基于分形理论的河南省交通运输量预测

I基于分形理论的河南省交通运输量预测摘 要交通运输量是制定交通运输发展规划的重要依据。因此科学的对交通运输量进行分析和预测，准确的把握交通运输发展趋势及认清交通运输与本地区经济发展的紧密联系，对促进运输资源优化配置，全面提高全省的交通运输现代化水平，发挥各种运输方式的最大效率，提高政府决策的科学性，促进交通运输业规范而高速的发展，加快推进交通现代化，具有十分重要的意义。本文通过对河南省交通运输货运量的分析，对未来几年的走势进行预测。运用分形方法中的时间序列法，对货运量的数据进行分析和统计，建立分形预测模型。通过对以往数据的发展变化趋势进行分析建立现有数据与时间之间的对应关系，然后再利用这组数列，应 用 数 理 统 计 方 法 加 以 处 理 ， 以 预 测 未 来 几 年 的 发展 趋 势 。 通 过 对 模 型 中 的 维 数 计 算 ， 可 以 知 道 增 长 或 下 降 的 持 久 性 ， 以 及 增 长轨 迹 是 否 很 平 滑 ， 是 否 很 平 稳 。 最 后 对 预 测 的 结 果 进 行 分 析 ， 预 测 结 果 表 明 ，该 方 法 不 存 在 收 敛 性 问 题 ， 数 据 收 集 简 单 ， 计 算 过 程 简 单 明 了 ， 具 有 较 好 的 实用 性 。 货 运 量 时 间 序 列 分 析 进 一 步 表 明 了 预 测 的 合 理 性 ， 并 且 通 过 对 误 差 的 分析 处 理 ， 可 以 使 预 测 的 准 确 性 得 到 有 力 的 保 证 。 本 文 对 交 通 运 输 量 的 预 测 ，可 以 作 为 交 通 运 输 业 发 展 的 重 要 依 据 。关键词：交通运输，货运量，预测，分形理论，时间序列分析IIPREDICTION OF TRAFFIC VOLUME IN HENAN PROVINCE BASED ON FRACTAL THEORYABSTRACTTraffic volume is the development of transportation an important basis for development planning. Therefore, the transport capacity of science to analyze and predict accurately grasp the trend of transport development and transport in the region recognize the economic development of close ties, to promote the optimal allocation of transportation resources, and comprehensively improve the level of the province of modern transportation, Play a maximum efficiency of various transport modes, improve government decision-making more scientific, standardized and high-speed transport for the development and accelerating the modernization of transport have very important significance. Based on the analysis of freight transport in Henan Province, on the next few years, the trend was predicted. Fractal time series methods, analysis of data on freight and statistics, the establishment of fractal prediction model. Through the development trend of the previous data analysis of existing data and establish the corresponding relationship between the time, and then use this set of series, application of mathematical statistics to be addressed in order to predict the development trend of the next few years. By the dimension of the model calculation, we can see persistent growth or decline, and the growth trajectory is very smooth, it is very smooth. Finally, the predicted results of the analysis, prediction results show that the convergence problem does not exist, data collection is simple, and the calculation is simple and has good practicability. Freight volume time series analysis further indicated that the prediction is reasonable, and through the analysis of error processing, makes the prediction accuracy can be a strong guarantee. In this paper, the forecast traffic volume, can serve as an important basis for the development of the transport industry.IIIKEY WORDS： Transportation, cargo, prediction, fractal theory, time series analysisIV目录第一章 绪论 .11.1 研究的意义 .11.2国内外现状 .21.3 研究的内容 .4第二章 分形理论简介 .62.1 分形的定义 .62.2 分形理论的简介 .72.3 时 间 序 列 分 析 法 .8第 三 章 河 南 省 交 通 运 输 的 现 状 分 析 .103.1 公路 .103.2 铁路运输 .113.3 航空运输 .123.4 内河航运和管道运输 .12 第四章 基于分形理论的河南省交通运输量的预测 .154.1 河南省交通运输量模型的构建 .154.2 数据的采集和统计 .164.3 模型的求解 .164.4 结论分析 .19第五章 结论 .20参考文献 .21致谢 .231第一章 绪 论1.1 研究的意义伴随着经济社会的高速发展，改革开放30年的发展，河南省综合交通体系有了很大的发展，形成了以郑州为中心，以铁路干线和国、省道公路和航空线为骨干的综合交通体系，明显改善了河南交通的落后面貌，促进了经济的发展。但是现有的交通与地区的经济发展的要求相比，仍然处于供需矛盾的局面，从整体上看，交通运输仍是制约河南省经济社会跨越式发展的瓶颈，交通基础设施建设和建立综合交通体系面临艰巨的任务，交通枢纽、城市交通与交通干线之间的衔接不够顺畅,各种运输方式之间尚未形成有效的协调配合，运输设施缺乏统筹规划，交通资源未得到充分利用。另一方面，我省的经济发展水平仍然相对落后，财政状况很紧张，资金与建设需求的矛盾相当突出。 4交通运输量受许多因素影响，如发展水平、人口数量、自然条件等等的影响，而且还有季节性，如春运等等，因此在建立预测模型的时候，在不影响精度的条件下，对影响因素的重要性分析，应该建立简单的模型，然后通过借鉴以往研究的资料和分析相关文献对交通运输量进行分析和预测。交通运输量是制定交通运输发展规划、进行交通运输网布局、确定交通运输建设模型的重要依据，因此科学的对交通运输量进行分析和预测，准确的把握交通运输发展趋势及认清交通运输与本地区经济发展的紧密联系，对促进运输资源优化配置，全面提高全省的交通运输现代化水平，发挥各种运输方式的最大效率，提高政府决策的科学性，促进交通运输业规范而高速的发展，加快推进交通现代化，具有十分重要的意义。 521.2 国内外现状国内外交通量预测的方法很多，其中定量法常用的有移动平均法、指数平滑法、回归分析法，他们实现起来不是很方便，都需要建立函数模型来进行预测。与这些方法相比，神经网络有较强的映射能力、泛化能力、容错能力和很强的联想记忆能力，同时，也不需要建立函数模型，所以，用神经网络模型进行交通量预测是一种有效的方法。近年来，己有学者利用神经网络进行了交通量的预测(其中使用最多的是BP神经网络或他的变化形式)，构建了多种的模型，取得了一定的成就，但是我们认为日前构建的模型更多注重了方法的新颖，而忽视了模型构建的简洁性和实用性。 6“分形”一词在1975年由美国BM公司研究中心物理部研究员暨哈佛大学数学系教授MANDEL-BROTH 首次提出，表示不规则的、分散的、破碎的物体.分形理论是非线性科学研究领域十分活跃的1个分支，是20世纪有重大影响的成果之一，其研究对象是自然界和非线性系统中出现的不光滑和不规则的几何形体.分形理论的数学基础是分形儿何，已经迅速发展成1个新兴的数学分支.分形理论认为，分形内部任何1个相对独立的部分，在一定程度上都是整体的再现和缩影.这个观点指出部分与整体的信息同构，从而找到由部分过渡到整体的桥梁。分形的独特性还表现在用1个变量即分形维数描述整个系统，从而将系统由多变量转为单变量。 2统计预测的方法按性质来分可以分为定性预测法和定量预测法，定性预测法是以逻辑判断为主的预测方法。主要是根据所掌握的资料并结合各因素对事物发展的影响做出判断，并将此种判断定量化。该方法适用于缺乏历史统计资料事件的预。定量预测法是以数学模型为主的预测方法、一般有回归预测法、经济计量模型法和时间序列预测法。回归分析是研究变量与变量之间相互关系的一种数理统计方法，具体有一元线性回归、多元线性回归和非线性回归预测法。时间序列预测法是一种考虑变量随时间发展变化规律并用该变量的以往统计资料建立数学模型进行预测的方法。这类方法应用广泛，可以分为确定型和不确定型时间序列法。确定型时间序列法有移动平均法、指数平滑法、趋势外推法等。 7分形数学方法在交通流系统中的应用研究有了一定的成果。早在1995年，沃杰克等人就开始尝试运用多重分形进行交通流数据的短期预测。1996年，匈牙利3理论物理学家韦斯特开始正式将分形引入交通流理论。1998年，内切尔哈特等人提出分形交通一词，提出通过规范分形交通固有的可变性来提高网络的运行效率。2000年，托马斯和汉森利用流量和占有率分形维数建立交通事件检测模型。该模型在车道突发拥堵事件检测和低交通量或非高峰期运行良好，并指出如果将速度与占有率的分维数作为人工神经网络事件检测模型的输入，会大大的改善后者的性能。 11根据预测建立的模型一般包括比例系数模型、回归分析模型、时间序列模型、概率型预测模型、主要有投人产出模型和马尔可夫过程模型等几种。由于上述各种类型的预测模型的出发点不同，故它们的模型结构、计算工作量及适用范围都不尽相同，但其建模的方法主要是回归分析法、经验法、概率模型法3种。不论哪种方法，都是依据以往所积累的历史数据而得出一般规律，均属于静态预测的范畴。AC 算法，建立了基于 GMDH 下产品销售收入预测模型，并结合 BP 神经网络，最终建立了最优组合预测模型、通过验证，得出的方法.不仅改善了模型对数据样本的拟合精度.而且提高了模型的预测能力、使用 knowledge miner 数据挖掘组合预测模型在预测中的应用，应用数据处理的 GMDH 自回归算法、软件，以及 MATLAB 神经网络工具箱，分别得到 GMDH 和 BP 神经网络的预测值。再利用平稳时间序列进行分析预测得到 ARMA 模刑的预测结果。由于以上几种模型在单独进行预测时，各有一定的局限性，不易保证预测结果的准确性，因此建立组合预测模型进行预测，以期达到模型间的优势互补效果。使用多元线性回归方法来求解组合预测中各个模型的权重值，从各种模型的预测结果与实际数据的对比来看，组合预测模型比四个单独的预测模型的预测效果均有显著的改善，组合预测模型显然优于其他单独预测模型。 2时间序列预测是利用统计方法进行预测。它是通过对现有数据的发展变化趋势进行分析建立现有数据与时间之间的对应关系。时 间 序 列 是 按 时 间 顺 序 的 一组 数 字 序 列 。 时 间 序 列 分 析 就 是 利 用 这 组 数 列 ， 应 用 数 理 统 计 方 法 加 以 处 理 ，以 预 测 未 来 事 物 的 发 展 。 时 间 序 列 分 析 是 定 量 预 测 方 法 之 一 ， 它 的 基 本 原 理 ：一 是 承 认 事 物 发 展 的 延 续 性 ， 应 用 过 去 数 据 ， 就 能 推 测 事 物 的 发 展 趋 势 ， 二是 考 虑 到 事 物 发 展 的 随机性。模型中的因变量是现有的数据，自变量是对的时模型中的因变量是现有的数据，自变量是对的时间。由于这种方法没有考虑影响现有量变化的诸多因素，因此预测结果的准确性不高。 134人工神经网络作为一种并行的计算模型，具有传统建模方法所不具备的很多优点，它有很好的非线性映射性能，对被建模对象的经验知识要求不多，一般不必事先知道有关被建模对象的结构、参数和动态特性等方而的知识，只需给出对象的输入、输出数据，通过网络本身的学习功能就可以达到输入与输出的映射关系的完全符合。广义回归神经网络在逼近量、分类量和学习速度上较BP网络和RBF网络有着较强的优势，网络最后收敛于样本量集聚较多的优化回归面，并且在样本数据缺乏时，预测效果也比较好，此外，网络还可以处理不稳定的数据。4其中趋势型及增长型交通量的预测己经有了较为成熟的经验和模式，而转移交通量国内目前尚无较为系统的计算模式。 建立联立方程计量经济模型，当模型确定后，样本期之后的时间截而数据上的内生变量实际观测值己经知道，这样就有条件对模型系统进行预测检验。 15目前，预测技术发展已形成了众多的方法，据不完全统计已达150种以上。预测技术与计算机技术相结合在国民经济生产各部门得到了广泛应用。目前，用得更多的预测方法是时间序列方法( 移动平滑法、指数平滑法、随机时间序列方法 )、回归分析法、以及近年出现并得到广泛应用的灰色预测方法和作为多种方法综合的组合预测方法。这些方法大都集中在对其因果关系回归模型和时间序列模型的分析上，所建立的模型不能全面和本质地反映所预测动态数据的内在结构和复杂特性，从而丢失了信息量，造成预测的准确性不足。1.3 研究的内容通过对河南省交通运输的货运量的统计调查，查找河南省近几年的货运量作为现有数据，了解河南省近几年货运量变化的趋势，以及河南省的交通运输的现状，对河南省交通现状进行分析，找出优缺点进行比较和分析，找到解决的办法，使河南省交通运输业可以更好的发展，完善交通运输网。然后再利用分形理论对现有的数据进行处理，构建河南省货运量的分形布朗运动模型。通过布朗模型的建立以及计算分析，最后再根据求得的数据确定其持久性，准确预测出河南省未来几年货运量的趋势和走向。5第二章 分形理论简介分形理论是近30年产生的一个新兴理论，属于非线性理论中的一个分支。已在众多领域中得到应用，其主要的价值在于在极端有序和真正混沌之间提供了一种可能性，使人们可以抛开复杂的表面现象, 从中提取本质的、规律性的东西，从而大大拉近了人们的认知能力和所研究问题的复杂性之间的距离。2.1 分形的定义分形这个名词是Mandelbrot在20世纪70年代为了表征复杂图形和复杂过程首先引入自然科学领域的，它的原意是不规则的、支离破碎的物体。在现实生活中的很多时间序列，以时间为横坐标，各个观测数据为纵坐标，各个点相连就形成一条折线。对这种非光滑的、不可微分的分形曲线，用经典数学处理非常困难，而用分形理论则比较容易描述。分形理论的诞生，为时间序列分析提供了崭新的途径，通过对时间序列所具有的分形行为进行研究可以从一个崭新的角度分析和预测时间序列的特征和规律。时间序列模式就是从时间序列中寻找变化规律并建立有关数学模型，从而获得系统的有关信息，预测未来的发展趋势，以揭示自然现象间的本质联系和内在规律性，从而有效地对客观现象及其变化规律进行预测和控制，研究发现时间序列记录的结果具有自仿射特征，从而运用分形理论中的R/ S 分析方法，可以预测这种具有分形特征的时间序列，找出其变化规律，并预测其发展趋势。在实际中获得的时间序列大致有两类：一是按照连续时间进行观测或记录，一是按照离散时间进行观测和记录,本文采用的是连续时间进行的记录。 8研究对象是自然界和非线性系统中出现的不光滑和不规则的几何形体.分形理论的数学基础是分形儿何，已经迅速发展成 1 个新兴的数学分支.分形理论认为，分形内部任何 1 个相对独立的部分，在一定程度上都是整体的再现和缩影.这个观点指出部分与整体的信息同构，从而找到由部分过渡到整体的桥梁。分形的独特性还表现在用 1 个变量即分形维数描述整个系统，从而将系统由多变量转为单变量。分 形 的 特 点 是 整 体 与 局 部 具 有 自 相 似 特 性 ， 而 全 息 则 是 整 体 的 特 征 包 含在 局 部 之 中 ， 每 一 个 局 部 都 可 以 上 升 为 相 似 性 的 整 体 ， 所 以 ， 分 形 可 以 看 作 是6全 息 的 一 部 分 。 分 形 的 自 相 似 在 概 括 分 形 的 特 性 上 似 乎 有 局 限 性 ， 但 已 经 将 分形 具 有 的 特 征 表 达 出 来 了 。 102.2 分形理论的简介分形理论是当今世界十分风靡和活跃的新理论、新学科。分形的概念是美籍数学家曼德布罗特首先提出的。1967年他在美国权威的科学杂志上发表了题为英国的海岸线有多长的著名论文。海岸线作为曲线,其特征是极不规则、极不光滑的,呈现出蜿蜒复杂的变化。我们不能从形状和结构上区分这部分海岸与那部分海岸有什么本质的不同,这种几乎同样程度的不规则性和复杂性,说明海岸线在形貌上是自相似的,也就是局部形态和整体形态的相似。在没有建筑物或其他东西作为参照物时,在空中拍摄的100公里长的海岸线与放大了的10公里长海岸线的两张照片,看上去会十分相似。事实上,具有自相似性的形态广泛存在于自然界中,如:连绵的山川、飘浮的云朵、岩石的断裂口、布朗粒子运动的轨迹、树冠、花菜、大脑皮层曼德布罗特把这些部分与整体以某种方式相似的形体称为分形(fractal)。1975年,他创立了分形几何学。在此基础上,形成了研究分形性质及其应用的科学,称为分形理论。 17分形理论已在众多领域中得到应用，其主要的价值在于在极端有序和真正混沌之间提供了一种可能性，使人们可以抛开复杂的表面现象, 从中提取本质的、规律性的东西，从而大大拉近了人们的认知能力和所研究问题的复杂性之间的距离。随着对随机图研究的深入，许多研究开始考虑节点数量众多、连接结构复杂的实际网络的整体特性，从众多学科中掀起了研究复杂的真实网络的热潮，甚至被称之为 “网络的新科学”，真实网络作为复杂系统的一个模型得到了深入的研究和广泛的应用。然而现实的复杂系统存在着大量的分形结构，因此，能否采用分形研究真实复杂网络的特性，这对探讨真实系统的分形特性具有重要的意义。对于某些真实网络比如 WWW、社会网络、细胞网络等在某种长度 标度下确实存在类似于分数维的自相似指数，具有某种内在的自相似性。自相似分形特性的涌现成为目前真实网络研究的热点之一。 20分形理论是近30年产生的一个新兴理论，属于非线性理论中的一个分支。关于分形，目前还没有严格的数学定义，只能给出描述性的定义。粗略地说，分形是对没有特征长度但具有一定意义下的自相似性图形和结构的总称。它具有两个7基本性质：自相似性和标度不变性。自 相 似 原 则 和 迭 代 生 成 原 则 是 分 形 理 论 的重 要 原 则 。 它 表 征 分 形 在 通 常 的 几 何 变 换 下 具 有 不 变 性 ,即 标 度 无 关 性 。 由 自相 似 性 是 从 不 同 尺 度 的 对 称 出 发 ,也 就 意 味 着 递 归 。 分 形 形 体 中 的 自 相 似 性 可以 是 完 全 相 同 ,也 可 以 是 统 计 意 义 上 的 相 似 。 21分 形 是 不 规 则 的 集 合 ， 如 何 定 量 规 划 分 形 的 不 规 则 性 呢 ?维 数 是 分 形 理 论中 一 种 最 基 本 的 维 数 ， 但 是 ， 在 多 数 情 况 下 ， 计 算 一 个 分 形 集 合 的 维 数 是 复 杂而 困 难 的 .因 此 寻 找 一 种 既 能 表 示 分 形 的 复 杂 性 又 便 于 计 算 或 直 观 估 计 的 分 形 维数 是 十 分 必 要 的 。2.3 时 间 序 列 分 析 法我 们 本 次 研 究 用 的 是 时 间 序 列 法 ， 不 做 具 体 量 的 研 究 ， 而 做 定 性 的 研 究 ，预 测 其 发 展 趋 势 及 走 向 。 时间序列预测法是一种历史资料延伸预测，也称历史延伸预测法，它承认事物发展的延续性，运用过去的数据，就能推测事物的发展趋势，是以时间数列所能反映的社会经济现象的发展过程和规律性，进行引伸外推，预测其发展趋势的方法，时 间 序 列 ， 也 叫 时 间 数 列 、 历 史 复 数 或 动 态 数 列 。该 预 测 方 法 简 单 易 行 便 于 掌 握 ， 适 用 于 许 多 数 据 的 预 测 。 它 是 将 某 种 统 计 指 标的 数 值 ， 按 时 间 先 后 顺 序 排 到 所 形 成 的 数 列 。 时 间 序 列 预 测 法 就 是 通 过 编 制 和分 析 时 间 序 列 ， 根 据 时 间 序 列 所 反 映 出 来 的 发 展 过 程 、 方 向 和 趋 势 ， 进 行 类 推或 延 伸 ， 借 以 预 测 下 一 段 时 间 或 以 后 若 干 年 内 可 能 达 到 的 水 平 。 22这 种 方 法 先 是 对 历 史 数 据 做 一 个 统 计 ， 再 把 统 计 数 据 按 时 间 发 生 的 先 后 顺序 进 行 排 列 得 出 的 一 连 串 数 据 ， 利 用 该 数 据 序 列 外 推 到 预 测 对 象 未 来 的 发 展 趋势 。 其内容包括：收集与整理某种社会现象的历史资料；对这些资料进行检查鉴别，排成数列；分析时间数列，从中寻找该社会现象随时间变化而变化的规律，得出一定的模式；以此模式去预测该社会现象将来的情况。先 建 立 时 间 序 列 模 型 ，模型中的因变量是现有的数据，自变量是对的时间或年份，再 对 模 型 进 行 分 析 和计 算 ， 通 过 拟 合 得 到 一 条 直 线 ， 该 直 线 的 斜 率 就 是 所 谓 的 H指 数 ， 而 分 维 数D=2-H。 而 分 维 数 就 表 明 了 它 的 发 展 趋 势 和 走 向 ， 以 及 它 在 未 来 时 间 里 增 长 或下 降 的 持 久 性 ， 然 后 通 过 拟 合 最 小 二 乘 法 的 一 条 直 线 ， 来 看 变 化 的 平 滑 性 ，以 及 平 稳 性 。 从 而 使 预 测 更 见 的 合 理 性 。 238第 三 章 河 南 省 交 通 运 输 的 现 状 分 析交通运输是国民经济的基础性产业，它是现代社会的生存基础和文明标志，它是县域工业化、城乡一体化的重要载体。交通运输是调整产业结构、发展现代物流业、促进消费结构逐步升级不可或缺的重要条件。交通运输又是服务性行业，与人民群众生活息息相关。因此，加大政策性资金投入的力度，扩大交通供给能力，不断提高运输服务水平，既是适应经济发展的需要，也是适应人民生活水平不断提高的客观要求。 16河南省针对人口众多、土地、能源等人均资源短缺的现状，工业化进程加快和产业结构调整对能源、原材料运输能力的要求，不断更新思路，公路尤其是高速公路的建设，形成了快速发展之势，河南省高速公路通车里程居全国第一。“双十字”结构的铁路枢纽，郑州、洛阳、周口、南阳等四市率先完成环城高速，全国重要节点城市，中部物流黄金大通道，中部崛起就是河南领先崛起，交通运输大发展促成商界新一轮的逐鹿中原。3.1 公路加快河南交通运输能力建设，不仅是河南省发展的需要，中部地区发展的需要，而且是提高全国路网通行能力的需要。2005年11月，交通部在河南考察后决定，支持河南省建设成为全国公路交通网络枢纽中心，把河南省作为“十一五”期间支持中部崛起的重点，从交通规划、投资、科技等方面全方位予以支持。并将把河南作为中部地区客运枢纽和物流中心建设的试点推行。同时，还将从资金上支持河南省把省会郑州建成高速客运中心和物流中心。这一系列的政策、资金支持，是河南道路运输事业快速发展的春天。公路运输由于具有灵活、快捷、“门到门”的优势，是物资供应链中不可缺少的“ 输送带”。翻开河南省道路运输业的史册，扑入眼帘的是这样一组数字：到2005年底，全省营运车辆达68万辆，其中营运客车7.78万辆，货车29.9万辆。全年可完成公路旅客运输量达9亿人次，旅客周转量达到400亿人公里。公路货物运量5.7亿吨，货物周转量415亿吨公里，汽车检测站69个，汽车驾校210多所，从业人员160余万人。纵横河南的106国道、107国道、312国道，京港澳（北京-香港-澳门）、连霍（连云港-霍尔果斯）、沪陕（上海9-西安）、宁洛（南京-洛阳）、二广（二连浩特-广州）、许平南（许昌-平顶山-南阳）、京珠（北京-珠海）等高速公路组成的四通八达的交通网络覆盖全省地市，为实现省会郑州半小时经济圈奠定了坚实基础。农村公路总里程21.4万公里，居全国第一 。2005年以来，河南省组织实施了大规模的农村公路建设，四年间，累计完成投资252 亿元，新建、改建农村公路 9万公里。2005至2007 年，全省以通村公路为重点实施了“ 村村通”工程建设， 3年时间，有计划、分步骤地完成了近 3万个行政村道路的改造任务，完成投资186亿元，新、改建农村公路7.5万公里，到2007年底，实现了全省所有建制村通水泥( 油)路的目标。从 2008年开始，全省农村公路建设围绕“乡乡联、县县畅” 的目标，重点已向县乡道建设和危桥改造，着力提高农村公路网整体通行能力和路况水平，2008年当年完成投资66亿元，新、改建农村公路1.5万公里，改造桥梁1万延米。借助“中部崛起，交通先行”的春风，进一步规范道路运输市场，培育道路客运经营主体，强力打造中原公路运输品牌就显得尤其重要，也是天时、地利、人和的最佳时机。目前，河南省的高速公路通车里程已达4500多公里，居全国第一。全省107个县级区域已基本实现县县通高速，47个县域通2条及2条以上高速公路。3.2 铁路运输铁路既是社会经济发展的重要载体之一，同时又为社会经济发展创造了前提条件。河南省会郑州是我国最为繁忙的两大交通大动脉京广、陇海铁路的交汇处。北距首都北京760公里，南距枢纽城市武汉514公里，东距连云港570公里，西距名城西安480公里，为河南铁路运输带来了前所未有的便捷。“十五”期间，以扩能提速改造为重点，完成了陇海铁路郑州至徐州段、新乡至月山铁路电气化改造和河阳（漯河-阜阳）、汤台（汤阴-台前）地方铁路改建工程，宁西（南京-西安）铁路建成通车，郑州至西安高速铁路客运专线开工建设，电气化铁路和复线铁路的比重不断增加，运输能力显著提高。截至2005年底，全省铁路正线营运里程达到3761公里中国家铁路2549公里(电气化铁路1403公里)，五年新增铁路506公里；地方铁路1212公里(准铁轨442公里)。石家庄-武汉铁路客运专线河南段开工建设，郑州-重庆铁路进入规划阶段，郑西、郑徐客运专线10进入建设高潮，构建全国高速铁路客运“十” 字新通道已经确立，加之原有的焦柳(焦作-柳州)铁路以及运三襄(运城-三门峡-襄樊)铁路，河南铁路的双“十”字的战略布局即将形成。3.3 航空运输航空运输作为一种最为快捷的运输方式，随着河南经济的快速发展也逐渐硕果累累。郑州新郑国际机场建成投用后不断开辟国内和国际航线，旅客吞吐量和货邮吞吐量逐年上升。2005年，旅客吞吐量达到296.93万人次，“十五”期间年均增长13%；货邮吞吐量达到4.47万吨，年均增长16.7%。随着河南省航空运输业的强势增长，第一季度，河南省航空运输业入库各项税收达到3800万元，同比增长66.81，增收1522万元，航空运输业的税收首次季度突破3000万元大关。目前郑州新郑国际机场通航城市46个，有8家航空公司开辟航线43条，每周航班640架次，新郑国际机场已成为我国重要的干线机场和八大空中枢纽之一。洛阳、南阳机场也不断开辟新航线、拓展新业务，运输形势逐年好转。河南航空运输事业业已形成中部地区强有力的航空枢纽。3.4 内河航运和管道运输河南大部分地区处于北方，河道虽广，但大都不能通航货运，部分航运依靠黄河汛期来完成。南部的信阳、南阳2个地市处于秦岭-淮河南北方分界线上，雨量充沛，水网密集。为了弥补航运的不足，河南省实施了沙颍河周口至省界复航工程、黄河小浪底库区航运开发建设一期工程和淮河至润河集段航道治理一期工程。沙颍河周口至省界段复航工程已全部完成，实现了从周口直达华东地区的水上通航，成为河南省第一条通江达海的水上通道。截至2005年年底，河南省内河航道通航里程达到1439公里，其中四级航道132公里、五级航道452公里、六级航道855公里。西气东输工程全部完成，长距离输油、输气管道网进一步完善与增强。2005年年底，全省油气长输管道达到2368公里，其中输气管道1998公里，输油管道370公里，成为河南能源输送的强有力保障。总的来说，河南省公路干支结构不尽合理，一级公路发展缓慢，一般干线公11路技术标准偏低；交通枢纽、城市交通与交通干线之间的衔接不够顺畅；各种运输方式之间尚未形成有效的协调配合，运输设施缺乏统筹规划，交通资源未得到充分利用。河南省境内的京港澳、连霍国道主干线及部分国道、省道交通量快速增长，拥堵现象日趋严重；国家铁路运力紧张的局面仍未得到根本改变，地方铁路运输通道尚未形成；全省现有的郑州、洛阳、南阳3个民航机场基础设施条件需进一步改善。但是基础设施总量不足，综合运输网络尚待完善，交通基础设施网络结构不尽合理，各种运输方式缺乏有效衔接，各种运输方式之间尚未形成有效的协调配合，运输设施缺乏统筹规划，交通资源未得到充分利用成为当前制约河南省交通运输业发展的瓶颈。 18运输枢纽为重点，进一步提高和完善各种运输方式的功能，巩固和提升河南省在全国构建完善综合交通枢纽，加强多种交通方式的衔接，以建设综合性交通综合交通体系中的枢纽地位。进一步完善和提升郑州、洛阳、南阳、商丘、信阳、新乡、月山7个铁路枢纽的功能。以高速公路和国省干线公路为依托，建设和完善郑州、洛阳、开封、新乡、商丘、信阳、南阳、漯河8个公路枢纽，新改建一批市、县(市)客货站场及物流中心。以县乡公路为依托，完成全省全部乡镇客运站及部分农村招呼站建设，新改建部分乡镇货运站场。形成以郑州为中心，7个铁路枢纽、8个公路枢纽、1个航空枢纽为骨架，省、市、县、乡四级场站为网络，覆盖全省，辐射周边，服务全国的交通运输枢纽。依靠科技进步，推进交通运输信息化和智能化建设加快推进交通现代化是当前快速发展河南省交通运输业的重中之重。广泛应用计算机技术和网络技术等高新技术，推行运输经营、管理、组织、服务信息化，构建综合运输信息服务平台和物流公共信息平台；积极推动交通智能技术的研发与推广应用，全面提高全省的交通运输现代化水平；加快各种运输方式的装备现代化，不断提高全行业的运行效率，逐步与国际接轨；加强人才队伍建设，提高从业人员专业素质。严格执行中华人民共和国道路交通安全法，提高全民的守法意识和交通安全意识；加快研究推广新的安全设施、设备和技术；建立统一协调的综合交通安全保障和应急机制，完善交通事故紧急救援体系。通过不断地探索，河南省的交通运输事业定将会以新时代为契机，以崭新的高度屹立于中华大地。 1912第四章 基于分形理论的河南省交通运输量的预测由河南省的交通运输现状可知，河南省公路干支结构不尽合理，一级公路发展缓慢，一般干线公路技术标准偏低；交通枢纽、城市交通与交通干线之间的衔接不够顺畅；各种运输方式之间尚未形成有效的协调配合，运输设施缺乏统筹规划，交通资源未得到充分利用。根据这些问题，尽量构建较为简单的模型，然后通过模型的研究和分析对交通运输量进行分析和预测。4.1 河南省交通运输量模型的构建本文采用的是时间序列分析方法，这 种 方 法 先 是 对 历 史 数 据 做 一 个 统 计 ， 再把 统 计 数 据 按 时 间 发 生 的 先 后 顺 序 进 行 排 列 得 出 的 一 连 串 数 据 ， 利 用 该 数 据 序列 外 推 到 预 测 对 象 未 来 的 发 展 趋 势 。 先 建 立 时 间 序 列 模 型 ， 模型中的因变量是现有的数据，自变量是对的时间或年份，再 对 模 型 进 行 分 析 和 计 算 ， 通 过 拟 合 得到 一 条 直 线 ， 该 直 线 的 斜 率 就 是 所 谓 的 H指 数 ， 而 分 维 数 D=2-H。 而 分 维 数 就表 明 了 它 的 发 展 趋 势 和 走 向 。首 先 建 立 分 形 布 朗 运 动 模 型 ， 根 据 分 形 布 朗 运 动 模 型 ， 当 H 不 等 于 1/2时 ，意 味 着 持 久 性 ， 即 所 研 究 的 时 问 序 列 不 是 相 互 独 立 的 ， 而 是 相 关 的 。 进 一 步 研究 表 明 ， 当 H 1/2时 ， 即 D 3/2， 用 平 均 的 观 点 看 ， 过 去 的 增 长 意 味 着 将 来 的一 个 增 长 趋 势 ;反 之 亦 然 ， 过 程 就 有 持 久 性 ， 并 且 D越 趋 近 于 1,其 持 久 性 越 强 ，运 动 轨 道 越 平 滑 。 而 当 H 1/2时 ， 过 去 的 增 量 与 未 来 的 增 量 负 相 关 ， 过 程 具 有反 持 久 性 。对 于 某 一 个 时 间 间 隔 均 匀 的 时 间 序 列 Q(t)， （ t=1,2,3） ， 在 时 间 间 隔T内 的 均 值 为 ：=1/T （T=1,2,3） (4-1) ()tQ在 t时 刻 ， 时 间 序 列 的 累 计 离 差 为 ：V(t)= -t (4-2)1()Ttt极 差 为 ：13R =Vmax -Vmin （1t T） (4-3)()T()()T标准差为：S = （T=1 ,2,3） (4-4)()2t1/ Q()-同时，=（ aT） H R(T) S式中 a 为常数，对上式两边取自然对数可得： =HT +Ha (4-5)()S在对研究的时间序列回归分析，直线的斜率就是该序列的 H 指数，而分维数 D：D=2-H4.2 数据的采集和分析以河南省的交通运输货运量为例，从 2002 年到 2009 年的货运量都可以由河南省统计年鉴中查出，经过统计和计算为下表（万吨）表 4.1 河南省货运量的数据统计年份 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009货运量 68397 69689 73796 78827 86608 101410 138392 169636由数据可以看出是增长的，但是增长的趋势和持久性得经过模型的求解得出。4.3 模型的求解根据上面建立的模型，以年份作为自变量（T）,而把货运量作为变量 ，()Qt同模型建立函数关系。然后再对货运量的模型进行求解。将河南省的货运量依次代入公式(4-1)计算可得：=(68397+69689+73796+78827+86608+101410+138392+169636)/8=98344.375然 后 再 求 模 型 的 累 计 离 差 V， 即 将 以 及 货 运 量 代入公式 (4-2)，在 利 用 数 ()Qt学 方 法 求 得 ：V (1) =68397-98344.375=-29947.375,14V (2) = (68397+69689)-2*98344.375=-58602.75V (3) =-83150.125V (4) =-102667.5V (5) =-114403.875V (6) =-74356.25V (7) =-3064.625V (8) =0将 求 得 的 累 积 离 差 V(t)代 入 公 式 (4-3)求得模型的极差R（T）：R (2) =28655.375R (3) =53202.75R (4) =72720.125R (5) =84456.5R (6) =84456.5R (7) =111339.25R (8) =114403.875再将上面求得的 以 及 货 运 量 ，代入公式(4-4)得标准差S ： ()Qt ()TS (2) =29308.497S (3) =27812.455S (4) =25921.048S (5) =23771.18S (6) =21736.074S (7) =25180.926S (8) =34498.278将上面求得的极差 R（T）和标准差 S 代入公式(4-5)求得：()T =-0.02(2) =0.65(3)S =1.03(4)R15 =1.27(5)RS =1.36(6) =1.49(7)RS =1.54(8)模型中 T=2,3,48,9，从而求出 ：2T =02 =0.43 =0.742 =0.95 =1.162 =1.37 =1.482然后以 为纵坐标，以 为横坐标，利用最小二乘法拟合出一条直线，()RTS2T结下图所示：16-1.0-. Y=0.1406+1.08XY ln(R/S)X ln(T/2)图 4-1 R/S 拟合直线由 origin 软件中的数据，可以知道斜率 H：H=1.08则分维数 D=2-1.08=0.924.4 结论分析由求得的分维数可知，其值小于 1.5，所以 2002 到 2009 年之间的货运量的增长具有较强的持久性，分维数不是很接近 1，表明货运量的变化轨迹不是很平滑，在一定程度上表明了预测的合理性，预示着今后几年货运量的分形增长规律与过去相同。河南省的货运量在未来较长的时间内还会保持增长的趋势，并且具有较强的持久性，对分维数的计算也较为严谨，保证了结果的准确性，总的说来预测是合理的。17第五章 结 论通过上述方法最后建立的交通运输量预测模型满足预测要求，据此做出的预测值也是可行的，由河南省货运量在 2002 年到 2009 的时间序列分析得出的分维数，预示今后一段时间内，货运量总体还是会保持增长的趋势，而且维数不是很接近 1，表明增长的轨迹不是很光滑，增长的趋势不够平稳，主要是因为 2008 年的奥运会在中国举办，奥运前后各项建设和物流活动繁忙，导致 2007-2009 年的货运量增长较快。但是随着我国经济的飞速发展，河南省的中部崛起，河南省的交通运输业也会得到很大的改善，所以，本文的预测结果可以为河南省交通运输基础设施建设提供一