李 翔，楊佩云，鄒 歆，蔡潤林

中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

0 引 言

交通需求與交通供應(yīng)是城市交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的一對基本矛盾[1]，城市交通供需平衡分析的內(nèi)涵也隨著城市交通的發(fā)展而不斷豐富。城市交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性失衡是指某區(qū)域交通供給總量不能滿足交通需求總量；耦合性失衡則是指有限的交通資源沒有得到合理的利用，交通需求分布缺乏合理的均勻性[2-3]。該分類方法既考慮了城市交通系統(tǒng)內(nèi)部供需各個(gè)因素之間的相互作用，也分析了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，適用于城市多方式交通網(wǎng)絡(luò)下供需平衡的研究。

21世紀(jì)以來，國內(nèi)的交通學(xué)者逐漸對城市交通供需平衡提出了系統(tǒng)性的解釋。胡紹榮[4]通過對道路交通供需平衡的內(nèi)涵、層次和階段進(jìn)行分析之后，提出了包含路網(wǎng)容量供需平衡、路網(wǎng)等級結(jié)構(gòu)供需平衡、路網(wǎng)布局結(jié)構(gòu)供需平衡和道路交通結(jié)構(gòu)供需平衡的城市道路交通供需平衡理論。錢寒峰[5]在胡紹榮[4]提出的理論之上，提出基于供需的城市交通耦合系統(tǒng)，指出交通供給和交通需求在總量上達(dá)到平衡，在結(jié)構(gòu)和功能上密切耦合是城市交通的最優(yōu)化狀態(tài)。李煥等[6]也在城市道路交通供需平衡理論[2]基礎(chǔ)上提出城市交通動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，指出城市交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相統(tǒng)一、供需因素動(dòng)態(tài)相互影響下交通供需達(dá)到平衡最佳狀態(tài)。佟炳勛[2]和周晶等[3]從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面出發(fā)，將城市交通系統(tǒng)供需失衡分為結(jié)構(gòu)性失衡和耦合性失衡兩類。陳星光等[7]在此分類方法基礎(chǔ)上，提出了刻畫交通擁堵和耦合性平衡的量化指標(biāo)，為進(jìn)一步分析城市交通供需平衡提供了有力的工具。

目前，國內(nèi)外研究者已經(jīng)對城市道路交通系統(tǒng)的供需平衡判斷、各出行方式的供需匹配有一定研究[8-9]。然而，既有研究對于耦合評價(jià)角度相對局限，對于各子系統(tǒng)均沒有完備的評價(jià)指標(biāo)和多維度分析，且多從運(yùn)力運(yùn)量匹配度和服務(wù)水平兩個(gè)維度展開。另外，現(xiàn)有研究的分析維度相對宏觀，對于多方式綜合評價(jià)系統(tǒng)來說，既有研究僅限于城市區(qū)域?qū)用?，缺少對于?xì)分的交通單元進(jìn)行微觀層面的分析。

本研究針對以上不足，充分考慮各出行方式的評價(jià)指標(biāo)、綜合評價(jià)的參考維度以及微觀層面的實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于多方式運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)感知信息和交通出行需求預(yù)測信息融合分析的交通供需狀態(tài)判別，利用出行本征數(shù)據(jù)集，挖掘供需失衡致因，精準(zhǔn)甄別出行資源優(yōu)化配置對象。

1 評價(jià)體系構(gòu)建

基于上述分析，如圖1所示，本研究選取道路網(wǎng)絡(luò)、常規(guī)公交、地鐵、網(wǎng)約車/出租車、共享單車5個(gè)方式維度，從運(yùn)能匹配度、空間耦合度、乘客服務(wù)水平3個(gè)指標(biāo)層共計(jì)15個(gè)指標(biāo)搭建綜合評價(jià)體系（見表1）。建立每個(gè)單元的“交通供需狀態(tài)綜合指數(shù)”，對研究單元（柵格）進(jìn)行供需失衡程度進(jìn)行評價(jià)；建立相應(yīng)單元各個(gè)方式的“交通供需狀態(tài)綜合指數(shù)”，對相應(yīng)單元各個(gè)方式失衡狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，為后續(xù)致因挖掘研究奠定基礎(chǔ)。

圖1 建立指標(biāo)體系考慮的層級關(guān)系

表1 選取的指標(biāo)體系

2 評價(jià)方法

2.1 綜合評價(jià)指標(biāo)體系搭建

本研究采用基于層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）的模糊綜合評價(jià)搭建交通供需狀態(tài)綜合評判指標(biāo)體系，即采用層次分析的方法確定各層次不同層級因素的權(quán)重，進(jìn)而利用模糊綜合評價(jià)的方法進(jìn)行綜合評價(jià)。如圖2所示，本研究基于前文內(nèi)容，建立交通系統(tǒng)供需狀態(tài)綜合評價(jià)的層次結(jié)構(gòu)。

圖2 交通供需狀態(tài)判別研究邏輯框架

2.2 層次分析法

2.2.1 設(shè)置因素集

本研究中交通供需狀態(tài)判別系統(tǒng)的評價(jià)對象因素集U={U1（路網(wǎng)交通供需水平），U2（常規(guī)公共交通供需水平），U3（地鐵供需水平），U4（網(wǎng)約/出租汽車供需水平），U5（共享單車供需水平）}，5個(gè)因素子集各自的因素集分別如下：

U1={u11（行程時(shí)間比Snet），u12（路網(wǎng)飽和度TTIi，Δt，u13（路段平均車速Vi，Δt）}；

U2={u21（常規(guī)公交系統(tǒng)運(yùn)能匹配度ltP（i）），u22（常規(guī)公交系統(tǒng)空間耦合度δiP），u23（常規(guī)公交系統(tǒng)候車人數(shù)NtP（i））}；

U3={u31（地鐵系統(tǒng)運(yùn)能匹配度ltM（i）），u32（地鐵系統(tǒng)空間耦合度δiM），u33（地鐵系統(tǒng)候車人數(shù)NtM（i））}；

2.2.2 建立判斷矩陣

本研究對5個(gè)因素子集中的指標(biāo)分別建立5個(gè)判斷矩陣Si=（uij）p×p，其中i，j=1，2，3，4，5；p為該因素子集包含的評價(jià)指標(biāo)數(shù)量，在本研究中具體取2或3。用Mathematica軟件計(jì)算判斷矩陣Si的最大特征根λimax及其對應(yīng)的特征向量Ai，此特征向量即為對應(yīng)評價(jià)因素各個(gè)指標(biāo)的重要性排序，即為權(quán)系數(shù)的分配。

其中：λimax為最大特征根，n為矩陣階數(shù)，Si為因素集j對應(yīng)的評價(jià)矩陣，對應(yīng)的特征向量Ai=（a1，a2，…，ap）T。

本研究采用客觀評價(jià)方法即采用實(shí)際研究區(qū)域的對應(yīng)出行方式分擔(dān)比例計(jì)算該方式對應(yīng)因素集的權(quán)重。表2為通過層次分析法構(gòu)造的指標(biāo)體系及其對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重結(jié)果。

表2 綜合評價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重

表中因素層的權(quán)重由各方式出行分擔(dān)率相對比例確定，具體相對比例的計(jì)算公式如下：

式中：rk為出行方式k的分擔(dān)率相對比例，其中k包括C（小汽車出行）、P（常規(guī)公共交通出行）、M（地鐵出行）、T（網(wǎng)約/出租汽車）、B（共享單車出行）；perk為出行方式k的出行方式分擔(dān)比例，單位%。

2.2.3 一致性檢驗(yàn)

一致性指標(biāo)C.I的計(jì)算方法為：

其中：λmax為最大特征根，n為矩陣階數(shù)。

繼而，計(jì)算一致性比例C.R：

其中：R.I為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其取值如表3所示。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)的取值

當(dāng)隨機(jī)一致性比例C.R＜0.1時(shí)，一般認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的。經(jīng)過計(jì)算，本研究得到的4個(gè)3階判斷矩陣的一致性比例結(jié)果分別為0.019 2，0.028 5，0.028 5，0.019 2，0.019 2，均滿足一致性檢驗(yàn)要求。即本研究得到的5個(gè)判斷矩陣都滿足一致性檢驗(yàn)要求，層次分析排序得到的結(jié)果和權(quán)系數(shù)的分配是合理的。

2.3 基于綜合評價(jià)指標(biāo)體系的模糊綜合評價(jià)

2.3.1 對象的因素集

在進(jìn)行模糊綜合評價(jià)時(shí)，要首先建立因素集、評價(jià)集等基本集合?；谇肮?jié)的分析，本研究建立了因素集U={U1（路網(wǎng)交通供需水平），U2（常規(guī)公共交通供需水平），U3（地鐵供需水平），U4（網(wǎng)約及出租汽車供需水平），U5（共享單車供需水平）}。

2.3.2 確定權(quán)重集合

前節(jié)工作已經(jīng)得到了各因素集以及對應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重，這些權(quán)重值將組成模糊評價(jià)過程中的權(quán)重集合。根據(jù)前節(jié)內(nèi)容，本評價(jià)的權(quán)重集合：

其中：U1=（u11，u12）T，U2=（u21，u22，u23）T，U3=（u31，u32，u33）T，U4=（u41，u42，u43）T，U5=（u51，u52）T。

同時(shí)確定因素集層面中各個(gè)因素集的權(quán)重向量：

后續(xù)綜合評價(jià)過程中，將基于因素集U及權(quán)重向量r0形成權(quán)分配矩陣，進(jìn)而結(jié)合因素評判矩陣R對對象單元進(jìn)行供需耦合水平評價(jià)。

2.3.3 建立評價(jià)矩陣

本研究涉及的相關(guān)定量評價(jià)指標(biāo)中，基于對象區(qū)域的實(shí)際數(shù)據(jù)采用聚類分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定對應(yīng)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)及分級標(biāo)準(zhǔn)。具體評價(jià)過程如表4所示。

表4 建立評價(jià)矩陣過程

2.3.4 綜合評價(jià)

模糊綜合評判的原理是模糊變換，即已知原像（權(quán)分配矩陣）和映射（單因素評判矩陣）求像（綜合評判結(jié)果）的問題。

（1）確定權(quán)重集合和模糊關(guān)系矩陣

在本研究中，各指標(biāo)的相互關(guān)系利用權(quán)重集合U表示：

其中：U1=（u11，u12，u13）T，U2=（u21，u22，u23）T，U3=（u31，u32，u33）T，U4=（u41，u42，u43）T，U5=（u51，u52，u53）T。

而各指標(biāo)的定量評價(jià)結(jié)果（隸屬度），即上述理論計(jì)算過程中的模糊關(guān)系矩陣，通過前文矩陣R來體現(xiàn)：

（2）計(jì)算綜合評價(jià)矩陣

取算子M（·，⊕）進(jìn)行計(jì)算綜合評價(jià)矩陣B：

（3）計(jì)算綜合供需匹配指數(shù)矩陣X

基于綜合評價(jià)矩陣B，依據(jù)因素及層面的各個(gè)因素集的權(quán)重向量即可計(jì)算每個(gè)單元的綜合供需匹配指數(shù)組成的矩陣：

其中：bji及xi分別表示“單元i對應(yīng)的出行方式j(luò)的供需狀態(tài)指數(shù)”及“單元i的交通供需狀態(tài)綜合指數(shù)”，且滿足bji，xi∈[0，1]；1≤i≤n；j=1，2，3，4，5。五種出行方式按順序分別對應(yīng)路網(wǎng)、常規(guī)公共交通、地鐵、網(wǎng)約/出租車、共享單車。

本研究得到兩個(gè)層次的模糊綜合評價(jià)結(jié)果——評價(jià)單元i的交通供需狀態(tài)綜合指數(shù)X及評價(jià)單元i對應(yīng)5類交通子系統(tǒng)的供需狀態(tài)指數(shù)（矩陣）Bi=（b1i，b2i，b3i，b4i，b5i）。其中元素按順序分別對應(yīng)路網(wǎng)、常規(guī)公共交通、地鐵、網(wǎng)約/出租車、共享單車5類交通子系統(tǒng)。其中，上述指標(biāo)的數(shù)值取值均介于[0，1]，數(shù)值越接近1表示對應(yīng)評價(jià)對象的供需狀態(tài)越均衡；反之則表示失衡程度劇烈。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本研究以“出行即服務(wù)、管理促服務(wù)”為理念，結(jié)合蘇州建設(shè)管理現(xiàn)狀，目標(biāo)通過應(yīng)用項(xiàng)目研制的城市綜合交通智慧出行服務(wù)平臺(tái)及配套設(shè)備，構(gòu)建集交通運(yùn)行狀態(tài)和出行需求感知、交通資源優(yōu)化和出行方案推薦、出行智能誘導(dǎo)于一體的城市智慧出行服務(wù)技術(shù)新體系， 系統(tǒng)日均服務(wù)出行人數(shù)大于100萬，人均出行時(shí)間節(jié)約15%以上，出行時(shí)間可靠性提升20%以上，提升蘇州城市智慧出行服務(wù)和管理水平。

本研究使用的數(shù)據(jù)全部面向柵格，時(shí)間窗為15 min，各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)應(yīng)同時(shí)包括預(yù)測數(shù)據(jù)及一定周期內(nèi)同條件的歷史數(shù)據(jù)。供需評價(jià)系統(tǒng)需求數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 供需評價(jià)系統(tǒng)需求數(shù)據(jù)

圖4 24小時(shí)交通供需狀態(tài)綜合指數(shù)

圖5 出租車資源配置前供需狀態(tài)指數(shù)的時(shí)間分布

4 結(jié)論與展望

本研究采用層次分析法和模糊綜合評價(jià)法相結(jié)合搭建了多方式運(yùn)行狀態(tài)交通供需綜合評價(jià)指標(biāo)體系，定量分析研究單元（柵格）的供需失衡程度。本研究選取道路網(wǎng)絡(luò)、常規(guī)公交、地鐵、網(wǎng)約車/出租車、共享單車5個(gè)方式維度，從運(yùn)能匹配度、空間耦合度、乘客服務(wù)水平3個(gè)指標(biāo)層共計(jì)15個(gè)指標(biāo)建立綜合評價(jià)體系。建立每個(gè)單元的“交通供需狀態(tài)綜合指數(shù)”，對研究單元（柵格）供需失衡程度進(jìn)行評價(jià)；建立相應(yīng)單元各個(gè)方式的“交通供需狀態(tài)綜合指數(shù)”，對相應(yīng)單元各個(gè)方式失衡狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，創(chuàng)新地對細(xì)分的交通單元進(jìn)行微觀層面的分析。該評價(jià)指標(biāo)體系可用于開發(fā)綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)行狀態(tài)精準(zhǔn)感知，出行資源動(dòng)態(tài)配置優(yōu)化，多方式交通時(shí)空資源協(xié)同調(diào)度，提升出行資源及路網(wǎng)資源利用效率。

下一階段本研究將依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，針對公共交通資源發(fā)生耦合性失衡的研究單元，啟用公共交通資源調(diào)配模塊進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，提供相應(yīng)的資源優(yōu)化調(diào)度方案，為調(diào)度工作提供決策參考，從而緩解交通系統(tǒng)供給和需求的空間耦合性失衡。