西成通道旅客快速客运交通方式选择分析

孙晓斐 吕红霞 李晟东

（1西南交通大学交通运输与物流学院，四川 成都 610031；2全国铁路列车运行图编制研发培训中心，四川 成都 610031；3综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室，四川 成都610031）

0 引言

西成高铁是联结西部地区两大重要经济腹地——西安和成都的重要交通通道，西成高铁开通运营将西安到成都的陆上时空距离缩短到3.5 h，极大地加强了关中—天水经济区与成渝经济区的交流合作。现在西成通道内出现高速铁路、高速公路、航空三种快速客运交通方式激烈竞争的局面，研究不同属性的旅客对不同交通方式的选择机理对客运产品开发具有重要的指导意义。

目前，国内外学者对于旅客出行方式选择的研究已经取得一定成果。Algers等使用SP和RP调查数据并结合Logit模型对民航旅客的选择行为进行分析，获得了较为合理的分析结果[1]；张迦南等通过建立综合运输通道内旅客选择行为的Logit模型，分析京沪通道内出发时间和出行距离对旅客选择行为的影响[2]；王爽等基于SP调查数据建立二项Logit模型，研究了长距离旅客对高速铁路的选择行为[3]；贾洪飞等应用非集计模型理论与北京居民出行调查数据，建立公交车和小汽车出行选择的二肢Logit模型，分析不同收费价格下两种交通方式的分担率[4]；叶玲玉等分析沪杭运输通道内客流的构成和旅客选择行为的特征，采用多项Logit模型建立了旅客选择行为模型，研究不同月收入旅客群体的出行效用函数[5]；陈团生等通过构造旅客出发时刻和运输方式选择行为的双层巢式逻辑决策模型，分析旅客的个人因素属性、运输方式属性对出行选择行为的影响[6]；向红艳等对居民城际出行两阶段出行方式选择行为建立巢式Logit模型，根据BP调查数据对所建模型进行标定与检验[7]。

上述研究为旅客出行方式选择行为研究奠定了理论基础，但是以上研究仅局限在利用Logit模型分析不同属性的个体在不同出行方式上的选择概率，缺乏旅客对不同交通方式选择内在机理的研究。本文采用 RP（Revealed Preference）调查与SP（Stated Preference）调查相结合的方法，对西成通道内旅客出行行为进行调查，通过建立MNL模型，对模型中参数进行标定，分析出行时间、出行经济成本、舒适性等因素对西成通道内旅客快速客运交通方式选择的影响。

1 旅客快速交通方式选择模型

本文旨在研究西成通道内旅客快速交通方式选择模型，由于高速铁路、高速公路、航空三种快速交通方式相对独立，故采用MNL模型，无需考虑IIA特性（即非相关选择方案相互独立性）。

1.1 MNL模型构建思路

非集计模型以明确的行为假说为基础，逻辑性强，可以用较少的样本标定出模型的系数，并可对所求得的参数用统计学方法进行检验，因而被广泛运用于交通规划领域[8]。本文采用非集计模型中的MNL模型，其以计量经济学的随机效用理论为基础，假定旅客出行时总是根据效用最大化原则选择效用最大的交通方式。

式中：Ui,n为旅客n选择第i种交通方式时产生的效用值；Vi,n为旅客n选择第i种交通方式产生效用的系统项；εi,n为旅客n选择第i种交通方式产生效用的概率项。

系统项是效用变量的函数，效用误差用于描述研究者无法观察到的因素对方案效用的影响。系统项通常表示为：

式中：Xi,n,l为旅客n选择交通方式i时的第l个效用变量；L为第i种交通方式的变量个数；θl为第l个变量的待定系数。

假设效用的概率项 εn=｛ε1,ε2,L,εn｝，服从相互独立的Gumbel分布时，可以推出旅客选择各交通方式的概率：

1.2 旅客出行影响因素量化分析

1.2.1 经济性

各种交通方式的经济性指标是旅客选择交通工具的重要影响因素。衡量交通方式经济性因素的最直观指标即各类交通方式的票价，其由不同运输方式的单位运价率与运输距离决定。不同收入水平的旅客由于不同的出行目的，在选择各类交通方式时对于经济性的重视程度不同。高收入群体更注重出行过程中的舒适程度，而对出行交通方式的经济性并不重视。对于低收入群体而言，由于支付水平有限，选择时更重视各类交通方式的票价。

式中：Ri为第i种交通方式的单位票价率；Li为运输距离；Pi为旅客选择第i种交通方式的票价。

1.2.2 快速性

各种交通方式的快速性可以借助旅客采用不同交通方式出行所用的旅行时间来衡量。不同的交通方式具有不同的旅行速度，在不同运输距离范围内，各交通方式旅行时间差异程度不同。在短距离内，高速公路与高速铁路旅行时间的差异性并不显著，两者的竞争较激烈。在中长距离范围内，高速公路并不具有速度优势，主要是高速铁路与航空之间的竞争。当距离超过一定范围时，航空具有绝对的速度优势，在客运市场上占据主导地位[9]。

式中：为旅客选择出行方式i时从出发地到车站或机场的时间；为旅客选择出行方式i时从车站或机场到目的地的时间；Vi为第i种交通方式的旅行速度。

本文借鉴文献[10]，将不同交通方式的和设定如表1所示。

表1 不同交通方式的和Tis-o

表1 不同交通方式的和Tis-o

交通方式高速铁路高速公路T i民航o-s/h 0.6 0.2 T i s-o/h 1.5 0.6 0.2 1.5

1.2.3 安全性

现代各类交通方式均具有较高的安全性能，由于各种交通方式的技术特征和运营条件不同，各种交通方式的安全程度也不同。旅客选择时会对出行全过程各个环节的安全性进行考虑。人们对安全性的直观认识是某种交通方式的单位旅客周转量的旅客伤亡人数越少或事故频率越小，旅客安全运输率越大，则其安全性越有保障。这是现有研究之所以倾向于用各种事故或安全方面的统计结果指标来衡量各种交通方式安全程度的依据所在。本文以安全可信度Si来衡量安全性因素，安全可信度与伤亡事故率成反比例变化，当安全事故率为0时，安全可信度为1；当伤亡事故率超过一定的限度时，安全可信度为0。根据历年的安全统计资料，高速铁路取值均为0.99，高速公路的安全可信度取值为0.80，民航取值为0.97。

1.2.4 舒适性

随着社会的发展，人们的出行需求日益增长，对于各种交通方式的舒适性要求也在不断提高。影响旅客出行舒适程度的因素很多，包括车内人均面积、运行平稳程度以及运输服务质量等。本文借鉴已有文献，采用旅客恢复疲劳所需时间来量化舒适性，旅客疲劳恢复时间越短，则舒适性越好。一般情况下，旅客恢复疲劳时间不会无限延长，因此可以设定恢复疲劳的极限时间为Tmax，恢复疲劳的时间与出行时间呈曲线关系。借鉴文献[10]，将旅客出行选择某一交通方式的疲劳恢复时间表示为：

式中：t为旅客乘车出行时间；Tmax为疲劳恢复所需的最长时间，一般取15 h；δi为疲劳恢复系数；ρi为单位出行时间的疲劳恢复时间强度系数，h-1。ρ＞0，其值越大表示疲劳恢复时间越长。根据文献[11]，如果Tmax取 15 h，则参数 δi、ρi的取值如表 2 所示。

表2 旅客疲劳恢复时间计算中参数δi、ρi的取值

1.2.5 方便性

方便性指是旅客选择某一种交通方式出行过程中所经历的各个环节的方便程度，是旅客选择交通方式的重要考虑因素之一。本文借助旅客在不同地区间出行时采用某一种交通方式的平均进站时间、平均购票时间、平均候车时间以及平均出站时间来描述方便性因素Ci。

式中：为地区间运输方式的平均进站时间；为平均购票时间；为平均候车时间；为平均出站时间。

1.2.6 准时性

旅客在出行交通方式选择时会考虑交通方式的准时性，因为晚点会给旅客出行带来不便，影响出行计划。不同交通方式其准时性存在较大的差异，本文用出行方式平均延误时间来量化表示不同交通方式的准时性。

式中:E（）为第i种交通方式的平均延误时间，根据经验可知，高速铁路取0.1 h，高速公路取0.4 h，民航取0.5 h。

1.3 广义费用函数

旅客对交通方式的效用评价体现为对安全性、经济性、快速性、舒适性、准时性和方便性等服务属性的考虑，为了统一模型变量，本文通过引入旅客时间价值将出行时间转化为费用，与出行费用一起构成广义费用，并将其用于效用函数。

本文采用的时间价值计算方法如下所示：

式中：φ为旅客时间价值；GDP为地区国民生产总值；t为人年均工作小时数；P为地区人口数。

因此，不同出行方式的广义费用为：

式中：fi为第i种交通方式的广义费用；θ1、θ2、θ3、θ4、θ5为经济性、快速性、方便性、舒适性、准时性的权重系数。

1.4 参数标定及分析

根据西成通道旅客562份调查样本数据，采用极大似然估计法，对模型参数进行标定，得θ1、θ2、θ3、θ4、θ5的值。

构造极大似然函数：

将L*取对数，可得对数似然函数为：

根据Logit模型，可得旅客选择不同出行方式i的概率Pi为：

2 模型应用

通常旅客调查方法有RP（Revealed Preference）与SP（Stated Preference）两种。由于西成高铁刚开通不久，客流尚未稳定，既有RP数据无法真实反映未来线路客运需求情况，故本文采用RP调查与SP调查相结合的方法，实地调查和网络调查相结合，于2017年12月26—29日对西成通道内旅客进行了客流调查。本次调查共计发放调查问卷600份，其中300份为网络问卷，300份为纸质问卷；回收问卷582份，其中有效问卷562份，有效率为93.67%。西成通道客流调查数据如图1所示。

图1 西成通道客流调查数据

调查数据显示，西成通道内出行旅客以18～45岁之间的中青年为主，所占百分比达85%，收入水平多为中、高收入，出行旅客中男性较多，出行旅客多以出差、旅游为出行目的，分别占46%和36%。

2.1 西成通道旅客时间价值

西成通道连接西安和成都两个西部重要城市，本文采用两城市旅客时间价值的平均值作为旅客出行时间价值。据2018年1月18日国家统计局公布，2017年成都GDP为13 890亿元，人口数为1 592万；2017年西安GDP为7 206亿元，人口数为945万。2017年双休日有105天，法定节假日有11天，工作日有249天。根据公式计算得旅客时间价值=41.04元/h。

2.2 影响因素属性值

2.2.1 经济性

西成通道高速铁路单公里基准价是0.4元/人·km，高速公路的运价率为0.34元/人·km，我国民航运输的平均运价率为0.75元/人·km，高速铁路、高速公路和民航的行驶距离分别为658 km、712 km和680 km。根据公式（4）可知，西成通道内不同交通方式经济性取值如表3所示。

表3 西成通道内不同交通方式经济性取值

2.2.2 快速性

西成高铁线路上高速列车的运行速度为250 km/h，高速公路的平均运行速度为100 km/h，飞机的平均运行速度为600 km/h。根据公式（5）可知，西成通道内不同交通方式快速性取值如表4所示。

表4 西成通道内不同交通方式快速性取值

2.2.3 舒适性

西安至成都旅客选择高速铁路平均乘车时间为2.6 h，高速公路旅客平均乘车时间为7.12 h，选择飞机旅客平均乘车时间为1.13 h。根据公式（6）可知，西成通道内不同交通方式舒适性取值如表5所示。

表5 西成通道内不同交通方式舒适性取值

2.2.4 方便性

西成通道高速铁路平均进站时间取30 min，平均购票时间取15 min，平均候车时间取30 min，平均出站时间取20 min；本文仅考虑通道内高速公路中的大巴车这一交通方式，其平均进站时间取20 min，平均购票时间取15 min，平均候车时间取10 min，平均出站时间取10 min；民航的平均进站时间取1.5 h，平均购票时间取15 min，平均候车时间取30 min，平均出站时间取20 min。根据公式（7）可知，西成通道内不同交通方式方便性取值如表6所示。

表6 西成通道内不同交通方式方便性取值

2.2.5 安全性

西成高速铁路的安全性取值为0.99，高速公路取值为0.80，民航取值为0.97。

2.2.6 准时性

西成高速铁路的准时性取值为0.1 h，高速公路的准时性取值为0.4 h，民航的准时性取值为0.5 h。

2.3 参数标定与分析

运用Matlab软件求解使得对数似然函数达最大值时的最优参数值，即为西成通道旅客对于经济性、时效性、方便性、舒适性、准时性的权重系数，计算结果如表7所示。

表7 各影响因素权重系数

权重系数反映出各因素对旅客出行交通方式选择的影响程度，根据表7中的数据可知，西成通道内时效性和经济性对于旅客选择交通方式起到决定性的作用。

本文采用命中率法及McFadden系数法对模型进行验证，命中率是指用所建立的模型的计算结果与实际旅客出行交通方式选择结果的吻合程度，其计算步骤参考文献[4]。通过计算，所建立的MNL模型检验结果如表8所示。

表8 MNL模型的检验结果

由表8可知，模型的McFadden系数超过0.2，而且总命中率与各交通方式命中率均在80%以上，因此，可以认为本文所建的MNL模型是有效的。

综上，将上述各变量取值代入公式（13）可得西成通道内不同快速交通方式的客运分担率如表9所示。

表9 西成通道内不同交通方式的客运分担率

2.4 灵敏度分析

灵敏度分析是研究与分析一个模型的状态或输出变化对模型参数的敏感程度的方法，通过灵敏度分析可以决定哪些参数对模型有较大的影响。根据参数统计结果可知，出行费用、出行距离以及运行时间是影响高速铁路、高速公路以及航空竞争的显著性因素，研究结果比较符合旅客出行行为。本文主要分析经济性及快速性对西成通道旅客快速客运交通方式选择的影响，其弹性值如表10所示。

表10 三种交通方式选择概率的弹性值

2.4.1 出行费用对出行方式选择的影响

根据调查样本的统计数据，西成通道内旅客选择高速铁路的平均出行费用为263元，单位公里基准价是0.4元/人·km；旅客选择高速公路的平均出行费用为242元，单位公里基准价是为0.34元/人·km；旅客选择民航的平均出行费用为510元，我国民航运输的平均运价率为0.75元/人·km。单位里程运价民航高于高速铁路和高速公路，高速铁路略高于高速公路。根据表7参数估计结果可知，西成通道内旅客对于经济性 （出行费用）的估计系数为0.268 8，大于0，这说明出行费用是旅客选择交通方式时较看重的影响因素，且消费水平越高的旅客选择飞机出行的概率越大。

根据表10中弹性值计算结果，可知旅客选择高速铁路出行的概率相对于出行费用弹性值为-2.28，弹性值为负值但绝对值大于1，说明出行费用对于旅客选择高速铁路出行富有弹性，出行费用每增加1%，旅客选择高速铁路出行的概率降低2.28%。同理，选择高速公路出行的概率相对于出行费用弹性值为-2.32，弹性值为负且绝对值大于1，说明出行费用对于旅客选择高速公路出行富有弹性，出行费用每增加1%，旅客选择高速公路出行的概率降低2.32%。旅客选择民航出行的概率相对于出行费用弹性值为1.06，绝对值大于1，说明出行费用对于旅客选择民航出行富有弹性，出行费用每增加1%，选择民航出行的概率将增加1.06%。

2.4.2 旅行速度对出行方式选择的影响

根据调查样本的统计数据，西成通道内旅客对于快速性（取决于出行距离与旅行速度）的估计系数为0.375，大于其他影响因素的估计系数，这说明快速性是西成通道内旅客选择出行方式时最看重的影响因素，在其他影响因素相差不大的情况下，速度越快的交通方式被旅客选择的概率越高。

根据表10中弹性值计算结果，可知旅客选择高速铁路出行的概率相对于旅行速度的弹性值为1.68，绝对值大于1，说明快速性对于旅客选择高速铁路出行富有弹性，高速铁路的快速性每增加1%，旅客选择高速铁路的概率将增加1.68%；旅客选择高速公路出行的概率对于旅行速度的弹性值为1.54，绝对值大于1，说明快速性对于旅客选择高速公路出行也富有弹性，高速公路的快速性每增加1%，旅客选择高速公路的概率将增加1.54%；旅客选择民航出行的概率相对于旅行速度的弹性值为-0.79，绝对值小于1，说明快速性对于旅客选择民航出行缺乏弹性。

3 研究结论

本文以西成通道内出行旅客为研究对象，结合实际调查数据，运用非集计理论建立旅客出行快速交通方式选择MNL模型，并对模型的参数标定、旅客出行交通方式选择行为进行定性和定量分析。主要结论如下：

1）非集计模型能够比较全面地反映出旅客出行快速交通方式选择的影响因素，本文从旅客主体属性、旅客出行属性和交通方式的属性3个方面分析西成通道旅客出行特征。从旅客主体属性角度：性别对旅客选择不同交通方式无明显影响，年龄对旅客选择出行交通方式存在影响，中青年旅客更偏好选择航空出行，而老年旅客则偏爱高速铁路出行。从出行属性角度：旅游、探亲旅客偏爱选择高速铁路，而公务出差旅客偏爱选择航空。从交通方式的属性角度：选择高速铁路出行的旅客偏爱舒适性、方便性和准时性，选择高速公路出行的旅客偏爱方便性；选择航空出行的旅客偏爱快速性、舒适性。根据西安至成都的广义费用函数的参数标定可知，西成通道内旅客在选择出行交通方式时，最为关心的是舒适性、快速性，其次是经济性。

2）采用MNL模型构建了西成通道旅客出行快速交通方式选择模型，从安全性、经济性、时效性、舒适性、准时性和方便性6个方面构建效用函数，得出西成通道内高速铁路、高速公路和航空的客运分担率分别为：64%、12%和24%。可见，西成高铁的开通运营对高速公路和航空的客运市场冲击是非常巨大的，使得大部分客流由高速公路和航空转移到了高速铁路。