交通/网络设计与频率基础

在本节服务规划中，描述了网络和路线设计、站点布局和频率确定的战略决策。在下一节中，介绍了与创建服务时间表（时间表）、创建车辆运行服务的计划（车辆调度）以及创建运营商的工作班次（乘务调度）相关的战术决策。

概述

规划和设计公共交通服务的流程称为“服务规划”。服务规划通常涉及许多活动

1. 网络设计
2. 路线设计和站点布局
3. 频率确定
4. 时间表
5. 车辆调度
6. 乘务调度

这些活动按照时间顺序排列，以及对更高层次活动的依赖性。交通网络的总体设计是最高级别的活动，只有在很少的情况下或在引入新的主要系统（如铁路或快速公交）时才会进行。然后，网络设计会提供路线设计和站点布局的要素，其中将实施路线和站点或车站的更具体的物理设施。一旦路线到位，就可以确定服务频率，并可以构建车辆在路线上的行驶时间表（服务）。一旦创建了时间表，就可以创建路线和整个网络上的车辆计划（即车队的每辆车的车辆循环）。最后，可以生成运营商的工作班次（乘务调度），并将这些运营商分配到工作岗位。

前三个活动，即网络和路线设计以及频率确定，往往更具战略性，交通规划师可能不会经常考虑这些活动。这些决定往往在一定程度上受政治和经济因素的驱动，因此交通规划师可能需要仔细、战略性地思考。本节讨论这些战略问题。

时间表以及车辆和乘务调度被认为是更具战术性的决策，因为这些决策的频率与交通机构考虑审查或更改时间表一样频繁。在许多情况下，这些战术活动得到软件工具的辅助，这些工具可以在短时间内生成高质量的解决方案，通常与规划师进行直接交互。下一节将讨论这些主题。

网络和路线设计

网络设计

有许多不同的方法可以将一组交通路线结构化为一个网络，以向特定区域提供交通服务。这些方法可能包括以下任何组合

• 辐射服务，重点是收集来自郊区的乘客，并将他们带到主要的出行生成点（例如市中心区域、主要就业中心或其他重要目的地）；
• 城镇或网格状路线，重点是连接区域内的乘客，也许是在辐射服务之间或在几个较小的出行生成点之间；以及，
• 直达连接，重点是将乘客从一个主要的出行生成点移动到另一个主要的出行生成点（例如，市中心和高密度住宅区之间，或者主要雇主和市中心之间）。
• 环线，重点是收集和分配较小区域内的乘客。

通常，交通网络是由这些类型的路线的某些组合组成，从而能够以令人满意的程度访问大部分区域，并能够以高度直接的服务访问主要的出行生成点。有时，这可能涉及多种模式的组合。例如，在波士顿，铁路系统是强烈的辐射型系统，而公交系统提供城镇和环线服务。下图显示了这些线路的强烈辐射特性，指向波士顿市中心。

其他系统，特别是公交系统，可以同时包括城镇和辐射服务，从而能够覆盖更广的范围，并能够更直接地访问目的地。一个例子是新泽西交通局在纽瓦克及其周边地区的公交网络，如下图所示。可以清楚地看到辐射路线以及市中心西侧的强大网格状结构。

无论如何，在美国，网络结构通常受到政治和经济现实的强烈影响，公民和政治方面的强烈意见以及严格的预算限制。然而，从交通的角度来看，由此产生的网络可以用几种重要的方式来描述

• 地理覆盖范围，通常受到政治因素以及为低出行能力人口提供出行便利的目标的影响；
• 时间覆盖范围，确定在工作日和周末的哪些时间段提供服务；以及，
• 连接性（直达与间接服务），希望将主要的出行生成点与直达路线连接起来，但可能允许转乘服务来服务需求较低的区域。

这些特征在估计服务的需求中发挥着重要作用。具体而言，分析师可能希望尝试各种网络结构和路线，以便估计每个网络可能支持的需求水平。指定良好的出行需求模型应该能够在预测交通使用量时考虑地理和时间覆盖范围以及出行连接性。

作为一个重要的注意事项，大多数交通机构通常不会从头开始设计网络。大多数机构确实拥有一些现有的路线模式，以及相关的基础设施（站点、终点站、导向系统等），这些基础设施可能会限制某些路线结构，或者至少强烈支持维护一些现有的路线。因此，大多数机构将网络的新元素（新路线和服务）视为对现有服务的补充，并对现有的路线结构进行更温和的调整。但是，在可能引入新的服务模式（例如，在传统上以公交为主的网络中引入铁路系统）的情况下，可以对服务进行更重大的重组，也许将服务扩展到新的地理区域，在现有的服务区域内加强服务，或者通过引导路线连接到新的模式和从新的模式中补充新的模式。

路线设计

结合网络设计，规划师还必须考虑特定的路线及其用途。单个路线的布局通常涉及一些设计权衡，最显著的是

• 站点密度。站点密度涉及乘客接入与路线速度之间的权衡。较高的站点密度意味着乘客无需步行或行驶很远即可到达站点，从而可以更容易地接入交通服务。但是，较高的站点密度也意味着车辆可能频繁停靠，从而降低了整体运营速度。
• 路线长度和绕行程度。路线长度涉及直达服务与服务可靠性之间的权衡。较长的路线使乘客能够到达更多的潜在目的地，因为路线为更大的地理区域提供了直达服务。但是，较长的路线可能会导致时间表执行不佳，因为服务可能更容易受到行驶时间变化和/或服务中断的影响。
• 出行生成点。路线可以服务于主要的出行生成点或次要的出行生成点，或两者兼而有之。通常，路线的终点与主要的出行生成点重合，在这些主要的出行生成点之间发生的乘客流量更高。但是，可能还需要为某些需求适中的地理区域提供服务。

在许多情况下，可以在交通网络中构建一些路线组合，从而在这些区域中的每一个区域中实现某种平衡。常见的路线设计包括以下内容

• 干线：主要旅行走廊上的高频率和/或高容量服务
• 环线（单向或双向）：为低密度区域提供覆盖范围或在活动中心内和活动中心之间循环
• 短途路线：为了补充完整的路线，在路线的较短路段（“短途”）上提供额外的服务
• 分支（或分叉）路线：在路线的末端分支，一些公交车只服务于某些区域
• 支线：连接到/从干线连接到/从低密度区域
• 有限和快速路线：只在主要站点/车站停靠，以改善出行时间，平衡负荷
• 区域服务：仅服务于主要走廊中的某些部分

站点密度和位置

如上所述，停站密度会影响乘客的出行便利性和公交服务的整体速度。考虑到车辆加速和减速所需的时间和距离，当车辆需要停靠许多或所有站点时，较高的停站密度会导致更慢的整体速度。然而，这也为乘客提供了更便捷的出行方式，因为他们只需要步行很短的距离就能到达最近的站点。

一般指南建议在土地利用密度较高的地方（市中心地区、主要活动中心）设置较高的停站密度，而在土地利用密度较低的地方设置较低的停站密度。^[1] 但是，这种指导可能取决于一些因素。如果停车的概率很低，那么增加停站密度可能只会带来适度的成本，即提供额外的停站基础设施。此外，缺乏便捷的停站接入也可能阻碍乘客出行，或者需要其他接入方式的补充，例如用于停车换乘的大型停车场。

设计的第二个领域是确定站点的合适位置。显而易见，站点的最佳位置是尽可能靠近支持性土地利用。因此，对于大型出行生成点，例如高密度工作场所（办公楼、零售区等）和其他场所，最好将站点直接设在这些地点或其附近。在许多其他情况下，将站点设在交叉路口附近可以提高行人到达交叉路口土地利用或附近横街区域的便利性。

在公交运营中，交叉路口的站点包括“近侧”站点和“远侧”站点，分别指的是站点位于公交车驶过交叉路口之前还是之后。然而，由于在交叉路口可能与交通流量发生冲突，有些人可能主张将站点设在交叉路口以外（“路中”位置）。一篇最近的 TCRP 报告中对近侧站点、远侧站点和路中站点的优缺点进行了很好的讨论。^[2] 许多机构对近侧站点或远侧站点制定了具体的政策，但这些政策总体上比路中站点更受欢迎。

频率确定

规划人员可以使用多种方法来确定线路上的合理服务频率。最常用的方法有：^[3]

• 政策班次。许多公交机构会确定满足政策目标的具体班次，通常与在线路需求较低时提供最低服务水平有关。例如，这可能包括 30 分钟或 60 分钟的班次。
• 最小班次。正如公交运营单元中所述，公交和铁路系统有最小班次，基于容量限制。在线路需求非常高的情况下，这些最小班次可以用于分配线路上的最大频率。
• 客流管理。在许多情况下，当政策班次或最小班次不适用时，确定频率的典型方法是基于线路上的高峰时段客流管理。高峰时段是指线路中每小时乘客数量最多的点。设X 为允许的最高需求与供应比率（客流量与容量比率），其值在 0 到 1 之间（当客流量 = 容量时为 1）。那么

${\begin{array}{rl}&{\frac {P}{f\cdot N_{car}\cdot C_{car}}}\leq X{\text{ or, }}f\geq {\frac {P}{X\cdot N_{car}\cdot C_{car}}}\\\\{\text{with}}&P={\text{volume at peak load point (passengers/hr)}}\\&X={\text{maximum allowable volume-to-capacity ratio, }}0\leq X\leq 1\\&N_{car}={\text{number of cars in a train (= 1 for buses)}}\\&C_{car}={\text{number of passengers per car}}\\\end{array}}$

对于一条使用 55 座公交车的线路，高峰时段客流量为 360 人次/小时，允许的客座率为 X = 0.90，则频率必须为

$f\geq {\frac {360{\text{ passengers/hr}}}{0.90\cdot 1\cdot (55{\text{ passengers/bus}})}}={\underline {7.27{\text{ buses/hr}}}}$

这将为规划人员提供这条线路的选项，例如 7.5 辆公交车/小时（8 分钟班次）或 8 辆公交车/小时（7.5 分钟班次），甚至更高的频率。

这些是最常用的确定频率的方法。

从更严格的角度来看，可以证明，如果将运营成本与乘客等待成本结合起来，“最佳”（成本最小化）频率由莫林公式给出：^[4]

${\begin{array}{rl}\ &f={\sqrt {\frac {VOT\cdot p}{2\cdot C\cdot T}}}\\\ &\\{\text{with: }}&VOT={\text{value of passenger waiting time }}(\${\text{ per passenger-hour}})\\&p={\text{total boardings per hour on the route, both directions (passengers per hour)}}\\&C={\text{operating cost per hour per vehicle }}(\${\text{ per vehicle-hour}})\\&T={\text{total round trip travel time along the route (hours)}}\\\end{array}}$

从这个公式中可以看出一个重要的结论：班次频率与乘客总乘车量的平方根成正比。平方根平衡了运营成本（随班次频率线性增长）与乘客等待时间（随班次频率成反比下降）。

如果等待时间价值为15美元/小时，每小时乘客乘车量为750人，运营成本为80美元/车辆小时，往返行程时间为1.75小时，则有

$f={\sqrt {\frac {(\$15/{\text{passenger-hr}})\cdot (750{\text{ passengers/hr}})}{2\cdot (\$80/{\text{veh-hr}})\cdot (1.75{\text{ hr/veh}})}}}={\underline {6.34{\text{ veh/hr}}}}$

假设公交公司更倾向于使用整数发车间隔，可以将其四舍五入到6辆/小时（发车间隔10分钟）或6.67辆/小时（发车间隔9分钟）。

恶性循环/良性循环

当公交运输需求弹性足够高时，莫林公式可能会导致“恶性循环”。为了降低成本（或任何其他原因），当服务减少时，如果需求弹性为正，那么需求也会下降，这意味着乘客减少。如果我们对这个乘客数量应用莫林公式，我们会再次看到需求随着班次频率下降，从而导致乘客进一步减少。这种循环被称为“恶性循环”。另一方面，增加班次频率可以提高需求，从而增加乘客数量。如果我们对这个新的乘客数量应用莫林公式，班次频率将再次增加。这就是所谓的“良性循环”。

示例问题

问题

问题

一家公交公司正在考虑更改一条热门线路的班次频率。目前，这条线路在高峰小时服务1175名乘客，运营频率为每小时10辆公交车。

使用莫林公式，这条线路的“最佳”班次频率是多少？假设每辆公交车每小时的运营成本为66美元，时间价值为每小时11美元，线路往返行程时间为95分钟。

如果高峰小时对班次频率的类似需求弹性为+0.37，估计这个“最佳”班次频率下高峰小时的总乘客数量。

示例

解答

最佳班次频率为

$f={\sqrt {\frac {VOT\cdot p}{2\cdot C\cdot T}}}={\sqrt {\frac {\$11\cdot 1175{\text{ passengers}}}{2\cdot \$66\cdot 95min/60min/hr)}}}=$ 7.86辆公交车/小时，我们可以将其四舍五入到8辆公交车/小时。

在8辆公交车/小时的情况下，班次频率的净变化为-20%，导致客流量的百分比变化为(+0.37)*(-20%) = -7.4%，即(-7.4%)*(1175名乘客) = 87名乘客。因此新的客流量将为1088名乘客。

示例问题

问题

问题

一家公交公司正在考虑减少一条线路的服务，以最大程度地降低成本。目前，这条线路在高峰小时服务1088名乘客，运营频率为每小时8辆公交车。这条线路目前在高峰小时服务1113名乘客，运营频率为每小时8辆公交车。使用莫林公式，这条线路的“最佳”班次频率是多少？该公司使用的每辆公交车每小时运营成本为70美元，时间价值为每小时11美元，线路往返行程时间为95分钟。如果高峰小时的需求弹性为0.35，估计这个最佳班次频率下高峰小时的总乘客数量。

示例

解答

最佳班次频率为

$f_{opt}={\sqrt {\frac {VOT*p}{2CT}}}={\sqrt {\frac {(11)(1113)}{2(70)({\tfrac {95}{60}})}}}=7.43bus/hr$

当公交车频率为 7.43 辆/小时时，频率变化为 -0.257，导致客流量变化为 (+0.35) * (-24.2%) = -9.0%，即 (-9.0%) * (1113 名乘客) = -100 名乘客。新的客流量将为 1013 名乘客。利用此新客流量，我们可以再次迭代该公式，以找到新的最佳频率：$f_{opt}={\sqrt {\frac {VOT*p}{2CT}}}={\sqrt {\frac {(11)(1013)}{2(70)({\tfrac {95}{60}})}}}=7.10bus/hr$

这对应于 16.2 名乘客的客流量损失，这可以再次进行迭代，以找到新的、更低的频率，从而进一步降低客流量。

相关书籍

Avishai Ceder (2007). 公共交通规划与运营：理论、建模与实践. 牛津：巴特沃斯-海涅曼出版社。

Vukan R. Vuchic (2005). 城市交通：运营、规划与经济. 霍博肯：约翰·威利与桑斯出版社。