基于特征选择的公交专用道设置方法

范馨月

(贵州大学数学与统计学院， 贵阳 550025)

设置公交专用道是公交优先在空间上的体现[1]，2005年《国务院办公厅转发建设部等部门关于优先发展城市公共交通意见的通知》(国办发[2005] 46号)提出了公共交通的道路优先使用权的概念，文件第五部分“保障公共交通的道路优先使用权”提出要科学设置优先车道(路)和优先通行信号系统，加强优先车道(路)和优先通行信号系统管理，建立公共交通优先车道监控系统，保证道路优先通行权。设置公交专用道可以提高公交车的运行效率，突出公共交通的“路权优先”，使乘坐公共交通具备大大高于驾车出行的性价比，公共交通才能成为市民优先的选择，管理部门才能在有限的空间和能源资源中，合理地引导居民出行选择，调整出行需求结构，改善城市交通状况。特殊情况下，公交专用道也可以成为抢险应急车道和抢救生命的绿色通道。但同时，公交专用道在有效实现公交优先的同时，也加深了社会车辆与道路资源间的矛盾[2]，以及与社会车辆路权的矛盾。

国内各大城市大多数都设有公交专用道，但有些道路设置公交专用道以后导致非公交专用道的社会车辆通行状况恶化，并且专用道上公交车出现频次也很低，其原因是仅套用中外设置公交专用道和公交优先道的一些经验参数，而不是基于本地交通状况和数据去设置，缺少科学方法支撑。目前的公交专用道设置标准主要有公安部GA/T 507—2004，部分省市出台了地方标准[3-4]，内容基本满足单向2～3车道，每小时断面客流为2 000～5 000人，标准公交车50～150辆。但是，每个城市地理环境、人口密度、交通状况不一样，采用统一的非自适应的标准无法使得公交专用道设置满足各城市的需求。因此，需要通过数据分析和数学建模建立一套自适应设置方法，解决哪些路段需要设置公交专用道、适不适合设置和怎样设置的问题。文献[5]结合交叉口停车延误公式以人均延误最小为目标函数建立模型求解设置专用道的最佳公交流量比例，但模型仅考虑单一路段，没有考虑路网以及方向等因素；文献[6]考虑到了公交专用道设置和公交线路设置的关联性，用离散网格模型研究了公交专用道选址与公交线路发车频率的组合设计；文献[7]提出了以用户总出行成本最小和走廊公交线网效率最大的组合优化模型，但没有考虑到公交专用道对社会车辆车速的影响，仅以公交路权优先为目标。

现以贵州省贵阳市为实验城市，目前该市有些道路设置公交专用道以后道路通行效率严重降低，并且专用道上公交车出现频次也很低，公交专用道设置不成体系，缺少数据分析方法支撑。基于此，融合电警、卡口地理位置信息数据及过车数据，公交GPS数据，公交站点和线路数据，探索基于特征选择的公交专用道设置方案。从中外设置公交专用道的一些经验参数可以看出，主要是追求公交优先通行权，本研究所计算出适合设置公交专用道的道路，在渠化公交专用道后会提高道路的整体通行效率，而不是一味追求公交优先通行特权，在给政府交通管理部门提供决策支撑时更具有说服力；所采用的电警、卡口过车数据，公交车GPS数据，公交车线路数据等都是当前交通管理部门能够采集到的交通数据，所有的数据导入和模型计算都是可以自动完成，无需人工干涉；关键阈值的设置都是根据本地城市的实际交通数据计算所得，并且会定期自动计算更新，可以用于实际并在其他城市进行推广。

1 算法流程

算法总流程如图1所示，子流程1 为数据的预处理，包含电警、卡口数据的号牌匹配，车辆行程时间计算，社会车辆和公交车辆数据提取等；子流程 2为特征选择模型，初步判断哪些道路适合设置公交专用道；子流程3在初步适合设置的路段中，对设置公交专用道后道路通行效率进行分析，筛选适合设置公交专用道的路段；子流程 4通过对路口左、直、右车流量，确认公交专用道的限时设置方案，最终得到实验城市哪些道路适合设置公交专用道。

图1 算法总流程Fig.1 Algorithm flow chart

2 特征选择模型

一些学者对公交专用道设置效益进行了研究[8-10]，大多数是以公交车速度作为研究对象。文献[10]分析了深圳市主要道路公交专用道的车速特征，公交专用道对二次车速差有显著积极的影响。文献[11]研究什么样的道路适合设置公交专用道，但未考虑公交专用道对社会车辆通行权的影响。路网中道路面积是一定的，设置公交专用道无疑会增加公交车的路权，同时减少社会车辆的路权，对社会车辆的行驶造成一定的干扰[12]。因此在考虑哪些道路适合设置公交专用道时，不仅需要考虑社会车辆对公交车行驶效率的影响，也需要考虑公交车对社会车辆行驶效率的影响。

路段车辆行程时间是分析车辆通过该路段效率的一个因素，若仅通过浮动车数据进行分析，无法描述所有车辆的行程时间及流量。因此，先利用实验城市安装的电子警察、卡口的过车数据对车辆的实际行程时间进行分析。在过车数据中，先对数据进行清洗，去除不符合车牌规则的数据(如黑Z贵Z)。根据公交车的号牌规则和车型分离公交车数据和社会车数据，通过号牌匹配建立路网的设备拓扑结构，并计算车辆的实际行程时间。实际应用中，车辆的实际行程时间不能代表所有车辆通过该路段的行程时间，因为有的车辆会长时停留在路段中的小区、停车场等，也可能是由于设备的错检、漏检造成了计算出的实际行程时间是二次出行的时间。文献[13]研究了车辆在不长时停留下单次出行通过该路段的行程置信时间，在路段行程置信时间的范围内，计算出实验路段通过该路段的平均行程时间。

图2所示为随机选择的实验路段中一条大道1周车辆平均行程时间拟合曲线，该路段具有单向三车道，目前无公交专用道且车流量较大。可以看出，除双休日外同一路段的车辆行程时间具有相似性，拥堵大多发生在工作日的高峰时段，路段平均行程时间达到峰值。公交车和社会车辆的行程时间的拟合曲线及路段车流量如图3所示，从图3可以看出，公交车的路段行程时间和社会车辆的行程时间曲线大部分相似，社会车辆的行程时间基本低于公交车的行程时间，但在高峰拥堵时段有交汇，社会车辆的行程时间超过了公交车的行程时间。

图2 实验路段1周的平均行程时间拟合曲线Fig.2 Fitting curve of one week average travel time of experimental road section

图3 实验路段公交车与社会车辆的平均行程时间及路段流量拟合曲线Fig.3 Average travel time of bus and social vehicle in experimental section and fitting curve of section flow

这说明路段严重拥堵，公交车和社会车辆相互影响行驶效率。

用余弦相似度来刻画公交车与社会车辆行程时间曲线的相似度作为设置公交专用道的一个特征：

(1)

由图3可以看出，公交车与社会车辆曲线间的距离也是考虑设置公交专用道的一个特征。用曲线上各时段社会车辆与公交车行程时间的欧式距离的平均值来刻画，当两曲线的距离越近，混行现象影响路段通行效率越严重。

(2)

路段上公交车流量和社会车辆的流量也是考虑是否设置公交专用道的特征，基于以上几个主要特征，以实验城市路段为研究对象，计算路段的公交车与社会车辆行程时间曲线相似度、曲线距离、公交车与社会车流量如表1所示。

表1 实验城市路段公交车与社会车辆特征Table 1 Characteristics of buses and social vehicles in experimental city section

根据以上特征进行K-means聚类，聚类结果如表2所示。将实验城市603条路段分成4类，4类路段中第2类路段公交车和社会车辆平均行程时间曲线距离最小，行程时间曲线相似度较高，流量也较其他类别大。这类路段更适合设置公交专用道，共有124条路段。

表2 实验城市路段特征聚类中心Table 2 Clustering center of road section characteristics in experimental city

通过电警、卡口数据判断的社会车辆和公交车辆的行为特征是一个方面，由于公交车行程时间受到公交站点、交叉口等因素的影响，需要结合公交车GPS数据进一步分析公交车在路段上行驶速度的变化情况，利用公交车GPS数据判断路段上公交车辆是否存在走走停停现象，从而进一步判断在路段中间社会车辆与公交车辆是否相互影响严重。图4所示为根据公交车GPS数据作的公交车轨迹分布，公交覆盖率在实验城市已达95%。若公交车GPS数据速度变化频繁，则混行现象严重，从而判断路段是否需要设置公交专用道，将两者分离，消除混行现象。算法流程见算法子流程2(图5)。

图4 实验城市公交车GPS分布Fig.4 GPS distribution of buses in experimental city

图5 算法子流程2Fig.5 Calculation sub process 2

2 效用分析

借鉴其他城市公交专用道的建设情况，若在公交运行状况较好的路段设置公交专用道会占用道路资源，如果公交专用道设置不连续、在立交、平交口、右进右出等节点处中断，与社会车辆交织混行也会影响公交运行效率[14]。故需要根据道路基础信息和历史流量数据，预判公交专用道设置后，对社会车辆通行效率是否有影响。用“0”表示该条道路不适合设置公交专用道，“1”表示适合设置公交专用道，每条车道的最大通行能力为1 000 pcu/h。在初步的筛选得出的应该设置公交占用道的路段清单中，部分路段车道数小于3车道，再设置公交专用道会严重占用社会车辆的道路资源；部分城市外环快速路上，除公交车外的大型车也较多，若设置公交专用道，减少了大型车的路权，大型车又占用快车道，道路通行效率在设置公交专用道后会受到影响；部分路段小时公交量不大，尽管路段车流量大，但设置公交专用道后服务于少数公交，也不应该设置公交专用道。因此，在算法子流程3中考虑了公交专用道的设置对道路通行效率会造成影响，如图6所示。

图6 算法子流程3Fig.6 Calculation sub process 3

用Nj表示第j个路段车道数，xi,j为j路段小时流量，yi,j为j路段除公交车外大型车小时流量，zi,j为j路段公交车小时流量(i=1,2,…,24)，判断算法如下。

步骤1判断Nj<3，若满足，返回“0”，否则，执行步骤2。

步骤4判断zi,j≥12且zi+1,j≥12，若满足，返回“0”，否则输出“1”。

通过子流程3的路段效用分析，实验城市共109条路段可以设置公交专用道。

3 模型优化

实际应用中，公交专用道是否全天只允许公交车和出租车通行取决于该条路段社会车与公交车的流量、行程时间，站点设置等。公交专用道应该设置在道路的最左侧还是最右侧需要更细致地进行研判。本算法子流程4(图7)是利用公交站点分布数据、各路段公交车流向分配比例数据和相互影响严重的时间段信息，综合判断公交专用道应该设置在道路的最右侧还是最左侧，以及限时专用的时间段。判断原则如下：第一，路段有公交站点的(右侧)，公交专用道设置在最右侧；第二，没有公交站点的，根据公交车流向分配比例设置，例如该路段上行驶的公交车只有左转或直行的，公交专用道设置在道路最左侧；第三，规定专用的时间段，需要全覆盖公交车和社会车辆相互影响严重的时间段，尽量少覆盖公交车和社会车辆相互影响较小的时间段。

图7 算法子流程4Fig.7 Calculation sub process 4

模型优化后对于实验城市，算法最终输出需要设置公交专用道的路段公交专用道的设置方案，并给出每条路段公交专用道设置的车道位置以及限时专用的时间段。部分结果如表3所示。

表3 实验城市适合设置公交专用道最终路段Table 3 Final sections suitable for bus lanes in experimental cities

4 结论

设置公交专用道是一种有效提升公交服务水平的措施，目的是为了更好地实施公交优先策略。目前公交优先的设置方法主要是为了减少行驶过程中社会车辆对公共汽车的干扰。公共汽车在公交专用道行驶时不会受到社会车辆和非机动车辆的干扰，因此能够提升公共汽车的行驶速度，减少乘客的乘车时间，提升乘客对于公共汽车的满意度，提升公共出行的比例。但是道路网络中的道路面积是一定的，设置公交专用道会增加公交车的路权，同时也会减少社会车辆的路权，对社会车辆的行驶造成一定的干扰。因此需要采用科学合理的方法设置公交专用道，才能在提高公交服务水平的同时，对社会车辆造成的干扰最小。此次研究的创新性归纳为以下几点：一是既考虑了社会车辆对公交车速度的影响，又考虑了公交车速度对社会车辆运行效率的影响；二是融合了电警、卡口的过车数据及地理信息位置数据，以及公交车GPS数据进行数据分析，探讨设置公交专用道的科学方法；三是根据公交专用道运行时间内每个时段的需求不同的特点，对公交专用道的多时段设置进行了研究(是否需要设置限时的公交专用道)；四是考虑到了路段是否有站点，根据路口车辆行驶方向的流量比例选择公交专用道的设置车道。特征选择模型可以初步判断出城市哪些道路适合设置公交专用道，考虑到多因素路段后进行模型优化可以进一步选择适合设置公交专用道的道路。本研究的数据都可以获取并且可以自适应计算结果，在其他城市可以推广应用。