（交通运输规划与管理专业论文）基于非集计模型的轨道交通客流需求预测方法研究.pdf

摘要 摘要 随着经济的发展，我国大中城市机动化水平不断提高，私人机动车保有量迅 速攀升，北京市城市交通需求持续增长，而城市土地资源的供给日趋紧张，道路 供需矛盾突出。单纯依靠扩展路网、加大道路建设力度已不能满足人们日益增长 的出行需求。合理分配道路资源，提高道路资源利用率，是国内外各大中城市交 通发展的普遍规律。 公共交通系统作为城市交通系统的主体，在世界各发达国家的城市交通中发 挥着举足轻重的作用。轨道交通具有运输能力大、运营速度高、污染少的优点， 是今后我国各大城市交通发展的重点。轨道交通客流预测是进行轨道交通投资决 策的基础，也是确定轨道交通系统路网基本结构和规模的重要依据。然而，从整 体上来看，我国的轨道交通需求预测的结果不尽如人意。其中，需求预测方法本 身的问题令人瞩目。 针对传统预测方法存在的由于数据集计产生的问题，非集计模型是以出行者 的效用为基础描述出行者行为的模型，以出行者个体为研究单位，减少了传统方 法的集计预测误差，可以得到更为有效的需求预测结果。本论文的研究依托国家 自然科学基金“基于非集计模型的城市轨道交通需求预测方法研究”，探讨适合 于我国的轨道交通需求预测方法，研究工作以建立基于出行行为调查和分析的轨 道交通客流预测模型为目标，结合非集计模型和四阶段预测的基本理论，以北京 市实际调查数据为基础，主要研究了基于目的地魅力度的出行生成分布联合模 型、基于多项l o g i t 模型和分层l o 醇模型的交通方式划分模型以及基于广义公 交网络的轨道交通客流分配模型的建立和标定方法。 出行生成分布预测是轨道交通客流需求预测的第一步，其目的是确定每一 个o d 对间的客流量。论文首先对出行者的目的地选择行为进行了分析，按照目 的地是否可选将出行行为划分为固定出行和弹性出行，将对出行目的地选择有影 响的变量划分为出行者特性、出行特性、交通服务水平、目的地特性，结合北京 市调查数据初步统计分析和相关分析结果，得到对出行者目的地选择有影响的变 量，并对各变量进行了合理分段。在此基础上，建立出行生成分布联合模型。 通过模型验证，证明本文所构建的模型能够很好地描述出行目的地选择行为，使 出行生成和分布预测的精度显著提高。 交通方式划分的目的是确定各种交通方式的客流量。在调查过程中，根据出 行行为是否发生将调查分为行为调查和意向调查。本文根据交通方式的特点和适 用范围，基于问卷调查结果，以出行者自身效用最大化为目标，分别建立了基于 行为数据和意向数据的交通方式选择m l 模型。为了提高预测准确性，按照交通 北京工业大学工学博士学位论文 方式的服务对象不同将交通方式划分为公共交通和私人交通两大类，建立了基于 n l 模型的交通方式划分模型。通过比较发现n l 模型具有更高的精度。 在客流分配阶段，通过调查分析，得到对轨道线路选择有影响的变量。提出 轨道线路对于出行者的效用与出行者自身属性、出行特性以及轨道线路的服务水 平有关，轨道线路的服务水平包括出行时间、费用、停靠车站数目、轨道线路周 边商业完善程度、候车时间、排队购票时间、换乘步行距离等，并建立了轨道线 路选择模型。根据轨道站点对于出行者的吸引力，给出轨道站点的吸引范围模型。 在此基础上，以轨道交通为基准，按照与轨道交通方式是否构成竞争将交通方式 划分为三类，即完全竞争类、非竞争类和合作竞争类。以合作竞争类各种方式为 对象建立广义共交网络，以追求公交系统整体运营效率最优为目标，建立了联合 方式划分交通分配模型。 本论文充分利用现有的调查数据，采用非集计预测的基本思想，以效用最大 化为目标，分析了出行者对于目的地、交通方式、出行线路的选择行为，分别建 立了基于目的地魅力度的出行生成分布联合模型、基于m l n l 模型的交通方式 划分模型、基于广义共交网络的轨道交通客流分配模型。本文的研究为利用行为 分析的手段建立预测模型提供了理论支持，为轨道交通规划、建设、布局、运营 管理和站点内部设计、管理提供了依据。 关键词轨道交通；需求预测；非集计模型；效用；行为分析；联合模型 h a b s - t r a c t 曼蔓曼曼曼量曼曼曼曼曼曼! 曼舅曼曼曼曼蔓鼍量曼i 一一一i i i a b s t r a c t a l o n gw i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n t , t h el e v e lo fm o b i l i t yi nl a r g ea n dm e d i u m s i z e dc i t i e s i n c h i n ar a i s e sc o n s t a n t l y ，a n dt h et o t a ln u m b e ro fp r i v a t em o t o rv e h i c l e sg r o w sf l e e t l y t r a f f i c d e m a n di n b e i ji n gg r o w sc o n t i n u o u s l y ，w h i l e t h e s u p p l yo fu r b a nl a n dr e s o u r c e s s t r a i n s i n c r e a s i n g l y t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt r a f f i cs u p p l ya n dd e m a n di so b v i o u s r e l y i n gs o l e l yo n e x p a n d i n ga n di n c r e a s i n gt h ei n t e n s i t yo fr o a dc o n s t r u c t i o ni s u n a b l et om e e tt h eg r o w i n gt r a v e l d e m a n do ft r a v e l e r s d i s t r i b u t i n gr o a dr e s o u r c e sr e a s o n a b l ya n di m p r o v i n gt h er o a du t i l i z a t i o n r a t eo fr e s o u r c e sa r eg e n e r a lr u l ei nm a j o rc i t i e sb o t ha th o m ea n da b r o a d t h ep u b l i ct r a n s p o r ts y s t e mi st h em a i n s t a yo fu r b a nt r a f f i cs y s t e m i tp l a y sad e c i s i v er o l ei n u r b a nt r a f f i ci nc i t i e so fd e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h ew o r l d r a i lt r a n s p o r t a t i o n ，w h i c hh a st h e a d v a n t a g e so fh i g hc a p a c i t y ，h i g h - s p e e da n dl e s sp o l l u t i o n ，i st h em a i nt r a f f i cm o d ei n c i t i e so f c h i n a r a i lt r a n s p o r t a t i o nd e m a n df o r e c a s ti sn o to n l yt h eb a s i sf o ri n v e s td e c i s i o nm a k i n g ，b u t a l s ot h eb a s i sf o ri d e n t i f yt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt h es c a l eo ft h er a i lr o a dn e t w o r k h o w e v e r , f r o m a no v e r a l lp o i n to fv i e w ，r a i lt r a n s p o r t a t i o nd e m a n df o r e c a s tr e s u l t sa r eu n s a t i s f a c t o r yi nc h i n a o f t h e s e ，p r o b l e m so ft r a f f i cd e m a n df o r e c a s t i n gm e t h o d o l o g i e si t so w n i ss p e c t a c u l a r t h et r a d i t i o n a l f o r e c a s t i n g m e t h o d sa r en o tr e a s o n a b l eb e c a u s eo fa g g r e g a t e dd a t a d i s a g g r e g a t e dm o d e li sb a s e d o nt h eu t i l i t yo ft r a v e l e r s i ts t u d i e st h eb e h a v i o r so ft h et r a v e l e r s ， a n dt h ef o r e c a s t i n ge r r o ri sg r e a t l yd e c r e a s e d t h ef o r e c a s t i n gr e s u l ti st h u sm o r ee f f e c t i v et h a n t r a d i t i o n a lo n e s t h i ss t u d yd i s c u s s e saf o r e c a s t i n gm e t h o db a s e do nt r a v e l e rb e h a v i o r i n v e s t i g a t i o nt h a ts u i tf o rc h i n a a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o n d a t ai nb e i j i n g , t h es t u d y e s t a b l i s h e daf o r e c a s t i n gm e t h o d c o m b i n e dd i s a g g r e g a t e dm e t h o da n dt r a d i t i o n a lf o r e c a s t i n g m e t h o d m a i n l yc o n t e n ti n c l u d et h r e em o d e l s ，w h i c ha r ec o m b i n e dt r i pg e n e r a t i o na n dd i s t r i b u t i o n m o d e lb a s e do nt h ea t t r a c t i v e n e s so ft h ed e s t i n a t i o n s ，m o d es p l i tm o d e lb a s e do nm u l t i n o m i a ll e g i t a n dn e s t e dl e g i tm o d e l ，a n dt r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e lb a s e do i lg e n e r a l i z e dp u b l i ct r a f f i cn e t t r i pg e n e r a t i o n d i s t r i b u t i o nf o r e c a s ti st h ef i r s ts t e po ft r a f f i cd e m a n df o r e c a s t i n g t h ea i m o f t h i ss t a g ei st oi d e n t i f yt h et r a f f i cd e m a n db e t w e e ne a c ho r i g i na n dd e s t i n a t i o n i nt h i sp a p e rt h e b e h a v i o ro fd e s t i n a t i o ns e l e c t i o no ft h et r a v e l e r sw a sa n a l y z e df i r s t l y a c c o r d i n gt ow h e t h e rt h e d e s t i n a t i o ni sa l t e r a b l e t r a v e lb e h a v i o ri sd i v i d e di n t of i x e dt r a v e la n df l e x i b l et r a v e l v a r i a b l e s t h a th a v ei n f l u e n c eo nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o na r ed e v i d e di n t of o u rt y p e s ，w h i c ha r et r a v e l e r c h a r a c t e r s ，t r i pc h a r a c t e r s ，t r a v e l s e r v i c el e v e la n dd e s t i n a t i o nc h a r a c t e r s c o m b i n i n gt h e i n v e s t i g a t i o nd a t ao fb e i j i n g ，a l lt h ep a r a m e t e r st h a ti n f l u e n c et h ed e s t i n a t i o ns e l e c t i o na r eg o t a n dt h ep a r a m e t e r sa r ed i v i d e di n t os e v e r a ls e c t i o n sr e a s o n a b l y c o m b i n e dm o d e lo ft r i p g e n e r a t i o na n dd i s t r i b u t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h r o u g ht h em o d e lt e s t , t h em o d e li nt h i sp a p e r i i i 北京工业大学工学博士学位论文 c a r l d e s c r i pt r a v e ld e s t i n a t i o nb e h a v i o rr e s o n a b t y ，a n di n c r e a s e t h e f o r e c a s t i n ga c c u r a c y s i g n i f i c a n t l y t h ei n t e n t i o no fm o d es p l i ti st od e t e r m i n et h et r a f f i cv o l u m eo fv a r i o u st r a f f i cf o r m s i nt h e c o u r s eo ft h ei n v e s t i g a t i o n ，a c c o r d i n gt ow h e t h e rt h et r i pw i l lo c c u r ，i n v e s t i g a t i o ni sd i v i d e di n t o r e v e a l e dp r e f e r e n c ea n ds t a t e dp r e f e f e n c e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n df i tb o u n do fa l lt h e t r a f f i cm o d e s ，t h i sp a p e re s t a b li s h e dam 儿m o d e lb a s e do nr pa n ds pd a t a t h em o d e lj sb a s e do n t h em a x i m u mu t i l i t yo ft r a v e l o r sa n dt h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t s i no r d e rt oi m p r o v et h ef o r e c a s t a c c u r a c y ，t h et r a f f i cm o d e sa r ed i v i d e di n t op u b l i ct r a f f i ca n dp r i v a t et r a f f i c am o d es p l i tm o d e l b a s e do nn lm o d e l i se s t a b l i s h e dt o o t h en lm o d e l sm o r ea c c u r a t et h a nm 吐m o d e l i nt h et r a f f i ca s s i g n m e n ts t a g e ，f a c t o r st h a th a v ei n f l u e n c eo nr o u t es e l e c t i o na r eg o tt h r o u 曲 s u r v e y so ft h et r a v e ll i n e s t r a v e lu t i l i t yo fd i f f e r e n tr a i l w a yr o u t ea r er e l a t e dt ot h ec h a r a c t e r so f t r a v e l o r s ，t h ec h a r a c t e r so ft h et r i pa n dt h es e r v i c el e v e lo ft h er a i l w a yr o u t e t h es e r v i c el e v e lo f t h er a i l w a yr o u t ei n c l u d et r a v e lt i m e ，c o s lt h en u m b e ro fs t a t i o n s ，r a i ll i n e s s u r r o u n d i n g c o m m e r c i a l ，t h ew a i t i n gt i m e ，t h eq u e u eb o o k i n gt i m e ，t r a n s f e rw a l k i n gd i s t a n c e r a i lr o u t e s e l e c t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ea t t r a c t i v e n e s so fr a i ls t a t i o n s ，a t t r a c t i v er e g i o no f r a i ls t a t i o n si ss t u d i e d o nt h i sb a s i s ，a l lt h et r a f f i cm o d e sa r ed e v i d e di n t ot h r e et y p e sa c c o r d i n gt o w h e t h e rc o m p e t ew i t hr a i l w a yt r a f f i c ，w h i c ha r ef u l l yc o m p e t i t i v ec a t e g o r y ，n o n - c o m p e t i t i v e c a t e g o r ya n dc o o p e r a t i v ec o m p e t i t i o nc a t e g o r y c o o p e r a t i v ec o m p e t i t i o nc a t e g o r yi st h eb a s et o t h ee s t a b l i s h m e n to fv a r i o u sf o r m so fg e n e r a l i z e dp u b l i ct r a f f i cn e t w o r k t h eo p t i m a lg o a li st o m a k em a x i m u mo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h ep u b l i ct r a f f i cn e t w o r k c o m b i n e dm o d es p l i ta n d t r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e li se s t a b l i s h e d i nt h i sp a p e ra l lt h et r a f f i cb e h a v i o r , i n c l u d i n gd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n ，t r d 两cm o d es e l e c t i o n a n dr o u t es e l e c t i o n ，a r ea n a l y z e db a s eo nt h ee x i s t i n gs u r v e yd a t aa n dd i s a g g r e g a t e dm o d e l m a x i m u mu t i l i t yi st h eg o a l t h ec o m b i n e dm o d e lo f t r i pg e n e r a t i o na n dt r a f f i cd i s t r i b u t i o n ，m l n lm o d e s p l i tm o d e la n dt r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e lb a s e do ng e n e r a l i z e dp u b l i ct r a f f i cn e t w o r ka r e e s t a b l i s h e d t h i sp a p e rp r o v i d e sat h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h er a i lt r a f f i cd e m a n df o r e c a s t i n g ，a n d b o t h p r o v i d e s ab a s i sf o rr a i l w a yt r a f f i cp l a n n i n g , c o n s t r u c t i o n ，d i s t r i b u t i o n , o p e r a t i o n s m a n a g e m e n ta n di n t e r n a ls i t ed e s i g na n dm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：r a i lt r a f f i c ；t r a f f i cd e m a n d ；d i s a g g r e g a t em o d e l ；u l t i l i t y ；b e h a v i o ra n a l y s i s ；c o m b i n e d m o d e l i v 目录 图目录 图1 1 交通系统中的平衡3 f i g u r e1 1t h e b a l a n c ep r o b l e mi nt h et r a f f i cs y s t e m 3 图1 2 研究思路示意图6 t a b l e1 - 2s k e t c hm a po f s t u d yf l o w 6 图2 1 四阶段法预测流程图1 0 f i g u r e2 1f l o wc h a r to ff o u r - s t e pf o r e c a s t i n gm e t h o d 10 图3 1 生态学相关的例子2 9 f i g u r e3 1t h ee x a m p l eo f b i o n o m i c s 2 9 图4 1 出行生成分布联合模型3 2 f i g u r e4 1c o m b i n e dm o d e lo f t r i pg e n e r a t i o na n dd i s t r i b u t i o n 3 2 图4 2 交通小区划分示意图3 5 f i g u r e4 2s k e t c hm a po f t r a f f i cz o n e 3 5 图4 3 性别对于目的地选择的影响3 7 f i g u r e4 ：；t h ee f f e c to fs e xo nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 3 7 图4 4 年龄对于目的地选择的影响3 7 f i g u r e4 4t h ee f f e c to f a g eo nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 3 7 图4 5 职业对于目的地选择的影响3 8 f i g u r e4 5t h ee f f e c to fo c c u p a t i o no nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 3 8 图4 6 收入对于目的地选择的影响3 8 f i g u r e4 6t h ee f f e c to f i n c o m eo nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 3 8 图4 7 是否有小汽车对于目的地选择的影响3 9 f i g u r e4 7t h ee f f e c to f w h e t h e rh a v eac a ro nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 3 9 图4 - 8 出行目的对于目的地选择的影响3 9 f i g u r e4 8t h ee f f e c to f t r a v e la i mo nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 3 9 图4 9 支付方式对于目的地选择的影响4 0 f i g u r e4 9t h ee f f e c to fp a ym o d eo nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 4 0 图4 1 0 目的地区位对于目的地选择的影响4 0 f i g u r e4 。1 0 t h ee f f e c to f d e s t i n a t i o np o s i t i o no nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 4 0 图4 11 住宅面积对于目的地选择的影响4 1 f i g u r e4 11t h ee f f e c to f r e s i d e n e ea r e ao nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 4 1 图4 1 2 商服面积对于目的地选择的影响4 1 f i g u r e4 1 2t h ee f f e c to f b u s s i n e s sa r e ao nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 4 1 图4 1 3 公共设施面积对于目的地选择的影响4 2 f i g u r e4 1 3t h ee f f e c to f p u b l i ce s t a b l i s h m e n ta r e ao nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 4 2 图4 1 4 出发地区位对于目的地选择的影响4 2 f i g u r e4 1 4t h ee f f e c to f o r i g i np o s i t i o no nd e s t i n a t i o ns e l e c t i o n 4 2 图5 1 调查地点分布图5 5 f i g u r e5 11 1 1 es k e t c hm a po fi n v e s t i g a t i o na r e a 5 5 图5 2 交通方式分布图5 5 f i g u r e5 2d i s t r i b u t i n gm a po f i n v e s t i g a t e dt r a f h cm o d e 。5 5 图5 3 年收入与出行方式的关系5 6 北京工业人学工学博士学位论文 f i g u r e5 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n c o m ea n dt r a f f i cm o d e 5 6 图5 4 职业与出行方式的关系5 6 f i g u r e5 - 4r e l a t i o n s h i p ib e t w e e no c c u p a t i o na n dt r a 伍cm o d e 5 6 图5 5 年龄与出行方式的关系5 7 f i g u r e5 5r e l a t i o n s h i p ib e t w e e na g ea n dt r a f f i cm o d e 5 7 图5 - 6 出行目的与出行方式的关系5 7 f i g u r e5 - 6r e l a t i o n s h i p ib e t w e e nt r a v e la i ma n dt r a f f i cm o d e 5 7 图5 7 不同收入者选择轨道出行意向分布5 8 f i g u r e5 7d i s t r i b u t i o no f t r a v e li n t e n to fd i f f e r e n ti n c o m e 5 8 图5 8 不同职业者选择轨道出行意向分布5 8 f i g u r e5 8d i s t r i b u t i o no f t r a v e li n t e n to f d i f f e r e n to c c u p a t i o n 5 8 图5 - 9 交通方式划分选择树示意图7 0 f i g u r e5 - 9s e l e c t i o nt r e eo f m o d a ls p l i tm o d e l 7 0 图5 1 0 轨道选择概率与票价的关系8 1 f i g u r e 5 1 0t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a i lt r a f f i cv o l u m ea n dp r i c e 8 1 图5 1 1 轨道出行选择概率模型对票价的弹性8 2 f i g u r e 5 - 1 1r a i lt r a f f i cv o l u m ee l a s t i c i t yo nt i c k e tp r i c e 8 2 图5 1 2 轨道选择概率与时间的关系8 3 f i g u r e 5 12t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a i lt r a f f i cv o l u m ea n dt i m e 8 3 图5 1 3 轨道出行选择概率模型对时间的弹性8 3 f i g u r e 5 1 3r a i lt r a f f i cv o l u m ee l a s t i c i t yo nt i m e 8 3 图6 1 轨道线路选择行为分析示意图8 5 f i g u r e6 1s k e t c hm a po fr a i lr o u t es e l e t i o nb e h a v i o r 一8 5 图6 2 年龄与轨道线路选择结果的关系8 9 f i g u r e6 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e na g ea n dt r a v e lr o u t e 8 9 图6 3 职业与轨道线路选择结果的关系8 9 f i g u r e6 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e no c c u p a t i o na n dt r a v e lr o u t e 8 9 图6 - 4 收入与轨道线路选择结果的关系9 0 f i g u r e6 - 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n c o m ea n dt r a v e lr o u t e 9 0 图6 5 出行目的与轨道线路选择结果的关系9 0 f i g u r e6 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a v e la i ma n dt r a v e lr o u t e 9 0 图6 - 6 年龄与轨道站点选择结果的关系9 6 f i g u r e6 - 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e na g ea n ds u b w a ys t a t i o n 。9 6 图6 7 职业与轨道站点选择结果的关系9 6 f i g u r e6 - 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e no c c u p a t i o na n ds u b w a y s t a t i o n 9 6 图6 8 出行目的与轨道站点选择结果的关系。9 7 f i g u r e6 8r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a v e la i ma n ds u b w a ys t a t i o n 9 7 图6 9 收入与轨道站点选择结果的关系9 7 f i g u r e6 - 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n c o m ea n ds u b w a y s t a t i o n 。9 7 图6 1 0 不同属性水平的水平值比较1 0 2 f i g u r e6 1 0c o m p a r i s o no f t h eu t i l i t yo f t h ea t t r i b u t e sa n dl e v e l s 1 0 2 图6 1 1 单独站点吸引范围1 0 4 f i g u r e6 1 1a t t r a c t i v er e g i o no f a b s o l u t er a i lt r a n s i ts t a t i o n 1 0 4 图6 1 2 吸引范围不发生重合的吸引范围示意图1 0 5 目录 f i g u r e6 一i2a t t r a c t i v er e g i o no fr a i lt r a n s i ts t a t i o n si nt h ec o n d i t i o nt h a t a t t r a c t i v er e g i o n sa l ea b s o l u t e 10 5 图6 1 3 吸引范围相交时吸引范围示意图1 0 5 f i g u r e6 - 13a t t r a c t i v er e g i o no fr a i lt r a n s i ts t a t i o n si nt h ec o n d i t i o nt h a t a t t r a c t i v er e g i o n sa r ei n t e r s e c t e d 10 5 图6 1 4 吸引范围为包含时吸引范围示意图1 0 6 f i g u r e6 14a t t r a c t i v er e g i o no fr a i lt r a n s i ts t a t i o n si nt