基于空間認(rèn)知和社區(qū)識別理論的路徑選擇模型

劉喜敏，徐寧，盧守峰*

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能交通學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

傳統(tǒng)的路徑選擇模型對出行者的認(rèn)知能力、對路網(wǎng)交通狀況的獲取能力、選擇偏好等做出了相應(yīng)的假設(shè)。典型的例子是Wardrop原理[1]，假設(shè)出行者完全理性，每個出行者的行為是相同的，出行者熟知路網(wǎng)的交通狀態(tài)。但是大量的證據(jù)表明，出行者在城市環(huán)境中的路徑選擇是復(fù)雜的認(rèn)知過程，這個過程有較大的不確定性。近年來，路徑選擇過程中的不確定性建模被越來越多的學(xué)者關(guān)注，主要研究內(nèi)容包括出行者的有限理性、啟發(fā)式?jīng)Q策。Di等[2]采用隨機(jī)效用和半補(bǔ)償模型對有限理性路徑選擇行為模型進(jìn)行了研究。Yang等[3]基于確定出行時間的參考點(diǎn)，提出了一種基于累積前景理論的路徑選擇模型和隨機(jī)用戶均衡模型。龍雪琴等[4]采用決策場理論研究出行者路徑選擇時的動態(tài)過程。劉詩序等[5]以最早到達(dá)時間和工作開始時間作為參考點(diǎn)，建立了基于前景理論的雙參考點(diǎn)路徑選擇模型。Papola等[6]提出了一種基于隨機(jī)效用組合模型的路徑選擇模型。Lindsey等[7]研究了擁擠的出行條件和出行前所掌握的交通信息對路線選擇的影響。Li等[8]提出了利用社區(qū)識別生成錨點(diǎn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法分析路徑選擇。Alizadeh等[9]強(qiáng)調(diào)要同時考慮路線特性和錨點(diǎn)，從而提升路徑選擇模型的估計和預(yù)測能力。Manley等[10]利用智能體研究了個體的空間認(rèn)知差異對路徑選擇的影響。

總體上，現(xiàn)有的路徑選擇方法采用的理論包括前景理論、期望效用理論、離散選擇模型、博弈理論、隨機(jī)效用和半補(bǔ)償模型以及隨機(jī)效用組合模型等，這些模型假設(shè)出行者是完全理性或有限理性的，其特點(diǎn)是追求效用最大化或阻抗最小化，沒有考慮城市路網(wǎng)的空間結(jié)構(gòu)，因此與人們的實(shí)際路徑選擇存在偏差，導(dǎo)致規(guī)劃的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與人們對路網(wǎng)的使用不相匹配。

本文將啟發(fā)式路徑選擇模型與模塊增益算法相結(jié)合，用社區(qū)識別理論揭示駕駛員的路徑選擇與路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，采用模塊化信息解析路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，劃分交通出行大區(qū)，并設(shè)計相應(yīng)的路徑選擇算法。

1 集成空間認(rèn)知和模塊增益的路徑選擇模型

空間認(rèn)知機(jī)制將路徑選擇劃分為三個層次：社區(qū)選擇層次、節(jié)點(diǎn)選擇層次和道路選擇層次[11]。在社區(qū)選擇層次中，本文采用模塊增益算法，利用靜態(tài)權(quán)重(距離)和動態(tài)權(quán)重(速度)實(shí)現(xiàn)社區(qū)劃分，根據(jù)社區(qū)內(nèi)包含的路段數(shù)量選擇合適的劃分結(jié)果，劃分結(jié)果的選擇主要憑借經(jīng)驗(yàn)，即包含的路段數(shù)量不能太多或太少，具有一定的規(guī)模和代表性。然后利用社區(qū)消除法(elimination by aspects，EBA)與最佳社區(qū)選擇法(take the best，TTB)確定最佳社區(qū)。節(jié)點(diǎn)和路徑選擇兩個層次采用Dijkstra最短路徑算法。

模塊增益量計算[12]如公式(1)所示。

(1)

其中，∑in是社區(qū)C內(nèi)鏈接權(quán)重總和，∑tot是社區(qū)C中與節(jié)點(diǎn)相連的鏈接權(quán)重之和，ki是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中與節(jié)點(diǎn)i鏈接的權(quán)重總和，ki,in是社區(qū)C中節(jié)點(diǎn)i與潛在節(jié)點(diǎn)的鏈路的權(quán)重之和，m是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中鏈接權(quán)重之和。

模塊化增益算法的核心是通過計算模塊化增益量形成遞階的社區(qū)結(jié)構(gòu)。初始化時，將路網(wǎng)中每一個節(jié)點(diǎn)(交叉口)作為一個社區(qū)。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)移入到新的社區(qū)比保留在當(dāng)前社區(qū)具有更大的模塊化增益量時，就將其移入新的社區(qū)，否則保留在當(dāng)前社區(qū)。這個過程循環(huán)一次就形成一級結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上重復(fù)該過程可以形成多級遞階結(jié)構(gòu)，至每一個節(jié)點(diǎn)到相鄰社區(qū)的模塊增益值ΔQ均不大于0為止。社區(qū)劃分的數(shù)量和大小需根據(jù)實(shí)際路網(wǎng)的空間結(jié)構(gòu)來確定。

采用EBA和TTB選擇最佳社區(qū)。其中EBA可減少備選社區(qū)的數(shù)量，距離最大或偏差角度最大的備選社區(qū)被消除。TTB利用表1中4種屬性對途經(jīng)社區(qū)進(jìn)行比選，利用這4種屬性對本研究收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。調(diào)查數(shù)據(jù)包括OD問卷調(diào)查數(shù)據(jù)(靜態(tài))、出租車GPS數(shù)據(jù)(動態(tài))。然后以地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)為平臺，將出行者的出行起終點(diǎn)和所選路徑進(jìn)行標(biāo)注，利用路徑選擇的結(jié)果進(jìn)行反推，得出屬性的重要度從大到小排序?yàn)槠罱嵌茸钚　⒆疃逃脮r、最快速度、最短距離。根據(jù)屬性依次進(jìn)行對比，直至剩下唯一的備選社區(qū)。在評估過程中，若兩個或多個備選社區(qū)結(jié)果一致，則進(jìn)行隨機(jī)選擇。

表1 屬性判定表

利用Matlab軟件對模塊增益算法和最佳社區(qū)選擇規(guī)則進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)骨架道路識別。邊是節(jié)點(diǎn)(交叉口)的物理連接(路段)，可通過路段距離和路段速度這兩種屬性值進(jìn)行度量。距離或速度相近的多個節(jié)點(diǎn)可聚類為一個社區(qū)，社區(qū)即為節(jié)點(diǎn)的集合，即屬性特征相近的區(qū)域路網(wǎng)。若一條道路的多條路段均被識別為社區(qū)間連接路段，則該條道路被稱為骨架道路。模型首先在骨架道路中選擇，然后在區(qū)內(nèi)道路選擇。具體步驟如下：

(1)首先對劃分路網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)號，將長沙市中心城區(qū)路網(wǎng)每個交叉口按順序依次標(biāo)號，共927個節(jié)點(diǎn)；其次將兩節(jié)點(diǎn)間路段進(jìn)行標(biāo)號，共1580條路段。

(2)建立屬性矩陣。創(chuàng)建927×927的屬性矩陣。距離(速度)矩陣是將兩節(jié)點(diǎn)路段間距離(速度)填入，若兩節(jié)點(diǎn)不相連則為0。

(3)基于距離權(quán)重的靜態(tài)屬性代入社區(qū)識別的無向型算法，基于速度權(quán)重的動態(tài)屬性代入有向型算法，得出分區(qū)結(jié)果。

2 算例

2.1 基于靜態(tài)路阻的路徑選擇結(jié)果驗(yàn)證

以長沙市中心城區(qū)路網(wǎng)(圖1中環(huán)線內(nèi)的路網(wǎng))為例，對其依據(jù)路段距離進(jìn)行劃分，共得到了5個劃分層次，社區(qū)數(shù)量分別是第一級劃分274個、第二級劃分127個、第三級劃分56個、第四級劃分10個、第五級劃分1個。根據(jù)社區(qū)面積和包含的路段數(shù)量，將第三級(如圖2(b)所示)和第四級(如圖2(a)所示)劃分結(jié)果作為出行者對長沙市路網(wǎng)的空間認(rèn)知結(jié)果，進(jìn)行對比，圖2中的綠短線表示識別出來的連接各大區(qū)之間的主要路段。

圖1 長沙市現(xiàn)狀路網(wǎng)

(a)第四級劃分結(jié)果 (b)第三級劃分結(jié)果

第四級劃分結(jié)果為10個大區(qū)，如圖2(a)所示。以社區(qū)1至8的跨區(qū)出行為例，利用本文提出的路徑選擇模型得出最佳社區(qū)。

(1)首先識別社區(qū)1的相鄰社區(qū)為社區(qū)2、4和5，根據(jù)EBA消除理論，以“與目標(biāo)社區(qū)距離”為依據(jù)，消除社區(qū)2。接著進(jìn)行TTB選擇，依次對比表1中屬性。社區(qū)4與5的“與目標(biāo)社區(qū)偏差角度”指標(biāo)值接近，均可作為備選社區(qū)。“最短距離”“最快速度”“最短時間”3個指標(biāo)對比，社區(qū)4至8跨區(qū)出行的主要路徑為北二環(huán)與福元路大橋，承擔(dān)社區(qū)5至8跨區(qū)出行的主要路徑為三一大道(岳麓大道)，兩組道路均屬于過江通道，道路等級均為長沙市主干道，指標(biāo)值接近，因此社區(qū)4與5均為最佳社區(qū)。

(2)節(jié)點(diǎn)與路徑選擇。若選擇社區(qū)5作為最佳社區(qū)，連接大區(qū)的路徑為社區(qū)1—5—9—8。社區(qū)1至5僅有三一大道相連，所以最佳路徑為三一大道；社區(qū)5與9之間相連路段為銀盆嶺大橋與營盤路隧道，根據(jù)最短路徑法，以及與目標(biāo)社區(qū)8的最小偏差角度法，最佳選擇路徑為三一大道(含銀盆嶺大橋)；社區(qū)9與8共11條路徑相連，且道路等級全部為快速路與城市主干道，具體的路徑選擇要根據(jù)目的地的位置采用最短路徑法確定。若選擇社區(qū)4作為最佳社區(qū)，連接大區(qū)的路徑為社區(qū)1—4—9—8。社區(qū)1與4僅有開元路相連，最佳路徑為開元路；社區(qū)4與9相連路段為北二環(huán)、福元路，北二環(huán)因與社區(qū)8距離較長，因此最佳路徑為開元路；社區(qū)9至8的最佳路徑要根據(jù)目的地的位置采用最短路算法確定。因此社區(qū)1至8的最佳路徑為三一大道(含銀盆嶺大橋)開元路。

為驗(yàn)證提出的路徑選擇算法的準(zhǔn)確性，采用長沙市需要從社區(qū)1至8跨區(qū)出行的上班族出行調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。調(diào)查內(nèi)容包括出行方式、出行時間、出行過程中經(jīng)過的路徑順序等。挑選20份起始社區(qū)為1，終止社區(qū)為8的出行問卷，路徑選擇比例如表2所示。

表2 市民實(shí)際路徑選擇

從表2可知，社區(qū)1至8的跨區(qū)出行，實(shí)際出行路線主要聚集在開元路與三一大道(含銀盆嶺大橋)，兩條路段被實(shí)際選擇概率合計為85%。因此，認(rèn)為建立的路徑選擇模型具有較好的合理性和較高的真實(shí)性。

2.2 基于動態(tài)路阻的路徑選擇結(jié)果驗(yàn)證

圖1中的路網(wǎng)以路段的速度為權(quán)重，分別采用高峰時段速度、平峰時段速度進(jìn)行計算，基于動態(tài)路阻的劃分結(jié)果對于動態(tài)交通管理更有指導(dǎo)意義。

2.2.1 采用高峰時段速度屬性劃分

采用高峰時段速度，共得到5個劃分層次，社區(qū)數(shù)量分別為第一級劃分292個、第二級劃分134個、第三級劃分46個、第四級劃分12個、第五級劃分1個。將三級和四級劃分結(jié)果作為出行者對長沙市路網(wǎng)的空間認(rèn)知結(jié)果，見圖3。與基于靜態(tài)路阻的第四級劃分對比，發(fā)現(xiàn)南北向承擔(dān)跨區(qū)出行的路徑發(fā)生改變。在距離屬性劃分中，南北向連接路段主要分布在岳麓大道、遠(yuǎn)大路、南二環(huán)、香樟路，而在高峰時段速度屬性劃分中，南北向連接道路為開元路與香樟路。這種區(qū)別表明了交通狀況對道路使用的影響。兩次劃分中識別出的跨區(qū)出行路段基本一致，且東西向連接道路一致，主要集中在過江通道。對第四級劃分應(yīng)用提出的算法，以社區(qū)1至11為例，得到最佳路徑為開元路—芙蓉路—銀盆嶺大橋、開元路—芙蓉路—營盤路或開元路—北二環(huán)。

對第三級劃分，與基于靜態(tài)路阻第三級劃分對比。兩者不同點(diǎn)在于本次劃分結(jié)果為46個社區(qū)，相比基于靜態(tài)路阻的劃分減少了10個社區(qū)，且劃分的社區(qū)位置與面積大小不同。圖2中的7個社區(qū)(21、23～28)在圖3(b)中僅劃分為一個社區(qū)。該結(jié)果說明，基于距離劃分的該7個社區(qū)在高峰時段內(nèi)車輛行駛速度相近。兩者相同點(diǎn)在于承擔(dān)跨區(qū)出行的路徑一致，包括二環(huán)線、萬家麗路、芙蓉路、過江通道、三一大道、開元路等。

(a)第四級劃分結(jié)果 (b)第三級劃分結(jié)果

2.2.2 采用平峰時段速度屬性劃分

采用平峰時段速度，共得到了5個層次劃分，第四級和第三級劃分如圖4所示。

(a)第四級劃分結(jié)果 (b)第三級劃分結(jié)果

對比基于高峰時段速度與基于靜態(tài)路阻的第四級劃分結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平峰時段速度劃分的社區(qū)數(shù)量較少，說明在平峰時段各路段速度值較接近；與平峰時段不同，在早晚高峰時段，承擔(dān)跨區(qū)出行的主要路徑會產(chǎn)生交通擁堵，行駛速度較小，因此基于不同屬性的劃分結(jié)果差異較大。

與基于高峰時段速度屬性的第三級劃分結(jié)果對比，采用平峰時段速度屬性的第三級劃分結(jié)果為22個社區(qū)，比高峰時段減少了24個，且劃分社區(qū)位置與面積發(fā)生較大改變。該情況說明兩個時段社區(qū)間的速度發(fā)生較大變化，尤其發(fā)生在跨區(qū)出行的主要路徑，這些路徑在高峰期間交通擁堵，速度較小；而在平峰期間，車流量小，且道路等級均高于城市主干道，速度較大。兩者相同點(diǎn)在于承擔(dān)跨區(qū)出行的路徑基本一致。

為了分析交通擁堵對出行者路徑選擇的影響，從長沙市出租車監(jiān)控中心收集了出租車GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。收集內(nèi)容為每輛出租車一天內(nèi)GPS數(shù)據(jù)，包括車輛ID、經(jīng)緯度、車輛當(dāng)前速度、當(dāng)前時間、載客狀態(tài)等信息。6:00—9:00與17:00—20:00作為高峰時段，其余為平峰時段，提取一天內(nèi)每輛出租車每一單載客路徑。

共收集了4輛出租車一天內(nèi)的載客路徑共224條GPS數(shù)據(jù)，其中高峰時段88條，有12條的起終點(diǎn)位于社區(qū)1和11；在平峰時段的載客路徑共136條，有18條的起終點(diǎn)位于社區(qū)1和5。具體路徑選擇情況如表3所示。

表3 出租車實(shí)際路徑選擇

由算法得到，在高峰時段，社區(qū)1—11的最佳路徑為開元路—北二環(huán)、開元路—芙蓉路—營盤路、三一大道(含銀盆嶺大橋)，在表3中，這三條路徑在實(shí)際出行過程中被選擇的比例合計為75%。在平峰時段，社區(qū)1至社區(qū)5的最佳路徑為開元路—瀟湘路、開元路—銀杉路、遠(yuǎn)大路—東二環(huán)—南二環(huán)，在表3中，這三條路徑在實(shí)際出行過程中被選擇的比例合計為73%。因此認(rèn)為本文所建立的路徑選擇模型具有較好的合理性和較高的真實(shí)性。

3 結(jié)論

本文把啟發(fā)式?jīng)Q策、空間認(rèn)知以及社區(qū)識別理論相結(jié)合，提出了基于路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的路徑選擇模型，并給出了算法步驟，假設(shè)出行者先對大區(qū)進(jìn)行選擇，然后再利用最短路徑原則選擇區(qū)內(nèi)的道路。分別用靜態(tài)路阻(距離)、動態(tài)路阻(速度)對長沙市中心城區(qū)路網(wǎng)進(jìn)行解構(gòu)，計算路徑選擇集，結(jié)果表明識別的大區(qū)之間的道路與長沙市現(xiàn)狀路網(wǎng)的等級結(jié)構(gòu)相符。采用問卷調(diào)查方法和出租車GPS數(shù)據(jù)對實(shí)際的路徑選擇軌跡進(jìn)行提取，并將理論計算結(jié)果與實(shí)際調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對比分析，一致率在73%以上，因此認(rèn)為本文所建立的路徑選擇模型具有較好的合理性和較高的真實(shí)性。下一步可結(jié)合路網(wǎng)流量數(shù)據(jù)，分析識別出來的社區(qū)連接路徑上的流量與社區(qū)內(nèi)道路流量之間的關(guān)系，進(jìn)一步研究空間認(rèn)知對出行者路徑選擇的影響。