城際高鐵開(kāi)通客流轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)研究

劉林，孫小慧，左志

（1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 8300472；2.遼寧對(duì)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院大數(shù)據(jù)研究院，遼寧 大連 116052）

0 引言

出行者交通方式選擇行為研究是交通問(wèn)題研究的基礎(chǔ)，因此對(duì)出行者的選擇行為和決策方式應(yīng)進(jìn)行深入的分析和研究，并據(jù)此建立有效的模型，依據(jù)模型對(duì)出行者出行行為及其交通需求進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)[1-2]。目前，對(duì)交通方式選擇行為研究的理論主要有隨機(jī)效用最大化理論（Random Utility Maximization Model，RUM），依據(jù)效用最大化理論建立的MNL 模型以及NL模型在交通領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用[2-3]。而我國(guó)擁有世界上運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的高鐵，由于地形、氣候限制加之經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，導(dǎo)致我國(guó)的高鐵建設(shè)分布也不平衡。呈現(xiàn)出東中部高鐵運(yùn)營(yíng)網(wǎng)密集，西部地區(qū)特別是新疆地區(qū)高鐵修建開(kāi)通較少。因此，研究者們對(duì)高鐵開(kāi)通客流轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)研究大量集中在東中部地區(qū)，在新疆地區(qū)的研究相對(duì)較少。基于此，本研究從城際高鐵開(kāi)通客流轉(zhuǎn)移影響因素分析，設(shè)計(jì)烏魯木齊至喀什高鐵開(kāi)通客流轉(zhuǎn)移SP 問(wèn)卷，收集有效問(wèn)卷488 份，分別建立MNL（Multinomial Logit Model）模型、分層Logit（Nest?ed Logit，NL）模型，并對(duì)模型進(jìn)行比較，最終確定MNL模型更適合本研究，以MNL模型計(jì)算客流轉(zhuǎn)移率，分析烏魯木齊至喀什高鐵開(kāi)通后，其他交通工具客流轉(zhuǎn)移率。

1 問(wèn)卷設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)調(diào)查

研究表明，影響出行者出行選擇的因素有出行者個(gè)人及行為選擇特性變量和交通方式選擇方案特性變量[4-9]。出行者個(gè)人特征特性變量有性別、年齡、職業(yè)、收入等；方案特性變量包含出行時(shí)間、出行費(fèi)用、發(fā)車(chē)頻次、換乘時(shí)間[10]。本研究在考慮出行者個(gè)人特性和選擇方案特性的基礎(chǔ)上對(duì)烏魯木齊至喀什高鐵開(kāi)通客流轉(zhuǎn)移率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

烏魯木齊至喀什高鐵還未開(kāi)通，因此本研究采用SP 調(diào)查獲取數(shù)據(jù)，調(diào)查烏魯木齊至喀什高鐵開(kāi)通出行者對(duì)五種交通方式的選擇。方案特性變量設(shè)置為出行時(shí)間、出行費(fèi)用、發(fā)車(chē)頻次和換乘時(shí)間。各特性變量的設(shè)定參照烏魯木齊至喀什出行者出行實(shí)際情況及其他已有高鐵城市運(yùn)營(yíng)的情況。高鐵出行時(shí)間及票價(jià)參照全國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)平均水平、發(fā)車(chē)頻次及換乘時(shí)間參照烏魯木齊至喀什鐵路實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。本研究調(diào)查方式為問(wèn)卷調(diào)查，包含線(xiàn)上問(wèn)卷和線(xiàn)下問(wèn)卷調(diào)查兩種形式；問(wèn)卷設(shè)計(jì)包含個(gè)人特性變量、出行特性變量、情景設(shè)計(jì)選擇方案特性變量調(diào)查。調(diào)查時(shí)間為2021年5月 14 日至 2021 年 7 月 30 日，共收回問(wèn)卷 514 份，剔除信息明顯不完整的問(wèn)卷得到的有效問(wèn)卷488份。每份問(wèn)卷設(shè)定8個(gè)選擇情景設(shè)計(jì)，一共得到3 904個(gè)樣本。

2 MNL模型

MNL（Multinomial Logit Model）模型又稱(chēng)多項(xiàng)Logit模型。MNL 模型以隨機(jī)效用最大化理論為基礎(chǔ)，決策者以每個(gè)選擇方案的概率作為選擇的結(jié)果，MNL 模型在交通領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11-14]。并且，MNL模型是由出行者決策效用滿(mǎn)足感形成的，決策者會(huì)選擇備選方案中效用最大的方案。MNL 模型因其理論成熟、應(yīng)用簡(jiǎn)便，在各類(lèi)的出行選擇問(wèn)題上都有較多應(yīng)用[13]。

MNL模型效用函數(shù)：

式（1）中：Vi為出行選擇效用函數(shù)中的固定項(xiàng)；βk為第k個(gè)變量的參數(shù)值；Xink為出行選模型第k個(gè)影響變量的效用值。

MNL模型的概率公式：

式（2）中：i為出行選擇交通方式；Pin為出行者n選擇第i種交通的選擇概率。

3 NL模型

巢式 Logit（Nested Logit，分層 Logit 模型，NL） 模型在考慮了每個(gè)選擇肢之間的相關(guān)性，并克服了IIA 特性，相對(duì)于其他的Logit 模型更優(yōu)越。分層將類(lèi)似性較大的作為同一水平，將不同類(lèi)型的選擇交通方式作為不同的層次。在雙層NL 模型中劃分層次的原則是將類(lèi)似性較大的選擇方案作為一層，而將差異性較大的選擇方案劃分為不同的層次[15-21]。

NL 模型中效用函數(shù)及特性變量的關(guān)系，在效用函數(shù)中效用函數(shù)V(r/m)n與特性變量X(r/m)n二者呈線(xiàn)性關(guān)系，因此可以得到效用函數(shù)及其選擇概率公式。

4 MNL模型、NL模型有效性檢驗(yàn)及優(yōu)良性比較

4.1 模型變量選取

本研究選取的因變量為長(zhǎng)途大巴、火車(chē)、飛機(jī)、小汽車(chē)、高鐵，自變量為出行費(fèi)用、出行時(shí)間、發(fā)車(chē)頻次、換乘時(shí)間、常用交通方式、出行考慮因素、出行目的。其中，出行費(fèi)用、出行時(shí)間、發(fā)車(chē)頻次、換乘時(shí)間為共用變量，出行特征變量為常用交通方式、出行考慮因素、出行目的。常用交通方式包含長(zhǎng)途大巴、飛機(jī)、火車(chē)、小汽車(chē)；出行考慮的因素有費(fèi)用、快速、安全、舒適；出行目的包含公務(wù)出差、探親訪(fǎng)友、旅游娛樂(lè)、上學(xué)、通勤。利用stata 軟件對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，MNL 模型和NL 模型下層模型都以火車(chē)作為參照組。最后得到模型的標(biāo)定結(jié)果選取的因變量為模型的P小于0.1的變量，即為顯著性變量。

4.2 模型優(yōu)良性比較

模型估計(jì)結(jié)果，可以得到MNL 模型極大似然值 LL(β)為-4 369.242 9，MNL 模型極大似然值 LL(0)為-4 980.584 4，計(jì)算可得模型優(yōu)度比ρ2=0.123。NL 模型極大似然值 LL(β)為-4 367.179 3，NL 模型極大似然值LL(0)為-4 983.560 9，計(jì)算可得模型優(yōu)度比ρ2=0.124。由此可以得出NL 模型優(yōu)度比與MNL 模型優(yōu)度比相差0.001，結(jié)果顯示二者之間相差的優(yōu)度比較小。因此，不能以?xún)?yōu)度比作為唯一的判斷標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)研究結(jié)論，NL 模型是在MNL 模型上改進(jìn)得到的Logit 模型，NL 模型考慮了各選擇枝之間的相關(guān)性且克服了MNL 模型的IIA 特性，然后得到較為優(yōu)良的計(jì)算結(jié)果。查看NL 模型IIA 特性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：LR test for IIA (tau=1):chi2(2) =4.13，Prob＞chi2 =0.1270。即IIA 特性檢驗(yàn)的P=0.127＞0.1，即接受原假設(shè)，則證明在考慮烏喀高鐵開(kāi)通中選取出行費(fèi)用、出行時(shí)間、發(fā)車(chē)頻次、換乘時(shí)間方案特性變量；常用交通、出行考慮因素、出行目的作為出行特征變量得到的NL 模型估計(jì)中各選項(xiàng)之間不存在相關(guān)性。因此，MNL 模型更適合本研究。MNL 模型與NL 模型變量及估計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 MNL模型與NL模型變量及估計(jì)結(jié)果

5 模型估計(jì)結(jié)果分析

在途時(shí)間、票價(jià)對(duì)出行方式選擇的顯著負(fù)效用表明，出行者對(duì)長(zhǎng)途大巴、火車(chē)、小汽車(chē)、高鐵、飛機(jī)的選擇，呈現(xiàn)出在途時(shí)間長(zhǎng)、票價(jià)高會(huì)降低出行者的選擇概率。出行者在出行方式選擇上相對(duì)于在途時(shí)間、票價(jià)的顯著負(fù)效用，換乘時(shí)間不顯著。說(shuō)明出行者在烏魯木齊至喀什出行方式選擇上主要還是考慮在途時(shí)間、票價(jià)。

通常選擇飛機(jī)的出行者不傾向于選擇長(zhǎng)途大巴和火車(chē)出行，而通常選擇長(zhǎng)途大巴和火車(chē)的人更傾向于選擇長(zhǎng)途大巴和火車(chē)。這說(shuō)明在烏魯木齊至喀什之間的出行方式中長(zhǎng)途大巴和火車(chē)與飛機(jī)之間沒(méi)有過(guò)渡的交通工具，導(dǎo)致出行者選擇交通工具呈現(xiàn)兩端化。在烏魯木齊至喀什高鐵建成后，通常選擇火車(chē)和長(zhǎng)途大巴的出行者更傾向于選擇高鐵，這可能是高鐵運(yùn)載能力強(qiáng)、在出行費(fèi)用上優(yōu)于火車(chē)和長(zhǎng)途大巴的原因。因此，烏喀高鐵的建設(shè)對(duì)于在平衡現(xiàn)有烏喀各交通工具的優(yōu)缺點(diǎn)上有重要作用。

出行因素選擇方面，長(zhǎng)途大巴、小汽車(chē)、高鐵、飛機(jī)的出行者主要考慮費(fèi)用、快速，特別是快速在高鐵出行呈現(xiàn)顯著正效用，而費(fèi)用在高鐵出行上不顯著。說(shuō)明高鐵速度越快被選擇的人就越多，出行者在選擇高鐵出行上相對(duì)于費(fèi)用更在乎高鐵的速度。費(fèi)用在選擇飛機(jī)出行呈現(xiàn)顯著負(fù)效用，而快速呈現(xiàn)顯著正效用；說(shuō)明費(fèi)用越高，選擇飛機(jī)出行的人越少，飛機(jī)出行者相對(duì)于其他的因素考慮更多的是費(fèi)用。同時(shí)高鐵和飛機(jī)在費(fèi)用和速度上呈現(xiàn)一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。這符合現(xiàn)實(shí)情況。

出行目的方面，出行者在公務(wù)出差、旅游娛樂(lè)、探親訪(fǎng)友、開(kāi)學(xué)上學(xué)、通勤上，旅游娛樂(lè)呈現(xiàn)顯著性，說(shuō)明烏魯木齊至喀什出行中，更多的是旅游娛樂(lè)的出行者。這些旅游娛樂(lè)的出行者更多傾向于選擇高鐵和飛機(jī)，對(duì)于長(zhǎng)途大巴和小汽車(chē)則不傾向選擇。說(shuō)明烏魯木齊至喀什高鐵修建后，高鐵會(huì)成為烏魯木齊至喀什出行的優(yōu)先考慮交通工具之一，由于高鐵相比飛機(jī)的客流運(yùn)量大，因此高鐵具有優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)模型估計(jì)結(jié)果可預(yù)測(cè)得到高鐵開(kāi)通后各交通方式選擇比例[11-13]見(jiàn)圖1。對(duì)比高鐵開(kāi)通前后各出行方式選擇比例可知，烏魯木齊至喀什高鐵開(kāi)通前后，普速鐵路出行比例減少幅度最大，約為78.16%，可能與普速鐵路在途時(shí)間較長(zhǎng)有關(guān)。飛機(jī)出行比例減少幅度次之，約為17.3%，與飛機(jī)出行時(shí)間短有關(guān)。說(shuō)明飛機(jī)出行向高鐵出行轉(zhuǎn)移不易，與高鐵在旅客出行形成了較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。小汽車(chē)出行比例減少幅度最少，約為13.77%，可能與小汽車(chē)出行費(fèi)用高、出行時(shí)間長(zhǎng)有關(guān)。長(zhǎng)途大巴出行比例在高鐵開(kāi)通前后略有小幅增加，可能是隨著烏魯木齊至喀什旅游業(yè)越來(lái)越發(fā)達(dá)，旅客希望體驗(yàn)當(dāng)?shù)馗嗟娘L(fēng)景有關(guān)。高鐵出行承擔(dān)了48.36%的出行，表明了高鐵在各交通方式中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，烏魯木齊至喀什高鐵建成后有較大的客流量。

圖1 高鐵開(kāi)通前后各交通方式選擇概率

6 結(jié)語(yǔ)

本研究綜合考慮了出行時(shí)間、票價(jià)、發(fā)車(chē)頻次、換乘時(shí)間、常用交通方式選擇、出行目的等因素，應(yīng)用SP 調(diào)查獲取數(shù)據(jù)，依據(jù)收集的數(shù)據(jù)建立MNL 模型和NL 模型，用模型優(yōu)度比對(duì)MNL 模型和NL 模型進(jìn)行優(yōu)良檢驗(yàn)，得到MNL 模型優(yōu)度比高于NL 模型。因此，本研究用建立的MNL 模型對(duì)烏魯木齊至喀什高鐵開(kāi)通客流轉(zhuǎn)移進(jìn)行實(shí)證分析。

研究結(jié)果表明，考慮方案屬性和出行特征屬性的MNL 模型可以有效地預(yù)測(cè)新增高鐵開(kāi)通后各出行方式的出行分擔(dān)比例。出行時(shí)間、票價(jià)、發(fā)車(chē)頻次、出行目的、常用交通方式選擇、出行主要考慮因素對(duì)出行者出行有顯著影響。其中，通常選擇飛機(jī)的出行者不傾向于選擇長(zhǎng)途大巴和火車(chē)出行，而通常選擇長(zhǎng)途大巴和火車(chē)的人更傾向于選擇長(zhǎng)途大巴和火車(chē)。在一定程度上反映出飛機(jī)在高鐵開(kāi)通前的優(yōu)勢(shì)不可替代，說(shuō)明在烏魯木齊至喀什之間的出行方式中，長(zhǎng)途大巴和火車(chē)與飛機(jī)之間沒(méi)有平衡各出行方式的交通工具，導(dǎo)致出行者選擇兩端化明顯。預(yù)測(cè)烏魯木齊至喀什高鐵開(kāi)通后可承擔(dān)48.36%的出行，普速火車(chē)出行比例大幅減少，飛機(jī)次之，小汽車(chē)排第三，長(zhǎng)途大巴在高鐵開(kāi)通前后相差不大甚至略微增加。說(shuō)明通常選擇火車(chē)、飛機(jī)、小汽車(chē)的出行者較其他交通方式更傾向于選擇高鐵出行，烏喀高鐵的開(kāi)通能很好地平衡現(xiàn)有的交通工具的優(yōu)勢(shì)，更能滿(mǎn)足現(xiàn)有出行者的出行需求。綜上所述，高鐵建設(shè)豐富了烏魯木齊至喀什的出行方式，在各種交通方式中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，烏魯木齊至喀什高鐵建成后有較大的客流量。本研究結(jié)果望能對(duì)高鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理、常規(guī)交通調(diào)整以及交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的參考意義，同時(shí)為高鐵客流預(yù)測(cè)后續(xù)研究提供有效依據(jù)。