（交通运输规划与管理专业论文）基于IC卡数据和公交车GPS信息的公交OD矩阵推算.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 伴随着我国城市化进程的不断加速，交通拥堵等相关问题也越来越严重。在这 种情况下，优先发展公共交通事业作为解决城市交通相关问题的主要手段得到了城 市管理部门的认可。而作为发展公交事业的基础性资料公交出行 od 信息在获取手 段上仍存在相当的缺点，因此，探讨新的公交 od 信息获取方法，对于城市交通问 题的解决具有积极的意义。 本论文在分析现阶段公交出行调查方法优缺点、研究公交客流出行时间分布特 性的基础上，提出利用 ic 卡数据及公交车 gps 信息推算公交 od 矩阵，并得出了 相关的推算方法。相关内容包括以下几个方面： 对常用公交出行调查方法进行了总结，介绍了现阶段主要的公交出行调查方 法，分析了相关方法的优缺点。利用居民公交出行调查数据对公交客流的时间分布 特性进行分析，研究采用持有 ic 卡的乘客相关客流数据作为全体公交客流出行的 样本进行分析的可行性。然后，对我国公交 ic 卡收费系统及公交 gps 监控系统的 相关内容、发展历程进行了介绍，运用相关数据融合理论对公交 ic 卡数据及公交 车 gps 信息进行互补融合，获取公交客流起讫点信息。在此基础上，根据获取的单 个客流信息，在“公交出行总量一定”原则下对单条公交线路公交 od 矩阵及全市公 交 od 矩阵进行推算， 并获取了相关的推算方法。 相关算法推算出的公交 od 矩阵， 能作为比较准确及详实的公交基础信息为公交管理部门进行公交规划、线网调整、 站点布局提供依据。 虽然，本文研究的相关理论距离实践应用还具有一定的距离，仍需要在实际应 用过程中对其调整、优化，但可作为一种新的公交 od 数据获取思路，对现阶段公 交出行调查方法进行优化。 关键词：关键词：公交出行调查 公交客流 gps ic 卡 公交 od 矩阵 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract with the urbanization in china getting faster, the related problems such as traffic jams and congestion became more and more serious. in this case, giving priority to developing public transportation as the main means to solve the urban traffic problems is recognized by urban traffic management department. but considerable deficiencies still exists in the access method while collecting the information of the transit trips od which is the basic information of developing pubic transportation. so if we can find a new method to collect the information of transit trips od, that is meaningful to solve the urban traffic problems. based on the advantage and disadvantage analysis of the survey method of transit trips, and the studies on the trip time distribution characteristics of public transport passenger flow, the paper presented using the information of public transportation vehicle and the data of ic card to calculate transit trips od, and got the calculating method. main contents include the following several aspects: the survey method of transit trips has been retrospected, and the advantage and disadvantage of that has been analyzed. the trip time distribution characteristics of public transport passenger has been analyzed by using the survey data of transit trip, and the feasibility analysis by using the data of the passenger with ic card as the sample of all the passenger has also been studied. then the related contents and the development course of ic card charging system and the transit gps monitoring system have been introduced, the data of ic card and the information of public transportation vehicle gps have been fused by using data fusion theory. on this basis, the transit trip od matrix of single bus line and the whole city have been calculated by using the fused data of single passenger under the principle of the “total transit trip unchanged”. finally, the calculating method has been excogitated. the transit trip od matrix calculated by the method is accurate basic information, and can be reference warranty for transit planning, line 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii network optimization and the terminal layout, as well. though, the related theories studied in this paper can not be put into practical application in a minute, and still need to be adjusted and optimized in the actual and applied process, it can be used as a train of thought of getting transit trip od matrix, and make optimization to the method of transit trip survey. key words: transit trip survey traffic passenger flow gps ic card transit od matrix 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 研究背景 交通问题是城市发展进程中需要面临的若干重大问题之一，其解决的合理性对 于城市的发展具有极为重要的意义。随着城市的进一步发展，带动城市经济的不断 繁荣，促使城市各项相关职能得到进一步提升。与此同时，城市的发展必然带动城 市居民相关活动的增加，从而相应增加城市交通压力；城市经济生活的极大丰富， 带动居民不断增强的经济实力，也促使居民对于出行方式的转变，提升了对于出行 质量上的要求，而这种种问题对交通相关行业都提出了新的要求，也带来了新的发 展机遇。 我国城市化进程带来的问题中，交通是是影响最大，同时也是最受重视的一个 方面，这是由于城市的经济、生活等各个方面都与交通息息相关。而目前我国一些 城市的交通拥堵现象相当严重。目前我国除北京、上海、深圳等特大城市外，交通 拥堵现象已比较频繁的出现于其他一些大中城市，而拥堵现象并不仅仅体现在交叉 口等节点处，城市大面积的拥堵现象也时有发生，道路容量已经趋于饱和。据相关 资料介绍，由于城市交通问题带来的相关影响每年造成的城市经济损失可达上千亿 元1。 对于如何有效解决城市交通问题，相关方面进行了大量的研究论证，也得到了 一些方法。如在进行城市规划时，应注重城市重心多元化以及加大卫星城市建设， 从而分散城市中心区的压力，避免出现部分地区交通吸引量过大并超过其交通负荷 的情况发生；并注意在适当的距离内合理布局社会服务系统，如商业区、银行等交 通吸引量大、服务性强的基础设施，从而减少居民的出行次数和距离，体现和谐小 区的概念；进行城市道路网规划时，应注意主次支路的比例，在注重主次之路的连 通关系以及比例协调时，应强调城市支路网的规划，实现交通的多通道疏散，从而 实现道路交通的通畅；以及优先发展城市公共交通，吸引居民采用公交出行，从而 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 优化居民出行结构；并注意对城市居民的交通法规教育，从而综合实现城市交通的 舒畅通行。 目前，在解决城市交通拥堵现象发面，世界各国都普遍认识到城市公共交通的 重要性；在我国，公共交通的优先发展原则也得到了城市规划、管理部门的认可。 在近些年的城市综合交通规划、公交规划中已经越来越重视公共交通的重要性，在 规划中提升了公共交通的地位，从而实现了公交用地的合理布局、公交线网的优化 调整；在政策措施上，出台各项优先发展公共交通的保障性措施，这些对于公共交 通的发展都起了极大地促进作用。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 相关研究现状 公交客流 od 是城市交通管理、规划部门对公交线路调整、线网优化、站点布 局进行优化配置的基础性资料，其准确度对于公交的相关调整具有极其重要的意 义。 而依据观测等方式进行公交客流 od 的获取耗时长， 同时消耗大量的人力物力， 并且很难保证数据精度。近几年，国内逐步对于公交 od 的获取方法进行了相关研 究，得到了一些成果。 传统的公交 od 获取方法主要通过在公交乘客乘车时发放表格，由乘客根据自 身情况填写上车时间、站点及下车时间和站点，通过对调查表格的回收进行分析处 理出相关公交 od 数据。传统公交 od 获取方法，需要在全市各个站点发放公交表 格，而由于填写表格的复杂性及乘客的配合程度，对于数据的准确性具有相当的影 响，样本越大，其准确度可能越低。 基于以上情况，国内相关规划人士中山规划院的李良等人提出利用 od 反推获 取公交站点 od 矩阵，即通过仅记录每一站的上下车人数，利用乘客的上下车人数 作为各站点发生量与吸引量大小的依据参数，以相应结构的交通分布模型如重力模 型、极大熵模型等作为附加条件，利用各站点的发生量、吸引量作为依据标定模型 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 参数，利用 transcad 软件中的 transit o-d matrix estimation 模块进行 od 反推2， 的然后依据相应的交通分布模型推算出公交 od 矩阵。根据该模型，同时可分析出 新增站点对于公交客流 od 的影响，但仅适用于短期 3-5 年的公交客流 od 调查预 测使用3。类似的，深圳龙岗规划交通研究中心的刘翠等人根据居民公交出行的相 关规律，分析出居民公交出行与对应站点的土地利用性质的相关关系，结合 od 反 推的相关原理，利用引入吸引权对站点的土地利用性质进行分析后，发现对应站点 的公交乘客数符合泊松分布函数，从而建立了公交出行的极大熵模型，并利用居民 公交出行规律分析出缺乏相关基础数据的公交 od 重力模型4。 spiess h，florian m 通过构造考虑公交乘客进行上下车行为的小型公交网络， 并提出利用公交舒适度的概念，即假定公交车内乘客容量是无限的，随着公交乘客 的不断增多，公交车内的舒适度不断降低，结合公交乘客上下车提出一种对于公交 网络的新型分配模型，由乘客上下车系数及公交舒适度定义标定模型，从而分析出 公交 od 矩阵5。 同样以拥挤度作为限定标准来标定模型参数，即规定每条线路具有限定的容 量，由于线路容量有限导致乘客无法乘车而增加了乘客的等待时间，从而衡量车辆 的拥挤度678。de cea j, fernandez e 提出线路断面、线剖面、过渡段等概念，以 公交换乘点为基础提出相关交通网络图，以上述拥挤度概念标定公交网络冲突点平 衡模型，形成一种公交 od 的分配方式6。 近年来，国内提出借用公交 ic 卡相关数据进行公交 od 矩阵的相关推算。南 京大学的周晶等人提出利用公交 ic 卡数据，进行公交 od 矩阵的双层模型研究， 其中上层为最小二乘法相关模型，下层为均衡配流模型9，并利用 nguyen s， pallottion s，wu j h，florian m，marotte p 等人由图论相关理论创新出的超路径概 念及由超路径概念建立了大型的公交网络图标示法101112建立公交网络的均衡配 流模型对公交 od 进行推算，最终利用自适应投影算法13对下层的均衡配流模型进 行求解完成公交 od 矩阵的推算14。 吉林大学的师富杰提出提取公交 ic 卡数据库中乘客上下车站点的交集用来判 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 断乘客的出行起讫点及换乘站点形成居民出行临时用表， 并结合 fahim belarbi 的随 车交通实际时间交通信息系统评价体系15以及claude lashermes等的交通运行社会 经济评价模型16的相关研究，利用临时用表最终形成公交 od 矩阵，利用公交车上 安装传感器记录乘客人数以校验 od 矩阵准确度17。 东南大学的陈学武等对公交 ic 卡信息进行采集、分析，利用研究，提出利用 公交 ic 卡数据库中记录的相关信息完成对乘客出行的起讫点分析，利用乘客舒卡 间隔时间判断乘客换乘点，结合利用公交车平均当站时间对公交车形成进行估计， 进而完成居民公交出行的 od 推断18。 重庆市交通研究所的周涛等人利用 oneil w. 提出的利用公交 ic 卡进行数据分析处理的软件设计流程图19建立了线路公交 od 及区间公交 od 的模型，并利用 access 对公交 od 相关数据处理，推算出简易的公 交 od 矩阵，将利用 ic 卡数据分析公交 od 向前推进了一步20。 1.2.2 我国城市公交发展历程 公共交通是指在城市行政辖区内为本市居民和流动人口提供乘用的，包括定时 定线行驶的公共汽车、无轨电车、有轨电车、中运量和大运量的快速轨道交通，以 及出租汽车、客轮渡、轨道拦车、索道缆车等交通工具及其配套设施21。现阶段， 我国主要采用公交车进行公共交通运输，其比例约占城市公交系统的 80%以上22。 本文在以后的相关表述中，“公共交通”仅代表城市公共交通系统中的公共汽车和电 车，而其他如轨道交通、出租汽车等不包括在内。 作为城市交通系统的主要组成部分，城市公共交通在城市的发展进程中不断面 临新的挑战。 而城市公共交通以其独有的优势， 在城市交通系统中的地位越发重要， 从而受到各国城市的青睐。据研究表明，公交车、自行车以及非公交类机动车的人 均动态占用路面面积比例为 1：4：1223，这就意味着，在城市居民出行中如果有越 来越多的人选用公交系统作为出行方式，将会使有限的道路资源在节省的基础上得 到充分利用，使城市拥堵现象得到极大地缓解。正因为如此，世界各国城市都越来 越重视公共交通在解决城市交通拥挤问题上的作用，公共交通优先原则也称为我国 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 交通管理部门的共识，而这些都为公共交通事业的发展带来巨大的机遇。 在我国的城市规划及形成发展过程中，单中心城市都是主要的城市形态。由于 在单中心城市中，城市的行政、商业以及服务性设施高度集中于城市建成区中，造 成城市中心人口密度过高，工业、商业设施过多，而这些将导致该地区成为交通吸 引源，导致区域交通吸引量过大，交通拥堵现象最为严重，使得城市局部交通吸引 量远远大于该地区交通负荷，而减少该地区交通总量，是缓解这些地区交通压力最 迅捷的方法24。发展城市公共交通，吸引居民采用公共交通出行，能极大减少城市 中心地区的行驶车辆总数，减轻城市中心区的交通压力，从而缓解该地区的交通压 力。 而从居民出行的费用考虑，相对于其他机动车，考虑油费、停车等费用，公交 出行费用远远低于非公交车；对于近距离出行，步行及自行车以及其他非机动车具 有相对的经济优势，而在长于 15 分钟的步行距离上，综合考虑出行者的体力、时 间等相关因素，公交出行同样具有综合的优势。因此，在城市内部选择公交出行， 在节省道路资源的同时，更具有出行费用的优势。 1.2.3 我国城市公交发展现状 近年来，在我国“优先发展城市公共交通”已成为城市交通研究的重点课题。由 于我国国民经济的持续快速增长带动了城市规模的不断扩大以及城市交通需求量 的不断增加，使得现有的道路资源以及管理服务水平无法与之适应，而一味的扩充 道路资源并不能很好的坚决交通拥堵等问题，反之可能会增加潜在的交通需求。而 城市的可持续发展要求解决现代交通与自然环境的矛盾，这些都要求公交在我国要 健康、快速增长。 从部分城市近期的居民出行调查及公交公司历年数据统计中看出，公共交通运 输在城市各种交通运输方式中所占的出行比例却在逐年的减少，公交出行比例在萎 缩。以南京为例，从 1986 年至 1997 年间，公交十年的运量一直处于下降之中，其 中 1997 年公交运量略低于 1979 年的运量水平，公交出行分担率呈现减少趋势21。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 城市居民出行比例中公交分担率的持续下降，可归结为以下两大原因：公交 出行对城市居民吸引力的下降；根据对居民调查反映，由于公交换乘次数多、站点 布置不合理、车外耗时长以及车内过分拥挤等原因，乘客对公交出行较为不满。 公交公司运营效率低，管理、服务体系有待完善。而这些需要通过充分贯彻公交优 先政策，完善公交线网、公交站点布局；完善公交管理服务各项制度，提高公交公 司运营效率，使得城市公交健康发展。 世界银行统计表明，我国大中城市公交出行分担率约为 6%20%，而发达国家 大中城市公交分担率能达到 40%80%21。相对于国外大城市，其机动车保有量、 人均机动车保有量等较国内大部分城市要高，在这种情况下仍能公交分担率仍有如 此高的水平，说明国外拥有极为完善的公交服务、管理系统，从而能吸引大量城市 居民选择公交出行。同时，也表明我国在公共交通相关方面还亟待完善，并且具有 相当的潜力。我国应深化研究公交优先发展政策，提高城市公交出行分担率，使得 部分居民由私家车出行、自行车出行等转向公交车出行，从而促进公交的发展，减 轻城市交通压力。 1.2.4 公交 gps 及 ic 卡使用现状 1、 公交 gps 使用现状介绍 gps 是全球定位系统的简称，它最初的建立是为了服务于军事目的。但是随着 时代的进步个社会的发展，gps 已经广泛应用与社会生活的方方面面，包括卫星导 航、汽车导航、资源调查、测量制图甚至到消防营救，与人们生活最为接近的手机 的 gps 定位也是应用了这个原理25。 将 gps 应用于公交领域， 将充分发挥其优势性能， 是对其应用领域的又一个重 大开拓。gps 应用于公交领域后，其功能与作用得到了充分的发挥，给公交行业带 来了巨大的变革。 早期的公交报站系统费时费力还相当繁琐， 应用这样新技术之后， 驾驶员不用自行操作，取而代之的是自动报站的方式，这样一来节约了人力物力也 减轻了驾驶员的负担，增大了行驶的安全系数和报站的准确度。在公交领域利用 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 gps 进行站台显示和广告宣传，不仅方便了乘客也为公司和企业创造了经济效益， 实现了效率和利益的双丰收；与此同时，交通状况往往很不稳定，不同的路段、时 段会出现不同的运输情况，利用 gps，我们可以准确地掌握各个路段、时段的交通 信息， 及时对车辆进行准确有效的调度， 保证了运输的顺畅， 合理整合了公交资源。 不仅如此，利用 gps 技术，我们还可以对车辆的行驶数据进行统计，随时了解各个 车辆的运行信息，包括路程，温度等各项数据，从而提高了我们的预见性，有效地 预防危险事故的发生，保证行驶人员和乘客的安全。一旦出现事故，我们也可以准 确定位事故位置，争取时间进行抢修，将损失降到最小化26。 2、 公交 ic 卡使用现状介绍 ic 卡是一种非接触式射频感应卡，它的组成部分包括 ic 芯片、感应天线。 卡将这些组成部分封装在一个标准的 pvc 卡片内，从而使芯片和天线密闭地封 存在 pvc 卡片内。与普通磁卡相比较而言，ic 卡的优点非常明显。它的存储量明 显大于普通磁卡，并且不易收到外界的干扰，普通磁卡的保密性也远远比不上 ic 卡，另外 ic 卡的使用寿命也大大超过了普通磁卡27。伴随着计算机技术等各项技 术突飞猛进的发展，ic 卡的技术也不断成熟起来，应用领域也不断到社会生活的各 个方面。 公交 ic 卡技术就是其中之一，作为最近几年发展起来的一项新技术取得了长 足的发展。在以往的研究中，卡中没有电源和免接触是两个技术瓶颈，要想实现技 术的革新必须解决好这两个问题。为了解决这些困难，我们把射频识别技术加入到 ic 卡技术中，弥补普通 ic 卡的不足，成功解决了上述难题，实现了重要突破。公 交 ic 卡作为 ic 卡技术在公交系统的应用，具有普通 ic 卡的普遍优点，一经问世 就被应用于各个国家。公交 ic 卡的使用使得人们的生活更加方便，在一定程度上 提高了公交服务质量，从而吸引越来越多的居民利用公共交通工具，一定程度上缓 解了交通压力。 运用这一技术的国家不在少数。像汉城的地铁自动收费系统、香港的“八达通” 系统、悉尼公交自动收费系统等都是比较成功地运用 ic 卡公交系统的典型。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 我国开始在公交行业推行 ic 卡要追溯到 90 年代初期。由于我国人口众多，交 通压力巨大，公交 ic 卡的优点对于我国的交通状况的改进具有极大地推动作用。 在使用的初期阶段，这项技术只使用于少数的大城市。这些城市根据自身的特点， 分别研究能够适用于本城市交通行业的操作系统。其中，最为成功的就是深圳所研 发的公交非接触式 ic 卡储值票系统。该系统利用最新的科技成果，全面结合公共 交通的特点，设计巧妙，功能齐全。开创了国内使用公交 ic 卡的先河，其技术方 面达到了国际先进水平。对这一技术在我国的推广运用起到了重要作用。该系统软 件界面良好，易于操作；乘客使用起来简单快捷，易于接受。卡本身具有各种抵抗 外界干扰的性能，准确度高28。系统本身还具备应急措施，从而保证异常情况的补 救及时。数据采集系统的操作简单，数据采集完整有序。这项技术的运用把深圳市 的公共汽车无人售票系统提高到一个新的水平，对整个城市的交通发展经济建设都 做出了巨大贡献。 随着这一系统的普及和完善，我国的许多大城市都开始使用公交 ic 卡。青岛 市电车系统已经全部安装了 ic 卡收费系统，约占公交车辆总数的 80%，日均持卡 乘车已达 90 万人次以上，其收入占无人销售票款的 70%左右；天津市区站公交车 辆总数 80%以上的车辆已经安装使用公交 ic 卡收费系统，市区刷卡乘车人数达到 12 万以上，占公交乘车总人数的 26%左右；广州市 95%以上的公交车辆已配备 ic 卡收费系统，市内过江轮渡也全部实现了电子收费29。 随着公交 ic 卡的普遍使用，各地的公交 ic 卡数据库也得到相应的充实，陆续 储存了大量的公交乘客记录。但是由于对数据的开发应用不够，采集到的大量数据 往往只是一个虚晃的数字， 无法使用于公交运营、 规划， 丧失了数据库应有的作用。 数据库必须具备什么样的功能才能充分利用这些数据，利用这些数据可以得到哪些 指标以及这些指标对于交通的规划管理有着什么样的作用，都是我们需要进一步研 究解决的问题。这些从未涉足过的领域需要给与充分的重视，这些未知领域的每一 步开拓都将给我们带来不可估量的技术进步。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 1.3 研究的目的与意义 在进行相关规划如公交规划、线网优化时需要进行大规模的城市居民出行调查 或专项的公交相关调查，以获得公交出行的基础资料。而在现阶段，这些调查耗时 长、耗资巨大，同时需要大量的人力支撑；而数据量庞大，处理时间长，而这些数 据的准确性、时效性等对公交规划的准确性具有极其重要的意义，而这些都制约着 公共交通的发展。 目前，我国已有相当一部分城市引入了公交 gps 监控系统及 ic 卡收费系统， 建立了相关的信息管理处理系统，保存了大量公交车运行信息和公交 ic 卡数据。 本文尝试探讨利用这些数据进行处理并推算公交 od 出行矩阵，从而以较低的投入 获取较高精度的相关数据，为公交线网调整以及公交营运调度的科学性、合理性提 供依据。 1.4 研究的方法与内容 同传统的公交 od 调查方法有所区别，本文主要通过公交车 gps 信息及 ic 卡 数据作为研究对象，从中获取相关关联，并作为公交 od 矩阵的推算的基础数据。 相对于传统公交 od 调查方法调查周期长、获取数据难、投入大及数据精确度不高 的缺点，笔者希望通过对相关方面的进行研究，对获取公交 od 矩阵方面不尽完美 的地方做出微薄的贡献。 本文的研究方法主要由以下几方面组成： 通过相关方面的实际调查方法，获取相关的基础数据，基础数据主要是厦门 市公交客流相关数据； 数据融合理论方法，主要应用了“随机抽样理论”、“公交出行分析两站点模 型”，对公交车 gps 信息及 ic 卡数据进行融合，形成分析的基础数据； 计算机相关技术，主要运用 excel 进行相关数据处理。本文在获取的最终公 交 od 矩阵中，设计了相关的 od 矩阵获取思路，将运用相关数据处理技术。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 本文主要通过分析将公交 ic 卡相关数据作为全体居民公交出行的样本数据进 行研究的可行性，并利用公交 ic 卡数据及公交车 gps 信息，分析两者之间的相关 性及互补性，通过数据融合技术将二者结合，提取出居民公交出行起讫点信息，并 最终通过相关条件推算出单条线路公交 od 矩阵及全市公交 od 矩阵，对公交 od 的获取方法进行研究。 1.5 研究的框架 本文的研究框架主要分为以下几个部分： 本文共分六章：第一章是绪论部分，主要分析课题的研究背景及意义，简要介 绍公共交通的重要性及现阶段 gps 及 ic 卡系统在公交上的应用； 第二章主要研究常规公交 od 获取方法，引出公交出行调查的基本方法，结合 现阶段公交出行的时间分布特性，研究公交出行调查方法存在的问题； 第三章深入介绍我国公交 ic 卡收费系统的现状，研究 ic 卡基础数据，分析利 用公交 ic 卡研究居民公交出行的可行性； 第四章深入介绍 gps 系统在公交系统中的应用，gis 与 gps 系统的结合应用， 研究公交车 gps 基础信息， 并运用数据融合理论将公交车 gps 信息与 ic 卡数据进 行融合，形成公交 od 矩阵研究的基础数据； 第五章分两部分对公交 od 矩阵构造进行研究，包括单挑线路公交 od 矩阵推 算及全市公交 od 矩阵推算，最终完成本文的核心内容； 第六章在对全文进行总结的基础上，对论文研究进行展望。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2 常规公交 od 获取 本章主要通过简述城市居民公交出行的时间分布特性，包括月变化特性及时变 化特性，主要介绍了常规的公交 od 获取方法，并分析现阶段公交 od 获取方法中 存在的问题，本章主要采用公交数据为厦门市公交调查数据。 2.1 城市居民公交出行的时间分布特性 居民通过选择不同的公交线路达到目的地，来实现自己使用公交进行出行的目 的，目的不同公交线路选择也不同。本章通过利用厦门市公交某线路某几日客流数 据以及分时段客流数据分析，最终得出居民公交出行的时间分布特性。居民对于不 同公交线路选择的受影响因素较多，如出行目的、是否节假日、天气及相似线路都 会对其产生较大的影响，表明城市居民公交出行具有随机性及周期性波动的特点。 通常，由于工作、学习等因素影响，居民公交出行各星期变化不大，如图 2-1 所示，此次客流统计包括 10.1 黄金周在内客流统计数据。从图上可以看出，10.1 黄金周内居民公交出行人数逐天减少， 在节假日中， 假期第一天通常出行人数最多， 在节假日末期达到最少，高峰与低峰差别非常大（比值达到 2.05 倍）工作日内， 该线路的单日客流量差别不大，基本呈周期性波动，循环周期为一周；周末公交出 行人数高于工作日公交客流人数，但高峰与低峰差别也较大（最大比值为 1.18 倍） 。 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 连续四周日客流连续四周日客流 图 2-1 厦门市连续四周日公交客流变化图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 如图 2- 2 所示，该图为厦门某公交线路某日客流时变图，记录了从公交 6 点开 始营运到 22 点收班的全日客流变化，记录间隔时间为一小时。从图中可以看出当 日客流的时变图呈明显的“ 马鞍” 状， 其高峰小时时段为 7： 30 8： 30 及 17： 30 18： 30，以晚高峰客流最为集中，高峰小时系数为 11.85%。 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 图 2- 2 厦门市某公交线路单日客流变化图 由表中所示及以上分析可以看出，公交线路客流量存在周变化波动的基础上， 同样在一天内呈现不同的变化趋势且客流量变化相当大，获得公交每日客流时变化 的准确性将直接决定公交管理者对于公交运营调度的合理性。 而在现阶段，由于缺乏行之有效的公交调查方法进行公交客流的定量研究及准 确预测客流的方法，公交运营管理者通常根据经验及不太准确的统计数据进行公交 运营调度，这在相当程度上降低了公交服务质量，影响高峰期居民出行或造成平峰 期公交营运浪费。因此，运用合理的公交调查方法进行公交客流调查，及时获取公 交客流的时变化情况，将极大提高公交运营管理者对于公交运营调度的准确性和合 理性，从而满足公交线路对于不同时间段的公交客流需求，提升公交服务质量。 2.2 常规公交 od 获取方法 现阶段， 居民公交 od 主要通过公交相关调查获取。 公共交通调查具有内容多、 涉及面广、调查难度大等特点，主要包括社会经济和土地利用状况相关基础资料的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 调查、居民及流动人口公交出行 od 调查、城市主要道路流量及道路主要节点处流 量调查、城市公交现状以及公交相关设施调查和城市道路相关基础设施调查21。 如上段介绍的，居民公交出行 od 调查是城市公共交通调查的一个分支，应属 于城市公交现状调查的一部分。从具体调查内容考虑，可将公交出行 od 调查分为 三类：相关线路公交出行客流调查、相关区域公交出行客流调查以及市区范围内公 交出行客流调查。 从具体的调查对象考虑， 又可将公交出行 od 调查分为两大类： 间接调查法： 从居民出行 od 调查中，间接提取居民公交出行的基础信息，这种方法调查覆盖面 广，获取的信息充分，但调查费用较高，且信息处理周期长；直接调查法：单一 开展公交客流调查，即从居民公交出行的线路、站点处客流直接获得出行信息，这 种方法获取数据相对精确，相对于其他调查其费用投入较少。 2.2.1 城市居民公交出行间接调查法 通常，规划及相关部门所使用的居民公交出行 od 数据等资料主要是由间接调 查方法提供。 从居民出行调查相关数据中提取公交出行 od 信息需要按照传统的“四 阶段法”预测获得，其步骤如下：在获取居民出行相关资料后，进行居民出行生成 预测，相关预测包含所有交通方式，进行出行分布后，得到区域居民交通出行分布 矩阵；按照相关预测及资料，对其进行全方式划分后，获取公交出行 od 相关信息； 运用间接调查法，能从全局的角度分析城市各种交通方式出行，从而给出城市合理 的交通分配模式及各种交通方式的合理规模21。 运用间接调查法获取，通常由发放居民调查表格完成，居民调查表格包含城市 居民的主要出行信息，如图 2-3 所示。利用表格获取居民出行的基本信息，经过相 应的处理，提取公交相关信息。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 图 2-3 居民出行信息抽样调查表 这种方法获取的基础数据广泛，数据量大，并且抽样覆盖面广，避免了调查获 取数据存在偏差，数据具有极大的代表性；而通过居民出行调查获取城市所有交通 方式的出行信息，通过预测选取一定的比例提取居民公交出行信息，在一定程度上 能体现出调查分析的科学性。 与此同时，运用表格调查法获取相关出行信息同样具有一定的缺点：为避免数 据存在偏差，保证数据科学性，必然会保证一定的抽样率，因此数据量大，这就造 成数据处理困难且分析周期长，并且对处理数据要求较高，要求相关人员具有极高 的相关处理能力，若处理不当，将严重影响数据的可靠性；从居民出行信息中提取 的公交相关信息，代表了总体上的居民公交出行状况，并不能反映某条具体线路的 公交客流状况。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 2.2.2 城市居民公交出行直接调查法 城市居民公交出行直接调查法主要通过在相关地点对客流进行调查，获取线网 客流、线路客流数据30： 进行线网客流调查主要获取公交线网相关数据，从而优化城市公交线网布 局，科学布局城市公交站点，提升公交整体服务质量；这种调查主要通过对持有公 交 ic 卡等的公交乘客发放表格填写完成调查，同时让乘客提出相关意见，改善公 交营运管理措施。 进行线网客流调查的目的在于把握单条线路客流状况，分析线路客流高峰期 及高峰区域，从而合理调度线路公交车辆，优化公交资源配置。这项调查通常由公 交管理机构或委托相关部门定期调查，可通过调查员跟车调查、站点观察询问式调 查以及票额分析调查几种方式获取调查信息。 运用直接调查法获取公交客流信息，其数据相对精确，所需调查费用较组织居 民出行调查要低。 2.3 现阶段公交出行调查方法缺点分析 通过以上介绍，笔者通过对相关调查方法进行研究分析认为，现阶段调查方法 对于公交客流数据的获取方面具有各方面的优势，基本能为公交规划及公交管理方 提供相关基本数据。与此同时，各种公交出行调查方法仍存在不完善之处，有待改 善： 相关信息获取困难 现阶段公交出行相关数据主要通过调查员发放表格完成，由于相关信息较多， 需要被调查者填写大量信息。在实际调查过程中，调查员需具有一定的沟通交际能 力，需要对被调查者进行讲解沟通，同时在调查过程中也极易产生误解，对调查工 作带来不利影响。 同时实际调查需要大量的调查人员展开大规模的相关出行调查，这就必然增加 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 相关调查费用，并且由于调查对象数量巨大，导致调查周期很长。 相关信息准确度不高 通过发放表格或者直接问询被调查者，由于被调查者需要填写大量信息，在实 际填写过程中极易产生填写信息失真的情况发生，这就导致了获取的信息精准度较 低，一定程度上失去了调查的意义。 通过全方式居民出行预测出公交出行相关信息，需要有大量的条件对分析过程 进行约束， 这就要求规划人员对当地状况进行深入的了解， 而相关基础数据的缺失， 同样将导致预测结果不准确，从而无法为公交规划及公交管理者提供准确的公交客 流相关信息； 信息处理困难 在实际调查过程中， 获取的基础数据通常存在纸质记录表上， 而在分析过程中， 需要对其重新录入计算机系统，由于数据量大，其录入过程就极为耗时、耗人力。 同时，由于数据量大，对数据处理人员的能力要求较高，并且由于数据复杂，增加 了数据的处理困难。 基于以上现阶段公交出行调查方法的缺点，笔者希望通过加强对现有公交 ic 卡数据及公交车 gps 信息的利用， 探讨一种新的公交调查方法， 从而在降低调查费 用、减轻调查难度的同时获取精度相对较高的公交客流数据，从而为公交规划及公 交营运管理部门的规划调度提供便利。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 3 公交 od 矩阵推算 ic 卡相关数据分析 本章主要介绍公交 ic 卡收费系统，分析公交 ic 卡相关数据信息，并以厦门市 公交 ic 卡数据进行研究，分析居民出行时间分布与使用 ic 卡进行公交出行的时间 分布之间的异同性，探讨利用 ic 卡数据提取居民公交出行信息的方法及可行性。 3.1 公交 ic 卡收费系统相关介绍 3.1.1 我国公交 ic 卡收费系统现状 引入先进的计算机及通讯信息技术，利用公交 ic 卡收费系统可提高公交企业 的运营管理水平， 获取相应的数据信息为公交运营调整提供依据， 具有显著的社会、 经济效益。在我国，从 1994 年开始各大城市逐步引入公交 ic 卡收费系统，现在已 经具有相当的规模。据调查，青岛市电车系统已经全部安装了 ic 卡收费系统，约 占公交车辆总数的 80%，日均持卡乘车已达 90 万人次以上，其收入占无人销售票 款的 70%左右；天津市区站公交车辆总数 80%以上的车辆已经安装使用公交 ic 卡 收费系统，市区刷卡乘车人数达到 12 万以上，占公交乘车总人数的 26%左右；广 州市 95%以上的公交车辆已配备 ic 卡收费系统，市内过江轮渡也全部实现了电子 收费29。 如今，持卡乘车已成为公交发展的必然趋势，但同国外相比，国内对于公交收 费系统的利用仅仅停留在初级阶段，利用程度还相当低。公交 ic 卡收费系统能提 供如公交车辆到站时间、停靠站点时间、客流情况等大量丰富的信息，对于提升公 交运营具有重要的意义。 3.1.2 公交 ic 卡介绍 ic 卡又被称为智能卡， 是将大规模集成电路封装在大小为 340*250 毫米的塑料 卡内。智能 ic 卡不仅具有反复存取数据的功能，同时还具有加密功能。目前，用 于公交收费的 ic 卡主要有两种：乘车卡（消费卡） ，这种卡主要提供给公交乘客 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 使用，卡内主要存储公交如卡内余额等乘客相关信息；管理卡，这种卡主要提供 给公交司机使用，主要用于汇总公交车每天行车收费扣费情况，公交站点通过提取 管理卡，可将卡内数据汇总形成公交报表31。 最早开始使用的是接触式 ic 卡，在工作时，通过 ic 卡上引线触点与系统接口 相连接进行读写。随着科学技术的发展，又推出使用射频技术的非接触式卡，由微 处理器与天线组成，卡本身不带电源，读写操作利用无线电波来获得能源与传递数 据信息。工作距离视接收天线大小而定，一般可达 10 厘米，无需直接接触，操作 十分方便，一般读写操作时间可小于 0.2s，所以非常适合公交这种客流量大，要求 读写速度快的场合27。 3.1.3 公交 ic 卡收费系统组成 公交 ic 卡收费管理系统由车载收费机、充值机、服务器、数据采集盒和工作 站等部分组成，ic 卡收费系统作用简要收费流程如图 3-1： 售卡挂失充值 司机 上车划卡 司机下车 划卡 乘客 划卡乘车 前 置 机 数 据 库 汇总 汇总 图 3-1 ic 卡收费系统流程图29 本文主要就公交 ic 卡主要部分车载收费机和数据采集盒进行介绍： （1）车载收费机，车载收费机通常安装在公交车入口处的栏杆上，供乘客乘 车时刷卡使用。其主要作用为：识别乘客公交 ic 卡、按照预先指定的车票价格扣 除公交 ic 卡内的金额、存储对应公交 ic 卡的交易信息。 （2）数据采集盒，数据采集盒通常在公交公司运营管理处，是车载收费机和 公交公司数据库进行数据交换的主要设备，具有以下两种作用：将车载收费机存 储的公交 ic 卡信息转移到公交公司计算机系统内部将计算机系统内的黑名单即 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 禁止交易名单传输入车载收费机上，使得对应 ic