公路网规划交通需求预测四阶段法.ppt

四阶段法是以1962年美国芝加哥市发表的Chicago Area Transportation Study为标志，交通规划理论和方法得以诞生。 1962年美国制订的联邦公路法规定凡5万人口以上城市，必须制订以城市综合交通调查为基础的都市圈交通规划，方可得到联邦政府的公路建设财政补贴。该项法律直接促成交通规划理论和方法的形成和发展。开始，交通预测只是关于交通发生、交通分布、交通分配三个阶段的预测。,第五章 交通需求预测,20世纪60年代后期，日本广岛都市圈的交通规划首次提出了对不同交通方式进行划分这一新的预测内容。此后，交通规划变成了交通发生、交通分布、交通方式划分和交通分配四个步骤，这就是交通规划的四阶段法（也叫四步法）理论。后来人们将交通方式划分与其他三个步骤做了不同形式的结合，相应的得出各类预测方法。这些都归入四阶段法。,第五章 交通需求预测,第一节 交通需求预测的基本流程 1、基本流程 区域社会经济的发展刺激区域运输需求的增长 （1）经济角度 （2）社会角度 预测是建立在对区域社会经济与土地利用分析的基础上的 流程见图5-1,第一节 交通需求预测的基本流程,2、原则 （1）系统分析原则 （2）政策协调原则 （3）定性与定量相结合的原则 （4）弹性原则 （5）历史与未来发展结合原则,3 交通需求预测的内容及步骤 城市交通需求预测 一、城市交通预测的内容： 1、城市客运交通预测 包括：城市居民出行预测、城市流动人口出行预测、城市对外及过境客运交通预测等三部分。 2、城市货运交通预测 包括城市市内货运交通预测和城市对外及过境货运交通预测两部分。,二、城市交通预测的步骤 1、居民出行预测居民出行生成预测，分布预测，方式预测。 2、流动人口出行预测流动人口出行生成预测，分布预测，方式预测。 3、对外及过境客运交通预测对外及过境客运生成预测，分布预测，方式预测。 4、城市市内货运预测城市市内货运交通生成预测，分布预测。 5、对外及过境货运交通预测对外及过境货运交通生成预测，分布预测，方式预测 6、交通分配预测,区域交通需求预测,客运交通预测 包括：客运交通生成预测、分布预测、方式预测 货运交通预测 包括：货运交通生成预测、分布预测、方式预测 交通分配预测,第二节 交通需求生成预测,交通需求生成预测是指根据国民经济发展状况，对规划区域及各交通分区的五大运输方式交通需求总量的发生进行预测，通常采用专家法及模型法。 专家法是以专家系统的经验为依据，对预测指标及其预测结果进行判断，并根据专家意见进行修正，直至基本满意为止。 模型法是根据历史资料建立数学模型进行预测的方法。模型法预测结果同样也必须通过征求专家意见，进行判断和修正，直至基本满意为止。模型法中的主要方法或模型如下。,一、集合模型 基本思想：将集合成区的出行作为研究对象，着眼于研究交通区出行总体的出行特征，建模基础是各交通区的出行总况。包括：增长系数模型、重力模型。 二、非集合模型 其核心是效用最大化理论，其宗旨是出行者将选择使其获得最大效用的出行。它着眼于研究出行者个体的出行行为。在非集合模型中，效用以出行的省时省钱、方便程度等来表达，在理论上利用了现代心理学的成果，引入随机效用的概念。 三、动力学模型 其基本思想不是基于分析某一时间的交通状况，而是基于分析某一历史过程的交通状况，对将来的交通状况进行预测。,预测方法,人口每人年度乘车次数=总的乘车次数 客运量 原单位法：原单位法是指将每人或每户平均产生的交通量作为原单位，整个地区的总生成量即是此原单位与总人口数或总户数相乘而得到的结果。 单位发生率法只能考虑单一因素，如人口或用地面积等对交通生成的影响，如有多个因素影响交通，则生成率法会有较大的误差，因此，生成率法只可用于较为粗略的交通生成预测。,类别发生率法是考虑对交通产生或吸引影响较大的某些因素，如人口、职业结构、用地面积、不同性质用地的结构等，由这些因素组合成有不同生成率的类别，根据现状调查资料、统计不同类别单位指标的交通产生、吸引量，进而进行交通生成预测。,模型,弹性系数： E = i1/i2 i1 - 交通运输量增长率 i2 - 国民生产总值增长率 弹性系数在一定时期内相对稳定 E = 0.8 - 1.2,确定各阶段国民生产总值增长率 确定各阶段弹性系数 确定各阶段交通运输量增长率 确定各阶段交通运输量,第二节 交通分布预测,第二节 交通分布预测,1、概念 交通分布预测是指根据预测得到的各交通分区的交通发生、吸引量，确定各交通区之间的交通流量、流向，即确定OD矩阵。 2、分类 按时间适用性分： 两大类：第一类模型只适用于短期的交通分布研究，这类模型往往比较简单，主要应用于交通网络没有发生重大变化的短期预测中；另一类模型使用了出行的广义费用或其他较复杂的数学方法，适用于长期交通分布研究或短期分布中交通情况有较大变化的分布预测。 短期预测模型与长期预测模型,第二节 交通分布预测,按模型的具体算法分 一类是增长系数法 ：平均增长系数法、Fratar法、Furness法、底特律法等 一类是综合方法 ：重力模型法、介人机会模型法、系统平衡模型法,第二节 交通分布预测,增长系数法：完全是基于出行起点与终点小区的交通增长特性，利用现状的OD分布量推算将来的OD分布量。它依赖于各节点间的基年分布情况，并假设区间的出行交通与路网的改变相互独立，或者在预测年限内交通运输系统没有明显的改变。这种方法适用于小地区或区域间出行不受空间阻挠因素的影响而只受地区间交通发生、吸引特性影响的出行空间分布形态，且这种方法不限于某些个别因素的影响，着重总的趋势，适用于交通量的宏观分布预测，但当基年OD分布稍有偏差时，对未来影响将会很大。模型不需标定，只需满足总量平衡即可。,第二节 交通分布预测,综合方法: 相对而言，综合法较复杂，它是将出行空间阻碍因素与地区增长特性一并考虑的模拟分析法。该方法对问题的刻画较详细，但对长期趋势的描述往往过分强调某一因素的影响而忽略了总体趋势的正确性，适用于同时受地区发生、吸引特性及空间阻挠因素影响的出行空间分布形态，模型需要标定。,预测模型,一、增长系数法 增长系数法假设将来的交通区与交通区之间出行分布模式与现状的分布模式基本一致，其分布量按某一系数增加。属于增长系数法类别的交通分布预测模型主要有平均增长系数模型、Fratar模型和Furness模型。,预测模型,预测模型,预测模型,预测模型,底特律法实例,总的来看，增长系数法分布预测模型易于理解、思路明确、计算简单，可预测全部、全方式OD矩阵，稳定性较好，对于分布均匀、增长率变化不大的地区，这类模型比较合理。但这类模型必须建立在具有完整的现状OD矩阵的基础上，对于未来出行分布与现状出行分布变化较大的地区（如新开发的区域）不适用。,特点：,1.构造简单，利用现状OD推算未来的OD分布量 2.需要有完整的基准年的OD表，不需要标定参数 3.预测年限内，小区的土地利用状况，交通系统状况不能发生较大变化，否则预测精度下降 （1 交通设施新建或改建；2 大规模的住宅建设；3商场建设等）,预测模型,二、重力模型 重力分布模型（Gravity Model）主要是用来研究当网络中出现了比较大的变化时，未来年的交通分布预测、它的理论基础源于出行发生的行为会受到外部因素影响的假设。重力模型是国内外交通规划中使用非常广泛的模型，该模型综合考虑了影响出行分布的地区社会经济增长因素和出行空间、时间阻碍因素，是一种借鉴万有引力定律的空间互动关系模拟分析模型。 重力模型的基本假定是：交通区i到交通区j的交通分布量与交通区i的交通产生量、交通区j的交通吸引量成正比，与交通区i和j之间的交通阻抗（如两交通区间的距离、时间或费用等）成反比。第一个比较严密地提出和使用重力模型的人是Casey（1955年），他提出了地域内两城镇间综合购物出行的一种方法，最初的公式形式为：,预测模型,重力模型实例,预测模型,重力模型，特别是单约束重力模型是现在广泛使用的交通分布预测模型，其主要优点在于考虑的因素较增长系数模型更全面，能敏感地反映交通阻抗参数的变化，即使没有完整的现状表也能进行推算预测；缺点是对短距离出行估计值偏大，因此宜在以交通小区为单位的集合水平上进行标定预测，并且交通小区的面积不宜划得过小。重力模型另一个致命的缺陷是当交通阻抗趋近于零时，交通分布量会趋于无穷大，这在结构上显然是不合理的。,特点：,1.不需要完整的OD表也能进行预测 2.考虑土地利用对交通的影响 3.交通阻抗趋于0时，交通量无限大，与实际不符 4.对于内内交通而言，出行时间费用等指标确定比较困难,预测模型,三、介入机会模型 把从某一小区发生的出行，选择某一小区作为目的地的概率进行模型化，属于概率模型范畴 四、熵模型 概率熵模型、直接熵模型 五、系统平衡模型 以供求平衡理论为基础，重点考虑交通状况、工 具、基础设施等对交通分布的影响 六、OD矩阵的推算模型 1、意义：节约成本，节省人力物力 2、过程：数据收集出行路径选择OD矩阵推算,第四节 方式选择预测,1、简介 让一个出行与一种交通方式相对应，一个地区的全部出行数中利用该种交通方式的人所占的比例叫做该交通方式的分担，或简称方式分担（model split），其中每个交通方式所分担的交通量叫做该交通方式的分担交通量。 公路交通方式预测： （1）运输方式的分担量 只有公路OD资料而无其他运输方式的资料（借鉴） 当有比较完整资料，建立各种运输方式的预测模型 （2）公路客货运不同车型的分担量,第四节 方式选择预测,2、预测方法 一、分担率曲线法（转移曲线法） 各种交通方式的分担比例与其影响因素之间的关系曲线，称为转移曲线。影响因素包括交通小区间的距离，行程时间，或各交通方式所需的时间差等，利用转移曲线法可以直接查到各种交通方式在城市交通小区之间出行量中所占比例，其缺点在于由于该曲线是由现状调查资料得出，无法反映出在未来情况特别是影响因素发生变化时各种交通方式分担率的变化。,预测方法,二、专家经验法 根据铁路、水路运量与运能的关系，征求专家意见，确定分担率。 三 总量控制法 步骤： （1）建立分担模型 （2）各小区的未来非公路客货运量 （3）公路客货运量,预测方法,四、运输方式分担率法 五、车辆效率法 六、交通系数法（OD资料不全） 总的来说，方式预测关键在于计算分担率，根据总量计算分担交通量,第五节 交通分配,1、简介 交通分配是指将已经预测出的交通量根据实际情况按照一定的规则分配到道路网中的各条道路上，并求出各道路的交通流量。 交通分配是公路网交通需求预测中的重要环节，由于公路网交通分配过程是以网络为基础的（在现状路网或规划路网上进行），因而这一阶段的工作须与路网规划方案拟订结合进行。,第五节 交通分配,公路网交通分配是把预测的各目标年OD矩阵（将预测的客货运输量OD矩阵转换成客货车辆OD矩阵）分配到具体的规划公路网上。通过交通分配，可获得规划公路网中各路段和交叉口的交通量、车速、流向、车型组成等资料，这些资料是评价路网方案是否合理、建设项目是否可行等的直接依据。 2、分类 对于交通分配，国内外均进行过较多的研究，数学规划方法、图论方法及计算机技术为交通分配模型的研究及应用奠定了坚实的基础。国际上通常把交通分配模型分为平衡模型与非平衡模型两大类，并以Wardrop第一、第二原理作为划分依据。 平衡模型：平衡分配法（数学规划模型） 非平衡模型：表5-1,第五节 交通分配,分类标准： Wardrop第一原理指出：网络上的交通以这样一种方式分布，就是所有使用的路线都比没有使用的路线的费用小。Wardrop第二原理认为：车辆在网络上的分布使网络上所有车辆的总出行时间最少。 第一原理（用户最优或平衡）准则 在道路网的利用者都知道网络的状态，并试图选择最短路径时，网络会达到平衡状态，在考虑拥挤对行走时间影响的网络中，当网络达到平衡时，每组OD的各条被利用的路径具有相等且最小的出行时间，没有被利用的路径的出行时间大于或等于最小出行时间,第五节 交通分配,第二原理（系统最优）目标 在考虑拥挤对出行时间时空影响的网络中，网络中的交通量应该按某种方式分配以使网络交通量的总出行时间最小。如果假定出行者并不了解网络状态，只是凭借经验选择路径，则形成了随机交通分配模型。它是为交通管理人员提供了一种决策方法。 如果交通分配模型满足Wardrop第一、第二原理，则该模型为平衡模型，并且，满足第一原理的称为用户优化平衡模型（User-Optimized Equilibrium），满足第二原理的称为系统优化平衡模型（System-Optimized Equilibrium）。如果分配模型不使用Wardrop原理，而是采用模拟方法，则称此模型为非平衡模型。,平衡模型的发展已有几十年的历史，通常分为固定需求分配、弹性需求分配及组合分配三类。尽管平衡型交通分配方法种类繁多，但绝大部分平衡分配模型都可归结为一个维数很大的凸规划问题或非线性规划问题。在理论上，这类模型结构严谨、思路明确，比较适合于宏观研究。但由于维数大、约束条件多，这类模型的求解比较困难。尽管人们提出了一些近似方法，但计算仍很复杂，在实际工程中难以应用。相比之下，非平衡模型具有结构简单、概念明确、计算简便等特点，因而在工程实践中得到了广泛应用，效果良好。非平衡模型根据其分配手段可分为无迭代（静态）与有迭代（动态）两类；根据其分配形态可分为单路径与多路径两类。表5-1为非平衡模型的具体分类形式。,第五节 交通分配,一、公路网的数学表达与计算机表示 如前所述，交通分配是依托路网进行的，而路网一般都比较复杂，交通分配过程通常只能借助于计算机才能完成。因此，按照系统分析的原理，有必要将多因素的公路网的图示加以简化和抽象，以便建立数学模型和利用计算机贮存及运算。路网的数学表达及计算机表示是进行交通分配时关键的前期工作，合理的路网数学表达及计算机表示方法能大大加快交通分配的运算速度，提高分配精度 。,1公路网的模型结构和网络图 公路网是由结点（运输点或交叉口）和连接各结点的边（公路路线）所组成的集合,公路网可抽象成由结点和边所组成的线性加权图，根据图论方法，用数学模型来表示路网组成元素的相互关系，即： G =（V，U，W） G代表公路网； V代表公路网内 节点（运输点及交叉点等） 的集合（点集）； U代表结点间的连线 （路段）的集合（边 集）； W公路路段上各种特征变量的集合(权集)，其中包括道路特性(道路长度、技术等级等)、运输特性（运量、流向等）和交通特性(平均运行时间、运输费用等)。,点集V = 1，2，3，4，5， 边集U = (l，2)，(l，3)，(1，4)，(2，3)，(2，5)，(3，4)，(4，5)，权集W = W12，W13，W14，W23，W25，W34，W35 。,2. 公路网的计算机表示方法 公路网的计算机表示包括路网的结点表示、路段表示、邻接关系表示及路权表示四个方面。 （1）路网结点的表示 路网结点是指有两条或两条以上道路交叉的交叉口、道路几何要素发生重大变化的分界断面、多条道路交汇的枢纽（或城市、集镇）。一般情况下，路网结点被抽象为以下六类： 信号交叉口 环形交叉口。通过中央环岛来调节车流速度及车流转向的无信号控制交叉口（也有的设有交通信号） 立体交叉口。,无控制交叉口。没有任何交通管理设施的道路交叉口，这类交叉口往往设在低等级道路的交汇处。同一条道路在几何要素（如道路等级、宽度、车道数、设计车速等）发生重大变化的断面，可以看作无控制交叉口 （道路瓶颈） 道路交通枢纽。几条道路相交的交汇处（往往不交于一点），为了简化分析网络，可以把道路交通枢纽作为一个节点来考虑,实际上，互通式立体交叉口就是一个小型道路交通枢纽。值得注意的是，并非所有的交通枢纽都可以作为一个结点来处理。在进行国家主干道路网、省域道路网、市域道路网规划时，可将几条道路交汇的枢纽作为一个结点，但在进行县域道路网规划、道路工程项目可行性研究、道路交通管理研究或其他专门的交通影响分析时，仍需把交通枢纽分解为几个交通结点来分析，有时甚至要把立体交叉口分解为一组无控制交叉口来处理。,城镇。同样为了简化公路网，可以把公路网范围所覆盖的城镇作为一个结点来处理，但对于不同层次的分析网络，能作为一个结点来处理的城镇也有区别。对于全国性国家干线网络，可将包括大城市在内的各类城市都作为一个结点来处理，不会影响网络分析精度；对于省域范围的公路网，可将市（地）级城市作为一个结点，但省会城市（或非省会大城市）不能作为一个结点，而应抽象为由几条城市主干道组成的局部网络；对于市（地）域、县域范围的公路网或专门的交通影响分析，只能将小城镇作为一个结点，大中城市应抽象为一个局部网络来处理。,（2）路网路段的表示 路网路段是指网络中两个节点之间的路段，用路段的特性来表示或反映路段时，包括道路特性和交通特性。 道路特性 道路特性主要是指道路宽度、车道划分、机（动车道）非（机动车道）分隔信息、公路技术等级、路段距离、计算行车速度、路段通行能力和行程时间等，其中以等级和距离为基本特性。在路网分析中，认为同一路段的道路特性和交通信息（如流量、交通组成）等都是相同的。通常用道路等级及其他指标来对路段进行分类。实际应用时可将各种道路特性用矩阵的形式来表示，如：路网等级矩阵、路网距离矩阵、路网时间矩阵、路网速度矩阵、路网通行能力矩阵等。,交通特性 在公路网的抽象模型中，路段（及路网）的交通特性由各路段的交通阻抗来表示。路段的交通阻抗是运输工具沿路段行驶的难易程度的量化指标，一般可用行程时间、行程费用或两者的某种组合作为衡量标准。路网中各路段的交通阻抗随着路段的交通量或路段的运输特性而变化，路网规划中可用速度与流量关系或时间与流量关系的数学函数式加以模拟。 美国的交通规划中广泛使用BPR曲线。BPR曲线的数学关系式为：,（3）路网邻接关系的表示 路网的邻接关系主要是指公路网中各节点和路段间的空间联系，可用连通矩阵ADJ表示：ADJ=aij，其中： aij=0，当节点i，j之间无公路直接相连时 aij=1，当节点i，j之间有公路直接相连时 连通矩阵为 ：,在计算机中，这种关系可以用二维数组利ADJ=aij来贮存，称为邻接矩阵法，亦可以用边目录法或邻接目录法贮存。边目录法使用两个一维数组：B1(I)和B2(I)，若第I条路段邻接节点为J和K时， 令B1(I)= J，B2(I)= K； 由于公路网是无向网络， 也可记为：B1(I)= K，B2(I)= J。 以图 5-6为例， 可得表5-3所列的公路网边目录 贮存方法。,邻接目录法也使用两个数组： 一个一维数组NADJ（I）， 表示与节点I相邻的节点数； 另一个二维数组NEAR（I，J）， 表示与节点I相邻的第J个节点。 仍以图5-6所示的公路网为例， 可得表5-4所列的公路网邻接 目录贮存表。,公路网总是在原有基础上不断扩建而形成，公路路段的改建，一般对全路网的几何特性影响不大；而公路新建（开辟新线），会导致全路网几何特性的变化。用邻接目录法表示公路网的几何特性时，设路网G1新建路段（I，J），则新路网G2对G1的变化部分为：,选择何种贮存方式，主要是根据两方面的需要而定。一是根据对特定目的检查较易完成，例如当需要判别各结点间的直接联系时，以采用邻接目录法为宜。二是要考虑计算机的使用方便，例如需要贮存具有1000个运输点和不超过2000条路段的路网数据时，用边目录法仅需4000个单元；如果采用邻接矩阵法，则需要贮存 1000 X l000106个单元；而用邻接目录法则大约需要3500050000个单元。对于大型网络，用边目录法贮存虽然占用内存较少，但计算机判读路网几何关系相当困难。因此，一般采用邻接目录法既能有效节省内存，又能快速方便地进行几何信息处理。,（4）路网路权的表示 路网经过抽象后（图5-9），各路段的路权（各种几何信息、交通信息、交通阻抗等）都是以网络邻接目录表所规定的顺序表示的，如表5-5所示。,分配方法,二、最短路交通分配方法（全有全无、0-1分配） 1、简介 最短路交通分配是一种静态的交通分配方法，在该方法中，取路权（两结点间的行驶时间）为常数，即不考虑车辆的行驶车速和路段交通负荷等对路权的影响。这种分配方法的优点是计算简便，其缺点是出行量分布不均匀，即出行量全部集中在最短路上，而非最短路线上的路段则分配不到交通量。 2、步骤 （1）计算网络中每个出发点O到达每个目的地D