复杂性 复杂性 1099 - 0526 1076 - 2787 Hindawi 10.1155 / 2020/5402620 5402620 研究文章 使用开放大数据来构建和分析城市公交网络模型和在政府内 魏 盛 1 2 王 Lei 3 傅 Xiongwu 4 https://orcid.org/0000 - 0003 - 4921 - 6833 贾 道 5 Swapan 默罕默德 1 江苏省城市规划与设计学院 南京210036 中国 jupchina.com 2 学校的建筑和城市规划 南京大学 南京210093 中国 nju.edu.cn 3 流域地理科学重点实验室 南京地理与湖泊研究所 中科院 南京 中国 cas.cn 4 武汉土地利用和城市空间规划研究中心 武汉430014 中国 wlsp.org.cn 5 遥感信息工程学院 武汉大学 武汉430072 中国 whu.edu.cn 2020年 10 7 2020年 2020年 20. 02 2020年 22 04 2020年 02 06 2020年 10 7 2020年 2020年 版权©2020年盛魏et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

城市公交网络扮演着重要的角色,当城市公共服务评估的能力。与最近互联网和通信技术的发展,是一个新兴的利益在城市公交网络模型构建一个开放的大数据。这已经很少了,暴露了一些挑战在城市规划提供运输服务。一方面,有必要结合公交车站基于空间距离约束由于歧义定义在开放的大数据;另一方面,它是困难和耗时的重新安置和建立新的电台,但公交线路的优化是相对容易实现。本研究旨在开发一个显式的方法论框架构建和分析两种不同类型的城市公交网络模型使用开放大数据。此后,框架是应用于两个案例研究在中国,在一个地区县级政府和包括三个县级政府。关键的结果表明,有一个短缺的城市公交服务在这些不同的政府。本文有助于机体的研究方法为理解共享公共交通网络和城市公共服务管理,提高城市公交网络的管理,强调研究的重要性在县级政府城市公交网络的特点在中国而不是在大城市。

 中国国家自然科学基金 41801107 41971332 江苏省自然科学基金 BK20161088 BK20191486 1。介绍

优先考虑城市公交网络(UBNs)已经成为解决城市交通问题的重要途径,缓解交通拥堵等( 1)和减少排放。一般来说,城市公交是最基本和重要的一种运输方式为城乡居民和环保得多比其他运输方式( 2]。此外,服务能力的提高UBNs已成为当前的一个重要组成部分宜居城市的建设促进了中国政府。在这方面,深入UBNs拓扑和统计分析的基本重要性的评估当前的城市公共服务的能力 3, 4]。这也成为城市规划的重要组成部分。

近年来,复杂网络理论( 5, 6)已成为最常见的和有效的施工方法和分析UBN模型,和许多指标被用来评估UBNs的特点。例如,王et al。 4)研究的空间配置UBN城市深圳,中国,采用中心程度的度量,中间性中心,聚类系数和平均路径长度。徐et al。 7)发现,所有UBNs的度分布在中国的330个城市被指数分布近似。Zhang et al。 8)的结构特点进行了探讨动态加权UBNs利用复杂网络理论。一般来说,复杂网络理论已经广泛应用于先前的研究。

UBNs的调查是一个长期的研究课题。以不同的方式进行,注重空间配置等问题( 9),设计和优化( 10, 11),和网络结构 12]。然而,数据用于建筑和分析UBNs主要来自当地政府机构,这可能会有所不同从一个城市到另一个的数据标准。这可以防止可比性在不同的城市,这些城市规划的比较是非常重要的。此外,这些数据通常不容易由于业务隐私,这带来了另一个约束UBN研究。与城市交通系统的扩张,UBNs变得极其庞大而复杂,有高要求的自动化建设UBN模型通过开放大数据( 3, 13]。因此,有必要建立一个框架,用于在UBN开设大型数据采集和处理的研究。

打开大数据变得可用,密集的关注从城市规划领域 4, 13),由于互联网和通信技术的进步。许多研究报道丰硕成果使用各种类型的数据,如高速铁路数据( 14, 15),城市轨道交通数据 16)、航空飞行数据( 17- - - - - - 20.),专利数据( 21),航运跟踪数据 22, 23),和地铁信用卡数据( 24]。这些数据包含节点与地理坐标和它们之间的连接的强度信息。然而,随着构建UBNs基于大开放数据在中国,有四个以前没有注意到的问题,但对发展研究模型很重要。在这方面,本研究有两个著名的关于数据处理功能:(1)它有一个高度自动化的收集能力开放的大数据,它提供了一种一致的方式分析UBNs不同区域;(2)考虑如何合并汽车站根据城市规划的要求和数据计算的准确性。

先前的研究主要集中在分析UBNs在大都市地区。例如,两个研究[ 25, 26)指出,UBNs大都会地区的运营效率低下。然而,缺乏评估和研究UBNs县级,特别是,很少有研究调查了UBNs跨不同的县。事实上,由于中国城市的快速发展,一体化发展的趋势和旅游需求在不同的地区变得越来越重要和紧迫。因此,当前各级UBNs的评估和设计成为一个重要的方面在未来中国城市的可持续发展。此外,当前UBNs可能遇到了一些问题,经常讨论符合城市可持续发展的问题,如缺乏支持的城市通勤( 27)和低效的支线公交线路布局( 28- - - - - - 30.]。

更重要的是,这项研究特别关注的分析最UBNs,现有文献中很少受到调查。特别是,这项研究旨在回答这个问题的服务质量是否最UBNs很差。例如,最UBNs往往的问题“失效链接”,指公交线路,没有访问其他UBNs建立在小范围之内。此外,分析UBNs在中国许多大城市已经主要用于网络优化,而不是网络的扩张。为了满足城市可持续发展的需要,它是具有挑战性的搬迁车站,但相对方便优化公交线路( 31日, 32]。因此,本研究不仅集中在分析公交车站也强调了公交线路建设的重要作用和分析UBN模型( 33]。

本文的其余部分的结构如下。部分 2和 3提供材料和方法的介绍。节 4,提供了两个案例研究的结果。最后,讨论的结果和结论部分 5。

 2。材料 2.1。研究领域

这项研究的两个案例研究区域在图所示 1,数据都从高德牌获得地图(地图服务提供商的中国版,像谷歌和TomTom) 2019年5月。第一个病例是UBN分析县级政府,而第二种情况是UBN分析在不同的县。

该研究领域的两个案例研究。

在第一种情况下,UBN的主要特性是一个独立的县级行政区域所示。这个案例研究区域是昆山,江苏,上海中国的邻居,中国十大经济最强的县之一。选择它因为它UBN覆盖整个行政区域。这种情况下代表学习空间UBNs平等,这样更多的人可以享受更好的中小城市的公共交通服务。

在第二种情况下,跨境区域和三个相邻的县级行政单位选择来自不同省份的长江三角洲大都市。浙江省嘉善县,江苏省吴江区和上海青浦。值得一提的是,各行政单位UBN已经独立开发和连接三个行政区划UBNs相对较弱。长江三角洲是中国三个最发达城市群及其集成开发在不同的政府受到市场力量的加强,促进了中央政府。因此,第二种情况是具有重要意义的集成开发最UBNs城市规划在中国。

 2.2。城市公交网络的数据问题的分析

如图 2有四个主要问题,UBNs使用开放大数据的分析。

四个主要问题,分析城市公交网络使用开放大数据。

如图 2(一个),公交车站可能由多个地理空间点相邻的相同的名称。特别适用于一个转运站,两个或两个以上的公交线路相互交叉。在这种情况下,相同的转运站获得来自不同公交线路可能会有不同的地理位置,并不完全重合。事实上,这个换乘站应该是唯一的。

如图 2 (b),一些公交车站可能是地理上远离彼此在一个大型研究领域,尽管它们有相同的名字。因此,这些电台必须被视为不同的。

如图 2 (c)有小的差异同样汽车站的名称在不同的公交线路。这些汽车站相邻或重合,他们应该被视为相同的汽车站。

如图 2 (d),一些公交车站实际上是不一样的,但他们非常接近对方。这种情况的原因有很多。例如,多个公交车站建成高速铁路车站,或者他们是建立在一个小区域满足总线的需要停止。对于城市规划,这些站点需要合并成一个汽车站观察地理空间实体的巴士服务功能,如高速铁路车站地区的公交车站。

 3所示。方法 3.1。两种类型的城市公交网络模型

第一种UBN模型面板中(图一)所示 3,这是通常被称为“车站”表示。在这个网络中,公交车站网络节点,公交车站之间的公交线路网络边缘和公交线路的数量可以作为网络的权重值。的Line-Station-based UBN模型通常用于检查公交车站的特点,而忽略了公交线路,例如,汽车站的识别网络中一个重要的交通功能( 34]。此外,这些研究往往使用P-space建立复杂网络( 3]。

两种类型的城市公交网络模型。

第二种类型的UBN模型面板(b)的图所示 3,这被称为“行了行了”表示。在这个网络中,公交线路建模为网络节点,和公交线路经过相同的汽车站是网络边缘,和公交车站,公交线路通过的重量价值网络优势。的Line-Line-based UBN模型建设是更关心公交线路,因此是更实际的公交线路的规划和管理公共交通( 33]。

此外,“行了行了”模型往往比数据可视化的“车站”模式,因为总线对象比公交车站更清晰、更重要的对象图形表示。换句话说,当应用“行了行了”模型来评估UBNs跨不同的县,它更容易检测哪些公交线路在不同的政府和“坏链接”的存在。在第一个案例研究中,由于高水平的城乡一体化发展在昆山,分析cross-administrative问题不是非常重要的。因此,“车站”模型用于分析UBN在这种情况下,在“行”模型用于分析UBNs在第二种情况下。

 3.2。方法分析城市公交网络使用开放大数据

如图 4,该方法分析一个UBN构成包括三个步骤。

城市公交复杂网络模型的施工过程。

 3.2.1之上。步骤1:自动收集数据对公交线路和公交车站

首先,本文选择在线地图提供者,提供丰富的利益点(POIs)数据对研究区。这是因为POIs数据包含信息的汽车站,记录所有公交线路的信息通过它。其次,它收集POIs数据与公交车站的类型通过所提供的应用程序编程接口(api)这些地图提供商。第三,公交线路提取这些POIs的名字,这是进一步用来爬行的详细信息在城市公交线路和公交车站。在这方面,它可以自动收集的所有信息的公交线路和公交车站只需提供研究区域的城市名通过使用官方数据采集接口的API。

 3.2.2。步骤2:使用空间处理收集到的公交网络数据约束

在这一步中,本文提出了一个有效的解决方案来应对四个问题见图 2。如图 5,首先,它合并具有相同名称的巴士站在一定的距离内(例如,250)彼此成一个公交车站。其次,它区分汽车站具有相同名称但彼此很长一段距离(例如,> 250)通过添加后缀标识符。此后,公交车站应该有不同的名称。第三,它合并巴士站在一定的距离内(例如,100)到一个公交车站。

的方法解决四大问题的原始数据。

 3.2.3。步骤3:构建两种类型的城市公交网络使用处理过的数据

在这一步中,两种类型的UBN构建,即“车站”网络和“行了行了”网络。应该注意的是,这两种类型的网络建模为定向加权网络和他们建立了使用新汽车站和公交线路数据,生成的步骤2。

 3.3。指标分析城市公交网络 3.3.1。节点度中心

节点度中心(DC)被定义为边的数量符合当前节点。它可以反映当前的直接邻居节点的数量,是数学中定义( 1), lij反映了节点之间的连接 我和节点 j和 n代表节点的总数( 35- - - - - - 37]。一个人 (1) D 我 = ∑ j = 1 , j ≠ 我 n l 我 j 。

3.3.2。节点强度中心

节点力量中心,也称“加权学位中心”(WDC)被定义为边的权重的总和巧合在当前节点 35]。它可以反映当前节点之间的相互作用的强度及其邻近的节点,是数学中定义( 2), W 我 j 边缘节点之间的重量吗 我和 j和 n表示节点的总数。一个人 (2) 年代 我 = ∑ j = 1 , j ≠ 我 n W 我 j 。

3.3.3。加权中间性中心

加权中间性中心(WBC)被定义为两个节点之间的最短路径的数量,通过当前节点考虑边缘的重量。它是用来衡量网络中节点的重要性作为桥梁( 38, 39中定义的),数学( 3), 年代和 t由一对节点的集群 V ; σ 年代 , t 显示的数量加权节点之间的最短路径 年代和节点 t;和 年代 , t 我 是加权节点间最短路径的数量吗 年代和节点 t通过节点 我。一个人 (3) B 我 = ∑ 年代 , t ∈ V ; 年代 , t ≠ 我 σ 年代 , t 我 σ 年代 , t 。

3.3.4。社区检测

社区检测方法可以整个网络分割成紧密相连的子网,和社区的节点可以被理解为一个类具有类似特征。有许多不同类型的社区检测方法在文献中,最常用的一个是modularity-based方法。模块化的程度是一个网络的社区可能被分离和重组,这是一个常用的标准划分成一定数量的网络社区( 40, 41]。模块化价值越大,越好社区的部门结构。在实际系统中,模块化的价值通常范围从0.3到0.7 ( 42]。本文采用一种新颖的基于模块化优化方法( 43, 44),将网络划分成许多不同的模块是否有清晰的模块化网络中。

 4所示。结果与讨论 4.1。案例研究1:数据提取和分析城市公交网络的一个行政区域

这个案例研究中使用的“车站”类型UBN模型,主要显示了公交车站的整体空间分布特征在一个行政区域。如图 6(一),它显示WDC的公交车站的空间分布。具体来说,玉山城最强大的公交服务能力和融合发展趋势与经济开发区,而其他城镇的巴士服务能力相对较弱。图 6 (b)代表了白细胞的空间分布车站,可以用来了解车站的运输能力在研究区域。例如,公交车站在玉山镇高白细胞值可能是人口分布,而在其他城镇的白细胞值较低的相对分散。在这些方面,昆山主要集中和发达的UBN镇玉山。

WDC和WBC及其空间的空间分布趋势说明了内核密度估计。

图 7显示UBN的群落结构,可用于检查交通空间的划分。从这个图中,UBN分为13个社区与一定程度的空间相干性。模块化的值是0.613,这表明社区模式是令人满意的。更重要的是,的空间组织特征UBN昆山中可以看到图所示 7:两个社区在南昆山可以清楚地划分,相关的五个城镇。例如,Zhangpu的城镇,锦西、和周庄在同一个社区(社区3),而Qiandeng的城镇和Dingshanhu在另一个社区(社区10)。北部的社区昆山相互交织,由六个城镇。例如,它更复杂的镇玉山及其四个相邻的城镇。

社区的空间分布结构。

此外,本研究计算每个社区巴士站的比例在不同的行政单位。表 1显示的分布比例的公交车站的每个社区在每一个行政单位,和两件事情变得明显。首先,古镇周庄、锦溪镇和Dianshanhu镇南昆山都由一个社区,因此在每个子网管理单元的空间结构是相对简单的。第二,其他城镇是由多个社区,特别是玉山镇经济开发区,子网的空间结构相对比较复杂。

公交车站的基本统计每一个行政单位。

小镇的名字 每个社区的巴士站的比例分配(%)
周庄 One hundred.
金喜 One hundred.
Dianshanhu One hundred.
Qiandeng 98年,1,1
Zhoushi 73年,19岁的6 2
Bacheng 59岁的30、10、1
Zhangpu 94、2、2、1、1
陆家 74年,20岁,4 1 1
华侨 93年,4,1,1,1
玉山 61年,18岁,12 5 2 2
经济开发区 12日,53岁,22日,4、3、3、2、1

这些社区模式可以大致解释为城镇的社会经济发展。昆山北部的社会经济水平高,因此这些城镇之间的连接通过UBN相对强劲。然而,在南昆山,有许多水和旅游城镇,城镇社会经济发展水平相对较低。因此,通过UBN连接可能会集中在一个或几个城镇,以满足特定行业的需要。在城市的中心,玉山城经济开发区是由许多子网来满足城市公共汽车旅行的不同需求。

 4.2。案例研究2:数据提取和分析城市公交网络的交叉管理

这个案例研究中使用了“行”类型的UBN模型,适合评估UBNs不同县的发展。从四个方面分析这个问题。

首先,图 8显示空间分布WDC的公交线路。公交线路WDC高值主要分布在嘉善和青浦,而那些软弱的价值观主要位于吴江。此外,很少有公交线路WDC高值在不同的行政县。也就是说,公交线路WDC的最高价值往往是限制在一个独立的行政县,他们可以影响空间布局的行政县。

WDC的空间分布。

其次,图 9显示的空间分布的白细胞的公交线路,可以用来识别毂型研究地区的公交线路。公交线路与一个强大的中心功能主要分布在三个行政区域的结,这表明一定数量的中心公交线路跨县已形成的研究领域。然而,这些公交线路的数量仍然很小而大多数nonhub公交线路。除此之外,很多公交线路没有连接在行政区划的结,这是通常被称为“失效链接”现象在城市规划 45]。尤其是,没有公交线路连接嘉善和青浦,这可能会阻碍区域综合发展。

白细胞的空间分布。

第三,图 10显示UBNs的群落结构,可用于检查运输空间的划分。这个数字表明UBNs可分为9个社区与高度的空间相干性。模块化值是0.758,这表明社区模式是合理的和令人满意的。然而,没有明显的cross-administrative社区,这进一步表明,每个行政区的UBN是相对独立的。

群落结构的空间分布。

第四,评估UBNs不同县的服务能力,本研究计算了公交线路的比例对不同行政单位在每一个社区。如表所示 2,只有两个社区涉及两个或两个以上的行政区域,其中社区1横跨两个行政区域(青浦和吴江)和社区4跨所有县。尽管如此,大多数的公交线路都集中在一个县,也就是说,91.49%为社区1 94.52%,社区4。除此之外,其他社区的所有公交线路限制在一个单一的县。这进一步表明,有缺陷的服务能力UBN跨不同的县。因此,城市管理者需要打破行政区划的障碍改善UBNs跨城镇服务的能力。

在每个社区公交线路的描述性统计。

社区 公交线路的总数 公交线路的比例饼图(%)
1 47
4 73年
其他人 - - - - - -
5。结论

本研究的贡献和局限性如下。首先,数据采集一直是最不研究UBNs瓶颈。换句话说,如何有效可靠的数据是一个潜在的问题。应对这一问题,本文展示了一种方法论的框架来分析UBNs使用开放大数据。这些开放大数据收集来自同一个数据源,保证可靠性的cross-comparison UBNs的结构和组织不同的县。这是城市规划的关键。

其次,UBNs被表示为“车站”模式在许多先前的研究,以车站为网络节点。在这项研究中,它更有用的代表UBN“行”的模式,在总线作为网络节点。这是因为它是更容易和更方便的调整公交线路改造或建立新的公交车站。此外,这种类型的UBN表示更有效地分析不同地区之间的关系的研究领域,它可以帮助一个全面、客观判断UBNs的评价。

第三,本研究探讨了两个案例研究方法论的框架的应用程序,这可能从城市规划的角度提供显式的影响。在第一个案例研究中,公交车站的整体空间特征进行评估在一个县,采用“车站”模式。然而,它是非常有限的勘探的子网之间的空间关系。在第二个案例研究中,本研究分析了不同县UBNs,“行了行了”模式。具体地说,“行了行了”模型可以提高理解之间的集成和开发UBNs不同的县。

此外,城市规划和设计,本研究的贡献主要集中在以下三个方面:(1)分析结果可以吸引更多的学者和城市规划者在县检查UBNs的空间特征,不仅在大城市,使用开放的大数据。这可以帮助改善公共交通服务的空间股本水平在中国许多地区的农村。(2)研究可以帮助城市规划者最不确定的实际问题UBNs通过标准化的技术方法。(3)它也可以提供数据来源和方法论支持细粒度的城市管理,例如帮助政府官员来评估城市公交车站和线路动态,不断提高UBN服务质量。

本研究的局限性也强调了未来的研究。首先,本研究只分析UBNs,虽然缺乏分析考虑其他运输模式,如地铁网络。第二,它需要其他类型的融合开放大数据来提高捕捉城市规划问题的能力( 46]。第三,使用不同的属性权重的影响UBN分析应该得到更多的关注更加多样化的应用程序( 47]。第四,可访问性和空间平等( 48, 49城市的公交车站为未来UBN分析也很重要。

总的来说,本文提供了一个方法论的框架构建和分析UBN模型使用开放大数据,它是有价值的城市公共交通设施的规划和管理。这个框架被应用于两个案例研究,UBNs的结构和组织,从城市规划的角度进行了研究和分析。分析结果可以为城市规划者和政府机构是有价值的,在许多方面的理解不同县、公共服务的共享管理UBNs在一个有效的方法,并认识到在中国县级总线网络的重要性。

 数据可用性

数据是根据要求提供相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 作者的贡献

盛魏和王磊了同样的工作。

 确认

这项研究得到了国家自然科学基金(41801107和41801107)和江苏省自然科学基金、中国(BK20161088和BK20191486)。

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