利用手機(jī)移動(dòng)話單數(shù)據(jù)分析城際鐵路客運(yùn)量的方法

南海超

城際鐵路，是指在人口稠密的城市圈，或者城市帶規(guī)劃和修建的高速鐵路客運(yùn)專線系統(tǒng)。與京滬、京廣等高速鐵路相比，城際鐵路相對(duì)距離總長(zhǎng)短，站間距小，其列車開(kāi)行有明顯的公交化特點(diǎn)。以在建的武漢至九江城際鐵路大冶北至九江段為例，其站間距見(jiàn)表1。

表1 在建武漢至九江城際鐵路大冶北至九江段站間距

由表1可見(jiàn)，城際鐵路同時(shí)也會(huì)連接區(qū)域內(nèi)的中小型城市，其目的是更好地促進(jìn)城市圈或者城市帶之間的經(jīng)濟(jì)、文化交流，促進(jìn)融合。到2020年，我國(guó)將建成城際鐵路5 000 k m以上［1］，因此，未來(lái)幾年將是城際鐵路的快速發(fā)展時(shí)期；同時(shí)，城際鐵路的投資主體，也漸漸從鐵道部一家變?yōu)殍F道部與項(xiàng)目所在省份共同出資建設(shè)。這兩個(gè)背景對(duì)城際鐵路的規(guī)劃建設(shè)提出了比以往更高的要求，就是在有限的時(shí)間與資源條件下，合理把握城際鐵路的定位，使得城際鐵路一方面適應(yīng)所服務(wù)的城市圈發(fā)展，同時(shí)節(jié)省投資，不造成資金浪費(fèi)。而達(dá)到這個(gè)要求的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確調(diào)查并分析城際鐵路的目標(biāo)客運(yùn)量。本文研究了利用手機(jī)話單數(shù)據(jù)進(jìn)行城際鐵路客流量調(diào)查與預(yù)測(cè)的原理，確定了實(shí)施方法，并對(duì)方法的最終實(shí)用化做出了展望。

1 利用手機(jī)話單數(shù)據(jù)進(jìn)行客流量分析的原理

1.1 手機(jī)話單數(shù)據(jù)的概念與內(nèi)容

手機(jī)話單數(shù)據(jù)，是指手機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)服務(wù)商提供的，包括移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所記錄保存的用戶通話的時(shí)間、提供服務(wù)的基站編號(hào)和位置等信息。話單數(shù)據(jù)的內(nèi)容格式見(jiàn)表2。

表2 原始話單數(shù)據(jù)格式內(nèi)容表

在表2中，用戶的惟一標(biāo)識(shí)ID是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)每一個(gè)移動(dòng)臺(tái)（手機(jī)用戶）的編號(hào)；位置區(qū)LA的全寫為L(zhǎng)ocation Area，以前通常以一個(gè)縣或者區(qū)的行政范圍進(jìn)行劃分，現(xiàn)在以尋呼量劃分，其中包含若干個(gè)基站區(qū)（cell）；小區(qū)編號(hào)，就是移動(dòng)臺(tái)所在的基站（cell）的編號(hào)。其中，基站的最強(qiáng)信號(hào)覆蓋面積大小根據(jù)密度決定，比如在北京市區(qū)，基站密度較大，基站的最強(qiáng)信號(hào)覆蓋半徑可以達(dá)到200 m左右，而在郊區(qū)則擴(kuò)大到1 000～2 000 m。歸屬地編號(hào)則是運(yùn)營(yíng)商對(duì)移動(dòng)臺(tái)入網(wǎng)時(shí)的歸屬地進(jìn)行的編號(hào)，如武漢市，成都市等。

因此，當(dāng)手機(jī)用戶從一個(gè)位置區(qū)進(jìn)入另一個(gè)位置區(qū)，或者使用手機(jī)進(jìn)行了主叫、被叫、短信發(fā)送接收等一系列事件時(shí)，話單數(shù)據(jù)庫(kù)將記下該事件發(fā)生的時(shí)間與地點(diǎn)。這就是指，在話單數(shù)據(jù)里，一個(gè)用戶的出行數(shù)據(jù)也將被記錄下來(lái)，其中包括他的出行起點(diǎn)、路徑、終點(diǎn)，以及相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

1.2 利用手機(jī)話單數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法的比較

目前的城際鐵路客運(yùn)量分析所采用的數(shù)據(jù)與方法可大致被概括為2類，即基于歷史普速鐵路運(yùn)量的增長(zhǎng)率法以及基于OD調(diào)查數(shù)據(jù)的四階段法。對(duì)于增長(zhǎng)率法來(lái)說(shuō)，它適合于對(duì)趨勢(shì)運(yùn)量占絕大部分比重的情況分析，而城際鐵路的開(kāi)通將使得城市群組團(tuán)形成更大的生活圈形式，因此其誘增運(yùn)量與轉(zhuǎn)移運(yùn)量無(wú)法用增長(zhǎng)率法得到較為合理的結(jié)果，本文在此不再贅述。

而四階段法所采用的OD數(shù)據(jù)一般來(lái)源于交通OD調(diào)查，即首先劃定研究的地區(qū)范圍，然后抽樣分發(fā)OD調(diào)查問(wèn)卷，對(duì)不同類型的家庭或人群出行次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到不同類型的家庭或者個(gè)人的日均出行次數(shù)，最后再利用重力模型法得到不同地區(qū)間交通的分布。

雖然基于OD調(diào)查數(shù)據(jù)的四階段法已經(jīng)在目前的交通規(guī)劃領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用，但是它也存在一定弊端：①OD調(diào)查一般是5年進(jìn)行1次，調(diào)查時(shí)間不連續(xù)；②由于并沒(méi)有像日本那樣被國(guó)家確定為公民應(yīng)盡的義務(wù)，因此其調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)不確定性以及顆粒度較大；③OD調(diào)查的區(qū)域需要事先確立，如果要擴(kuò)大調(diào)查的范圍，則需要投入更多的人力物力，其調(diào)查成本高等等。

而利用手機(jī)話單數(shù)據(jù)可較好地克服這些問(wèn)題：①話單數(shù)據(jù)一直由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商生成，因此它的記錄不存在時(shí)間跨度；②手機(jī)話單數(shù)據(jù)只需要向移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商或者專門的數(shù)據(jù)處理公司購(gòu)買即可，并且方便規(guī)劃者隨時(shí)更改需要進(jìn)行調(diào)查的區(qū)域范圍，人力物力成本相對(duì)低廉，由于話單數(shù)據(jù)是根據(jù)預(yù)設(shè)的事件觸發(fā)而記錄的，因此其真實(shí)性更高。

城際鐵路由于其站間距的特點(diǎn)，通常設(shè)定的車站間距超過(guò)10 k m（見(jiàn)表1），大于一般基站的最大覆蓋范圍（10 k m左右），因此利用手機(jī)話單數(shù)據(jù)可判定出行者在2個(gè)車站所在的城市間的移動(dòng)，適用于城際鐵路的客流量分析。

2 利用手機(jī)話單數(shù)據(jù)進(jìn)行客流量分析的實(shí)施方法

利用手機(jī)話單數(shù)據(jù)進(jìn)行城際鐵路客流量預(yù)測(cè)的實(shí)施流程見(jiàn)圖1。

圖1 利用手機(jī)話單技術(shù)進(jìn)行城際鐵路客流量預(yù)測(cè)的流程

利用手機(jī)話單技術(shù)進(jìn)行城際鐵路客流量分析的第一步是確定研究地區(qū)范圍，一般沿著線路走向左右延伸。以規(guī)劃中的武九鐵路大冶北至九江段為例，其客運(yùn)量預(yù)測(cè)范圍見(jiàn)圖2。

圖2 武九鐵路大冶北至廬山段

然后，在研究區(qū)域范圍內(nèi)加載途經(jīng)的移動(dòng)基站小區(qū)，并確立每個(gè)小區(qū)的信號(hào)覆蓋范圍。

在確定了基站覆蓋范圍后，話單數(shù)據(jù)所提供的基站小區(qū)代碼就可以指示出行者發(fā)生移動(dòng)臺(tái)事件時(shí)所在的小區(qū)位置。根據(jù)城際鐵路站間距的特點(diǎn)，首先可根據(jù)行政區(qū)劃、界定位置區(qū)LA等現(xiàn)有的邊界初步組合若干交通OD小區(qū)，然后得出各個(gè)小區(qū)之間的OD量，并檢驗(yàn)OD矩陣。如果檢查合理，則可以初步通過(guò)工程、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)與運(yùn)量（OD矩陣）等方面的條件決定車站所在的大概位置，并確定每個(gè)車站所吸引的客運(yùn)腹地范圍，見(jiàn)圖3。

如1.1所述，話單數(shù)據(jù)記載出行者出行數(shù)據(jù)的前提有2個(gè)：①出行者需要攜帶手機(jī)以便接受與發(fā)送信號(hào)；②出行者只有觸發(fā)了指定的事件，其位置信息才會(huì)被話單數(shù)據(jù)記錄，這說(shuō)明由話單數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)出的交通量應(yīng)低于當(dāng)時(shí)實(shí)際發(fā)生的交通量。由于城際鐵路的目標(biāo)客流一般出行距離長(zhǎng)于一個(gè)基站，甚至是一個(gè)位置區(qū)LA所覆蓋的范圍，因此實(shí)際交通量與話單數(shù)據(jù)導(dǎo)出交通量的差值，就是那些沒(méi)有攜帶手機(jī)人群的出行交通量。設(shè)某一區(qū)域人均手機(jī)標(biāo)示ID數(shù)量為a，則實(shí)際交通量＝話單數(shù)據(jù)導(dǎo)出交通量／a。

圖3 各個(gè)車站所吸引的腹地范圍

在估計(jì)了實(shí)際的交通量后，即可將實(shí)際交通量作為基礎(chǔ)運(yùn)量標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)鐵路規(guī)劃年度的腹地間總運(yùn)量，具體可以使用增長(zhǎng)率法［2］或者標(biāo)定土地利用模型。

在計(jì)算各種運(yùn)輸方式的分擔(dān)率方面，由于目前有效的城際交通方式有私家車、客運(yùn)巴士或者部分市郊公交，因此可根據(jù)各地的實(shí)際情況選取不同的選擇肢個(gè)數(shù)，利用集計(jì)或者非集計(jì)模型計(jì)算各種運(yùn)輸方式的分擔(dān)率。如果使用非集計(jì)模型，則需首先建立效用函數(shù)

式中：β1，β2，…，βm為第1，2，…，m 旅客進(jìn)行交通方式選擇時(shí)運(yùn)輸方式各服務(wù)特性的效用系數(shù)；Si1，Si2，…，Sim為第i種運(yùn)輸方式的第1，2，…，m 種服務(wù)特性值；εi為廣義費(fèi)用函數(shù)的隨機(jī)項(xiàng)。以及每種選擇肢的選擇概率

式中：An為可供個(gè)人n選擇的運(yùn)輸方式集合；Uin為個(gè)人n選擇第i種運(yùn)輸方式時(shí)的效用；Ujn為個(gè)人n選擇第j種運(yùn)輸方式時(shí)的效用。

如果假設(shè)隨機(jī)項(xiàng)εi符合獨(dú)立的Gu mble分布，則最終出行者選擇第i種交通方式的概率可以被定量為

式中：k為可供旅客選擇的運(yùn)輸方式（選擇肢）種類。

結(jié)合SP問(wèn)卷，每個(gè)選擇肢的效用函數(shù)內(nèi)的參數(shù)系數(shù)β1，β2，…，βm可以利用極大似然法等方法進(jìn)行估計(jì)得出，接下來(lái)的統(tǒng)計(jì)工作不再贅述。

3 方法實(shí)用化的展望

隨著我國(guó)在無(wú)線通信領(lǐng)域的發(fā)展速度逐漸與發(fā)達(dá)國(guó)家平齊，通過(guò)將手機(jī)作為交通檢測(cè)器來(lái)調(diào)查分析客流量數(shù)據(jù)的方法已經(jīng)具備了應(yīng)用的理論基礎(chǔ)與實(shí)際條件。國(guó)外在這方面已經(jīng)進(jìn)行了許多研究與實(shí)驗(yàn)，相比之下，國(guó)內(nèi)才剛起步，尤其在鐵路運(yùn)量預(yù)測(cè)方面，目前仍然是空白。在城市交通調(diào)查應(yīng)用方面，北京、天津、上海等城市已經(jīng)開(kāi)始試點(diǎn)將手機(jī)話單數(shù)據(jù)作為全市綜合交通調(diào)查的補(bǔ)充，調(diào)查的結(jié)果驗(yàn)證了這種方式在城市交通調(diào)查中的可行性。

從手機(jī)話單數(shù)據(jù)的記錄特性看，由于其基站分布的顆粒度小于城際鐵路的站間距，因此相對(duì)于OD小區(qū)較小的城市交通調(diào)查來(lái)說(shuō)，手機(jī)話單數(shù)據(jù)應(yīng)在城際鐵路的客流調(diào)查分析中取得更好的效果，因?yàn)榉彩怯谐鲂姓叱鲂芯嚯x超過(guò)一個(gè)站間距時(shí)，他的出行時(shí)間與地點(diǎn)總能被話單數(shù)據(jù)記錄。

目前，在城際鐵路范圍內(nèi)應(yīng)用這種方法的同時(shí)也存在著2個(gè)暫時(shí)的瓶頸。首先，在技術(shù)上，將手機(jī)話單數(shù)據(jù)提取并轉(zhuǎn)化為需要的交通數(shù)據(jù)，需要對(duì)部分的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商基站進(jìn)行一定程度的改造，如果一個(gè)項(xiàng)目研究范圍內(nèi)有少量的基站盲點(diǎn)時(shí)，可利用OD矩陣估計(jì)（OD matrix esti mation）來(lái)得到，而當(dāng)基站盲點(diǎn)過(guò)多時(shí)，利用可用數(shù)據(jù)反推得出的OD矩陣其真實(shí)性就會(huì)降低，在城際鐵路運(yùn)用這種方法需要項(xiàng)目研究范圍內(nèi)的大部分基站產(chǎn)生的手機(jī)話單收據(jù)可被轉(zhuǎn)化為交通數(shù)據(jù)。其次，在政策立法方面，如何在利用手機(jī)話單數(shù)據(jù)為交通規(guī)劃服務(wù)，同時(shí)又能夠?qū)κ謾C(jī)用戶的隱私安全做出有效的保障，需要政府、交通規(guī)劃研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)院以及通信公司共同參與博弈。

4 結(jié)語(yǔ)

城際鐵路作為連接城市圈或者城市帶的“主干道”，在城市群的融合與發(fā)展中扮演著重要的作用。城際鐵路由于其相對(duì)公路高昂的投資，更需要鐵路規(guī)劃者從一開(kāi)始把握好客運(yùn)量的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。利用手機(jī)話單數(shù)據(jù)來(lái)分析城際鐵路的客運(yùn)量有其先天的優(yōu)勢(shì)，并且其應(yīng)用過(guò)程通過(guò)本文的研究也被證明是可行的。筆者期待在下一步的工作中，可以在一些已經(jīng)建成的城際項(xiàng)目上對(duì)這種應(yīng)用做小規(guī)模的實(shí)際分析，以求對(duì)這種方法進(jìn)一步的印證。

［1］ 顏湘禮.城際鐵路車站高峰小時(shí)客流量計(jì)算方法探討［J］.鐵道勘察與設(shè)計(jì)，2008（1）：1－3，55.

［2］ 王 煒，陳學(xué)武.交通規(guī)劃［M］.北京：人民交通出版社，2007.