01 第一章城市公共交通及其规划发展概述

第一章 城市公共交通及其规划发展概述城市公共交通是城市中供公众使用的经济方便的各种客运交通方式的总称，狭义的公共交通是指在规定的线路上，按固定的时刻表，以公开的费率为城市公众提供短途客运服务的系统（Wolfgang，1982）。广义的公共交通是指所有供公众使用的交通方式。本文只对狭义的公交中的常规公交进行讨论。1.1普通城市公共交通的发展及存在的问题城市公共交通最早出现于英国，1829年英国伦敦出现了第一辆马拉式公共马车，至今已有160多年的历史，其间经历了发展、兴旺、衰退和目前的复兴阶段。欧美一些经济发达国家在发展城市交通方面曾走过一段弯路，在本世纪进入60年代后，城市小汽车发展过量，公共交通萎缩，造成城市交通拥挤，道路交通事故增多和城市空气、噪声等污染日趋严重，使城市交通陷入了混乱的状态。因此，日益恶化的城市交通迫使发达国家重新重视城市公共交通的发展。中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，据清华大学交通研究所考察，北京、上海、广州三大城市与伦敦、纽约、巴黎和东京相比，三个城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。由于我国城市的公共交通系统普遍不发达，因此总体的城市交通效率较低。改革开放以来，随着城市建设和经济的发展，中国城市公共交通事业持续发展，20世纪90年代末，公交事业发展速度加快。以北京、上海、广州为例，城市平均每万人拥有公交车数量变化趋势见下图：图 1-1随着经济和城市建设的发展，我国大城市交通状况日益紧张，在一定程度上限制了城市经济的发展和人民生活水平的提高。缓解大城市交通拥挤的基本途径是：加快道路建设、强化交通管理、优化交通结构、提高交通意识。目前，人们对“优化交通结构”的作用认识非常不足，这一局面应当得到改善。我国大城市居民出行交通方式比例平均值如下表：表1-1自行车公交车其他机动车步行55%8%12%25%而在相同服务水平下，不同出行方式的人均占用道路面积比例如下表19：表1-2自行车公交车其他机动车步行3-41120可见，我国大城市交通结构很不合理；从而导致了城市道路利用率低下。必须通过发展公共交通的措施，大力发展道路利用率高的公共交通，提高公交出行比例，适当减少道路利用率较低的自行车和非公交机动车出行，我国城市的道路交通压力才可能得到缓解。西方发达国家交通高度私人化的历程表明，空气污染、噪声污染、资源消耗、交通事故、空间资源占用等都是高度私人机动化所带来的难以解决的问题。几乎所有发达国家的大城市都面临着私人交通的沉重压力，高度私人化对城市交通系统、社会系统和生态环境造成巨大的冲击。近年来,许多发达国家开始不遗余力地倡导发展公共交通，实行了很多有利于公共交通发展的措施，如大力发展公交专用道系统和设施，提倡公交优先等。中国和西方发达国家的差距还很大，短期内不可能达到发达国家的机动化程度。而我们的优势则在于，可以借鉴发达国家交通发展的经验和教训，未雨绸缪，避免走弯路。我国城市空间相对狭小，城市居住人口密度很高，不能像西方发达国家那样发展私人小汽车，如果中国汽车的人均拥有量达到西方国家水平，中国小汽车的总量将比其他国家拥有量的总和还要多，那时的城市交通将寸步难行。公共交通必然是我国大中城市最适合的交通工具。而且，公共交通与其他机动车交通方式相比，人均占用的能源、道路空间资源最少；人均排放的噪音、废气污染最低，符合我国城市建设的可持续发展的战略要求。1995年召开的“中国城市交通发展战略国际研讨会”通过了北京宣言，在中外代表达成共识的五个原则中，第一个原则就是“交通的目的是实现人和物的移动，而不是车辆的移动”。其具体解释是：“应当根据各种交通方式运送人和货的效率来分配道路空间的优先使用权。确切地说，就是为公共交通、自行车和行人提供优先。”公共交通能够体现社会公平性，体现社会的经济合理性，节省道路等交通资源和能源，减少环境污染。大力发展公共交通是解决我国城市交通问题的关键所在，这一点已经得到了广泛的共识。1.2城市公共交通网络设计研究现状1.2.1交通网络设计问题介绍传统的交通规划理论中，在规划方案设计这个关键的环节缺乏定量的模型和规范的方法，而只提出一些定性的方法和原则，用以指导方案设计。就交通网络的设计而言，目前我国普遍所采用的方案设计方法是：在交通分配的基础上，发现现状路网对规划年份预测流量的供求矛盾所在，作为现状路网的改进依据；然后由多个规划者综合考察交通、社会、经济、地形地貌、城市风貌等各方面的因素，根据自己的感性知识和经验各自提出一套方案，从而得到多套方案；然后用数学评价模型对各套方案进行评价分析，选出其中最优的一个作为最终的方案。这样做的缺点是，备选的方案只有很有限的几个，而真正可行的方案有许多个，所以即使所采用的评价模型正确，也只能在这有限的几个方案中选优，而不能全域选优，很难得到真正的最优方案。1973年，Morlok首次提出交通网络设计问题并展开研究以来，在北美和西欧，许多学者如Morlok、LeBlanc、Sheffi、Friesz、Marcotte、Bell等对交通网络的设计问题展开了深入的定量化的研究，提出了描述网络设计的数学模型、和许多相应的算法，形成了交通规划领域中的一个新的研究方向网络设计问题（NDPNetwork Design Problem）。1990年代以来，后来得到了我国一些学者的响应18。20世纪70年代以来，美欧等国一些交通工程学者所进行的基于最优化理论的交通网络设计问题（NDP）的研究，探讨了交通网络设计问题的数学模型及其算法，科学而严谨地解决了这个问题，并且其中一些理论成果已应用到了实际的、公路网络设计中，效果非常好。NDP所研究的问题可分两类：对已有路段改进和添加新路段。前者被称作“连续型网络设计问题”（CNDPContinuous NDP）；后者被称作“离散型网络设计问题”（DNDPDiscrete NDP）。这里的“连续”是指路段通行能力的增加是连续的、渐进的，而离散则是指路段的通行能力的增加是跳跃性的（例如新建道路）。1.2.2城市公共交通网络设计问题分析城市公共交通（客运）规划是指根据城市发展规模、用地布局、和道路网规划，在客流预测的基础上，确定公共交通车辆数、线路网络、换乘枢纽和场站设施用地等，使公共交通客运能力满足客流高峰的需求。交通规划工作由数据调查、交通预测、方案设计和方案评价四个阶段组成；调查、分析和预测都只是发现问题，最终需要通过方案设计解决问题，方案设计是整个交通规划中最重要的一步，也是问题最多的阶段。目前国内许多城市纷纷进行公共交通网络的规划工作，但这些公共交通网络规划的方案设计仍有很大一部分是采用定性的方法，即根据设计者个人的经验和感性认识进行方案设计，很显然这样得到的方案其科学性是难以保证的，在其方案设计阶段采用定量方法就显得非常必要。虽然近30年来，在NDP方面，国际上已出现了许多很有意义的研究成果，有些已经应用于实际的公路网和城市道路网的设计。然而，这些研究都是针对道路交通网络的，公共交通网络与一般道路交通网络相比较而言，有相同点，也有不同点。公共交通网络与一般道路交通网络的相同点在于：（1）两者均为交通运输网络，从拓扑结构上来说均为网状结构，数学描述方式可以相互借鉴。（2）两者网络设计时的优化目标相同，对网络管理者来说都是希望整个网络总出行成本最小即系统最优化；对网络用户来说都是希望自己出行成本最小即个体最优。（3）两者网络设计的方法相同，都不外乎“连续型网络设计问题”或者“离散型网络设计问题”，或者二者兼而有之。只是公交网络设计是扩大线路的容量或者增加新的线路，而道路网络设计是拓宽道路或者修建新的道路。因此，公共交通网络的数学优化模型可以借鉴已有的道路交通网络模型。但二者之间的差异性使得不能照搬套用道路交通网络模型。公共交通网络与一般道路交通网络的区别在于： （1）研究对象不同。道路交通网络是以各种车辆（或转化为PCU的形式）为研究对象；而对于公共交通来说，由于其车辆行驶线路是固定的，在不考虑发车频率变化时，车辆运行可视为常量，故其研究对象应为网络中的每一位乘客，即以乘客为交通元。（2）两种网络的交通阻抗函数不同。对于城市公共交通网络，乘客在途中的阻抗不仅包括乘客乘车或换乘的步行时间、公交车的走行时间等时间性因素，还应该包含乘客在途中的不舒适程度、公交票价折算的阻抗等综合因素。（3）公交网络比道路交通网络更加复杂。公交网络是在道路网络的基础之上，增加公交线路和公交站点后形成的。同一条道路上可能有多条公交线路，同一公交站点也可能停靠多条线路的公交车；在没有公交线路连接的站点之间，必须考虑乘客步行的线路。相比之下，道路网络就简单一些。对于公共交通网络的设计问题，某些方面可以借鉴道路交通网络的设计方法，又不能照搬、套用道路交通系统的设计方法。1.3论文的意义及内容简介本论文旨在对城市公共交通网络的设计问题作进一步的探讨，在借鉴前人的研究成果的基础上，为城市公共交通网络设计提供系统的、科学的理论支持；并进行公共交通网络设计方法的量化和数字化等方面进行研究，编制程序，以提高城市公共交通网络设计方法的规范性和科学性。 本论文共分七章。第二章中建立了公共交通网络的走行时间公式，并介绍了城市公共交通网络最短路径求解的方法。第三章将适用于一般交通网络设计的Wordrop均衡原理应用到公共交通网络的交通分配中，并借鉴道路交通网络的有关模型，提出了适用于公共交通网络的交通均衡分配模型。第四章中介绍了本文中用于求解城市公共交通连续网络设计模型的人工神经网络方法。第五章介绍了公共交通网络设计的技术方法；并在分析了定量网络设计方法的必要性的基础之上，建立了公共交通网络连续网络设计模型，并应用人工神经网络方法进行了求解。第六章将前述均衡分配方法和连续网络设计模型应用于实例。