基于优化理论和GIS空间分析技术的公交站点规划方法

1、第28卷第6期2004年12月武汉理工大学学报(交通科学与工程版Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy(T ran spo rtati on Science &Engineering V o l .28N o.6D ec .2004基于优化理论和G IS 空间分析技术的公交站点规划方法收稿日期:20040824谢华:女,29岁,硕士生,主要研究领域为地理信息系统应用和研究谢华都金康(南京大学城市资源系南京210093摘要:针对交通规划的特点和目标,介绍一种基于最优化原理和G IS 空间分析方法的交通站点规划方法.该方法依据乘客总出

2、行时间最短确定单个线路上的站点个数,结合G IS 缓冲区分析和叠合分析,在路线上做站点设置的适宜性分析,确定站点的位置,从而提供一种交通规划的方法.关键词:交通规划;G IS ;最优化原理;站点选址中图法分类号:U 492.1+10引言公共交通占据城市交通很大的一部分,因而公共交通的合理规划显得尤为重要.公共交通规划的主要内容为公交线路的选择及站点布局.而站点布局涉及站点设置的数目、各个站点的位置及站点间距等问题,这些问题处理得好坏,直接影响人们的出行、财政支出的多少等等,进而影响人们的生活质量.在公交站点布局规划时,需要考虑众多因素,如人口分布、居住分布、就业分布、道路长度、行车道数,交通量

3、大小、乘客客位占用等等.由于影响因素众多,因此站点的布局一般都是采用人工的方法来实现.但由于问题的复杂性,得到的结果往往不太客观与合理,所以最好是采用计算机技术通过建立和求解数学模型的方式来辅助站点规划.但是在建立和求解城市交通数学模型时,对与交通密切相关的空间关系数据的表示和分析存在很多不足,一方面模型很难建立,另一方面,模型用于实际问题的求解也很困难.基于计算机软硬件支持的地理信息系统G IS 具有很强的空间数据处理和空间分析能力,它不仅能处理交通中的空间的和非空间的数据,而且还提供了许多空间分析手段2.因此,G IS 成为城市交通规划中有力的工具.交通规划可以利用G IS 来输入、存贮、

4、处理交通规划数据,对数据的空间特性和交通数学模型进行空间表示,并进行进一步的空间分析,从而得到理想的规划结果.文中利用G IS 空间分析方法解决单个交通线路上站点规划的问题,提出基于最优化理论和G IS 空间分析技术的站点规划方法1,2.1基于最优化理论和G IS 的公交站点规划方法由于公共交通设施网络涉及诸多因素,但考虑这么多的因素建立起的模型必然很复杂,而且难以求解.经分析取舍,考虑了主要的影响因子,建立了一个用于解决交通站点规划问题的方法.该方法主要基于最优化理论4和G IS 适宜性分析技术5,首先通过建立一个优化数学模型6确定交通站点的总数目,同时从这个数学模型得到各影响因子和站点个数

5、之间关系的函数表达式,该表达式说明什么地方适宜建站点,从而为G IS 适宜性分析提供依据36.站点数目确定后,再确定站点的空间布局.该方法采用了G IS 适宜性分析技术,对人口分布,交通流量,道路状况这些因素进行量化,通过叠合分析和缓冲区分析,找到最适宜的地方建立站点,用G IS的方法弥补了确定站点数目的优化数学模型的引入因素少的不足,综合考虑了很多与公共交通相关的因素,使建立G IS辅助规划系统成为现实.1.1公交站点选址的优化模型模型中考虑的选址问题的主要因子:人口分布、交通流量、交通起讫点、一般车速、道路状况.模型假设:(1假设公交车辆在每个站点停留的时间一样,都是T;(2假设公交车辆在

6、站点前后的各A m内为公交车加速减速的距离,平均车速为一般车速调查所得数据V的一半.其他地区的运行速度为一般车速V;(3所有的站点在整个公交路线上基本是均匀分布的;(4乘客到车站的平均距离M与站点个数X成反比.实际情况表明,当站点很多时,每位乘客在线路上的旅行会因为中间停车较多而导致总出行时间很大.而当站点很少时,乘客平均到最近一个站的时间会加长,可能超过在路上行程部分所节省的时间,从而导致总出行时间还是很大.可见,当站间距很小或很大时,总出行时间都会较大,而在此之间存在着某个最优站点数目,使总的出行时间最小5.总出行时间最小的公交优化模型为m in F=X T+MV R +4(X-1AV+Y

7、VK=2A(X-1+Y(1式中:F为总出行时间;X为站点的个数;T为公交车辆在公交站点停留的时间;M为乘客到最近车站的平均距离;V R为乘客到车站的平均速度; K为公交路线的总里程数;Y为以一般车速V运行的公里数,这样X T为在站点总的停靠的时间; 4(X-1×AV为在站点前后加速减速的运行时间;YV是以速度V运行的时间.在式(1中,除了M与站间距离有关,和X 属于因变量外,T,V R,A,V都可作自变量,对于特定的T,V R,A,V值,可以得出一个最佳的X 值来.以M=K 3X(经验值,Y=K-2A(X-1代入式(1的第1个式子得m in F=X T+K 3KV R+4(X-1AV

8、 +K-2A(X-1V令5F5X=0得X=K (T+2A V×3V R(2式(2即为最优站点数的公式.根据式(2,在其他变量一定的情况下,人口越密集,那么停靠时间T越大,则站点应建得越少.同样,人们到达站点的速度越小,站点应建得越多;交通流量小,道路状况好,城市的一般车速越大,站点应建得越多5;公交车辆在路上可达到的加速度就越大,则A越小,站点应建的越多6.这些是进行G IS适宜性分析的依据.1.2基于G IS适宜性分析的站点选址当站点数目确定后,利用G IS空间适宜性分析技术实现站点的空间定位,主要步骤为1对人口分布R,交通流量J,道路状况D进行量化4.量化过程中采用下面的规则.(

9、1道路上的人口分布采用以100m的步长逐点做一公里范围缓冲区的方法,在缓冲区内的人数就是对应道路上的人口分布值;(2交通流量以实地采集的日平均数据为准;(3道路状况以每隔100m道路的建筑性质、宽度、完好度为度量标准.说明:为了便于说明模型的思路,以下的图表(表13,图14都是示意性的,实际系统中将量化成灰度图.以下是经量化获得的各影响因子的值.表1人口分布度量指标很稀疏稀疏一般稀疏中等一般密集密集很密集人口分布2345432表2交通流量度量指标量很小小一般小中等一般多多很多交通流量6543210表3道路状况度量指标很差差一般差中等一般好好很好道路状况01234562按照上面的规则生成针对交通

10、路径的人口分布,交通流量,道路状况的灰度图.结果分别如图1,2,3,再对3个图层进行叠合分析,得到一个栅格图(图略.如果有需要,还可以对3种不同的因素赋不同的权值.3根据交通站点数X,在交通路径上等间距地取X个点对每个点在步骤2得到的栅格图(图略上做半径为100m的点缓冲区.(如图4.89武汉理工大学学报(交通科学与工程版2004年第28卷 4缓冲区内交通流量、人口分布和道路状况量化值最大的位置设立公交站点.至此,解决了公共交通站点选址的问题 .1.3方法的流程图以上方法的流程图见图5 .图5站点规划流程图1.4基于该模型的规划实例基于该模型的辅助规划系统在V C 开发平台上实现.系统按照上述

11、步骤对某市的单个交通路线进行了规划,系统参数取K 为10km ,A 为100m ,V 为某市公交车的一般车速,T 为该城市平均的站点停靠时间,V R 为1m s ,其中,车流量,人口分布,路况都采用统计平均值,是为了说明它们同V ,T ,A 的关系,结果如表4所列.表4某市规划结果V m s -1T s A m车流量人口分布路况站点个数站间距离 km11901002455.61.72结束语交通规划是解决公共交通的重要手段,然而交通规划也是一个很复杂的问题7,单纯建立数学模型来描述交通系统比较复杂.文中采用了“数学模型+G IS 分析”的方法,数学模型为G IS 分析提供了评价标准,G IS 分

12、析简化了公式的复杂程度,弥补了数学模型在细小局部上无法表达的缺点,采用直观的适宜性分析技术,最终确定公交站点的具体位置,这是对用G IS 解决交通规划问题的一个探索.当然,该方法也存在某些方面的不足,例如,交通流量,人口分布,道路状况等因素之间是相互有联系的8,文中没有分析它们之间的关系,也没有给出它们的权重.另外,模型只研究了单个交通线路的运输问题,没有考虑到和其他的交通线路的统一协调问题.参考文献1孙光明,吴青,徐方方土.城市公共交通车辆管理系统关键技术研究.武汉理工大学学报(交通科学与工程版,2004,28(4:5185212张存保,李华,严新平.基于W eb G IS 的城市公交问路系

13、统.武汉理工大学学报(交通科学与工程版,2004,28(1:991023黄杏元,马劲松,汤勤等.地理信息系统.北京:高等教育出版社,2002.2144魏叔龄,胡显佑,黄志明.运筹学简明教程.北京:中国人民大学出版社,1987.2665姜启源.数学模型.第2版.北京:高等教育出版社,1993.1806周立新,李英,缪和平.城市轨道交通系统的换乘研究.城市轨道交通研究,2001,(4:35387王炜.城市交通管理规划理论体系框架设计.东南大学学报(自然科学版,2003,33(3:3353398罗旗帜.城市公共交通配车量综合预测法.佛山科学技术学院学报(自然科学版,1998,16(4:610909第

14、6期谢华等:基于优化理论和G IS 空间分析技术的公交站点规划方法A M ethod on Bu s Stati on P lann ing Based on Op ti m izati on T heo ryand T echn ique of G IS Spatial A nalysisX ie Hua D u J i nkang(D ep a rt m en t of U rban and R esou rces S ciences ,N anj ing U n iversity ,N anj ing 210093AbstractB ecau se of its pow erfu l c

15、apab ility of m anaging space data ,G IS is adop ted w idely in traffic p lan 2n ing .A cco rding to characteristic and ai m of traffic p lann ing ,th is p aper in troduces an app roach w h ich is based on G IS sp atial analysis and op ti m izati on theo ry .F irst ,the op ti m al m odel w ith ob je

16、ctive of m in i m izing p assengersou tgo ing ti m e is estab lished and so lved to ob tain the num ber of bu s stati on s .T hen the best su itab le locati on fo r every bu s stati on is deter m ined by u sing the G IS techn ique of buf 2fling and overlaying spatial analysis .T he m ethod can be u

17、sed in traffic p lann ing .Key words :traffic p lann ing ;G IS ;op ti m izati on theo ry ;bu s stati on po siti on(上接第875页7方生,张配强.旋转磁场作用下磁流变液颗粒运动及结构演化的模拟.化学物理学报,2001,14(5:5625668O denbach S .Ferrofluids 2m agnetically contro lled sus 2pensi ons .Co llo ids Surf .A ,2003,217:1711789Zakaria K .N onlin

18、ear dynam ics of m agnetic fluidsw ith a relative mo ti on in the p resence of an obliquem agnetic field .Physica A ,2003,27:22124810赵永利,郭开华,梁栋等.HCFC 2141b 制冷剂气体水合物结晶生长过程及其分形生长模型中国科学(B 辑,2002,45(2:21622411章永化,陈守明,陈建华等.纳米Fe 3O 4 聚苯乙烯均匀体系的制备结构.高等学校化学学报,2003,24(9:17171720Influence of N anom eter M agnetoflu id onthe Character of HCFC 2141b Gas H ydrate Fo rm ati onM a X i aol i n Shu B ifen Guo Ka ihua Shen Hu i(Guang z hou Institu te of E nergy Conversion ,T he Ch inese A cad e m y of S cience ,Guang z hou 510070AbstractIn th is p ap er ,carried ou t are exp eri