灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)在地鐵站點(diǎn)客流預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究

鄭凱

(西安交通工程學(xué)院， 電氣工程學(xué)院， 陜西， 西安 710300)

0 引言

客流預(yù)測(cè)為城市軌道交通的建設(shè)與管理提供了重要依據(jù)。當(dāng)前隨著西安城市化進(jìn)程的不斷加快，以及人才引進(jìn)政策的不斷推進(jìn)與落實(shí)，城市建設(shè)與發(fā)展步入了新的模式也出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)。隨著城市人口的增加，城市軌道交通給人們的生活帶來(lái)了巨大的改變，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡墓步煌ㄖ黧w。西安地鐵2號(hào)線(xiàn)的開(kāi)通，不僅緩解了西安城區(qū)交通的擁堵，同時(shí)讓人們的出行變得更加綠色、環(huán)保，已經(jīng)成為人們出行首選的交通方式。同時(shí)，西安地鐵2號(hào)線(xiàn)作為重要的交通線(xiàn)路承載著較大的客流壓力，我們急需通過(guò)客流預(yù)測(cè)指導(dǎo)我們合理規(guī)劃運(yùn)力，進(jìn)而保證地鐵運(yùn)行的高效與安全，因此對(duì)其進(jìn)行客流預(yù)測(cè)研究就顯得十分重要。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展的相關(guān)研究主要有，呂帝江等[1]利用向后逐步回歸分析法對(duì)城區(qū)地鐵站點(diǎn)的客流影響因素進(jìn)行了分析；劉怡等[2]通過(guò)模糊物元分析法對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用AHP算出代表地鐵站點(diǎn)合理程度的指標(biāo)的權(quán)值，并對(duì)其設(shè)置的合理性進(jìn)行分析；王英杰等[3]基于GIS平臺(tái)構(gòu)建的地鐵客流預(yù)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)站點(diǎn)客流進(jìn)行了分析；Yang Liu等[4]提出了深度客流(DeepPF)的學(xué)習(xí)架構(gòu)，用于預(yù)測(cè)地鐵入站/出站客流。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)客流預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究，但由于站點(diǎn)客流的波動(dòng)性，限制了研究者實(shí)驗(yàn)手段的有效實(shí)施，難以全面反映實(shí)際過(guò)程中站點(diǎn)客流分布的真實(shí)情況。而本文利用灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)客流進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為工程管理人員的客運(yùn)調(diào)度與規(guī)劃提供了有效指導(dǎo)，因此具有一定的研究?jī)r(jià)值。

1 灰色GM(1,1)系統(tǒng)的建模

灰色GM(1，1)建?；舅悸啡缦?。先對(duì)數(shù)據(jù)序列用累加的方式生成一組趨勢(shì)明顯的新數(shù)據(jù)序列，按照新的數(shù)據(jù)序列的增長(zhǎng)趨勢(shì)建立模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后再用累減的方法進(jìn)行逆向計(jì)算，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)序列，進(jìn)而得到預(yù)測(cè)結(jié)果[5-6]。

(1) 設(shè)研究對(duì)象的歷史數(shù)據(jù)序列為式(1)：

X(0)=x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)

(1)

對(duì)X(0)進(jìn)行一次累加操作，得到新的數(shù)據(jù)序列為式(2)：

X(1)=x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n-1),x(1)(n)>

(2)

其中

(2) 對(duì)新的數(shù)據(jù)X(1)進(jìn)行建模，得到灰色系統(tǒng)的預(yù)測(cè)方程式(3)：

(3)

式中，a表示發(fā)展系統(tǒng)，u表示灰色作用量。

(4)

(4) 得到參數(shù)a,u的值后，對(duì)式(3)離散化再進(jìn)行求解，從而得到式(5)、式(6)：

(5)

(6)

k=1,2,3,…,n

2 灰色GM(1,1)模型在地鐵站點(diǎn)的客流預(yù)測(cè)

基于灰色GM(1,1)模型[7-8]的地鐵核心站點(diǎn)客流預(yù)測(cè)步驟如下：

(1) 選取西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)區(qū)段內(nèi)具有代表性的站點(diǎn)為研究對(duì)象；

(2) 以季度為單位收集主要站點(diǎn)2016年至2018年的客流數(shù)據(jù)，保證其數(shù)據(jù)的代表性與有效性；

(3) 利用灰色GM(1,1)預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)收集到的客流數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，得到核心站點(diǎn)客流數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果；

(4) 完成預(yù)測(cè)客流與真實(shí)客流的誤差分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性及有效性。

綜上可知，基于灰色GM(1,1)模型[9-10]的地鐵站點(diǎn)客流預(yù)測(cè)流程如圖1所示。

圖1 灰色系統(tǒng)的客流預(yù)測(cè)流程

3 西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)站點(diǎn)的選擇

西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)作為貫穿西安市區(qū)南北中軸線(xiàn)的核心線(xiàn)路。全長(zhǎng)26.8公里，設(shè)21個(gè)地下車(chē)站，平均站距1.28公里。根據(jù)前期調(diào)研，其客流量的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到一個(gè)相對(duì)飽和的階段，而灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)具有計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便、所需樣本數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)[11]。文中選取了西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)區(qū)段內(nèi)的3個(gè)主要客運(yùn)站點(diǎn)作為本次客流預(yù)測(cè)的研究對(duì)象，如表1所示。

表1 西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)主要站點(diǎn)一覽表

3.1 西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)主要站點(diǎn)客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

以季度為單位收集表1中主要站點(diǎn)2016年至2018年的客流數(shù)據(jù)(萬(wàn)人次)，如表2所示。

表2 西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)主要站點(diǎn)的客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 單位：萬(wàn)人次

3.2 基于灰色GM(1,1)系統(tǒng)的主要站點(diǎn)客流預(yù)測(cè)

在3.1基礎(chǔ)上，對(duì)相應(yīng)站點(diǎn)的客流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(1) 地鐵2號(hào)線(xiàn)鐘樓站客流預(yù)測(cè)，如圖2所示。

圖2 地鐵2號(hào)線(xiàn)鐘樓站客流預(yù)測(cè)結(jié)果

(2) 地鐵2號(hào)線(xiàn)北大街站客流預(yù)測(cè)，如圖3所示。

(3) 地鐵2號(hào)線(xiàn)小寨站客流預(yù)測(cè)，如圖4所示。

由圖2—圖4可知，預(yù)測(cè)趨勢(shì)與真實(shí)值的發(fā)展趨勢(shì)基本吻合；應(yīng)用MATLAB[12-13]仿真證實(shí)誤差較少；說(shuō)明灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)適用于地鐵站點(diǎn)客流的預(yù)測(cè)，對(duì)工程技術(shù)人員具有一定指導(dǎo)作用。

圖3 地鐵2號(hào)線(xiàn)北大街站客流預(yù)測(cè)結(jié)果

圖4 地鐵2號(hào)線(xiàn)小寨站站客流預(yù)測(cè)結(jié)果

4 西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)站點(diǎn)客流預(yù)測(cè)誤差分析

在完成3.2地鐵2號(hào)線(xiàn)主要站點(diǎn)客流預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)測(cè)客流與真實(shí)客流進(jìn)行了對(duì)比與誤差分析，驗(yàn)證其系統(tǒng)的可靠性及有效性。

4.1 西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)鐘樓站的客流預(yù)測(cè)誤差分析

鐘樓站客流預(yù)測(cè)誤差分析統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 鐘樓站客流預(yù)測(cè)誤差分析統(tǒng)計(jì)表

4.2 西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)北大街站的客流預(yù)測(cè)誤差分析

北大街站客流預(yù)測(cè)誤差分析統(tǒng)計(jì)，如表4所示。

表4 北大街站客流預(yù)測(cè)誤差分析統(tǒng)計(jì)表

4.3 西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)小寨站的客流預(yù)測(cè)誤差分析

小寨站客流預(yù)測(cè)誤差分析統(tǒng)計(jì)，如表5所示。

表5 小寨站客流預(yù)測(cè)誤差分析統(tǒng)計(jì)表

由表3—表5可知，預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的發(fā)展規(guī)律相吻合；經(jīng)MATLAB系統(tǒng)仿真運(yùn)算后，小誤差概率，殘差相對(duì)較少；說(shuō)明灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)適用于地鐵站點(diǎn)客流的預(yù)測(cè)，對(duì)工程技術(shù)人員具有一定指導(dǎo)作用。

5 總結(jié)

本文以西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)為研究對(duì)象，在完成灰色GM(1,1)模型建模的基礎(chǔ)上，將已采集的客流數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB預(yù)測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，并與實(shí)際客流數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，完成了相應(yīng)的誤差分析，最終發(fā)現(xiàn)基于灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)客流與實(shí)際客流的發(fā)展規(guī)律相吻合，為工程管理人員的客運(yùn)調(diào)度與實(shí)施提供了積極的指導(dǎo)作用。