增量方式劃分模型在城市短期客流預(yù)測中的應(yīng)用-以天津市一期BRT工程為例

增量方式劃分模型在城市短期客流預(yù)測中的應(yīng)用 ——以天津市一期BRT工程為例 【摘要】增量方法(incrementalapproch)，又稱為不動點方法（Pivot-pointapproch）， 是在已知現(xiàn)狀交通需求矩陣的基礎(chǔ)上，對特定外部條件改變后引發(fā)的交通需求的變化量進行 預(yù)測。其預(yù)測精度較傳統(tǒng)完整四階段方法有較大的優(yōu)勢。本文介紹了增量方式劃分模型在國 內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用情況和應(yīng)用方法進行介紹，并結(jié)合天津BRT一期走廊實施項目與天津綜合校核 通行使用增量NL方法對走廊的客流變化情況進行分析預(yù)測，結(jié)果表明使用該方法可以滿足 進行BRT客流預(yù)測和方案評價的需要。 【關(guān)鍵詞】NL模型；增量方式劃分模型；BRT客流預(yù)測 0 引言 增量方法(incremental approch)，又稱為不動點方法（Pivot‐point approch），是上世紀70 年代末在英國出現(xiàn)的一種需求預(yù)測方法。同直接使用城市綜合交通模型進行交通需求絕對量 預(yù)測的思路不同，這種方法是在已知現(xiàn)狀交通需求矩陣的基礎(chǔ)上，對特定外部條件改變后引 發(fā)的交通需求的變化量進行預(yù)測。增量需求預(yù)測方法中最為常見的形式是增量方式劃分模型， 在獲得某種出行方式出行量或分擔(dān)比例矩陣的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)過估計的方式劃分模型參數(shù)， 可以應(yīng)用增量方式劃分模型獲得該方式在出行時間、費用等因素發(fā)生變化之后，出行量或分 擔(dān)比例所發(fā)生的變化。同絕對量預(yù)測相比，這種增量方法的計算流程簡單，更加容易降低預(yù) 測的誤差，因而在歐洲和北美許多地方的道路設(shè)施或公共交通設(shè)施改善評估中得到應(yīng)用。 國內(nèi)有關(guān)增量方法相關(guān)理論和計算形式的文獻，多限于對基于 MNL 結(jié)構(gòu)的增量方法進 行介紹，而對NL結(jié)構(gòu)下增量方法的形式和應(yīng)用則很少提及，而目前隨著大城市交通出行方 式的多樣化和復(fù)雜化，許多城市的方式劃分模型都是以NL的結(jié)構(gòu)構(gòu)建的，因此需要引入NL 結(jié)構(gòu)下的增量方式劃分模型以滿足應(yīng)用的需求。 1 增量方式劃分模型 1.1 增量模型的優(yōu)缺點與適用范圍 自1960年代，美國芝加哥都市圈綜合交通交通規(guī)劃中構(gòu)建交通模型作為政策是設(shè)施規(guī) 劃的研究工具以來，四階段標準模型架構(gòu)在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用，許多大城市構(gòu)建并 維護城市綜合交通模型，并按一定的周期補充調(diào)查數(shù)據(jù)進行更新。同發(fā)展了近半個世紀的綜 合性的四階段城市模型相比，基于增量預(yù)測理念發(fā)展出來的增量方式劃分模型是上世紀 70 年代末開始進入交通規(guī)劃從業(yè)者視野的一種新方法。其中較為典型的案例包括，MVA 的 Bates 等人在1987年對于倫敦希思羅機場與市區(qū)不同交通銜接方式的分析，以及美國華盛頓州西 雅圖都市區(qū)公交管理局Rorbert Harvey等人對于西雅圖地區(qū)公共交通改善效果的評價分析， 這些應(yīng)用研究都取得了較為良好的分析效果。英國交通運輸部頒布的項目需求模型構(gòu)建指導(dǎo) 1 性文件《可變需求建模指導(dǎo)建議》（Variable Demand Modelling Advice，簡稱VaDMA）中對于 增量方法的使用作出了強力推薦，稱：“在進行單獨設(shè)施層面的需求預(yù)測時，如果沒有特別 的理由不那么做，則應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用增量模型進行預(yù)測”。 從典型的應(yīng)用案例和相關(guān)的技術(shù)文件中，可以得出增量模型相對于以四階段模型為代表 的絕對量預(yù)測模型的幾個顯著優(yōu)點： （1）模型的計算流程與輸入較為簡單，建模過程相對簡單。絕對量計算方法考慮到多 個模型步驟，從城市的用地及人口崗位分布等輸入條件開始計算，需要經(jīng)過多個不同模塊的 處理計算，過程繁復(fù)，構(gòu)建模型需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量龐大；增量模型則在已知現(xiàn)狀需求與矩陣 和分擔(dān)比例的即可，在研究區(qū)域綜合模型缺失的情況下，也可通過規(guī)模較小的調(diào)查來獲得應(yīng) 用模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)的計算分析。 （2）模型的誤差更加容易控制在較小的范圍內(nèi)。首先，從預(yù)測的對象來講，絕對量模 型的預(yù)測結(jié)果是需求量，而增量模型僅僅是在已知現(xiàn)狀需求量的基礎(chǔ)上預(yù)測變化量，從量級 上來說，需求變化量要遠小于需求絕對量，因此二者在產(chǎn)生同等程度的預(yù)測預(yù)測誤差時，顯 然增量模型對于最終結(jié)果的影響要比絕對量模型小得多；其次，綜合交通模型主要的建模目 標是以反映和再現(xiàn)城市的出行規(guī)律為主，其直接推斷的結(jié)果同實際調(diào)查或觀測結(jié)果相比，一 般存在著較大的誤差。因此，在模型的各個階段都會引入注入K因子、方式劃分區(qū)域常數(shù)項 等因素來縮小模型與觀測結(jié)果間的誤差。如果模型的研究范圍較小，集中在局部區(qū)域或交通 走廊的層面，則即使是經(jīng)過交通量或公共交通客運量擬合的模型也難以達到相應(yīng)的預(yù)測精度； 相反，如果使用增量模型，則可以通過調(diào)查，相對較為容易地獲得較為準確的同研究范圍或 對象相關(guān)的出行矩陣來提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精度，進而提高預(yù)測結(jié)果的精度。 （3）使用增量模型可以充分利用城市交通交通模型的成果。綜合交通模型當(dāng)中可以輸 出增量模型所需要的輸入。例如，在進行公交走廊的改善研究時，可以直接使用模型城市綜 合模型的公交出行矩陣和分擔(dān)比例，如果發(fā)現(xiàn)在研究的走廊上，分配流量同觀測流量存在誤 差，則可以通過反推技術(shù)在不改變矩陣基本分布態(tài)勢的情況下提高矩陣的擬合精度，從而改 進模型預(yù)測的準確性；此外，模型中使用家訪數(shù)據(jù)標定的方式劃分模型參數(shù)可以直接為增量 模型所用。 增量模型的不足也很明顯，這種不足主要體現(xiàn)在外部條件的變化上。如果誘使交通需求 量發(fā)生變化的不僅僅是交通設(shè)施的因素，研究對象相關(guān)的整體土地利用都發(fā)生了較大的變化， 嚴重影響出行 OD 的分布態(tài)勢時，則使用增量模型不能給出有效的預(yù)測。VaDMA 中也特別 強調(diào)增量模型對于土地使用的變化不敏感，不使用于土地使用方面的較大變化的情況。 綜上所述，對于土地利用條件變化不大的短期預(yù)測，以及城市局部的走廊或特定區(qū)域交 通設(shè)施改善措施評估，使用增量方法是合適并且能夠達到較高精度的。這意味著，可以使用 此類方法對城市中開通BRT線路或軌道交通的情況進行中短期的客流評估。 1.2 增量方式劃分模型的計算公式推導(dǎo) 在城市綜合交通模型中，方式選擇階段的建模普遍會采用基于效用的 logit 模型的形式。 2的效用改變后產(chǎn)生的新方式分擔(dān)比例； 的效用改變后產(chǎn)生的新方式分擔(dān)比例； S? ?)= i ?) ?) ? ? ∑S? ?)?? 一般常用的logit模型會采用MNL或NL的形式。天津綜合交通模型中方式劃分使用雙層NL 模型結(jié)構(gòu), 共涉及自行車、電動車、出租車、小汽車、軌道交通、常規(guī)公交 6 種基本方式。 軌道交通和常規(guī)公交復(fù)合為公共交通方式,因此在進行 BRT 客流預(yù)測時需要應(yīng)用對應(yīng)于 NL 結(jié) 構(gòu)的增量方式劃分的計算公式進行計算。下面將對NL模型結(jié)構(gòu)下，增量logit模型的應(yīng)用公 式進行推導(dǎo)。在應(yīng)用基于NL結(jié)構(gòu)的增量Logit模型時需要用到MNL情況下的計算公式，因 此下文先介紹MNL的計算公式推導(dǎo)情況，最后導(dǎo)出NL的計算方法。 圖1天津模型方式劃分NL模型結(jié)構(gòu) 1.2.1 MNL模型 在 MNL 模型中所有被選項對于出行方式選擇者來說都是并列的關(guān)系，各種方式被出行 者選中的概率取決于各被選項能向選擇者提供的效用。 標準的MNL模型具有如下的計算表達式: S? = 其中： S?=使用出行方式i的分擔(dān)比例; V?=出行方式i的效用. V?一般會采用選擇相關(guān)可測度因素得線性組合的形式，在綜合交通模型的應(yīng)用中主要反 映的是設(shè)施服務(wù)水平因素的變化，例如對于公共交通方式，V?的表達式可以寫為如下形式： V? =α?車內(nèi)時間+β?車外時間+γ?費用+θ?換乘次數(shù) 其中α、β、γ、θ為模型的參數(shù)，可以使用家訪調(diào)查樣本通過參數(shù)估計得到。 在V?具有線性表達式的前提,那么如果V?發(fā)生變化，則新的使用出行方式i的分擔(dān)比例可 以寫為： S = 其中： S 出行方式 S?=使用出行方式i的觀測分擔(dān)比例; 3S? S? ?)= +?V ) )?exp(?V )?? S? ?exp(?V?)+(1?S?) ? ? ? ? ? ? ? ? ?V?=出行方式i的效用變化。 更進一步，如果知道僅知道某種待研究方式k的比例和服務(wù)水平的改善，則 S 顯然，從這個表達式可以看出如果已知某種方式的分擔(dān)比例和交通服務(wù)的改善程度，可 以在不知道其它方式分擔(dān)比例的情況下，預(yù)測方式分擔(dān)比例的變化。 1.2.2 NL模型 NL模型主要是為了避免所謂的“紅藍巴士謬誤”而被引入一種logit模型形式，體現(xiàn)為 一種為層次的結(jié)構(gòu)，一些具有較大相似性的出行方式往往會在最底部的層次集合為一種方式 同上一層次的各種方式并列，參與到方式選擇的概率計算中，那種集合了多種方式的被選項 被稱為復(fù)合被選項，其效用計算采用所謂logsum的形式。對于包含n個子備選項的復(fù)合被 選項，其效用表達式logsum可寫為： ? logsum=ln?exp(V?) ? 其中：logsum=復(fù)合備選項項中各種子方式的復(fù)合效用； ?=復(fù)合備選項中第i種子方式的效用。 如果底層方式的效用發(fā)生變化，則相應(yīng)logsum的變化量可寫為： ?logsum=ln∑exp(V? +?V?)‐ ?) =ln∑exp(V ∑exp(V?) =ln∑exp(V ∑exp(V?) =ln?S? exp(?V? 其中：?V?=復(fù)合備選項中第i個子方式效用的變化； ? =復(fù)合被選項中第i種子方式在所有子方式中所占有的分擔(dān)比例。 獲得復(fù)合備選項的 logsum 后，可以在上層計算時將?logsum作為復(fù)合備選項的效用變 化，代入 MNL 的方式分擔(dān)變化預(yù)測公式中，計算上層各方式的分擔(dān)比例變化，在得到相應(yīng) 復(fù)合被選項的出行需求變化后，可在底層再應(yīng)用一次增量 MNL 模型，或則下層各方式出行 需求量的變化。 2數(shù)據(jù)準備 3.1 總體思路 應(yīng)用增量方式劃分模型于 BRT 客流預(yù)測，需要準備好基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、能夠反映走廊公 交運營現(xiàn)狀特征的基礎(chǔ)矩陣以及增量模型應(yīng)用時主要變量的參數(shù)。對于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)主要采 用目前已確定的 BRT 一期實施方案。對于模型應(yīng)用參數(shù)主要使用綜合交通模型中的各變量 4 參數(shù)，由于各種出行目的對于出行阻抗的敏感性不同，在進行模型應(yīng)用時采用分目的預(yù)測可 能會取得更好的效果，因此在進行增量方式劃分運算時采用分組運算的方式。預(yù)測所需的基 礎(chǔ)矩陣可以直接來自和方式分擔(dān)比例可以直接來自綜合交通模型產(chǎn)生的結(jié)果，但綜合交通模 型的常規(guī)公交矩陣雖然經(jīng)過校核，在預(yù)測走廊上卻可能存在模擬精度不足的問題，因此需要 結(jié)合補充的斷面調(diào)查數(shù)據(jù)進行進一步的擬合。模型預(yù)測的總體流程如圖 2 所示，應(yīng)用增量 方式劃分主要是獲取全日的分目的 PA矩陣，在轉(zhuǎn)換到早高峰 OD 矩陣時，首先使用綜合交 通模型中的模塊，得到初步矩陣后再用觀測流量加以修正，以提高擬合精度。 圖2BRT客流預(yù)測數(shù)據(jù)準備思路 3.2BRT系統(tǒng)方案 為實現(xiàn)快速公交走廊建設(shè)的示范效應(yīng)，天津 BRT 一期實施走廊選擇客流量最大的縱向 走廊，包括天泰路、中山路、東馬路、福安大街、南門外大街、衛(wèi)津路、南京路、解放南路， 總長約25公里，以增強南北主、副中心之間的連接，改善現(xiàn)有市區(qū)公交服務(wù)水平。沿線共 設(shè)置41個快速公交車站，其中21個中央島式車站，20個中央側(cè)式車站。 在走廊內(nèi)，快速公交線路沿專用通道行駛，乘客上下車在專用車站上完成。在走廊外， 快速公交線路以常規(guī)公交模式運作，乘客上車投幣或刷卡。 走廊內(nèi)運營線路的選擇是基于線路在 BRT 走廊內(nèi)所占的比例及高峰小時的頻率。發(fā)車 頻率高的線路使車輛周轉(zhuǎn)率最大化，使有限的 BRT 站臺空間使用效率最大化。線路在 BRT 走廊中所占的比例越高，可使BRT每條線路的運營效率最大化。 根據(jù)以上原則，本次BRT線路的確定步驟如下： 1）列出所有與通道路段有關(guān)的現(xiàn)狀公交線路； 2）選擇客流量大，現(xiàn)狀發(fā)車頻率較高的線路（高峰小時發(fā)車間隔一般不大于10分鐘）； 5 3）選擇走廊內(nèi)運行里程比例較大的線路（走廊內(nèi)里程占線路總長度比例一般不小于 20%）。 最終選定 62 條線路保留升級為 BRT 線路，絡(luò)錄入模型中，作為進行客流分析的基礎(chǔ)。 BRT走廊內(nèi)車輛運營速度采用22km/h,走廊內(nèi)站點上的線路間換乘按免費考慮。 圖3一期實施BRT走廊及站點圖 3.3 增量方式劃分模型應(yīng)用方式 方式劃分模塊是天津市綜合交通模型中的重要組成部分?？紤]到出行目的和家庭有無車 對于出行方式選擇的影響,在構(gòu)建模型時需要進行所謂的市場細分(Market Segmentaion)。本 模型將所有出行按出行者家庭有無車以及出行目的，作為劃分市場細分類別的主要因素。模 型的參數(shù)估計、調(diào)校和應(yīng)用都是在不同的細分類下進行的。7個主要的出行目的分別為HBW （基于家工作）、HBSch（基于家上學(xué)）、HBPK（基于家接送）、HBShop（基于家購物）、HBO （基于家其它）、JTW（非基于家工作）和NHB（非基于家其他）。上述7個出行目的同出行 者家庭有車、無車狀態(tài)相組合，共計形成了14個市場細分類。在進行增量logit模型應(yīng)用時， 將市場細分簡化為6個，仍然區(qū)分有無車，但對出行目的進行歸并，保留HBW和HBSch， 將余下的目的整合在HBO中，在模型應(yīng)用時使用HBO對應(yīng)的參數(shù)。 3.4 現(xiàn)狀基礎(chǔ)矩陣的獲取 由應(yīng)用的公式可知，獲得 BRT 系統(tǒng)的客流變化首先要獲取能夠準確反映走廊客流特征 的常規(guī)公交的矩陣以及同常規(guī)公交共同組成公共交通的軌道交通的矩陣。從現(xiàn)狀天津市綜合 交通模型中可以輸出軌道交通和常規(guī)公交的全日 PA 及早高峰 OD 矩陣，但這些矩陣只是在 全市范圍內(nèi)反映了總?cè)盏奶卣鳎枰谘a充數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行走廊客流特征的擬合。 6 表1全日常規(guī)公交矩陣調(diào)整后走廊斷面客流擬合情況表走廊上觀測點位雙向觀測流量合并雙向分配流量合并變化率天泰路181552118313.7%中山北路5002245677-8.7%中山路52067550075.6%福安大街9732511291014.0%南門外大街12216313931214.0%南京路9533394167-1.2%解放南路286673188811.2%衛(wèi)津路60322648987.6%衛(wèi)津南路5605651432-8.2% 表2早高峰常規(guī)公交矩陣調(diào)整后走廊斷面客流擬合情況表走廊上觀測觀測流量調(diào)整后流量變化率自南向北自北向南(自自南向北自北向南自南向北自北向南點位(自西向東)東向西)(自西向東)(自東向西)(自西向東)(自東向西)天泰路6411356703131610%-3%中山北路1187331511243138-5%-5%中山路1389329713773333-1%1%福安大街42173569437735554%0%南門外大街44255348445661331%15%南京路26005980267062033%4%解放南路144012401580110610%-11%衛(wèi)津路29622467317625647%4%衛(wèi)津南路2333271221942340-6%-14% 從進行調(diào)整后的矩陣分配得到的斷面流量看，全天和早高峰均已和觀測流量達到了較好 的吻合程度，可以作為增量方式劃分模型計算的基礎(chǔ)。進一步，可以按照綜合交通模型中` 各細分組在中區(qū)層面上的市場細分構(gòu)成，將反推得到全天及早高峰集計矩陣拆回到各個市場 細分組中，有利于增量方式劃分模型的使用。 3模型預(yù)測結(jié)果 3.1 總體指標變化 從總體指標變化情況看，常規(guī)公交出行量和客運量均有變化，其中客運量增長幅度要高 于出行量變化，體現(xiàn)在換乘系數(shù)上，BRT引入后換乘次數(shù)增加，這應(yīng)當(dāng)是由于將BRT線路集 中在走廊內(nèi)以及換乘優(yōu)惠政策帶來的換乘方便造成的。全網(wǎng)周轉(zhuǎn)量增長 7.3%，平均出行距 離由 8.6 公里增長到 9.0 公里，這是由于 BRT 線路一般只是將適當(dāng)線路保持或調(diào)整到走廊內(nèi)，