【案例】武漢市公共交通信息系統建設與應用
人已閱讀 - - 作者： 王冠 陳華等 0通過信息化手段解決城市交通問題，可促進節能減排，推動交通決策水平和管理能力提升。相比于動態公共交通(以下簡稱“公交”)信息挖掘，大部分現有成果更多關注某項具體功能，例如根據最短時間、最少換乘等目標結合線網結構提供起訖點間最優路徑搜索方法；根據刷卡記錄統計分析全網及線路客流量特征，作為研究參考；使用概率模型計算公交出行OD分布；研究公交線網統計特征等。中國大部分城市均已安裝公共汽車GPS車載定位系統用于實時調度，并且采用IC卡刷卡付費用于清分結算，具備公交信息資源整合的條件，但卻很少利用多源動態信息進行更深層次地挖掘與預測，也很少根據公交運行現狀建立評價指標體系。在此背景下，對武漢市公共交通體系運行現狀進行研究，探索其智能化建設方法與實際應用。
武漢市2008年以來機動車保有量年均增長率超過15%，2014年機動車增長34萬輛，增幅達22.2%；高峰小時流量超5000輛的道路交叉口成倍增長，由2010年的61個增長至2014年的123個；路網平均車速逐年下降，2014年為21.4km/h，較2010年下降9%，城市交通問題日益嚴重。
信息化和智能化是城市交通發展的必由之路，公交信息系統作為智能交通的重要組成部分，對提升公交服務質量、提高公交運行效率尤為重要。武漢市各公交行業管理部門分別建成服務自身業務的信息系統，例如市交通委員會的公共汽車運營調度系統、市地鐵集團的軌道交通運行與信息發布系統等。這些系統的建成為全市信息化整合打下基礎，但同時存在信息孤島、數據挖掘力度不夠、標準化制定工作滯后、應用服務面單一有限等問題，服務城市規劃建設總體效果不理想。在此背景下武漢市開展了行業資源整合工作，構建了公交信息系統，在城市公交規劃與城市建設管理中發揮了一定作用。
武漢市公交主要包括公共汽車和軌道交通。公交信息系統對全市公交基礎數據資源進行質量評估，針對公交運行現狀建立道路網與公交線網的拓撲關系，重點研究公交客流模型以及運行水平評價指標體系，由需求引導系統的功能設計、開發以及應用。
公交信息系統整合了全市不同類型、來源、用途的數據資源，主要包括7000余輛公共汽車每15s上傳一次的GPS數據、日均近千萬次規模的IC卡刷卡數據、全市5000余個公共汽車站、370條公共汽車線路、96個軌道交通車站和4條軌道交通線路的地理信息、公交運營企業月度營收報表，抽樣的公共汽車車載監控視頻，土地利用以及人口、就業崗位情況，手機信令數據等，日均數據處理量達5GB。
公交信息系統采用多線程分布式運算和分塊索引技術實現數據實時匹配并進行計算，負載均衡架構提升了海量數據的分析處理效率，支持對各空間和時間粒度客流數據以及公交運行數據的頻繁存儲與讀取，將數據流處理壓力分散，最大化硬件運算能力，緩解因大批量數據讀寫而造成的系統性能瓶頸。對各類數據進行多級存儲與并發訪問的科學精密設計，以滿足實時接入數據與運算結果穩定并存、快速讀取歷史統計結果等性能要求。
中國大多數城市均采用公共汽車上車刷卡一票制，缺乏下車信息的采集手段，給分析OD客流、平均出行時間和出行距離、換乘行為帶來困難。在已有研究基礎上，通過時間參數匹配乘客上車刷卡與公共汽車GPS信息判斷上車站點位置，對于未成功匹配的情況按照刷卡時間間隔聚類并結合車輛到離站情況模擬上車位置(見下圖)。再根據用地性質和公交通勤出行特征，以及車站發生吸引總量基本保持平衡的假設，設定上車人數較多的車站下車人數也相對較多，建立車站客流發生吸引強度模型
公共汽車上車站點判斷模型
同時，累積每位個體一段時間的公共汽車出行信息形成常發出行表和出行鏈模型。對于全天僅一次刷卡的情況，運用常發出行表和客流強度模型預測其下車位置；對于全天存在多次刷卡的情況，根據出行鏈規則預測每次乘車的下車位置(見下圖)。該方法在一定程度上解決了一票制無法獲知下車位置的難題。
為精確監控城市公共汽車客流量變化，結合車載視頻抽樣信息和常發出行表校核模型精度。校核后車站客流準確率達70%。由于存在大量投幣客流，為獲得全口徑總客流量，結合公共汽車營收報表對線路客流量進行擴樣：
校核后線路客流準確率達80%，較準確地模擬了客流走廊(見下圖)。
公共汽車客流走廊分布
建立軌道交通網絡客流
最優策略分配模型
為真實模擬軌道交通客流選擇行為，公交信息系統對線網中每條路徑設定廣義費用，即乘客選擇該路徑出行的綜合成本。該費用由確定項和隨機項組成，其中確定項主要包括車輛站間運行時間、乘客步行換乘時間、乘客等待時間、票價和車廂擁擠度等，而隨機項主要體現突發事件、乘客心理等不確定因素對路徑選擇的影響。基于廣義費用最小的動態平衡機制，公交信息系統建立了軌道交通線網客流分配模型，精確計算軌道交通線路客流、斷面客流(見下圖)和換乘客流等，準確率達90%。
以往武漢市公交運行水平的評價內容僅限于對線路、車站服務范圍的單一描述，沒有融合分析線網結構與客流演變規律，更沒有深入挖掘公交運行與服務水平之間的關系，缺乏科學、準確、全面的模型支撐。
以《公共交通通行能力和服務質量手冊》為基礎，建立了以乘客滿意度感受為核心的公交運行評價指標體系(見下圖)，包括從空間和時間多角度反映公交時效性的發車間隔、服務時長、到站準點率、行駛速度，反映乘車舒適性的滿載率，反映乘車安全性的事故率，以及反映公交系統可達性的線路、車站覆蓋范圍等指標。
該評價指標體系以社會公眾為主要服務對象，準確掌握全天候、全網絡、多層次的公交運行狀態和客流演變規律，解決了傳統調查指標無法用于公交線網整體動態評價、無法解決客流數據盲區、無法了解公交運行實際情況的難題。
道路和公交系統的規劃實施決定了規劃年的交通供給，而未來的交通運行情況則基于對現狀模型的推演。通過擬合現狀模型與交通運行狀況，例如運用道路車流和公交客流分別校核現狀模型中車流和客流模塊，使得預測模型能夠更加精準地反映宏觀變化趨勢和交通運行特征。
鑒于規劃與現狀數據分離的傳統狀況，通過公交信息系統提供的客流和運行數據對現狀公共汽車客流和軌道交通客流模型進行校核，調節模型參數，提高現狀模型的精確度，并有針對性地研發數據接口和標準技術，建立信息系統與傳統預測模型之間的數據傳輸通道。公交信息系統對現狀數據的掌控使客流預測模型得到良好的參數標定，在掌握現狀客流時空分布特征的基礎上，通過將系統得到的現狀數據與Emme宏觀預測、Legion行人仿真等數據進行關聯，根據城市總體規劃、土地利用規劃、公交線網規劃等，較好地模擬出未來公交運行發展趨勢。
在全面掌握城市公交運行和客流OD分布特征的基礎上，公交信息系統進一步融合車流運行狀況、車流出行OD，并結合手機信令數據，分析全市常發大客流區域位置與演變規律，摸清車輛出行路徑與停車需求，展示人口崗位分布與區域活躍度，全方位掌握城市交通運行的規律，更加準確地把握城市交通動向。
結合地鐵刷卡數據和手機信令數據，以地鐵2號線末站光谷廣場站為分析對象(見下圖)，分析出站客流分布。從客流來源分布來看，來自城市中心的通勤客流占有較大比例，尤其是與幾個軌道交通換乘車站周邊區域的聯系最為緊密，并且該部分客流平均乘距普遍較長；從客流擴散范圍來看，光谷廣場站的服務范圍過于廣泛，軌道交通末端站點與公共汽車、步行及自行車交通的接駁效率對該區域市民的影響尤為重要。
公交信息系統將現狀公交運行狀況與規劃預測方案相結合，為城市新建、改建項目的審批與評估工作提供必要的數據支撐，成功應用于《武漢市軌道交通線網規劃修編(2014—2049年)》、《武漢市城市軌道交通第三期建設規劃(2015—2021年)》等數十項城市交通規劃重大項目，效果良好。截至2015年，以周報、快報、年報等方式面向社會公眾發布了公交運行狀態和客流集散特征分析等專題報告數十期，引導居民選擇合適的出行工具和線路錯峰避堵出行。
公交信息系統統計數據顯示，實施線網優化與換乘優惠前，武漢市公共汽車線路平均長度18.9km(見下表)，線路運營時間較長，繞行嚴重，且缺少直達快線、大站干線；線路重復系數高達4.6(見下圖)，主城區線路網密度僅為1.5km/km2，低于《城市道路交通規劃設計規范》(GB50220—95)(以下簡稱《規范》)要求的3~4km/km2；次干路和支路系統不完善，不適合公共汽車通行，導致公交系統可達性差；乘客平均換乘系數小于1.1，線路網絡化程度低，不合理的線網布局不僅加劇了公交企業運營成本，還增加了道路交通壓力；公交線網滿載率偏高，高峰期車內普遍擁擠嚴重。
2015 年武漢市公共汽車線路分類型靜態指標
在此背景下，根據現狀客流特征梳理公交線網，規劃設計體系分明、功能完善的多級網絡結構。結合公交信息系統提供的現狀客流和公共汽車線網數據建立交通預測模型，并依據規劃期內城市經濟和社會發展、用地布局等指標，預測未來交通量。預測的每個階段都分為現狀數據收集、建立模型、交通預測三個部分，并在各個階段對模型精度進行校核。
根據2020年城市人口、用地發展趨勢，預測公共汽車客運日均需求量將由現狀的450萬人次增長至超過800萬人次，按照客運交通需求匡算規模，屆時武漢市公共汽車線網高峰小時運力需求將達到1.5萬標臺，線路合理規模需要達到640~700條。按照“快、干、支、微”各級線路客流特征，安排各等級線路的需求規模，其中快線和干線規模為100~120條，占全網線路規模的18%，日均承擔客流為345~420萬人次，占全網客流規模約40%，快線、干線網逐漸成為公交線網的骨干。規劃方案實施后，預計全市公共汽車線網的重復系數將由4.6下降至3.6，車站500m范圍覆蓋率由75%增加至91%，線網換乘系數從1.1提高至1.4，主要客流走廊上的線路數量降至10~20條。
公交信息系統對全市公共交通運行和客流情況的監控顯示，武漢市公共汽車平均票價為1.45元，平均乘距為6.2km，換乘系數僅為1.1，網絡化程度不高；軌道交通平均票價為2.52元，平均乘距為11.6km，換乘系數1.3，已經邁入網絡化運營階段。總體而言，武漢市公共交通收費標準缺乏整合，采用定額票價，路線傾向一車直達，長距離乘客收費相對低廉。
在建立“快、干、支、微”四級規劃網絡后，公共汽車線路的平均長度將會縮短，市民公交出行的換乘次數將有所提高。為了不增加市民出行成本，保障線網調整方案順利實施，在公交信息系統提供的現狀客流基礎之上，開展公共交通系統一體化換乘優惠方案研究。結合公交線網優化調整方案和城市發展趨勢預測規劃年的換乘規模，率先推出“公共汽車全天1.5h內首次換乘免費，第二、三次換乘六折或七折收費，三次以上換乘正常收費”的優惠政策。該方案已于2016年1月1日正式實施，并取得初步成效(見下圖)。優惠政策實施后，全市公共汽車換乘客流總量由30萬人次迅速增長至超過70萬人次，其中一次換乘客流占換乘總量的90%左右，前后兩次乘車的時間間隔由49min降至38min，換乘系數由1.1增至1.3，基本達到預測水平。隨著線網不斷完善，乘客可以自由選擇公共汽車和軌道交通、多條公交線路組合出行，客流得到有效組織，原本乘坐一趟長距離線路直達目的地的單一出行模式，將逐漸演變成“公共汽車+地鐵”的組合模式。
方案實施前后公共汽車換乘比例變化
根據公交信息系統提供的公交運行指標可以實時掌握車輛日常運行狀況，合理配置運力、部署車站場站，提供定制公交服務，提高運營管理部門快速響應和決策能力。
分析區域公交線路、主要車站客流，與區域居住人口和出行規律相對照，為優化配置區域線路提供支持。公交信息系統顯示，進入金銀湖區域的公共汽車線路主要沿金山大道、金銀湖南路分布。以金山大道萬科銀橋公共汽車站為例，目前途經該車站的線路只有5條，而早高峰客流量超過4000人次/h，服務水平明顯不足，有增線需求。
根據全市公共汽車客流滿載率分布情況，觀察10條日均客流量達到3萬人次以上的線路，發現其高峰時段滿載率均超過《規范》標準水平，并且早高峰滿載率均高于晚高峰。其中208路公共汽車早晚高峰滿載率差異較大，分別為1.4(中等擁擠)和0.9(基本舒適)，但發車間隔變化不大，分別為4.1和5.6min，表明該線路在客流水平正常的晚高峰可以適當減少發車班次，節約運營成本。
公交優先已經上升到城市發展的戰略層面。在武漢市全面建設國家中心城市，創建公交都市示范城市，深入落實公交優先發展戰略的背景下，綜合運用新一代信息技術，公交信息系統整合挖掘全市現有的公交基礎數據資源，構建了公交信息資源庫。與武漢市交通云平臺融合，向上支撐智慧城市建設，向下輔助交通行業管理。達到承擔武漢市公交信息采集、公交體系運行監控和決策支持的目標，為武漢市智慧城市一體化建設做出示范性推廣。通過有針對性地建設并結合交通預測模型，應用于公交線網規劃和相關政策制定，在服務城市交通發展戰略和各項規劃研究中發揮積極作用。
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