大学校园公交的乘客特征分析及优化配车方案

贾天理，田 龙，徐文烁，娄浩然，涂 龙,付俊松

(1.四川大学锦城学院通识教育学院；2. 四川大学锦城学院计算机与软件学院，四川成都 611731)

1 问题描述

四川大学锦城学院坐落于成都市高新西区西源大道1号，校园占地面积近1 600亩，现有在校师生近30 000人.校园内现有学生公寓37栋，教职工住宅5栋，7个食堂和1个杏岛餐厅等，从学校北大门到学生住宿区步行大约需15～20分钟.由于锦城学院离成都市地铁2号线“百草路口站”单程3.7公里，离“火车北站”19公里，而且学校到百草路没有直接的公交车通行，学生只能自己打车去百草路赶地铁2号线.学校旁边的“高新西区公交站”到“火车北站”全程共有35个公交站点，54路公交车运行一个单边需要80分钟，加上学生从宿舍区到高新西区公交站步行20分钟，从锦城学院到“火车北站”用时需要100分钟.每到周末、节假日、春秋季学期放假、集中时间放学，学生携带着行李去市区或者回家，校门口经常被滴滴车、候客三轮车和拎着行李等车的学生堵得水泄不通，师生们深感不便.

根据学生群体出行的特点，成都公交集团创新线路运营模式，开启了两种路线的校园公交车.2018年1月12日开始，在锦城学院学生集中离校的两天，开行了“锦城学院-火车北站”的校园专属直达公交车，第一天的12∶00～18∶00，第二天的8∶00～18∶00到锦城学院接送学生去“火车北站”，每小时开行一班.学生根据自己的情况到校园公交站点乘车，60分钟就可到达“火车北站西广场站”.2018年11月16日开始，又正式开行了“锦城学院-地铁百草路站”的校园公交车，每周五、周六、周日，寒暑假放假、返校高峰期安排滚动发车，配备3台车循环，每周周五的15∶30～18∶30发车，周六的10∶00～12∶00发车，15分钟发车一班，接驳地铁2号线百草路口站，有效缓解了西源大道因锦城学院学生集中放学造成的路段拥堵问题.校园公交车运营一年多来，方便了广大师生出行，得到师生和社会人士的众多点赞.

现在，随着乘坐校园公交车的人数不断增多，有时候学生需要排队很长时间候车，有时候需要拧着行李从宿舍区走很长的一段路去乘坐校园公交，仍存在不足.因此，本文以四川大学锦城学院为例，调研校园公交车“锦城学院-百草路地铁站”线路的运行情况，分析校园学生的出行情况和乘客特征，研究校园公交车优化配置方案，希望进一步解决大学校园学生乘客的出行难题.

2 校园乘客的特征分析

2.1 校园乘客特点

2.1.1 人员流动量较大 四川大学锦城学院在校师生约30000人，还有校外培训人员、校外考试人员、来访的游客和家长等流动人员，相对的人员流动量较大.

2.1.2 乘车地点相对集中 学生作为校园乘客的主体，他们多选择在宿舍门口或食堂门口等地方乘车，这样乘车地点就比较集中.

2.1.3 节假日时期人员密集 大学生是按照校方规定的时间上课下课、放学放假，容易导致高峰时期乘车人数过多、校园公交车供不应求.对于校园公交而言，应与校园公众号合作，增加公交车实时定位，避免出现乘客等待时间过长的问题.

2.2 校园公交安全要求与乘客体验

2.2.1 校园公交对车辆安全性要求高 学生的出行安全性是高校最为重视的，乘车过程中需要用寓教于乐的方式向学生和乘客介绍乘车注意事项、公交车的“盲区”和应急逃生等知识.

2.2.2 重视乘客心理感受和体验 大学生在乘坐校园公交车的过程中，他们特别重视自己乘车的心理感受、体验等，校园公交车作为一种代步工具，为乘客提供更快捷更方便的乘车体验，提供更优质的服务是校园公交需要认真对待、努力做好的.

3 研究目的和基本思路

3.1 研究目的

通过分析四川大学锦城学院校园公交的乘客特征，运用NW小世界网络模型分析法和Matlab程序算法，研究校园公交车优化配置方案，从而提出大学校园公交系统的规划与建议，为校园乘客提供安全、方便、舒适的出行服务.

3.2 基本思路

3.2.1 引导学生研究数学应用问题的求解 校内公交车在高等学校出现是一种新现象，通过数学建模的方法，探索校园公交车优化配置问题是一次新尝试，是培养学生“理解→建模→问题解决”能力的一次新尝试.解决数学建模问题，需要学生应用数学知识，将自己理解的问题以一种直观的形式表示出来，其关键是通过必要的计算将复杂的实际问题数学化，建立起适当的数字化关系.

3.2.2 实测各学生宿舍区到校园公交站点的距离 用数学方法寻找乘坐校园公交车最短的步行路径方法有多种.我们采用对校园公交站点的地理位置和可能到达该位置的距离进行C语言测量的方法，用C语言的rand函数来产生随机数，并且限制随机数的范围以产生多个数据代表校园内活动的师生可能所在的位置，即利用随机函数在整个校园范围内随机地取多个活动位置，再用相关关系分析、量化与实际测量取样数据之间的数理关系，以完成实际距离数据的取样.

图1 学院局部示意图Fig.1 Schematic Diagram of Partial Division of the College

3.2.3数据收集，将目标数字化 先收集原始数据，得到校园公交拥堵时间、拥堵里程、拥堵程度等数据.对不同宿舍区的学生出行模式的选择及权重进行聚类分析，科学计算，由此计算出满足学生需求的校园公交车理论配置数量.

4 问题求解

4.1 样本路段拥堵情况分析

我们选取校园的3个样本路段来分析拥堵情况：约定，路段1是四食堂到校园公交车停靠点的一段路；路段2是学生宿舍A区到校园公交车停靠点的一段路；路段3是学生宿舍E区到校园公交车停靠点的一段路.

进行实际考察计算，我们得到走过3个样本路段的平均用时、经过的平均人数、路段长度等指标.如表1

表1 样本路段的实际考察情况Tab.1 Actual Investigation of the Sample Section

再使用符号表示：Ai表示第i条拥堵路段；

Bij表示第i条路段在第j个区域的拥堵概率；

Cik表示第i条路段在第k个区域的拥堵概率；

Dik表示第i条路段在k个区域的拥堵路程.

由表3可以看出，路段2最拥堵，其拥堵概率在11%以上，意味着每100米的路段，可能有10米左右学生人数特别多非常拥挤.

4.2 NW小世界网络模型分析

对于校园公交车车优化配置问题，采用复杂网络模型对于校园公交的行车路线和公交车的循环发车数量等相关指标及变化情况进行模拟，由此来建立优化方案.我们选择NW小世界网络模型作为分析问题的网络模型.NW小世界网络模型是Newman和Watts提出的网络模型，该模型用“随机化加边”来构造“随机化重连”.而我们的真实大学校园，一般为小世界网络模型.

我们选取校园每一个岔路口作为一个节点，设置节点总数为20个；以开行的“锦城学院-百草路地铁站”校园公交运行为例，再把表1中的经过样本路段平均用时、经过样本路段的平均人数、样本路段长度几个因素考虑进来，生成一个NW小世界网络.这种网络模型意味着一些彼此并不相识的学生, 他们同时生活、学习在一个“高集聚性、小平均距离”的校园里，他们可以通过出行乘车的方式在校园公交站点被联系在一起,这就是校园小世界现象.

在Matlab程序里：

(1)输入最近邻耦合网络中节点的总数N=20；

(2)输入最近邻耦合网络中每个节点的邻近节点的个数的一半K=3；

(3)输入随机化加边的概率p=0.5.

通过Matlab程序计算(运算程序略)，我们发现，校园开通了3辆循环公交车后，拥堵概率变小的情况.如表4

表4 拥堵概率变化情况及排序Tab.4 Variation and Ordering of the Congestion probability

从表4看出，在校园公交车开通后，3个路段的相关拥堵概率都明显下降，下降最明显的是路程2，其降幅达到了8%.拥堵概率下降预示着校园公交提高了学生出行的方便性，意味着小世界网络模型的状态和结构的变化.

再通过变小的拥堵概率与大学校园学生出行历史资料进行相关性对比分析,我们会得到多种基于小世界网络的统计预测选项，选择其历史资料与统计预测选项相关性最强的项,然后依据修正后的校园2018-2019年的师生数量数据，通过NW小世界模型预测，可以得到2020-2025年的大学师生总数，按照师生总数的一定比例，就能确定校园公交车应该配置的数量.这样，在校园公交车优化配置的数量上，就可以做到随师生规模和出行人数的变化而改变配车数量，精准配置循环公交车台数，以方便师生们的出行.在特殊时期，如开学报到、春秋季学期放假、毕业典礼、学校运动会等，均可以临时增设特殊的校园公交车辆.

5 校园交通系统规划与建议

5.1 交通规划是“城市型”大学的新课题

大学校园交通系统规划的目的是为了方便广大师生出行.随着大学校园面积的扩大、在校人数的持续增加、高校人均汽车保有量攀升、我国“城市型”大学更快发展等，校园交通系统的范畴进一步扩展,已从传统的新建大学校园交通逐步拓展到外部交通,并且与城市交通关联发展.在这种的情况下,如何规划高效、便捷的校园交通系统，日益成为我国大学校园规划和管理研究的新课题.大学校园交通系统规划主要集中在对校园停车系统、车行系统、公交系统、自行车系统、步行系统和乘客体验六个方面的规划设计策略.

5.2 校园交通系统规划的建议

5.2.1 停车系统规划要体现便捷性 停车地点规划要依托当前的技术水平、管理手段和智能科技的发展趋势，联系与生活区、教学区、科硏区之间的日常通勤，保证师生员工能够方便快捷地到达办公区、教学区和科研中心区.

5.2.2 车行系统规划要体现高效性 车行系统规划要通过各种交通方式的警示标志、标示线、交通岛和信号灯等方式来引导车流和行人各行其道，使校园内部机动车交通、非机动交通和公共交通相互协调，以降低人员密集区的安全隐患；要结合大学校园文化环境，从校园公交与城市交通接轨、校园主干道的路线和站点设计、校园次干道的自行车路线和站点设计、校园支路设计等方面考虑，逐步建立高效、便捷的校园车行系统.

5.2.3 公交系统规划要体现科学性 公交系统规划要在对校园工作日早晚高峰、周末和节假日的交通量统计分析的基础上，将所得数据与在校学生规模相联系、与城市公共交通相结合，形成覆盖主要校园区域、教学中心区、科研区、宿舍区、停车场的校园公交网络.

5.2.4 自行车系统规划要体现整体性 自行车系统规划要与校内主要道路、公交系统换乘站、道路节点和校园中心区的人行道相联系，除大学中心区之外的校园其他区域，都应设有自行车道, 要保证校内非机动交通优先，体现慢行交通的人性化，不断完善校园自行车系统，提高校园道路的疏解能力.

5.2.5 步行系统规划要体现系统性 步行系统规划要体现“人车分流，步行优先”的规划原则，步行区域要做到几乎没有车辆通行,优化步行体验、提高步行安全性，逐步形成“步行为主的校园生活区+生活区外围的步行道路+校园公交系统+辅助的自行车系统”的通勤格局.

5.2.6 乘客体验设计要体现人本化 人是校园交通系统中最重要的因素,规划和改善校园交通系统，必须以人为本，提高交通系统中人员移动的安全性和便利性.规划中务必考虑交通服务的过程中乘客的心理感受以及师生的满意程度，学校管理部门要根据师生反馈的交通服务意见，提出符合师生需求的改进建议，充分体现学校管理的人文情怀.