基于运行监测数据的城市公共交通供需失衡识别模型1

李 翔，杨佩云，邹 歆，蔡润林

中国城市规划设计研究院

0 引 言

交通需求与交通供应是城市交通运输系统中的一对基本矛盾[1]，城市交通供需平衡分析的内涵也随着城市交通的发展而不断丰富。城市交通系统结构性失衡是指某区域交通供给总量不能满足交通需求总量；耦合性失衡则是指有限的交通资源没有得到合理的利用，交通需求分布缺乏合理的均匀性[2-3]。该分类方法既考虑了城市交通系统内部供需各个因素之间的相互作用，也分析了系统的动态变化，适用于城市多方式交通网络下供需平衡的研究。

21世纪以来，国内的交通学者逐渐对城市交通供需平衡提出了系统性的解释。胡绍荣[4]通过对道路交通供需平衡的内涵、层次和阶段进行分析之后，提出了包含路网容量供需平衡、路网等级结构供需平衡、路网布局结构供需平衡和道路交通结构供需平衡的城市道路交通供需平衡理论。钱寒峰[5]在胡绍荣[4]提出的理论之上，提出基于供需的城市交通耦合系统，指出交通供给和交通需求在总量上达到平衡，在结构和功能上密切耦合是城市交通的最优化状态。李焕等[6]也在城市道路交通供需平衡理论[2]基础上提出城市交通动态系统，指出城市交通系统结构和功能相统一、供需因素动态相互影响下交通供需达到平衡最佳状态。佟炳勋[2]和周晶等[3]从静态和动态两个方面出发，将城市交通系统供需失衡分为结构性失衡和耦合性失衡两类。陈星光等[7]在此分类方法基础上，提出了刻画交通拥堵和耦合性平衡的量化指标，为进一步分析城市交通供需平衡提供了有力的工具。

目前，国内外研究者已经对城市道路交通系统的供需平衡判断、各出行方式的供需匹配有一定研究[8-9]。然而，既有研究对于耦合评价角度相对局限，对于各子系统均没有完备的评价指标和多维度分析，且多从运力运量匹配度和服务水平两个维度展开。另外，现有研究的分析维度相对宏观，对于多方式综合评价系统来说，既有研究仅限于城市区域层面，缺少对于细分的交通单元进行微观层面的分析。

本研究针对以上不足，充分考虑各出行方式的评价指标、综合评价的参考维度以及微观层面的实际应用，实现基于多方式运行状态实时感知信息和交通出行需求预测信息融合分析的交通供需状态判别，利用出行本征数据集，挖掘供需失衡致因，精准甄别出行资源优化配置对象。

1 评价体系构建

基于上述分析，如图1所示，本研究选取道路网络、常规公交、地铁、网约车/出租车、共享单车5个方式维度，从运能匹配度、空间耦合度、乘客服务水平3个指标层共计15个指标搭建综合评价体系（见表1）。建立每个单元的“交通供需状态综合指数”，对研究单元（栅格）进行供需失衡程度进行评价；建立相应单元各个方式的“交通供需状态综合指数”，对相应单元各个方式失衡状态进行评价，为后续致因挖掘研究奠定基础。

图1 建立指标体系考虑的层级关系

表1 选取的指标体系

2 评价方法

2.1 综合评价指标体系搭建

本研究采用基于层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）的模糊综合评价搭建交通供需状态综合评判指标体系，即采用层次分析的方法确定各层次不同层级因素的权重，进而利用模糊综合评价的方法进行综合评价。如图2所示，本研究基于前文内容，建立交通系统供需状态综合评价的层次结构。

图2 交通供需状态判别研究逻辑框架

2.2 层次分析法

2.2.1 设置因素集

本研究中交通供需状态判别系统的评价对象因素集U={U1（路网交通供需水平），U2（常规公共交通供需水平），U3（地铁供需水平），U4（网约/出租汽车供需水平），U5（共享单车供需水平）}，5个因素子集各自的因素集分别如下：

U1={u11（行程时间比Snet），u12（路网饱和度TTIi，Δt，u13（路段平均车速Vi，Δt）}；

U2={u21（常规公交系统运能匹配度ltP（i）），u22（常规公交系统空间耦合度δiP），u23（常规公交系统候车人数NtP（i））}；

U3={u31（地铁系统运能匹配度ltM（i）），u32（地铁系统空间耦合度δiM），u33（地铁系统候车人数NtM（i））}；

2.2.2 建立判断矩阵

本研究对5个因素子集中的指标分别建立5个判断矩阵Si=（uij）p×p，其中i，j=1，2，3，4，5；p为该因素子集包含的评价指标数量，在本研究中具体取2或3。用Mathematica软件计算判断矩阵Si的最大特征根λimax及其对应的特征向量Ai，此特征向量即为对应评价因素各个指标的重要性排序，即为权系数的分配。

其中：λimax为最大特征根，n为矩阵阶数，Si为因素集j对应的评价矩阵，对应的特征向量Ai=（a1，a2，…，ap）T。

本研究采用客观评价方法即采用实际研究区域的对应出行方式分担比例计算该方式对应因素集的权重。表2为通过层次分析法构造的指标体系及其对应的指标权重结果。

表2 综合评价指标体系及其权重

表中因素层的权重由各方式出行分担率相对比例确定，具体相对比例的计算公式如下：

式中：rk为出行方式k的分担率相对比例，其中k包括C（小汽车出行）、P（常规公共交通出行）、M（地铁出行）、T（网约/出租汽车）、B（共享单车出行）；perk为出行方式k的出行方式分担比例，单位%。

2.2.3 一致性检验

一致性指标C.I的计算方法为：

其中：λmax为最大特征根，n为矩阵阶数。

继而，计算一致性比例C.R：

其中：R.I为平均随机一致性指标，其取值如表3所示。

表3 平均随机一致性指标的取值

当随机一致性比例C.R＜0.1时，一般认为判断矩阵的一致性是可以接受的。经过计算，本研究得到的4个3阶判断矩阵的一致性比例结果分别为0.019 2，0.028 5，0.028 5，0.019 2，0.019 2，均满足一致性检验要求。即本研究得到的5个判断矩阵都满足一致性检验要求，层次分析排序得到的结果和权系数的分配是合理的。

2.3 基于综合评价指标体系的模糊综合评价

2.3.1 对象的因素集

在进行模糊综合评价时，要首先建立因素集、评价集等基本集合。基于前节的分析，本研究建立了因素集U={U1（路网交通供需水平），U2（常规公共交通供需水平），U3（地铁供需水平），U4（网约及出租汽车供需水平），U5（共享单车供需水平）}。

2.3.2 确定权重集合

前节工作已经得到了各因素集以及对应指标的权重，这些权重值将组成模糊评价过程中的权重集合。根据前节内容，本评价的权重集合：

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。

同时确定因素集层面中各个因素集的权重向量：

后续综合评价过程中，将基于因素集U及权重向量r0形成权分配矩阵，进而结合因素评判矩阵R对对象单元进行供需耦合水平评价。

2.3.3 建立评价矩阵

本研究涉及的相关定量评价指标中，基于对象区域的实际数据采用聚类分析等数理统计方法确定对应指标的隶属度函数及分级标准。具体评价过程如表4所示。

表4 建立评价矩阵过程

2.3.4 综合评价

模糊综合评判的原理是模糊变换，即已知原像（权分配矩阵）和映射（单因素评判矩阵）求像（综合评判结果）的问题。

（1）确定权重集合和模糊关系矩阵

在本研究中，各指标的相互关系利用权重集合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。

而各指标的定量评价结果（隶属度），即上述理论计算过程中的模糊关系矩阵，通过前文矩阵R来体现：

（2）计算综合评价矩阵

取算子M（·，⊕）进行计算综合评价矩阵B：

（3）计算综合供需匹配指数矩阵X

基于综合评价矩阵B，依据因素及层面的各个因素集的权重向量即可计算每个单元的综合供需匹配指数组成的矩阵：

其中：bji及xi分别表示“单元i对应的出行方式j的供需状态指数”及“单元i的交通供需状态综合指数”，且满足bji，xi∈[0，1]；1≤i≤n；j=1，2，3，4，5。五种出行方式按顺序分别对应路网、常规公共交通、地铁、网约/出租车、共享单车。

本研究得到两个层次的模糊综合评价结果——评价单元i的交通供需状态综合指数X及评价单元i对应5类交通子系统的供需状态指数（矩阵）Bi=（b1i，b2i，b3i，b4i，b5i）。其中元素按顺序分别对应路网、常规公共交通、地铁、网约/出租车、共享单车5类交通子系统。其中，上述指标的数值取值均介于[0，1]，数值越接近1表示对应评价对象的供需状态越均衡；反之则表示失衡程度剧烈。

3 实验与结果

本研究以“出行即服务、管理促服务”为理念，结合苏州建设管理现状，目标通过应用项目研制的城市综合交通智慧出行服务平台及配套设备，构建集交通运行状态和出行需求感知、交通资源优化和出行方案推荐、出行智能诱导于一体的城市智慧出行服务技术新体系， 系统日均服务出行人数大于100万，人均出行时间节约15%以上，出行时间可靠性提升20%以上，提升苏州城市智慧出行服务和管理水平。

本研究使用的数据全部面向栅格，时间窗为15 min，各项运行数据应同时包括预测数据及一定周期内同条件的历史数据。供需评价系统需求数据设计如图3所示。

图3 供需评价系统需求数据

图4 24小时交通供需状态综合指数

图5 出租车资源配置前供需状态指数的时间分布

4 结论与展望

本研究采用层次分析法和模糊综合评价法相结合搭建了多方式运行状态交通供需综合评价指标体系，定量分析研究单元（栅格）的供需失衡程度。本研究选取道路网络、常规公交、地铁、网约车/出租车、共享单车5个方式维度，从运能匹配度、空间耦合度、乘客服务水平3个指标层共计15个指标建立综合评价体系。建立每个单元的“交通供需状态综合指数”，对研究单元（栅格）供需失衡程度进行评价；建立相应单元各个方式的“交通供需状态综合指数”，对相应单元各个方式失衡状态进行评价，创新地对细分的交通单元进行微观层面的分析。该评价指标体系可用于开发综合交通资源智能协同调度系统，实现交通运行状态精准感知，出行资源动态配置优化，多方式交通时空资源协同调度，提升出行资源及路网资源利用效率。

下一阶段本研究将依托国家重点研发计划项目，针对公共交通资源发生耦合性失衡的研究单元，启用公共交通资源调配模块进行优化调度，提供相应的资源优化调度方案，为调度工作提供决策参考，从而缓解交通系统供给和需求的空间耦合性失衡。