基于GIS的城市常規(guī)公交線路優(yōu)化研究

朵玉娟

(蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

近年來(lái)，城市公共交通快速發(fā)展導(dǎo)致城市道路資源緊缺，城市交通也愈發(fā)擁堵。因此，政府和社會(huì)各界都開始鼓勵(lì)公共交通的發(fā)展。另外，公共交通也因其費(fèi)用低易乘坐成為了乘客首選的出行方式。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于公交系統(tǒng)的研究較多。Sullivan[1]等運(yùn)用GIS對(duì)等時(shí)線地圖進(jìn)行了可行性分析，提出了選擇最佳路徑的分析方法。Andrew[2]以ArcGIS為基礎(chǔ)，研究患者乘坐私家車和公交到達(dá)就診點(diǎn)的可達(dá)性?？镄荹3]考慮距離、安全、票價(jià)等因素對(duì)城市公交服務(wù)水平進(jìn)行分析，并對(duì)長(zhǎng)春市的公交服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。王艷天[4]通過TransCAD和BGL軟件提出了實(shí)現(xiàn)公交線網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的方法，解決了目前研究中理論研究較多、算法難以實(shí)現(xiàn)的局面。張欣環(huán)[5]根據(jù)城市公交線網(wǎng)特點(diǎn)和交通規(guī)劃模型，對(duì)適合研究現(xiàn)有城市公交線網(wǎng)分析的TransCAD軟件的模型機(jī)理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作流程進(jìn)行研究，并研究了基于GIS-T的城市公交線網(wǎng)指標(biāo)評(píng)價(jià)方法以及城市公交線網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)。丁祥禎[6]利用ArcGIS對(duì)公交站點(diǎn)、線網(wǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過空間句法理論對(duì)昆明市局部區(qū)域內(nèi)的公交線網(wǎng)內(nèi)的站點(diǎn)和線路進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 城市常規(guī)公交線路優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)充分考慮了用戶的需求，將數(shù)據(jù)流分為三大模塊，見圖1。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

第一層為顯示層。主要顯示城市常規(guī)公交線路優(yōu)化系統(tǒng)的交互界面，當(dāng)系統(tǒng)使用者進(jìn)行查詢時(shí)，調(diào)用中間邏輯層的功能模塊，并將查詢結(jié)果反饋使用者；

第二層為中間邏輯層。主要通過調(diào)用相關(guān)組件，實(shí)現(xiàn)城市常規(guī)公交線路優(yōu)化系統(tǒng)的相關(guān)功能。當(dāng)系統(tǒng)功能模塊處理調(diào)用請(qǐng)求之后，將查詢結(jié)果返回顯示層。

第三層為數(shù)據(jù)管理層。主要用于儲(chǔ)存和編輯現(xiàn)有地圖的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

城市常規(guī)公交線路優(yōu)化系統(tǒng)在對(duì)乘客的出行需求進(jìn)行研究之后，明確了系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的主要功能為查詢編輯功能和常規(guī)公交線路設(shè)計(jì)功能。

(1)查詢編輯功能

站點(diǎn)查詢：通過查詢某一站點(diǎn)，顯示通過該站點(diǎn)的所有公交線路信息。

線路查詢：通過查詢某一線路，顯示該線路所有的公交站點(diǎn)。

(2)常規(guī)公交線路設(shè)計(jì)功能

以出行距離最短為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)出行最優(yōu)路徑的設(shè)計(jì)。

2 城市常規(guī)公交線路優(yōu)化系統(tǒng)功能分析

2.1 查詢編輯功能

查詢編輯功能主要是為了實(shí)現(xiàn)居民OD點(diǎn)查詢以及線路查詢。例如乘客出行查找學(xué)府路站時(shí)，學(xué)府路站點(diǎn)顏色將會(huì)發(fā)生變化，以此來(lái)區(qū)別于其他公交站點(diǎn)，并且還會(huì)以一定比例在主地圖窗口中進(jìn)行顯示。查詢成功時(shí)，站點(diǎn)信息框中還會(huì)顯示經(jīng)過該站點(diǎn)的相應(yīng)公交線路。當(dāng)輸入站點(diǎn)不存在時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)提示“請(qǐng)檢查站點(diǎn)信息，重新輸入”。

通過線路查詢可以查找所需要的公交線路，和站點(diǎn)查詢相同，所查詢的公交線路會(huì)以一定比例居中并在主地圖窗口中進(jìn)行顯示，所查詢到的公交線路顏色也會(huì)發(fā)生一定的改變，引起使用者的注意。當(dāng)查詢成功時(shí)，線路信息框中將會(huì)顯示通過該線路的所有公交站點(diǎn)。當(dāng)輸入線路查詢不到時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示“請(qǐng)檢查線路信息，重新輸入”。例如，當(dāng)出行者查詢072路公交線路信息時(shí)，系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 線路查詢

2.2 城市常規(guī)公交線路設(shè)計(jì)功能

乘客出行時(shí)往往會(huì)考慮多種因素，如出行時(shí)間、體力消耗、費(fèi)用等，以使得出行成本最少。不同的乘客出行時(shí)出行目的不同，所以對(duì)最優(yōu)路徑的選擇也是不一樣的。由此可見，最優(yōu)路徑不是最短距離的問題，而是引申到費(fèi)用最短的路徑問題和時(shí)間最少的路徑問題。所以，最優(yōu)路徑是考慮乘客的出行需求、目的以及消耗等因素的一種出行路徑選擇方式。本系統(tǒng)主要為城市常規(guī)公交線路優(yōu)化系統(tǒng)，所以本系統(tǒng)最優(yōu)路徑主要是實(shí)現(xiàn)距離最短，最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑的設(shè)計(jì)。

最優(yōu)路徑的實(shí)現(xiàn)主要還是實(shí)現(xiàn)路徑最短，本系統(tǒng)主要依據(jù)Dijkstra(迪杰斯特拉)算法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑的設(shè)計(jì)。Dijkstra算法可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他任意節(jié)點(diǎn)的最短路徑，特點(diǎn)主要為以起始點(diǎn)為中心，向外進(jìn)行擴(kuò)展并擴(kuò)展到終點(diǎn)[7]。Dijkstra算法是最短路徑算法中最具有代表性的，Dijkstra算法又名為單源最短路徑，單源是指在一個(gè)有向圖中，從頂點(diǎn)出發(fā)，求解該頂點(diǎn)到所有可到達(dá)點(diǎn)之間的最短路徑[8]。

城市常規(guī)公交線路優(yōu)化系統(tǒng)主要是利用ArcGIS將蘭州市局部區(qū)域的公交站點(diǎn)和公交線路信息組織成一個(gè)有向通達(dá)圖，并為所有的站點(diǎn)和線路設(shè)置名稱以及線路等基本屬性[9]。其中，公交線路主要是由一段或者多段線路組成，最終顯示一條完整的公交線路。公交站點(diǎn)主要依附公交線路，在站點(diǎn)處對(duì)公交線路進(jìn)行打斷，使得路徑得以實(shí)現(xiàn)[10]。

(1)出行最優(yōu)路徑算法的實(shí)現(xiàn)

城市常規(guī)公交線路優(yōu)化系統(tǒng)基于Dijkstra算法得到最優(yōu)路徑的實(shí)現(xiàn)步驟如下。

①輸入公交線路的起點(diǎn)和終點(diǎn)；

②與起點(diǎn)連接的所有公交站點(diǎn)為集合A，并判斷與集合A中距離起點(diǎn)最近的公交站點(diǎn)為a，起點(diǎn)與a之間的路徑為L(zhǎng)1；

③除起點(diǎn)之外與a連接的所有公交站點(diǎn)為集合B，并判斷與集合B中距離a點(diǎn)最近的點(diǎn)為b，a與b之間的路徑設(shè)為L(zhǎng)1；

④重復(fù)以上步驟直至達(dá)到終點(diǎn)；

⑤獲得L0至Ln路徑即為最短路徑。

(2)最優(yōu)路徑查詢的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)選擇最優(yōu)路徑查詢時(shí)，最優(yōu)路徑查詢界面如圖3所示。

圖3 最優(yōu)路徑查詢

3 結(jié) 論

(1)通過分析現(xiàn)有常規(guī)公交所面臨的問題，以蘭州市局部地區(qū)公交線網(wǎng)為例，獲取相關(guān)常規(guī)公交站點(diǎn)和線路信息，基于GIS實(shí)現(xiàn)了城市常規(guī)公交線路優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(2)交通大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為公共交通發(fā)展的需要，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的獲取不僅能夠規(guī)劃人員和政府管理部門，也能高效地規(guī)劃現(xiàn)有的公交線路，準(zhǔn)確高效地對(duì)現(xiàn)有公共交通進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控。

(3)在進(jìn)行常規(guī)公交線路優(yōu)化時(shí)，僅僅只考慮了距離最短，在今后的研究中，還可以考慮出行者的換乘需求，這是本系統(tǒng)在未來(lái)進(jìn)一步需要完善的部分。此外，還可以將3D仿真技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)，使系統(tǒng)的可視化性能更加強(qiáng)大。