基于综合交通可达性的城市轨交站点服务范围识别与评价.pdf
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1、TRANSPORT RESEARCHVol.9 No.3收稿日期:2023-05-08基金项目:辽宁省自然科学基金项目(2022-MS-158)作者简介:孙世超(1988),辽宁大连人,博士,副教授,研究方向为交通运输规划与管理等。E-mail:dlmu_基于综合交通可达性的城市轨交站点服务范围识别与评价孙世超,郑勇(大连海事大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116026)摘要:研究综合交通接驳下的轨道交通站点可达性对于优化站点周边的接驳环境、完善城市综合交通运输系统衔接、保证综合交通运输系统一体化发展具有重要意义。为此,融合手机信令数据与高德地图路径规划应用程度接口(Application
2、 Programming Interface,API)数据,以精准识别轨道交通乘客的出行行为为基础,从乘客实际出行需求的角度出发,采用置信椭圆方法识别了轨道交通站点的服务范围。随后,以花费的时间成本为指标,构建了交通可达性模型,对轨道交通站点及线路的综合交通可达性进行了分析,并以大连市轨道交通1号线和2号线为例进行了验证。研究结果表明,轨道交通站点的服务范围近似于一个短半轴平行于轨道交通线路方向、长半轴垂直于轨道交通线路方向的椭圆;轨道交通的接驳方式以步行为主、公交为辅;常规公交可达性在不同轨道交通站点间存在巨大的差异,是造成轨道交通站点可达性差异的主要原因;线路首尾端站点的可达性相对较差。在
3、此基础上,提出了改善措施建议,旨在为轨道交通的发展和综合交通运输网络的衔接和优化提供参考。关键词:城市轨道交通;站点服务范围;综合交通可达性;乘客出行需求;手机信令数据中图分类号:U121文献标识码:A文章编号:2095-9931(2023)03-0089-11Identification and Evaluation of Rail Transit Station Service RangeBased on Comprehensive Transportation AccessibilitySUN Shichao,ZHENG Yong(College of Transportation En
4、gineering,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)Abstract:Studying the accessibility of urban rail transit stations under comprehensive transportation connection is of great significance for optimizing the surrounding transportation connections,improving theconnection of urban comprehensive
5、transportation systems,and ensuring the integrated development ofcomprehensive transportation systems.In this study,mobile signaling data and path planning data from the交通运输研究TRANSPORT RESEARCH第9卷 第3期Vol.9No.3孙世超,郑勇.基于综合交通可达性的城市轨交站点服务范围识别与评价J.交通运输研究,2023,9(3):89-99.SUN S C,ZHENG Y.Identification and
6、 evaluation of rail transit station service range based on comprehensive transportation accessibilityJ.Transport Research,2023,9(3):89-99.DOI:10.16503/ki.2095-9931.2023.03.01089交通运输研究第9卷 第3期2023Gaode map API were integrated to accurately identify the travel behavior of rail transit passengers.From t
7、he perspective of actual travel demand,the confidence ellipse method was used to identify theservice range of rail transit stations.Subsequently,using time cost as the indicator,a transportation accessibility model was constructed to analyze the comprehensive transportation accessibility of rail tra
8、nsit stations and lines,and the model was verified through the case study on Dalian Metro Line 1 andLine 2.The research results show that the service range of rail transit stations is approximately an ellipse with a short axis parallel to the direction of the rail transit line and a long axis perpen
9、dicular to it.Walking is the main mode for rail transit connections,supplemented by buses.The significant differences in accessibility by regular buses among different rail transit stations are the main reason for thedifferences in comprehensive transportation accessibility of rail transit stations.
10、The accessibility of terminal stations is relatively poor.And relevant improvement measures were proposed,providing reference for the development of rail transit and optimization of comprehensive transportation network.Key words:urban rail transit;station service range;comprehensive transportation a
11、ccessibility;passenger travel demand;mobile signaling data0引言国家综合立体交通网规划纲要 中明确提出,政府将深入实施公交优先发展战略,将高效、密集的轨道交通作为城市综合交通运输系统的核心骨架支撑,并结合公共交通、慢行交通等多种交通接驳方式,为出行者提供便捷的“门到门”服务。这一举措将有助于实现城市综合交通运输系统的一体化发展,提高交通运输系统的效率和服务水平,促进城市可持续发展。要实现这一目标,就必须提高轨道交通站点与其他交通方式之间的衔接能力和便利性,最大化利用并发挥轨道交通资源的核心骨架作用。因此,开展轨道交通站点的服务范围识别和
12、综合交通可达性研究具有重要意义。对于轨道交通站点服务范围的识别问题,现有研究大多采用问卷调查的方式收集乘客的出行数据,并利用 Logit 模型1-2、距离衰减函数模型3-4等数学方法计算站点的服务半径,以站点为圆心估算站点的服务范围。然而,由于问卷调查样本量的限制,这些结果无法准确地反映轨道交通乘客的实际出行需求。此外,以固定半径的标准圆形区域来标识轨道交通站点的服务范围也不符合实际情况。另一方面,交通可达性通常指空间中两点之间的阻隔程度,可以表示起讫点之间交通出行的便利程度,而针对城市轨道交通站点的综合交通可达性,则可以表示为乘客在乘坐轨道交通出行过程中的接驳环节所花费的时间成本,反映了乘客
13、使用轨道交通资源的难易程度,是评价轨道交通站点衔接便利性的重要指标。在针对轨道交通站点可达性的研究中,一些学者利用轨道交通站点与周边街道步行网络的连接关系5、轨道交通站点与城区居民之间的出行成本6-9研究站点的可达性水平。还有一些研究则关注站点可达性随步行距离的变化情况10。然而,上述轨道交通站点的可达性分析大多从供给端角度出发,即基于已有的交通网络和交通服务设施进行评估,忽略了乘客的实际出行需求,因此最终的分析结果并不能准确地反映轨道交通站点的可达性以及接驳便利性。近年来,一方面,随着智能手机的普及和通信技术的快速发展,手机信令数据的采集与应用为获取轨道交通乘客的实际出行需求提供了可行性11
14、-12。另一方面,互联网和地理信息技术的发展,使得利用互联网地图的路径规划应用程序接口(Application Programming Interface,API)能够90TRANSPORT RESEARCHVol.9 No.3孙世超,等:基于综合交通可达性的城市轨交站点服务范围识别与评价基于实时路况获取实际的出行时间,为基于出行时间评价交通可达性的研究提供更准确的数据支持13-15。在此背景下,本文将利用手机信令数据获取轨道交通乘客的实际出行需求,并识别轨道交通站点的实际服务范围。同时,结合高德地图API的路径导航数据,获取服务范围内乘客在轨道交通出行前后两端的实际接驳时间。最后,从实际出行
15、需求的角度出发,分析轨道交通站点的综合交通可达性,为城市轨道交通的发展规划与综合交通运输网络协调衔接提供参考。1研究方法1.1研究框架本文基于手机信令数据和高德地图路径规划API数据,从需求端的视角对轨道交通站点的综合交通运输接驳进行研究,具体研究框架见图1。为获得更加符合实际的出行需求,利用手机信令数据获取轨道交通乘客完整的出行轨迹,并根据其出行起点和终点,采用置信椭圆方法计算出轨道交通站点的服务范围。随后,根据识别出的轨道交通站点服务范围,筛选出服务范围内的乘客出行行为,并调用高德路径规划API计算乘客到达或离开轨道交通站点的接驳时间。最后,以乘客实际需求为基础,考虑乘客接驳时间成本,计算
16、每个轨道交通站点服务范围内的综合交通可达性、步行可达性和公交可达性,对站点可达性进行评价并提出相关的措施建议。1.2基于手机信令数据的轨道交通乘客出行OD识别根据无线通信网络的覆盖特性,以及无线通信网络需具备为移动用户提供连续服务的功能,移动用户的手机终端会定期或不定期、主动或被动地与无线通信网络保持联系,即与网络覆盖区域内的信号基站发生联系,这些联系被无线通信网络识别成一系列的控制指令,即手机信令数据。手机信令数据的关键字段包括用户 ID、时间、基站位置区码、基站经纬度信息以及信号强度,具体识别过程如下。1)轨道交通乘客识别轨道交通基站一般位于地下,与普通地面基站不同。当手机信号由地面基站切
17、换至地下基站,且移动超过某个距离阈值,认定从第一个地下基站所属轨道站点为进站口;当手机信号由地下基站切换至地面基站,且地下移动超过某个距离阈值,认定最后一个地下基站所属轨道站点为出站口,以此识别轨道交通乘客以及进出站口。2)轨道交通出行OD识别针对已识别出的轨道交通乘客,提取其手机信令数据,并将其转换为个体的出行轨迹点来进一步分析。在此过程中,根据轨迹点之间的距离和时间进行轨迹点的合并和停留点的识别17。随后,通过遍历停留点判断轨道出行OD的起终点,获取轨道交通完整出行 OD 及进站口和出站口。1.3基于置信椭圆方法的轨道交通站点服务范围识别本文利用手机信令数据获取轨道交通乘客实际的出行起点和
18、终点,并结合轨道交通站点接驳利用手机信令数据获取轨道交通乘客的完整出行OD利用置信椭圆方法识别轨道交通服务范围轨道交通乘客真实出行起点及终点轨道交通站点服务范围识别轨道交通站点服务范围内乘客出行识别出行轨迹分割轨道出站口终点起点轨道进站口调用高德路径规划API计算接驳时耗措施建议站点可达性评价公交可达性步行可达性综合可达性综合交通运输接驳可达性评价利用高德路径规划API获取轨道交通站点服务范围内乘客的接驳时间城市轨道交通乘客完整出行OD轨道交通乘客识别出行轨迹提取手机信令数据图1研究框架91交通运输研究第9卷 第3期2023情况进行聚类分析。通过聚类分析,得到每个轨道交通站点服务的乘客出行特征
19、,包括起点位置、终点位置以及出行量权重。进一步,运用置信椭圆方法,确定轨道交通站点的服务范围,实现对轨道交通站点服务范围内乘客出行行为的筛选。该方法可有效识别轨道交通站点的服务范围,为后续研究提供基础数据支持。置信椭圆代表的是一条二维高斯分布的等值轮廓线,其允许可视化一个2D置信区间,以便对样本数据进行二维空间估计。设一个均值为0的二维高斯分布的协方差矩阵为G,对G进行特征值分解,并进行正交单位化,获得结果如下:G=(12)()1002()T1T2(1)式(1)中:1和2分别为矩阵G的两个特征值;1和2(1,2 R2 1)分别为矩阵G的特征向量。置信椭圆长半轴长a和短半轴长b分别可表示为:a=
20、smax(1,2)(2)b=smin(1,2)(3)式(2)式(3)中:s定义椭圆的规模,大小与选择的置信度有关。本文以95%置信度的置信椭圆识别轨道交通站点服务范围,它所定义的区域包含了总体中95%的样本,见图2。1.4数据融合、计算接驳时耗根据手机信令数据识别出的轨道交通乘客出行起点和终点,以及进出站口信息,使用高德API 进行路径规划,得到准确的接驳时间成本。考虑到大连市自行车出行比例较小,将站点接驳距离小于 1 000 m 的乘客划分为步行接驳人群,将站点接驳距离超过1 000 m的乘客划分为公交接驳人群。具体操作步骤如下。步骤1:根据进出站口信息,将轨道交通乘客的出行轨迹划分为三部分
21、:“出行起点进站口”“进站口出站口”和“出站口出行终点”,并提取出“出行起点进站口”和“出站口出行终点”两段行程。步骤2:使用高德测距API,输入出行起点和进站口(出站口和出行终点)的经纬度,获取“出行起点进站口”(“出站口出行终点”)的步行距离。步骤3:根据步行距离是否超过1 000 m判断此次出行的方式,即步行或公交。步骤4:使用高德路径规划API,输入出行起点和进站口(出站口和出行终点)的经纬度和出行方式,获取出行时间。步骤5:整理并获取每一次接驳的轨道交通站点、出行起点(或终点)以及接驳时间成本。1.5可达性模型本次研究的重点是将乘客轨道交通出行两端的接驳过程纳入研究范围,并基于乘客的
22、实际出行需求构建可达性模型。为了获取轨道交通乘客的完整出行信息,研究采用手机信令数据来描述轨道交通站点服务范围内乘客的接驳出行特征,同时结合加权平均思想对经典的轨道交通站点可达性模型进行优化。以图3所示的站点Sk为例,该站点既是轨道交通的入站站点,又是出站站点。从起点Oi到达该 站 点 的 出 行 量 和 出 行 时 间 分 别 为Pik和Tik(OiSk);从该站点到达终点Dj的出行量和出行时间分别为Pkj和Tkj(SkDj)。据此,轨道交通站点Sk的综合交通可达性可以表示为:图例站点位置乘客接驳需求150人次51200人次201800人次8015000人次图2置信椭圆识别轨道站点服务范围示
23、意92TRANSPORT RESEARCHVol.9 No.3Ak=i=1mPikTik(OiSk)i=1mPik+j=1nPkjTkj(SkDj)j=1nPkj(4)2研究数据2.1研究区域大连市目前拥有五条正式营运的轨道交通线路,分别为1号线、2号线、3号线、12号线和13号线。其中,1号线和2号线贯穿主城区,且两条线路的日均客流量约占轨道交通总客流量的70%(如图4所示)。因此,本研究选取1号线和2号线作为研究对象,这两条线路分别包含 22个和 21个站点,其中两条线路间存在1个换乘站点(如图5所示)。2.2手机信令数据本研究采用的手机信令数据为中国联通运营商提供的2022年5月1日5月
24、15日(15个自然日,包括8个工作日、3个周末以及4个节假日)的原始数据,覆盖了大连市全域范围内出现的所有中国联通用户(包括手机号码归属地不是上述范围的漫游用户),每日数据量达到2亿条。通过手机数据与信号基站的交互,可以定位手机用户附近基站,并结合信号强度测量信息,根据手机信号-距离衰减规律,准确定位手机用户的位置,形成手机用户的轨迹点数据。将手机用户轨迹点数据按时间顺序排列,识别停留点和移动点,提取用户出行链,准确识别轨道交通的出行OD,OD数据关键字段包括轨道交通乘客的出行起点、进站口、出站口以及出行终点。3实例分析3.1轨道交通站点服务范围特征针对大连市轨道交通1号线和2号线共42个站点
25、的服务范围进行了识别和分析,结果见图6。O1O2OmPmkP9kP8kO9O8O7P7kP5kP6kO6O5O4P4kP3kO3P1kP2kSkDnD1D3D4D5D7D6D8D9D10Pk10Pk9Pk8Pk7Pk6Pk5Pk4Pk3SkPk1Pk2D2Pkn(a)轨交站点进站口(b)轨交站点出站口图3轨道交通站点服务范围内的加权可达性模型构建示意图4大连市轨道交通线路日均客流量分布1号线38%其他线路30%2号线32%图5大连市轨道交通1号线及2号线概况孙世超,等:基于综合交通可达性的城市轨交站点服务范围识别与评价93交通运输研究第9卷 第3期2023研究结果表明,轨道交通站点服务范围椭圆
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