城市公交管理信息系統(tǒng)設(shè)計

1、城市公交管理信息系統(tǒng)設(shè)計隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快 , 如何解決城市公交管理問題已經(jīng) 成為城市可持續(xù)發(fā)展的一個重要課題。 城市公交管理問題是一個系統(tǒng)工程 , 常用的經(jīng)驗性的 方法是不能完全解決問題的 , 必須運用科學(xué)的、系統(tǒng)的方法來解決。近年來 , 運用數(shù)字化技 術(shù)尤其是 GIS 技術(shù)來解決交通領(lǐng)域的空間數(shù)據(jù)處理和規(guī)劃分析等問題已經(jīng)成為交通管理信 息化的一個重要手段。為了便于管理這些公交信息 , 同時也為了方便公交乘客的出行 ,本文開發(fā)了城市公交管 理信息系統(tǒng)。 該系統(tǒng)不但可以方便地查詢到城市的公交站點、 道路和公交線路 , 其中最重要 的一個功能是在乘客給出起點和終點后 ,

2、自動計算出最優(yōu)的乘車路線 , 設(shè)計出合理而有效的 算法, 而且可以在一定程度上 ,使公交客流分配更加合理。一：功能需求分析（1）對于市內(nèi)對公交線路不太熟悉的居民以及外地旅客來說, 他們在以公交方式出行時,在選擇公交線路和乘行方案方面存在著很大的盲目性, 而該系統(tǒng)除了可以為出行者提供公交線網(wǎng)基礎(chǔ)信息、 線路運行信息外 , 還可以將幾種經(jīng)過計算機分析的最佳出行線路及換乘 方案推薦給出行者 , 通過對乘客選擇線路進行合理引導(dǎo) ,減少乘客的出行延誤 , 從而提高整 個公交線網(wǎng)的運行效率。（2）對于城市公交管理部門來說，應(yīng)當是在快捷、方便、舒適、經(jīng)濟地實現(xiàn)人的移動 的經(jīng)營活動中 , 使公共交通管理達到經(jīng)

3、濟效益、社會效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一 , 適應(yīng)市場經(jīng)濟 體制的建立，適應(yīng)改革與發(fā)展。利用該系統(tǒng)GIS的專題地圖可以顯示出一個城市或一個地區(qū) 的交通事故分布、 交通違章分布、 道路的現(xiàn)狀和道路規(guī)劃等專題情況 , 為交通管理部門提供 一個直觀的決策分析工具。在交通運營管理中 , 利用 GIS 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)分析 , 緩沖分析等功能 可以很直觀地反映一個城市的公交網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀態(tài) ，分析公交線路設(shè)置是否合理，評價公交站 點選址是否科學(xué)等。（3）經(jīng)濟效益的好壞是評價一個企業(yè)成敗的關(guān)鍵。當然，對于城市公交企業(yè)來講也不 例外，眾所周知，城市公交企業(yè)的經(jīng)營和發(fā)展受多種環(huán)境因素和內(nèi)部條件制約，如政府政策、城市人口數(shù)量、居

4、民消費需求、城市交通結(jié)構(gòu)等，以及企業(yè)資產(chǎn)狀況、產(chǎn)權(quán)體制、經(jīng)營管理 者水平、技術(shù)創(chuàng)新能力等。而經(jīng)營管理是眾多因素中最重要的一個。該系統(tǒng)可以幫助企業(yè) 的管理部門確定乘客的地理分布以及確定公交線路和站點附近的人口，出行流量，線路上公交車輛的滿載率，道路交通狀況等因素，從而方便了企業(yè)對公交線路的規(guī)劃以及線路上公交 車輛的投放量的部署。二：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1城市公交管理信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)城市公交管理信息系統(tǒng)旨在通過GIS技術(shù)在城市公交交通管理信息中的應(yīng)用，提高城市公共交通綜合管理水平，為政府科學(xué)決策提供依據(jù)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如下圖所示。(1) 路徑查詢 : 為乘客的公交出行提供準確、及時、優(yōu)化的公交信息服務(wù)(

5、2) 出行預(yù)測 : 公交出行需求預(yù)測可用于從宏觀上指導(dǎo)城市公交發(fā)展 , 盡可能使城市 公交規(guī)模與城市規(guī)模相匹配。(3) 路網(wǎng)顯示 : 可以直觀顯示城市公共交通發(fā)展規(guī)模、場站布置和線路布設(shè)。(4) 公交覆蓋 : 公交服務(wù)的覆蓋性及方便舒適性是出行者選擇公共交通方式的主要因素。(5) 交通服務(wù) :主要內(nèi)容包括居民出行指南和交通項目上報審批服務(wù)。(6) 地圖管理 : 主要內(nèi)容包括地理信息系統(tǒng)中常用的操作與分析工具等功能,如地圖放大、縮小、圖層控制、地圖打印以及對道路、物點、區(qū)域等地圖信息進行編輯和修改等。2.2 城市公交管理信息系統(tǒng)在幾個主要模塊中的詳細設(shè)計2.2.1 路徑查詢系統(tǒng)路徑查詢系統(tǒng)開發(fā)的

6、目的是為乘客的公交出行提供準確、 及時、優(yōu)化的公交信息服務(wù)。 系統(tǒng)向乘客提供公交信息的動態(tài)走向 , 生成出行輔助計劃 ,對乘客的出行進行主動而合理的 引導(dǎo), 最大程度上方便乘客 , 從而將無序的交通出行變得有序 ,優(yōu)化客流分布 , 提高公交線網(wǎng) 的運行效率 , 同時將該系統(tǒng)投入實際應(yīng)用也是提高城市形象的一項重要舉措。A. 該系統(tǒng)的具體開發(fā)思路如下 公交乘客對現(xiàn)有的公交站點、公交線路、運營計劃進行查詢。 公交乘客輸入任意出行起點、終點,系統(tǒng)在相應(yīng)的約束條件下，查找搜索出最優(yōu)公交 出行路徑集和換乘方案，最后以圖表的形式反饋給乘客。 公交部門管理人員可根據(jù)站點、線路的變更，運營調(diào)度計劃的調(diào)整，及時更

7、新系統(tǒng)的 公交線網(wǎng)，對與公交有關(guān)的其它基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行方便的管理和維護。B. 系統(tǒng)具體介紹路徑查詢系統(tǒng)的開發(fā)過程見下圖：蘇州市道路網(wǎng)圖T路徑查詢系統(tǒng)的功能路徑查詢系統(tǒng)主要服務(wù)于公交出行者。對于市內(nèi)對公交線路不太熟悉的居民以及外地旅客來說，他們在以公交方式出行時，在選擇公交線路和乘行方案方面存在著很大的盲目性而該問路系統(tǒng)除了可以為出行者提供公交線網(wǎng)基礎(chǔ)信息、線路運行信息外，還可以將幾種經(jīng)過計算機分析的最佳出行線路及換乘方案推薦給出行者，通過對乘客選擇線路進行合理引導(dǎo),減少乘客的出行延誤，從而提高整個公交線網(wǎng)的運行效率。C. 該查詢系統(tǒng)的整個分析決策過程如下（1） 用戶通過在蘇州市區(qū)圖上點擊的方式或通

8、過對話框選擇的方式，向系統(tǒng)輸入出行 的起點和終點。（2）系統(tǒng)收到輸入信息后，分別在系統(tǒng)的地圖和數(shù)據(jù)庫中尋找與出行起點和終點相應(yīng) 的地理編碼和屬性數(shù)據(jù)，并將其輸入至分析模塊中。（3）根據(jù)地理編碼和屬性數(shù)據(jù)，在公交線網(wǎng)中，分別在以起點和終點為中心的一定半徑 范圍內(nèi)，尋找公交站點，并通過對比分析，確定有效站點。（4）根據(jù)最短路數(shù)學(xué)模型在公交線網(wǎng)上搜尋最優(yōu)出行方案 ，并將該結(jié)果輸出，顯示公交 線路走向、所經(jīng)站點及運營信息。（5）系統(tǒng)分析過程如下圖：D. 此路徑查詢系統(tǒng)采用的算法最短路數(shù)學(xué)模型是該問路系統(tǒng)的核心,目前,較多采用的Digkstra算法重復(fù)計算多,速度慢，不適合公交網(wǎng)絡(luò)的特點。通過反復(fù)的分析

9、研究，我們采用鏈表技術(shù)對 D算法進行了修正,使之適合我國的公交網(wǎng)絡(luò)特點，創(chuàng)建了一種新的D算法修正模型，它對于今后其它公交網(wǎng)絡(luò)的分析研究也具有一定的借鑒作用。具體算法流程圖如下:HE的貞Hfi 的jfi：辰披章與疋叭的祈有站直j + Lns th () Wfn (Length Uh L*adk件卜轉(zhuǎn)dfiE入軽豪T222出行數(shù)據(jù)預(yù)測公交系統(tǒng)的好壞直接影響著整個城市交通運輸系統(tǒng)的交通狀況。而公交需求預(yù)測是進 行城市公交規(guī)劃、建設(shè)、管理與控制的基礎(chǔ)，是確定城市公共交通發(fā)展規(guī)模、布置場站和布 設(shè)線路的依據(jù)，可用于從宏觀上指導(dǎo)城市公交發(fā)展，盡可能使城市公交規(guī)模與城市規(guī)模相匹 配。本系統(tǒng)是根據(jù)土地利用、人

10、口密度和公交站點覆蓋率確定各小區(qū)的公交分擔率 ，再進行公交出行分布預(yù)測。將物理學(xué)中的熵概念引入交通狀態(tài)分析中，進行公共交通出行分布預(yù)首先根據(jù)城市發(fā)展水平 , 土地利用、人口密度和公交站點覆蓋率確定各交通區(qū)的公交分 擔率,即可得到交通區(qū)的公交出行總量。假設(shè)區(qū) i 的交通發(fā)生概率為 fi, 區(qū) j 的交通吸引概 率為 gj, 區(qū) i 的交通選擇目的區(qū) j 的選擇概率為 hij, 上述數(shù)值可分別由下式求出。fi=Xi/X,(刀 j fi=1)gj=Yj/X,(刀j gj=1)(1)hij=Xij/Xi,(刀 j hij=1)式中 :Xi 為區(qū) i 的公交出行發(fā)生量 ;Yj 為區(qū) j 的公交出行吸引量

11、 ;Xij 為交通區(qū) i 和 j 之間的公交出行量 ;X 為全域的公交出行產(chǎn)生量。使用上述概率及發(fā)生，吸引端的出行守恒條件可由式 (2) 式(3) 表示 :刀j hij=1刀 i fihij=gj以上兩式相當于刀jXij=Xi和刀iXij=Yj 。假設(shè)交通區(qū)i、j之間的公交出行量的先驗 概率qij由式(4)重力模型給定,其中,刀qij=1。tij表示行駛時間,a和丫為回歸系數(shù),可 通過實測數(shù)據(jù)確定。qij= a figjt - Y ij(4)不考慮先驗概率，將總量為X的公交出行量任意分布到各小區(qū)之間產(chǎn)生的組合數(shù)E可由式(5) 表示:具體算法流程如下圖:確卅,_ 代入金式求九*齡出坡恥產(chǎn)為基于最

12、大熵原理的公交分布模型計算流程利用該系統(tǒng)的GIS專題制圖功能可以直觀地反映出不同交通小區(qū)居民出行量的大小在系統(tǒng)開發(fā)中，居民出行量分布預(yù)測專題圖（如下圖所示）選用了等級符號專題圖類型 過符號大小來表示不同的出行量大小，專題變量為交通小區(qū)居民出行發(fā)生量大小。223公交路網(wǎng)的顯示隨著公交站點與公交路線的增加，不斷增加數(shù)據(jù)庫維護人員的難度，直接導(dǎo)致了算法計 算復(fù)雜性的增加。本文首先充分利用GIS所具有的地理分析特性，設(shè)計了一種簡單便于維護 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。公交路網(wǎng) G = （NROUTE,ROAD）,N是公交站點的集合，ROUTE是公交路線的集 合,ROAD是城市道路集合（此集合的數(shù)據(jù)來自于街道的中心線，

13、并帶有相應(yīng)的屬性信息如是 否單行等，其主要是用于步行分析，根據(jù)公交站點在道路中的位置，確定乘客的步行路線）o 同時,合理地考慮了乘客的出行心理，考慮到一些可能出現(xiàn)的特殊情況，設(shè)計了一種更加人 性化的而且面向乘客的最優(yōu)公交路線的判斷標準。具體的公交路網(wǎng)的拓撲關(guān)系見下圖，圖中包括詳細的公交站點、公交線路以及道路的 數(shù)據(jù)表（表13）。表2中的站點編碼n即是表1中的站點編碼，其順序是按照該條線路的公 交站點的前后順序排列的，表2中的“是否單行”表示的是：當一條公交線路的來、回所經(jīng) 過的公交站點不同時，則認為其是兩條線路鯉號獄躺1沙腳!-Li 11詢135Lih-221334公交路網(wǎng)扌石撲關(guān)系224公交

14、交通服務(wù)覆蓋公共交通這種在時間和空間覆蓋上的局限性決定了公交服務(wù)的覆蓋性對人們選擇公交出行方式具有重要影響：只有存在公共交通服務(wù)，人們才會把公共交通作為出行方式的選擇之一。公交服務(wù)的覆蓋性主要體現(xiàn)在空間、時間、運力和信息4個方面：公交服務(wù)的空間覆蓋性一般指的是出行起點和終點的步行范圍內(nèi)（通常取5 m ni步行距離，即約400 m半徑范圍內(nèi)） 是否設(shè)有公交車站，并考慮線路間的換乘，公交線路是否 四通八達。在公交線網(wǎng)密度較低的區(qū)域還應(yīng)考慮在公交車站的附近設(shè)置機動車和非機動車 的停車區(qū)域以擴大公交車站的服務(wù)半徑，提高公交服務(wù)的空間覆蓋率，使更多的人能夠選 擇公共交通方式。公交服務(wù)的時間覆蓋性指的是公

15、交車的發(fā)車頻率和公交線路營運時間的長短，它對出 行者決定是否使用公交也有著重要的影響。公交車的發(fā)車頻率越高，乘客在車站的等候時 間就越短，而且選擇出行時間的靈活性也越強。公交線路營運時間過短，大量發(fā)生在營運 時間以外的出行只能采用公交以外的交通方式。公交運力的不足也會影響公交服務(wù)的覆蓋性。如果在車站候車的出行者無法登上一輛 已載滿乘客的公交車時，公交服務(wù)運力覆蓋率在此時此地就出現(xiàn)了空白。在公交信息方面，乘客需要了解下輛車到站時間、票價，是否換乘等信息，這些信息 對外地人和不經(jīng)常使用公交服務(wù)的人們尤為重要，如果無法獲得這方面的信息，他們就不 太可能選擇公共交通方式。 可見公交服務(wù)在上述 4 個方

16、面的覆蓋性缺一不可， 只有在空間、 時間、運力和信息同時覆蓋的條件下，公共交通才能成為出行方式的選擇之一。當公共交通成為出行方式的選擇之一后，出行者還要考慮公交服務(wù)的方便舒適性，它 主要包括車輛的乘載率、班次的可靠性、行車速度、乘車安全性、車輛整潔舒適性等方面， 是出行者在多種交通方式中最終選擇公交方式的主要因素?？傊?，只有在公交服務(wù)的覆蓋 性及方便舒適性達到一定程度的情況下出行者才會選擇公共交通方式。否則將選擇其他的 出行方式，如步行、自行車、私家車等。公交覆蓋率計算與研究公交覆蓋率的數(shù)學(xué)計算方法可描述為 : 選定某個交通小區(qū) , 然后用該交通小區(qū)內(nèi)所有公 交站點覆蓋面積之和或者小區(qū)內(nèi)公交車

17、所經(jīng)過的道路面積之和除以該小區(qū)覆蓋面積, 所得的商值就是公交覆蓋率值。以上方法涉及到圖形學(xué)中的多邊形求和及多邊形的面積計算等 問題,在實際操作時精確求解不規(guī)則多邊形面積比較麻煩，可以想象在一個較大規(guī)模的城市 公交網(wǎng)絡(luò)中，如果這些計算都采用人工進行，將花費很大的人力和物力，而且計算中很容易 出錯,精確度也不高。采用GIS軟件的圖形化工具就可以有效的解決上述問題 ，在系統(tǒng)開發(fā)中，我們采用了 Maplnfo平臺的MapXS件技術(shù)來完成多邊形面積計算及求和的工作。實踐表明 ：MapX的圖 形化工具擁有強大的圖形實體分析和計算功能,啟用MapX的Selections對象和選擇工具以 及被選對象的Area

18、等方法可以有效地實現(xiàn)多邊形的求和與求交計算。 下圖顯示了系統(tǒng)計算 某個交通小區(qū)的公交覆蓋率值的操作。三：系統(tǒng)的界面設(shè)計系統(tǒng)提供可視化友好界面，通過電子地圖導(dǎo)引，使用戶能快捷的進人所需要的面層和區(qū)域，完成各項查詢和規(guī)劃工作。界面圖如下:路徑曲北 tbir頂頼范應(yīng)工金曰亠-r?T-刪孔霸JW# 組 呷k Afe_爲卄fa先訓(xùn)l*icts棄商啊曲彌M-母場 I -=-_rr覽融、 =&奔期阿*世產(chǎn)即1廠 %搭I(lǐng)嶺 1丁百好我 I.W球舌專F童丄嘶疋亍_. ri=t-v.扁山一以沁屮川逗丄M島 # I、晴字甫& 4 t e e n 工Eg1一祠證奧kU ti冋日廠胡話屮甜茴爲話筑毗m召趣三丫泗海二咅性R亦亠斗-飛 二二薩茁呈程姍寸艇123酹亦禽訥車卡d漕站/員1.叭一八I- -?：須陰匕 型酔荃蟲+羽普諸加J.- 壯驢I晉入；卡上艸甫卻聲wfi .I IU齡2n譽嚴農(nóng)市MH5E師 I t甲円回閔耳劣k生縱二行齊右1護:訂-* u引TmWI?-此鵜詢貯楷f蘭 Vi #-. 二i： 訓(xùn)雨違竺r律二行Xl肚導(dǎo)持.近山冶 斗乂申藍m器I社旬T 譎I t=ff -1.,碑曲詁 和 帥用m制冑L .丄卿田-.- 盅(4 t) JU-i