中國(guó)城市交通模型現(xiàn)狀問題探討

陳先龍

(廣州市交通規(guī)劃研究院，廣東廣州510230)

中國(guó)城市交通模型現(xiàn)狀問題探討

陳先龍

(廣州市交通規(guī)劃研究院，廣東廣州510230)

中國(guó)城市交通模型發(fā)展歷經(jīng)30年，在對(duì)超大城市及特大城市的交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)決策及交通政策研究發(fā)揮重要作用的同時(shí)也存在諸多問題。首先，從交通模型的定義、體系和精度三個(gè)方面闡述交通模型的基本概念。其次，指出交通模型未考慮職住相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的理論缺陷、超前規(guī)劃基礎(chǔ)信息甄別、大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)抽樣調(diào)查的關(guān)系以及與非專業(yè)人員交互等方面面臨的問題及解決方案設(shè)想。最后，從交通模型開發(fā)者的角度，提出優(yōu)秀交通模型工程師的基本素質(zhì)要求。

交通規(guī)劃；交通模型；大數(shù)據(jù)；交通模型工程師

20世紀(jì)80年代，結(jié)合中國(guó)第一輪大規(guī)模居民出行調(diào)查，北京[1]、上海[2]、廣州[3]、天津[4]等城市率先建立綜合交通模型，發(fā)展至今已有約30年的歷史。毋庸置疑，交通模型對(duì)支持超大城市及特大城市的交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)決策及交通政策研究發(fā)揮了重要作用。然而，令人遺憾的是交通模型目前的地位非常尷尬，甚至在某些場(chǎng)合只強(qiáng)調(diào)應(yīng)用交通模型技術(shù)，而不強(qiáng)調(diào)應(yīng)用的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，對(duì)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)來源、模型選擇、參數(shù)標(biāo)定、模型校驗(yàn)等內(nèi)容缺少足夠關(guān)注，導(dǎo)致交通模型在相關(guān)研究報(bào)告中的出現(xiàn)形式大于內(nèi)容。這固然有交通模型精度不高的原因，更重要的原因還是對(duì)交通模型認(rèn)識(shí)不足。本文從對(duì)交通模型的認(rèn)知、交通模型問題與缺陷，以及交通模型工程師的職業(yè)素養(yǎng)等方面進(jìn)行分析，探討如何正確看待交通模型的現(xiàn)狀問題。

1 交通模型基本概念

1.1 交通模型定義

交通模型是反映交通系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律的數(shù)學(xué)模型組合，并通過數(shù)字、圖形、影像、視頻等形式來描述，融合交通工程學(xué)與社會(huì)學(xué)、人口學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、行為學(xué)、信息學(xué)等多種學(xué)科理論，運(yùn)用數(shù)理方法和計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)備，對(duì)交通政策與規(guī)劃、建設(shè)與投資、運(yùn)行與管理等各階段決策提供支持的重要定量分析技術(shù)。

本質(zhì)上，交通模型是運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)城市進(jìn)行解析的方法，對(duì)城市交通解析的透徹程度將決定模型質(zhì)量的優(yōu)劣?，F(xiàn)狀交通模型是對(duì)城市現(xiàn)狀的解釋，規(guī)劃交通模型則是對(duì)城市未來發(fā)展的判斷，也即對(duì)城市規(guī)劃的解讀。只有理解城市才可能建立一個(gè)優(yōu)秀的模型。理解城市體現(xiàn)在兩個(gè)本地化：1)隊(duì)伍本地化，只有扎根本地的專業(yè)人員才可能較為全面地了解和掌握整個(gè)城市，這是先決條件；2)參數(shù)本地化，各城市自然條件、人口組成、空間結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施條件等方面的差異造成居民出行偏好和特征不盡相同，完全照搬其他城市的模型參數(shù)必然無法真實(shí)解釋本地居民出行行為，因此必須結(jié)合專項(xiàng)調(diào)查進(jìn)行本地化的模型參數(shù)標(biāo)定。

關(guān)于交通模型的另一個(gè)觀點(diǎn)是軟件不是模型。將模型軟件與交通模型混為一談的論斷并不罕見，因此有必要辨明軟件和模型的關(guān)系。模型分析軟件為交通模型的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)平臺(tái)。然而，擁有軟件僅僅是開始，基于模型軟件收集數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)建立模型、標(biāo)定參數(shù)、校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪^程被稱為建模，應(yīng)用于交通分析和評(píng)價(jià)的建模成果稱之為交通模型。軟件只是工具，不是模型本身。

1.2 交通模型體系

對(duì)應(yīng)不同層次分析所需要的交通模型不同，無論是從分析方法還是分析工具，現(xiàn)階段無法實(shí)現(xiàn)通過一個(gè)交通模型滿足所有類型交通分析的需要?；诜治鰧?duì)象的不同可以將交通模型分為三層四類交通模型(見圖1)，分別為宏觀交通戰(zhàn)略模型、中觀交通運(yùn)行模型與專題模型，以及微觀交通仿真模型。

1）宏觀交通戰(zhàn)略模型。

圖1 交通模型組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Framework of transportation model

為城市交通發(fā)展政策研究、區(qū)域性交通走廊分析、重大交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)決策提供快速測(cè)試和分析，適用于交通發(fā)展戰(zhàn)略測(cè)試與區(qū)域交通發(fā)展研究。

2）中觀交通運(yùn)行模型。

在宏觀交通戰(zhàn)略模型的基礎(chǔ)上對(duì)交通分區(qū)系統(tǒng)、交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和交叉口控制方式等方面進(jìn)行細(xì)化，力求在交通量、車速等方面反映實(shí)際交通運(yùn)行狀況。

3）專題模型。

指對(duì)特定區(qū)域范圍或者某種交通系統(tǒng)等需要特別分析建立的精細(xì)化模型，對(duì)象包括中央商務(wù)區(qū)、區(qū)域性交通樞紐、地鐵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、城市高架道路系統(tǒng)等。專題模型是宏觀戰(zhàn)略模型與中觀運(yùn)行模型的細(xì)化，兼容上層模型的基本信息，滿足專題模型提出的特別分析需要。

4）微觀交通仿真模型。

主要包括行人和車輛兩大類。行人仿真主要模擬人與人、人與環(huán)境之間的相互作用，反映步行空間的行人流動(dòng)狀況。車輛仿真模型按照跟車模型、換車道模型和可插入機(jī)會(huì)模型反映車輛個(gè)體之間的相互關(guān)系，并通過二維和三維的表現(xiàn)形式展現(xiàn)地區(qū)的道路交通運(yùn)行狀況并提取評(píng)價(jià)指標(biāo)。

不同層次、不同類型的交通模型均有其特定的適用范圍，因此需要構(gòu)建較為合理的交通模型體系結(jié)構(gòu)，從滿足基本分析需求著手，同時(shí)具備一定的可擴(kuò)展性，各層次的模型使用相同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，各模塊既能夠獨(dú)立運(yùn)行，又能夠銜接和交互，為交通分析提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)平臺(tái)。總之，宏觀—中觀—微觀模型為向下繼承和向上反饋的關(guān)系，即下一層次模型從上一層次模型中繼承相關(guān)的信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化和深入研究，并將深化過程中所得的可供上一層次模型使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋。

1.3 交通模型精度

預(yù)測(cè)精度是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂煽啃缘闹匾笜?biāo)，但現(xiàn)階段中國(guó)很多城市的模型預(yù)測(cè)精度不高。問題可能存在于預(yù)測(cè)前提、方法論、參數(shù)等方面，不一而足。將預(yù)測(cè)精度簡(jiǎn)單歸結(jié)為模型是否準(zhǔn)確稍顯牽強(qiáng)。模型預(yù)測(cè)本身是一個(gè)IF-THEN過程，即在同一套模型參數(shù)體系下，一個(gè)假定對(duì)應(yīng)一個(gè)結(jié)果。在現(xiàn)實(shí)中假定通常變化較快，這與中國(guó)城市建設(shè)處于高速發(fā)展階段有關(guān)。這對(duì)模型工程師提出較高要求，他們需要讀懂并理解城市才可能做出較為準(zhǔn)確的預(yù)判。然而，由于存在太多具有不可預(yù)測(cè)性的因素，模型只能通過設(shè)定概率的方式來描述可能考慮到的因素。因此，預(yù)測(cè)年限在3～5年的短期預(yù)測(cè)和結(jié)合高頻數(shù)據(jù)的短時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果可以保持較高精度。

盡管長(zhǎng)周期預(yù)測(cè)結(jié)果精度有限，但仍具有一定的重要性和必要性：1)長(zhǎng)周期預(yù)測(cè)模型是一定時(shí)期內(nèi)對(duì)未來的判斷，可為未來規(guī)劃決策方案提供統(tǒng)一的分析平臺(tái)，方便不同方案的同平臺(tái)比較，有助于輔助決策，這也是交通模型的核心功能之一，因此長(zhǎng)周期的交通模型必不可少；2)模型需要持續(xù)更新和維護(hù)，將每年的小更新和周期性的大修正相結(jié)合，使得預(yù)測(cè)結(jié)果更為真實(shí)、準(zhǔn)確。圖2為美國(guó)圣地亞哥市1980—2005年五代交通模型的精度變化[5]，結(jié)果顯示通過不斷更新和維護(hù)，中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)結(jié)果有可能達(dá)到較高精度。

各層次交通模型的精度要求也不盡相同，且缺少交通模型精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。宏觀戰(zhàn)略模型側(cè)重于中長(zhǎng)期研究，預(yù)測(cè)精度難以檢驗(yàn)，更多的是滿足多方案同平臺(tái)比較的要求。對(duì)于中微觀模型的精度要求中國(guó)尚未出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，英國(guó)公路署(The Highways Agency)頒布的《路橋設(shè)計(jì)手冊(cè)》(Design ManualforRoadsand Bridges,DMRB)[6]第12卷第二部分給出基于GEH指標(biāo)(由Geoffrey E.Havers提出，校核模型擬合優(yōu)劣的指標(biāo))的相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。中國(guó)城市現(xiàn)狀交通模型可以參照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，未來有必要研究制定適合中國(guó)國(guó)情的標(biāo)準(zhǔn)。

GEH計(jì)算公式為：

式中：M為模型模擬值，C為實(shí)際觀測(cè)值。一般認(rèn)為GEH值小于5時(shí)，模型與實(shí)際觀測(cè)值的擬合度較好，模型具有較高的可靠度。文獻(xiàn)[6]中建議的模型校核標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2 交通模型面臨的主要問題

2.1 理論模型的缺陷

中國(guó)幾乎所有城市的綜合交通模型都是基于四階段模型理論，其主要缺陷為各階段的不一致性。文獻(xiàn)[7]提出反饋算法在一定程度上降低了各階段之間不一致性的影響。從國(guó)際上來看，一方面四階段模型理論仍為主導(dǎo)，另一方面基于活動(dòng)的模型(Activitybased Model)理論正由最佳理論走向最佳實(shí)踐(State-of-Art to State-of-Practice)，在美國(guó)已有約33個(gè)都市規(guī)劃組織(Metropolitan Planning Organization,MPO)開發(fā)完成或者正在開發(fā)基于活動(dòng)的交通模型[8]。

圖2 圣地亞哥市五代交通模型預(yù)測(cè)精度變化Fig.2 Accuracy changes of five generations of SANDAG Transport Demand Models

表1 《路橋設(shè)計(jì)手冊(cè)》中建議的模型校核標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Index for model validation by DMRB

然而，無論是四階段模型理論還是基于活動(dòng)的模型理論，人口和就業(yè)崗位均互相獨(dú)立，在使用中通過重力模型或者選擇模型來建立聯(lián)系。事實(shí)上，作為出行主體的人，在一定時(shí)期內(nèi)具有相對(duì)穩(wěn)定性，包括固定的居住地和工作崗位以及相對(duì)穩(wěn)定的生活出行圈。目前的模型理論均無法反映這種相對(duì)穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過分布模型和選擇模型所建立的對(duì)應(yīng)關(guān)系只是無窮多種可能解中的一組，幾乎可以說與實(shí)際是脫節(jié)的。究其根本原因，缺少人口、就業(yè)崗位的對(duì)應(yīng)關(guān)系是關(guān)鍵。這與技術(shù)手段的缺乏不無關(guān)系，傳統(tǒng)調(diào)查成本高，難以實(shí)現(xiàn)人口與就業(yè)崗位對(duì)應(yīng)關(guān)系普查。

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)通過手機(jī)信令數(shù)據(jù)等建立既有人口和就業(yè)崗位之間的鏈接，反映現(xiàn)實(shí)相對(duì)穩(wěn)定的活動(dòng)狀態(tài)。未來理想交通模型開發(fā)模式，應(yīng)基于現(xiàn)狀人口、就業(yè)崗位及其對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)考慮住宅更換模型和就業(yè)崗位更換模型，結(jié)合新增人口和就業(yè)崗位預(yù)測(cè)結(jié)果來設(shè)計(jì)。對(duì)于居住地和就業(yè)崗位均未變更的對(duì)象采用類似增長(zhǎng)率模型進(jìn)行分析，而針對(duì)變化的人口和就業(yè)崗位可以采用四階段模型或者基于活動(dòng)的分析模型進(jìn)行研究，充分反映人口和就業(yè)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 規(guī)劃人口與現(xiàn)實(shí)的矛盾

規(guī)劃與現(xiàn)實(shí)的矛盾源自模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的取舍。城市規(guī)劃反映的是城市愿景，或者說是規(guī)劃人的理想，然而理想與現(xiàn)實(shí)往往存在差距。以廣州市為例，2007年廣州市委市政府在2000年《廣州城市建設(shè)總體戰(zhàn)略概念規(guī)劃綱要》[9]中提出的“南拓、北優(yōu)、東進(jìn)、西聯(lián)”的基礎(chǔ)上增加了“中調(diào)”戰(zhàn)略，旨在優(yōu)化與提升中心城區(qū)，疏解中心城區(qū)人口。事實(shí)上舊城荔灣、越秀、天河、海珠四區(qū)的常住人口從2007年419.5萬人[10]發(fā)展至2014年514.3萬人[11]，增長(zhǎng)約22.6%。單從這點(diǎn)來看，城市實(shí)際發(fā)展與規(guī)劃目標(biāo)背道而馳。2015年中國(guó)城市規(guī)劃年會(huì)上，郭仁忠院士在“規(guī)劃問題的大數(shù)據(jù)路徑”報(bào)告中指出“全國(guó)新城新區(qū)規(guī)劃人口達(dá)34億人”。由此可見，完全依賴規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的結(jié)果偏差無法想象。

以上兩個(gè)事例說明，在建模過程中要甄別數(shù)據(jù)的可靠性和可用性，這也要求模型工程師應(yīng)充分理解城市。然而，城市總體規(guī)劃往往是眾多研究的依據(jù)?？尚械淖龇ㄊ菍F(xiàn)實(shí)可能發(fā)生的情形作為基本情形，而將城市規(guī)劃明確的目標(biāo)作為理想情形來考慮。

2.3 大數(shù)據(jù)與小樣本調(diào)查

2015年3月，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中提出，“制定‘互聯(lián)網(wǎng)+’行動(dòng)計(jì)劃，推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合，促進(jìn)電子商務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)金融健康發(fā)展，引導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)拓展國(guó)際市場(chǎng)”。大數(shù)據(jù)在交通模型中的應(yīng)用也日趨成熟，以上海市為代表的手機(jī)信令數(shù)據(jù)在城市居民出行活動(dòng)規(guī)律、職住分布研究、公共設(shè)施服務(wù)半徑等方面的成功應(yīng)用豐富了交通模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，拓展了交通模型的技術(shù)手段，對(duì)模型的標(biāo)定、校驗(yàn)和精度的提升起到了事半功倍的效果。成功的重要前提是能夠獲得相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，故需要解決數(shù)據(jù)源問題。然而數(shù)據(jù)源掌握在中國(guó)移動(dòng)、聯(lián)通、電信及騰訊、百度等巨型央企或互聯(lián)網(wǎng)公司手中，數(shù)據(jù)渠道通常對(duì)交通模型工程師而言封閉。這需要政府從頂層設(shè)計(jì)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，疏通數(shù)據(jù)共享與使用途徑。

大數(shù)據(jù)應(yīng)用的成功不能掩蓋其缺陷，在一定程度上大數(shù)據(jù)分析的核心思想是要全體不要抽樣、要效率不要絕對(duì)精確、要相關(guān)不要因果，這使得用戶知道是什么卻不知道為什么。模型工程師不能因?yàn)榇髷?shù)據(jù)而放棄理性思考，邏輯分析不應(yīng)湮沒在海量數(shù)據(jù)中。放棄對(duì)因果的追求則會(huì)丟失模型工作的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

大數(shù)據(jù)的推廣和應(yīng)用帶來的另一個(gè)觀點(diǎn)是大數(shù)據(jù)可以替代傳統(tǒng)調(diào)查。從現(xiàn)階段來看，大數(shù)據(jù)和小樣本調(diào)查各有優(yōu)劣，大數(shù)據(jù)完全代替小樣本調(diào)查的觀點(diǎn)不可取。小樣本調(diào)查盡管存在抽樣誤差、調(diào)查誤差等諸多缺陷，但對(duì)于問題的剖析也較為全面準(zhǔn)確，而且其調(diào)查的針對(duì)性也是大數(shù)據(jù)無法比擬的。交通模型理想的數(shù)據(jù)利用模式應(yīng)當(dāng)為“大而全”和“小即是美”[12]的結(jié)合，既要發(fā)展大數(shù)據(jù)，又要善用小數(shù)據(jù)。

2.4 專業(yè)與通俗的矛盾

交通模型開發(fā)與應(yīng)用是一項(xiàng)專業(yè)性較強(qiáng)的工作，不僅大眾難以理解，很多業(yè)內(nèi)人士也難以全面掌握模型問題。這說明目前交通模型的成果表達(dá)形式確實(shí)存在問題。交通模型成果表達(dá)涉及眾多專業(yè)術(shù)語，存在較多意思相近、不易理解的概念。例如，某路段上行方向比下行方向交通擁堵嚴(yán)重，但是上行方向交通量反而較小。如何通過通俗易懂的表現(xiàn)方式來解釋交通模型的結(jié)論成為亟須解決的問題。一方面，可以使用微觀仿真模擬軟件，通過二維圖形和三維視頻來展現(xiàn)；另一方面，需要引入新的表現(xiàn)手法或工具軟件，例如百度遷徙圖使用ECharts工具[13]展現(xiàn)OD分布。盡管目前交通模型工程師做了很多努力，也起到了一定效果，但要做到從專業(yè)到通俗，還有很長(zhǎng)的路要走。

3 結(jié)語

交通模型的開發(fā)和應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)集成的過程，這要求優(yōu)秀的模型工程師應(yīng)具備復(fù)合型的知識(shí)結(jié)構(gòu)和技能[14]，包括交通工程學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、程序設(shè)計(jì)、GIS等多個(gè)方面。除此之外，優(yōu)秀的模型工程師應(yīng)是理想主義者和完美主義者，樂于接受新思想并不斷追求卓越。合格的交通模型工程師本質(zhì)上應(yīng)為數(shù)據(jù)科學(xué)家，所有這些技能服務(wù)的主體均為設(shè)計(jì)和搭建優(yōu)秀的交通模型系統(tǒng)，以交通的思想來運(yùn)用這些技能。

當(dāng)前已經(jīng)有越來越多的工程師參與到交通模型開發(fā)中來，工具軟件也越來越先進(jìn)，這對(duì)交通模型行業(yè)發(fā)展具有積極意義。但由于技術(shù)規(guī)范不完善，行業(yè)門檻低，魚目混珠現(xiàn)象也比較普遍，甚至一些項(xiàng)目只要求使用交通模型即可，而缺少對(duì)模型質(zhì)量的關(guān)注。這對(duì)行業(yè)發(fā)展無疑是一劑慢性毒藥，將會(huì)腐蝕行業(yè)根基。理解交通模型、正視交通模型面臨的問題、提升從業(yè)者的素養(yǎng)，有助于推動(dòng)中國(guó)城市交通模型技術(shù)的發(fā)展與規(guī)范化進(jìn)程。

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A Review on Urban Transportation Models in China

Chen Xianlong
(Guangzhou Transport Planning and Research Institute,Guangzhou Guangdong 510230,China)

Urban transportation model has been playing a significant role in transportation infrastructure planning and policy-making in China over the past three decades.Along with progress,a couple of challenges are also needed to face them up.Firstly,this paper demonstrates the basic concept of transportation model through the definition,framework,and accuracy measure.Then,highlights the theoretical deficiency of ignoring the issue of house-job balancing,the uncertainty of pre-planning information,the relationship between traditional survey and big data,and the corporation between paraprofessional workers,in the meanwhile,proposes solutions to coupe with those issues.Finally,discusses the fundamental requirements and features of being a qualified modeler.

transportation planning;transportation model;big data;transportation modeler

1672-5328（2016）02-0017-05

U491.1+2

A

10.13813/j.cn11-5141/u.2016.0203

2015-12-03

陳先龍(1978—)，男，安徽當(dāng)涂人，教授級(jí)高級(jí)工程師，信息模型所副所長(zhǎng)。主要研究方向：城市交通模型開發(fā)與應(yīng)用、交通仿真研究。E-mail:harleych@163.com