基于運行監測數據的城市公共交通供需失衡識別模型1

李 翔，楊佩云，鄒 歆，蔡潤林

中國城市規劃設計研究院

0 引 言

交通需求與交通供應是城市交通運輸系統中的一對基本矛盾[1]，城市交通供需平衡分析的內涵也隨著城市交通的發展而不斷豐富。城市交通系統結構性失衡是指某區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內部供需各個因素之間的相互作用，也分析了系統的動態變化，適用于城市多方式交通網絡下供需平衡的研究。

21世紀以來，國內的交通學者逐漸對城市交通供需平衡提出了系統性的解釋。胡紹榮[4]通過對道路交通供需平衡的內涵、層次和階段進行分析之后，提出了包含路網容量供需平衡、路網等級結構供需平衡、路網布局結構供需平衡和道路交通結構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，指出交通供給和交通需求在總量上達到平衡，在結構和功能上密切耦合是城市交通的最優化狀態。李煥等[6]也在城市道路交通供需平衡理論[2]基礎上提出城市交通動態系統，指出城市交通系統結構和功能相統一、供需因素動態相互影響下交通供需達到平衡最佳狀態。佟炳勛[2]和周晶等[3]從靜態和動態兩個方面出發，將城市交通系統供需失衡分為結構性失衡和耦合性失衡兩類。陳星光等[7]在此分類方法基礎上，提出了刻畫交通擁堵和耦合性平衡的量化指標，為進一步分析城市交通供需平衡提供了有力的工具。

目前，國內外研究者已經對城市道路交通系統的供需平衡判斷、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角度相對局限，對于各子系統均沒有完備的評價指標和多維度分析，且多從運力運量匹配度和服務水平兩個維度展開。另外，現有研究的分析維度相對宏觀，對于多方式綜合評價系統來說，既有研究僅限于城市區域層面，缺少對于細分的交通單元進行微觀層面的分析。

本研究針對以上不足，充分考慮各出行方式的評價指標、綜合評價的參考維度以及微觀層面的實際應用，實現基于多方式運行狀態實時感知信息和交通出行需求預測信息融合分析的交通供需狀態判別，利用出行本征數據集，挖掘供需失衡致因，精準甄別出行資源優化配置對象。

1 評價體系構建

基于上述分析，如圖1所示，本研究選取道路網絡、常規公交、地鐵、網約車/出租車、共享單車5個方式維度，從運能匹配度、空間耦合度、乘客服務水平3個指標層共計15個指標搭建綜合評價體系（見表1）。建立每個單元的“交通供需狀態綜合指數”，對研究單元（柵格）進行供需失衡程度進行評價；建立相應單元各個方式的“交通供需狀態綜合指數”，對相應單元各個方式失衡狀態進行評價，為后續致因挖掘研究奠定基礎。

圖1 建立指標體系考慮的層級關系

表1 選取的指標體系

2 評價方法

2.1 綜合評價指標體系搭建

本研究采用基于層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）的模糊綜合評價搭建交通供需狀態綜合評判指標體系，即采用層次分析的方法確定各層次不同層級因素的權重，進而利用模糊綜合評價的方法進行綜合評價。如圖2所示，本研究基于前文內容，建立交通系統供需狀態綜合評價的層次結構。

圖2 交通供需狀態判別研究邏輯框架

2.2 層次分析法

2.2.1 設置因素集

本研究中交通供需狀態判別系統的評價對象因素集U={U1（路網交通供需水平），U2（常規公共交通供需水平），U3（地鐵供需水平），U4（網約/出租汽車供需水平），U5（共享單車供需水平）}，5個因素子集各自的因素集分別如下：

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

U2={u21（常規公交系統運能匹配度ltP（i）），u22（常規公交系統空間耦合度δiP），u23（常規公交系統候車人數NtP（i））}；

U3={u31（地鐵系統運能匹配度ltM（i）），u32（地鐵系統空間耦合度δiM），u33（地鐵系統候車人數NtM（i））}；

2.2.2 建立判斷矩陣

本研究對5個因素子集中的指標分別建立5個判斷矩陣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指標數量，在本研究中具體取2或3。用Mathematica軟件計算判斷矩陣Si的最大特征根λimax及其對應的特征向量Ai，此特征向量即為對應評價因素各個指標的重要性排序，即為權系數的分配。

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

本研究采用客觀評價方法即采用實際研究區域的對應出行方式分擔比例計算該方式對應因素集的權重。表2為通過層次分析法構造的指標體系及其對應的指標權重結果。

表2 綜合評價指標體系及其權重

表中因素層的權重由各方式出行分擔率相對比例確定，具體相對比例的計算公式如下：

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

2.2.3 一致性檢驗

一致性指標C.I的計算方法為：

其中：λmax為最大特征根，n為矩陣階數。

繼而，計算一致性比例C.R：

其中：R.I為平均隨機一致性指標，其取值如表3所示。

表3 平均隨機一致性指標的取值

當隨機一致性比例C.R＜0.1時，一般認為判斷矩陣的一致性是可以接受的。經過計算，本研究得到的4個3階判斷矩陣的一致性比例結果分別為0.019 2，0.028 5，0.028 5，0.019 2，0.019 2，均滿足一致性檢驗要求。即本研究得到的5個判斷矩陣都滿足一致性檢驗要求，層次分析排序得到的結果和權系數的分配是合理的。

2.3 基于綜合評價指標體系的模糊綜合評價

2.3.1 對象的因素集

在進行模糊綜合評價時，要首先建立因素集、評價集等基本集合?；谇肮澋姆治?，本研究建立了因素集U={U1（路網交通供需水平），U2（常規公共交通供需水平），U3（地鐵供需水平），U4（網約及出租汽車供需水平），U5（共享單車供需水平）}。

2.3.2 確定權重集合

前節工作已經得到了各因素集以及對應指標的權重，這些權重值將組成模糊評價過程中的權重集合。根據前節內容，本評價的權重集合：

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。

同時確定因素集層面中各個因素集的權重向量：

后續綜合評價過程中，將基于因素集U及權重向量r0形成權分配矩陣，進而結合因素評判矩陣R對對象單元進行供需耦合水平評價。

2.3.3 建立評價矩陣

本研究涉及的相關定量評價指標中，基于對象區域的實際數據采用聚類分析等數理統計方法確定對應指標的隸屬度函數及分級標準。具體評價過程如表4所示。

表4 建立評價矩陣過程

2.3.4 綜合評價

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

（1）確定權重集合和模糊關系矩陣

在本研究中，各指標的相互關系利用權重集合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。

而各指標的定量評價結果（隸屬度），即上述理論計算過程中的模糊關系矩陣，通過前文矩陣R來體現：

（2）計算綜合評價矩陣

取算子M（·，⊕）進行計算綜合評價矩陣B：

（3）計算綜合供需匹配指數矩陣X

基于綜合評價矩陣B，依據因素及層面的各個因素集的權重向量即可計算每個單元的綜合供需匹配指數組成的矩陣：

其中：bji及xi分別表示“單元i對應的出行方式j的供需狀態指數”及“單元i的交通供需狀態綜合指數”，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路網、常規公共交通、地鐵、網約/出租車、共享單車。

本研究得到兩個層次的模糊綜合評價結果——評價單元i的交通供需狀態綜合指數X及評價單元i對應5類交通子系統的供需狀態指數（矩陣）Bi=（b1i，b2i，b3i，b4i，b5i）。其中元素按順序分別對應路網、常規公共交通、地鐵、網約/出租車、共享單車5類交通子系統。其中，上述指標的數值取值均介于[0，1]，數值越接近1表示對應評價對象的供需狀態越均衡；反之則表示失衡程度劇烈。

3 實驗與結果

本研究以“出行即服務、管理促服務”為理念，結合蘇州建設管理現狀，目標通過應用項目研制的城市綜合交通智慧出行服務平臺及配套設備，構建集交通運行狀態和出行需求感知、交通資源優化和出行方案推薦、出行智能誘導于一體的城市智慧出行服務技術新體系， 系統日均服務出行人數大于100萬，人均出行時間節約15%以上，出行時間可靠性提升20%以上，提升蘇州城市智慧出行服務和管理水平。

本研究使用的數據全部面向柵格，時間窗為15 min，各項運行數據應同時包括預測數據及一定周期內同條件的歷史數據。供需評價系統需求數據設計如圖3所示。

圖3 供需評價系統需求數據

圖4 24小時交通供需狀態綜合指數

圖5 出租車資源配置前供需狀態指數的時間分布

4 結論與展望

本研究采用層次分析法和模糊綜合評價法相結合搭建了多方式運行狀態交通供需綜合評價指標體系，定量分析研究單元（柵格）的供需失衡程度。本研究選取道路網絡、常規公交、地鐵、網約車/出租車、共享單車5個方式維度，從運能匹配度、空間耦合度、乘客服務水平3個指標層共計15個指標建立綜合評價體系。建立每個單元的“交通供需狀態綜合指數”，對研究單元（柵格）供需失衡程度進行評價；建立相應單元各個方式的“交通供需狀態綜合指數”，對相應單元各個方式失衡狀態進行評價，創新地對細分的交通單元進行微觀層面的分析。該評價指標體系可用于開發綜合交通資源智能協同調度系統，實現交通運行狀態精準感知，出行資源動態配置優化，多方式交通時空資源協同調度，提升出行資源及路網資源利用效率。

下一階段本研究將依托國家重點研發計劃項目，針對公共交通資源發生耦合性失衡的研究單元，啟用公共交通資源調配模塊進行優化調度，提供相應的資源優化調度方案，為調度工作提供決策參考，從而緩解交通系統供給和需求的空間耦合性失衡。