基于大数据的张江科学城公交走廊和骨干线路规划

张临辉 陈 龙 刘 杰

（1.上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海 201204）（2.上海世脉信息科技有限公司，上海 201210）

张江科学城作为综合性国家科学中心将成为“科研要素更集聚、创新创业更活跃、生活服务更完善、交通出行更便捷、生态环境更优美、文化氛围更浓厚”的世界一流科学城。在此背景下，张江科学城的建设离不开公共交通的支撑，然而2025年前张江科学城轨道交通面临“空窗期”，因此优化提升常规公交线网、构建高品质的骨干公交系统对于填补加密轨道交通网络，支撑张江科学城的发展具有重要意义。

本次研究主要根据手机信令大数据、公共交通刷卡数据、公交车GPS轨迹数据和行业统计资料等，挖掘提取得到张江科学城区域人口职住、区域间全方式OD及公交OD、客流走廊等出行时空特征，通过公交客流数据（现状供给）和手机信令数据（潜在需求）的双数据叠加确定骨干公交走廊，并对方案进行评价，实现轨道交通和骨干公交线网锚固总公交客流的80%以上的目标，有效支撑了张江科学城可持续发展。本次骨干公交走廊的选址和骨干公交线路规划创新性方法可为其他城市地区的公交线网规划提供有益借鉴。

一、数据来源与技术方法

（一）矢量公交线网

通过互联网抓取（高德、百度）获得数据，抓取范围为上海市域，包括轨道线路站点和公交线路站点。数据量包含3280条双向线路、68327万个站点（17358个物理站点），用于数据处理、运算和数据可视化表达。

（二）公交IC卡和GPS数据分析技术

通过卡公司、公交公司获得2018年9月整月数据，数据空间范围包括浦东公交线路、部分浦东-浦西线路。数据量包含卡数据日均160万记录、80万张卡；GPS数据日均2200万行，约3800辆车。通过GPS数据与IC卡数据的时间关联进行现状公交供给分析、站点上下客推算、站间OD推算、断面客流推算等。公交卡数据可以转化为公交客流指标和出行特征，并用于进行不同时间粒度、不同空间维度的分析，从而筛选出短距离出行需求客流并分析其出行特征，根据历史公交客流量分布及规律来支撑公交走廊和线路规划方案。

（三）手机信令数据和分析技术

手机信令数据主要是通过提取移动通信系统中的基站与移动电话终端（即手机）间的信息交换及其时间戳，确定手机用户的空间位置信息、状态信息等。每条手机信令数据都是由事件触发的，在发生开/关机、正常性/周期性位置更新、主/被叫、收/发短信等事件时，均会产生手机信令数据。将手机定位数据及POI数据映射至交通分析单元，通过手机信令数据降噪算法、用户出行OD提取算法、人口岗位识别算法等获取现状全方式需求特征、人口分布特征、职住分离情况与通勤OD客流推算。

本次规划通过合作厂商获取2018年9月整月数据，数据空间范围为上海市域。数据量包括每日手机识别号约550万，日总记录数约30亿条。

（四）大数据分析公交走廊技术路线

1.区域人口的识别与分析

人口的居住地和工作地识别，首先需要筛选出长期历史数据中天数频率（超过60%天数）相对较高的用户群体，作为长期服务人群。分析筛选用户长期历史数据中夜间20:00至次日07:00中逗留时长最长、天数频率最高的交通小区，作为用户的居住地交通小区。分析筛选用户长期历史工作日数据中09:00至18:00中逗留时长最长、天数频率最高的交通小区，作为用户的工作地交通小区。从而用于职住人口统计与通勤特征分析。

2.出行群体时空行为特征分析

通过深度挖掘IC卡数据，能获取居民的公交出行空间和时间分布特征，得到公交出行OD量，具体处理方法：首先对卡号、刷卡时间进行排序，选择一条IC刷卡数据，记录其上车线路、车站、时间，然后找寻同一卡号的下一时间的刷卡数据，根据下一时间刷卡站点是否在同条线路上或靠近该线路，来确定下车站点，再通过上车站点和下车站点时间差是否符合换乘时间阈值，确定下一时间的刷卡数据为换乘路径或新路径[1]，如图1所示。

图1 公交IC卡数据处理公交OD分布流程

结合时间序列的手机信令数据，判断每位手机用户在各交通分析区域的进入、停留、离开等情况，可以得到全方式通勤客流数据。结合对工作地与居住地识别的衡量指标，筛选出相应的具有通勤出行目的的人群。通过一定的时间阈值限定，分析在各时段每位手机用户所处的交通分析区域，然后对统计期内每天不同时段各交通分析区域间手机用户的出行数据进行汇总，分层扩充样本至总体人群[2]。

3.公交供需和客流分析

一是利用公交IC数据分析现状公交供给情况，结合矢量公交线网图对现状公交出行链进行可视化分析，筛选出公交供给走廊集T1，再利用手机信令数据分析潜在的全方式出行需求情况，结合路网图对全方式出行需求进行可视化分析，筛选出全方式出行需求走廊集T2，取T1、T2的交集为廊道判断总集合T；二是根据公交出行链计算每一个客流廊道的供给客流因子，根据全方式出行链计算需求客流因子；三是根据总客流因子，判定客流廊道是否设定为公交客运走廊。

4.规划方案形成

结合多源数据分析结果，将公交客流数据和手机信令全方式客流数据进行双数据叠加，梳理出骨干公交需要布设的通道，最终形成公交走廊和线网规划方案，如图2所示。

图2 基于大数据的公交走廊规划技术流程

二、基于大数据的张江科学城人口岗位分析

利用手机信令数据，统计各时间阶段记录用户量的变化，反映记录用户量与生活作息规律的关系，从中选取最适当的时间点分别代表白天人口和晚上人口，进而对人口的昼夜空间动态分布进行研究。将不同时间段的记录人数进行空间可视化，展示一天内的人口动态空间分布变化。通过人口分布图可以看到，张江集镇、张江动迁基地人口密度最高，达到了10 000人/平方公里，另外科学城S20以南区域人口密度也较高，为8001～10 000人/平方公里。张江科学城现状工作岗位主要集中于川杨河以北地区（即张江北区），平均岗位密度达到了8000人/平方公里，其余区域工作岗位密度较小，尤其是张江南区、国际医学园区工作人口密度最小，人口的分布整体表现为北密南疏，疏中有密。

根据手机信令数据测算，工作日期间，张江科学城区域日间（10：00～15：00）人数均值及夜间（00：00～04：00）人数均值分别为61.4万人和35.6万人，即工作日期间有超过40%的人口进行跨区域通勤行为；而在周末期间，区域日间及夜间的人数均值为46.3万人和35.6万人，两者差值仅为10.7万人，周末期间的人口以居住人口为主，外部通勤流动行为较少，如图3所示。综合工作日及周末情况，夜间人口非常接近，区域内的居住人口较为稳定，从侧面说明该区域所能提供的居住性质服务相对饱和；而工作日日间人数存在较大的区域外部居住行为，对区域内交通出行造成一定的压力[3]。

图3 张江科学城工作日及周末人口24 h分布

三、基于大数据的常规公交供需分析

利用公交数据可以分析出现状公交供给分布情况，利用手机信令数据可以分析出居民出行需求特征，通过将供给与需求叠加分析，分析供需不平衡的地方及原因，梳理出真正匹配需求的公交走廊和骨干公交线路。

（一）出行分布特征分析

利用公交IC卡刷卡数据、公交GPS到离站数据等公交数据，可以分析出现状公交乘客的出行特征，通过深度挖掘IC卡数据，得到张江科学城公交出行OD，分析出公交乘客出行特征呈多中心辐射状；另外基于手机大数据张江通勤客流OD分布分析，科学城与周边街镇日均客流5000人次以上有唐镇和周浦镇，日均客流2000～5000人次有金桥镇、洋泾街道、花木街道、康桥镇、川沙等，通过公交客流OD与全方式客流OD对比（如图4所示）发现部分方向全方式客流较高，但公交供给不足，如曹路和唐镇方向。

图4 高峰时段全方式通勤客流OD和公交客流OD图

（二）公交线路运力供给与出行需求分析

将公交供给投入与居民出行需求叠加分析，发现现状公交运力供给与总体客流需求分布有一定偏差，在主要客流走廊缺乏骨干公交支撑，现状公交的投入不能较好地服务总体客流。从对外出行分布来看，张江科学城东西向与唐镇联系最强，但缺少骨干线路的支撑，比如636路作为目前唯一通达唐镇的日均客流最高的线路，早高峰7:30～8:30客流最集中，集中区高峰期满载率超90%，客流主要集中在张江东区集电港和唐镇区域，主要客流走廊公交服务水平较低，无法有效满足客流出行需求；另外张江科学城南北联系方向上目前仅有浦东25路一条线路，其发车间隔较长、运营速度较低，同样无法满足客流需求并有效承担高峰时段同向轨交16号线的分流作用。

四、张江科学城公交走廊选址和骨干线路规划

（一）公交走廊选址

在多源大数据的表征下筛选形成供需匹配的公交走廊方案。

通过手机大数据分析，现状全方式通勤客流主要集中在北区，高客流走廊具体如下：现状公交客流同样主要集中在北区，东西方向有祖冲之路-龙东大道、张衡路-蔡伦路-高科中路-高科东路、华夏中路-华夏东路、丹桂路、晨晖路和周祝公路，南北方向有金科路、金桥路-张江路、碧波路、科苑路和张东路。

基于供需耦合的公交走廊选择。根据手机通勤全方式客流需求与公交客流情况，联合分析筛选骨干客流走廊：通过早高峰路段公交客流量（如图5所示）与手机大数据全方式通勤客流量（如图6所示）进行匹配，结合路段实际公交客流，经过总体数据分析，85%的路段高峰时段公交客流小于1000人次，85%的路段全方式通勤客流量小于4000人次，笔者选取早高峰公交客流量和手机大数据全方式通勤客流量均为第一梯队高客流的路段作为公交走廊，即选取高峰时段公交客流因子为大于1000人次，全方式通勤客流因子为大于4000人次，同时符合两个客流因子条件的路段作为骨干公交走廊。

图5 路段早高峰公交客流量

图6 手机大数据高峰时段全方式路段客流

综合大数据分析，同时考虑用地服务的原则，即公交走廊应当满足周边大型需求点客流出行、路径串联科学城主要功能区域的要求，筛选出有祖冲之路、松涛路、科苑路、蔡伦路、高科路、龙东大道、张江路、张衡路和华夏中路需求较成熟型公交走廊。另外虽然部分路段现状高峰公交客流量不足1000人次，但全方式通勤客流量较高，远期待公交服务水平提升后，个体出行将向公交转移，可以作为TOD引导发展型走廊。张江科学城骨干公交走廊规划如附表及图7所示。

附表 张江科学城骨干公交走廊规划表

图7 骨干公交走廊规划

（二）骨干公交线路规划

公交主要供给应当集中投入到与总体客流需求相一致走廊上，通过公交走廊上大的客流方向与客流走廊上既有通过公交线路进行对比，将公交走廊上的高强度客流公交线路提升为骨干公交线，进一步匹配支撑公交走廊的需求，提升整体公交线网服务水平。

从方向一致性角度，先导出走廊上运行的主要公交线路，以长度大于10公里的公交线路作为初步备选库，选出21条；然后根据公交线路在张江科学城内部长度比例30%以上、在公交走廊上所占长度比例大于20%、张江客流占比40%以上等指标进一步在备选库中筛选骨干线路；从高客流量角度，再从中筛选出全线日均客流量大于2500人次、百公里人次大于100人次的线路。比如通过分析祖冲之路和张江路公交走廊与现状636路方向基本一致，现状636路百公里人次为230，日均客流量超过1.3万人次，客流量较大，因此将现状636路提升为骨干线。

另外骨干公交线网应覆盖轨道交通未覆盖的客流走廊，或者覆盖有轨道运行但是客流需求量大、高峰时段轨道已经满载运行的走廊[1]。目前张江科学城已有2号线、13号线、11号线和16号线轨道交通线路，骨干公交应当填补轨道交通服务空白区，与轨道交通合理衔接，比如公交走廊上的浦东25路可以作为承担高峰时段既有轨交16号线溢出客流出行需求的功能，弥补近期南北向轨道交通供给的不足[4]。

综合考虑以上原则，最终确定近期骨干公交线路11条，分别为浦东22路、778路、961路、浦东25路、188路、浦东12路、609路、大桥六线、636路、张江1路和有轨电车。骨干公交近期沿客流走廊布局，服务主流向客流需求，填补轨道交通未能覆盖的区域；远期客流需求增长较大的通道，部分走廊将被轨道交通替代，骨干线路进行适当调整，如图8所示。

图8 近期轨道交通和骨干公交线路方案

（三）方案评价

基于大数据进行方案评价，近期11条骨干公交线路总长210.7公里，张江科学城内长度95.1公里；站点总数334个，张江科学城内站点数149个；骨干公交在张江科学城内人口覆盖率约78.2%，岗位覆盖率约71%。骨干公交线路满足主要对外联系方向需求，即张江同唐镇、川沙、周康、金桥、花木等街镇的联系需求。目前张江科学城地区的4条轨道和11条骨干公交线路客流量占区域公共交通出行总量80.5%，锚固了大部分的客流，高效地满足了张江科学城客流出行需求。

五、结语

张江科学城作为综合性国家科学中心在当下轨道交通尚未完善的背景下，建议近期形成骨干公交网络以支撑科学城的发展，研究主要通过手机大数据和公交大数据分析方法，基于张江科学城的骨干公交走廊规划技术要点，创新性地提出了公交客流数据和手机信令数据的双数据叠加确定骨干公交走廊的方法，在此基础上形成骨干公交线路规划方案，实现骨干公共交通网络锚固主要公交客流的目标。