楊 林，宋國壯

(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)測是進行交通狀況評價、綜合分析建設(shè)項目必要性和可行性的前提和基礎(chǔ)，是決定公路項目效益的核心內(nèi)容之一，也是可行性研究的關(guān)鍵部分。交通量預(yù)測結(jié)果是決定公路技術(shù)等級、建設(shè)規(guī)模以及進行國民經(jīng)濟評價的基本依據(jù)。本文以美國Caliper公司開發(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建公路以及現(xiàn)有資料收集情況，對目前在國內(nèi)外應(yīng)用較廣、較為成熟的“四階段”交通量預(yù)測方法和步驟進行論述。根據(jù)軟件運行過程及結(jié)果找出影響交通量預(yù)測的幾個因素，并對影響因素進行敏感性分析，總結(jié)因素對預(yù)測的影響程度?？蔀榻窈箢愃祈椖亢凸ぷ魈峁﹨⒖冀梃b。

1 “四階段”交通量預(yù)測基本步驟

預(yù)測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經(jīng)濟的關(guān)系，四步模式為社會經(jīng)濟發(fā)展預(yù)測、交通發(fā)生和吸引預(yù)測、交通分布預(yù)測、交通分配四個階段。主要步驟為：

(1)對項目影響區(qū)社會經(jīng)濟和交通運輸狀況及未來交通發(fā)展趨勢進行研究分析，預(yù)測項目影響區(qū)未來經(jīng)濟發(fā)展水平。

(2)綜合考慮我國交通運輸與社會經(jīng)濟發(fā)展的一般規(guī)律等因素，確定交通量增長率。

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

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

2 基于TransCAD的交通量預(yù)測過程

以黑龍江省省道建興至碾子山公路明水至林甸段改擴建公路工程為應(yīng)用示例，進行TransCAD預(yù)測過程。

2.1 預(yù)測交通量構(gòu)成

項目遠景交通量主要由三部分構(gòu)成：①通道內(nèi)自然增長的趨勢交通量在擬建項目及項目影響區(qū)上的分流；②項目建成后，將對項目影響區(qū)域和服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟生產(chǎn)產(chǎn)生帶動作用，刺激經(jīng)濟產(chǎn)生新的增長，從而產(chǎn)生誘增交通量；③項目建成后，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)間運行時間，使新建項目在路網(wǎng)中占有優(yōu)勢地位，從而產(chǎn)生從其他運輸方式轉(zhuǎn)移來的交通量。

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

2.2 未來經(jīng)濟社會發(fā)展趨勢預(yù)測

未來經(jīng)濟社會發(fā)展趨勢預(yù)測包括區(qū)域人口和區(qū)域經(jīng)濟預(yù)測，通過查閱黑龍江省經(jīng)濟和人口統(tǒng)計年鑒，可得到明水縣和林甸縣2000年～2010年的經(jīng)濟、人口樣本量。采用時間序列法對樣本值進行回歸分析，得到項目所在區(qū)經(jīng)濟、人口的回歸模型和相關(guān)系數(shù)，進而對項目影響區(qū)經(jīng)濟發(fā)展速度進行預(yù)測。項目所在區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展時間序列模型見表1。

表1 項目直接影響區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展時間序列模型

2.3 交通小區(qū)發(fā)生、吸引總量的預(yù)測

2.3.1 交通小區(qū)的劃分

根據(jù)擬建項目的地理位置及項目影響區(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，以項目影響區(qū)內(nèi)現(xiàn)有行政區(qū)劃為基礎(chǔ)，共劃分8個交通小區(qū)，其中1區(qū)和2區(qū)為項目直接影響區(qū)，如圖1所示。

2.3.2 道路網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建

通過現(xiàn)場的交通調(diào)查以及統(tǒng)計結(jié)果，建立路網(wǎng)，如圖2所示。

圖1 項目影響區(qū)交通小區(qū)劃分

根據(jù)TransCAD的功能，為每個路段創(chuàng)建兩個方向(AB方向和BA方向)，針對不同的道路等級設(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(Name)、道路設(shè)計車速(Speed)、道路起終點標(biāo)號(Node)、道路車流量(Count)、道路設(shè)計通行能力(Capacity)、道路車流行駛時間(Time)等。創(chuàng)建好的路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫主要屬性數(shù)據(jù)見表2[3]。其中道路設(shè)計車速、設(shè)計通行能力可通過查閱《公路設(shè)計規(guī)范手冊》得到。

圖2 項目影響區(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，整個反推過程為：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→選取節(jié)點→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矩陣的反推過程中以及得到OD矩陣后應(yīng)注意以下事項：

表3 2010年(基年)OD矩陣表 pcu/d

(1)運行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 交通增長率的確定

根據(jù)項目服務(wù)區(qū)及影響去經(jīng)濟發(fā)展速度預(yù)測結(jié)果和交通運輸彈性系數(shù)，利用彈性系數(shù)法對交通增長率進行計算：

R=A·E。

(1)

式中：R為交通量增長率(%)；A為經(jīng)濟增長率(%)；E為彈性系數(shù)。

運輸彈性系數(shù)的發(fā)展規(guī)律一般是：在經(jīng)濟發(fā)展初期或快速發(fā)展時期，交通運輸量快速增長，其增長速度一般高于經(jīng)濟增長速度，運輸彈性系數(shù)大于1；當(dāng)經(jīng)濟水平達到一定程度后，交通運輸?shù)脑鲩L速度減緩，與經(jīng)濟幾乎同步增長，運輸彈性系數(shù)接近于1；之后，交通運輸增長速度低于經(jīng)濟增長速度，運輸彈性系數(shù)小于1。

計算得到項目影響區(qū)域交通增長率情況見表4。

表4 項目影響區(qū)域交通平均增長率情況 %

2.3.5 未來出行產(chǎn)生、吸引總量預(yù)測

對于未來小區(qū)的出行產(chǎn)生和出行吸引總量的預(yù)測采用增長系數(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)上乘以交通增長率。預(yù)測結(jié)果見表5。

表5 未來各特征年出行產(chǎn)生和吸引預(yù)測 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)測分布交通量，其計算公式為：

Tij=a·Oi·Dj·f(cij)。

(2)

式中：Tij為未來年i區(qū)與j區(qū)之間的分布預(yù)測量；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)間時間阻抗矩陣見表6。

表6 小區(qū)間阻抗矩陣

經(jīng)計算，得到a=0.0121。將未來出行、產(chǎn)生矩陣和小區(qū)間阻抗矩陣運用TransCAD功能中的重力模型進行輸出，得到各小區(qū)發(fā)生、吸引總量在區(qū)域間的分布。項目服務(wù)區(qū)及影響區(qū)遠期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用戶平衡法。隨機用戶平衡法法的原理是：假設(shè)兩點之間有很多條道路而這兩點間的交通量又很小，這些交通量顯然會沿最短路徑走。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間會因擁堵而變長，這時，該路徑已不是最短路徑了。因此，有一部分使用者會選擇新的最短路徑。隨著兩點之間的交通量的繼續(xù)增加，兩點之間的道路有可能被利用，直到兩點之間被利用的各條道路的行駛時間都相等，最后達到平衡狀態(tài)。本文使用的路網(wǎng)文件中包含了里程、收費、交通環(huán)境等數(shù)據(jù)，以反映各方面因素對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。

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

圖3 遠景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)測影響因素分析

3.1 影響因素分析

對于交通量預(yù)測，從前期交通調(diào)查到預(yù)測階段都需要龐大的工作量，需要花費大量的人力、物力，而且成本較高。因此，本文針對TransCAD交通量預(yù)測過程進行分析，找出對交通量預(yù)測影響程度較大的因素，即敏感性因素。下面對預(yù)測工作的過程進行拆分，逐一分析。

(1)OD矩陣反推階段。在OD矩陣反推過程中，需要創(chuàng)建初始OD矩陣和路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫兩個準(zhǔn)備工作。在創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫時，道路通行能力和道路設(shè)計車速均可由《道路設(shè)計規(guī)范手冊》得到；而路段車流量則需要由實測得到。為了了解路段車流量對預(yù)測工作的影響程度，文本將其視為影響因素。

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

(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)主要由路段車流行駛時間決定，而路段車流行駛時間可由道路里程與道路設(shè)計車速相除計算得到；將各路段車流行駛時間與小區(qū)質(zhì)心相連接，得到各小區(qū)間的基年OD阻抗矩陣，將阻抗矩陣運用重力模型進行計算，可得到模型參數(shù)。上述工作均可由運行TransCAD實現(xiàn)。

(4)交通量分配。TransCAD是目前國際上較為先進、應(yīng)用較廣的交通規(guī)劃軟件，此階段可由運行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)項目的主要影響因素發(fā)生變化時，項目評價指標(biāo)發(fā)生變化的程度。通過敏感性分析，可以找出影響項目的敏感因素，并且確定這些因素的變化對評價指標(biāo)的影響程度。如果某因素在很大的范圍內(nèi)變化，引起評價指標(biāo)的變化并不大，則稱此因素為非敏感性因素；如果一個因素在很小的范圍內(nèi)變化而引起評價指標(biāo)很大的變化，則稱其為敏感性因素[6]。

通過上述分析，找出了影響交通量預(yù)測的主要因素，分別為：擬建道路實測車流量、GDP預(yù)測增長率和人口預(yù)測增長率。由于項目遠景年路網(wǎng)已趨于穩(wěn)定，用戶在路網(wǎng)上的選擇也基本達到平衡狀態(tài)，因此本文將遠景年2032年擬建道路分配交通量作為評價指標(biāo)，在其他兩個因素不變的情況下，將各影響因素按照-20%、-10%、+10%和+20%的幅度進行變化，進行如下工作：

(1)路段實測車流量直接影響基年OD矩陣反推。將創(chuàng)建好的路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中擬建道路實測車流量按照-20%、-10%、+10%和+20%的幅度進行變化，其他屬性數(shù)據(jù)不變，按照上述預(yù)測過程分別進行操作，得到變化后遠景年擬建道路被分配的交通量，見表6。

(2)GDP增長率和人口增長率主要影響未來出行產(chǎn)生、吸引總量預(yù)測。針對這兩個因素在TransCAD創(chuàng)建未來出行產(chǎn)生、吸引總量數(shù)據(jù)表，如圖5所示。將計算出的未來GDP增長率(GDP_FUR)、未來人口增長率(POP_FUR)按照-20%、-10%、+10%和+20%的幅度進行變化，分別采用重力模型法預(yù)測出未來出行產(chǎn)生、吸引總量。進行接下來的小區(qū)發(fā)生、吸引總量在區(qū)域間的分布和交通量分配工作，得到變化后遠景年擬建道路被分配的交通量[7]，見表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)各影響因素對評價指標(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，如圖5所示。

圖5 影響因素變化與交通分配量變量系圖

通過圖5可以看出，人口預(yù)測增長率對分配量結(jié)果的影響較小，而擬建道路實測車流量、GDP預(yù)測增長率這兩個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)測增長率的影響程度要遠大于擬建道路實測車流量。因此，擬建道路實測車流量、GDP預(yù)測增長率為影響擬建道路交通分配量的敏感性因素，GDP預(yù)測增長率為最敏感因素。在進行交通量預(yù)測工作中，應(yīng)重視道路實測車流量工作并提高GDP增長率預(yù)測的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

利用Trans軟件進行高等級公路和改擴建公路可行性研究方面的交通量預(yù)測具有很大的實用價值，其OD反推功能強大，可以在一定程度上減少復(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，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)易于獲取，預(yù)測精度較高，且便于修改。另外，擬建道路車流量調(diào)查和GDP增長率預(yù)測在整個交通量預(yù)測工作中極為關(guān)鍵，決定著預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)加以重視。

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