摘 要

在“公交优先”的背景下，不少学者展开了对于城市公交车专用道的研究，但这些研究中大多停留在理论上，并没有进行实际应用。随着车载GPS数据研究的不断深入，为公交车专用道规划提供了一种新的思路。

本文以深圳市为例，通过对公交车专用道规划问题进行分析研究，建立了公交车专用道规划约束数学表达，将专用道的利用率视作目标函数，把专用道规划问题转换为多约束的网络规划问题，并借助公交车GPS轨迹数据提取交通参数，结合GIS空间分析理论和方法，对城市公交系统的聚集-扩散模式进行讨论，针对其空间分布特征，设计贪心网络扩张算法进行求解。

文章最后通过数值统计和不同条件下结果的讨论，对方法的可行性进行了评价，另外结合实际案例分析，证明了规划结果的有效性。

关键词：公交车专用道；轨迹数据挖掘；多约束网络规划；空间分布特征

Abstract

In the context of the government’s “bus Priority” policy, many scholars have researched the planning of urban bus lanes. However, most of these studies remain in the theory and have not been applied in practice. With the continuous deepening of the research on vehicle GPS data, it provides a new idea for bus lane planning.

This paper takes Shenzhen as an example, through the analysis and study of the bus lane planning problem, and establishes mathematical expression of the bus lane planning, and Use the utilization of bus lane as an objective function and converts bus lane planning problems into Multi-Constraint Network Planning Problems. It uses bus GPS trajectory to extract traffic parameters, and combines GIS spatial analysis theory and methods，and discusses the mode of aggregation-dissemination of urban public transport system. For its spatial distribution characteristics, we designed a greedy network expansion algorithm solve it.

In discussion, we evaluated the feasibility of the method by calculating numerical statistics and results under different conditions, and used the actual case analysis shows the effectiveness of the planning results.

Key Words： Bus lane；Trajectory data mining；Multi-constraint network planning；Spatial distribution characteristics

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 公交专用道规划研究现状 1

1.2.2 基于浮动车GPS数据的交通管理研究现状 2

1.3 研究内容及技术路线 2

第2章 问题分析及数据说明 4

2.1 公交车专用道规划问题分析 4

2.1.1 公交车专用道建设限制条件 4

2.1.2 公交车专用道效益评价 5

2.2 数据说明 6

第3章 公交车专用道规划数学模型构建 8

3.1 模型约束条件 8

3.2 模型目标函数 8

3.3 多约束网络规划模型 9

第4章 公交车专用道规划模型求解 11

4.1 数据预处理 11

4.1.1 路网简化 11

4.1.2 地图匹配 12

4.2 基于空间层次聚类的初始解选取 13

4.3 贪心网络扩张算法 14

第5章 结果讨论 17

5.1 道路参数统计 17

5.1.1 路段平均速度统计 17

5.1.2 道路空间自相关计算 17

5.2 模型输入参数讨论 19

5.2.1 初始解个数对结果影响 19

5.2.2 调节因子大小对结果影响 20

5.3 案例研究 20

第6章 总结 22

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着我国经济建设的不断深化，城市化水平不断提高，城镇居民人口数快速上升，城市私家车保有量逐年增加，给城市交通运营带来巨大的压力，各类城市交通问题日益突出。其中交通拥堵成为社会各界关注的焦点问题之一，交通拥堵不仅会造成严重的经济损失，更会导致城市交通事故和环境污染等恶劣影响。因此改善居民出行环境，减轻道路拥堵压力，建立高效的交通管理模式，成为了交通管理部门的当务之急^[1]。

2012年，国务院公布了《关于城市优先发展公共交通的指导意见》文件^[2]，文件提出了城市交通体系应确定“公共交通优先”的发展原则，并指出应增加公交系统优先车道，并形成公交系统优先通行网络。浮动车GPS数据是智能交通的重要组成部分，通过浮动车轨迹数据进行公交专用道的规划，对于深化城市智能交通的研究，提高城市道路利用率，具有重要的现实意义。

在“公交优先”的政策指导下，目前已有不少城市在主要道路上规划公交专用车道。但是，目前公交车专用道建设还缺少相应的标准文件进行规范，专用道网络建设的设计和优化还有待研究，虽然专用车道的建设不断推进，但是城市公交系统运行状态和服务水平并没有得到明显的改善^[3]。对此，本文利用公交车车载GPS获取高精度的车辆运行和道路服务状况，借助GIS分析方法，综合考虑公交车行驶、道路网络负载、建设预算等因素，将公交车专用道规划设计优化视为多约束的网络规划问题，为城市智能交通网络建设提出建议。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 公交专用道规划研究现状

早在上世纪七十年代，巴西库里提巴就修建了世界上最早的公交车专用道系统，由于其在运输能力、建设成本和建设周期等方面的优越性，很快在世界范围内引起了广泛的关注和研究。之后的一段时间，世界上很多城市和地区都纷纷引入公交车专用道来缓解城市交通拥堵^[4]。

对于公交专用道设置条件方面，较早的研究中，陆建考虑了道路条件（车道数目）和交通条件（公交流量占比）^[5]，近年来，毛子珍等将道路整体通行能力和客运条件加入约束条件中^[6]。

在公交车专用道模型建立方面，一些学者将公交专用道设计和优化视为网络规划问题，考虑用户流动、车道设置以及发车频率等因素，达到公交线路网络最优。在网络最优条件设置中，Yu提出将旅客的平均出行时间优化目标进行模型设计^[7]，四兵锋等对公交车专用道设置后对不同车辆的通行能力的影响进行建模，将交通系统总费用最低作为优化目标，设计了基于系统最优的城市公交专用道网络规划模型^[8]。

在将模型应用于实际中，由于上述研究多为双层网络模型，对于公交车运行参数大多利用交通模型进行估计，考虑到数据精度、模型复杂度等方面，多数只在理想情况下讨论并未应用于实际案例研究，只有Yu将模型应用于大连经济开发区的公交车专用道规划。另外，Wang等将专用道规划视为多约束线性规划问题，利用启发式算法进行求解，并将其应用于洛阳市的公交专用道规划，进行算法有效性讨论^[9]。

1.2.2 基于浮动车GPS数据的交通管理研究现状

随着车载GPS数据获取难度的降低，海量的位置数据为城市交通感知领域提供了新的方法，杨东援、姜晓睿等在交通可视化、交通数据挖掘、预测性分析以及语义引擎等方面进行了大量的研究^[10,11]。

在城市交通拥堵挖掘方面，张俊涛针对车辆运行的四种不同状态下的速度，提出了轨迹段速度方差和轨迹段的平均速度两个概念，来对车辆轨迹速度特征和路段拥堵特征进行描述^[12]。付子圣等针对精细道路拥堵识别，提出了轨迹二次聚类方法，通过改进的欧式空间相似度度量函数计算时空聚类，再结合聚类进行交通流状态的识别和划分^[13]。

在公交线网优化方面，李汝佟利用大量出租车GPS数据对城市居民出行特征进行研究，对现有公交线网提出优化建议^[14]。Chen针对夜间居民出行，使用出租车GPS数据对夜间巴士线路进行规划^[15]。

在公交专用道运行评价方面，林航飞等借助公交车和出租车GPS数据，分析了深圳市主要道路公交专用道车速特征，通过公交车与出租车之间车速差的差值关系，基于此对公交专用道对公交运行影响量化^[16]。

在其他绿色出行方式中，Bao利用共享单车的行驶轨迹，考虑施工预算、连通性限制等要素，定制了自行车专用道规划系统^[17]。

1.3 研究内容及技术路线

本研究利用公交车车载GPS获取实时的车辆运行和道路服务状况，借助GIS分析方法，综合考虑规划建设预算、道路网络负载、专用道连通性等因素，将公交车专用道的规划设计视为多约束的网络规划问题，建立以公交车专用道综合利用率最高为目标的模型，为城市智能交通网络建设提出建议。文章的研究路线为专用道规划问题的分析，规划问题数学建模，专用道规划的求解、结果讨论和总结。研究具体内容如下：

（一）利用GIS数据分析方法，结合公交车行驶轨迹数据和城市道路网络数据进行数据清理、路网简化以及地图匹配等处理，提取相应的车辆轨迹和道路数据；

（二）通过现有的交通道路模型对车流等因素进行模拟，并结合政府规划和专用车道设置指标，以公交系统综合利用率最高为目标，进行多约束网络规划模型的建立；

（三）选取合适的算法，对模型进行求解，得到城市公交车专用道规划设计图，结合街景地图等对结果进行评价。

图 1.1 基于GPS数据挖掘的公交车专用道规划流程

第2章 问题分析及数据说明

2.1 公交车专用道规划问题分析

安装在公交车上的GPS时刻记录着公交车的时间、位置、速度等信息，通过分布在各个路段上的大量的浮动车轨迹数据，可以对道路状况进行评估，提取路段交通参数。

基于浮动车GPS数据挖掘的公交车专用道规划，可以通过GPS轨迹信息获取车辆行驶状态、道路实时状况等信息，进一步挖掘其空间分布模式，再结合公交车专用道规划的约束条件，构建专用道规划的数学模型和适应其空间分布模式的求解算法，得到顾及公交车专用道约束条件和其空间分布模式的专用道规划建议。本章主要包括公交车专用道的约束条件分析和模型使用数据的说明。

2.1.1 公交车专用道建设限制条件

公交专用道的建设在提高公交服务的同时也会占用相应的道路资源，为了更加有效的利用道路空间资源，需要对建设公交车专用道的路段设置一些基本约束条件。

道路的基本属性，包括车道数、路宽等。理论上讲，公交专用道建设所需的最低道路条件只需要满足道路两侧各有两条车道，即公交车和其他社会车辆各使用一个车道。道路的宽度则往往与道路类型和级别有关，建设公交车专用道会占用部分道路，需要原道路的宽度满足改造标准。

建设预算。在一些公交车专用道规划模型中，并没有考虑公交车建设的预算，修建公交车专用道不需要新建道路，这里的建设预算主要是道路改造成本，包括公交车车道栏杆和绘制标志等。政府对于公交专用道的修建，往往是计划性的，一定时间期限内的建设的有限的。

车流量约束。考虑到部分地区对于公交车专用道的设置要求和公交车专用道的经济效益，在建设公交车专用道时，需要考虑该路段的车流量。

图 2.1 深圳市公交车专用道设置车流量限制^[18]

公交专用道数目约束。在公交车专用道建设过程中，需要注意公交专用道的条数，这不仅和政府规划有关，也与施工便利性相关。当公交专用道规划条数过多时，往往会增大施工时间成本。

2.1.2 公交车专用道效益评价

公交专用道的目的将更多的路权让给公共交通，以此才缓解道路拥堵，作为城市公共服务项目，建设公交专用道应该能够尽可能缓解公交拥堵，并覆盖更多连续的公交线路。

这里将公交车专用道的利用率作为其效益评价的标准。公交车专用道的建设需要使得自身的利用率最大化，可以通过三个方面进行表达：1）尽可能覆盖更多的公交车，2）尽可能在更拥堵的地方规划，3）尽可能覆盖更多连续公交线路。

对于第一点，当专用道覆盖的公交车数量更大时，专用道的利用率显然是更高的；对于第二点，在两条路段的公交车数目相同的情况下，在拥堵程度更高的路段设置公交车专用道，可以带来更高的收益；在对于第三点，是因为连续的公交车专用道会给乘客带来更加舒适的体验。例如，图2.2（a）蓝色线显示了一辆公交车的行驶轨迹（e1→e2→e3），假设其每小段路段长度都为1km，图2.2（b）和图2.2（c）用红色线标志了两条不同的专用道规划线路，两个规划方案的公交车专用道总长度相等且覆盖公交车轨迹长度相同，唯一的区别在与线路1覆盖的公交车轨迹（线路）是分开的，线路2覆盖的轨迹（线路）是连续的。对于乘客来说，规划方案2可以带来更好的乘坐体验，结果是更加合适的。

a)公交轨迹 b）专用道规划1 c）专用道规划2

图2.2 公交车专用道规划比较

2.2 数据说明

为了满足上述限制条件，并在此基础之上完成整个公交车专用道的规划，设计了以公交车车载GPS轨迹数据驱动的公交车专用道规划模型。相较于参数模拟的专用道规划模型，能够在利用公交车运行的实时状况下，更好的还原道路信息。

模型主要数据输入为深圳市矢量地图和深圳市公交车GPS轨迹数据。其中深圳是矢量电子地图从OpenStreetMap网站下载，主要使用城市道路网数据，城市POI数据包括商业区、住宅区以及公交站点。

公交车GPS轨迹数据来自深圳市交管部门，主要包括公交车的车牌号信息、线路信息、GPS采集时车辆位置信息及点位获取时间等。

表 2.1 公交车GPS数据示例

由于随着数据量的增大，计算量会陡然增加，前期只需要验证模型是否合理，所以实验过程中选用深圳市南山区作为研究区域，公交车轨迹点数据只选取早晚高峰（选取早高峰为7:00-9:00，晚高峰为17:00-19:00）两个时间段，其中包含7110条道路和1952条有效公交车轨迹。

图 2.3 研究区域概况

第3章 公交车专用道规划数学模型构建

结合上述对公交车专用道规划问题的分析，可以给出一个对于公交车专用道规划的问题定义。在给定道路网G=（V,E）（其中V代表网络交点集，E代表所有相关的路段集），以公交车行驶轨迹作为公交车专用道规划模型的数据驱动，去挖掘一个路段子集E₀∈E，满足上述的约束条件，使之能够更为有效的改善交通环境。

3.1 模型约束条件

道路基本属性。由于数据获取的局限，不能直观的得到每一路段的车道数以及道路宽度，所以这里对于道路基本属性约束使用道路的类型字段，在OSM路网中通过type对道路类型进行标志，按照OSM说明文档中对不同道路类型的说明，选择满足类型要求的路段作为数据输入。用数学表达式表示即,其中E’表示规划路段：

（3.1）

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