交通/網路設計與頻率基礎

在本節服務規劃中，描述了網路和路線設計、站點佈局和頻率確定的戰略決策。在下一節中，介紹了與建立服務時間表（時間表）、建立車輛執行服務的計劃（車輛排程）以及建立運營商的工作班次（乘務排程）相關的戰術決策。

概述

規劃和設計公共交通服務的流程稱為“服務規劃”。服務規劃通常涉及許多活動

1. 網路設計
2. 路線設計和站點佈局
3. 頻率確定
4. 時間表
5. 車輛排程
6. 乘務排程

這些活動按照時間順序排列，以及對更高層次活動的依賴性。交通網路的總體設計是最高級別的活動，只有在很少的情況下或在引入新的主要系統（如鐵路或快速公交）時才會進行。然後，網路設計會提供路線設計和站點佈局的要素，其中將實施路線和站點或車站的更具體的物理設施。一旦路線到位，就可以確定服務頻率，並可以構建車輛在路線上的行駛時間表（服務）。一旦建立了時間表，就可以建立路線和整個網路上的車輛計劃（即車隊的每輛車的車輛迴圈）。最後，可以生成運營商的工作班次（乘務排程），並將這些運營商分配到工作崗位。

前三個活動，即網路和路線設計以及頻率確定，往往更具戰略性，交通規劃師可能不會經常考慮這些活動。這些決定往往在一定程度上受政治和經濟因素的驅動，因此交通規劃師可能需要仔細、戰略性地思考。本節討論這些戰略問題。

時間表以及車輛和乘務排程被認為是更具戰術性的決策，因為這些決策的頻率與交通機構考慮審查或更改時間表一樣頻繁。在許多情況下，這些戰術活動得到軟體工具的輔助，這些工具可以在短時間內生成高質量的解決方案，通常與規劃師進行直接互動。下一節將討論這些主題。

網路和路線設計

網路設計

有許多不同的方法可以將一組交通路線結構化為一個網路，以向特定區域提供交通服務。這些方法可能包括以下任何組合

• 輻射服務，重點是收集來自郊區的乘客，並將他們帶到主要的出行生成點（例如市中心區域、主要就業中心或其他重要目的地）；
• 城鎮或網格狀路線，重點是連線區域內的乘客，也許是在輻射服務之間或在幾個較小的出行生成點之間；以及，
• 直達連線，重點是將乘客從一個主要的出行生成點移動到另一個主要的出行生成點（例如，市中心和高密度住宅區之間，或者主要僱主和市中心之間）。
• 環線，重點是收集和分配較小區域內的乘客。

通常，交通網路是由這些型別的路線的某些組合組成，從而能夠以令人滿意的程度訪問大部分割槽域，並能夠以高度直接的服務訪問主要的出行生成點。有時，這可能涉及多種模式的組合。例如，在波士頓，鐵路系統是強烈的輻射型系統，而公交系統提供城鎮和環線服務。下圖顯示了這些線路的強烈輻射特性，指向波士頓市中心。

其他系統，特別是公交系統，可以同時包括城鎮和輻射服務，從而能夠覆蓋更廣的範圍，並能夠更直接地訪問目的地。一個例子是新澤西交通局在紐瓦克及其周邊地區的公交網路，如下圖所示。可以清楚地看到輻射路線以及市中心西側的強大網格狀結構。

無論如何，在美國，網路結構通常受到政治和經濟現實的強烈影響，公民和政治方面的強烈意見以及嚴格的預算限制。然而，從交通的角度來看，由此產生的網路可以用幾種重要的方式來描述

• 地理覆蓋範圍，通常受到政治因素以及為低出行能力人口提供出行便利的目標的影響；
• 時間覆蓋範圍，確定在工作日和週末的哪些時間段提供服務；以及，
• 連線性（直達與間接服務），希望將主要的出行生成點與直達路線連線起來，但可能允許轉乘服務來服務需求較低的區域。

這些特徵在估計服務的需求中發揮著重要作用。具體而言，分析師可能希望嘗試各種網路結構和路線，以便估計每個網路可能支援的需求水平。指定良好的出行需求模型應該能夠在預測交通使用量時考慮地理和時間覆蓋範圍以及出行連線性。

作為一個重要的注意事項，大多數交通機構通常不會從頭開始設計網路。大多數機構確實擁有一些現有的路線模式，以及相關的基礎設施（站點、終點站、導向系統等），這些基礎設施可能會限制某些路線結構，或者至少強烈支援維護一些現有的路線。因此，大多數機構將網路的新元素（新路線和服務）視為對現有服務的補充，並對現有的路線結構進行更溫和的調整。但是，在可能引入新的服務模式（例如，在傳統上以公交為主的網路中引入鐵路系統）的情況下，可以對服務進行更重大的重組，也許將服務擴充套件到新的地理區域，在現有的服務區域內加強服務，或者透過引導路線連線到新的模式和從新的模式中補充新的模式。

路線設計

結合網路設計，規劃師還必須考慮特定的路線及其用途。單個路線的佈局通常涉及一些設計權衡，最顯著的是

• 站點密度。站點密度涉及乘客接入與路線速度之間的權衡。較高的站點密度意味著乘客無需步行或行駛很遠即可到達站點，從而可以更容易地接入交通服務。但是，較高的站點密度也意味著車輛可能頻繁停靠，從而降低了整體運營速度。
• 路線長度和繞行程度。路線長度涉及直達服務與服務可靠性之間的權衡。較長的路線使乘客能夠到達更多的潛在目的地，因為路線為更大的地理區域提供了直達服務。但是，較長的路線可能會導致時間表執行不佳，因為服務可能更容易受到行駛時間變化和/或服務中斷的影響。
• 出行生成點。路線可以服務於主要的出行生成點或次要的出行生成點，或兩者兼而有之。通常，路線的終點與主要的出行生成點重合，在這些主要的出行生成點之間發生的乘客流量更高。但是，可能還需要為某些需求適中的地理區域提供服務。

在許多情況下，可以在交通網路中構建一些路線組合，從而在這些區域中的每一個區域中實現某種平衡。常見的路線設計包括以下內容

• 幹線：主要旅行走廊上的高頻率和/或高容量服務
• 環線（單向或雙向）：為低密度區域提供覆蓋範圍或在活動中心內和活動中心之間迴圈
• 短途路線：為了補充完整的路線，在路線的較短路段（“短途”）上提供額外的服務
• 分支（或分叉）路線：在路線的末端分支，一些公交車只服務於某些區域
• 支線：連線到/從幹線連線到/從低密度區域
• 有限和快速路線：只在主要站點/車站停靠，以改善出行時間，平衡負荷
• 區域服務：僅服務於主要走廊中的某些部分

站點密度和位置

如上所述，停站密度會影響乘客的出行便利性和公交服務的整體速度。考慮到車輛加速和減速所需的時間和距離，當車輛需要停靠許多或所有站點時，較高的停站密度會導致更慢的整體速度。然而，這也為乘客提供了更便捷的出行方式，因為他們只需要步行很短的距離就能到達最近的站點。

一般指南建議在土地利用密度較高的地方（市中心地區、主要活動中心）設定較高的停站密度，而在土地利用密度較低的地方設定較低的停站密度。^[1] 但是，這種指導可能取決於一些因素。如果停車的機率很低，那麼增加停站密度可能只會帶來適度的成本，即提供額外的停站基礎設施。此外，缺乏便捷的停站接入也可能阻礙乘客出行，或者需要其他接入方式的補充，例如用於停車換乘的大型停車場。

設計的第二個領域是確定站點的合適位置。顯而易見，站點的最佳位置是儘可能靠近支援性土地利用。因此，對於大型出行生成點，例如高密度工作場所（辦公樓、零售區等）和其他場所，最好將站點直接設在這些地點或其附近。在許多其他情況下，將站點設在交叉路口附近可以提高行人到達交叉路口土地利用或附近橫街區域的便利性。

在公交運營中，交叉路口的站點包括“近側”站點和“遠側”站點，分別指的是站點位於公交車駛過交叉路口之前還是之後。然而，由於在交叉路口可能與交通流量發生衝突，有些人可能主張將站點設在交叉路口以外（“路中”位置）。一篇最近的 TCRP 報告中對近側站點、遠側站點和路中站點的優缺點進行了很好的討論。^[2] 許多機構對近側站點或遠側站點制定了具體的政策，但這些政策總體上比路中站點更受歡迎。

頻率確定

規劃人員可以使用多種方法來確定線路上的合理服務頻率。最常用的方法有：^[3]

• 政策班次。許多公交機構會確定滿足政策目標的具體班次，通常與線上路需求較低時提供最低服務水平有關。例如，這可能包括 30 分鐘或 60 分鐘的班次。
• 最小班次。正如公交運營單元中所述，公交和鐵路系統有最小班次，基於容量限制。線上路需求非常高的情況下，這些最小班次可以用於分配線路上的最大頻率。
• 客流管理。在許多情況下，當政策班次或最小班次不適用時，確定頻率的典型方法是基於線路上的高峰時段客流管理。高峰時段是指線路中每小時乘客數量最多的點。設X 為允許的最高需求與供應比率（客流量與容量比率），其值在 0 到 1 之間（當客流量 = 容量時為 1）。那麼

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

對於一條使用 55 座公交車的線路，高峰時段客流量為 360 人次/小時，允許的客座率為 X = 0.90，則頻率必須為

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

這將為規劃人員提供這條線路的選項，例如 7.5 輛公交車/小時（8 分鐘班次）或 8 輛公交車/小時（7.5 分鐘班次），甚至更高的頻率。

這些是最常用的確定頻率的方法。

從更嚴格的角度來看，可以證明，如果將運營成本與乘客等待成本結合起來，“最佳”（成本最小化）頻率由莫林公式給出：^[4]

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

從這個公式中可以看出一個重要的結論：班次頻率與乘客總乘車量的平方根成正比。平方根平衡了運營成本（隨班次頻率線性增長）與乘客等待時間（隨班次頻率成反比下降）。

如果等待時間價值為15美元/小時，每小時乘客乘車量為750人，運營成本為80美元/車輛小時，往返行程時間為1.75小時，則有

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

假設公交公司更傾向於使用整數發車間隔，可以將其四捨五入到6輛/小時（發車間隔10分鐘）或6.67輛/小時（發車間隔9分鐘）。

惡性迴圈/良性迴圈

當公交運輸需求彈性足夠高時，莫林公式可能會導致“惡性迴圈”。為了降低成本（或任何其他原因），當服務減少時，如果需求彈性為正，那麼需求也會下降，這意味著乘客減少。如果我們對這個乘客數量應用莫林公式，我們會再次看到需求隨著班次頻率下降，從而導致乘客進一步減少。這種迴圈被稱為“惡性迴圈”。另一方面，增加班次頻率可以提高需求，從而增加乘客數量。如果我們對這個新的乘客數量應用莫林公式，班次頻率將再次增加。這就是所謂的“良性迴圈”。

示例問題

問題

問題

一家公交公司正在考慮更改一條熱門線路的班次頻率。目前，這條線路在高峰小時服務1175名乘客，運營頻率為每小時10輛公交車。

使用莫林公式，這條線路的“最佳”班次頻率是多少？假設每輛公交車每小時的運營成本為66美元，時間價值為每小時11美元，線路往返行程時間為95分鐘。

如果高峰小時對班次頻率的類似需求彈性為+0.37，估計這個“最佳”班次頻率下高峰小時的總乘客數量。

示例

解答

最佳班次頻率為

$f={\sqrt {\frac {VOT\cdot p}{2\cdot C\cdot T}}}={\sqrt {\frac {\$11\cdot 1175{\text{ passengers}}}{2\cdot \$66\cdot 95min/60min/hr)}}}=$ 7.86輛公交車/小時，我們可以將其四捨五入到8輛公交車/小時。

在8輛公交車/小時的情況下，班次頻率的淨變化為-20%，導致客流量的百分比變化為(+0.37)*(-20%) = -7.4%，即(-7.4%)*(1175名乘客) = 87名乘客。因此新的客流量將為1088名乘客。

示例問題

問題

問題

一家公交公司正在考慮減少一條線路的服務，以最大程度地降低成本。目前，這條線路在高峰小時服務1088名乘客，運營頻率為每小時8輛公交車。這條線路目前在高峰小時服務1113名乘客，運營頻率為每小時8輛公交車。使用莫林公式，這條線路的“最佳”班次頻率是多少？該公司使用的每輛公交車每小時運營成本為70美元，時間價值為每小時11美元，線路往返行程時間為95分鐘。如果高峰小時的需求彈性為0.35，估計這個最佳班次頻率下高峰小時的總乘客數量。

示例

解答

最佳班次頻率為

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

當公交車頻率為 7.43 輛/小時時，頻率變化為 -0.257，導致客流量變化為 (+0.35) * (-24.2%) = -9.0%，即 (-9.0%) * (1113 名乘客) = -100 名乘客。新的客流量將為 1013 名乘客。利用此新客流量，我們可以再次迭代該公式，以找到新的最佳頻率：$f_{opt}={\sqrt {\frac {VOT*p}{2CT}}}={\sqrt {\frac {(11)(1013)}{2(70)({\tfrac {95}{60}})}}}=7.10bus/hr$

這對應於 16.2 名乘客的客流量損失，這可以再次進行迭代，以找到新的、更低的頻率，從而進一步降低客流量。

相關書籍

Avishai Ceder (2007). 公共交通規劃與運營：理論、建模與實踐. 牛津：巴特沃斯-海涅曼出版社。

Vukan R. Vuchic (2005). 城市交通：運營、規劃與經濟. 霍博肯：約翰·威利與桑斯出版社。