基于優(yōu)化理論和GIS空間分析技術(shù)的公交站點規(guī)劃方法

1、第28卷第6期2004年12月武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版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基于優(yōu)化理論和G IS 空間分析技術(shù)的公交站點規(guī)劃方法收稿日期:20040824謝華:女,29歲,碩士生,主要研究領(lǐng)域為地理信息系統(tǒng)應(yīng)用和研究謝華都金康(南京大學(xué)城市資源系南京210093摘要:針對交通規(guī)劃的特點和目標(biāo),介紹一種基于最優(yōu)化原理和G IS 空間分析方法的交通站點規(guī)劃方法.該方法依據(jù)乘客總出行時間最

2、短確定單個線路上的站點個數(shù),結(jié)合G IS 緩沖區(qū)分析和疊合分析,在路線上做站點設(shè)置的適宜性分析,確定站點的位置,從而提供一種交通規(guī)劃的方法.關(guān)鍵詞:交通規(guī)劃;G IS ;最優(yōu)化原理;站點選址中圖法分類號:U 492.1+10引言在公交站點布局規(guī)劃時,需要考慮眾多因素,如人口分布、居住分布、就業(yè)分布、道路長度、行車道數(shù),交通量大小、乘客客位占用等等.由于影響因素眾多,因此站點的布局一般都是采用人工的方法來實現(xiàn).但由于問題的復(fù)雜性,得到的結(jié)果往往不太客觀與合理,所以最好是采用計算機技術(shù)通過建立和求解數(shù)學(xué)模型的方式來輔助站點規(guī)劃.但是在建立和求解城市交通數(shù)學(xué)模型時,對與交通密切相關(guān)的空間關(guān)系數(shù)據(jù)的表

3、示和分析存在很多不足,一方面模型很難建立,另一方面,模型用于實際問題的求解也很困難.基于計算機軟硬件支持的地理信息系統(tǒng)G IS 具有很強的空間數(shù)據(jù)處理和空間分析能力,它不僅能處理交通中的空間的和非空間的數(shù)據(jù),而且還提供了許多空間分析手段2.因此,G IS 成為城市交通規(guī)劃中有力的工具.交通規(guī)劃可以利用G IS 來輸入、存貯、處理交通規(guī)劃數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)的空間特性和交通數(shù)學(xué)模型進行空間表示,并進行進一步的空間分析,從而得到理想的規(guī)劃結(jié)果.文中利用G IS 空間分析方法解決單個交通線路上站點規(guī)劃的問題,提出基于最優(yōu)化理論和G IS 空間分析技術(shù)的站點規(guī)劃方法1,2.1基于最優(yōu)化理論和G IS 的公交站

4、點規(guī)劃方法由于公共交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)涉及諸多因素,但考慮這么多的因素建立起的模型必然很復(fù)雜,而且難以求解.經(jīng)分析取舍,考慮了主要的影響因子,建立了一個用于解決交通站點規(guī)劃問題的方法.該方法主要基于最優(yōu)化理論4和G IS 適宜性分析技術(shù)5,首先通過建立一個優(yōu)化數(shù)學(xué)模型6確定交通站點的總數(shù)目,同時從這個數(shù)學(xué)模型得到各影響因子和站點個數(shù)之間關(guān)系的函數(shù)表達式,該表達式說明什么地方適宜建站點,從而為G IS 適宜性分析提供依據(jù)36.站點數(shù)目確定后,再確定站點的空間布局.該方法采用了G IS 適宜性分析技術(shù),對人口分布,交通流量,道路狀況這些因素進行量化,通過疊合分析和緩沖區(qū)分析,找到最適宜的地方建立站點,用G

5、 IS的方法彌補了確定站點數(shù)目的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的引入因素少的不足,綜合考慮了很多與公共交通相關(guān)的因素,使建立G IS輔助規(guī)劃系統(tǒng)成為現(xiàn)實.1.1公交站點選址的優(yōu)化模型模型中考慮的選址問題的主要因子:人口分布、交通流量、交通起訖點、一般車速、道路狀況.模型假設(shè):(1假設(shè)公交車輛在每個站點停留的時間一樣,都是T;(2假設(shè)公交車輛在站點前后的各A m內(nèi)為公交車加速減速的距離,平均車速為一般車速調(diào)查所得數(shù)據(jù)V的一半.其他地區(qū)的運行速度為一般車速V;(3所有的站點在整個公交路線上基本是均勻分布的;(4乘客到車站的平均距離M與站點個數(shù)X成反比.實際情況表明,當(dāng)站點很多時,每位乘客在線路上的旅行會因為中間停車

6、較多而導(dǎo)致總出行時間很大.而當(dāng)站點很少時,乘客平均到最近一個站的時間會加長,可能超過在路上行程部分所節(jié)省的時間,從而導(dǎo)致總出行時間還是很大.可見,當(dāng)站間距很小或很大時,總出行時間都會較大,而在此之間存在著某個最優(yōu)站點數(shù)目,使總的出行時間最小5.總出行時間最小的公交優(yōu)化模型為m in F=X T+MV R +4(X-1AV+YVK=2A(X-1+Y(1式中:F為總出行時間;X為站點的個數(shù);T為公交車輛在公交站點停留的時間;M為乘客到最近車站的平均距離;V R為乘客到車站的平均速度; K為公交路線的總里程數(shù);Y為以一般車速V運行的公里數(shù),這樣X T為在站點總的?？康臅r間; 4(X-1AV為在站點前

7、后加速減速的運行時間;YV是以速度V運行的時間.在式(1中,除了M與站間距離有關(guān),和X 屬于因變量外,T,V R,A,V都可作自變量,對于特定的T,V R,A,V值,可以得出一個最佳的X 值來.以M=K 3X(經(jīng)驗值,Y=K-2A(X-1代入式(1的第1個式子得m in F=X T+K 3KV R+4(X-1AV +K-2A(X-1V令5F5X=0得X=K (T+2A V3V R(2式(2即為最優(yōu)站點數(shù)的公式.根據(jù)式(2,在其他變量一定的情況下,人口越密集,那么?？繒r間T越大,則站點應(yīng)建得越少.同樣,人們到達站點的速度越小,站點應(yīng)建得越多;交通流量小,道路狀況好,城市的一般車速越大,站點應(yīng)建得

8、越多5;公交車輛在路上可達到的加速度就越大,則A越小,站點應(yīng)建的越多6.這些是進行G IS適宜性分析的依據(jù).1.2基于G IS適宜性分析的站點選址當(dāng)站點數(shù)目確定后,利用G IS空間適宜性分析技術(shù)實現(xiàn)站點的空間定位,主要步驟為1對人口分布R,交通流量J,道路狀況D進行量化4.量化過程中采用下面的規(guī)則.(1道路上的人口分布采用以100m的步長逐點做一公里范圍緩沖區(qū)的方法,在緩沖區(qū)內(nèi)的人數(shù)就是對應(yīng)道路上的人口分布值;(2交通流量以實地采集的日平均數(shù)據(jù)為準(zhǔn);(3道路狀況以每隔100m道路的建筑性質(zhì)、寬度、完好度為度量標(biāo)準(zhǔn).說明:為了便于說明模型的思路,以下的圖表(表13,圖14都是示意性的,實際系統(tǒng)中

9、將量化成灰度圖.以下是經(jīng)量化獲得的各影響因子的值.表1人口分布度量指標(biāo)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交通流量度量指標(biāo)量很小小一般小中等一般多多很多交通流量6543210表3道路狀況度量指標(biāo)很差差一般差中等一般好好很好道路狀況01234562按照上面的規(guī)則生成針對交通路徑的人口分布,交通流量,道路狀況的灰度圖.結(jié)果分別如圖1,2,3,再對3個圖層進行疊合分析,得到一個柵格圖(圖略.如果有需要,還可以對3種不同的因素賦不同的權(quán)值.3根據(jù)交通站點數(shù)X,在交通路徑上等間距地取X個點對每個點在步驟2得到的柵格圖(圖略上做半徑為100m的點緩沖區(qū).(如圖4.89武漢理工

10、大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版2004年第28卷 4緩沖區(qū)內(nèi)交通流量、人口分布和道路狀況量化值最大的位置設(shè)立公交站點.至此,解決了公共交通站點選址的問題 .1.3方法的流程圖以上方法的流程圖見圖5 .圖5站點規(guī)劃流程圖1.4基于該模型的規(guī)劃實例基于該模型的輔助規(guī)劃系統(tǒng)在V C 開發(fā)平臺上實現(xiàn).系統(tǒng)按照上述步驟對某市的單個交通路線進行了規(guī)劃,系統(tǒng)參數(shù)取K 為10km ,A 為100m ,V 為某市公交車的一般車速,T 為該城市平均的站點?？繒r間,V R 為1m s ,其中,車流量,人口分布,路況都采用統(tǒng)計平均值,是為了說明它們同V ,T ,A 的關(guān)系,結(jié)果如表4所列.表4某市規(guī)劃結(jié)果V m s -1

11、T s A m車流量人口分布路況站點個數(shù)站間距離 km11901002結(jié)束語交通規(guī)劃是解決公共交通的重要手段,然而交通規(guī)劃也是一個很復(fù)雜的問題7,單純建立數(shù)學(xué)模型來描述交通系統(tǒng)比較復(fù)雜.文中采用了“數(shù)學(xué)模型+G IS 分析”的方法,數(shù)學(xué)模型為G IS 分析提供了評價標(biāo)準(zhǔn),G IS 分析簡化了公式的復(fù)雜程度,彌補了數(shù)學(xué)模型在細小局部上無法表達的缺點,采用直觀的適宜性分析技術(shù),最終確定公交站點的具體位置,這是對用G IS 解決交通規(guī)劃問題的一個探索.當(dāng)然,該方法也存在某些方面的不足,例如,交通流量,人口分布,道路狀況等因素之間是相互有聯(lián)系的8,文中沒有分析它們之間的關(guān)系,也沒有給出它們的權(quán)重.另外

12、,模型只研究了單個交通線路的運輸問題,沒有考慮到和其他的交通線路的統(tǒng)一協(xié)調(diào)問題.參考文獻1孫光明,吳青,徐方方土.城市公共交通車輛管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版,2004,28(4:5185212張存保,李華,嚴新平.基于W eb G IS 的城市公交問路系統(tǒng).武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版,2004,28(1:99102教育出版社,2002.214人民大學(xué)出版社,1987.2661993.1806周立新,李英,繆和平.城市軌道交通系統(tǒng)的換乘研究.城市軌道交通研究,2001,(4:3538大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版,2003,33(3:335339技術(shù)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)

13、版,1998,16(4:610909第6期謝華等:基于優(yōu)化理論和G IS 空間分析技術(shù)的公交站點規(guī)劃方法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

14、of its pow erfu l capab 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

15、 m odel w ith ob jective 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 h

16、e m ethod can be u 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頁7方生,張配強.旋轉(zhuǎn)磁場作用下磁流變液顆粒運動及結(jié)構(gòu)演化的模擬.化學(xué)物理學(xué)報,2001,14(5:5625668O denbach S .Ferrofluids 2m agnetically contro lled sus 2pensi ons .Co llo ids Surf .A ,2003,217:171178

17、9Zakaria K .N onlinear 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趙永利,郭開華,梁棟等.HCFC 2141b 制冷劑氣體水合物結(jié)晶生長過程及其分形生長模型中國科學(xué)(B 輯,2002,45(2:21622411章永化,陳守明,陳建華等.納米Fe 3O 4 聚苯乙烯均勻體系的制備結(jié)構(gòu).高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報,2003,24(9:17171720Influence of

18、 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 m en ts on the influence of