徐建軍，關(guān)志偉，劉曉鋒

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津300222）

TrancCAD在交通預(yù)測“四階段法”中的應(yīng)用

徐建軍，關(guān)志偉，劉曉鋒

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津300222）

出行生成預(yù)測、出行分布預(yù)測、方式劃分以及交通分配是“四階段法”交通預(yù)測的主要步驟，其預(yù)測過程計(jì)算復(fù)雜，需要經(jīng)過反復(fù)迭代計(jì)算才能得出結(jié)果。在TransCAD中運(yùn)用“四階段法”進(jìn)行交通預(yù)測，大大簡化了預(yù)測步驟，減少了計(jì)算過程。本文基于交通預(yù)測問題，采用實(shí)例運(yùn)用的方法，在TransCAD中運(yùn)用“四階段法”進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，并指出在運(yùn)用TransCAD進(jìn)行交通預(yù)測時(shí)需要注意的問題。結(jié)果表明，在TransCAD軟件中運(yùn)用“四階段法”進(jìn)行交通預(yù)測方便可靠。

“四階段法”；TransCAD軟件；交通預(yù)測

TransCAD是具有地理信息功能的交通規(guī)劃軟件，該軟件功能非常完備，地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）和交通模型2大功能都能實(shí)現(xiàn)。它不僅能夠提供傳統(tǒng)的交通需求“四階段預(yù)測法”和非集結(jié)模型等功能，還能提供動(dòng)態(tài)交通分配、物流規(guī)劃、模型管理器等功能。在預(yù)測過程中，工作人員只需調(diào)查現(xiàn)狀路網(wǎng)的狀況，并對預(yù)測模型進(jìn)行充分理解，即可運(yùn)用TransCAD軟件對其進(jìn)行交通預(yù)測。Trans CAD軟件能夠?qū)τ绊懸蛩囟?、路網(wǎng)復(fù)雜及影響區(qū)大的路網(wǎng)交通進(jìn)行準(zhǔn)確的交通量預(yù)測，并以表格或?qū)ｎ}地圖的形式將結(jié)果直觀地表現(xiàn)出來。本文用實(shí)例介紹“四階段法”在TransCAD中的運(yùn)用過程。

1　交通量預(yù)測方法流程

“四階段法”是目前國內(nèi)外最常用的交通需求預(yù)測方法之一，其預(yù)測步驟如下。

1.1出行生成預(yù)測

主要對各個(gè)小區(qū)未來年的出行產(chǎn)生量和吸引量進(jìn)行預(yù)測。其預(yù)測的結(jié)果只是各小區(qū)的出行產(chǎn)生量或吸引量的總和，而并未將產(chǎn)生量和吸引量聯(lián)系起來［1］。常用的出行生成預(yù)測方法有原單位法、交叉分類法、回歸分析法及增長系數(shù)法等。其中，回歸分析法的運(yùn)算量相對較少，可以解釋多因素對出行生成量的重疊影響。假設(shè)某類出行的生成量受社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)穩(wěn)定影響（這種影響可以通過歷史或調(diào)查數(shù)據(jù)確定），那么可以通過對未來年相應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的預(yù)測確定未來年的出行生成量，這就是回歸分析法的基本原理。

1.2出行分布預(yù)測

為得出未來年小區(qū)間的交通流向和流量，必須進(jìn)行出行分布預(yù)測以確定未來年的OD矩陣。出行預(yù)測方法主要有2類：一類是增長系數(shù)法，該方法主要認(rèn)為未來年的出行分布由現(xiàn)狀的出行分布乘以相應(yīng)的增長系數(shù)得到。常用的有Fratar法、常數(shù)增加系數(shù)法和平均增長率法［2］。另一類是重力模型法，該方法認(rèn)為2小區(qū)出行分布的大小受2小區(qū)間的距離、費(fèi)用及時(shí)間等因素的影響。由于該模型最初的提出是受牛頓萬有引力的啟發(fā)，故稱為“重力模型”［3］。常用的重力模型公式為：

式中：qij代表i、j分區(qū)間的出行分布量預(yù)測值；cij代表2分區(qū)之間的阻抗；Oi和Dj分別代表分區(qū)i的出行產(chǎn)生量和分區(qū)j的出行吸引量；α代表參數(shù)；f（cij）代表阻抗函數(shù)。

阻抗函數(shù)f（cij）常采用的形式有：

1.3方式劃分預(yù)測

方式劃分也稱方式選擇，方式劃分預(yù)測是將各小區(qū)間的出行分布量劃分成各小區(qū)的交通方式分布量。出行者的出行特性及交通方式特性等均會(huì)影響出行者對出行方式的選擇，而良好的方式劃分模型應(yīng)能對影響出行者出行選擇的因素進(jìn)行準(zhǔn)確的描述［4］。移動(dòng)曲線法、重力模型的轉(zhuǎn)化型、回歸分析法、非集計(jì)模型等是常用的方式劃分預(yù)測模型。Logit模型是較為常用的一種非集計(jì)模型，其公式為：

1.4交通分配

交通分配是指根據(jù)未來年的OD矩陣，按照可選路徑的出行阻抗，將交通量分配到各個(gè)路網(wǎng)上，繼而得出每個(gè)路段的交通流量［5］。用戶平衡模型是TransCAD軟件中眾多交通分配方法中較為常用的一種。此模型假設(shè)全部路網(wǎng)出行所用的時(shí)間不以出行者主動(dòng)更改出行路線造成的時(shí)間改變而改變［6］。因此，在用戶平衡模型中，路網(wǎng)的出行時(shí)間之和總是最小。

該模型為：

式中：r、s為路網(wǎng)中的起訖點(diǎn)；xa為路段a上的交通流量；ta為路段a的阻抗；為點(diǎn)對（r，s）間的第k條路徑的交通流量；為0-1開關(guān)變量；qrs為點(diǎn)對（r，s）間的OD量。

2　實(shí)例應(yīng)用

通過導(dǎo)入AutoCAD的DXF文件建立線地理文件或小區(qū)地理文件，也可以運(yùn)用TransCAD自帶的作圖工具畫出路網(wǎng)及小區(qū)。在建立路段文件時(shí)，需要給路段添加速度（Speed）、通行能力（Capacity）及自由流時(shí)間（Time）等屬性。在完成路段文件編輯后，要對路網(wǎng)的連通性進(jìn)行檢查，即檢查路網(wǎng)中是否有不連通或者虛接的線段，避免在進(jìn)行交通分配時(shí)由于路段不連通而出現(xiàn)錯(cuò)誤。交通小區(qū)的劃分則可以根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行?，F(xiàn)狀路網(wǎng)如圖1所示?，F(xiàn)假設(shè)要對圖1的路網(wǎng)進(jìn)行交通預(yù)測分析。該路網(wǎng)共涉及9個(gè)小區(qū)，小區(qū)的劃分主要以重要的道路為邊界，該路網(wǎng)中共60個(gè)路段，路段編號如圖1所示，現(xiàn)對該路網(wǎng)進(jìn)行四階段法預(yù)測。

圖1　現(xiàn)狀路網(wǎng)

2.1出行產(chǎn)生和生成量預(yù)測

在TransCAD中，可以根據(jù)現(xiàn)狀的產(chǎn)生、吸引量以及通過現(xiàn)狀和將來人口預(yù)測出的未來出行產(chǎn)生、吸引量，采用回歸分析法進(jìn)行預(yù)測，試驗(yàn)中具體數(shù)據(jù)均由調(diào)查得出。在運(yùn)行預(yù)測前，首先要對回歸模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。將現(xiàn)狀人口設(shè)為自變量，分別將現(xiàn)狀的出行產(chǎn)生量和吸引量作為因變量，完成模型的估計(jì)。模型估計(jì)完成后即可對未來的產(chǎn)生量、吸引量進(jìn)行預(yù)測。

小區(qū)的產(chǎn)生量與吸引量相等，因此在完成出行生成預(yù)測后，必須對每個(gè)小區(qū)的產(chǎn)生量和吸引量進(jìn)行平衡，2方面相等以后再進(jìn)行下一步的出行分布預(yù)測。

2.2出行分布量預(yù)測

增長系數(shù)法和重力模型法都可以用來預(yù)測出行分布量。在TransCAD中利用增長系數(shù)法對路網(wǎng)進(jìn)行出行分布預(yù)測時(shí)，需要的數(shù)據(jù)包括現(xiàn)狀的OD矩陣和未來年的出行發(fā)生、吸引量數(shù)據(jù)表。現(xiàn)狀OD矩陣可以通過2個(gè)途徑獲得：一是可以對小區(qū)居民進(jìn)行出行調(diào)查，特點(diǎn)是工作量大、人力物力財(cái)力耗費(fèi)量大；一是可以用從結(jié)果反推過程的方法，即通過路段的交通量在TransCAD中反推出現(xiàn)狀OD矩陣，特點(diǎn)是簡單、省時(shí)、花費(fèi)小，但反推出的OD矩陣有時(shí)與實(shí)際情況差別較大［7］。因此，在預(yù)測過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選取獲得OD矩陣的方法。試驗(yàn)中的現(xiàn)狀OD矩陣是通過對小區(qū)居民的出行調(diào)查獲得。未來年的出行發(fā)生、吸引量數(shù)據(jù)表可以根據(jù)現(xiàn)狀的發(fā)生、吸引量數(shù)據(jù)利用回歸分析法在TransCAD預(yù)測獲得。

在利用重力模型進(jìn)行出行分布預(yù)測時(shí)，首先需要生成小區(qū)的阻抗矩陣。阻抗矩陣由TransCAD軟件中的MP（multiple paths）工具運(yùn)算生成。由于只需計(jì)算質(zhì)心之間的阻抗，在生成阻抗矩陣之前需要將質(zhì)心篩選出來。利用TransCAD中的篩選功能，根據(jù)質(zhì)心的特點(diǎn)進(jìn)行篩選。在生成的過程中，可以選擇生成最短出行時(shí)間阻抗矩陣，也可以選擇生成最短出行距離阻抗矩陣。需要注意的是，在生成的最短出行距離阻抗矩陣中包括了質(zhì)心連接線的距離。

在生成阻抗矩陣后，需要對重力模型進(jìn)行標(biāo)定。運(yùn)行TransCAD的Gravity Calibration項(xiàng)，結(jié)合上述2個(gè)矩陣即可得到一個(gè)數(shù)據(jù)視圖，重力模型標(biāo)定結(jié)果參數(shù)如表1所示。表中b值即為冪函數(shù)型阻抗函數(shù)的參數(shù)。

表1　重力模型標(biāo)定結(jié)果參數(shù)

對重力模型進(jìn)行標(biāo)定后即可預(yù)測未來年的出行分布矩陣。依據(jù)現(xiàn)狀阻抗矩陣、未來年出行產(chǎn)生和吸引量表以及得到的阻抗函數(shù)參數(shù)b，即可運(yùn)行重力模型。該小區(qū)未來年的OD分布預(yù)測結(jié)果如表2所示。

表2　未來年OD矩陣預(yù)測結(jié)果

2.3交通分配

在得到未來年的OD分布預(yù)測結(jié)果后，即可對路網(wǎng)進(jìn)行交通分配。由于軟件只識別從交通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)入的出行分布量，而OD矩陣中只記錄小區(qū)的分布量，因此要對OD矩陣進(jìn)行索引轉(zhuǎn)換（即將小區(qū)的ID轉(zhuǎn)換成交通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的ID）。索引轉(zhuǎn)換結(jié)束后，即可利用TransCAD的交通分配功能，選擇分配方法對交通流量進(jìn)行分配。操作步驟為：①打開未來年的OD分布矩陣；②對OD矩陣進(jìn)行索引轉(zhuǎn)換，保證質(zhì)心ID與小區(qū)ID一致；③運(yùn)用用戶平衡法（user equilibrium wardrop，UEW）進(jìn)行交通分配。在分配結(jié)束后，其結(jié)果可以以數(shù)據(jù)表的形式呈現(xiàn)，也可以利用更加直觀的流量流向圖呈現(xiàn)，其交通分配流量圖如圖2所示。

由圖2可以看出，路段3、7及路段50的交通流量分配最大，路段6、9、10、13等的交通流量分配較小，其具體流量分配結(jié)果如表3所示。

圖2　路網(wǎng)交通分配流量圖

表3　部分路網(wǎng)交通量分配結(jié)果

3　結(jié)束語

“四階段法”是相對使用范圍最大、預(yù)測準(zhǔn)確度較高的一種交通預(yù)測方法。運(yùn)用TransCAD軟件進(jìn)行“四階段法”交通預(yù)測免去了復(fù)雜的計(jì)算過程，簡化了交通預(yù)測步驟，使預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，要得到更加精確的結(jié)果，必須加大數(shù)據(jù)調(diào)查力度，以獲得更加準(zhǔn)確可靠的路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且不斷地調(diào)整與測試。將“四階段”預(yù)測法運(yùn)用在TransCAD軟件中，這在道路建設(shè)項(xiàng)目中具有重要的指導(dǎo)作用。

［1］閆小勇，劉博航.交通規(guī)劃軟件實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］董慶.TransCAD在交通量預(yù)測中的應(yīng)用［J］.湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（4）：49-50.

［3］吳春雷，常玉林.基于TransCAD軟件的交通影響分析方法研究［J］.交通與計(jì)算機(jī)，2008，26（3）：80-81.

［4］宋睿，晏克非，鄭建.TransCAD在四階段交通需求預(yù)測中的應(yīng)用［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2011，13（1）：80-81.

［5］邱勇.TransCAD軟件在交通量預(yù)測中的應(yīng)用［J］.咸陽師范學(xué)院報(bào)，2010，25（4）：76-77.

［6］沙濱，袁振州.基于TransCAD軟件的交通需求預(yù)測研究［J］.山西科技，2006（1）：24-26.

［7］姚智勝，熊志華.TransCAD軟件及其在交通影響分析中的應(yīng)用［J］.交通與計(jì)算機(jī)，2003，21（6）：121.

Application of the traffic forecasting“four-stage method”in TransCAD

XU Jian-jun，GUAN Zhi-wei，LIU Xiao-feng
（School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Trip generation forecast，trip distribution forecast，mode split and traffic assignment are main steps of the“fourstage method”traffic forecasts.Its forecasting process is full of computational complexity，and it needs the repeated iterative calculation to get the results.Using the“four-stage method”to carry traffic forecasts in TransCAD greatly simplifies the prediction step and reduces the computational process.The“four-stage method”prediction step is introduced，and some examples are taken to introduce the prediction process of“four-stage method”in TransCAD software.It also points out the problems that need to be paid attention to in TransCAD application.The result shows that it is convenient and reliable to use the“four stage method”in TransCAD software.

“four-stage method”；TransCAD software；traffic forecast

U491.14

A

2095－0926（2015）04－0046－04

2015-07-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51408417）；天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（14JCTPJC00472）；公安理論及軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012LLYJTJSJ077）；天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金項(xiàng)目（20140917）.

徐建軍（1991—），女，碩士研究生；關(guān)志偉（1970—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻煌ōh(huán)境與安全技術(shù).