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    基于GIS的城市公交线网管理与优化决策支持系统设计与实现
    2014-11-06 13:51:05   来源:Tranbbs.com      作者:谭英嘉 郭    评论:0 点击:

    公交线网管理与优化是公交相关规划工作的重要组成部分。随着大城市公交线网的逐步扩大,提升公交线网管理与优化决策水平,实现公交系统最优、减少对既有客流的负面影响、协调现实矛盾,将是一项重大而复杂的系统工程。因此,公交线网管理与优化亟需精细化、科学化系统支撑,通过信息化、智能化方式,收集、储存公交线网、设施等数据,同时对海量公交运行信息进行融合、挖掘和深度思考,评估公交服务水平,辅助公交线网管理,为线网优化提供决策支持。目前GIS技术在国内公交规划、管理中逐步开始应用,许多学者和研究单位对基于GIS的公共交通规划系统做了许多基础性的研究工作[1-5],但国内公交GIS系统主要应用于公交调度、运营管理等方面,客流数据挖掘利用、线网管理与决策分析等功能比较薄弱,因此,亟需建立一套可支撑公交线网管理与优化决策的系统,提高对公交线网、设施、客流、运营数据和IC刷卡数据等海量信息的挖掘、分析能力,以便适应大城市创建“公交都市”的需求。

    1 系统建设目标与内容

    1.1 系统建设目标

    公交线网管理与优化决策支持系统是基于GIS技术构建的C/S架构系统,目标是实现对城市公交线路、设施及运营信息的全面管理、动态分析和实时报表,把握城市公交运营状态,并结合客流需求特征,通过量化指标评估公交线路、运力、设施现状及规划方案优劣,以便辅助决策,提高对公交线网与优化决策能力,全面提升公交“规划-建设-运行-管理-服务-应急”能力。

    1.2 系统建设内容

    系统建设内容主要包括:一是构建标准化的城市公交线网GIS数据库;二是构建客流分析与预测子系统,通过客流数据分析,对公交行业和发展进行科学预判,为公交行业的发展和规划提供有效支撑;三是构建公交线网分析评估子系统,对公交线网、设施和运力进行科学量化评估,以便为公交线网优化调整提供较好的决策支持;四是构建公交线网优化子系统,对公交线网优化进行数学建模,辅助制定公交线网及相关设施规划方案;五是将线网优化方案进行模拟,将公交线网优化方案以GIS图形方式展示,对客流的分布预测和线网规划调整进行模拟。

    3 系统设计

    3.1 系统架构设计

    以用户业务需求为导向设计多用户同时使用的C/S系统框架,按照“软件表现层——业务逻辑层——数据访问层——数据管理层——数据源层”五个层次,实现公交线网数据采集、接入、存储、分析、展示、应用等的一体化,从而达到对城市公交线网进行管理与优化调整决策的功能。总体框架如图1所示。

                                                 

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    图1  城市公交线网管理与优化决策支持系统总体架构

    Fig.1 General structure of the urban transit network management and optimization decision support system

    1)数据源层:数据源包括道路数据、公交线网、站点、场站等公交地理信息数据、公交企业运营数据、IC卡刷卡数据、运营车辆GPS定位数据等。

    2)数据管理层:来自不同系统的数据源经过线网分析系统处理后汇入数据管理层,数据管理层关注与其他层次的交互,担当事务监控器、消息系统及其他角色,存储着持久数据。选用GIS数据库来提供数据存储、数据存取访问、数据存取控制、数据共享等服务。

    3)数据访问层:主要处理以上各层之间数据通讯问题,包括对各层之间数据进行相互传输。

    4)业务逻辑层:主要执行所有业务相关工作,包括根据输入数据或已有数据进行计算,对从表现层输入的数据进行验证,以及根据从表现层接收的命令来确定应该调度哪些数据源逻辑等。

    5)表现层:处理用户与软件间的交互,其主要职责是向用户显示信息并把从用户那里获取的信息解释成业务逻辑或数据源层上各种动作,以图形界面菜单系统来实现。

    3.2 系统功能设计

    1)GIS基本功能模块:缩放、平移,通用的查询、统计,距离、面积计算,常用的空间分析,各种专题图显示,图层的管理,地图的打印、输出等。其中,专题图是一种直观地表达信息的很好的方法,通过专题图分析,可以提供给用户可视化的分析结果,使用户一目了然地获得需要的信息。

    2)系统管理功能模块:主要是对系统用户、权限和登陆进行管理,主要是指对系统的用户进行分级管理,不同级别的用户具有不同的访问权限,确保系统用户操作安全。

    3)公交查询、统计、报表功能模块:主要对公交线路、站点、场站数据,区域线路、站点及场站数据,公交运行数据等进行查询、统计和报表,可以查询、统计、报表地图上所有的空间信息及关联的属性信息。

    4)GIS数据管理维护功能模块:通过地理信息系统的创建,实现对城市公交线路、设施及运营信息的全面管理维护,其中包括路段数据维护,路口数据维护,其它路网数据、站点、场站数据维护等功能。

    5)公交线网评估模块:通过自定义的区域或选定行政区域,从规划技术、运营服务和运营效益三类指标对公交线网进行分析,实现相关专业指标的自动计算,为系统的辅助规划和引导决策提供数据上的支持。

    6)客流分析和预测模块:客流分析以调查的公交线路OD及IC卡、GPS校核的公交出行OD数据为基础,对公交客流在线路上、断面上、站点上的时空分布特征进行统计分析。预测模块则建立公交生成、分布和分配模型,对未来公交客流进行预测分析。

    7)公交线网优化模块:主要按照线路长度、客流强度、非直线系数、轨道重复系数等公交线网评价指标筛选备选调整线路,进而进行优化调整,线路调整后对调整线路及线网进行评估,方便线路的优化调整。

    3.3 GIS数据库设计

    公交GIS数据包括静态供给数据、动态需求数据及规划背景数据,其中,静态供给数据包括交通小区、城市路网、公交线网、公交运力等;动态需求数据包括线路上下客流、公交IC卡数据及断面客流数据等;规划背景数据包括社会经济、土地利用、机动车拥有等。通过静态供给数据、动态需求数据及规划背景数据的整合,对其相关空间、属性和拓扑数据进行关联,可以实现客运交通规划基础数据一张图、一张表,以便为城市客运交通行业规划、设计、管理决策提供数据支撑。

    (1)静态供给数据

    基于GIS软件平台,完成交通静态供给GIS数据的梳理建库,数据包括行政区划、交通中区、交通小区、建成区、路网、线网、站点、场站、公交专用道等,这些数据通常可以抽象成为空间数据而显示在地图上。静态供给GIS数据具备以下基本功能:①在公交网络上,表现公交线路和公交站点之间的关联;②实现公交网络和道路网络、交通区划的关联;③公交网络、交通区划的空间属性(例如,线路,站点等)能与交通出行及运营服务数据(行车计划、线路客流等)关联;④实现公交网络、道路网络和一些非网络信息关联,例如公交线路沿线用地属性、路标等。根据上述基本功能,建立静态供给GIS数据库框架,如下图所示。图中的实线箭头表示不同类别数据间的双向联系,空心箭头表示同类数据不同形式间的等价关系[7]。                                             

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    Fig.2 The structure of static supply GIS data

    (2)动态需求数据

    基于GIS软件平台,完成了动态需求GIS数据的梳理建库,数据包括站点集散量、公交客流OD、断面客流量等。动态需求数据具有时空动态特征,很难对其进行空间抽象,但动态需求数据又与空间数据有着不可分隔的联系。因此,动态客流需求数据可以作为空间数据的属性数据进行表现、存储和分析应用。客流数据的静态结构中,主要包含的是基于公交线路和站位的各种客流统计数据表类,如图3所示。图中显示以公交线路和公交站位为核心,形成了多个客流统计数据表:基础客流数据表、平均客流数据表、驻站客流数据表、站段客流数据表和分线路站段客流数据表。

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    (3)规划背景数据

    基于GIS软件平台,完成规划背景GIS数据的梳理建库,主要包括社会经济、人口、土地利用、机动车保有、道路交通等。其中土地利用、道路交通可以以空间数据保存,社会经济、人口、机动车保有和交通态势均需以属性数据保存。

    4系统设计案例

    根据公交线网管理与优化调整业务需要,基于上述设计,深圳依托TransCAD软件的GISDK语言开发了深圳市公交线网管理与优化决策支持系统(以下简称线网决策支持系统),目前系统主要包含了系统管理、线网管理、公交查询报表、公交线网评估、客流分析与预测、公交线网规划6大功能以及15个具体模块,具体系统功能特性如下。

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    (1)系统开发了面向多层次用户的使用界面,系统操作更为简易

    公交管理、建模或运用过程是一个相对复杂、专业的系统。为了让不同层次的用户,如开发人员、运维人员、管理人员均能使用该系统,系统架构采用C/S结构,并开发了“一键式、傻瓜化”、所见即所得的操作界面,使系统更为简单、易懂。

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    (2)系统引入GIS技术、模型技术和仿真技术,线网管理和优化决策更加智能和科学

    系统数据采集、分析、应用都紧密结合GIS技术、公交模型技术和仿真技术开展,满足公交线网管理、评估、优化调整和图形模拟的各种需要。系统不仅具有公交GIS数据的“采集”和“存储”功能,具有对数据的“分析”和“应用”功能,而且实现了公交各类数据和系统进行实时对接,辅之以公交模型,实现可视化的线网管理和优化决策支持。

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    (3)系统构建了一体化的GIS公交线网数据库,使线网数据管理和应用更加简便

    目前深圳线网决策支持系统GIS数据库主要包括了道路、交叉口、公交线路、公交站点、轨道线路、轨道站点、公交场站、公交专用道、出租车停靠站、轨道客流、常规公交客流等公交供需空间与属性数据,以及储存在行政区划、交通区划里的社会经济、用地、社会经济等规划背景数据。系统全面掌握了深圳公共交通GIS数据,实现了公共交通数据“一张图、一张表”功能。

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    (4)基于公交GPS和IC卡数据的公交OD预测模型,并具备数据实时分析处理功能

    系统基于公交GPS和IC刷卡数据推导公交出行OD的预测模型,能够处理IC卡数据系统、车载GPS监管系统提供的海量数据,推导公交乘客的出行链,获得公交乘客出行OD[8]。在技术层面可根据接收的IC卡数据和车载GPS数据进行快速运算分析,获得最新公交乘客出行OD。

    (5)可视化的多方案量化比选与评估技术,可有效节省成本

    系统改变以往决策阶段人工操作评价模式,直接在计算机软件环境中修改、模拟、推演,最终形成最优方案,方案的比选,无需改变现场的硬环境,具有重复成本低,无需现场实际操作等特点,既能节省大量的人力和物力,又实现了公交线网优化的定量性、科学性评估。

    (6)系统具有较强可拓展性,能结合功能需求对系统进行升级更新

    系统整体设计注重鲁棒性和延伸性,在实现目前功能的基础上,还具备自适应升级改造的能力,可拓展的功能包括:①和综合交通信息平台实现连接,实现道路、公交、站点、交通态势、客流等基础数据的共享;②和IC卡数据处理平台进行对接,接入实时动态数据,以便实时动态评估数据;③和公交各项专项规划对接,引入各专项规划先进的量化及评估方法对系统进行升级优化;④和公众网络对接,建立公交运营态势评估体系,就公交运营态势向市民发布,就热点难点地区公交规划方案向市民展示和互动;⑤和微观仿真平台对接,实现对社会及公交车流、人流等进行微观仿真测试和评估等,可为公交管理、应急和服务提供更精细分析。

    (7)小结

    基于线网决策支持系统,目前深圳已完善了公交静态供给数据、动态需求数据及规划基础数据的采集建库,实现了深圳公交GIS数据和交通运输部系统的对接共享,并逐步形成了深圳公交GIS数据库更新维护长效机制,可对公交数据进行实时更新维护,能使行业主管部门全面掌控公交运行及服务态势。同时系统在深圳轨道接驳线网调整、年度公交线网优化及设施改善中得到较好利用,使得规划决策更加有理可循、有理可依,推进了精细化管理模式的实施。系统的应用极大地提升了深圳的整体技术实力和规划科学、合理性,为行业主管部门公交决策提供了强有力的可视化数据支撑。

    5 结语

    大数据时代,建立以数据整合为核心的公交线网管理与决策支持系统,实现对海量的各类公交数据资源有效的利用和共享,并通过数据智能分析,准确掌握公交系统的运行状态,挖掘分析影响公交运营、服务、安全管理水平的主要因素和影响程度;根据这些特征、规律和影响因素分析的结论,更有针对性、更有说服力、更有效率、更迅速地对公交数据进行优化管理,是未来公交线网智能管理与优化技术发展的趋势。本系统适用于大城市复杂公交网络的分析处理,是管理优化城市公交网络的重要辅助工具,它将公交线网规划和设置建立在科学动态评估的基础上,能进一步提高政府部门运力投放和线网规划的决策管理水平,有效提高公交线网的运行效率,节约行业运营成本;同时,系统的建设亦有利于推动国家 “公交都市”示范工程的建设,并形成示范效应。

    参考文献

    [1] 王炜,杨新苗,陈学武等.城市公共交通系统规划方法与管理技术[M].北京:科学出版社,2002.

    [2] 黄正东.公交实体的详细表达及其在出行系统中的应用[J].武汉大学学报(工学版),2006,36(3):69-75.

    [3] 徐士伟.GIS 技术在公共交通规划中的应用[D].上海:同济大学,2000.

    [4] 戴友峰.基于GIS的城市综合交通信息管理技术研究[D].郑州:解放军信息工程大学,2008

    [5] 北京市公共交通总公司.城市公共交通智能调度指挥系统(ITS)[J].中国建设信息,2007(1):41-43.

    [6] Caliper Corporation.TransCAD Transportation Planning Software(GIS User’s Guide)[M].America:Caliper Corporation,2010:5-16

    [7] 谭英嘉.基于GIS的公交客流OD反推技术研究[D].广州:华南理工大学,2008

    [8] 丘建栋,段仲渊.动态交通信息应用实践-以深圳市为例[J] .交通信息与安全,2013,

     31(4):101-107

     

    责任编辑:白小嵩

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    [专栏文章:4 篇]人物简介
      谭英嘉,华南理工大学研究生毕业,交通运输规划与管理专业,任职于深圳市综合交通设计研究院,主要从事城市公共交通规划研究相关工作,近5年作为项目负责人或项目主要参与人完成了60多项各类公交规划研究、专项调查、公交系统开发工作;在公交规划研究、公交调查建模、数据挖掘应用、公交系统开发与应用方面具有丰富的经验。负责或作为主要参与人开发了深圳市公交线网管理与规划决策支持系统、城市公交线路客流分析系统、公交GPS数据实时处理及公交运行速度展示系统、深圳公众出行网系统、公交四站系统等,相关成果共申报了5项软件著作权。