（计算机应用技术专业论文）交通量预测系统软件的研究与开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 今后若干年能源和交通将是制约我国经济发展的两大因素，这两个问题 都和交通规划有密切的关系，要想合理地进行交通规划、没有客观的交通量 调查和合理的交通量预测如缘木求鱼。然而如何把握交通需求的发展和变化 规律、如何布局交通设旌等等问题的深层解决需要建立一高效实用信息量大 的预测系统。这对目前我国许多正在开展交通规划工作的勘测设计院、科研 所、有关企业来讲是十分迫切的。国外一些专家学者对此做了不少探索和研 究，特别是在交通需求分析上有不少模型和解法，国内近年也有一些针对交 通需求预测与交通规划的研究。但是这些研究与成果离我国交通规划设计部 门的可操作的方法还有一些差距。本论文在广泛分析国内外已有研究成果的 基础上从研究交通需求的特征、影响因素、预测思想入手，分析了现代交通 规划的基本原理和主要方法，构建并研发了t v f sv 1 0 预测系统，并在科 研实践中进行了应用，实践证明了思想方法的有效性和可靠性。论文内容分 为五部分五章。 论文首先描述了交通需求的内涵，分析了交通生成量和需求函数，分析 了需求的影响因素与显著特征。在此基础上，分析了交通生成量、分布量、 方式承担量、分配量等。对交通量预测理论( 四阶段预测模型) 中的主要模 型进行程式化实现，根据各个数据量的特征定义了相应的数据文件结构和模 型算法，分别给出了各个工作阶段的数学模型共1 6 个，有第一预测阶段的 回归分析、弹性系数、增长系数、指数平滑；第二预测阶段的平均增长系数、 修正增长系数、单约束重力模型、双约束重力模型；第三阶段的比例模型、 概率模型、分层分对数模型；第四阶段的最短路模型、容量限制模型、静态 多路径模型、多方式多路径模型等。并且对重要模型的参数标定、求解方法、 检验方法做了分析。论文在四阶段预测的过程中提出并实现基于多方式多路 径的方式划分与交通分配组合模型及计算方法，引入虚拟节点、综合路权和 换乘路阻这一较为先进的思想，来解决o d 量在进行方式划分的同时分配到 路网上，并率先应用于实际规划项目中。 其次，论文从软件工程的角度出发，提出了开发t v f sv 1 0 预测系统 在软件工程管理方面的专业知识，并在开发实践当中加以应用，从而保证的 西南交远大学硕士掰 究生学位论文第贸 开发的进度朔质量，并提高了开发效率。分析了软件系统的需求作为交 逶量颥测系统的专弛簧求，绘出了瑟向对象的建摸备个模块静豢强，辩 设计了软件糕架体系，和预测函数的动态链接库，从而使得预测软件的灵灏 性大穴加强，傲到了框架对耩鍪的管理能稳慧裁减弱增蕊，定义了备个除液 各个模型用刘的数据格式，使得在格式公开的情况下，能和其他预测系统、 数据撵等信怠源共事数据，扩丈了该颈测系统软件豹使用藏匿。避一步应箱 软件工程思想，在w i n d o w s 平台上使用c 、c + + 、v c l 语畜，用m i c r o s o f tv i s u a l c + + 6 o 、c + 十b u i l d e r 6 o 开发王其汗发了t v f s ￥1 o 预溯系统，提供了熊 有项穰管理、数据处理、预测准备、阶段模型、图形技术、综合费用计算、 联枫帮劲维护、输磁等强大麓能静工其获释。 煅后，论文分析了现代交通规划的目标，根据实际科研项目，对一个交 通魏潮实饲徽了奔缓和分析，魄较滋应用姗预测系统赣涌与不应孺静两 者之间的差别，用实践验_ i 芷了理论与方法的可行性和有效性。 关键词；交通需求预测；交通预测软件系统；交通规划；四阶段预测模型 a b s 仃a c t e n e r g ys o u r c e s 柚d 协m s p o r t a t i o n ，b o 恤o fw h i c ha 掉c l o l y 舱撕i ”w i t h 拄越s p 嘲甜i o np 重戤斌n 舀弼珏b e 量轷略辍a b 珞硼啦t h 尊e 。凹蛐yd 础p 搬e 嫩b 氇e 丑e 8 f 董l l l 珏薹e 。韵司匿茎ck v 韬耄i g a 畦。戴锹避畦镒稚莲如粼l 瓣e 氇ev e 碜受懿莲鑫蛀黻至b f t h et l 蛐s p o f t a l i o n 坤m n i n ga n d 榭e 髓c i c n t 卸dp 强c l i c a lf 0 托c 鲢ts y s t e md e a l i n g w i t hl a r g eq u a 赫t i t yo f 确吼a t i l 蝴i sn e c e s s a r y 哪t h ep r c d i c t i o no ft h e 协以i c d e m 瓤d 蹰di 谯d 钾e l 叩m 铋t 黼w e u 雒t h cd c c i s i o no ft h e 咖s p o r t a t i 妇矗醛t m c l n f el a 辨m ，w h i c hi s 黻嚣e 魏t 撼童h e 档o o 强越辅躺c ea n dd e s i g 珏懿氆d 豫强 s c i 强l i 蠡e 球辩攮i 珏s 畦球誊c 瑟痤辩稳瓣髑咚叼匿鑫鲢豫氟( 蔫主鑫鲻e 越避勤忿i g 建e ) 印棼蛀s 娃珏d sc ：h o l a r sd i dal o to ff e s e a 袖c so nn 矗赶萤cd e m a 馥d 氛辩e c a s t 强dn 倒矗cp l 毫l l n 盍n 垂 h 刚r ，t h 。s er e a i c ：h 瞄a r en o ts op m c 妇1 b a s c do nt h ee x i s t i n gr e s e 甜d s ，t l l e 也e s i sd i s c 哪s e st h ef c a t l l 碥，i n n u o n 喊n gf h d o r s ，锄d 幽o u g h to fm et f a f i cd e m 锄d ， 髓a l y z e st l i eb 姻i c 蠲n c i p l c s 觚dm a 触m e t h o d o l o g i e s ，o o n s t m d s 张dd e v e l o p st h e 媚v 王零f 酝e 馋s 圭s 羚e ma 醛姆疼i 嚣i | 勤妞鲥e 矬l l 董薹e 辑辩簦醢e s ，娟 姨巍谨 p l 钾e di l 协b e 穰艳c t i v ea 盐d 缒l i a 醚棼t h et k s i g n s i s 蝽鼓v ec h a 舛e 璐遮蠡v 霉群l r 姆。 f i r s t l y ，t h ea u t l l o r 柚a l y z 鹪t h et r j l 丘cd 咖姐d ，t r a 嫩cg e i i e f a t i o n d i s t 斌m 娃o n ， m o d a ls p l i t 躺da 站i 卸m e n t ，p r o g r a m sf m 小s t c pf o r c c 黼tm o d c l s ，d e 血e st h ed a t a s t m c t u r ca n dm o d c la l g o i i t h m ，p 附v i d 然1 6m o d e l sf o fd i l 纯r e n tf o r e s tp h 螂e 岛釉d 强越弘嚣氆ep 毫蕞氆e 把疆，s o 王珏蛀。魏糕l | 1 l 。董陵s e d 蝴s o 蠹嫩f e 鞠誊揪砖麟鞠d w n d o w s 辞a 穗瑚毽氇ea h 氇o fd e v e l o p st 疆；sv l 奄茧o f 凇始s y s 姥m ，w h i c 瓢c 鞠秘 a p p l i c dt op 删o c tm 蛐a g 哪c n t ，d a t ap r o c c s s i n g ，f o f e c 鹅tp f 。p 盯a t i o n ，f o 掉c a s tm o d e l ， 孕a p hd i s p l a 弘i n t e 掣a t e dc o s tc a l c u l 毗i o n ，o l i l l eh e l p 黝do u t p u t s e c o n d l y ，t h ea u t h o fd e s c r i b e sp f o f 髂s i o n a ls o f t w a r ee n 酉n c c f j n gm 姐a 霉e m e n t 遗d c v c l o p 妞g 娃l e1 v 弱v l 。oi 哦c 鑫s ls y s l e ms o 勰t o 雠s 搬et kp e 龉s 黝d 聃a l i t y s 融a f e 纠e l 罐啮e 珏t 鑫n d 翻辫料el ke 量f i e e y ，糕畦y z c s 氇ed e 臻舔d 媾也e 矗w a r ea sap f o f e 辐i o n a lt f a 塌cd e m 强df b f e c a s ts y s t e m ，p r o v i d c so b j e c lo r i e n t e d m o d e l i l l ga l l dd e s i g n st h cs o f t w a r es y s t e mf 虹m e w o r ka n dd d l f o rt h ef o r c c a s t f u n 踟0 n st oe l l l l a n c et h en c x i b i l i 够t h ca u t h o fa l d 幽n e st h ed a t as t n l c m 坞u s e di n t h em o d e 王s ，w h i c hr e a l i z e sd a 主as h a 幽gw i 垂ho t h e r 如l 尊c 鸫ts y s 主e m sa n d 幽瞳魏b 嬲 锄db 掩董d 雠t h e l l s es c o p eo f t h e s o 戥w a r e f i n a u y ，t l i ea u t h o r 觚a i y z e st l i eo b j e c i i v eo ft r 蝴s p o n a t i o np l a 孤量l i 黠a n d j 仃o d u c e sa ne x 柚1 p l eo f 皿聪a l 离c i e n t i 6 cr 豁e a r c h 删e c t ，w l l i c hc o m p a r 鹪t h e f e 鼬l l s o f u s i n g 邶姐dw i 吐帕u t 款s o 弱t o v a l i d a 重e n 擀f c 鹪i b i l i t y 翘d e 俄c i c l i c yo f 氆e 氇懈y 矗蘸d 掰毒穗e d o l o g y 殛哇s 璩然i sp m p o s 懿莲a l i 粉s 畦接湖b 江蛹触m 耐e 重o f 啪躐s p 墩删 t m 瓶ca s s i i 辨m e mb 鹋e m u l _ i i - m o d a l 眦dm u m - p “ht i l f y ，i n 讯) d u c e sd l 瑚哦y d e s ，i n t e g r a t e dl i l l ki m p e d 锄a n d 仃a n s f c ri m p e d a n c et 0s o l v et h em o d a ls p l i l p m b l 哪锄da p p l i c si tt oi ；e a lp l 岛n n i n g 删e c t n e 剞讷眦a 吐衄孔dd e v e i o p m e n t 柏矗矗髓氆e 攮y 勰d 瑾翻e l s 域溉攮c d 鼬瘫o 鹳锵s l 勰d i so f 蓼始妇弦娃臻c c t o 氇e 拄：& 鼗c 薅箍糊i i n g 主趣掣8 张稻e 撼冀矬纛雠i ep 1 8 n l l 童鞋豁i n 垂c 划耋y 强i l 扛a 艄p o 娃墓蛙傩 蛆dr o a dn e m o 嫩p l 锄i n gc 扭i c d0 u ti na 血a 咖d s ：l r a 棚cd 锄蛐df o r e c 嬲t ；仃棚! i c 董b c a s t f t w 氆糙s y s t 锄；t r 柚s p o n a t i p | 鞠n k g ；萤d u 扣s l e pf o 强e a s tm o d e 王 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 国内外已有的用于交通量预测的软件系统分析与评 价 1 1 1 国内外主要相关软件系统分析 目前，各国的交通运输领域在出行需求预测系统的开发上都十分重视， 特别是英语、美国、加拿大、德国等国家在该领域取得了重要成果。我国的 国内学者与研究机构和高校也做了不懈的努力，开发了一些有一定适应性的 系统，下面就国内外的交通运输需求软件作一定的介绍与分析。 1 1 1 1t r a n s t a r 交通网络系统交通分析基础软件“交运之星t r a n s t a r ( 全称t r a 璐p o n a t i o nn e t w o f ks y s t e m st r a f f i ca n a l y s i ss o f t w a r e ) ”是进行交通运输网络系统规 划、建设及管理的系统软件。该软件是东南大学以王炜教授为主的交通工作 者在交通运输领域内十多年的科学研究成果的基础上开发而成的。 迄今为止，“交运之星t r 姐s t a r ”有三个版本： ( 1 ) 交通管理版：适用于城市交通网络系统的交通需求管理、交通系 统管理、交通运行组织规划以及城市道路网络系统调整等领域的交通系统分 析。 ( 2 ) 城市交通版：适用于城市总体交通系统规划、城市道路网络系统 规划、道路工程项目可行性研究、道路工程项目后评估、城市公共交通网络 规划、城市大容量轨道交通规划等领域的交通系统分析。 ( 3 ) 公路交通版：适用于公路网络系统规划、公路工程项目可行性研 究、公路工程项目后评估、公路网络交通管理等领域的交通系统分析。 1 1 1 2t r lp s t r i p s 是英国m t a 系统公司开发出的一个通用交通系统软件，可以为 城市间、城市内和郊区的交通系统进行建模分析，也用于交通管理规划和混 合交通信息处理分析等。t r i p s 中，每个独立的程序的输入输出都有相似性， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 对数据要求都有严格的格式规定，并且都需要大量的控制参数说明，其输入 一般有两种模式。t r i p s 对交通网络处理功能很强大，可最大应用于具有2 咖 个交通小区，9 9 9 9 个节点的交通网络。t r i p s 具有以下功能： ( 1 ) 出行发生 t r i d s 可以根据用地的交通含义，在获得各项其需要的土地经济社会数 据的条件下，由用户自己定义或标定函数进行交通发生预测，也可以由n i p s 提供的缺省函数和参数进行预测。 ( 2 ) 交通分布 在完成该项功能时，t r i p s 以重力模型为主，以其它各项分布模型为辅 进行交通小区o d 分布预测，用户可以自由选择模型，并标定参数，否则， t r i p s 采用缺省参数。 ( 3 ) 方式划分 t r i 口s 先将交通方式划分为两大主方式，如公共交通和非公共交通，然 后再在主要方式即进行各项小方式( s u b m o d e ) 划分，其中划分函数由n i p s 提供，用户也可自己定义，参数同样由用户标定，否则采用缺省值。 ( 4 ) 交通分配 t r i 口s 同样采用了几种分配算法，如最短路、多路径、动态多路径、容 量限制方法。在分配过程中，t r i p s 可以进行路径建立，路径搜索、流量加 载、路阻函数修正等等，并且每个阶段都形成单独的报告文件。 ( 5 ) 公共交通规划 n i p s 的公共交通规划部分主要包括公交线网建立和公交线网分配以及 报告生成三个部分，其中公交线网建立中包含了对公交线路，线网各项性能 的详尽描述。公交线网分配也同样采用了最短路、多路径等几种分配算法， 并区别于道路网分配算法，但结果可以与道路网分配的结果叠加形成统一的 成果。 1 1 1 3t r a n s c a d t r a n s c a d 系统是由美国c a l i p e r 公司开发的交通g i s 软件，把地理信 息技术和交通规划技术较好地结合在一起，可以方便地对各类交通运输及相 关数据进行存储、提取、分析，且可视化。由于采用先进的w i n d o w s 环境 及一系列最新的开发方法，使得软件具有较好的风格：先进的菜单界面、强 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 大的图形功能、方便的工具栏、良好的开放性、多文档、多用户操作等。现 已推出用于w 强d o w s 平台的4 5 版。 t r 眦s c a d 与其它w i n d o w s 应用程序相仿，对容量没有硬性限制，最大 限度地发挥硬件能力。运行环境为w i n d o w s3 1 及以上版本。t f a n s c a d4 5 为3 2 位应用程序。t r 卸s c a d 主要包括5 大功能：w i n d o w s 下功能强大的 地理信息系统；扩展数据模型，提供显示和处理交通数据的基本工具；汇集 了极其丰富的交通分析过程：各式各样、数量巨大的交通、地理、人口统计 数据；可以生成宏、嵌入、服务器应用及其他用户程序。 这种软件适用于网络和路径、线路系统、规划、公交、路线和逻辑分析、 统计等方面。 t r 蛆s c a d 软件的不足： ( 1 ) 过于依赖g i s ，与中国交通运输的现状资料状况不相适应； ( 2 ) 未完全汉化，使用户群受限； ( 3 ) 工具性能不足。 1 1 1 4e m m e 2 e m m e ，2 ( 城市与区域规划) 系统最初是加拿大的m o n t r e a l 大学的交通 研究中心开发，后为i n r o 咨询公司继承，并成为该公司的支柱产品之一。 该系统最高版本可以处理2 8 0 0 个交通区、2 2 4 0 0 个交通节点、5 6 0 0 0 个路段、 2 8 0 0 条线路的交通网络。 该系统具有以下功能： ( 1 ) 数据库建立功能。可以直接从地图上数字化网络：网络和模型可 方便地进行转换；输入过程中完整的数据一致性检验：数据的图象及逻辑检 验；交互式图形编辑器，可快速进行数据库修改和更新。 ( 2 ) 城市信息系统功能。能够集6 0 成各种网络及区域数据，包括交通 调查、事故统计、路面特性、维护费用及用户定义的内容；现状及未来区域 分析功能；计算并显示基于任何一种费用函数的最小费用路径；强大的网络 信息询问功能。 ( 3 ) 方便的数据处理功能。可以显示图形的同时列出所有相关数据； 地理和数字属性子模型的截取。 ( 4 ) 交通分配功能。平衡分析特性包括：一般的选定路线分析；路段 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 子区域模型；变需求分配模型；分级分配；出行特性模型；与公交方式的相 互作用。 ( 5 ) 公共交通分配。包括步行路线分析；公交子模型和子网络的分配； 特定站点和线路的参数细微调整；与其它机动车网络的相互作用；出行特性 模型；各种公交出行方式的专门分析。 ( 6 ) 检验与计算功能。包括所有计算结果的图形显示；各交通方式、 路段及路段类型信息汇总；不同网络方案直接进行图像比较；计算模型结果 的获取：个体出行特征分析；给定时限的可达区域分析；利用分布图和历史 发展趋势图进行观测值的比较。 ( 7 ) 网络及模型计算功能。可以进行路段、节点、公交路线、公交路 线段和模型数据的交互计算；由外部文件输入数据；经济评价与影响分析。 1 1 2 预测系统的评价 从以上分析可以看出，目前，各国在交通需求预测系统的开发上，特别 是英国、美国、加拿大、德国等国家取得了重要成果。我国的国内学者与研 究机构和高校也做了不懈的努力，开发了一些有一定适应性的系统。但这些 系统主要是针对交通运输需求预测的客货运量的预测，在理论上和应用上都 存在一定局限性。首先从理论上讲，随着我国交通运输基础设旖建设的发展， 沿海一些地区城市化水平的提高，为交通需求预测理论带来了新的要求，有 必要扩展四阶段预测的理论和模型。从工程实践中出发探索新的理论、研究 新的模型，形成符合我国实际预测系统，更进一步讲，开发我国自主知识产 权的交通量预测软件系统，有利于推动我国交通量预测理论的发展，有利于 城市规划和道路规划发展，科学的预测才有合理的规划，合理的规划才能可 持续发展，为建设和谐的小康社会做出贡献。其次，国外预测软件没有汉化， 为我国工程工作者所不熟悉，给国内的实际应用造成困难。再次，交通规划 和城市规划，交通量预测，都与被预测地区经济、人口、地理状况关系密切， 西方的预测系统直接照搬到我国，的确存在水土不服的情况，国外的所要求 的基础数据较为繁琐，地理信息系统又相对完善，而我国目前尚未形成较为 完善的地理数字信息和公共数据库，从而限制了这些软件的推广和使用，所 以西方的交通量预测系统不符合目前中国的国情，尤其不适应我国的勘察设 计项目范围广、时间紧、流程短的特点。另外，针对每一个实际的预测项目， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 都或多或少的需要对预测地区的数据进行特定的处理，这就需要预测系统有 一定的灵活性，在预测过程中给予人为干预的机会。因此综上所述，根据交 通需求预测的原理与方法，有必要且有可能开发一个符合我国实际需求的交 通量需求预测软件系统，该系统简称“交通量预测系统”( t v f s 是t r a f f i c v o l u m cf o 阳c a s ts v s t e m 四个单词的第一个字母的组合) ，初始版本为t v f s v 1 o 。 1 2 论文的主要意义与目的 本论文将对交通规划的理论体系和方法、交通需求预测的方法与技术进 行深入研究，在数学模型的基础上实现给出各阶段模型的计算机算法，进而 应用软件工程的理论与方法，构建管理各阶段模型、基础数据、中间数据、 结果数据的软件框架体系，形成一完整的交通量预测软件系统，并给出实际 的应用案例。 本论文的意义体现在： 1 、为交通需求预测的调查分析、构模及其应用研究提供可靠的高效工 具与新型方法，为交通定量预测提供有效的可独立运行的模型，为业界贡献 各个模型的数据结构定义，进而形成统一的标准，推动交通预测信息化建设。 2 、随着我国一些地区交通运输基础设旌的发展，城市化的发展，体现 出如下特点：一、城市化水平高，居民收入高，对出行的要求也随着提高， 更多的要求出行的舒适度和时间，二、地区的路网复杂，不仅路网稠密， 而且运输方式多样化。三、由于经济发展的要求，各种交通方式之间不仅要 竞争还要加强合作，各种交通方式间换乘越来越方便快捷成必然结果。这些 新的特征为交通需求预测理论带来了新的要求，那就是各种交通方式之间不 再有明显的差别，在四阶段预测理论中，有必要扩展预测的理论和模型。多 路径多方式分 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 3 交通量预测思想 各种交通方式是交通运输系统的组成部分，而交通运输系统是社会经济 系统的一个子系统。交通需求是一种派生需求，既是由社会、经济、人的活 动的需要而产生的，又受制予一定的交通运输条件。由于地区经济增长这个 内在因素，导致人们交通需求的增长，最终结果体现为道路网上的交通量发 生增长，而交通的增长反过来刺激经济的进一步增长。目前，交通需求分析 预测按照其基础理论的不同主要有以下几种方法”1 ：( 1 ) 土地使用决定交通 系统的理论和方法( 主要指四阶段预测法，或称为集合模型) ；( 2 ) 个人行 为决定交通需求的理论和方法( 非集合模型) ；( 3 ) 路段交通量o d 推算理论 和方法；( 4 ) 面向生态环境的城市道路交通规划理论和方法；( 5 ) 总量控制 法( 路网规划) 。 目前，国内外一般采用以集合分析思想为指导，包含各类预测方法和模 型在内的四阶段预测法，来进行交通需求预测。四阶段预测法通过“出行生 成( t r i pg e n e r a t i o n ) 、出行分布( t r i pd i s t r i b u t i o n ) 、方式选择( m o d e s p l i t ) 、出行分配( t r i pa s s i g n m e n t ) ”四个阶段，将现状的地区社会经 济调查，现状的地区交通出行调查，按照地区经济的增长趋势及目标，利用 预测方法推导出未来的地区出行需求，再将未来各个交通区的交通发生与吸 引总量进行地区间的空间分布预测，求得区与区之间的出行，再通过交通方 式，求得各种交通方式的分担量，最后将所有的出行需求分配到路网上，并 以此配合城市规划，检验现有道路网的负荷，为城市道路网的规划提供科学 的依据。 四阶段法是进行交通运输需求预测时普遍采用的理论方法，世界银行、 亚洲银行投资的交通运输项目和我国建设部、交通部、铁道部规划建设的交 通运输项目一般均采用四阶段预测法来确定运输需求量，并以此评估项目的 可行性和制定项目技术标准。目前我国高等级公路、城际铁路、轨道客运专 线及城市交通建设项目已全部采用四阶段法预测交通需求，绝大部分铁路建 设项目也采用四阶段预测法。同时，在我国的公路网规划和公路主枢纽规划 也大部分采用四阶段预测方法。 但总体来说，尽管我国的交通科研及实际工作者根据我国实际的交通状 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 况对各阶段预测模型、参数标定等作了很大的改进，但是我国目前的交通量 需求预测方法及其模型方法在整体运用上仍存在着许多不足，需要在实践中 进一步完善。 以下详细介绍四阶段预测法用到的主要模型。 2 4 交通量预测理论及相关模型算法 2 4 1 生成预测 2 4 1 1 指数平滑模型 指数平滑模型属于时间序列模型，它认为随机变量x 是时间的函数， 根据随机变量x 的n 个时间序列数据对t 时间段后的数值进行预测。使用指 数平滑模型可以对交通区域的社会经济信息进行预测。 指数平滑预测模型分为线性和非线性两类： 对经过处理的数据( 平滑值) ，再作适当变换即可构成下述预测模型： ( 1 ) 线性模型 y ，一口，+ 以丁( 2 7 1 ) ( 2 ) 非线性模型 ) ，m - 口，+ 岛r + c 。r 2 ( 2 - 2 ) 式中，) ，。为r r 时刻的预测值，而r 就是以f 为起点向未来延伸r 时刻 的意思，即表示f 以后的外推时间。模型中n ，、以、c 。的计算方法如下： ( 1 ) 线性模型 ，一嚣卜s ? ( 2 3 ) 以t ：兰一( 掣一s 0 ( 2 4 ) 1 一c l ( 2 ) 非线性模型 口，一3 s ：一3 譬? + s ， ( 2 5 ) 6 t2 赤【( 6 5 口) s j 一2 ( 5 4 口) s ? + ( 4 3 口声一( 2 - 6 ) 丌2 c t 。紊奇陋j 一2 + 踟 ( 2 - 7 ) 以上式中口为平滑系数，大多采用o 0 1 一o 3 。式中掣为第f 时点的指数 平滑值，二次指数平滑是以相同的平滑系数口，对一次指数平滑数列s ：再进 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 行一次指数平滑，构成时间序列的二次指数平滑数列彤。筇为三次指数平 滑数列。 2 4 1 2 增长率法 增长率法是根据预测对象( 如交通量、经济指标等) 的预计增长速度进 行预测的方法。其步骤是：( 1 ) 分析历史年度预测对象增长率的变化规律； ( 2 ) 根据对相关因素发展变化的分析，确定预测其增长率；( 3 ) 进行未来 值的预测。其一般式为： 2 一q o ( 1 + a ) ( 2 8 ) 式中：j 2 f 预测值； q 0 基年值； 口确定的增长率； f 预测年限。 2 4 1 3 类别生成率法 类别生成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。 生成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， 如果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。类别生成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。 2 4 1 4 弹性系数法 弹性系数法是一种定性定量相结合的综合分折方法，它通过研究确定交 通的增长率与国民经济发展的增长率之间的比例关系弹性系数，根据国 民经济的未来增长状况，预测交通的增长率，进而预测未来交通。 弹性系数与社会经济的发展层次、地区特点、发展战略等均有一定的关 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 系。因此，弹性系数的确定应综合分析预测地区的历史、现状、发展趋势， 2 4 1 5 回归预测模型 社会经济信息的预测值或控制值来预测交通区未来的出行产生与出行吸引。 对多元线性回归进行因子筛选，最后给出一定显著性水平下各因子均为 显著的回归方程中的诸回归系数、偏回归平方和、估计的标准偏差、复相关 系数及f 检验值、各回归系数的标准偏差、应变量条件期望值的估计值及 在给定f - 分布的函数值a l f a ( a l f a = p ( f n 1 ，n 2 ) ) 的情况下，根据丑1 、n 2 采用试算的方法确定相应的随机变量f 数值。 ；蒜时：f 毒出 弦9 ， 职他卜再蔫硝2 呓2 f 瓦高而出 q 其中随机变量f 芑o ，h 。与弹：为自由度。它的极限值为 p ( f ，n 。，n ：) * 丑。：h 。：蝇f ) ( 鲁，等_ ) ( 2 1 1 ) 2 4 2 分布预测 2 4 2 1 增长系数模型 增长系数模型用于四阶段预测法中的交通量分布预测，它利用交通小区 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 之间的现状出行o d 和各交通小区未来的出行产生与吸引数据，在一定的精 度控制要求下，模拟出各交通小区之间的未来出行交换量。 增长系数法包括均衡增长率法、平均增长率法、底特律法、福来特法等， 其基本假定是交通量分布的模式现在和将来变化不大，因此，当土地使用、 交通源布局等有较大变化、预测区域交通运输设施状况有较大变化时，此法 的误差较大，但它简单、方便，可用于粗略的交通量分布预测。增长系数法 是最早的交通量分布预测方法。 ( 一) 平均增长率法 设交通区f 与交通区，之间未来分布交通量为，现状分布交通量为， f 区现状交通产生量g j 和未来交通产生量q 之间的增长系数为嚷，j 区现状 交通吸引量4 j 和未来交通吸引量爿之间的增长率为卢j 。平均增长率法假定 未来分布交通量按口；、声的平均值增长，即 叫扣嵋冲一哇譬+ 争 c z - 用上式计算出的舀一般不会满足约束条件：弓一4 、乏一q ，因 此，需要进行反复迭代计算，即经第一次计算毛之后，得出： 叫。岙。前 ( 2 1 3 ) 班考。轰 协 再用下式计算第二次近似值： 巧一弓寺( a 一彰) ( 2 - 1 5 ) 如此反复计算，知道叫、卢；收敛到等于或接近1 为止。 ( 二) 福来特法 此法认为，两交通区之间未来的交通量不仅与两交通区的交通量生成增 长系数有关，而且还与整个规划区域的各交通区的交通量生成增长系数有 关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 福来特法的计算公式如下： 毛一丢倒+ 巧) 式中 巧。a i 卢，赢 了蕾f # 口i 卢j ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 舀、q 、卢，的意义同前。 用福来特法进行交通量分布预测计算时，仍需应用同平均增长率法相同 的迭代方法进行迭代计算。 2 4 2 2 重力模型 重力模型的基本假定是：交通区f 到交通区，的交通分布量与交通区f 的 交通产生量、交通区j 的交通吸引量成正比，与交通区f 和j 之间的交通阻 抗参数，如两区重心间运输的距离、时间或费用等成反比。 ( 一) 单约束重力模型 1 乌尔西斯重力模型 模型形式为 牛i 劳筠 沼 式中，如) 为交通阻抗参数，包括f i 。、e 一等形式，其中f ，为最常用 的形式，口为待定系数，其余符号意义同上。 待定系数a 根据现状o d 调查资料拟合确定，一般可采用试算法等数值 方式，以某一指标作为控制指标，通过用模型计算和实际调查所得指标的误 差比较确定。以b 采用时间为例，其计算过程是：先假定一a 值，利用现状 0 d 调查统计所得的l 、【，j 以及现状调查所得# 代入进行计算，所得出的计 算交通量分布称为g m 分布。当出行按g m 分布与按o d 分布( 即按计算分 一口一x 萃耵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 布与按实际分布) 的平均出行时间( 控制指标) 之间误差不大于某一限定值 ( 常用3 ) 时，试算即可结束，当误差超过限定值时，需改动待定系数a 值 进行下一轮计算，平均出行时间( i ) 可用下式计算： 舀 扣前 乏 如果相对误差大于限定值，应调整待定系数口。调整方法为：如果g m 分布的f 大于o d 分布的f ，可增大口，反之则减小口值。 2 美国公路局重力模型 模型形式为 即五黼 弦z ， 式中，“为运量调整系数。 与乌尔西斯重力模型相比，此模型引入了交通量调整系数b 。模型中a 及的确定方法是：先令= 1 ，此时模型与乌尔西斯模型相同，用同乌尔 西斯模型相同的方法试算得出待定系数a ，并计算如。再将计算所得的疋# 和调查所得的盖；代入下式计算： 铲勺。菇 q 也2 式中：，：| f 调查所得的x ；与计算所得的盖口之比白争： k 交通区f 到交通区j 出行量占f 区出行产生总量的比例 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 其模型形式为： z d ；4x b ，五u ，如) 4 蕾【曰u ，鳓) 】。1 丑，l 【4 正，如) 】4 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 由于该模型结构满足x # - u ，、x f 。t 两个约束条件，故可称为双 约柬重力模型。模型中符号的意义同前。 模型中待定系数的确定可采用同乌尔西斯模型类似的试算法。以，“) 采用f i 。的形式为例，为运输时间，口为特定系数，其试算过程如下： ( 1 ) 用现状o d 调查统计五、u j ，确定现状； ( 2 ) 假定一口值，并假定所有口，的初始值为1 ，用公式计算4 ； ( 3 ) 将求出的4 代入公式求丑，再将求得的曰，代回公式求 ，如此反 复，直到第n + 1 次计算结果4 ，曰，与第n 次计算大致相同； ( 4 ) 将所求得的4 ，口f 代入公式，求出x 口的g m 分布，并按同乌尔 西斯模型计算相同的方法求计算所得的运输的平均时间与实际运输的平均 运输时间之间的误差是否满足要求，如误差小于限定值则假定的口即为所 求，否则修正a 值，回到步骤( 2 ) ； ( 三) 重力模型的验证 重力模型的标定是通过拟合现状o d 调查资料确定待定系数，但拟合的 目标是以某种指标( 如平均出行时间) 的误差作为控制指标，因此，其标定 的模型精度有时不能仅以此作为评判标准，必要时应作统计检验，统计学中 的许多标准统计检验的方法均可使用，其中最常用的是z 2 检验。 如用模型计算的分布值为x 目、实际调查值为盖；，则 z 2 = 弼一) x ； ( 2 2 7 ) 计算z 2 值与其临界值比较，如果计算的z 2 比临界值小，则说明拟合良 好。临界值可根据自由度( d f ) 和显著性水平( a ) 利用z 2 - 分布函数试算 得到。自由度( d f ) 数是i j 对的总数减1 ，显著性水平a = 1 0 0 可信度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 交通区f 到交通区，交通方式七的第n 种阻抗因素的值。 待定系数口的标定，可采用与乌尔西斯重力模型相似的标定方法，拟合 现状o d 调查资料确定，即以某一指标作为控制目标，用试算法等数值方法， 假定不同的日值，通过比较用模型计算和实际调查所得指标的误差确定。控 制指标可采用如下平均出行阻抗( 尹) ： x 卜1 摹群i 式中交通区f 到交通区j ， ( 或调查) 所得分担率； z h 交通区f 到交通区， 2 4 4 分配预测 ( 2 3 1 ) 交通方式七，按口值代入模型计算 调查所得的交通分布量。 2 4 4 1 网络运量静态分配 交通量静态分配是运输规划的一个重要组成部分。所谓交通量分配就是 把各种出行方式的空间o d 量分配到具体的交通网络上，通过交通量分配所 得的路段、交叉口交通薰数据是检验道路规划网络是否合理的主要依据之 一。交通量静态分配模型主要指多路径交通量分配方法，其原理如下。 由出行者的路径选择特性可知，出行者总是希望选择最合适( 最短、最 快、最方便、最舒适等) 的路线出行，称之为最短路因素，但由于运输网络 的复杂性及运输状况的随机性，出行者在选择出行路线时往往带有不确定 性，称之为随机因素。这两种因素存在于出行者的整个出行过程中，两因素 所处的主次地位取决于可供选择的出行路线的路权差( 行驶时闻或费用差 等) 。因此，各出行路线被选用的概率可采用l 0 西t 型的路径选择模型计算。 m p ( r ，s ，七) te x p 【一日t ) 力罗c x p 【一一f o ) 力( 2 3 2 ) 贸 式中p ( r ，j ，七) o d 量r ( ，s ) 在第七条出行路线上的分配率； t 忙) 第_ 】 条出行路线的路权( 行驶时间) ； f 各出行路线的平均路权( 行驶时间) ； p 分配参数； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 m 有效出行路线条数。 2 4 4 2 容量限制分配方法 容量限制分配是一种动态的交通分配方法，考虑了路权与交通负荷之间 的关系，即考虑了交叉口、路段的通行能力闲置，比较符合实际情况。容量 限制分配有容量限制一增量加载分配、容量限制一迭代平衡分配两种形式。 采用容量限制一增量加载分配出行量时，需先将0 d 表中的每一o d 量 分解成k 部分，即将原o d 表分解成k 个0 d 分表，然后分k 次用最短路 分配模型分配o d 量，每次分配一个0 d 分表，并且每分配一次，路权修正 一次，路权采用路阻函数修正，直到把k 个0 d 分表全部分配到网络上。 在具体应用时，视道路网的大小，选取分配次数k 及每次分配的o d 比例。 采用容量限制一迭代平衡分配方法分配出行量时，不需要将0 d 表分解， 先假设网络中各路段流量为零，按零流计算路权，并分配整个o d 表，然后 按分配流量计算路权，重新分配整个0 d 表，最后比较新分配的路段流量与 原分配的路段流量，新计算的路权与原计算的路权，若两者比较接近，满足 迭代精度要求，则停止迭代，获得最后的分配交通量。若不能满足迭代精度 要求，则根据新分配的流量重新计算路权，重新分配，直至满足迭代精度。 增量加载分配与迭代平衡的原理是基本相同的，原则上说，若迭代精度 控制合理，迭代平衡分配的结果优于增量加载分配的结果。但迭代平衡法事 先无法顾及迭代次数及计算工作量，不便于上机工作的安排，并且，对于较 复杂的交通网络，通常会因为个别路段的迭代精度无法满足要求而使迭代进 入死循环。增量加载分配最大的优点是事先能估计分配次数及计算工作量， 便于上机安排，只要分配次数选择适当，其精度是可以保证的。 2 4 4 3 多路径多方式分配方法 随着我国交通运输基础设施的发展，随着我国沿海一些地区城市化的发 展，这些发展体现如下：一、该地区城市化水平高，居民收入高，对出行的 要求也随着提高，更多的要求出行的舒适度和时间，二、该地区的路网复 杂，不仅是路网稠密，还有出行的方式多样化。三、由于经济的发展和城市 化的要求，各种交通方式之间不仅竞争还加强合作，结果导致各种交通方式 间换乘越来越方便快捷。这些发展对交通需求预测理论带来了新的要求，那 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 就是各种交通方式之间不再有明显的差别，在四阶段预测理论中，有必要扩 展四阶段预测的理论和模型。多路径多方式分配方法应运而生，多方式多路 径组合分配模型进行方式划分和路径选择“1 ，考虑到所在地区出行者的经济 特征、交通运输特征及轨道、公路等不同交通方式间的差异，采用综合路权 和换乘阻抗进行流量分配预测。 l 、综合路权与换乘阻抗的确定 根据所在地区的交通运输特征、出行者的经济特征和经济社会活动的区 域特征，出行者在决定出行的方式与线路时，既受各种交通方式及其路线的 服务水平( 即所需时间、费用、舒适性、安全性、可信度等) 的影响，又受 出行者价值基准( 最小费用、最大效益等) 的影响。因此，反映交通运输网 络服务水平的综合路权是十分重要的决定性因素之一。该地区的交通运输网 络的综合路权的函数式如下： 岛十詈岛+ 6 印岛) c k l 沼3 3 ) 各参数的涵义为： e ，i 与j 节点之间的综合路权； 口出行时间权重，一般通过交通调查统计获得； 6 出行费用权重，一般通过交通调查统计获得； d 。线路长度，单位为公里； v 。i 与j 节点之间的线路上的平均行驶速度，单位为公里小时； 岛i 与j 节点之间的单位时间费用，单位为元人小时； 厶i 与j 节点之间的单位出行费用，单位为元公里人； c 。修正系数，考虑了影响各交通通道路权的其它相关因素，如便 捷性等，取值在1 1 1 5 之间。 式中参数口、6 是根据旅客出行意愿调查数据中选择交通方式的首要条 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 件情况统计确定，在有