基于巢式Logit模型的城市交通結構演化建模與仿真*

宋成舉 張亞平

(哈爾濱工業大學交通科學與工程學院1) 哈爾濱 150090) (黑龍江工程學院汽車與交通工程學院2) 哈爾濱 150050)

基于巢式Logit模型的城市交通結構演化建模與仿真*

宋成舉1,2)張亞平1)

(哈爾濱工業大學交通科學與工程學院1)哈爾濱 150090) (黑龍江工程學院汽車與交通工程學院2)哈爾濱 150050)

巢式Logit模型是交通方式選擇研究的經典理論之一，通過對居民出行方式對比較分析，結合居民出行方式選擇行為習慣，給出多種巢式層次劃分方案，通過分析比較并確定將城市交通結構劃分為公共交通巢、非機動交通巢和非公共機動交通巢等3個，引入疲勞度系數，結合時間成本和貨幣成本，構建不同巢的效用函數，結合哈爾濱客運交通結構的現狀數據，分析不同單位時間價值量和出行距離條件下，各種出行方式分擔率的變化情況，結果表明，該模型可以較好地描述城市交通結構演化特征，為制定交通政策提供理論依據.

NL模型；交通結構；效用函數；時間價值量；分擔率

0 引 言

交通結構與城市的發展是個辯證的統一體，交通結構往往引導著城市的發展，同時，城市的發展也影響著交通的結構.交通結構優化起源于20世紀50年代后期美國芝加哥都市圈交通規劃(CATs)中的“交通方式分擔比例”觀點，該觀點的核心內容是為確保城市交通順暢，就應當依據不同的場合、目的、時間，使各種交通方式的利用達到適當的平衡.

經濟學理論的引入為深入探討城市客運交通結構理論和模型研究開創了新領域，使得這一研究方向也逐漸形成了獨立的體系[1].S.Alumur等[2]對樞紐選址的各種模型進行了分類，并討論了近年來就樞紐站點選址所開展的研究的總體趨勢；周翊民等[3]對比了上海與東京在客運交通方面的差距，結合上海的實際情況，給出了上海發展綜合客運交通的建議.進入了21世紀后，我國綜合交通運輸結構方面的研究成果更是層出不窮，取得了不少里程碑意義的階段性成果[4-5].楊明等[6]提出了一種基于循環經濟的城市客運交通結構優化模型.呂慎等[7]從城市交通可持續發展角度出發建立了大城市客運交通結構優化的線性規劃模型.陳爽等[8]以突變理論為基礎，構建了客運交通結構演化的模型.劉爽[9]研究了大城市的交通結構的演變機理，建立了公共交通和個體交通結構演變的系統動力學模型，比較了不同政策情景下的交通結構發展趨勢和政策實施效果.張陸[10]提出了城市群客運交通結構的優化原則和目標，建立了基于可持續發展的城市群客運交通結構優化配置模型，結合模糊綜合評判法與灰色關聯分析法建立了綜合評價模型.

1 城市客運交通方式構成

按照是否機動化可分為機動化和非機動化，其中機動化按使用范圍又可劃分為個人機動交通和公共交通.城市綜合客運交通系統客運方式分類見表1.

表1 城市綜合客運交通系統客運方式分類

2 NL模型概述

一般情況下，選擇者選擇交通方式的效用確定項可以表示為個體特性和選擇項特性的線性函數[11]，即

(1)

式中：xik為選擇項i的確定項第k個影響因素的效用值；θk為第k個影響因素的待標定值；m為確定項中影響因素個數.

則根據研究假設，針對虛擬層中某個巢j，可計算求得選擇者n選擇巢Cj中選擇項i的條件概率.

(2)

式中：λj為巢j中各選擇項相關性的的模型參數，且0≤λj≤1，當λj=0時，表示巢j中選擇項效用隨機項完全相關；當λj=1時，表示巢j中選擇項效用隨機項完全獨立.lA為巢A中選擇項的個數.

根據NL基礎理論，Pn(A)可以表示為

(3)

式中：Nj為巢j中的選擇項集合；N為系統中巢的集合. 則選擇者選擇選擇項i的概率如下：

(4)

3 巢式層次方案劃分

3.1 層次方案確定

應用NL模型需要將城市綜合客運交通系統微觀結構中的交通方式按照相關或相似的原則進行層次劃分，從而構造虛擬層，而虛擬層的建立是研究過程中的一個中間環節，根據研究主體對研究對象所考慮的角度及因素的不同，往往會得到不同的虛擬層.也就是說選擇者在選擇客運方式時所考慮的因素不盡相同.現有的研究對于交通方式的劃分方法主要依據經濟性指標、服務性指標和主觀感受指標等.基于此，本文給出如下4種方案，見圖1.

盡管還有其他的劃分方式，但上述4個方案基本上涵蓋了大部分出行者的選擇情況.4個巢式層次結構劃分方案都具有一定的合理性，但仍需要確定哪個劃分方案更切合實際，這正是NL模型所必須面對的一個問題.

圖1 NL模型層次結構劃分方案

3.2 巢式層次方案分析

常規公共交通、城市軌道交通和出租車均屬于城市公共交通的范疇，各自的管理主體明確，均歸屬于當地政府直接管轄，應劃分為同一巢內；一般而言，在短距離出行方面，步行、自行車、公共交通之間存在一定的競爭關系；但步行和自行車出行方式屬于典型的非機動出行.因此，應劃分為同一巢內；在長距離出行方面，私人小汽車由于具有較強的個性化特征，且對于道路交通資源消耗嚴重，與公共交通之間存在明顯的競爭關系.同時，私人小汽車方式又不同于自行車、步行等非機動化出行方式.因此，私人小汽車應單獨歸屬一巢.根據相關研究表明，居民在出行方式選擇過程中需要考慮的因素主要是出行時間和出行成本及舒適性感受等三種因素，單一指標的劃分原則不能得到較好的支持.

綜上，本文選擇的巢式層次方案為方案四.

4 不同巢的效用用函數建立

4.1 公共交通巢的效用函數建立

城市居民在公共交通出行方式的選擇方面主要與下列影響因素有關.

1) 出行者的廣義出行成本.包括時間成本t和貨幣成本p，而時間成本則取決于交通方式服務時間t1和等待時間t2.

2) 乘客的主觀感受.包括可達程度、舒適度、安全度等定性指標，用來表示乘客對于交通出行方式的主觀感受.本文中用疲勞度指標ξ表征乘客的主觀感受的量度.

則居民公共交通出行方式的效用包括3個部分，考慮不同居民出行的偏好程度，引入α1為時間偏好系數，α2為成本偏好系數，顯然α1+α2=2.則居民公共交通巢中的出行方式效用函數可以表示為

(5)

式中：λ為單位時間價值量，元/h；t1取決于乘客到達站點的時間t0和車輛到達頻率f，t2取決于乘車距離l和營運速度v，則t1，t2可表示為

(6)

而疲勞度指標ξ是一個取決于公共交通服務時間效率的變量，且隨著服務時間與承受時間比例的增長，其疲勞度呈上升趨勢，進一步增加了居民的出行支付.假定其函數形式為

(7)

式中：ξi0為第i種交通方式的初始疲勞度水平；tmax為居民乘坐公共交通所能承受的時間上限，本文假定為1h.

4.2 非機動交通巢的效用函數建立

在非機動交通巢中，包括兩種交通方式，即自行車和步行，二者均受制于出行距離和氣候條件，其中自行車出行還是典型的條件出行方式.根據已有的研究成果，一般認為步行交通的優勢出行距離通常在2km以下；自行車優勢出行距離在4.5km以下.因此，非機動交通巢的效用函數的構建基于如下假設：(1) 每種非機動交通出行方式均不宜超過最大出行距離，若超過最大出行距離，則疲勞度呈明顯上升趨勢；(2) 在各自的優勢出行范圍內，其出行效用呈增加趨勢；(3) 假定步行和自行車出行均不需要支付出行費用.

非機動交通巢的效用函數形式如下.

(8)

式中：ljmax為第j種交通方式出行的最大優勢距離；ξj0為第j種交通方式的初始疲勞度水平；其余參數含義同上.

4.3 非公共機動巢效用函數建立

私人小汽車是典型的機動化出行方式，具有出行速度快、出行距離長、出行舒適度高等優勢，隨著居民生活水平的提高，私人小汽車獲得了較快的增長，駕駛與乘坐私人小汽車正變得越來越時尚，這也大大的降低了長時間駕駛或乘坐而帶來的疲勞感.針對非公共機動巢的效用函數構建基于如下假設：(1) 私人小汽車的疲勞度水平隨著行駛里程和使用時間的增加而幾乎保持不變；(2) 私人小汽車的使用成本僅包括燃油成本，且與行駛里程成正比.

(9)

式中：oj為私人小汽車的單位距離的燃油成本，元/km；ξ0為私人小汽車的疲勞度水平.

5 算例分析

5.1 模型參數確定

2013年末，哈爾濱地鐵一號線開始試運營，使得哈爾濱市綜合客運交通系統進一步完善，特別是城市公共交通運輸方式更加全面，為了仿真分析各種運輸方式在不同參數條件下的變化趨勢，將各種客運方式的特征參數匯總至表2.

本文是對各種交通方式的效用特性進行分析，根據前文所述，為了簡化計算，不妨假定各種交通方式對于出行者的初始疲勞度均為1.

表2 交通出行方式特征參數匯總

注：私人小汽車的運行速度參照哈爾濱2010年數據；常規公交的運行速度參照哈爾濱2010年公交平均運行速度;l為出行距離，km.

在初始時單位時間價值量(VOT)對于不同收入的出行者來說，其取值是不同的，根據定義，單位時間價值量為年勞動報酬與年工作時間的比值.其中年工作時間按50周計算，周工作小時為40 h，參照2010年黑龍江省政府發布的最低工資標準，哈爾濱市區的最低工資為840元/月，年最低收入為10 080元，則單位時間價值量為5.04元/h.因此，本文單位時間價值量的取值范圍為5～100元/h；此外，根據城市居民出行特征調查，擬定居民出行距離的變化范圍為0～20 km.

根據相關研究成果，私人小汽車的平均燃油成本取0.68元/km.為了便于計算，假定公交站點的服務半徑為300 m，按步行的速度5 km/h計算，則步行至公交站點的時間最長為3.6 min；假定城市軌道交通站點的服務半徑為500 m，同樣按照步行速度計算，步行至城市軌道交通站點的最長時間為6 min.

5.2 仿真結果分析

根據模型需要可以對城市綜合客運系統微觀結構的模型變量及控制變量賦予一定初值，由于各運輸方式都有其優缺點，在客流運輸方面存在復雜的競爭協作關系，不同的出行需求和不同的居民屬性決定了各種運輸方式之間的復雜作用.

根據哈爾濱市交通發展規劃，遠期發展中，公共交通的分擔率可達40%以上，出租車的分擔率可達8%，進一步約束限制私人小汽車發展，遠期私人小汽車的出行分擔率約為15%，鼓勵非機動化出行，遠期出行分擔率可達37%.在模型中，公共交通巢的特征參數λ1=0.5，λ2=0.35，λ3=0.15.采用Matlab編程，取時間偏好系數與成本偏好系數相同，即α1=α2=1，分析不同出行距離和不同單位時間價值量條件下，各種交通方式的變化趨勢見圖2.

圖2 α1=α2=1時各種交通方式分擔率變化

從圖2可以看出，在低出行距離、低單位時間價值量的條件下，公共交通巢中僅出租車保持一定的分擔率，步行與自行車的分擔率相對較高，而常規公共交通、城市軌道交通和私人小汽車均維持較低水平；在低出行距離、高單位時間價值量條件下，非機動化出行雖然仍然維持較高分擔率，但呈現明顯的下降趨勢，而出租車分擔率呈現一定程度的上升，其他交通方式仍然維持較低水平；在高出行距離、低單位時間價值量條件下，出租車的分擔率明顯降低，非機動化出行分擔率下降較快，常規公交和城市軌道交通分擔率上升明顯，私人小汽車表現為先增加后降低的發展趨勢，這主要是因為在一定出行距離內，私人小汽車的時間優勢較為明顯，而在較長出行距離內，公共交通巢特

別是城市軌道交通的成本優勢十分明顯；在高出行距離、高單位時間價值量條件下，城市公共交通仍然是居民出行的主要選擇.

而在實際的社會生活中，人們對于時間和成本的偏好并不相同，這與出行目的、出行者個人屬性等諸多因素相關.因此，本文對比不同偏好系數條件下各巢中典型出行方式分擔率變化見圖3.

圖3 不同偏好系數條件下典型交通方式分擔率變化

從圖3可以看出，當時間偏好增加時，常規公交分擔率的整體趨勢為降低，這主要與常規公交的運行速度低有關，且發車間隔較大，尤其在冬季，這一問題將更加突出；而步行分擔率的整體趨勢相對穩定，在低單位時間價值量時，出行距離對于分擔率的影響不大，但在高單位時間價值量時，步行分擔率隨著時間偏好系數的增加而降低；對于私人小汽車而言，時間偏好系數的增加降低了其在高單位時間價值量條件下的出行分擔率.

6 結 論

1) 在公共交通巢中，常規公交和城市軌道交通的分擔率隨著出行距離和單位時間價值量的增加而增加；而出租車分擔率隨著單位時間價值量的增加而增加，但隨著出行距離的增加而減少，總體來說，公共交通巢的分擔率優勢較為明顯.

2) 在非機動交通巢中，步行和自行車的分擔率均隨著出行距離的增加而降低，也隨著單位時間價值量的增加而降低.

3) 在非公共機動交通巢中，私人小汽車的分擔率隨著出行距離的增加而呈現先增加后減少的趨勢，而隨著單位時間價值量的增加而增加.

4) 隨著時間偏好系數的增加，常規公交在長距離和高單位時間價值量條件下均有所降低，而步行分擔率在短距離出行和低單位時間價值量條件下有所升高；私人小汽車分擔率均有所下降，且隨著單位時間價值量的增加而呈現先增加后降低的趨勢.

[1]EILFRED O.The new highways: Challenge to the metropolitan region.The metropolitan transportation problem.1956[M].Washington,D.C.：Indiana University Press，15-20.

[2]ALUMUR S,KARA B Y.Network hub location problems:the state of the art[J].European Journal of Operational Research，2008,190(1):1-21.

[3]周翊民,孫 章.上海與東京的城市客運交通比較研究[J].上海鐵道學院學報，1994,15(4):88-92.

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[7]呂 慎,田 峰，等.大城市客運交通結構優化模型研究[J].公路交通科技，2007,24(7):117-120.

[8]陳 爽,趙 月.突變理論在客運交通結構演化分析中的應用[J].山西建筑，2008,34(20):286-287.

[9]劉 爽.基于系統動力學的大城市交通結構演變機理及實證研究[D].北京：北京交通大學，2009.

[10]張 陸.城市群客運交通結構優化配置研究[D].西安：西安建筑科技大學，2011.

Evolution Modeling and Simulation on Traffic Structure in Urban Based on the Nested Logit Model

SONG Chengju1,2)ZHANG Yaping1)

(SchoolofTransportationScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin, 150090,China)1)(SchoolofAutomobile&TrafficEngineering,HeilongjiangInstituteofTechnology,Harbin, 150050,China)2)

The Nested-Logit model is one of the classical theory for transport modes selection studies, compareing and analysis on residents travel modes, combined with residents travel mode choice behavior, four nested hierarchical classification programs are given,The nest structure program is determined and is divided into public transport nest, non-motorized transport nest and non-public motorized transport. The fatigue factor is introduced, combined with the time cost and monetary cost, the utility functions for different nests is established, combined with the current data of passenger traffic structure in Harbin. The sharing rate changing trends of various transport modes is analyzed, in the condition of different travel distance and VOT, the results showed that the model can describe the evolution characteristic of urban transportation structure,and provide the theoretical foundation for the transport policy.

Nested-Logit model; traffic structure; utility function; value of time; sharing rate

2015-01-11

*黑龍江省青年科學基金項目(批準號：QC2014C060)、黑龍江省交通運輸科技項目(批準號：HJK2012A032)、黑龍江工程學院青年科學基金項目(批準號：2013QJ06)資助

U116

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.017

宋成舉(1983- )：男，博士生，講師，主要研究領域為綜合交通系統