（交通运输规划与管理专业论文）城市轨道交通客流预测模型研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，我国一直面临经济快速发展致使交通压力不断增加的难题，大 力发展轨道交通系统是日前最好的解决途径城市轨道交通是一种侠捷安全 高效的客运交通方式，但由于轨道交通建设具有耗资巨大、规划年限长、涉 及面广、综合性强的特点，故必须进行合理的规划和客观科学的客流预测工 作，才能发挥出应有的作用 目前国内外城市轨道交通客流预测基本上都是采用交通规划的常规方 法：在城市客运总量的基础上，通过交通方式划分预测城市轨道交通的客流 量鉴于轨道交通的特性，论文根据各种交通方式与轨道交通之间的关系引 入竞争合作的方式訇j 分策略，着重研究了常规公交和轨道交通竞争模型的建 立，并对模型中包括时间价值在内的各参数进行分析 传统的轨道交通客流预测过程都是根据已知需求通过某供给模型或需求 模型来确定各轨道线路及其客流量，而没有充分考虑供需双方的相互作用， 论文根据我国城市轨道交通系统建设中政府部门和公众出行者之间的关系， 在四阶段法的基础上引入了双层规划的思想，建立轨道交通客流预测的双层 模型，通过平衡配流及系统最小广义出行费用等目标函数的双重优化保证了 客流预测结果的科学性和准确性 最后，本文以长沙市轨道交通客流预测为实例对上述相关研究及模型进 行了具体分析与检算。 关键词轨道交通；客流预测；双层模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s c h i n ah a sb e e nc o n f r o n t e dw i t ht h ep r o b l e m so f 仃a f f i cp r e - s s u r cb e c a u s eo ft h es p e e d l yd e v e l o p m e n to fe c o n o m y m e t r o p o l i t a nr a i l w a y t r a f f i ci sap a t t e r no fp a s s e n g e rt r a n s p o r tw h i c hp o s s e s s e ss h o r t c u t , s a f ea n d e f f i c i e n t s p e c i a l i t y t h e b e s t a p p r o a c h i s a c t i v e l yd e v e l o p i n gm e t r o p o l i t a n r a i l w a yt r a f f i cs y s t e m a tt h es a m et i m e 。m e t r o p o l i t a nr a i l w a y 嘲c c o n s t r u 嘶o n p o s s e s s e s8 0 m cc h a r a c t e r i s t i c s ：h i g h l yc o s t , y e a r so fp r o g r a m m i n g , s t r o n g c o m p r e h e n s i b i l i t y , n u m e r o u sf i e l d s s or e a s o n a b l ep r o g r a m m i n ga n ds c i e n t i f i c f o r e c a s ta b o u tp a s s e n g e rf l o wc a ne n s u r er a i l w a yt r a f f i cp l a y i n gt h ei m p o r t a n t r o l e b a s i cm e t h o d so ft r a n s p o r t a t i o np l a n n i n ga r es t i l la d o p t e di nt h eu r b a nr a i l t r a n s i tp a s s e n g e rt r a f f i cv o l u m ef o r e c a s ta th o m ea n da b r o a d ：o nt h eb a s i so fc i t y t r a f f i cp a s s e n g e rv o l u m e ，m o d e l - s p l i tm o d e li su s e dt of o r e c a s tt h ep a s s e n g e r v o l u m eo ft h eu r b a nr a i lt r a n s i t c o n s i d e r i n gt h i sp a r t i c u l a r i t i e s ，t h ep a p e ri n d u c t s c o m p e t i t i v ec o o p e r a t i o ns t r a t e g ya c c o r d i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h et r a f f i cm o d e s a n dt h er a i lt r a n s i t i na d d i t i o n ，t h ec o m p e t i t i v em o d e l so nt h er a i lt r a n s i ta n d c o n v e n t i o n a lp u b l i ct r a n s i ta g ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h et i m e v a l u eo f p a s s e n g e r sa n dt h ep a r a m e t e r si nt h em o d e l s ， t h en e tl i n ea n dt h ep a s s e n g e rv o l u m eo fu r b a nr a i lt r a n s i ta r cc o n f i r m e db y s o m es u p p l ym o d e lo rd e m a n dm o d e la c c o r d i n gt ot h eg i v e nd e m a n d si nt h e t r a d i t i o n a lf o r e c a s tm e t h o d so fp a s s e n g e rf l o w b u tt h ei n t e r a c t i o no ft h es u p p l i e r a n dt h ed e m a n d e ra l w a y sb ei g n o r e d a c c o r d i n gt ot h ei n t e r r e a c t i o no ft h e g o v e r n m e n td e p a r t m e n ta n dt h et r a v e l e ri nt h eu r b a nr a i lt r a f f i cc o n s t r u c t i o n ，t h e p a p e ri n d u c t st h et h o u g h to fb i l e v e lp r o g r a m m i n ga n de s t a b l i s h e st h em e t h o d s m o d e lb a s e do n f o u r - s t a g e m e t h o d t h em e t h o d so f e q u i l i b r i u m t r a f f i c a s s i g n m e n ta n do p t i m i z a t i o no fo b j e c t i v ef u n c t i o nc a n e n s u r et h es c i e n t i f i c i t ya n d p r e c i s i o no fp a s s e n g e rf l o wf o r e c a s to u t c o m e a tt h el a s to ft h ep a p e r , t h er a i l w a yt r a f f i cp a s s e n g e rf l o wi nc h a n gs h ai s f o r e c a s t e da sae x a m p l e k e y w o r d sr a i l w a yt r a f f i c ；p a s s e n g e rf l o wf o r e c a s t ；b i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e l ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早三；百t 匕 随着我国经济的快速发展，人口大量迅速的向城市集中，而交通运输系 统的发展速度又跟不上城市建设的步伐，导致许多大中型城市出现了人口密 集，交通堵塞、环境污染、能源匮乏、车祸率高等不良反应，这些问题直接 制约了城市的发展。 1 1 城市轨道交通系统概述 1 1 1 城市轨道交通方式的特点 城市轨道交通包括地铁、轻轨、单轨和磁悬浮等交通方式，它们能给居 民提供高水平的交通服务其特点1 1 1 2 1 1 3 1 主要有： 运量大地铁和轻轨是容量较大的交通运输工具，是常规公交运量的几 倍甚至十几倍。据测算地铁单向高峰每小时载运3 0 0 0 0 - - 6 0 0 0 0 人次，轻轨单 向高峰平均每小时的客运量也有2 0 0 0 0 - 3 0 0 0 0 人次，而公共电汽车为2 0 0 0 至5 0 0 0 人次，小汽车为1 0 0 0 至2 0 0 0 人次而且这种交通方式受天气影响很 小，可以全天候2 4 小时服务目前国外许多大城市的轨道交通已经成为城市 骨干交通方式，承担的客运量占到整个城市客运的5 0 以上，有的甚至超过 8 0 。 速度快目前常规公交平均时速仅为1 4 k i n 一1 6 k i n ，而国内地铁列车的最 大行驶速度是1 2 0 k m h ，运营速度为3 0 , - 4 0 k m h ，是常规交通的3 到4 倍。 同时，由于轻轨交通一般处于封闭或半封闭状态，不受市内道路及其他交通 方式的干扰，准点率很高。 节约用地。城市各种交通工具中土地使用率最高的就是轨道交通。有关 资料表明，修建一条6 车道、最大单向小时客运能力为1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 人次的 城市快速路需占地8 0 0 0 0 1 0 n 2 ，而修建一条最大单向小时客运能力为4 0 0 0 0 - 6 0 0 0 0 人次的地面铁路占地1 0 0 0 0 k m 2 。，后者仅为前者的1 5 保护环境。交通运输系统排放的废气是大气污染的主要来源，而城市废 气的主要排放源是汽车。由于城市轨道交通以电力组为动力，不像燃气机那 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 样有废油废气产生，对环境污染较小；同时地铁车站和线路深埋地下，振动 时产生的噪音对于外界的干扰也比较小 方便舒适，安全性好列车的发车间隔是衡量列车方便性的一项指标 地铁的发车指标为2 m i n ，具备保护模块轻轨车辆的发车时问间隔也只有2 5 r a i n ，频繁的发车会给人们出行、工作和生活带来极大的便利同时所有的 地铁都有各自专属的通道，道路交叉干扰少，安全性也会比公共汽车和有轨 电车好的多 1 1 2 轨道交通系统在城市发展中的作用 作为一种大容量、快捷、安全、高效的客运交通方式，轨道交通系统对 加快城乡一体化建设、全面带动相关产业快速发展等都起到了非常重要的作 用1 4 1 5 1 ( 1 ) 适应城市发展扩大化的需求大城市人口的剧增使得城市不断扩大 或建立卫星城市，城市扩大后市中心与卫星城市之间需要建立方便快捷的客 运通道，轨道交通就是最适合这种中长距离运输的的交通方式之一如上海 市近几年来重建了许多卫星镇区，过去这些镇区到市中心需要2 3 个小时。 地铁线开通以后，出行时间大大缩短，只需半小时左右 ( 2 ) 促进城市经济持续增长城市轨道交通是显示广大人民群众不断提 高的生活水平的城市交通基础设施一些发达国家曾经都将建设完善的轨道 交通体系，作为拉动城市经济增长和满足城市人民生活水平的重要项目大力 发展 ( 3 ) 充分利用城市空间。在当今城市中。各种建筑、道路交通等都和人 们的全部生活设施集中到了一片有限的地面空间上尽管城市在不断的向郊 区扩张，用地不断增加，但城市地面空间的拥挤状况并没有从根本上得到改 善，相反，随着城市人口的不断增加，生活的空间变得越发拥挤。为了有效 的缓解拥挤状况，就需要建立一个地下、地面、空问里交叉的城市轨道交通 系统。 ( 4 ) 改善城市居住环境。近年来，人们逐渐重视起对生活环境的保护， 提高了对各项环境指标的要求。这些也是城市轨道交通系统不断研究和追求 的目标一些目前已有的轨道交通方式，特别是新开发的类型，均己基本满 足人们对环境保护的要求比如单轨及直线电机牵引的轮轨系统，都能把各 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 项生态指标都控制在标准范围内；而中低速的磁悬浮系统更彻底的控制了各 种噪音和振动，成为真正的绿色交通工具。 ( 5 ) 促进轨道交通沿线的土地升值轨道交通的建设可以增加沿线地区 的经济活力，表现为土地升值由于轨道交通能带来土地高强度的开发，也 就是提高土地的容积率根据有关资料了解到，土地容积率每提高0 1 ，每 平方米的地价将提高3 0 0 多人民币 ( 6 ) 带动其它产业的发展轨道交通的建设会带动很多产业的发展，包 括房地产、商业、服务业和一些交通附属产业由于轨道交通的建设会大大 的提高沿线地区的可达性，必将吸引大量的居住人口，从而刺激周边房地产 的开发当轨道沿线人口形成一定规模后，必将产生与之配套的商业和服务 业设施，如零售业、娱乐以及饮食业等同时还会带动附属产业的发展，如 轨道交通建设、机车制造、轨道维护维修、轨道交通系统的管理运营等据 有关资料显示，在2 0 1 0 年前有条件及要求建设轨道交通的城市有1 2 个，在 此基础上建立起来的相关产业是非常庞大的，同时还可以提供大量就业岗位， 推动国民经济的增长 1 2 国内外城市轨道交通客流预测方法研究现状 1 2 1 国外研究现状 轨道交通客流预测的方法比较多样化，包括四阶段法和土地利用法等 国外比较成熟的是四阶段客流预测法，即出行产生预测、出行分布预测、方 式划分预测和路网配流预测1 6 j 1 7 j ， 5 0 年代初期，国外使用的出行生成预测模型大多基于家庭或小区出行现 状的增长系数法和线性回归法。6 0 年代末产生了一种改进方法，类型法或称 为交叉分类法，后来一直是国外出行生成预测的主要方法。 交通分布模型中最常用的是重力模型和增长系数法，分别是由c a s e y 和 f u r n e s s 在1 9 5 5 年和1 9 6 5 年最早提出的。重力模型法根据出行产生吸引总量 的约束条件又分为单约束模型和双约束模型，后来该模型从最大熵原理和最 大似然原理方面的得到了解释在此之前，s t o u f f c r 于1 9 4 0 年还提出过另外 一种介入机会模型，1 9 5 9 年s c h n c i d e r 将该模型加以改进并沿用至今 方式划分模型主要包括集计模型和非集计模型两种。最早的集计模型是 分担率曲线法，后来参照其它预测模型，引进了回归分析法和重力模型。最 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 早研究非集计模型的主要是w a r n r ，l e r m a n 等人，他们提出了效用最大化的 理论，但此时的模型与传统方法相比还具有明显而严重的缺陷年代以来 非集计模型开始广泛应用，1 9 7 5 年d o m e n c i c h 在效用最大化的理论上提出离 散选择模型，根据其中概率分布函数的差别，分为i o g i t 模型和p r o b i t 模型， 其中多元l d g n 模型至今仍在广泛应用中。8 0 年代末，针对b g n 模型的不 足，人们又提出了许多改进模型，1 9 7 9 年g a u d r y 和d a g e n i a s 提出了d o g i t 模型、以及经过b o x c o x 变换得到的b c l 模型和b c d ，还有g e r k e n 提出的 广义l d g n 模型。 最早的流量分配主要是全有全无分配法，其后的增量分配法、连续平均 法、容量限制配流均是在此基础上建立的。1 9 5 2 年w a r d r o p 提出了著名的 w a r d r o p 原理，开始了平衡模型探索求解；1 9 5 6 年b e c k m a n 等人将w a r d r o p 原理用数学语言表述；直到1 9 8 2 年，f l o r i a n 和f e r n a n d e z 才提出了该模型的 算法；目前常用的是f r a n k 和w o l f e 提出的f w 算法 上述模型理论体系均是在国外城市交通规划的过程中总结建立起来的， 已经相当的成熟与完善 1 2 2 国内研究现状 目前国内使用的客流预测方法主要有趋势外延法、吸引范围法和交通规 划四阶段法前两种方法仅进行了轨道沿线及吸引范围内的客流变化趋势的 预测，其中并没有考虑轨道交通的建设对整个城市客流量以及客流在城市路 网上分布的影响；四阶段法则是以城市居民出行o d 为基础，使用数学模型 分析客流的变化规律，从而确定轨道交通线路上的客流量。 1 9 8 7 年天津大学系统工程研究所根据“各种交通方式出行距离的分布曲 线”，得出步行、自行车、常规公交和轨道交通四种交通方式的出行分担率， 进而得到各方式预测年限的o d 矩阵，并根据w a r d r o p 第一原则，建立了平 衡配流模型； 1 9 9 0 年西南交逶大学在广州地铁第一期工程可行性研究的客流预测中， 采用效用比模型和多维l o g i t 模型二者组合的交通方式划分模型；同年，清 华大学在青岛地铁第一期工程可行性研究客流预测中，采用了平衡分配的“用 户最优”的非线性互补和变分不等式模型进行交通分配； 1 9 9 0 年南京交通规划研究所在南京市快速轨道路网规划过程中，采用基 于全方式o d 矩阵的联合方式划分交通分配模型而过秀成和吕慎等人于 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 0 0 0 年在全方式o d 矩阵的基础上，提出了。合作竞争类o d ”，并对分层次 策略性交通方式划分和联合方式划分的交通分配进行了新的阐述 1 9 9 1 年中国城市规划设计研究院在沈阳轻轨一期工程可行性报告的客 流预测中，方式选择采用了带交通阻抗时间指数的交通方式划分重力模型， 并运用“全有全无”的最短路径分配的和容量限制分配模型 1 9 9 7 年，北京地下铁道设计研究院在分析中国国情的北京地铁一线二十 多年的客流预测变化规律后，结合国际上常用的“三次吸引法”思想，提出 了一种新的客流预测方法。土地利用法” 1 9 9 8 年广州市交通规划研究所在广州市地铁二号线客流预测报告中将 公共交通出行分布矩阵在包含轨道交通线路的公交线网上分配，按多路径和 综合时间费用来确定常规公交和轨道交通的分担率，并最终得出地铁线路的 客流量和站点的客流集散量 1 9 9 9 年东南大学交通运输系通过研究轨道交通线网规模与线网宏观结 构，提出了基于四阶段法改进的客流预测分析框架体系，并针对组团式的城 市结构建立了“宏观定性控制、微观定量分析、综合评价决策”的轨道线网 规划布局思路 2 0 0 0 年1 0 月，铁道第四勘查设计院与广东省建设厅城乡规划处对珠江 三角区快速轨道交通线网规划客流预测中，提出了“快速轨道客流预测流程”， 采用双目标三维搜索模型生成o d 量。 一般来说，轨道交通客流预测是一个需要综合考虑的问题，是复杂的系 统工程，微观定量的模型必须在宏观控制的前提下才能发挥出最准确有效的 预测 1 3 我国城市轨道交通客流预测应当重视的问题 目前我国城市正处于城市化起步阶段，城市形态、土地使用和人口状况 都处于不稳定的变化状态而轨道交通客流预测一般是建立在城市发展规划 的基础上的，是城市规划实现后的一种交通状况的描述，当城市未能按其规 划实现时就会致使预测结果与未来实际情况存在一定的偏差，从而影响城市 社会经济与交通系统的发展，所以在我国城市轨道交通客流预测过程中，应 当重视以下问题1 8 1 1 9 1 ： ( 1 ) 城市轨道交通系统与城市土地使用模式的关系。不同的土地使用模 式所产生的交通分布形式是不相同的，客流集中程度也不一样。以往我国各 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 城市在客流预测时比较注重城市中心区的密集客流量，随着城市化进程，特 大城市均有用地扩张趋势在进行客流预测时，要考虑轨道交通在促进城市 土地使用合理性方面的影响力，利用轨道交通系统引导城市用地的布局，促 进城市向郊区发展，降低城市中心区的客流密度 ( 2 ) 城市轨道交通系统与其他交通方式的关系轨道交通作为城市客流 运输的骨干，从其他交通方式中分担了大量客流，同时它也需要其他交通的 接驳所以在轨道客流预测的过程中，其他各种交通方式也是不可忽视的影 响因素 ( 3 ) 轨道交通票价与客流预测的关系轨道交通系统的客流分担率与其 票价有着直接关系，特别是在一定的社会经济状态下以往的客流预测绝大 多数未能考虑此因素，使得轨道交通系统效益评价的可信度降低 ( 4 ) 轨道交通网络客流与线路客流的关系轨道交通网络规划与城市发 展密切相关，其客流预测侧重宏观上与城市中其他交通方式的协调性和网络 布局的合理性。而线路客流预测主要研究的是线路各站点客流分析和断面客 流量，属于微观方面，两者结合考虑才会使得预测结果更为准确真实 1 4 本文研究的内容 本文在分析研究传统轨道交通客流预测方法的基础上，进行方式划分和 客流分配阶段模型的建立和参数的标定同时结合城市轨道交通系统规划， 引入双层规划思想，建立新的轨道交通客流预测模型 ( 1 ) 城市轨道客流规模预测是对轨道建设的宏观把握。在文章中作者分 别从城市居民出行总量、人口线网密度、线网覆盖率三方面分析城市轨道客 流规模结合我国城市实际情况，综合考虑城市面积人口及经济的影响，建 立轨道交通客流规模分析模型，并运用统计软件对模型参数进行标定 ( 2 ) 目前城市轨道交通客流预测通常采用四阶段法。作者在轨道交通方 式划分阶段，根据轨道交通与其它交通方式的关系引入竞争策略的划分概念， 对步行、自行车、小汽车、常规公交和轨道交通等交通方式建立不同的客流 分担率模型，并详细分析标定模型参数。 ( 3 ) 在传统的轨道客流预测方法的基础上，针对其不足，论文引入双层 规划的理论，建立城市轨道交通预测双层模型，并分析模型含义，寻求模型 的算法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章城市轨道交通客流规模分析 轨道交通客流预测是指在一定的社会经济发展条件下科学预测城市各目 标年限轨道交通线路的断面流量、站点乘降量以及站问o d 、平均运距等反 应轨道交通客流需求特征的指标城市中一切出行的空阃分布均是。交通需 求”和“交通供给”两种因素相互竞争最终达到相对平衡的状态作为城市 交通结构的重要组成部分，轨道交通的出行行为也同样反映出供求的平衡特 征，轨道交通客流预测的目的就是要促使。轨道交通供给”和“轨道交通需 求”尽快达到平衡。 2 1 客流特征分析 由于受到城市社会经济活动和轨道交通系统本身特征的影响，轨道交通 客流的形成，客流在时间、空间等方面的分布均呈现出特有的性质和变化规 律，分析掌握这些变化规律是轨道交通客流预测得以顺利进行的前提 ( 1 ) 客流形成机理 从宏观上来看，城市轨道交通系统承担的客流量主要包括趋势客流量、 转移客流量和诱增客流量三部分1 1 4 1 趋势客流量是轨道车站和沿线正常增长 的客流量；转移客流量是由于轨道交通与其它交通方式之间出行成本和服务 水平的差异，原来由地面常规公交或自行车方式承担的比较集中的中、长距 离客流转移到轨道交通，其中包括车站附近直接吸引的客流和通过其它交通 方式换乘的客流；诱增客流量主要是指城市轨道交通的建成促进沿线土地开 发、人口集聚、使区域之问可达性增加，服务水平提高，居民出行强度增加 而诱增的客流。 ( 2 ) 客流分布特性 轨道交通客流的时间分布与城市居民出行时间的规律有着密切的关系 1 1 5 】。随着城市居民生活节奏的变化，轨道交通小时客流量呈起伏状分布，分 别有早高峰和晚高峰两个高峰期。轨道交通的运能、线路走向、所处交通通 道的特点及车站所在地的用地性质是影响轨道交通客流时段分布的主要因 素。一般市中心商业区和对外交通枢纽的高峰比率比较低，客流在时间分布 上相对均衡；而郊区线路、通往市区外围的居民区和工业区路段则正好相反。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 轨道交通车站一日内的乘降量也有类似的起伏状分布位于市中心和商 业区的车站乘降客流的峰值和平值差异较小；位于居民区的车站早高峰的上 客量明显偏大，下客量较小，晚高峰与之相反；位于就业区的车站早高峰下 客流量偏大，上客流量则很小，晚高峰也正好有相反的分布。 轨道交通客流的空间分布主要研究分析线路客流分布、各断面客流分布 和车站乘降客流上下行分布等内容 线路客流分布；主要受其所在客流通道、沿线用地性质的影响 各断面客流分布：由于线路经过区域的用地性质和所覆盖的客流集散点 的规模和数量的差异，会出现线路上各车站乘降量不同，从而导致断面客流 的不均衡分布 上下行轨道交通客流分布：由于轨道交通线路上客流流向的原因，上下 行客流通常不相等，特别是高峰小时内的不均衡分布尤为明显 2 2 客流预测的内容及方法 在城市总体规划和交通轨道线网规划的前提下，城市轨道交通系统客流 预测分析内容和结果应该包括：规划年居民全方式出行o d 及期望线路图； 规划年居民公交出行o d 及期望线路图；规划年各线路全日站点、早晚高峰 乘降量及断面客流量表；规划年各线路的全日站问o d 表；规划年各线路平 均运距，线路平均负荷强度等 目前，国内外城市轨道交通客流预测基本上都是采用交通规划的常规方 法：在城市客运总量的基础上，通过交通方式划分预测城市轨道交通的客流 量。根据城市交通客流预测的基本方法和流程，结合不同的城市交通现状和 工作要求，轨道客流可分别在以下两类数据基础上进行预测。 ( 1 ) 以现状公交为基础的预测模式这种预测模型首先分析公交线路和 轨道交通线路的相关性，根据现状公交网络虚拟出轨道交通线网，通过现状 公交流量推算虚拟的轨道交通基年客流：然后按照已经存在的公交线路的历 史资料和增长规律，确定规划轨道交通的客流增长率，进而推算远期轨道交 通需求客流量。也可以通过公交流量和轨道交通流量的相关性，直接将远期 公交预测资料转换为远期城市轨道交通客流量 ( 2 ) 基于现状o d 分布的预测模式。在这种预测模型因为方式划分预测 所在位置的不同，又分为两种预测模式一种模式是在全方式出行o d 的基 础上，通过方式划分，得到“虚拟现状轨道交通线网”，根据其客流的增长规 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 律推算出远期轨道交通线网的各组数据另一种模式同样基于全方式出行 o d ，但先进行的是规划年份全方式出行预测，得到未来年全方式出行分布， 然后通过方式划分，得到规划年轨道交通的站间o d ，进而进行整个轨道交 通线网的设计 第( 1 ) 类模式属于早期模式，因为其预测基础的局限性，不能很好反映 现状交通特征和交通增长趋势，但操作简单，目前可用于其它模式预测后的 比较验证等辅助手段第( 2 ) 类中的两种预测模式对客流出行的现状特征反 映比较全面但前一种模式中，在对虚拟轨道交通o d 进行增长预测时，参 考的是公交预测方法，与轨道交通需求实际增长率有一定的差别，只适用于 发展较为稳定城市后一种模式要求进行各规划年全方式出行o d 的预测， 数据繁多、操作复杂，但在预测过程中结合了城市发展、土地利用规划和交 通增长等方面的影响因素分析城市轨道交通客流，能较好的反映城市远期客 流的分布，精度较高近年来城市轨道交通预测一般都采用这一模式 2 3 城市轨道交通客流规模预测 我国目前还处于轨道交通系统建设的探索期间，缺乏完善的规划体系， 很容易出现建成的轨道交通与城市经济承受能力和实际交通需求不符的现 象，造成资源浪费所以在进行轨道交通客流预测时，首先应该通过宏观方 法对客流规模进行一定的约束 2 3 1 轨道交通客流规模的影响因素 城市轨道交通客流规模预测是对轨道建设的宏观把握。由于轨道交通的 建设费用巨大，只有吸引到大量客流时，才能体现出相应的社会经济效益， 因此必须详细分析影响轨道交通客流的各种因素，为城市轨道交通系统的建 设提供一定的借鉴。 根据国外一些具有完善轨道交通网络城市的先进经验可知，城市经济水 平和人口规模、城市未来发展规划、沿线土地利用等都是城市轨道客流规模 的影响因素1 9 】【1 6 l 。 城市的经济水平和人口规模能从根本上决定轨道客流的规模。不同人口 规模和分布的城市里，其上班、上学、购物旅游等客流量及分布都会具有明 显区别。另外由于轨道交通票价一般会高于常规交通方式，所以城市的经济 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 水平的提高会有助于轨道交通客流规模的增大，反之则减少 城市未来发展规划也对其轨道客流规模起着重要的作用各个城市都会 根据本身的性质规模、经济发展水平和有关国家政策制定未来若干年的发展 规划，其中就包括有交通设施发展的宏观构架和目标对于将轨道交通列入 未来发展规划的城市，其客流规模自然有一定的扩大趋势 一 沿线土地利用对轨道客流规模存在着举足轻重的影响城市中因为各种 经济活动而进行的土地利用是轨道客流产生的。源泉”如果轨道线路经过城 市主要的居住区和商业区，就会具有相对较大的客流规模 在这些因素都确定的情况下，城市客流的产生和分布就客观存在但由 于轨道交通的迅速、大运量的特点，增强了轨道沿线的通达性，对周边的土 地利用和社会经济发展有了相应的反作用，轨道客流的产生和分布在一定程 度上也随之改变 2 3 2 轨道交通客流合理规模的确定 城市轨道交通的合理规模是指一定社会经济水平下合理的轨道交通方式 供给水平【1 7 1 确定客流合理规模的基本方法有以下几种： ( 1 ) 按城市居民出行总量推算。轨道交通客流规模可以根据城市人口的 出行总量确定： q - q o 筇 式中：q 劫道交通客流量；q o 城市出行总量； 比例；口轨道交通出行占公交出行的比例。 ( 2 - 1 ) 口公交出行 ( 2 ) 按人口线网密度推算。城市的人口总数反映了城市的人口规模，以 人口总数为基础的人口密度指标实质上反映了人口规模对轨道客流的影响程 度： q 一埘f ( 2 2 ) 式中；q 轨道交通客流量；6 人口线网密度指标；m 市区 总人口y 轨道交通线路负荷强度 ( 3 ) 按线网覆盖率推算。轨道交通的线网覆盖率在市中心和市区边缘区 有所不同，轨道线网密度应由市中心向外逐渐降低，模型表示为： q r ( 卢中4 + 卢井4 外) ( 2 - 3 ) 式中：q 轨道交通客流量；风市中心区面积线网密度，通常取 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 1 3 3 ；厶城市中心用地面积；芦。城市外围面积线网密度，通常取 o 2 5 ；a 。城市外围覆盖用地面积；y 轨道交通线路负荷强度 ( 4 ) 轨道交通规模的回归分析模型根据国外城市轨道交通线网规划的 成熟经验，结合我国城市的实际情况，要做出较为准确的规模预测需要综合 考虑城市面积，人口及经济等各方面的影响，得到模型： q 日矿4 s p ( 2 4 ) 式中：q 轨道交通客流量；s 城市面积；p 城市人口；y 轨道交通线路负荷强度；0 ，口，卢一待定参数 运用统计软件s p s s 中的多元回归分析功能可对参数0 ，口，卢进行标定 标定前要对模型两边取对数使各变量关系线性化，并根据现有城市面积、人 口及轨道交通客流量等数据对其线性关系进行检验拟合表2 1 中描述了国 外轨道交通比较成熟的1 5 个城市的线网数据，采用s p s s 对这些数据进行分 析，得到各待定参数0 ，口，卢的经验值则上述客流规模与城市面积、人 口的函数关系式( 2 - 4 ) 可表示为【1 8 1 ；q 一3 3 5 s 7 d o 1 1 蚴1 。 表2 - 1 鲁大城市轨道交通线同数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 4 小结 本章研究了城市轨道交通客流形成机理及其在对间空问上的分布特性， 结合城市轨道线网规划和交通客流预测的一般方法，总结归纳了轨道交通客 流预测的主要内容和基本模式方法鉴于宏观规模控制的重要性，论文还分 析了城市轨道交通客流规模的各种影响因素，并在此基础上建立了轨道交通 合理规模的预测模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第三章城市轨道交通客流预测方法 国内外轨道交通客流预测通常采用四阶段法，运用该方法进行客流预测 时，首先要对研究对象城市划分交通小区，进行城市人口、就业、土地利用 等资辩的调查和居民出行调查，在此基础上迸行居民出行生成、出行分布、 交通方式划分和交通分配预测 3 1 出行生成预测 出行生成预测的目的是建立各小区的生成交通量与分区土地利用、社会 经济特征等变量之问的定量关系，推算规划年各小区的客流产生、吸引量， 一般以每天或某一高峰时段为基础出行生成预测一般运用原单位法和回归 分析两种方法： ( 1 ) 原单位法分为个人原单位法和面积原单位法，前者是根据不同类型城 市居民的平均的交通发生( 吸引) 量来预测出行量，后者则是以不同种类用 地面积平均发生( 吸引) 量为基础预测【1 9 j ，模型表示为： p - e ，z ， 其中，p 表示小区的交通发生( 吸引) 量：e 表示单位个人( 面积) 发 生( 吸引) 量；z 。表示该小区的总人口( 总面积) ( 2 ) 回归分析法是通过分析各小区出行生成( 吸引) 与其主要影响因素之 间的关系，建立回归方程来进行出行发生( 吸引量) 的预测最常用的是多 元线性回归法，数学模型表示如下【刎： 卫- 4 + ；钆h + f ( 3 1 ) 其中，丑第f 个小区的交通发生( 吸引) 量； 靠第f 个小区中，第七社会经济系统指标，如人口，面积、收入等： 以第k 个变量的发生( 吸引) 因子；口回归参数 f 一 7 ( 0 ，6 2 ) 3 2 出行分布预测 居民出行分布预测是根据调查所得的各交通小区现状o d 数据为基础， 综合考虑各小区经济、社会发展所引起的客流量增长情况，推算出规划年间 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 各小区之间的客流分布常用的交通分布预测方法有增长率法和重力模型法 ( 1 ) 增长率法首先要假设预测出行o d 的分布与现有分布形式相同，在 此基础上使用平均增长率法、底特律法或弗雷特法预测由于该方法无法涉 及到城市社会经济发展及其它各因素对城市出行o d 的影响，因此只能进行 一些简单，辅助性的预测 ( 2 ) 重力模型是将万有引力定律应用到交通量分布预测中得到的模型。 该模型假设交通小区之间的分布交通量与该小区的产生及吸引交通量成正 比，而与两小区间的距离成正比，则可以得到以下模型1 1 7 1 1 9 l ： 警 2 ， 其中，表示小区f ，之间的分布交通量；g 表示i 小区的出行产生量； a 表示小区的出行吸引量；嘞表示小区f ，j 之间的距离；七，口，卢， 均为经验参数 3 3 交通方式划分预测 城市客运交通大致可分为公共交通和个体交通两部分，公共交通一般指 常规公交和轨道交通；个体交通，目前就国内而言主要包括自行车交通、步 行交通和小汽车交通方式。交通方式划分就是区分城市交通中各种交通方式 的分担率一般来说，预测结果是由该城市交通发展战略、各种交通方式供 应能力和服务水平、出行者特征等方面共同决定的 3 3 1 方式划分基本方法 方式划分的方法有很多种早期主要从集计的角度研究该问题；上世纪 7 0 年代，计量经济学家提出了“随机效用模型”( r a n d o mu t i l i t ym o d e l 简称 r u m ) 的l o g i t 模型，并引入交通需求预测领域，被称为非集计模型方法。 3 3 1 1 集计模型方法 集计方法是在统计学的基础上，以交通分区为研究单位，将分区的个人 或家庭的调查数据进行统计处理，再用这些统计值来标定方式划分模型中参 数。在以上操作过程中关于个人和家庭的原始资料被统一处理，得出的模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 就是集计模型。常用的集计方式划分模型包括以下几种： ( 1 ) 转移曲线模型【2 1 1 ( 分担率曲线法) 转移曲线法是由二十世纪六十年代日本学者提出，在当时得到了较为广 泛的应用，美国、英国、加拿大等国都有成套的城市公共交通与私人交通的 转移曲线 此方法针对需要比较的几种交通方式，选出相关的主要影响因素，按照 实际观测值分类取值通过对调查样本的统计分析，求得不同数值下样本选 择各种交通方式的比例。从而绘制各种交通方式的分担曲线，供交通规划设 计时参考使用常见被选择的因素有收入、出行目的、两种方式的费用比、 出行时间比、出行距离、服务水平等 转移曲线法是目前国外广泛使用的交通方式预测方法，使用简单方便 但绘制这些曲线需要针对不同的影响因素，进行大量的资料调查和统计分析。 同时由于它是根据现状调查资料和固定的因素变化绘出的，机动性非常有限， 只能反映相关因素变化相对较小的情况，难以表现复杂的客流变化 ( 2 ) 回归分析模型 该模型主要研究一个因变量与一个或者几个影响变量之间的关系。并用 数学方法表达出来。 出行者选择的每种交通方式都有自身的特点，各项出行影响因素的变化 与各种交通方式交通吸引流量的相关性也具有不同的规律线性回归模型选 取其中显著相关的独立影响因素作为自变量，通过回归分析得出的数学模型 描述不同交通方式的客流分担率和分担流量，函数表达式如下 2 2 1 ： g 4 一a i + p l x l + p 2 l x 2 + + p 畸x i 其中，瓯吩区f 中交通方式，的交通产生量；五、工2 x 。相关 因素；口，、晟，、芦2 f 岛回归系数。 ( 3 ) 重力模型的转换模型 重力模型是将万有引力定律应用到交通量分布预测而得到的模型，其中 假设交通小区t ，之间的分布交通量与小区f 的产生交通量和小区，的吸引交 通量成正比，而与两小区之间的距离成反比。在交通划分过程中，将重力模 型中的交通阻抗转换为各区间交通方式便利程度的交通方式阻抗，则可得到 关于交通方式划分的重力转换模型1 2 1 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 。只燕- ol 其中，表示小区i 到小区j ，选择第m 种交通方式的交通量；k 表示 小区i 到小区j ，选择第胁种交通方式的阻抗：最是小区f 的交通产生量：a j 表示小区，的交通吸引量；b 为待定系数。 3 3 1 2 非集计模型方法 非集计模型的研究始于上世纪六十年代，理论基础根源于l a n c a s t e r 的消 费者需求微观经济理论和t h u r s t o n e 、m a r s c h a k 、m c f a d d e n 发展的“随机效 用”理论非集计方法分析的对象是单个出行者，调查所得的原始数据不直 接傲统计处理，而是充分利用了每组调查样本数据的内在联系，求出描述个 体选择行为的概率值，最后将模型计算的选择概率转化为全体分区居民的选 择概率值这类模型从微观经济学的角度，致力于对出行者交通方式选择行 为的客观解释，是目前应用及其广泛的交通方式划分预测模型 非集计模型的理论基础是随机效用理论1 2 3 1 1 2 5 1 ，计算出行者在一组相互捧 他的选择项之间所做各种选择的可能性，为了简化计算，出行者被假定始终 做出最有利选择，即选择效用最大的选择项，在总体完备的方案上建立选择 模型。可供选择的交通方式叫做选择枝，每个选择枝都有一个用来衡量其优 越性的效用函数，假设个出行者在进行选择时总选择效用函数取值最大的选 择枝：效用函数由个人自身特性( 如：年龄、性别、职业等) 以及选择枝的 特性共同决定由于效用函数的影响因素很多，无法全面量测，因此可以将 效用函数看作一个随机变量，效用函数的基本数学表达形式是【矧： 玑1 k + 毛 ( 3 3 ) 式中：u 。概率变量，选择枝对出行者所构成的效用值；k 非随 机变化项，选择枝对出行者所构成的可确定效用；随机变化项，选择 枝对出行者所构成的不确定效用，反映了每个个体的特性和偏好，也包括建 模者所犯的观测和度量错误。 确定效用函数k 可以用多种函数形式来表达，但考虑到结果分析的容易 性和系数标定的方便，目前广泛采用线性函数形式： ki a l x a + 4 2 置2 + + 口t 玩 ( 3 4 ) 式中：a 。待定的参数向量，对所有个体都相同的常数，但随着方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 的变化而变化 z 。表示个人和选择枝的特征变量，由个人的社会经济特性和各选 择枝的特性构成 残值g 的概率密度分布符合一定的规律，用函数，0 ) 来表示，用，) 表 示u 的概率密度分布，且分布与g 相同 目前已开发的非集计模型种类很多，主要包括b n l ( b i n a r y - n o m i a l l o g l t ) 模型、m n l ( m u l t i n o m i a ll o g r r ) 模型等基本i 删豇模型和b o x c o x 模型、d o g i t 模型