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武汉理工大学 硕士学位论文 武汉市汽车保有量预测研究 姓名：张栓柱 申请学位级别：硕士 专业：物流管理 指导教师：张庆年 20091201 武汉理j 大学硕士学位论文 中文摘要 随着我国社会经济的发展和机动化水平的提高，我国汽车保有量有着快速 的增长，给人们带来便捷、快速的出行，但同时也引发一系列问题：城市道路 交通供需矛盾突出、道路交通安全严重、道路交通环境污染、交通能源消耗过 大等，城市交通成为城市发展所关注的焦点问题。汲取发达国家的经验和教训， 走可持续发展道路，建立起符合经济社会可持续发展要求的高效、经济、协调、 环保、安全的交通运输体系，是解决城市交通的根本途径。汽车保有量的研究 是城市道路交通规划的一项基础性工作，如何准确的预测城市汽车保有量，对 于城市交通规划与管理以及城市交通的可持续发展有着重大意义。鉴于此，本 文对传统神经网络进行了改进，提出了基于主成分分析和遗传算法的b p 神经网 络模型，对武汉市的汽车保有量进行预测，以期对武汉市的城市道路交通规划 有一定的借鉴意义。 本文首先分析了世界汽车产业的四个发展阶段，从道路交通基础设施、交 通安全、交通环境污染、汽车保有量等几个方面对国内外的道路交通状况进行 了对比分析，得到如下结论：尽管我国道路交通总体水平不断提高，但同发达 国家相比仍有较大差距。其次，本文从社会经济因素、价格因素、交通基础设 施以及政策因素四个方面分析了汽车保有量的影响因素。 本文从影响因素入手，选取人口、生产总值、社会客货运输量、道路长度 等十一个指标对汽车保有量进行预测，建立了基于主成分分析和遗传算法的神 经网络模型。首先对这些指标进行主成分分析，用主成分来代替所有指标，减 少了神经网络的输入数据维数。然后，充分发挥遗传算法的全局寻优能力，用 遗传算法优化神经网络，确定神经网络的初始权值，进而利用神经网络进行预 测，提高了神经网络的稳定性和运算效率，取得了较好的效果。同时本文尝试 引入政策变量来解释汽车保有量的奇异数据，以更好的模拟外界不确定影响因 素所引起的突变。 基于发展可持续交通的考虑，本文建立了时空资源约束下的路网容量模型， 并采用运营时问修正系数、路网综合使用频率系数等来修正该模型，以更好的 反映城市道路交通实际情况。本文运用路网容量模型求出武汉市道路交通所能 承受的最大汽车保有量，得到武汉市的整体路网负荷度，并与武汉市道路现状 进行了比较分析，希望对武汉市交通的可持续发展有一定参考价值。 关键词：汽车保有量；遗传算法；神经网络；路网负荷度 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fu r b a nm o t o r i z a t i o n d e g r e e ，o u rc o u n t r y sc a l “ o w n e r s h i ph a si n c r e a s e dr a p i d l y i tm a k e sp e o p l e st r i p m u c hm o r ec o n v e n i e n ta n df a s t e r , b u tm e a n w h i l ei ta l s ol e a d st oas e r i e so fs o c i a l p r o b l e m ss u c ha st h eo b v i o u sc o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n do fu r b a n r o a dt r a f f i c ，s e r i o u sr o a dt r a f f i cs a f e t ya n dp o l l u t i o n ，l a r g ec o n s u m p t i o no ft r a n s p o r t e n e r g ya n ds oo n s ou r b a nt r a f f i cp r o b l e mh a sb e c o m et h ef o c u so ft h ep u b l i c i n o r d e rt oc o m p l e t e l ys o l v et h i sp r o b l e m ，w es h o u l dl e a r nf r o md e v e l o p e dc o u n t r i e sa n d a d h e r et ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tr o a dt ob u i l du pe f f f i c i e n t ，e c o n o m i c a l ， h a r m o n y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds a f e t yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m r e s e a r c ho nc a i “ o w n e r s h i pi sab a s i sw o r ko fu r b a nr o a dt r a f f i cp l a n n i n g h o wt op r e d i c tt h ec a l “ o w n e r s h i pa c c u r a t e l yh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ou r b a nt r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g , m a n a g e m e n ta n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri m p r o v e st h e t r a d i t i o n a ln e u r a ln e t w o r km o d e la n dp r o p o s e st h en e wn e u r a ln e t w o r kb a s e do n p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n dg e n e t i ca l g o r i t h mt op r e d i c tt h ec a ro w n e r s h i po f w u h a nc i t yi no r d e rt og i v es o m es u g g e s t i o n so nw u h a n st r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g a n dm a n a g e m e n t ， f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef o u rs t a g eo ft h ew o r l d sa u t o m o b i l ei n d u s t r y i t m a k e sac o m p a r a t i v ea n a l y s i so nr o a dt r a f f i cc o n d i t i o n sa th o m ea n da b r o a df r o m r o a dt r a n s p o r t a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，t r a f f i cs a f e t y , t r a f f i cp o l l u t i o n ，c a l “ o w n e r s h i pa n d s e v e r a lo t h e ra s p e c t sg e t t i n gt h ec o n c l u s i o nt h a ta l t h o u g ho u ro v e r a l ll e v e lo fr o a d t r a f f i ci n c r e a s e sc o n t i n u a l l ya n df a s t ，b u tt h e r ei ss t i l law i d eg a pw i t ht h ed e v e l o p e d c o u n t r i e s t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef a c t o r so fc a l “ o w n e r s h i pf r o ms o c i a le c o n o m y , p r i c i n g ，t r a f f i ci n f r a s t r u c t u r ea n dp o l i c yf a c t o r s t h i sp a p e rc h o o s e sp o p u l a t i o n ，g d f , t r a n s p o r tv o l u m eo fp a s s e n g e ra n df r e i g h t ， r o a dl e n g t ha n do t h e re l e v e ni n d i c a t o r sa n de s t a b l i s h e st h en e u r a ln e t w o r kb a s e do n p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n dg e n e t i ca l g o r i t h mt op r e d i c tt h ec a ro w n e r s h i p f i r s t ， i t a n a l y s e st h ef a c t o r sw i t hp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n du s e st h ep r i n c i p a l c o m p o n e n t st ot a k et h ep l a c eo fa l li n d i c a t o r sr e d u c i n gt h ei n p u td a t ad i m e n s i o no f t h en e u r a ln e t w o r k t h e ni tm a k e sf u l lu s eo ft h eg e n e t i ca l g o r i t h m sp a r t i c u l a r i t yt o 武汉理一r 大学硕士学位论文 o p t i m i z et h en e u r a ln e t w o r ka n dd e t e r m i n et h ei n i t i a lw e i g h t s f i n a l l y , i tu s e st h e n e u r a ln e t w o r kt op r e d i c tt h ec a ro w n e r s h i p ，i m p r o v e st h es t a b i l i t yo fn e u r a ln e t w o r k s a n dc o m p u t i n ge f f i c i e n c ya n da c h i e v e sg o o dr e s u l t s m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rm a k e s a l l a t t e m p tt ob r i n gi np o l i c yv a r i a b l et oe x p l a i nt h es i n g u l a rd a t ao nc a l “ o w n e r s h i pi n o r d e rt ob e t t e rs i m u l a t et h em u t a t i o n sc a u s e db ye x t e m a lu n c e r t a i nf a c t o r s c o n s i d e r i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o fu r b a nt r a n s p o r t a t i o n ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e st h er o a dn e t w o r kc a p a c i t ym o d e lu n d e rt h ec o n s t r a i n to fs p a c ea n dt i m e r e s o u r c e i tu s e so p e r a t i n go u r s ，r o a du s ef r e q u e n c ya n do t h e rf a c t o r st oc o r r e c tt h e t r a d i t i o n a lm o d e l t h i sp a p e rd e t e r m i n e st h em a x i m u ma m o u n to fc a ro w n e r s h i p u s i n gt h er o a dc a p a c i t ym o d e l ，g e tt h el o a dd e g r e eo ft h ew h o l eo v e r a l ln e t w o r k ， h o p i n g i th a v es o m er e f e r e n c ev a l u et ow u h a nt r a n s p o r t a t i o n ss u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：c a ro w n e r s h i p ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；n e u r a ln e t w o r k ；r o a dl o a d 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 签名：么整& 日期：幺竺2 ：兰! 坦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 啾c ：檄聊c ：畔嗍唧以7 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国汽车工业经过五十多年的发展，已经成为国民经济的支柱产业。汽车 工业的发展拉动钢铁、石油、交通、采矿等行业的发展，推动国民经济的进步， 成为国民经济发展的主要动力之一。 汽车作为运输的主要方式之一，是我国交通运输体系的主体，对我国经济 的发展有着举足轻重的作用。汽车作为一种高效的运载工具，给人们带来了方 便、快捷、舒适的出行环境，同时也带来一系列严重问题：道路交通环境污染 加剧、道路交通安全形势严峻、交通需求与供给矛盾突出。同国外发达国家相 比，我国城市交通事业起步较晚，交通基础设施建设相对滞后，随着经济的快 速发展，交通问题日益凸显，对城市交通体系建设也提出了更高的要求。总体 来说，我国交通系统主要有如下几个特点【1 2 1 ： 1 ) 城市机动化进程加快 城市机动化与城市发展是同步行进的。城市经济的繁荣发展促进了机动车 的普及，而机动车的普及反过来也推动了城市经济的进一步发展。回顾过去， 我国城市机动化增长速度迅猛，1 9 8 0 年至2 0 0 7 年，全国机动车保有量以年均 15 9 的速度增长。 根据国外相关研究，机动车保有量的发展一般需要经历四个时期：缓慢增 长期、高速发展期、缓慢增长期、平稳变化期。这四个发展时期分别对应着不 同的社会经济发展水平。根据发达国家小汽车发展的轨迹，在人均g d p 达到1 0 0 0 美元时，小汽车将进入高速发展阶段。我国从2 0 0 2 年开始人均g d p 超过1 0 0 0 美元，标志着我国已经进入汽车的高速发展时代。可以预见，我国汽车保有量 将继续保持高速增长，机动化水平将进一步提高。 2 ) 道路交通环境污染加剧 道路交通系统环境污染主要包括大气污染、噪声污染及震动等，其中大气 污染、噪声污染是影响城市环境质量的主要污染源。汽车排放的尾气含有一氧 化碳( c o ) 、氮氧化物( n o x ) 、非甲烷碳氢化物( t h c ) 及粉尘等有害物质， 损害了人类的居住环境和生态环境。2 0 0 6 年我国汽车拥有量平均3 0 人一辆，低 于世界平均水平每1 0 人一辆，远低于发达国家水平，但汽车尾气对环境的污染 武汉理上火学硕士学位论文 程度已基本与发达国家相似。相关资料表明，广州市大气污染主要污染源有机 动车尾气2 2 、工业污染源2 0 4 、建筑工地扬尘污染1 9 2 ，机动车尾气成为 最不可忍受的污染物。随着我国机动车保有量的增长，汽车尾气对环境的污染 程度还会加剧。 道路交通噪声污染是城市声污染的主要来源。在发达国家，道路交通产生 的噪声强度一般占总噪声强度的8 0 以上。在我国，由于多数城市处于城市开 发及经济快速发展阶段，施工噪声及工业噪声占有一定的比重，但交通噪声仍 占主导地位，一般占总噪声强度的5 0 。2 0 0 7 年，我国主要城市的平均噪声为 6 8 分贝，多数城市的道路噪声超过了6 6 分贝。 尽管我国汽车保有量远低于发达国家水平，但道路交通对环境的影响程度 已经接近、甚至超过发达国家道路交通对环境的影响程度，我国城市的环境质 量也远低于发达国家。通过对道路交通与环境质量关系的研究，制订符合可持 续发展的交通政策与规划，对城市环境保护有着重大意义。 3 ) 道路交通安全形势严峻 随着经济的发展，道路交通安全形势日益严峻，道路交通安全已经成为一 个严重的社会问题。它不仅造成严重的人员伤亡，还造成巨大的经济损失。2 0 0 8 年，全国共发生道路交通事故2 6 5 2 0 4 起，造成7 3 4 8 4 人死亡、3 0 4 9 1 9 人受伤， 直接财产损失1 0 1 亿元。与2 0 0 7 年相比，事故起数减少6 2 0 0 5 起，下降1 9 ； 死亡人数减少8 1 6 5 人，下降1 0 ；受伤人数减少7 5 5 2 3 人，下降2 0 ；直接财 产损失减少1 9 亿元，下降1 5 8 ；道路交通事故万车死亡率为4 3 ，减少o 8 。 尽管我国道路交通事故历年来总数呈下降的趋势，但是道路交通安全形势依然 很严峻。 4 ) 道路需求与供给矛盾突出 汽车交通的发展对城市交通提出严峻的考验。机动车保有量的剧增导致交 通需求增大，使得道路变得拥堵、停车设施紧张，已有的交通基础设施难以满 足快速增长的交通需求，导致交通需求与供给不平衡。由于历史和经济发展原 因，目前我国多数城市都存在停车设施建设滞后、停车泊位紧张的问题。 历史经验证明，尽管是由于交通供给与需求不平衡而导致了各种交通问题， 但是仅仅通过不断增加供给来满足需求的方式是不能从根本上解决城市交通问 题的。制定合理的城市交通规划，走可持续交通发展道路，是解决城市交通的 根本途径。 5 ) 可持续交通发展 交通污染严重、交通能耗高、交通安全形势严峻等问题成为我国经济发展 2 武汉理工人学硕士学位论文 的主要制约因素。国家“十一五”规划指出，2 0 1 0 年人均g d p 将比2 0 0 0 年翻 一番，同时单位g d p 能耗要比“十五期末降低2 0 左右。这就要求交通运输 必须提高资源利用效率，走可持续发展道路，建设节约型行业。 当前，我国交通系统的建设正处于繁荣发展时期，基础设施建设日趋完善。 这为我国城市交通体系的可持续发展奠定了基础，也是我国走可持续交通的重 要机遇期。政府应从经济可持续、社会可持续和环境可持续角度审视现有的城 市交通政策，汲取发达国家的经验和教训，结合我国实际情况，牢牢把握机动 车快速发展、普及这一阶段，采取有效措施，实施可持续交通发展战略，建立 起符合经济社会可持续发展要求的高效、经济、协调、环保、安全的交通运输 体系，不仅要为社会提供安全优质的运输服务，而且要使资源占用、对环境的 破坏及交通安全控制在国家允许的范围内。 1 1 2 研究意义 城市交通需求的不断增长给城市交通系统带来严峻考验，各种交通问题日 益加剧：交通拥挤、停车设施紧张、交通污染严重、交通安全形势严峻等。满 足当前交通需求的发展，要求建设更多的基础设施，而交通基础设施的建设， 会进一步刺激交通需求的增长。研究表明，仅仅通过无休止的交通设施建设以 满足交通需求，是不能从根本上解决城市交通问题的。城市交通的发展必须在 合理的交通规划和管理基础上，有效的引导城市交通需求，针对性地、适度超 前的进行交通基础设施建设。汽车保有量的研究是城市道路交通规划的一项基 础性工作，合理、准确的预测未来汽车保有量对城市交通战略规划、交通可持续 发展具有重要意义。 汽车产业是国民经济的支柱产业，一方面拉动钢铁、石油相关行业的发展， 带动国民经济整体水平的提高；但另一方面也带来一系列社会问题：能源过度 消耗、城市环境污染等。这些问题有悖于我国经济、社会、环境的协调、可持 续发展。“十一五“ 规划强调单位产值能耗要同比降低2 0 ，汽车产业必须走节 能、环保的可持续发展道路。合理、准确的预测未来我国汽车保有量，对汽车 产业相关政策、产业规划提供依据，对汽车产业健康、有序、合理的发展有着 重要作用。 经济可持续、社会可持续及环境可持续发展是城市可持续发展的三个有机 组成部分，缺一不可。城市交通的可持续性与城市的可持续发展是一致的，是 促进城市不断发展的动力。保证城市交通的可持续发展，是城市道路交通规划 与管理的重要目标。如何既满足当前的出行需求，同时又不对环境产生过大的 武汉理工大学硕士学位论文 负荷，是当前亟需解决的问题。城市路网负荷度研究，考虑了城市的路网负荷， 符合城市交通可持续发展的要求，为城市道路交通规划与管理的制定和实旋提供理 论依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 汽车保有量预测的研究 汽车保有量预测是城市交通可持续发展的基础工作。从模型建立的角度来 看，可以分为集计模型和非集计模型。其中，集计模型主要是从城市经济、人 口、道路及停车设施供给等因素出发，预测汽车保有数量。l a m 等人把城市路 网容量和停车设施作为汽车保有量发展的两个制约条件，利用双层规划理论建 立了理论的最大汽车保有量预测模型4 孓4 6 1 。非集计模型以出行个体为单位，预 测他们购买小汽车的可能性大小，综合个人属性和社会经济属性来建立效用函 数，进而通过效用值来确定个体是否拥有小汽车或拥有小汽车的数量。微观经 济学及效用选择理论在这类模型中承担重要的角色。t o m a s 等人以二维选择模型 为基础，建立了以家庭为单位的动态汽车保有量模型，r i c h 把微观经济学和随 机效用选择理论结合起来，在综合考虑家庭、工作选址与汽车保有量之间关系 的基础上，建立了汽车保有量的微观经济学模型4 l4 引。 从另一方面划分，国内现有的汽车保有量预测方法大致有以下三类：一是 外推法，即利用过去的资料来预测未来的状态，如时问序列法；二是因果法， 即根据所掌握的历史资料，找出要预测的变量和相关变量之间的关系，从而预 测未来的状态，如回归分析法；三是判断分析法，即主要依靠专家经验和综合 分析能力来预测未来的状态1 3 。 马艳丽综合考虑经济、人口、汽车保有量增长速度以及不同地区人均g d p 、 人群分布等因素，运用趋势外推、国内外情景类比、弹性系数等方法对我国汽 车保有量进行综合预测，得出我国交通运输系统必须走可持续发展道路，提高 资源利用效率，保护生态环境【4 】。 龚华炜认为汽车保有量与社会经济的发展有着密切关系，通过建立计量经 济学模型寻求汽车保有量和社会经济有关指标的函数关系，可以较为准确地预 测一个地区短期内的汽车保有量l 引。 由于交通系统的复杂性及影响因素的多样性，现行的预测方法虽各有其优 点，但存在数据拟合度不高，预测结果与实际有较大偏差，外推性不强等问题。 4 武汉理工大学硕士学位论文 如时间序列预测法，利用汽车保有量的历史数据来预测其随时间的走势，没有 考虑汽车保有量的相关影响因素；回归分析法虽然是根据汽车保有量的某些影 响因素来建立回归模型，但其往往只考虑几种影响因素，对实际问题的模拟能 力不够准确；而判断分析法则属于定性的预测方法，往往带有较大的主观性和 随意性，缺乏相关理论依据，预测准确度难以保证。 除以上方法外，国内学者还利用神经网络等新兴人工智能方法对汽车保有 量进行预测。神经网络是近年来兴起的一项重要的人工智能技术，具有并行分 布处理，自组织、自适应、自学习，较强的容错性和鲁棒性等优点，在许多领 域得到实际应用并取得显著的成效。 黄志刚分析了汽车保有量的主要影响因素，建立了经济、人口及运量等多 相关因素的神经网络模型，对湖南省汽车保有量进行预测，取得不错的效果【6 1 。 何明运用主成分分析的方法提炼出汽车保有量的主要影响因素，利用b p 神 经网络对汽车保有量进行预测，实例证明该模型在运算效率和预测精度上优于 传统神经网络【7 j 。 遗传算法是一种非线性优化方法，能够在复杂空间进行全局优化搜索，克 服了传统优化方法容易陷入局部极值的缺点。将遗传算法与神经网络结合起来， 可以兼得神经网络广泛映射能力和遗传算法快速、全局收敛能力等性能。本文 在武汉市汽车保有量的预测过程中，将遗传算法与神经网络结合起来，利用遗 传算法对神经网络的权值进行优化，不但提高了神经网络的训练速度和泛化能 力，而且在一定程度上克服了网络容易陷入局部极小值的缺点。 1 2 2 城市路网容量及负荷度的研究 1 9 9 2 年，a s a k u r a 和k a s h i w a d a n i 建立起第一个关于平衡路网容量问题模型 并给出了相应的算法【5 1 1 。此后，交通工程师们从w a r d r o p 第一原则( 网络的每 一用户都选择使其出行费用最小的路径，使得网络达到这种平衡状态时，任意 o d 对间所有被选择的路径的出行费用都比未被选择的路径费用小) 入手，提 出了较为完善的平衡路网的概念。1 9 9 5 年a k a m a t s u 和m i y a w a k i 用过饱和流量 公式来计算平衡路网的容型5 2 】。 以上方法所研究的路网容量多是道路的物理最大容量，没有考虑路网的服 务水平，只能是路网容量的一个上限值。1 9 9 9 年h a iy a n g ，m i c h a e lg h b e l l 将 交通分布和分配模型合并，统一考虑出行者的路径选择和目的地，同时把道路 5 武汉理t 大学硕十学位论文 的物理通行能力、服务通行能力甚至排队长度作为路网容量的约束条件，提出 了二次规划法( 即两层极值法) 。这种模型是确定路网容量的最新模型【5 3 1 。 我国对路网容量的研究起步较晚。“时空消耗”法是我国研究路网容量采用 的第一种方法。1 9 8 6 年长沙交通学院的木纳和中国城市规划设计研究院的关忠 和利用“时空消耗”概念，提出了汽车道路资源占用量和城市道路交通容量。 随后，东南大学运输工程研究所的杨涛、上海海运学院周溪召等利用“时空资 源“ 的概念对城市道路交通空间的高峰小时容量进行了分析和推算，并得到相 应的理论计算公式【8 j 。 同济大学的杨东源等人从系统的角度出发，提出了满足用户平衡和系统平 衡的路网容量确定方法【9 1 。 冯涛把双重规划模型的思想引入到汽车保有量预测中，从环境控制的角度 出发，以道路交通环境容量为约束条件来预测城市内可容纳的最大汽车保有量。 其中，上层模型以小区汽车保有量之和最大为目标函数，约束条件是路段交通 环境负荷不超过相应的道路交通环境容量；下层模型是固定需求的用户平衡分 配问题，优化用户出行的路线选择行为【1 0 】。 1 3 本文的主要研究内容与方法 1 3 1 研究内容 本文的主要研究内容分为以下几个方面： 1 ) 分析对比了国内外汽车保有量的发展状况以及我国汽车保有量的主要影 响因素； 2 ) 改进了传统神经网络算法，建立了基于主成分分析和遗传算法的神经网 络模型，对武汉市的汽车保有量进行预测，同时引入政策变量来模拟不确定因 素的影响； 3 ) 建立了路网时空容量约束下的最大汽车保有量模型，确定城市路网的负 荷度，为城市交通的可持续发展提供参考价值。 1 3 2 研究方法 本文分析了国内外汽车保有量的发展现状以及我国汽车保有量的主要影响 因素，并对其用主成分分析进行约简，同时对传统的b p 神经网络进行改进，用 6 武汉理1 = 人学硕十学位论文 遗传算法来修正神经网络的权值。在此基础上，本文提出了基于主成分分析和 遗传算法的b p 神经网络模型，对汽车保有量进行预测，并与传统的预测方法进 行对比分析。同时在预测时，本文尝试加入汽车保有量的外部不确定影响因素， 以进一步模拟实际情况。基于发展可持续交通的考虑，本文建立了基于路网时 空容量限制的最大汽车保有量模型以确定城市道路网的负荷度。本文主要技术 路线流程图如图1 1 所示： 汽车保有量现状 土 保有量影响因素分析 皇烹!夏 社价基政 厶 格础策忝 经因设因 济素施素 j f 一】广】-j r 保有量影响因素的主成分分析 上 i 汽车保有是的遗传神经网络预测 上 i政策因素修正 土 城市路网的负荷度 图1 1 技术路线图 武汉理j ：大学硕+ 学位论文 第2 章武汉市汽车保有量现状及影响因素分析 2 1 国内外道路交通现状 2 1 1 国外道路交通状况 世界汽车产业的发展，基本上可以分为如下四个阶段【1 1 , 1 2 】。 第一阶段：汽车成长阶段( 汽车问世到丌始进入普通家庭阶段) 伴随着汽车的问世出现了汽车产业，并逐步得到成长。在这一阶段，汽车 质量得到不断提高，但是普通家庭无力购买汽车，有能力购买汽车的只是企事 业单位、政府机构和少数富有家庭。汽车产业的大小决定于企事业单位及政府 的采购和少数富有家庭的购买。企业购买的汽车，多用于运输，一般以载货汽 车居多。因此，在成长阶段汽车产业所销售的汽车，载货汽车的比重较大。同 时，该阶段汽车产业的发展比较缓慢，规模也比较小。 第二阶段：汽车高速增长阶段( 汽车丌始进入普通家庭到汽车基本普及阶段) 随着经济的发展，普通家庭的购买力得到提高，而且由于汽车技术的成熟 和完善，汽车的成本大幅下降，汽车产业也不断推出经济车型，普通家庭开始 买得起汽车，汽车也逐步走进普通家庭。在这一阶段，汽车的购买对象发生变 化，汽车不再只是企事业单位、政府机构及少数富有家庭的奢侈品，普通家庭 也有能力消费汽车。随着普通家庭成为汽车消费的主体，汽车产业生产、销售 的汽车也逐步转向家庭消费群体，从载货汽车为主转变为小轿车为主。由于普 通家庭的基数大，对汽车的需求很大，极大的刺激并促进了汽车产业的发展壮 大，产业销售量迅速增长，产业规模迅速扩大。这一阶段是汽车产业发展的黄 金阶段。 第三阶段：汽车低速增长阶段( 汽车从基本普及到高度普及阶段) 这一阶段，汽车已经得到基本的普及( 平均每四到五人拥有一辆汽车) 。汽 车产业的高速发展已经成为过去式。但是伴随着经济社会的进一步发展，人民 生活水平不断提高，富裕群体将会进一步扩大，购买力也会进一步增长，对汽 车的消费需求也会继续保持增长，并逐步达到汽车盼高度普及( 平均每两人拥 有一辆汽车) 。在这一阶段，尽管汽车产业仍会继续保持增长，但其增长速度将 会逐步下降，最终处于一个平稳的状态，直到汽车的高度普及。 武汉理上人学硕士学位论文 第四阶段：汽车平稳发展阶段( 汽车高度普及后的发展阶段) 当汽车在社会得到高度普及后，社会对汽车的需求也进入了饱和状态。但 是，汽车产业的销售量不会有太大的下降，将处于一个平稳的发展阶段。因为 汽车都有一定的使用年限，需要不断的淘汰更新，仍然需要大量的新车来弥补 这个空缺；同时随着经济的发展和人口的增多，社会消费理念的个性化，对汽 车的需求还会有一个平稳、缓慢的增长。这一阶段是汽车产业的成熟阶段，呈 现一种平稳发展状态。 目前，发达国家的汽车产业，均己先后经历了前三个阶段，逐步进入或已 经进入第四阶段。发展中国家的汽车产业，多数处于第一阶段，也有少数国家 进入第二阶段。2 0 0 2 年我国人均g d p 已经超过1 0 0 0 美元，加入世贸组织进一 步带动了汽车产业的发展，汽车逐步进入普通家庭，汽车产业也处于高速增长 阶段。表2 一l 为2 0 0 6 年世界汽车保有量排名前十的国家。 表2 12 0 0 6 世界主要国家汽车保有量 序号国家乘用车( 辆) 商件j 车( 辆)合计( 辆) 1 美国1 3 50 4 67 0 61 0 89 7 50 4 82 4 4 0 2 17 5 4 2 日本 5 75 2 10 4 31 83 3 80 2 57 58 5 9 0 6 8 3 德 国4 65 6 9 6 5 731 7 20 4 24 97 4 l6 9 9 4意大利3 52 9 7 6 0 045 7 96 0 03 98 7 72 0 0 5 法国3 0 4 2 39 0 062 6 40 5 03 66 8 79 5 0 6中国2 61 9 57 0 098 6 30 0 03 60 5 87 0 0 7英国3 0 9 9 47 4 641 4 46 8 63 51 3 9 4 3 2 8 俄罗斯 2 68 0 0 0 0 058 9 00 0 0 3 26 9 0 0 0 0 9 两班牙 2 09 0 87 0 051 4 67 1 42 60 5 5 4 1 4 1 0巴两1 9 4 4 6 0 0 048 2 32 0 02 42 6 9 2 0 0 2 ) 国外道路交通状况 目前西方发达国家已经完成汽车的高度普及，汽车产业处于平稳发展阶段， 平均每2 人拥有一辆汽车。 ( 1 ) 英国道路交通状况 截至2 0 0 7 年底，英国公路总罩程3 9 4 5 万公里，其中主干线公路长度o 8 2 9 武汉理工大学硕士学位论文 万公里，城市道路1 0 7 万公里注册汽车保有量为3 2 8 百万辆，其中私人汽车 保有量为2 6 9 百万辆，公共汽车0 1 1 百万辆，同时还拥有摩托车1 1 3 百万辆。 如图2 1 所示，近半个世纪以来，英国的汽车保有量经过高速发展，已经进入 平稳发展的阶段，近几年汽车保有量的年均增长率为24 5 。 图2 1 英国历年汽车保有量 在汽车的家庭普及方面，截止2 0 0 6 年底，英国平均7 6 的家庭拥有小汽车， 其中“的家庭拥有1 辆小汽车，2 6 的家庭拥有2 辆，6 的家庭拥有3 辆及 以卜。近年来拥有一辆的家庭数比较稳定，拥有2 辆及以上的家庭缓慢增长， 主要 在道路交通安全方面，2 0 0 7 年英国共发生各类型道路交通事故1 8 2 万起， 同比f 降3 7 ，伤亡人数2 4 8 万，同比下降42 。其中严重受伤2 8 万人，同 比下降3 4 ，死亡人数2 9 4 6 人。同比下降4 1 。图2 3 为近半个世界英国道 武汉理工大学硕士学位论文 路交通事故的发展变化情况，可以看出在6 0 、7 0 年代汽车产业的高速发展阶段， 亦即汽车的家庭普及阶段，道路交通事故攀升幅度很大，随着汽车安全技术的 发展以及交通管理水平的提高，随后道路交通事故数明显下降，在近几年呈现 平稳、缓慢下降态势，道路交通安全水平有很大提高。 1 9 5 0 】9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 0 22 0 0 42 0 0 62 0 0 7 二：! 二里垫星墼丝生叁墼【 图2 3 英国历年道路交通事故 在能源消耗方面，交通运输消耗能源占社会能源消耗的3 9 ，并有逐步上 升趋势，而公路交通则占交通运输能源消耗的7 9 ，占运输能耗的绝大部分。 随着汽车节能技术的发展，道路交通能耗呈平稳下降趋势。 在道路交通污染方面，2 0 0 6 年公路交通二氧化碳排放量1 2 0 4 百万吨，占 所有排放量的2 2 4 ；一氧化碳排放量9 8 4 千吨，占所有排放量的4 3 4 ：氮氧 化物排放量5 1 5 千吨，占所有排放量的3 23 。道路交道污染成为环境污染的主 武汉理t 大学硕士学位论文 要污染源。图2 4 为近年来英国道路交通排放污染物的比例。 ( 2 ) 美国道路交通状况 截至2 0 0 7 年底，美国公共道路长度4 0 3 2 1 2 6 英里，其中洲际道路长度4 6 6 7 2 英里，干道4 0 8 2 9 0 英里，支路7 9 1 8 9 1 英里，地方道路2 7 8 5 2 7 3 英里，美国汽 车保有量为2 4 7 2 百万辆，比2 0 0 6 增加3 2 百万辆，增长率为1 3 。其中注册 轿车、客车1 3 5 9 百万辆，轻型货车1 0 1 5 百万辆，重型货车9 0 百万辆，公共 汽车o 8 百万辆，同时还拥有摩托车7 1 百万辆( 汽车保有量不包含摩托车) ， 图2 5 为美国近半个世纪汽车保有量的发展情况。 图2 5 美国历年汽车保有量 在驾驶员方面，2 0 0 7 年底美国总人口为3 0 2 亿，注册驾驶执照2 0 6 已，平 均驾照拥有率为6 8 2 ，法定可持有驾照年龄以上的驾照拥有率为8 7 o ( 1 6 岁及以上) 。 在道路交通出行方式方面，上班出行交通方式比例为：单独驾车7 6 1 ，共 用汽车1 0 4 ，公共交通4 9 ，步行2 8 ，出租车、摩托车、自行车1 7 ，在 家工作4 1 ，上班平均用时2 5 3 分钟。 在能源消耗方面2 0 0 6 年美国交通能源消耗2 8 8 1 3 5 万亿瓦，占整体能源消 耗的2 9 o 。在道路交通安全方面，2 0 0 7 年美国道路交通事故死亡人数4 1 0 5 9 人，l o 万人口死亡率为1 3 6 ，万车死亡率1 7 ，同比0 6 年都有所下降。近半个 世纪美国道路交通事故死亡人数的发展变化情况如图2 6 所示。 1 2 武汉理1 = 大学硕+ 学位论文 图2 6 美国道路交通事故死亡人数 2 1 2 国内道路交通状况 1 ) 公路发展概况 截至2 0 0 8 年底，我国公路通车总里程达3 7 3 0 2 万公里，同比增长4 1 。 按行政等级划分，国道1 5 5 3 万公里，同比增长1 3 3 ，省道2 6 3 2 万公里，同 比增长3 1 ；县道5 1 2 3 万公罩，同比下降0 4 ；乡道1 0 1 1 1 万公里，同比增 长1 3 ；专用公路6 7 2 万公里，同比增长1 7 7 ；村道1 7 2 1 0 万公里，同比增 长6 1 。公路密度继续提高，全国公路密度为3 8 8 6 公里百平方公里，同比增 长4 1 。公路技术等级和路面等级有所提高，等级公路的比例也进一步提高。 我国等级公路里程2 7 7 8 5 万公里，占公路总里程的7 4 5 ，同比增长3 8 。其 中二级及以上高等级公路里程3 9 9 7 万公里，占公路总里程的1 0 7 ，同比增长 5 1 。按公路等级划分，各等级公路里程分别为：高速公路6 0 3 万公里，同比 增长1 1 9 ；一级公路5 4 2 万公里，同比增长8 2 ；二级公路2 8 5 2 万公里， 同比增长3 2 ；三级公路3 7 4 2 万公里，同比增长2 8 ；四级公路2 0 0 4 6 万公里， 同比增长1 1 9 ；等外公路9 5 1 6 万公里，同比下降9 2 。我国等级公路的比例 如图2 7 所示。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 汽车保有量概况 民用汽车保有量是指在公安交通管理部门按照机动车注册登记工作规 范，已注册登记领有民用车辆牌照的全部汽车数量。根据汽车的规格大小，分 为载客、载货汽车，其中载客汽车分为大型、中型、小型和微型，载货汽车分 为重型、中型、轻型和微型。为了与世界汽车工业接轨，从2 0 0 5 年开始，中国 汽车工业协会车型统计标准进行了变更。新标准将汽车分为乘用车和商用车两 大类。其中乘用车细分为基本型、多功能车( m p v ) 、运动型多用途车( s u v ) 和交叉型四类，商用车细分为客车、货车、半挂牵引车、客车非完整车辆和货 车非完整车辆五类。由于前后统计口径不同，将历史数据向新标准转化是不可 能的。为保持数据的前后一致性，本文统一沿用旧分类标准。 截至2 0 0 8 年底，我国机动车保有量为1 6 9 8 8 7 7 4 4 辆，同比增长6 3 ，增幅 下降o 3 。其中，汽车保有量6 4 6 7 2 0 5 3 辆，同比增长1 35 2 ，增幅下降0 7 6 0 ： 摩托车8 9 5 3 7 7 7 5 辆，同比增长2 8 ，增幅下降4 3 。全国机动车驾驶人 1 8 0 6 6 0 7 3 6 人，其中汽车驾驶人1 2 2 0 9 2 1 3 2 人。我国目前还处于机动化的初级发 展阶段，摩托车在机动车保有量中占有