2022（一等奖）C23“城轨促交融，慢行赋新机”—TOD模式下城市慢行接驳与碳减排辅助出行系统

作品介绍

一、需求分析

1.1设计背景

“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式。加快降低碳排放步伐，有利于引导绿色技术创新，提高产业和经济的全球竞争力。碳中和目标对交通运输领域的可持续发展也提出重要要求。随着城市化的快速推进，我国机动车保有量不断增加，交通拥堵和污染问题日益突出。为响应党中央关于优先发展公共交通的理念，作为城市交通的骨干交通系统——轨道交通凭借其能耗低、效率高、大容量、占地面积少等低碳特征，越来越受到人们的瞩目。但由于其站点间距较大、可达性低等特点，需要与其他交通方式进行接驳来确保客流的合理集散，从而保证居民“最后一公里”的出行。因此，步行和自行车为主的慢行交通以其灵活度高、节能健康、绿色环保等优势，再一次回归到公众的视野。

新城市主义提出了“以公共交通为主导的城市发展”模式。即TOD，其核心是以轨道交通站点为中心，以适宜的慢行交通距离为半径，取代汽车在城市中的主导地位，强调慢行系统与公共交通统一化接驳的重要性。因此，如何让轨道交通与其他交通方式完成合理有效的接驳，成为了决策管理者最为关注和最需要关注和解决的关键问题。

基于此背景，本系统从轨道交通接驳分析、智慧换乘及交通碳减排方面入手，为三个主体：管理人员、服务人员和用户根据其需求提供不同的服务。

1.2存在问题

我们通过调研采访相关管理人员以及浏览网络信息发现城市慢行接驳及换乘过程中普遍存在以下几个问题：

（1）站点间距较大、可达性低，较少直接关注站点“前后一公里”的接驳问题，没有从居民出行需求视角，分析居民出发点的站点接驳可达性。

（2）用户低碳出行的换乘选择，没有针对用户时间、成本等需求因素综合定制的换乘路线方案。

（3）城市居民低碳出行的积极性较低，未对用户相关满意度进行深入分析。

（4）数据挖掘不充分，未对海量数据和数据进行深入挖掘。

（5）服务需求、问题上报不及时不充分；外出工作人员状况无法及时了解。

1.3 系统概述

基于以上背景和问题，我们总结设计了城轨促交融，慢行赋新机”—TOD模式下城市慢行接驳与碳减排辅助出行系统。本系统分为web端、移动端。web端服务于管理人员，移动端设计给外出工作人员和用户使用。web端：充分利用多元交通数据，以此为基础设计出交通碳减排模块、慢行交通接驳模块、用户管理等模块，界面简洁、实用性高且管理性强；移动端为外出工作人员和用户设计：请假、分区调配任务查看、事件上传、心率检测等基本功能可以提高工作效率且尽量保证长时间外出工作的安全；用户可查看个人碳币积分及碳减排数据等基本信息、查看智慧换乘和服务门店推送和上报事件及建议。

二、系统设计

2.1系统架构与关键技术

系统总体采用轻量高效的Node.js技术，使用Express框架，结合跨平台数据库MongoDB进行搭建，采用事件驱动、异步编程的机制并利用GeoEvent实现对现有交通实时流数据处理。本系统采用四层体系架构，分为：数据层、应用支撑层、业务逻辑层和表现层。空间数据采用GeoScene Pro的地理数据库进行组织管理并自行搭建Portal进行存储发布。非关系型数据采用轻巧、灵活、可快速访问的MongoDB数据库进行存储，并利用Map-Reduce编程模式对数据进行分析统计，结合GIS技术、GP服务对数据进行挖掘分析，并分别在浏览器和移动端进行展示。系统架构如图1所示：

图1 系统体系架构图

2.2系统功能设计

根据分布的终端，系统分为：进行时空数据分析来辅助动态运营的web端，为外出工作人员与用户设计的移动APP：

“城轨促交融，慢行赋新机”—TOD模式下城市慢行接驳与碳减排辅助出行系统主要服务对象是管理人员：通过对交通数据和综合选取的其他多源数据的深入挖掘，并与GIS相结合，充分分析用户特征、站点服务能力及其布局存在的问题，为慢行接驳优化、分区调配和用户管理提供决策支持。以此来辅助支撑动态运营，提高管理人员工作的效率；移动端为外出工作人员和用户设计：支持上报事件、接收管理人员从web端下发的调配维护任务，且提供实时监控外出工作人员的健康状况以免发生意外；用户界面：可以查看历史个人碳减排数据统计和炭币积分、查看公司发布的基本信息以及提出自己的意见或建议。系统详细功能图，如图2所示：

图2 系统详细功能图

2.2.1 web端：

①交通碳减排模块：碳排放动态监测对过去一年西安市碳排放情况加载插值分析，直观反应去年西安市碳减排地区分布情况。设立多目标规划模型基于绿色交通理念确定七个目标函数和三个约束方程对六种出行方式进行分析。碳排放对比通过MATLAB计算得出城市交通最优比例与现有交通方式进行分析比较，得到适合该城市发展模式的最优比例碳排放。

图3 多目标规划模型与碳排放对比

②慢行交通接驳模块：出行数据分析根据现有实时数据对人流量、站点、poi服务点位进行分析渲染，表现出现阶段西安中心城区人流量分布与poi分布状况，以及综合叠加显示城区热点与冷点，有利于规划参考与服务调整；轨道交通接驳可达性：运用改良两步移动搜索法，以轨道交通站点为主线，依次对步行、骑行与公交三个方面接驳能力进行分析，得到较为客观的分析成果，查看并进行对应接驳盲区提取，以便于城市接驳网络优化；慢行交通网络优化利用盲区提取结果进行试点，查看最终效果，点击三维接驳区加载模型。

图4 出行数据分析

图5 轨道交通接驳可达性分析

图6 慢行交通网络优化

③辅助出行模块：智慧换乘以多元权重和主导影响因子为变量，通过主导因子更改和影响权重调整来实现不同地区不同权重要求的个性化线路绘制。换乘停车点分析使用停车网点数据与公共交通网点数据构建交通网络，确定阈值范围进行有效提取。

图7 智慧换乘

图8 换乘停车点分析

④用户管理模块：为方便管理人员对用户进行有效管理，征信预警利用ID3决策树实现用户的批量信誉积分计算，并查看新增低分用户的详细信息；低碳践行通过出行优化对用户出行情况进行统计与分析，转换炭币提高用户碳减排践行积极性。

图9 低碳践行

⑤车辆服务模块：用户需求分析通过聚类分析与查看需求强度，根据维修点运行状况与能力进行饱和划分，维修服务可根据维修点分布情况与用户自身需求进行查询或上门服务，根据区域划分可有效提高维修点资源利用效率。

图10 用户需求分析-聚类分析

图11 用户需求分析-区域划分

图12 维修服务-门店查询

图13 维修服务-上门服务

⑥可视化平台模块：对交通数据进行统计、生成道路网络，查看拥堵情况，方便快捷。并设计任务与事件功能将任务下达至移动端。

图14 可视化平台模块

2 移动端（员工）：

①为防止工作人员长期过度工作发生意外，移动端定期震动提醒工作人员测量实时心率，并可通过APP上报请假需求。

②工作人员通过APP可以查看值班、签到等基本信息，方便安排时间和任务。

③工作人员可以通过APP上报事故信息，接收管理人员下达的紧急通知和分区调配任务；也可以在员工论坛内与工友相互交流，分享经验心得。

3 移动端（用户）：

①用户可以通过移动端查看发布的基本信息，如：个人炭币积分、个人碳减排数据统计、维修点基本信息、各路段交通态势和使用指南等。

②用户可以通过移动端提出自己的意见和建议。

③在地图界面可以定位到当前位置、查看街景图以及附近实时情况。

3 数据库设计

空间数据储存在Porta for ArcGIS与ArcGIS Server联合托管的企业级地理数据库中，非空间数据储存在非关系型数据库—MongoDB。这样将数据分类存储，有效地保障了数据的时效性及用户访问的快捷性，方便用户进行操作、管理、分析及更新数据。

3.1地理数据库

地理数据库是一种面向对象的空间数据模型，它对地理空间特征的表达更接近我们对现实世界的认识。地理数据库在一个公共模型框架下，对GIS处理和表达的空间特征进行统一的描述和存储，是目前最先进的数据管理模式。地理数据库具有实用性、集成化、网络化、标准化、可视化等特点，用于存储和使用地理数据。

图21 所选研究区域内主干道路与站点

3.2 MongoDB数据库

MongoDB拥有更大的存储容量、更快的处理速度、更高的性能、更便利的操作和内部进行数据分析等优点，更加方便处理和使用数据。前期使用MongoDB数据库结合MapReduce编程模式对数据进行清洗和筛选，后期使用MongoDB数据库进行数据的存储和调用。数据库中部分数据的属性结构如表1所示：

表1 车辆行驶OD点信息属性结构

集合 odpoints
序号	属性名	属性标识码
1	序号名	OBJECTID
2	起始点与目的地	Name
3	起始点序号	OriginID
4	目的地序号	Destination
5	OD长度	Total_long
6	起始点人口数	Pop
7	设施服务能力	Service
8	高斯方程值	Guss
9	高斯方程与人口乘积	Guss_p
10	人口总和	Sum_pop
11	高斯方程加权	Guss_Rj
12	交通点供给与潜在需求之比	Rj

4 系统亮点

（1）综合选取多源数据，以人类出行数据分析、碳排放数据分析为基础，借助满意度函数算法，结合MATLAB建立动态规划模型并利用GIS时空分析算法改进动态规划模型。较好地反映出现今城市交通结构碳排放对比，满足了复杂人流量使用和实际建设的需求。

（2）利用多元分析手法，直观解释城市交通可达性差异与空间分布特征，创新改良两步移动搜索算法和盲区提取法。对站点和人口流动数据进行多元分析提取，运用道路网络构建、密度聚类反应数据的冷点热点与流动结果，采用两步移动搜索算法科学提取参数计算分类可达性，并根据密度-可达性对比提取建设盲区，过程全面，便于使用者综合查看与分析，提高慢行接驳优化效率。

（3）多端互联，加强系统实用性；创新碳币概念与区域调配，提高用户体验。Web端、移动端等交互使用，极大提高了慢行系统与碳减排运行效率。创新使用碳币概念，通过积分制计算碳减排数值并转换为碳币，极大提高了用户碳减排积极性。创新调配系统，实时查看地区服务点繁忙情况，并根据用户需求进行区域性调配，极大减少了区域集中拥堵状况，提高了城区修车点资源利用效率。

（4）充分挖掘公共交通资源数据，采用多元方法实现资源互联互通，加强换乘能力。根据城区公共交通资源数据，提出智慧换乘理念：以主导因子为轴，通过权重调整与系统网络分析加强轨道交通与公交、步行和共享单车接驳能力，根据不同条件智慧生成不同影响道路，较好适应大众需求，提高大众满意度与公共交通资源利用水平。

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