分布，校核規劃的理想網絡，得到能夠實施的設計網絡。相比現狀網絡，優化后的方案在成本控制和乘客出行體驗方面都得到明顯提升，分別減少企業運營成本5%，減少乘客出行時間21%，達到了降本增效的目標。
關鍵詞:城市交通;公交系統規劃;連續體近似法;廣義成本;網格布局
0引言
從經濟學的視角看，公交網絡規劃的目標是以最小的用戶和運營商廣義成本滿足出行需求。很多學者利用數學規劃模型和數值解方法進行了大量研究，這些模型被用于解決特定地形條件下的公交網絡類型和多種類型服務的整合，以及不同規模公交系統的車輛和司機調度等問題[1]。利用數學規劃模型進行網絡設計的方法，需要輸入大量的原始數據，在非常大的尺度上準備這種數據(例如，人口分布等)往往需要通過空間和時間上的聚合，換取可操作性，但會影響數據的質量。
公交工程論文范例：公交到站時間預測方法研究
反之，解決方案又嚴重依賴于復雜的啟發式方法，這些方法需要大量的計算成本[2]。由于這些計算負擔，在中等規模以上的城市案例中，即使使用最先進的離散模型公式和商業求解軟件，也無法成功獲得精確最優設計。而且，在有限的數值實驗范圍內，計算負擔限制了可以現實考慮的“假設”方案和多情景設計方案。
目前，還沒有城市根據純粹的離散網絡優化模型設計公交網絡。為便于理解公交線網規劃，學者們通過使用連續量作為輸入和輸出的連續體近似(ContinuumApproximation，CA)模型簡化計算。早期的工作始于對通勤巴士系統的討論，大多數研究考察了典型的網絡拓撲結構，例如，網格結構和軸輻式布局。
后來有學者在混合型公交網絡設計中擴展了這種建模方案，在混合型公交網絡中，城市中心線路采用網格結構布局，在所有位置提供4向公交服務(即雙線路覆蓋);城市外圍則采用樞紐和軸輻式結構，提供雙向服務(即單線路覆蓋)。這種混合型結構結合了樞紐型網絡和網格型網絡的特點，在乘客換乘便利性和運營商總服務距離之間取得平衡，規劃方案取決于幾個關鍵的決策變量，例如，網格區域大小、路線和站點間距，以及發車間隔[3]。
此類模型后來陸續被調整，以允許線路和站間距的方向異質性[4]、環形輻射式公交網絡設計等[5]。CA模型通常假定需求在空間上是同質的或單中心的。然而，在現實世界中，許多多中心城市的出行分布在空間上是不同的，甚至是聚集出行的，這就決定了一些街區的公交網絡比其他街區的線路和站點更密集。此外，在許多城市，特別是像北京這樣的大都市，多種公交系統(例如，地鐵、快速公交和普通公交)并存，形成一個為不同類型需求服務的多層次網絡。
例如，公交車價格便宜但速度慢，適合短途出行;地鐵價格稍貴但速度快，適合長距離出行。一個特大城市的完整公交系統規劃是很復雜的因此，分層次的或特大城市的線網規劃內容在文獻中沒有得到系統的論述。本文討論了地面公交在多方式公共交通系統中的作用，以及3種不同的地面公交子系統各自的功能和作用并定性討論了子系統的規劃程序及其原理;提出基于運營商和用戶成本的連續體近似法模型搭建方法;以北京為例，介紹連續體近似法模型在實際中的應用。
1線網層級及功能分析
大城市公交系統服務的出行距離范圍較廣，從1~40km長短不等，這些不同距離的行程應該得到不同的公交服務。長途旅行最好采用站間距長的服務，雖然是更長的兩端到站距離，但也能使長途旅行乘客避免經歷無數次的車站�？�;短途旅行最好采用站間距離短的服務。因此，需要提供一個服務于不同站間距離的分層級公交系統。
對于大城市而言，3個子系統應該是足夠的，再多的子系統會帶來邊際效益遞減。因此，按長度對旅行進行分類：長距離(10～30km)、中距離(～10km)和短距離(～km)。長距離出行主要是通勤出行，集中在高峰時段，規劃中應考慮在盡量少的�？亢蛽Q乘的情況下提供服務。在特大城市，通勤出行的數量特別多、時間特別長，地鐵往往無法舒適地服務于所有的乘客。為此，應該使用公交車作為地鐵的補充，增加額外的運力。例如，可以在平行于擁擠的地鐵線路上部署具有長站間距的公交快線，并與地鐵實現無縫連接，或部署在完全沒有地鐵服務的走廊上。中等距離出行通常在空間和時間上比較分散。
雖然有些人可能會因為出發地和目的地恰好在地鐵線車站附近而得到良好的服務，但仍有大量出行應該由組織良好的普通地面公交提供更好的服務。這里的“普通”指一個能提供全面的中長距離覆蓋的系統(即從城市的任何地方到10km內的任何地方)，其服務頻率與地鐵相當。中等規模城市(例如，巴塞羅那)的設計方法已經開發，并已證明了其價值。從理論和經驗中可以看出，大城市中目前普遍存在的非常長的公交線路無法按計劃運行，容易產生大間隔或串車現象[6]。因此，本文提出將特大城市劃分為中等規模的區域(50～100km)，然后為每個區域設計一個高效、高頻的公交網狀系統。
這些系統在邊界處重疊，從一個區到另一個區的乘客可以很容易地換乘。由于中、長距離旅行距離在10km以下，因此，最多一次換乘就可以滿足所有需求。短距離出行服務的重點是提供最后一公里的接駁出行。由于其中一些行程可能已經由中、長距離公交系統提供了很好的服務，因此，在規劃中應首先確定服務較差的區域，以便在那里部署線路。由于規模經濟的原因，最后一公里服務的需求越低，其單位成本越高。
因此，對于需求量小的地區來說，提供需求響應式公交服務或共享單車更為經濟可行。理想情況下，3個子系統應按公交快線(長距離)、普通線路(中距離)、微循環(短距離)順序規劃。這種順序，是因為普通公交系統路線靠近公交快線車站，這些站的位置是公交快線的部分規劃成果。
此外，最后一公里服務的需求在很大程度上取決于普通公交系統能滿足的程度。公交快線應集中分布于軌道交通無法覆蓋或軌道交通能力不足的大客流走廊，規劃時以這些走廊為對象，結合乘客出行起點、終點分布逐一布設。因此，本文研究核心為普通線路公交系統規劃，這個層級的線網規劃不僅承上啟下，而且因為其服務對象的分散性，規劃方法不易掌握，因此，本文的研究也更具有現實意義。
2基于運營商和用戶廣義成本最低的連續體近似法模型搭建考慮一個長方形城市，其街道網格非常密集，如果需要的話，其中任何一條街道都可以用于布設公交線路。假設城市中已經鋪設了服務于長距離出行的公交快線，需要設計一個為中距離出行服務的公交普線系統。
3北京的案例分析
要為大城市制定全市性的計劃，需要將城市劃分為規�？煽氐膮^域，提供每個區域的需求目標，并為每個區域設計符合這些目標的公交系統。
3.1分區方法
在分區之前，需要明確分區原則：(1)為盡量避免長線運營帶來的大間隔或串車問題，每個區域的面積宜控制在50～100km2;(2)每個區的形狀盡量為長方形，邊界盡量為道路，以便于形成形態規整的內部線網;(3)各區盡量以區內出行為主，區與區之間的出行為輔;(4)每個區的人口分布盡量比較統一。關于實操層面的分區方法，有學者做過相關研究，并開發了針對特大城市分區的系統性方法，但整體系統成本和服務水平對分區結果并不十分敏感，因此，在實踐中，合理的分區可以結合分區原則進行人為劃分[10]。
本案例主要采用人工分區方法，基于中心城6個行政區(標定為1～6)以及實際人口分布情況，劃分了12個區域，基本滿足分區原則，北京中心城區公交服務區域劃分。北京中心城區的區位特征。基于北京市域宏觀模型測算的不同區域之間和區域內部的出行距離。其中，3e代表3區東部，3w代表3區西部，4nw代表4區西北部，4ne代表4區東北部，4se代表4區東南部，4sw代表4區西南部，5e代表5區東部，5m代表5區中部，5w代表5區西部。
3.2分區規劃目標設定
完成分區后，應該為每個地區設定一個規劃的需求目標。本文強調，不應該是對當前需求或預測需求的估計，而是對未來的一個愿景。當前的需求是當前服務的反映，而當前的服務在城市某些地方可能很差或根本不存在。在北京的案例研究中，設定中心城區每天公交出行目標為1400萬人次，比目前的公交需求(包括使用公交快線的公交需求)高出約50%。然后，將這一目標按比例分配到每天運營的17.5h內(5:30-23:00，平均每小時約80萬人次，按照目前高峰小時系數，規劃高峰小時將達到152萬人次)，再根據人口分配到各個分區。最后，將產生的公交出行次數換算成每小時客運量。
3.3基于路網和興趣點
POI的網絡校核基于模型的輸出結果制定一個可實施的設計方案，以適應現有的街道和潛在的車站位置。由于北京當地城市街道的不規則性，許多公交線路不得不被扭曲。這種不規則性通常是由城市核心區內的主要建筑(例如，故宮-紫禁城)或外圍的不規則景觀(例如，河流、山脈)造成的。例如，模型輸出建議在1區和2區的“e-w”方向布置約16條路線。然而，在各區的中心地帶，只有6條街道可以容納跨區的交通路線。
在這些情況下，鋪設線路的原則按優先順序遞減：(1)確�？鐓^域連接;(2)根據準則盡可能均勻地分布路線;(3)允許重疊，必要時在當地繞行路線，既便于換乘，又能避免各區交界的中間地帶由于分區誤差帶來的服務水平的顯著差異，提高網絡連續性。最后，所有地區的公交網絡基本上都是網格狀的，對于大多數高需求地區，實際可實施的定向地面公交服務距離在其各自推薦值的30%以內。
4結論
本文得到的主要結論如下：
(1)特大城市公交線網，按照服務距離分為公交快線、普線和微循環線路，且依次規劃是比較合理可行的。普線網由于其服務的出行在時間和空間上更為廣泛，是公交線網層級中最難規劃的一個層次，也是本文論述的重點。
(2)普線規劃可以通過用戶和運營商成本的連續體近似法系統地確定。通過北京的案例，證明這種方法簡單、有效。新的公交網絡在相近的運行速度下通過更高頻的服務、更直接的出行，提供了更好的乘客體驗，體現在出行時間減少和可達性得到提升，同時，在運營車隊規模和線路距離上實現了顯著節省。
(3)基于本文方法設計得到的公交線網，在小區域內基本上遵循網格狀的布局思路，盡量減少不同線路共線的問題，集中車輛資源在更少的公交線路上以提供高頻、高可靠性服務。但由于路網條件所限，在局部區域仍有共線現象存在。此外，由于本文只涉及到普線網規劃，如果在設計的普線網基礎上增加干線和微循環線路，不同層級線路共通道的情況將普遍存在，但這是合理的，可以保證不同出行距離的乘客有不同的線路選擇。
(4)基于分區的方法比較適用于中距離出行的普線規劃。為避免不同區域交接處由于分區誤差可能帶來的服務水平的顯著差異，交接處的公交線路盡量重疊一段，避免單點交接，但仍無法避免不同分區方法導致的同一地區服務水平的差異，例如，換乘的增加。即系統優化不能保證每個個體的出行都得到優化。
參考文獻
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[2]BAGLOEESA,CEDERAA.Transitnetworkdesignmethodologyforactualsizeroadnetworks[J].TransportationResearchPartB,2011,45(10):17871804.
[3]DAGANZOCF.Structureofcompetitivetransitnetworks[J].TransportationResearchPartB,2010,44(4):434446.
作者：劉雪杰1,2，榮朝和*1，歐陽彥峰3，卡洛斯·F·達岡佐4，朱家正2，馬騰騰2
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