城際軌道交通客流預(yù)測(cè)方法研究

【摘 要】：伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，規(guī)劃建設(shè)城際間快速軌道交通已經(jīng)成為城市群城鎮(zhèn)體系發(fā)展的迫切需求。本文從城際軌道交通的特點(diǎn)出發(fā)，將城際軌道交通的客流分為城市內(nèi)客流與城市間客流，提出了采用競(jìng)爭(zhēng)分配的方法分別進(jìn)行客流預(yù)測(cè)的方法。
【關(guān)鍵詞】：城際軌道交通、客流預(yù)測(cè)、競(jìng)爭(zhēng)分配

伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，我國(guó)逐漸形成了以北京、上海、廣州為中心的三大都市群。在都市群內(nèi)部，城市與城市之間的巨大交通需求，使得常規(guī)的交通運(yùn)輸方式難以負(fù)荷。同時(shí)，由于常規(guī)運(yùn)輸方式速度慢，換乘不便，也造成了城市間的出行不便，影響了都市群城鎮(zhèn)體系的合理布局。因此規(guī)劃建設(shè)城際間快速軌道交通已經(jīng)成為城市群城鎮(zhèn)體系和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需求。
城際軌道交通的客流預(yù)測(cè)是指在一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下科學(xué)預(yù)測(cè)城市各目標(biāo)年度軌道交通線路的斷面流量、站點(diǎn)乘降量以及站間OD、平均運(yùn)距等反映軌道交通客流需求特征的指標(biāo)。上述指標(biāo)是城際軌道交通可行性研究和設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。
一、城際軌道交通及其客流需求特點(diǎn)
城際軌道交通沿途所經(jīng)區(qū)域既有城市的建成區(qū)，也有非建成區(qū)或未完全城市化的區(qū)域。它不僅承擔(dān)著城際間的旅客運(yùn)輸任務(wù)，同時(shí)也服務(wù)于城市內(nèi)部的居民出行需求。城際軌道交通不僅對(duì)于滿足城際間巨大的交通需求起著重要的作用，同時(shí)它對(duì)都市群區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的改變、城鎮(zhèn)體系的形成以及城市群產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整均有著重要的影響。對(duì)缺少大運(yùn)量交通系統(tǒng)的中等城市來說，城際軌道交通穿越其客運(yùn)主通道，也將對(duì)解決城市內(nèi)部交通擁擠問題起著積極的作用。
其次，城際軌道交通與城市內(nèi)部的軌道交通系統(tǒng)、公共交通系統(tǒng)以及都市群區(qū)域的公路、鐵路、水運(yùn)網(wǎng)絡(luò)甚至航空網(wǎng)絡(luò)緊密聯(lián)系在一起，使得城際間客流利用城際軌道交通的方式有更多的選擇可能性。同時(shí)，城際軌道交通系統(tǒng)和區(qū)域以及城市內(nèi)部的其它交通系統(tǒng)一起構(gòu)成了區(qū)域綜合交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。城際軌道交通系統(tǒng)和其它交通系統(tǒng)存在著一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但更重要的是相互銜接、相互補(bǔ)充的關(guān)系。只有多種交通方式相互補(bǔ)充、有效銜接，才能充分發(fā)揮綜合交通運(yùn)輸系統(tǒng)的綜合效益。這其中城際軌道交通起著骨干的、快速便捷的交通通道作用。
另外，由于城際軌道交通系統(tǒng)與城市內(nèi)部的軌道交通相互銜接，而城市軌道交通系統(tǒng)隸屬于各個(gè)城市，城際軌道交通系統(tǒng)又隸屬于其它部門，在線路上統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)管理存在著相當(dāng)大的困難。為兼顧城際間客流快速通過和城市內(nèi)部客流的需求，需要同時(shí)開通大站快車和一般快車。由于城際軌道交通線路可能較長(zhǎng)，旅客服務(wù)需求也較城市軌道交通的旅客服務(wù)需求復(fù)雜。
二、客流預(yù)測(cè)的基本思路
根據(jù)以上城際軌道交通的基本特點(diǎn)，我們提出將城際軌道交通的客流預(yù)測(cè)分為城際間客流和城市內(nèi)客流兩部分分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后進(jìn)行迭加的方法進(jìn)行。提出這一思路的基本考慮有如下兩點(diǎn)。一是因?yàn)槌鞘袃?nèi)部交通產(chǎn)生、分布、方式劃分的預(yù)測(cè)方法和城際間的交通需求預(yù)測(cè)方法不盡相同。二是即便用同樣的預(yù)測(cè)方法，其參數(shù)也不相同。此外，城市內(nèi)部軌道交通和城際間軌道交通吸引客流的費(fèi)用、方式等也不相同。
1．城際軌道交通城市內(nèi)客流預(yù)測(cè)
城市內(nèi)部客流預(yù)測(cè)方法有多種，在許多城市的軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃中也已充分運(yùn)用，本文不再詳細(xì)探討。本文采取以下方法進(jìn)行城市內(nèi)部的客流預(yù)測(cè)：應(yīng)用四階段法進(jìn)行城市客運(yùn)需求預(yù)測(cè)，得到公交類OD。將公交類OD在綜合公交網(wǎng)（常規(guī)公交+軌道交通）上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)分配，計(jì)算得到軌道網(wǎng)上各斷面的客流量、各站點(diǎn)的乘降量和站間OD，同時(shí)給出相應(yīng)的常規(guī)公交的分擔(dān)狀況以及對(duì)常規(guī)公交的疏散效果等。
2．城際軌道交通城際間的客流預(yù)測(cè)
首先，將全方式居民出行分為公路出行和鐵路、水運(yùn)等出行，由OD反推、同時(shí)通過相關(guān)城市居民出行調(diào)查獲取的有關(guān)參數(shù)，利用部分公路交通流量進(jìn)行校核的方法獲得公路出行的現(xiàn)狀OD分布，從現(xiàn)有鐵路、水運(yùn)等客運(yùn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到鐵路、水運(yùn)等出行OD分布，將上述二者加和便得到全方式OD，同時(shí)標(biāo)定重力模型，得到相關(guān)參數(shù)和K系數(shù)矩陣。然后預(yù)測(cè)目標(biāo)年各小區(qū)的交通發(fā)生與吸引量，再根據(jù)重力模型計(jì)算OD分布，最后在公路網(wǎng)、軌道網(wǎng)、鐵路網(wǎng)上進(jìn)行聯(lián)合分配。
3．客流預(yù)測(cè)的總體技術(shù)路線
總結(jié)以上思路，城際軌道交通客流預(yù)測(cè)總體技術(shù)路線見下圖：

4．幾點(diǎn)說明
1） 研究區(qū)域
由于城際軌道交通網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)緊密相連，城際軌道交通的某條或某段線路不僅承擔(dān)這段線路途經(jīng)區(qū)域（稱為A區(qū)域）的客流，而且可能承擔(dān)都市群區(qū)域間的過境客流或A區(qū)域與A區(qū)域外之間的客流。因此無論研究整個(gè)城際軌道交通線網(wǎng)的客流預(yù)測(cè)，還是研究城際軌道交通線網(wǎng)某條或某段線路的客流預(yù)測(cè)，都必須將整個(gè)城際軌道交通線網(wǎng)涉及的都市群區(qū)域作為研究對(duì)象區(qū)域。當(dāng)然在具體操作上，這條線路途徑的區(qū)域需要重點(diǎn)考慮，在小區(qū)劃分上進(jìn)行細(xì)化，其它研究區(qū)域則可以以大的行政區(qū)劃來進(jìn)行小區(qū)劃分。
2） 城際間客流與城市內(nèi)客流
本城際軌道交通客流預(yù)測(cè)方法從交通需求預(yù)測(cè)開始，分為城際間客流和城市內(nèi)客流兩條技術(shù)路線分別進(jìn)行預(yù)測(cè)。城市內(nèi)客流是指城際軌道交通承擔(dān)的城市內(nèi)部的客流。城市內(nèi)不是以城市的行政區(qū)劃劃分的，而是根據(jù)實(shí)際情況而定。例如在進(jìn)行珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)快速軌道交通一期工程即廣佛地鐵項(xiàng)目的客流預(yù)測(cè)時(shí)，由于廣佛地鐵途經(jīng)的佛山市區(qū)和南海市區(qū)聯(lián)連成一片，我們將佛山市區(qū)和南海市區(qū)一起做為城市內(nèi)部，其居民出行調(diào)查時(shí)也是同時(shí)進(jìn)行的。即將廣佛地鐵承擔(dān)的佛山市區(qū)內(nèi)部客流、南海市區(qū)內(nèi)部客流以及佛山市區(qū)與南海市區(qū)的之間的客流都認(rèn)為是城市內(nèi)部的客流。本文著重探討城際間的客運(yùn)需求預(yù)測(cè)和城際軌道交通城際間客流的預(yù)測(cè)方法。
三、城際間客運(yùn)需求預(yù)測(cè)
1．客流生成預(yù)測(cè)
在客流生成階段，主要解決各交通小區(qū)發(fā)生量與吸引量的問題。城際間交通的發(fā)生與吸引量的增長(zhǎng)主要與各城市的經(jīng)濟(jì)、人口、機(jī)動(dòng)車的增長(zhǎng)以及土地利用等密切相關(guān)。目標(biāo)年交通發(fā)生與吸引量的預(yù)測(cè)，可以以各城市基年交通發(fā)生或吸引量作為因變量，以基年GDP、人口、機(jī)動(dòng)車保有量、土地利用等作為自變量，來標(biāo)定各參數(shù)，然后根據(jù)目標(biāo)年各城市GDP、人口、機(jī)動(dòng)車保有量、土地利用等進(jìn)行預(yù)測(cè)。
由于都市群區(qū)域各城市出行特點(diǎn)的差別較大，用函數(shù)法進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，可能有較大誤差。可以考慮使用調(diào)整系數(shù)。
需要說明的是，現(xiàn)狀發(fā)生吸引量可以從現(xiàn)狀全方式OD中獲得?，F(xiàn)狀全方式OD可以由公路OD、鐵路OD、水運(yùn)OD、水運(yùn)OD、海運(yùn)OD、航空OD相加獲得。公路OD可以通過調(diào)查獲得的公路交通流量反推并經(jīng)校核后得到，鐵路OD、水運(yùn)OD、海運(yùn)OD、航空OD可以通過相應(yīng)的客流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得。如果水運(yùn)、海運(yùn)和航空在都市群和城際軌道交通線路沿線的總客運(yùn)量中所占比例較小，可以不予考慮。
2．客流分布預(yù)測(cè)
客流分布類似城市的客流分布預(yù)測(cè)，采用修正重力模型。用基年OD進(jìn)行標(biāo)定，獲得反映小區(qū)間特殊聯(lián)系的K矩陣和相應(yīng)參數(shù)，由此建立居民出行分布模型，并預(yù)測(cè)未來特征年居民城際間全方式出行OD表。
3．方式分擔(dān)預(yù)測(cè)
城際間的交通方式有公路、鐵路、城際軌道交通、航空、海運(yùn)和水運(yùn)。其中公路交通中又可以分為小汽車、長(zhǎng)途客車以及摩托車?？紤]城際間的出行運(yùn)用的交通方式較為復(fù)雜，而且采用何種交通方式和各種交通方式的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，因此，我們考慮運(yùn)用交通方式分擔(dān)與交通分配的聯(lián)合模型進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，即在公路、鐵路和城際軌道交通以及航空、海運(yùn)、水運(yùn)網(wǎng)絡(luò)組成的綜合交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上，通過公路上的小汽車、長(zhǎng)途汽車、摩托車以及鐵路和城際軌道交通、航空、海運(yùn)、水運(yùn)的行程時(shí)間、換乘時(shí)間、票價(jià)、舒適度等綜合費(fèi)用之間的競(jìng)爭(zhēng)來吸引客流，從而確定城際軌道交通承擔(dān)的客運(yùn)量。
四、城際間客流預(yù)測(cè)方法
1．路網(wǎng)設(shè)定
將由研究區(qū)域公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)、城際軌道交通網(wǎng)、水運(yùn)網(wǎng)、航空網(wǎng)、海運(yùn)網(wǎng)組成的綜合交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)作為客流預(yù)測(cè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。下圖舉例說明了一個(gè)城際軌道交通線網(wǎng)在換乘站與公路網(wǎng)的銜接方法。

城際軌道交通網(wǎng)絡(luò)與公路網(wǎng)的銜接

在圖2中，R1和R2兩條城際軌道交通線路在站點(diǎn)S1換乘，同時(shí)和公路B1換乘。通過設(shè)定如圖所示的換乘線段，可以方便的設(shè)定換乘費(fèi)用，記錄統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)換乘和上下客流。
2．交通分配基本參數(shù)的確定
1）路段走行時(shí)間函數(shù)
公路網(wǎng)上小汽車、長(zhǎng)途公共汽車和摩托車的路段走行時(shí)間函數(shù)采用美國(guó)道路局開發(fā)的BPR函數(shù)，即： 其中， 為路段自由流走行時(shí)間， 為路段交通量， 為路段通行能力。城際軌道線路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)、水運(yùn)網(wǎng)、海運(yùn)網(wǎng)和航空網(wǎng)的走行時(shí)間不考慮擁擠影響，只有最大運(yùn)送能力的限制。
2）運(yùn)營(yíng)速度
公路網(wǎng)上小汽車的和摩托車的自由流速度可以取公路的設(shè)計(jì)車速，而公路網(wǎng)上長(zhǎng)途公共汽車以及城際軌道交通、鐵路、水運(yùn)、海運(yùn)、航空等的速度根據(jù)實(shí)際情況確定。
3）公交費(fèi)率與換乘費(fèi)用
長(zhǎng)途公共交通和城際軌道交通的費(fèi)率一般采用距離費(fèi)率，也可以采用固定費(fèi)用或距離分段費(fèi)用制。在考慮換乘費(fèi)用時(shí)，需要考慮鐵路、航空、水運(yùn)、海運(yùn)的發(fā)車（或起飛、發(fā)船）頻率問題。
3．運(yùn)用組合模型的競(jìng)爭(zhēng)分配方法
在城際軌道交通的客流預(yù)測(cè)中，當(dāng)獲得城際間全方式OD之后，有兩種做法可得到城際軌道客流量。一是利用方式劃分模型直接劃分出城際軌道交通OD，再利用路網(wǎng)分配技術(shù)將軌道交通OD在軌道網(wǎng)上進(jìn)行分配；二是利用方式劃分和交通分配聯(lián)合模型將全方式公交OD在聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分配。
第一種方法在工程實(shí)際中會(huì)遇到許多問題：城際軌道交通OD的方式劃分是一次性完成的，劃分時(shí)參數(shù)標(biāo)定依據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是通過實(shí)際調(diào)查或者意向調(diào)查得來的，不能夠反映出綜合交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)客流的影響；城際軌道交通屬于干線交通，需要大量的接駁交通線路與各交通小區(qū)相連，這給軌道交通OD在軌道網(wǎng)上的分配帶來困難。
利用方式劃分和路網(wǎng)分配聯(lián)合模型實(shí)現(xiàn)在城際間全方式OD下軌道客流量的預(yù)測(cè)可以方便地解決上述問題，取得很好的預(yù)測(cè)效果。
1）交通方式的競(jìng)爭(zhēng)選擇
居民出行時(shí)對(duì)交通方式的選擇主要取決于交通方式的服務(wù)水平（效用U），體現(xiàn)在交通方式的旅行時(shí)間，費(fèi)用以及舒適度等。其中對(duì)中國(guó)城市的居民出行來說，旅行時(shí)間和費(fèi)用是最為敏感的兩個(gè)因素，也是我們進(jìn)行客流分析與預(yù)測(cè)時(shí)須著重考慮的因素。
選擇是交通出行過程中的重要組成部分，交通選擇的模型模擬在交通需求分析中十分重要而且常常是成功的交通規(guī)劃的先決條件，由于進(jìn)行受控制下的實(shí)驗(yàn)的可能性非常有限，所以經(jīng)驗(yàn)性的公式非常少。我們可以通過一些簡(jiǎn)化處理來對(duì)居民出行的選擇行為用定量化的模型進(jìn)行分析，通常有以下兩種選擇模型。
確定性選擇模型
這種模型假設(shè)人們的選擇是確定性的，當(dāng)居民在常規(guī)公交和軌道交通之間進(jìn)行選擇時(shí)，居民要選擇效用最大的交通方式。即在，當(dāng) 時(shí)，出行者選擇軌道交通，否則選擇常規(guī)公交。
隨機(jī)選擇模型
這種模型認(rèn)為人們的選擇要受到各種隨機(jī)因素的影響而具有一定的不確定性，效用大的選擇枝只具有較大的被選擇概率，而不是100%的被選中概率。隨機(jī)選擇模型中，較有代表性的為L(zhǎng)ogit模型，將Logit模型應(yīng)用于交通的選擇，軌道交通和常規(guī)公交被選中的概率分別為：
2）效用函數(shù)
效用函數(shù)一般用費(fèi)用（負(fù)數(shù)）來表示。除旅行費(fèi)用、停車費(fèi)用外，其它如旅行時(shí)間、換乘等均需換算為費(fèi)用。需要說明的是，由于城際間的出行可能距離較遠(yuǎn)，在一定距離之外，須將摩托車強(qiáng)迫性轉(zhuǎn)移走，即摩托車不參與競(jìng)爭(zhēng)分配。
3）交通量的分配
在處理每一個(gè)OD對(duì)間的交通量時(shí)，更新每條路段的客流量和旅行時(shí)間，搜索比較所有的有效出行路線，選擇最短路（出行效用最高）進(jìn)行確定性路網(wǎng)分配或在所有有效出行路線中進(jìn)行概率性分配，如此進(jìn)行下去，當(dāng)處理完最后一對(duì)OD后，便得到每一條路段的交通量。由此獲得城際軌道交通城際間客流預(yù)測(cè)的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：
[1] 陳慶琳．城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃與客流預(yù)測(cè)方法與模型研究．清華大學(xué)碩士論文，1999
[2] 陸化普．交通規(guī)劃理論與方法．北京：清華大學(xué)出版社，1998
[3] 陸化普等．珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)快速軌道交通一期工程廣佛地鐵客流預(yù)測(cè)報(bào)告．北京：清華大學(xué)交通研究所，2002