城市公交管理信息系统设计

城市公交管理信息系统

设计

Document number：BGCG-0857-BTDO-0089-2022

城市公交管理信息系统设计

随着我国国民经济的快速发展和城市化进程的加快,如何解决城市公交管理问题已经成为城市可持续发展的一个重要课题。城市公交管理问

题是一个系统工程,常用的经验性的方法是不能完全解决问题的,必须运

用科学的、系统的方法来解决。近年来,运用数字化技术尤其是GIS技术来解决交通领域的空间数据处理和规划分析等问题已经成为交通管理信

息化的一个重要手段。

为了便于管理这些公交信息,同时也为了方便公交乘客的出行,本文

开发了城市公交管理信息系统。该系统不但可以方便地查询到城市的公

交站点、道路和公交线路,其中最重要的一个功能是在乘客给出起点和终点后,自动计算出最优的乘车路线,设计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）对于市内对公交线路不太熟悉的居民以及外地旅客来说,他们

在以公交方式出行时,在选择公交线路和乘行方案方面存在着很大的盲目性,而该系统除了可以为出行者提供公交线网基础信息、线路运行信息外,还可以将几种经过计算机分析的最佳出行线路及换乘方案推荐给出行者,通过对乘客选择线路进行合理引导,减少乘客的出行延误,从而提高整个

公交线网的运行效率。

（2）对于城市公交管理部门来说，应当是在快捷、方便、舒适、经济地实现人的移动的经营活动中,使公共交通管理达到经济效益、社会效益和环境效益的统一,适应市场经济体制的建立,适应改革与发展。利用

该系统GIS的专题地图可以显示出一个城市或一个地区的交通事故分布、交通违章分布、道路的现状和道路规划等专题情况,为交通管理部门提供一个直观的决策分析工具。在交通运营管理中,利用GIS技术的网络分析,缓冲分析等功能可以很直观地反映一个城市的公交网络覆盖状态,分析公交线路设置是否合理,评价公交站点选址是否科学等。

（3）经济效益的好坏是评价一个企业成败的关键。当然，对于城市公交企业来讲也不例外，众所周知,城市公交企业的经营和发展受多种环境因素和内部条件制约,如政府政策、城市人口数量、居民消费需求、城市交通结构等,以及企业资产状况、产权体制、经营管理者水平、技术创新能力等。而经营管理是众多因素中最重要的一个。该系统可以帮助企业的管理部门确定乘客的地理分布以及确定公交线路和站点附近的人口,出行流量,线路上公交车辆的满载率，道路交通状况等因素,从而方便了企业对公交线路的规划以及线路上公交车辆的投放量的部署。

二：系统结构设计

城市公交管理信息系统总体结构

城市公交管理信息系统旨在通过GIS技术在城市公交交通管理信息中的应用,提高城市公共交通综合管理水平,为政府科学决策提供依据。系统功能结构如下图所示。

(1) 路径查询: 为乘客的公交出行提供准确、及时、优化的公交信

息服务。

(2) 出行预测: 公交出行需求预测可用于从宏观上指导城市公交发

展,尽可能使城市公交规模与城市规模相匹配。

(3) 路网显示: 可以直观显示城市公共交通发展规模、场站布置和

线路布设。

(4) 公交覆盖:公交服务的覆盖性及方便舒适性是出行者选择公共交通方式的主要因素。

(5)交通服务:主要内容包括居民出行指南和交通项目上报审批服

务。

(6)地图管理:主要内容包括地理信息系统中常用的操作与分析工具

等功能,如地图放大、缩小、图层控制、地图打印以及对道路、物点、区域等地图信息进行编辑和修改等。

城市公交管理信息系统在几个主要模块中的详细设计

2.2.1 路径查询系统

路径查询系统开发的目的是为乘客的公交出行提供准确、及时、优

化的公交信息服务。系统向乘客提供公交信息的动态走向,生成出行辅助计划,对乘客的出行进行主动而合理的引导,最大程度上方便乘客,

从而将

无序的交通出行变得有序,优化客流分布,提高公交线网的运行效率,同时将该系统投入实际应用也是提高城市形象的一项重要举措。

A ．该系统的具体开发思路如下:

① 公交乘客对现有的公交站点、公交线路、运营计划进行查询。

② 公交乘客输入任意出行起点、终点,系统在相应的约束条件下,查找搜索出最优公交出行路径集和换乘方案,最后以图表的形式反馈给乘客。

③ 公交部门管理人员可根据站点、线路的变更,运营调度计划的调

整,及时更新系统的公交线网,对与公交有关的其它基础数据进行方便的管理和维护。

B ．系统具体介绍

① 路径查询系统的开发过程见下图：

② 路径查询系统的功能

路径查询系统主要服务于公交出行者。对于市内对公交线路不太熟

悉的居民以及外地旅客来说,他们在以公交方式出行时,在选择公交线路和乘行方案方面存在着很大的盲目性,而该问路系统除了可以为出行者提（苏州市道路网图）

基础图形数据

供公交线网基础信息、线路运行信息外,还可以将几种经过计算机分析的最佳出行线路及换乘方案推荐给出行者,通过对乘客选择线路进行合理引导,减少乘客的出行延误,从而提高整个公交线网的运行效率。

C．该查询系统的整个分析决策过程如下:

（1）用户通过在苏州市区图上点击的方式或通过对话框选择的方式,向系统输入出行的起点和终点。

（2）系统收到输入信息后,分别在系统的地图和数据库中寻找与出

行起点和终点相应的地理编码和属性数据,并将其输入至分析模块中。

（3）根据地理编码和属性数据,在公交线网中,分别在以起点和终点为中心的一定半径范围内,寻找公交站点,并通过对比分析,确定有效站点。

（4）根据最短路数学模型在公交线网上搜寻最优出行方案,并将该

结果输出,显示公交线路走向、所经站点及运营信息。

（5）系统分析过程如下图：

D．此路径查询系统采用的算法

最短路数学模型是该问路系统的核心,目前,较多采用的Digkstra算法重复计算多,速度慢,不适合公交网络的特点。通过反复的分析研究,我

们采用链表技术对D算法进行了修正,使之适合我国的公交网络特点,创建了一种新的D算法修正模型,它对于今后其它公交网络的分析研究也具有一定的借鉴作用。具体算法流程图如下：

2.2.2 出行数据预测

公交系统的好坏直接影响着整个城市交通运输系统的交通状况。而公交需求预测是进行城市公交规划、建设、管理与控制的基础,是确定城市公共交通发展规模、布置场站和布设线路的依据,可用于从宏观上指导城市公交发展,尽可能使城市公交规模与城市规模相匹配。

本系统是根据土地利用、人口密度和公交站点覆盖率确定各小区的公交分担率,再进行公交出行分布预测。将物理学中的熵概念引入交通状态分析中,进行公共交通出行分布预测。

首先根据城市发展水平,土地利用、人口密度和公交站点覆盖率确定各交通区的公交分担率,即可得到交通区的公交出行总量。假设区i的交通发生概率为fi,区j的交通吸引概率为gj,区i的交通选择目的区j的选择概率为hij,上述数值可分别由下式求出。

fi=Xi/X,(∑j fi=1)

gj=Yj/X,(∑j gj=1) （1）

hij=Xij/Xi,(∑j hij=1)

式中:Xi为区i的公交出行发生量;Yj为区j的公交出行吸引量;Xij 为交通区i和j之间的公交出行量;X为全域的公交出行产生量。

使用上述概率及发生，吸引端的出行守恒条件可由式(2)式(3)表示:∑j hij=1 (2)

∑i fihij=gj (3)

以上两式相当于∑jXij=Xi和∑iXij=Yj。假设交通区i、j之间的公交出行量的先验概率qij由式 (4)重力模型给定,其中,∑qij=1。tij表示行驶时间,α和γ为回归系数,可通过实测数据确定。

qij=αfigjt-γij (4)

不考虑先验概率,将总量为X的公交出行量任意分布到各小区之间产生的组合数E可由式(5)表示:

E=X!/∏i∏jXij! (5)

具体算法流程如下图：

基于最大熵原理的公交分布模型计算流程

利用该系统的GIS专题制图功能可以直观地反映出不同交通小区居

民出行量的大小。在系统开发中,居民出行量分布预测专题图（如下图所示）选用了等级符号专题图类型,通过符号大小来表示不同的出行量大小,专题变量为交通小区居民出行发生量大小。

2.2.3 公交路网的显示

随着公交站点与公交路线的增加,不断增加数据库维护人员的难度,直接导致了算法计算复杂性的增加。本文首先充分利用GIS所具有的地理分析特性,设计了一种简单便于维护的数据结构。公交路网G = (NROUTE,ROAD),N是公交站点的集合,ROUTE是公交路线的集合,ROAD是城市道路集合(此集合的数据来自于街道的中心线,并带有相应的属性信息如是否单行等,其主要是用于步行分析,根据公交站点在道路中的位置,确定乘客的步行路线)。同时,合理地考虑了乘客的出行心理 ,考虑到一些可能出现的特殊情况,设计了一种更加人性化的而且面向乘客的最优公交路线的判断标准。

具体的公交路网的拓扑关系见下图，图中包括详细的公交站点、公交线路以及道路的数据表(表1~3)。表2中的站点编码n即是表1中的站

点编码,其顺序是按照该条线路的公交站点的前后顺序排列的,表2中的“是否单行”表示的是:当一条公交线路的来、回所经过的公交站点不同时,则认为其是两条线路。

2.2.4 公交交通服务覆盖

公共交通这种在时间和空间覆盖上的局限性决定了公交服务的覆盖性对人们选择公交出行方式具有重要影响：只有存在公共交通服务，人们才会把公共交通作为出行方式的选择之一。

公交服务的覆盖性主要体现在空间、时间、运力和信息4个方面：

公交服务的空间覆盖性一般指的是出行起点和终点的步行范围内（通常取5 m ni步行距离，即约400 m半径范围内）是否设有公交车站，并考虑线路间的换乘，公交线路是否四通八达。在公交线网密度较低的区域还应考虑在公交车站的附近设置机动车和非机动车的停车区域以扩大公交车站的服务半径，提高公交服务的空间覆盖率，使更多的人能够选择公共交通方式。

公交服务的时间覆盖性指的是公交车的发车频率和公交线路营运时间的长短，它对出行者决定是否使用公交也有着重要的影响。公交车的发车频率越高，乘客在车站的等候时间就越短，而且选择出行时间的灵活性也越强。公交线路营运时间过短，大量发生在营运时间以外的出行只能采用公交以外的交通方式。

公交运力的不足也会影响公交服务的覆盖性。如果在车站候车的出行者无法登上一辆已载满乘客的公交车时，公交服务运力覆盖率在此时此地就出现了空白。

在公交信息方面，乘客需要了解下辆车到站时间、票价，是否换乘等信息，这些信息对外地人和不经常使用公交服务的人们尤为重要，如果无法获得这方面的信息，他们就不太可能选择公共交通方式。可见公交服务在上述4个方面的覆盖性缺一不可，只有在空间、时间、运力和信息同时覆盖的条件下，公共交通才能成为出行方式的选择之一。

当公共交通成为出行方式的选择之一后，出行者还要考虑公交服务的方便舒适性，它主要包括车辆的乘载率、班次的可靠性、行车速度、乘车安全性、车辆整洁舒适性等方面，是出行者在多种交通方式中最终

选择公交方式的主要因素。总之，只有在公交服务的覆盖性及方便舒适性达到一定程度的情况下出行者才会选择公共交通方式。否则将选择其他的出行方式，如步行、自行车、私家车等。

公交覆盖率计算与研究

公交覆盖率的数学计算方法可描述为:选定某个交通小区,然后用该交通小区内所有公交站点覆盖面积之和或者小区内公交车所经过的道路面积之和除以该小区覆盖面积,所得的商值就是公交覆盖率值。以上方法涉及到图形学中的多边形求和及多边形的面积计算等问题,在实际操作时精确求解不规则多边形面积比较麻烦,可以想象在一个较大规模的城市公交网络中,如果这些计算都采用人工进行,将花费很大的人力和物力,而且计算中很容易出错,精确度也不高。

采用GIS软件的图形化工具就可以有效的解决上述问题,在系统开发中,我们采用了MapInfo平台的MapX控件技术来完成多边形面积计算及求和的工作。实践表明:MapX的图形化工具拥有强大的图形实体分析和计算功能,启用MapX的Selections对象和选择工具以及被选对象的Area 等方法可以有效地实现多边形的求和与求交计算。下图显示了系统计算某个交通小区的公交覆盖率值的操作。

三：系统的界面设计

系统提供可视化友好界面，通过电子地图导引，使用户能快捷的进人所需要的面层和区域，完成各项查询和规划工作。界面图如下：

四：结语

笔者通过对GIS（地理信息系统）的学习并通过查询相关的文献资料，设计开发了城市公交管理消息系统。此系统对于城市居民，公交管理部门以及公交企业都有不同的用途。居民可以利用该系统查询公交线网基础信息、线路运行信息外,以及最佳出行线路及换乘方案等；在交通运营管理中,利用GIS技术的网络分析,缓冲分析等功能可以很直观地反映一个城市的公交网络覆盖状态,分析公交线路设置是否合理,评价公交站点选址是否科学等。而且该系统可以帮助企业的管理部门确定乘客的地理分布以及确定公交线路和站点附近的人口,出行流量,线路上公交车

辆的满载率，道路交通状况等因素,从而方便了企业对公交线路的规划以及线路上公交车辆的投放量的确定。

该系统操作简便，实用性较好，兼容性强。基本上能够实现城市公交管理的功能要求。同时也能兼顾市民及企业的使用要求，方便管理者对数据的更新和维护。