基于TransCAD的改擴(kuò)建公路交通量預(yù)測(cè)影響因素分析

楊 林，宋國(guó)壯

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

公路交通量預(yù)測(cè)是進(jìn)行交通狀況評(píng)價(jià)、綜合分析建設(shè)項(xiàng)目必要性和可行性的前提和基礎(chǔ)，是決定公路項(xiàng)目效益的核心內(nèi)容之一，也是可行性研究的關(guān)鍵部分。交通量預(yù)測(cè)結(jié)果是決定公路技術(shù)等級(jí)、建設(shè)規(guī)模以及進(jìn)行國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的基本依據(jù)。本文以美國(guó)Caliper公司開(kāi)發(fā)的基于GIS的交通規(guī)劃軟件TransCAD4.5為基礎(chǔ)，結(jié)合黑龍江省省道建興至碾子山公路明水至林甸段改擴(kuò)建公路以及現(xiàn)有資料收集情況，對(duì)目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣、較為成熟的“四階段”交通量預(yù)測(cè)方法和步驟進(jìn)行論述。根據(jù)軟件運(yùn)行過(guò)程及結(jié)果找出影響交通量預(yù)測(cè)的幾個(gè)因素，并對(duì)影響因素進(jìn)行敏感性分析，總結(jié)因素對(duì)預(yù)測(cè)的影響程度。可為今后類(lèi)似項(xiàng)目和工作提供參考借鑒。

1 “四階段”交通量預(yù)測(cè)基本步驟

預(yù)測(cè)公路交通量的四階段法主要研究公路交通量的發(fā)生、吸引情況及其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的關(guān)系，四步模式為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測(cè)、交通發(fā)生和吸引預(yù)測(cè)、交通分布預(yù)測(cè)、交通分配四個(gè)階段。主要步驟為：

(1)對(duì)項(xiàng)目影響區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸狀況及未來(lái)交通發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究分析，預(yù)測(cè)項(xiàng)目影響區(qū)未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

(2)綜合考慮我國(guó)交通運(yùn)輸與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一般規(guī)律等因素，確定交通量增長(zhǎng)率。

(3)研究公路影響地區(qū)內(nèi)交通出行的規(guī)律和特點(diǎn)，預(yù)測(cè)影響地區(qū)各特征年發(fā)生、吸引交通總量在各個(gè)小區(qū)間的具體分布。

(4)在未來(lái)相關(guān)路網(wǎng)上模擬出交通出行狀況，把交通量分配到公路項(xiàng)目和其他相關(guān)公路上去，得出項(xiàng)目各特征年交通量[1]。

2 基于TransCAD的交通量預(yù)測(cè)過(guò)程

以黑龍江省省道建興至碾子山公路明水至林甸段改擴(kuò)建公路工程為應(yīng)用示例，進(jìn)行TransCAD預(yù)測(cè)過(guò)程。

2.1 預(yù)測(cè)交通量構(gòu)成

項(xiàng)目遠(yuǎn)景交通量主要由三部分構(gòu)成：①通道內(nèi)自然增長(zhǎng)的趨勢(shì)交通量在擬建項(xiàng)目及項(xiàng)目影響區(qū)上的分流；②項(xiàng)目建成后，將對(duì)項(xiàng)目影響區(qū)域和服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)產(chǎn)生帶動(dòng)作用，刺激經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生新的增長(zhǎng)，從而產(chǎn)生誘增交通量；③項(xiàng)目建成后，將明顯改善沿線影響區(qū)的公路交通現(xiàn)狀，提高道路服務(wù)水平，大大縮短區(qū)間運(yùn)行時(shí)間，使新建項(xiàng)目在路網(wǎng)中占有優(yōu)勢(shì)地位，從而產(chǎn)生從其他運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)移來(lái)的交通量。

由于擬建項(xiàng)目為三級(jí)變二級(jí)改擴(kuò)建公路工程，而區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀道路主要由一二級(jí)普通國(guó)道、省道及高速公路構(gòu)成，且布局合理，因此擬改擴(kuò)建公路在縮短里程、運(yùn)行時(shí)間等方面的效果不甚明顯，因此誘增交通量不大，可忽略。而項(xiàng)目直接影響區(qū)明水縣和林甸縣在交通運(yùn)輸方式上只有公路運(yùn)輸，沒(méi)有水路、鐵路、航空等其他運(yùn)輸方式，且公路客貨運(yùn)輸分擔(dān)量較穩(wěn)定，變化不明顯，故從其他交通運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的交通量甚小，可不予考慮。因此本文主要介紹趨勢(shì)交通量的預(yù)測(cè)[2]。

2.2 未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)包括區(qū)域人口和區(qū)域經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)，通過(guò)查閱黑龍江省經(jīng)濟(jì)和人口統(tǒng)計(jì)年鑒，可得到明水縣和林甸縣2000年～2010年的經(jīng)濟(jì)、人口樣本量。采用時(shí)間序列法對(duì)樣本值進(jìn)行回歸分析，得到項(xiàng)目所在區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口的回歸模型和相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而對(duì)項(xiàng)目影響區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。項(xiàng)目所在區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展時(shí)間序列模型見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目直接影響區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展時(shí)間序列模型

2.3 交通小區(qū)發(fā)生、吸引總量的預(yù)測(cè)

2.3.1 交通小區(qū)的劃分

根據(jù)擬建項(xiàng)目的地理位置及項(xiàng)目影響區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力布局、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)及交通分布等因素，以項(xiàng)目影響區(qū)內(nèi)現(xiàn)有行政區(qū)劃為基礎(chǔ)，共劃分8個(gè)交通小區(qū)，其中1區(qū)和2區(qū)為項(xiàng)目直接影響區(qū)，如圖1所示。

2.3.2 道路網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的交通調(diào)查以及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，建立路網(wǎng)，如圖2所示。

圖1 項(xiàng)目影響區(qū)交通小區(qū)劃分

根據(jù)TransCAD的功能，為每個(gè)路段創(chuàng)建兩個(gè)方向(AB方向和BA方向)，針對(duì)不同的道路等級(jí)設(shè)置道路的屬性，采用TransCAD線層編輯工具構(gòu)建道路網(wǎng)絡(luò)。道路的屬性字段主要包括道路名稱(chēng)(Name)、道路設(shè)計(jì)車(chē)速(Speed)、道路起終點(diǎn)標(biāo)號(hào)(Node)、道路車(chē)流量(Count)、道路設(shè)計(jì)通行能力(Capacity)、道路車(chē)流行駛時(shí)間(Time)等。創(chuàng)建好的路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要屬性數(shù)據(jù)見(jiàn)表2[3]。其中道路設(shè)計(jì)車(chē)速、設(shè)計(jì)通行能力可通過(guò)查閱《公路設(shè)計(jì)規(guī)范手冊(cè)》得到。

圖2 項(xiàng)目影響區(qū)路網(wǎng)

表2 路網(wǎng)道路主要屬性數(shù)據(jù)表

2.3.3 基年OD矩陣反推

為了得到交通小區(qū)間基年OD矩陣，采用TransCAD軟件的OD矩陣反推功能。OD反推是交通分配的逆過(guò)程，是根據(jù)交通網(wǎng)絡(luò)的路段流量去推算可能的OD矩陣，整個(gè)反推過(guò)程為：繪制路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖→導(dǎo)入TransCAD→形成初始網(wǎng)絡(luò)→建立數(shù)據(jù)庫(kù)→選取節(jié)點(diǎn)→定義初始OD→創(chuàng)建OD反推網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)→生成OD矩陣[4]。各交通小區(qū)基年OD矩陣如表3。

在OD矩陣的反推過(guò)程中以及得到OD矩陣后應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

表3 2010年(基年)OD矩陣表 pcu/d

(1)運(yùn)行OD矩陣反推功能，為了給輸出的OD矩陣設(shè)置尺寸，需要準(zhǔn)備一個(gè)初始OD矩陣，它的元素可以全為1。而本文不考慮區(qū)域內(nèi)部OD量，故初始OD矩陣的對(duì)角線應(yīng)全為0。

(2)基年OD矩陣的行列分別相加就可得到各個(gè)小區(qū)的基年出行產(chǎn)生量(P_Base)和出行吸引量(A_Base)。

2.3.4 交通增長(zhǎng)率的確定

根據(jù)項(xiàng)目服務(wù)區(qū)及影響去經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度預(yù)測(cè)結(jié)果和交通運(yùn)輸彈性系數(shù)，利用彈性系數(shù)法對(duì)交通增長(zhǎng)率進(jìn)行計(jì)算：

R=A·E。

(1)

式中：R為交通量增長(zhǎng)率(%)；A為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率(%)；E為彈性系數(shù)。

運(yùn)輸彈性系數(shù)的發(fā)展規(guī)律一般是：在經(jīng)濟(jì)發(fā)展初期或快速發(fā)展時(shí)期，交通運(yùn)輸量快速增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)速度一般高于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度，運(yùn)輸彈性系數(shù)大于1；當(dāng)經(jīng)濟(jì)水平達(dá)到一定程度后，交通運(yùn)輸?shù)脑鲩L(zhǎng)速度減緩，與經(jīng)濟(jì)幾乎同步增長(zhǎng)，運(yùn)輸彈性系數(shù)接近于1；之后，交通運(yùn)輸增長(zhǎng)速度低于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度，運(yùn)輸彈性系數(shù)小于1。

計(jì)算得到項(xiàng)目影響區(qū)域交通增長(zhǎng)率情況見(jiàn)表4。

表4 項(xiàng)目影響區(qū)域交通平均增長(zhǎng)率情況 %

2.3.5 未來(lái)出行產(chǎn)生、吸引總量預(yù)測(cè)

對(duì)于未來(lái)小區(qū)的出行產(chǎn)生和出行吸引總量的預(yù)測(cè)采用增長(zhǎng)系數(shù)法，即在交通小區(qū)基年出行產(chǎn)生和出行吸引的基礎(chǔ)上乘以交通增長(zhǎng)率。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 未來(lái)各特征年出行產(chǎn)生和吸引預(yù)測(cè) pcu/d

2.4 小區(qū)發(fā)生、吸引總量在區(qū)域間的分布

根據(jù)預(yù)測(cè)的各交通小區(qū)發(fā)生和吸引交通量，采用重力模型法預(yù)測(cè)分布交通量，其計(jì)算公式為：

Tij=a·Oi·Dj·f(cij)。

(2)

式中：Tij為未來(lái)年i區(qū)與j區(qū)之間的分布預(yù)測(cè)量；Oi為i區(qū)的出行產(chǎn)生量；Dj為j區(qū)的出行生成量；f(cij)為阻抗函數(shù)；a為模型參數(shù)[5]。

各小區(qū)間時(shí)間阻抗矩陣見(jiàn)表6。

表6 小區(qū)間阻抗矩陣

經(jīng)計(jì)算，得到a=0.0121。將未來(lái)出行、產(chǎn)生矩陣和小區(qū)間阻抗矩陣運(yùn)用TransCAD功能中的重力模型進(jìn)行輸出，得到各小區(qū)發(fā)生、吸引總量在區(qū)域間的分布。項(xiàng)目服務(wù)區(qū)及影響區(qū)遠(yuǎn)期2032年交通量期望圖如圖3所示。

2.5 交通量分配

本文交通量分配采用隨機(jī)用戶平衡法。隨機(jī)用戶平衡法法的原理是：假設(shè)兩點(diǎn)之間有很多條道路而這兩點(diǎn)間的交通量又很小，這些交通量顯然會(huì)沿最短路徑走。隨著交通量的增加，最短路徑上的交通量也隨之增加，增加到一定程度，這條道路上的行駛時(shí)間會(huì)因擁堵而變長(zhǎng)，這時(shí)，該路徑已不是最短路徑了。因此，有一部分使用者會(huì)選擇新的最短路徑。隨著兩點(diǎn)之間的交通量的繼續(xù)增加，兩點(diǎn)之間的道路有可能被利用，直到兩點(diǎn)之間被利用的各條道路的行駛時(shí)間都相等，最后達(dá)到平衡狀態(tài)。本文使用的路網(wǎng)文件中包含了里程、收費(fèi)、交通環(huán)境等數(shù)據(jù)，以反映各方面因素對(duì)交通出行選擇行駛路線的影響狀況。最終2028年的路網(wǎng)分配結(jié)果如圖4所示。

擬建項(xiàng)目沿線除公路汽運(yùn)外，沒(méi)有鐵路線及其他運(yùn)輸方式。且公路客貨運(yùn)輸分擔(dān)量變化不明顯，故該次交通量預(yù)測(cè)中交通方式劃分不予考慮。

圖3 遠(yuǎn)景2032年交通量期望圖

圖4 2032年路網(wǎng)的分配結(jié)果

3 交通量預(yù)測(cè)影響因素分析

3.1 影響因素分析

對(duì)于交通量預(yù)測(cè)，從前期交通調(diào)查到預(yù)測(cè)階段都需要龐大的工作量，需要花費(fèi)大量的人力、物力，而且成本較高。因此，本文針對(duì)TransCAD交通量預(yù)測(cè)過(guò)程進(jìn)行分析，找出對(duì)交通量預(yù)測(cè)影響程度較大的因素，即敏感性因素。下面對(duì)預(yù)測(cè)工作的過(guò)程進(jìn)行拆分，逐一分析。

(1)OD矩陣反推階段。在OD矩陣反推過(guò)程中，需要?jiǎng)?chuàng)建初始OD矩陣和路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)兩個(gè)準(zhǔn)備工作。在創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，道路通行能力和道路設(shè)計(jì)車(chē)速均可由《道路設(shè)計(jì)規(guī)范手冊(cè)》得到；而路段車(chē)流量則需要由實(shí)測(cè)得到。為了了解路段車(chē)流量對(duì)預(yù)測(cè)工作的影響程度，文本將其視為影響因素。

(2)未來(lái)出行產(chǎn)生、吸引總量預(yù)測(cè)階段。此階段的主要工作是對(duì)交通增長(zhǎng)率的預(yù)測(cè)。需要三個(gè)指標(biāo)，GDP增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率和交通運(yùn)輸彈性系數(shù)。而根據(jù)交通部規(guī)劃研究院有關(guān)區(qū)域交通運(yùn)輸彈性系數(shù)的主要研究結(jié)論，我國(guó)未來(lái)交通運(yùn)輸彈性系數(shù)在0.9～0.7之間的概率為78.97%，因此區(qū)域交通運(yùn)輸彈性系數(shù)在未來(lái)年的變化規(guī)律將較為穩(wěn)定。此階段將GDP預(yù)測(cè)增長(zhǎng)率和人口預(yù)測(cè)增長(zhǎng)率定為影響因素。

(3)小區(qū)發(fā)生、吸引總量在區(qū)域間的分布。由公式(2)看出，影響此階段工作的主要因素為阻抗函數(shù)和模型參數(shù)。阻抗函數(shù)主要由路段車(chē)流行駛時(shí)間決定，而路段車(chē)流行駛時(shí)間可由道路里程與道路設(shè)計(jì)車(chē)速相除計(jì)算得到；將各路段車(chē)流行駛時(shí)間與小區(qū)質(zhì)心相連接，得到各小區(qū)間的基年OD阻抗矩陣，將阻抗矩陣運(yùn)用重力模型進(jìn)行計(jì)算，可得到模型參數(shù)。上述工作均可由運(yùn)行TransCAD實(shí)現(xiàn)。

(4)交通量分配。TransCAD是目前國(guó)際上較為先進(jìn)、應(yīng)用較廣的交通規(guī)劃軟件，此階段可由運(yùn)行TransCAD功能中的用戶均衡分配法得到。

3.2 影響因素的敏感性分析

敏感性分析是研究建設(shè)項(xiàng)目的主要影響因素發(fā)生變化時(shí)，項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)生變化的程度。通過(guò)敏感性分析，可以找出影響項(xiàng)目的敏感因素，并且確定這些因素的變化對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度。如果某因素在很大的范圍內(nèi)變化，引起評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化并不大，則稱(chēng)此因素為非敏感性因素；如果一個(gè)因素在很小的范圍內(nèi)變化而引起評(píng)價(jià)指標(biāo)很大的變化，則稱(chēng)其為敏感性因素[6]。

通過(guò)上述分析，找出了影響交通量預(yù)測(cè)的主要因素，分別為：擬建道路實(shí)測(cè)車(chē)流量、GDP預(yù)測(cè)增長(zhǎng)率和人口預(yù)測(cè)增長(zhǎng)率。由于項(xiàng)目遠(yuǎn)景年路網(wǎng)已趨于穩(wěn)定，用戶在路網(wǎng)上的選擇也基本達(dá)到平衡狀態(tài)，因此本文將遠(yuǎn)景年2032年擬建道路分配交通量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在其他兩個(gè)因素不變的情況下，將各影響因素按照-20%、-10%、+10%和+20%的幅度進(jìn)行變化，進(jìn)行如下工作：

(1)路段實(shí)測(cè)車(chē)流量直接影響基年OD矩陣反推。將創(chuàng)建好的路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中擬建道路實(shí)測(cè)車(chē)流量按照-20%、-10%、+10%和+20%的幅度進(jìn)行變化，其他屬性數(shù)據(jù)不變，按照上述預(yù)測(cè)過(guò)程分別進(jìn)行操作，得到變化后遠(yuǎn)景年擬建道路被分配的交通量，見(jiàn)表6。

(2)GDP增長(zhǎng)率和人口增長(zhǎng)率主要影響未來(lái)出行產(chǎn)生、吸引總量預(yù)測(cè)。針對(duì)這兩個(gè)因素在TransCAD創(chuàng)建未來(lái)出行產(chǎn)生、吸引總量數(shù)據(jù)表，如圖5所示。將計(jì)算出的未來(lái)GDP增長(zhǎng)率(GDP_FUR)、未來(lái)人口增長(zhǎng)率(POP_FUR)按照-20%、-10%、+10%和+20%的幅度進(jìn)行變化，分別采用重力模型法預(yù)測(cè)出未來(lái)出行產(chǎn)生、吸引總量。進(jìn)行接下來(lái)的小區(qū)發(fā)生、吸引總量在區(qū)域間的分布和交通量分配工作，得到變化后遠(yuǎn)景年擬建道路被分配的交通量[7]，見(jiàn)表7。

表7 擬建道路隨各因素變化后的交通分配量 pcu/d

為了更加直觀的體現(xiàn)各影響因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，將表7在坐標(biāo)軸上以柱形圖的形式表現(xiàn)出來(lái)，如圖5所示。

圖5 影響因素變化與交通分配量變量系圖

通過(guò)圖5可以看出，人口預(yù)測(cè)增長(zhǎng)率對(duì)分配量結(jié)果的影響較小，而擬建道路實(shí)測(cè)車(chē)流量、GDP預(yù)測(cè)增長(zhǎng)率這兩個(gè)因素的變化均可引起分配量結(jié)果的大幅度變化，且GDP預(yù)測(cè)增長(zhǎng)率的影響程度要遠(yuǎn)大于擬建道路實(shí)測(cè)車(chē)流量。因此，擬建道路實(shí)測(cè)車(chē)流量、GDP預(yù)測(cè)增長(zhǎng)率為影響擬建道路交通分配量的敏感性因素，GDP預(yù)測(cè)增長(zhǎng)率為最敏感因素。在進(jìn)行交通量預(yù)測(cè)工作中，應(yīng)重視道路實(shí)測(cè)車(chē)流量工作并提高GDP增長(zhǎng)率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用Trans軟件進(jìn)行高等級(jí)公路和改擴(kuò)建公路可行性研究方面的交通量預(yù)測(cè)具有很大的實(shí)用價(jià)值，其OD反推功能強(qiáng)大，可以在一定程度上減少?gòu)?fù)雜而繁瑣的OD調(diào)查，節(jié)省大量人力物力，但OD反推并不能完全代替OD調(diào)查，在現(xiàn)實(shí)工作中應(yīng)依具體情況而定；在交通量分布與分配工作上較為先進(jìn)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)易于獲取，預(yù)測(cè)精度較高，且便于修改。另外，擬建道路車(chē)流量調(diào)查和GDP增長(zhǎng)率預(yù)測(cè)在整個(gè)交通量預(yù)測(cè)工作中極為關(guān)鍵，決定著預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)加以重視。

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