城市公交可达性与网络空间结构关系分析——以焦作市为例_黄兰兰.pdf

第 卷第期测绘工程 年月 ：城市公交可达性与网络空间结构关系分析 以焦作市为例黄兰兰，杨杰，程钢（河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 ）摘要：针对城市公交系统的可达性及其网络空间结构的耦合关系，构建基于公交站点效率且融合 模型的步移动搜索法，对焦作市居民的公交站点可达性进行研究，依据空间模型构建城市公交网络结构，利用耦合协调度模型分析居民的公交站点可达性与公交网络的协调状况。研究表明，焦作现有公交系统对不同区域居民提供的服务不均衡，对主城区投入的交通资源不充足，且忽略了偏远地区居民出行需求，研究结果可为焦作公交网络优化提供参考和建议。关键词：步移动搜索法；公交站点效率；公交站点可达性；中心性；耦合协调中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；河南省高等学校骨干教师资助计划（）；河南省高校基本科研业务费专项资金资助（）第一作者简介：黄兰兰（），女，硕士研究生通信作者简介：杨杰（），女，讲师 ：，（，）：，：；公共交通可达性是判断公共交通系统运行状况与服务能力的有效指标，能够定量表达城市居民通过公共交通系统克服距离、时间等阻力参与社会经济活动获取城市服务的能力，衡量城市公共服务设施空间布局的合理性。对公共交通系统周围城市服务设施可达性的研究方法包括最近距离法、累计机会法、重力法、移动搜索法等。李淑瑶选择网络交通大数据代替欧氏距离，采用最近距离法对普陀区小区的对口小学的可达性进行可视化。湛东升等将不同类型公共服务设施的特征纳入考虑，采用累计机会方法对北京公共服务设施可达性综合评价。高子晗采用两步移动搜索法与网络分析，建立服务区与 矩阵研究永济市的医疗设施可达性。移动搜索法常被用于可达性研究中，采用供需比度量可达性；两步移动搜索法同时考虑供给点与需求点，建立移动搜索区域；增强的两步移动搜索法引入距离衰减函数；步移动搜索法增加了居民对服务设施的选择；融合 模型的步移动搜索法，采用连续的距离衰减权重函数对模拟居民选择的方法进行修改。杨慧等引入高斯距离衰减函数，通过熵值法评判供给点吸引力，并基于义务教育政策建立动态搜索半径，改进两步移动搜索法，评价 年监利县行政村义务教育资源可达性。喻冰洁等基于乡镇、街道尺度分析成都养老服务设施的空间分异特征，采用两步移动搜索法测算单一与级有效服务半径成都养老服务设施的空间可达性。对于公共交通可达性的研究，常将公共交通站点的可达性与通过公共交通系统获得的城市服务设施的可达性分开研究，实际上二者是相互影响的。文中基于公交站点效率，构建融合 模型的步移动搜索法，为二者建立联系，对焦作市居民的公交站点可达性进行研究，依据空间模型构建城市公交网络结构，从网络结构角度分析居民的公交站点可达性与公交网络的协调状况，以期为公交系统资源的合理配置与优化提供科学的参照和建议。研究区概况焦作位于河南省西北部，处于 ，之间。如图所示，焦作市下辖个 区、个 县 且 代 管 个 县 级 市，总 面 积 ，城区面积大致为 ，常住人口为 万人，城镇化率达 。焦作有“百年煤城”之称，因支柱产业落寞，城市正在积极探索转型发展，加强生态建设，完善基础设施建设，提升城市品质。公共交通服务质量与公共交通吸引力提升，有利于缓解环境污染问题，为完善焦作交通基础设施建设提供参照。以焦作市为研究区域，将百度人口热力栅格图（）矢量化获得工作日：间的人口分布数据（见图），以其中分布有人口的图焦作行政区划图网格作为居民点（包含 个网格分析单元），分析焦作公交系统在工作日晚高峰时段居民的公交站点可达性及其与焦作公交空间网络结构间的关系。公交站点、线路数据从高德地图获取，截至 年，共 条公交线路，个公交站点（见图）。图晚高峰（：）焦作人口分布图焦作公交站、公交线路分布研究方法 总体技术框架文中构建基于公交站点效率且融合 模型的公交站点可达性分析模型，研究居民的公交站点可达性，并探索居民公交站点可达性与公交网络结构间的关系，包含个主要步骤（见图）：计算公交站点类服务设施可达性及综合服务设施可达测绘工程 第 卷性；将当前公交站点的可达公交站点数、到达可达公交站点的难易程度及获取各类城市服务的难易程度个因素纳入考虑，计算公交站点效率；采用基于公交站点效率且融合 模型的步移动搜索法计算居民的公交站点可达性；求得街道居民的公交站点可达性，分析街道居民的公交站点可达性的空间均衡性；利用耦合协调度模型获得居民的公交站点可达性与公交网络的协调状况。利用 ，与 进行数据处理和可视化结果分析（为方便描述，下文将公交站点简称为站点）。图总体技术框架 居民的公交站点可达性分析方法通过站点来获取其他城市设施服务的难易程度，可以用站点效率来呈现，是城市公交系统设计的主要依据。站点效率越高，居民选择该站点的概率就越大。借鉴程雪萍的思路，文中设高峰时段公交匀速为 （由公交全线路程除以高德地图显示的起点站至终点站所耗时间，考虑公交到站停靠时间），行程时间规定为路程除以匀速所得的值，步行时间阈值设为 ，基于公交的行程时间阈值设为，构建了基于站点效率且融合 模型的步移动搜索法。站点效率文中将通过某公交站点乘坐公交车，在不换乘的情况下可以到达的各类公共设施的供给能力的总和作为站点效率。计算步骤如下：）计算站点通过步行能获取的第类服务设施的供给能力：（）.（）式中：为站点在行程时间阈值内步行可到达的所有设施点集合中的一个；为设施的供给能力；（）为站点到设施点的距离衰减函数，与步行时间 相关，采用高斯函数，即（），。将站点的能获取的第类服务设施供给能力进行归一化：（），（）归一化后，的取值范围为，。）计算站点能够获取的各类设施的供给能力总和：.（）式中：为不同类型服务设施权重（假设各类服务设施具有相同权重，则）。）计算公交站点效率。以当前站点为起点，搜索在行程时间阈值内通过公交系统可到达的其他站点，并将这些站点的供给能力总和进行累加。考虑到行程时间的影响，加入了时间阻抗函数作为各站点供给能力的权重，如式（）。（）.（）式中：为站点在行程时间阈值内可到达的其他站点的集合中的一个；（）为距离阻抗函数，与通过公交系统从站点到达站点的行程时间 呈负相关，此处采用高斯函数，即（），；为站点的可到达站点的供给能力。由此，获得的站点效率值越高，从站点出发获取其他城市设施服务就越容易，站点服务水平也越高。基于站点效率且融合 模型的步移动搜索法考虑站点效率的步移动搜索法，主要通过以下步骤对城市居民的站点可达性进行评估。）对每一个居民点建立搜索区域，求居民点对搜索区域内每一个站点的选择概率：（）（）（）（）（）（）.（）式中：与分别为搜索区域内的站点与的第期黄兰兰，等：城市公交可达性与网络空间结构关系分析 以焦作市为例站点效率；（）与（）分别为居民点到站点与的步行距离衰减函数，与步行时间 和 相关。采用高斯函数，即（），（），。）对每一个公交站点建立搜索区域，求站点处的供需比：（）.（）式中：为站点处的供给量，即途经站点的公交线路数；为搜索区域内的居民点；为居民点对站点的选择概率；为居民点的人口数量；（）为居民点到站点的考虑步行时间的距离衰减 函 数。采 用 高 斯 函 数，即（），。）对每一个居民点的搜索区域内所有站点的供需比加权求和，得出居民点的站点可达性：（）（）（）.（）式中：为搜索区域内的站点；（）为居民点到站点的考虑步行时间 的距离衰减函数，采用高斯函数，即（），。公交网络分析方法首先，利用空间模型，以乡镇、街道为空间单元组织焦作公交网络；其次，求得焦作公交网络节点的度中心性、中介中心性、接近中心性，对节点重要性进行分析。空间模型考虑站点间的关系，若公共交通网络中任意两个站点有直达线路连接，则二者有连边，空间模型下网络节点的度表示从该站点无需换乘公交线路即可到达的站点数。度中心性为与节点直接相连的点数，节点的度越大其度中心性越高，节点在网络中越重要。节点的标准化度中心度算式为：（）（）（）.（）式中：（）为节点的邻居数；为节点总数。中介中心度：指一个节点担任其它两个节点间最短路径桥梁的次数。节点的标准化中介中心度算式为：（）（）（），.（）式中：（）为节点与间经过节点的最短路径的条数；为节点数。接近中心度：反映网络某一节点与其他节点间的接近程度，需考量每个节点到其它节点最短路径的平均长度。节点的标准化接近中心度算式为：（）（）.（）式中：为节点与间的最短距离，为节点数。可达性与公交网络结构间关系分析方法根据耦合协调度模型计算焦作街道居民的站点可达性与公交空间网络节点（街道）中心性的耦合协调度，分析焦作公交站点可达性与空间网络结构的关系。构建耦合协调度模型是对某个事物的协调发展水平进行量化评价的一种常用方法，涉及耦合度值、协调指数值、耦合协调度值个指标值的计算。耦合度指两个或两个以上系统之间的相互作用影响，可以反映系统之间的相互依赖相互制约程度，取值范围为，该值越大说明系统间的相互作用越大，其算式为：（）.（）式中：为焦作公交网络的节点（街道）中心性值；为焦作街道居民的站点可达性值。协调指数取值范围为，该值越大说明系统间的耦合相互作用关系中良性耦合度越高，其算式为：，.（）式中：、为待定系数，文中设 。最终结合耦合协调度和协调等级划分标准，得出各街道中心性与居民的站点可达性的耦合协调程度，耦合协调度取值范围为，该值越大说明系统间协调程度越高，其算式为：.（）数据处理与结果分析采用基于公交站点效率且融合 模型的步移动搜索法计算焦作居民的公交站点可达性，分析可达性值空间分布的均衡性，进一步分析居民的公交站点可达性与公交网络的协调状况。实验结果如下。城市居民的公交站点可达性分析焦作公交站点的办公、居住、商业、教育、医疗及综合设施可达性如图所示，类服务设施的可达性与综合设施可达性空间分布基本一致。中心城区（解放区、山阳区）的类服务设施与综合设施相对可达性较高的站点明显多于其他地区。归一化前站点教育设施可达性均值为 ，显著高于居住、商业、医疗、办公设施，显然，居民通过焦作公交系统获取教育设施服务更容易（见表）。测绘工程 第 卷图站点的办公、居住、商业、教育、医疗及综合设施可达性表站点处的设施可达性统计办公居住商业教育医疗归一化后均值 方差 归一化前均值 方差 图展示了站点效率的空间分布，可以看出焦作公交站点效率普遍较低（均值 ），反映出焦作居民通过公交系统可到达的其他城市服务设施（办公、居住、商业、教育、医疗）较少。仅百分之一位于主城区的公交站点效率处于中上水平，这些站点到达其他各类城市服务设施更容易。图展示了基于站点效率且融合 模型的步移动搜索法计算获得的焦作居民的站点可达性的空间分布。如图所示，大多居民点的站点可达性水平较低，仅主城区（解放区、山阳区）与修武县的部分居民点的站点可达性水平较高，焦作居民点的站点可达性在空间分配上不均衡。第期黄兰兰，等：城市公交可达性与网络空间结构关系分析 以焦作市为例图公交站点效率图焦作不同地区居民的站点可达性利用基于站点效率且融合 模型的步移动搜索法求得的可达性值，求得焦作街道内所有居民点的站点可达性的平均值，以该平均值代表街道居民的站点可达性，图展示了焦作街道居民的站点可达性的空间分布。焦南街道、民生街道、焦北街道等个位于市中心的乡镇街道虽然居民多但同时拥有较多公交站，故其居民的站点可达性较高，七贤镇、城伯镇、城关镇等个乡镇街道虽然公交站较少但因其居民较少，故其居民的站点可达性也较高；在工作日的晚高峰时段，办公区域、学校、商业区常伴随大量人流的涌动，这些区域的站点可达性高，交通供给是贴合居民出行需求的。其余乡镇街道的居民的站点可达性较低，其中，詹店镇、西乡镇等 个偏远地区的乡镇街道虽也有居民活动但并未设有站点或所设站点过少，故其居民的站点可达性为。城市居民的公交站点可达性与公交空间网络结构关系首先利用 空间模型，以乡镇、街道为空间单元组织焦作公交网络（见图）。网络节点即划分的空间单元，用几何中心点代替节点，边为节点间的链接，边从蓝到红色的变化表示权值从低到高。显然，网络边的分布不均匀，中心城区街道间存在更多链接