1、 毕业设计（论文） I 装 订 线 基于 公交 IC 卡 数据的城市轨道交通需求分析 摘要 本课题旨在利用上海市工作日全天的轨道交通 IC 卡刷卡数据，结合包含地理信息的城市轨道交通路网地图，对上海市轨道交通需求进行分析。在数据预处理过程中，利用 ArcGIS 数据导入 TransCAD 软件中，生成进行分析所必需的路线系统和公交网络；对 IC卡数据进行 OD 格式转换和合并出行等处理。在描述性统计分析阶段，除了在 SPSS 软件中利用 IC卡数据对全天总体的出行特征进行分析，还通过分区域、分线路、分站点的对比分析得出轨道交通出行的在出行频率、出行时间、出行时长和出行距 离等各方面的特征。在客
2、流路网分配阶段，通过结合在 TransCAD路网上生成的路线系统和公交网络 ， 利用 TransCAD 软件画出全天客流主要的 OD 期望线来分析轨道交通需求的主要 OD 对情况。最后， 分别采用最短路径模型 和最优策略模型对客流进行分配，得到客流在路网中可能出现的分配情况 。本课题研究的目的是为了得到对上海市城市轨道交通需求特征的全面把握，找出在轨道交通需求中存在的特点，以便对未来的分析和研究提供思路和切入点。 关键词 ：城市轨道交通， IC卡数据，需求分析，客流分配 毕业设计（论文） II 装 订 线 Demand Analysis of Urban Metro System Based
3、on Transit Smart Card Data ABSTRACT This study aims to analyze demands of metro systems by using smart card data integrated with the geographical metro maps. The smart card data was collected in Shanghai for a whole weekday. In the process of data pretreatment, geographical information in ArcGIS are
4、 imported to TransCAD to form the route system and the transit network which will be indispensable in the latter analysis. The smart card data will be converted into OD format and two records of the same trip will be merged. In descriptive statistical analysis, the smart card data will be used to an
5、alyze general features of travel patterns of metro passengers in the whole day through SPSS. Besides, features like frequency, time, duration and distance will be drawn from the comparative analysis among areas, lines and stops. In order to get a deeper understanding of the characteristics of metro
6、demands, desire lines of OD pairs will be drawn on the map to show the critical origins and destinations. At last, two different methods will be used in transit assignment, that is, shortest path model and optimal strategies model, combined with the base map formed. The goal of this study is to achi
7、eve an overall understanding of demands of Shanghai Metro System and find out its characteristics. In the future, further analysis and study can be conducted based on these findings. Key words: urban metro system, transit smart card data, demand analysis, transit assignment 毕业设计（论文） III 装 订 线 目 录 1
8、引言 . 1 2 课题背景 . 2 2.1 轨道交通需求分析常用的方法 . 2 2.2 文献综述 . 2 2.2.1 轨道交通 IC卡数据采集与处理方法研究 . 2 2.2.2 轨道交通路网客流分配模型与算法研究 . 2 2.2.3 轨道交通线路及站点客流需求分析研究 . 4 2.2.4 轨道交通出行者时空特征 分析 . 4 2.3 数据来源 . 4 2.3.1 路网原始数据 . 4 2.3.2 公交 IC卡原始数据 . 6 本章小结 . 7 3 技术路线 . 8 3.1 研究步骤 . 8 3.2 研究流程图 . 9 本章小结 . 9 4 数据准备 .10 4.1 轨道交通路网数据采集与输入
9、.10 4.1.1 补全路网空缺站点信息 .10 4.1.2 修正错误路网 数据 .10 4.1.3 添加站间时间间隔信息 .12 4.1.4 添加换乘通道 .13 4.2 路线系统及公交网络的生成 .13 4.2.1 路网系统的生成 .13 4.2.2 公交网络的生成 .15 4.3 轨道交通 IC卡数据整理 .18 4.3.1 剔除奇数次刷卡记录数 ID .18 4.3.2 转化为 OD 数据格式 .20 4.3.3 剔除不合理 OD 记录 .20 4.3.4 合并出行 .20 本章小结 .22 5 描述性统计与分 析 .23 5.1 地铁出行频率分布 .23 5.2 入站时间分布 .24
10、 5.2.1 分区域 入站时间分布 .25 5.2.2 分线路 入站时间分布 .25 5.2.3 分站点 入站时间分布 .26 5.3 出行时长分布 .27 5.3.1 分区域 出行时长分布 .28 5.3.2 分线路 出行时长分布 .29 5.4 出行距离分布 .30 5.4.1 空间直线距离分布 .30 5.4.2 行程距离分布 .31 5.4.3 乘坐站数分布 .32 毕业设计（论文） IV 装 订 线 5.5 入站人数分布 .33 5.5.1 总分布 .34 5.5.2 分时段入站人数分布 .36 本章 小结 .39 6 轨道交通路网客流分配与分析 .41 6.1 OD 期望线分析 .
11、41 6.1.1 全天 OD 期望线分析 .41 6.1.2 高峰小时 OD 期望线分析 .42 6.2 路网客流分配 .44 6.2.1 全天客流路网分配 .46 6.2.2 高峰小时客流路网分配 .47 6.3 换乘需求分析 .48 6.3.1 换乘频率分析 .49 6.3.2 站点换乘需求分析 .50 本章小结 .50 7 结论和展望 .52 7.1 结论 .52 7.1.1 描述性统计与分析的结论 .52 7.1.2 客流路网分配与分析的结论 .52 7.2 展望 .52 参考文献 .54 致辞 .55 毕业设计（论文） 共 55 页 第 1 页 装 订 线 1 引言 城市轨道交通 具
12、有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点。世界各国普遍认识到，解决城市的交通问题的根本出路在于优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。上海的轨道交通系统已经开通线路 14 条，全网运营线路总长 548 公里，车站 337 座（截止到 2014 年底），是世界上运营线路最长的城市轨道交通系统。 根据上海市 第五 次 居民 出行调查结果 ， 上海市 轨道交通 出行 分担率 为 8.3%1。分析 轨道交通系统的需求对于了解整个城市的交通需求时空分布规律，制定 合理的 城市综合交通发展和交通管理政策 以及改善系统项目的网络化运营 有着重要的意义。 与此同时，随着信息技术的飞速发
13、展，公交 IC 卡在国内许多城市推广使用，不仅方便了广大乘客，也提供了一种新的客流调查统计手段。 IC卡信息量大，数据全面，技术简单成熟，但目前其作用未得到充分开发。公交 IC信息采集分析方法是运用计算机程序，对公交 IC信息数据库进行数据挖掘，直接得到城市公交出行信息。与人工调查 相比，这种方法省去了设计调查方案、发放调查表格、回收及录入调查数据等采集数据的环节，公交 IC 卡数据采集时在乘客上车或下车刷卡的同时完成的。公交 IC 信息采集分析的过程受到人为影响因素很小，所采集的数据真实可靠，可准确反映城市轨道交通出行的时间空间分布特征。 本课题拟采用上海公交 IC 卡的刷卡记录数据，分析上
14、海市民的轨道交通出行的特征，包括出行的时间分布和空间分布。而后，利用计算机技术，采集和输入轨道交通的路网数据并实施客流路网分配，分析乘客的换乘频率。 本文余下 部分组织结构如下。 第二 部分 介绍 此研究进行的背景， 包括 目前 轨道 交通 需求分析常用的方法、 相关 研究的文献综述 和研究 使用的数据来源。 第三部分介绍本 课题研究 的研究思路和 技术路线， 并 给出了 整个研究过程的 明确的流程 和步骤 。第四 部分描述 了数据预处理的过程，为 后续的分析研究进行了数据准备。第五 部分展示 了描述性统计的 结果 ， 并 对 相关 结果进行了分析 从而得出 了相应的结论。第六 部分描述 了根
15、据 IC 卡刷卡 数据 将 乘客在路网进行分配的 过程 ，根据客流分配的 结果 ，我们得出与换乘相关的 结论 。第七 部分 是全文的总结以及 从研究 结果中得出的 对 现实情况的一些改善建议。 毕业设计（论文） 共 55 页 第 2 页 装 订 线 2 课题背景 2.1 轨道交通需求分析 常用的 方法 一般地，城市轨道交通客流需求分析是以城市社会经济、人口、土地使用、交通等现状和规划资料为依据，利用交通模型、规划软件、计算机仿真等技术手段，预测目标年限城市轨道交通线网的相关客流指标。其中最核心的思想就是交通规划中的“四阶段”模型。对于每一阶段，国内外的许多专家都进行过大量的研究和论证。 但是随
16、着公交 IC 卡的推广使用，一种截然不同的轨道交通需求分析方法正备受关注。那就是基于 IC卡数据的需求分析方法。与传统的需求分析方法不同，基于 IC卡数据的城市轨道交通需求分析方法依赖于大数据的采集和挖掘。 IC卡的 普及为研究提供了海量数据，在此基础上，研究如何应用模型和算法来分析乘客的需求特征从而得出相关结论正是本课题的主要内容之一。 2.2 文献综述 随着公交 IC卡近几年在轨道交通上大力推广使用，通过公交 IC卡数据获得轨道交通基础数据的研究课题随之出现，对公交 IC 卡信息的分析挖掘也有所进展，但很多问题也有待进一步深入研究。 2.2.1 轨道交通 IC卡数据采集与处理方法研究 东南
17、大学戴霄 2（ 2006）在硕士学位论文基于公交 IC信息的公交数据分析方法研究中，对公交 IC 数据及其他相关数据的采集方法和数据结构做了分析和总结，详细研 究分析了公交 IC数据中各字段的实际意义，以及公交 IC 数据结构。鼎汉沪通工程咨询（上海）有限公司的周崇华 3（ 2007）在基于 IC卡数据的地铁 OD 信息处理中提出了基于地铁 IC卡数据计算动态 OD信息的 OD 矩阵、 O 点主流向和关键 OD 对三个基本问题，并以深圳地铁为例，利用 IC卡数据计算了深圳地铁 OD 矩阵、 O 点主流向和关键 OD 对，提高了利用地铁 IC卡数据获取动态 OD 信息的可用性，为满足地铁客流量动
18、态信息的获取奠定了基础。北京交通大学吴美娥 4（ 2010）在其硕士学位论文对公交 IC 卡数据处理分析应用的探索 中对各种公交信息数据采集方法进行了对比，得出公交 IC 卡数据采集方法简单方便，且数据信息量大、全面，容易获取，成本较低，是未来公交信息采集应用的重要方法。此文中详细介绍了公交 IC卡的系统组成、信息采集流程、数据结构等，并给出公交 IC卡数据库的建立和数据处理的方法，为进一步的公交 IC卡数据挖掘打下基础。 2.2.2 轨道交通路网客流分配模型与算法研究 北京交通大学的四兵锋，毛保华，刘智丽 5（ 2007）在无缝换乘条件下城市轨道交通网络客流分配模型及算法一文中，结合国内城市
19、轨道交通无缝换乘的运营特点，充分考虑了 影响城市轨道交通网络客流分配的主要因素，包括出行时间和换乘次数，以及城市轨道交通网络运营的特有属性，构造城市轨道交通网络的广义费用函数，并分析乘客在城市轨道交通网络中的路径选毕业设计（论文） 共 55 页 第 3 页 装 订 线 择行为。在此基础上，基于随机用户平衡原则提出城市轨道交通网络客流分配问题的数学优化模型，在模型求解过程中，分析目前常用的有效路径搜索方法并设计了基于图的深度优化搜索算法，得出符合现实的有效路径集合，并给出了求解配流模型的连续平均算法。最后通过北京市轨道交通网络的数据对模型和算法进行了验证。 同济大学徐瑞华，罗钦，高鹏 6（ 20
20、09）在 基于多路径的城市轨道交通网络客流分布模型及算法研究 中，结合城市轨道交通系统的基本特性，提出一种考虑乘客多路径出行选择的客流概率分布模型，并设计基于深度优先的路径搜索算法。该模型既体现了乘客出行阻抗最最小化的选择心理，又反映了路径多样化的实际情况。 北京交通发展研究中心交通模型部部长刘剑锋 7（ 2010）在期刊论文基于 IC卡数据的城市轨道交通网络配流模型研究中以轨道交通 IC卡数据为基础，得到轨道交通全网站间 OD 矩阵后，综合考虑行程时间、换乘次数、换乘时间等定量因素和其他影响路径选择的定性因素，提出了 一种基于深度搜索优先和分支定界思想的有效路径搜索算法，并应用 Logit
21、模型对城市轨道交通网络的客流分配问题 进行了理论建模，通过实际调查数据标定了模型中未知参数。论文的最后也 通过北京市轨道交通网络实际调查数据的案例分析，对模型和算法的有效性进行了验证。 刘剑锋8(2012)在其博士学位论文基于换乘的城市轨道交通网络流量分配建模及其实证研究中，对之前的研究进行了补充和改进：构建了基于乘客类别的城市轨道交通网络流量分配模型，针对模型中考虑乘客类型因素导致的计算复杂程度提高，设计了基于区间的随机网络流量分配算 法；在考虑了乘客在城市轨道交通网络中选择路径的车内拥挤费用后，提出了描述车内拥挤程度的非线性路径广义费用，构建了基于 Probit 模型的随机用户平均客流分配
22、模型；最后针对北京市轨道交通网络，利用自创模型及算法，基于利用 Fratar 模型的推算站间 OD 矩阵的方法，设计并开发了城市轨道交通客流分析系统。 长安大学刘新华 9（ 2013）在其博士学位论文基于时刻表的地铁动态配流模型研究一文中，通过对城市地铁乘客出行特征的调查分析，得到影响乘客路径选择的主要因素以及相关规律，对乘客属性与路径选择行为之间的相关性进行 了统计分析，基于调查数据确定了乘客分类模式，特别是提出了基于乘客属性的地铁配流模型及算法，并对算法进行了实证研究。同时，此文在考虑到地铁需求的动态属性后，给出了基于时刻表的地铁时空扩展网络的概念和构建方法，在此基础上，建立了基于时刻表的
23、地铁客流动态分配模型及算法，并利用北京地铁网络运营客流数据对模型及算法的可行性和有效性进行了验证。 上海市城市综合交通规划研究所工程师张天然 10（ 2010）在其文章城市轨道交通客流最优策略分配模型的改进中提出，城市轨道交通客流分配属于公交客流分配中的一种特殊情况，借鉴 公交超级网络分配模型可以解决城市轨道交通客流分配问题。但论文中指出最优策略分配模型在策略寻找和流量分配两个环节上存在缺点，并应用 Logit 模型改进了最优策略分配模型的流量分配算法。 山东理工大学的汤瑞 , 张俊友 11（ 2011）等人在基于 transcad 最短路径分配的研究一文中，为解决 TransCAD 软件提供
24、的全有全无分配模型中存在的问题，定义了有效路径及有效交通量，使得在非最短路径的道路上也可以分配交通量。这种改进方法使得分配结果能较为直观地反毕业设计（论文） 共 55 页 第 4 页 装 订 线 映城市交通分配状况，可用于动态交通分配研究和交通仿真分析 。 2.2.3 轨道交通线路及站点客流需求分析研究 西南交通大学周高卫，罗霞 12（ 2012）在城市轨道交通客流需求分析模型及计算机仿真一文中，针对用传统的“四阶段法”进行交通需求分析具有集聚特征显著、系统环境适应性差等问题以及城市交通系统很难进行实体仿真的缺陷，提出了一种基于城市综合交通统筹和TransCAD 仿真的城市轨道交通客流分析模型
25、。该模型基于“四阶段法”基本步骤，尤其在交通方式划分和分配中，结合合理系统结构边界和出行时间价值，对城市轨道交通客流分配进行精细配流。 北京交通大学孙海瑞 13（ 2012） 在其硕士学位论文城市轨道交通线路实时客流推算方法研究中，在对轨道交通系统 IC卡数据进行了分析的基础上，介绍了依据 IC卡记录获取分时段站间 OD 和进站刷卡乘客的上、下行分流比例的方法，结合乘客在通道内的走行时间分布规律，利用概率理论建立了站台实时到达人数计算模型，并由此研究轨道交通线路实时客流推算方法。 2.2.4 轨道 交通出行者时空特征分析 Juanjuan Zhao14等人（ 2014）在 其论文 Understanding Temporal and Spatial Travel Patterns of Individual Passengers by Mining Smart Card Data 中
