時間序列模型在交通量預測中的適應性分析

劉寧波，呂 超

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴陽 550001)

在公路工程可行性研究報告中，交通量預測是重要組成部分。科學合理地預測項目未來年交通量是項目建設技術標準和改擴建年份的重要依據(jù)，也為項目經(jīng)濟評價奠定量的基礎。20世紀50至70年代，交通學界初步孕育了“四階段法”(即把交通量預測分為交通發(fā)生、交通分布、交通方式劃分和交通分配等四階段)，對特征年的交通量進行預測，形成了當前交通量預測的主流模型。交通量預測方法眾多，而時間序列法因其簡明便捷，成為常用方法之一。為確保時間序列預測結果的準確性，又以加權時間序列法為主，但時間序列模型在路網(wǎng)結構發(fā)生較大變化時，交通量預測結果精準度如何？本文以杭瑞高速(G56)遵義至思南段建成通車年前后普通國道G326遵義至湄潭段的觀測交通量數(shù)據(jù)為基礎，對路網(wǎng)結構發(fā)生較大變化時，時間序列在交通量預測中的適應性進行分析。

1 研究思路

以杭瑞高速遵義至思南段建成通車年為分界線，通過收集該高速公路通車年前的普通國道交通量實地觀察數(shù)據(jù)，建立線性、二項式及指數(shù)等3種時間序列模型，為排除單一模型預測對預測結果準確度的影響，對上述3種時間序列模型進行權重分配，再用3種模型分別對該高速公路通車后G326遵義至湄潭段的交通量進行預測，并對3種模型得到的預測結果進行加權，把加權值作為時間序列的預測值，與實際觀測值進行對比分析，檢驗當路網(wǎng)結構發(fā)生較大變化時，時間序列模型在交通量預測中的適應性。

2 交通量分析

通過查詢貴州省歷年交通年報，得到G326遵義至湄潭段2010—2015年實際觀測交通量，如表1所示。

從表1可知，2010—2014年G326遵義至湄潭段交通量雖不呈逐年穩(wěn)定增長的趨勢，但交通量值相近，2015年觀測交通量急劇下降，該年杭瑞高速公路的建成通車，同一個走廊內(nèi)，發(fā)生競爭性的通道，路網(wǎng)結構發(fā)生重大變化。對2010—2014年之間的交通車型構成進行分析，其車型占比示意如圖1所示。

表1 2010—2015年G326遵義至湄潭段交通量構成 pcu/d

圖1 2010—2014年G326遵義至湄潭段車型比例

3 交通量預測

3.1 時間序列

時間序列是按照時間排序的一組隨機變量，本質(zhì)上反映某個或者某些隨機變量隨時間不斷變化的趨勢；時間序列中的每個觀察值大小是影響變化的各種不同因素在同一時刻發(fā)生作用的綜合結果。

根據(jù)觀測的歷史交通量數(shù)據(jù)，采用線性、二項式及指數(shù)等3種模型，擬合G326遵義至湄潭段交通量的時間序列函數(shù)，并通過對上述3種模型進行加權分配，再對該路段的交通量進行預測。

3.2 建立時間序列模型

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，運用線性、二項式和指數(shù)模型對2010—2014年的交通量折算數(shù)據(jù)進行擬合，其交通量與時間的分布關系如圖2所示。

圖2 時間序列模型分布

根據(jù)圖2，得到交通量與時間序列的3種模型，如表2所示。其中，X表示預測年份與2010年的差值，Y表示預測年份交通量。

表2 交通量的時間序列模型

根據(jù)表2得到時間序列模型的相關系數(shù)，進行模型之間的權重分配，可得不同模型的權重分別為：線性模型0.31，二項式模型0.39，指數(shù)模型0.30。

結合表2擬合得到時間序列模型及分配的權重，得到未來年交通量的時間序列預測模型為：

Y=0.31Y1+0.39Y2+0.3Y3=2 320.7e0.053X+58.2X2-99.47X+5 796.1

3.3 交通量預測與分析

根據(jù)表2得到的模型及相應權重，對2015年的G326遵義至湄潭段交通量進行預測，并對3種模型的預測結果進行加權，結果如表3所示。

表3 交通量預測結果 pcu/d

由表3可知，加權時間序列模型預測得到2015年的交通量為10 259 pcu/d，但表1中G326遵義至湄潭段2015年交通量為 2 892 pcu/d，二者之間差距甚大。究其原因是杭瑞高速遵義至思南段建成通車，該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)更高效便捷的競爭性通道，導致路網(wǎng)結構發(fā)生根本性變化，使得大部分普通國道的交通量轉移到高速公路，造成普通國道的交通量明顯下降。時間序列是反映觀測量與時間這一單一變量之間關系的模型，故路網(wǎng)結構出現(xiàn)連續(xù)性突變時時間序列模型在一定時間內(nèi)難以反饋，即當路網(wǎng)結構發(fā)生較大變化時，時間序列模型預測的交通量結果和實際數(shù)據(jù)存在較大誤差，此時，模型預測結果對現(xiàn)實指導性不大。

4 結束語

1) 當路網(wǎng)結構不發(fā)生較大變化，路段區(qū)域內(nèi)沒有新建成具備相應競爭力的通道時，時間序列模型是一種簡便高效的交通量預測模型，可為路段改擴建等時間的預測提供準確的數(shù)量基礎。

2) 若路網(wǎng)發(fā)生結構性變化，區(qū)域路網(wǎng)結構不再具備連續(xù)性時，時間序列模型在近期預測值中，不能及時反映這種變化，進而不適應路網(wǎng)結構變化較大時的交通量預測，此時應采用“四階段法”等方法來對路網(wǎng)的交通量進行預測、分配，進而得到既有路線的交通量及從既有路線轉移到新建成的競爭性路段的交通量。