楊 超,繆子山,史 晟
(1.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海201804;2.上海市城市規(guī)劃設(shè)計研究院,上海200040)
隨著城市化、機動化進程的加快,以傳統(tǒng)“四階段”法為代表的交通需求預(yù)測技術(shù)已經(jīng)不能應(yīng)對伴隨城市交通發(fā)展所產(chǎn)生的新問題,而基于活動的出行需求分析模型(下簡稱“活動模型”)較好地解釋了出行產(chǎn)生的機理,同時又能敏感地對交通政策和交通需求管理做出響應(yīng),為決策者更好地制定改善城市交通的政策和指令提供服務(wù).
作為一種出行需求分析方法,活動模型的創(chuàng)立可以追溯到瑞典倫德大學(xué)的地理學(xué)家Hagerstrand[1]和美國北卡大學(xué)的社會學(xué)家兼規(guī)劃師Chapin[2]的先期貢獻.直到20世紀(jì)70年代中后期,Jones等[3]開始對基于活動的出行行為進行首次綜合研究,對活動模型給出了明確的定義,并進行了復(fù)雜出行行為建模的初步探索.其后的研究主要分為基于離散選擇建模和基于仿真建模的方法.基于離散選擇模型如Bowman在Sacramento地區(qū)開發(fā)的SACSIM模型[4].基于仿真方法的研究如Bhat等開發(fā)的CEMDAP模型[5],Koohbanani等在開發(fā)的TRANSIMS系統(tǒng)[6]以及Balmer和 Axhausen在瑞典開發(fā)的 MATSIM模型[7].
近年來國內(nèi)一些學(xué)者也開始結(jié)合中國城市的特點在活動模型領(lǐng)域進行了探索和研究.李志瑤、雋志才等將活動模式定義為一階、二階、中間駐停、工作子往返4類,并運用logistic回歸方法進行模型的標(biāo)定[8-9].楊敏對工作者通勤出行簡單鏈模式和復(fù)雜鏈模式的選擇行為特征進行了建模分析[10].穆蕊利用2005年北京居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)建立基于活動的出行方式選擇模型,研究了年齡、職業(yè)、月票情況、家庭月交通費、家庭月收入和出行距離等對出行方式選擇的影響[11].總體來說,國內(nèi)關(guān)于活動模型的研究還處于起步階段,基本還停留在分析出行鏈和出行的不同,以及出行鏈的基本特征的研究上,在活動模型的實際應(yīng)用方面還有待深入研究.
本文結(jié)合基于活動的理論和離散選擇理論,提出適合我國國情的基于活動的居民出行需求預(yù)測模型結(jié)構(gòu).以2010年綿陽市傳統(tǒng)居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù),研究從傳統(tǒng)居民調(diào)查數(shù)據(jù)中提取往返行程和日活動模式以及活動模型建模所需特性數(shù)據(jù)的方法和流程,并提出以方式/目的地選擇模型、時間選擇模型和日活動模式選擇模型為主體的層次選擇模型結(jié)構(gòu),采用分層標(biāo)定模型的方法,就活動模型的數(shù)據(jù)處理、模型結(jié)構(gòu)、變量選擇、模型標(biāo)定提出一個完整的分析方法,并用于預(yù)測分目的、分方式、分時間段的居民出行起迄矩陣,從而實現(xiàn)基于活動模型的交通需求預(yù)測.
居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)是居民出行需求預(yù)測的基礎(chǔ).目前我國大多數(shù)城市仍使用基于傳統(tǒng)“四階段”法的交通需求預(yù)測方法,與之相對應(yīng)的城市居民出行調(diào)查無論是調(diào)查內(nèi)容還是調(diào)查問卷也都是為傳統(tǒng)模型服務(wù).本文建模使用的是2010年四川省綿陽市綜合交通規(guī)劃中進行的傳統(tǒng)居民出行調(diào)查數(shù)據(jù),通過處理,從調(diào)查數(shù)據(jù)中提取往返行程和日活動模式等基于活動模型建模所需的特性數(shù)據(jù),使其符合基于活動模型的建模要求,從而進行模型活動鏈特征的統(tǒng)計分析和各層模型的標(biāo)定.
2010年四川省綿陽市居民出行調(diào)查采用傳統(tǒng)的居民調(diào)查設(shè)計表,調(diào)查6周歲以上的居民,以戶為單位,采取家訪調(diào)查的形式.調(diào)查共抽取家庭10 593戶,約27 500人,抽樣率4%,回收表格10 120戶,其中有效戶數(shù)為9 359戶,有效記錄19 944人,有效抽樣率3%.本文建模僅針對綿陽市區(qū)范圍,劃分為189個小區(qū),土地利用、人口、就業(yè)崗位等均以小區(qū)為單位進行統(tǒng)計.
傳統(tǒng)模型的居民出行調(diào)查在社會經(jīng)濟特征、出行方式可選性、小區(qū)特征和用地特征等方面的調(diào)查內(nèi)容與面向活動模型的居民出行調(diào)查基本相同.主要區(qū)別在于傳統(tǒng)的居民出行調(diào)查中居民的出行活動是以出行為研究單位;而面向活動模型的調(diào)查是以往返行程為研究單位.因此,要利用傳統(tǒng)居民出行調(diào)查的數(shù)據(jù)來進行活動模型的建模,需要對居民出行的相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理,從中提取出居民出行的往返行程和日活動模式等建模所需的特性數(shù)據(jù).
本文采用的問卷按照一天出行次序的先后,逐次記錄每次出行的出發(fā)和到達(dá)時間、出行目的、目的地、出行方式和費用等,采用錄入程序得到基礎(chǔ)的Excel數(shù)據(jù)表格后,使用Excel中的VBA語句對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行處理,剔除了邏輯錯誤數(shù)據(jù)后進行分解、判斷,合成得到往返行程和日活動模式的數(shù)據(jù).對每個出行居民的數(shù)據(jù)處理邏輯流程如圖1所示.
圖1 出行數(shù)據(jù)提取邏輯圖Fig.1 Flow chart of extracting activity-based data from traditional trip survey
根據(jù)以上步驟對數(shù)據(jù)進行處理統(tǒng)計,得到本文所建離散選擇模型的樣本量見表1.
表1 各個離散選擇模型的樣本量Tab.1 Sample sizes of each discrete choice model
根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù),每個出行居民一天的活動可分為一階往返行程、二階往返行程和子往返行程.鑒于一階往返行程中工作/上學(xué)往返行程主要集中在早晚高峰時段,更具規(guī)律性,可單獨分類考慮.根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,一階工作/上學(xué)往返行程占43.19%,一階非工作/上學(xué)往返行程占38.66%,二階往返行程16.50%,子往返行程占1.64%.一階往返行程所占比例較大,出行時間集中在早晚高峰,而且工作/上學(xué)往返行程和非工作/上學(xué)往返行程在特征上有較大不同,可分兩類討論.而子往返行程的數(shù)量較少,因此不單獨建模研究.
根據(jù)綿陽市居民活動特征和活動理論的基本要求,對居民每日的活動做如下假設(shè):①假設(shè)調(diào)查所得的數(shù)據(jù)反映了居民每天按一定時間上下班(學(xué))的規(guī)律性;②將居民具有規(guī)律性的每日活動劃分出不同的日活動模式;③出行者在選擇日活動模式的條件下,再進一步考慮每一個往返行程的目的地、出行時間和出行方式;④假設(shè)各個往返行程相互之間是獨立的.根據(jù)以上假設(shè),本文在建模時按照活動-出行選擇順序建立三層模型:日活動模式選擇模型、時間選擇模型和方式/目的地聯(lián)合選擇模型,模型的選擇結(jié)構(gòu)如圖2所示.下面從底層開始逐一對模型進行介紹.
圖2 基于活動的多層選擇模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of activity-based hierarchy selection model
本研究中出行方式和目的地的聯(lián)合選擇模型為
式中:Pmd為交通方式m和出行目的地d組合的概率;m是僅隨出行方式變化的確定效用項d是僅隨出行目的地變化的效用確定項md是同時隨交通方式和目的地變化的效用確定項;Cmd為可以選擇的出行方式和目的地集合.
出行方式/出行目的地聯(lián)合選擇模型的效用函數(shù)影響變量主要有3類:社會經(jīng)濟屬性變量、出行模式變量和城市用地屬性變量.社會經(jīng)濟屬性變量包括:家庭規(guī)模、交通工具擁有情況、家庭收入、性別、年齡和職業(yè)等.出行模式變量包括:出行者的出行模式中是否存在駐停、駐停的次數(shù)和位置等.城市用地屬性變量包括:阻抗變量、區(qū)位變量和吸引性變量3類.阻抗變量主要指出行距離;區(qū)位變量包括目的地小區(qū)所處區(qū)位(中心區(qū)、郊區(qū))、出行是否跨江、出發(fā)小區(qū)和目的地小區(qū)是否相同;吸引性變量主要包括小區(qū)的人口、就業(yè)面積和居住面積.
離散選擇模型中,難以模擬連續(xù)時間的選擇.本研究中時間選擇模型為
式中,Pj為選擇時間段j的概率是根據(jù)時間選擇影響因素Xkj計算的確定效用項,θkj是可觀測變量的參數(shù);Ct為可以選擇的時間段集合.
本文對一天的時間進行了分段,將早高峰作為一個時間段,晚高峰作為一個時間段,早高峰前、早晚高峰之間、晚高峰以后分為3個時間段,一天共劃分為5個時間段,并假定每個時間段內(nèi)交通系統(tǒng)的性能大致相同.往返行程用往程起始時間所在時間段,返程起始時間所在時間段來定義往返行程的時間,同時假定:①往程起始時間(返程起始時間)所在的時間段內(nèi)交通系統(tǒng)的性能一致;②認(rèn)為往程起訖時間和返程起訖時間不發(fā)生時間段的跨越.
出行者對出行時間的選擇主要受到家庭屬性和個人屬性的影響,同時也受到往返行程類型和目的以及其駐停的位置和數(shù)量的影響.本文在建立時間選擇模型的效用函數(shù)時主要考慮3類變量:家庭屬性變量,包括家庭人口、家庭擁有交通工具的數(shù)量;個人屬性變量,包括性別、年齡、職業(yè)、收入、是否有駕照等;駐停屬性變量,包括駐停的位置和數(shù)量.
本研究中日活動模式選擇模型為
式中:Pl為日活動模式選擇概率,是日活動模式選擇影響因素Xkl計算的確定效用項,θkl是可觀測變量的參數(shù);Cm為可以選擇的活動模式集合.
在綿陽市居民出行調(diào)查問卷中將出行目的劃分為11類,包括:工作、工作外出、上學(xué)、購物、私人事務(wù)、走訪親友、娛樂等.結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)中日活動模式的特點,本文對日活動模式按以下幾種特征進行分類:一階往返行程的目的、一階往返行程的駐停位置、有無二階往返行程.通過對調(diào)查數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分類,得出綿陽市居民出行調(diào)查存在17種日活動模式.
日活動模式模型是活動模型的最上層模型,影響日活動模式的變量非常多,本文建模時主要考慮家庭屬性、個人屬性、家庭和個人屬性交叉類、出行距離變量等幾種因素.家庭屬性類變量,包括家庭人口數(shù)和家庭交通工具擁有情況;個人屬性變量,包括個人的年齡、性別和職業(yè);家庭和個人屬性交叉類變量,包括:男-家庭人口數(shù)1(male_h(yuǎn)h1)、男-家庭人口數(shù)2(male_h(yuǎn)h2)、男-家庭人口數(shù)3(male_h(yuǎn)h3)、男-家庭人口數(shù)4(male_h(yuǎn)h4)、女-家庭人口數(shù)1(female_h(yuǎn)h1)、女-家庭人口數(shù)2(female_h(yuǎn)h2)、女-家庭人口數(shù)3(female_h(yuǎn)h3)、女-家庭人口數(shù)4(female_h(yuǎn)h4)、老人-家庭人口數(shù)3以上(old_h(yuǎn)h3+)和年輕人-家庭人口數(shù)3以上(young_h(yuǎn)h3+);出行距離變量,根據(jù)綿陽市居民出行調(diào)查的數(shù)據(jù),當(dāng)一階活動的出行距離大于2.5 km時,僅有25%的出行者仍然會選擇二階活動,因此設(shè)置出行距離變量DIST,當(dāng)一階活動出行距離大于2.5 km時DIST=1,否則為0.
Pendyala等在FAMOS系統(tǒng)的技術(shù)手冊中提到,對于多層選擇模型的標(biāo)定一般有兩種方法:逐層標(biāo)定(sequential)方法和整體同時標(biāo)定(simultaneous)方法[12].其中,逐層標(biāo)定方法存在下列優(yōu)點:
(1)可操作性:當(dāng)使用整體同時標(biāo)定法來標(biāo)定活動模型時,總的選擇枝數(shù)量是每一層的選擇枝的數(shù)量的乘積,這在用非集計模型求解時將非常困難,而逐層標(biāo)定在每一層標(biāo)定時所面對的選擇枝數(shù)量要小得多[13].
(2)行為理論基礎(chǔ):逐層標(biāo)定方法也存在出行者出行行為決策的理論支持.出行者往往并不了解所有交通方式、出行時間段、出行目的地等在出行性能上的不同,因此雖然有些選擇枝的效用可能更好,但是出行者卻并不一定選擇.因此出行者在出行決策時往往更傾向于逐層選擇來確定日活動模式、活動時間和活動的方式/目的地[14].
考慮到實際標(biāo)定的可操作性和出行者實際選擇出行時的思維模式,本文建立的基于活動的出行需求預(yù)測模型對如下3種關(guān)系進行簡化處理:①各階往返行程之間的獨立不相關(guān)性;②時間選擇與方式/目的地選擇的獨立不相關(guān)性;③日活動模式與往返行程之間的獨立不相關(guān)性.因此,本文建立的日活動模式模型、時間選擇模型和方式/目的地聯(lián)合選擇模型之間是相互不相關(guān)的,可以使用逐層標(biāo)定的方法依次標(biāo)定方式/目的地選擇模型、時間選擇模型和日活動模式模型.下面以方式/目的地聯(lián)合選擇模型中一階工作往返模型的標(biāo)定為例,介紹標(biāo)定過程.
使用SAS軟件中的logistic回歸對方式/目的地聯(lián)合選擇模型的數(shù)據(jù)用多項羅吉特(MNL)模型進行標(biāo)定,先將與方式與目的地選擇相關(guān)的變量全部代入模型,使用stepwise逐步回歸對變量進行選擇,在每一步迭代中選擇對模型貢獻最大(表征變量顯著水平的P值<0.05)的變量,將對模型影響水平不顯著的變量剔除出模型,反復(fù)迭代,直到?jīng)]有變量可以進入模型同時也沒有變量可以剔除出模型為止.將一階工作往返行程的數(shù)據(jù)篩選出來進行標(biāo)定后,模型共迭代39次,標(biāo)定的擬合指標(biāo)和每輪迭代的變量的顯著水平見表2.
表2 一階工作往返方式/目的地模型擬合指標(biāo)Tab.2 Fitness index of mode/destination choice modal for first order wor k trip
從表2可見,模型極大似然比(likelihood ratio)、Score檢驗和 Wald檢驗的值都符合要求,遠(yuǎn)大于臨界值.模型的McFadden系數(shù)(SAS中為R2)和最大修正R2分別為0.584 4和0.608 2滿足回歸要求(該系數(shù)一般達(dá)到0.2~0.4即認(rèn)為符合要求).
模型效用函數(shù)系數(shù)標(biāo)定結(jié)果見表3.表中1指步行,2指自行車,3指摩托車和助動車,4指小汽車,5指公交,6指其他交通方式.6被作為參照組,默認(rèn)所有系數(shù)均為0,則對于其他5種交通方式該變量的標(biāo)定系數(shù)為正,則說明這種交通方式對于該變量屬性更具吸引力.表中變量包括:常數(shù)項(intercept)、家庭人口數(shù)為1~3人(hhsize1~3)、家庭人口數(shù)為4人及以上(hhsize4)、家庭擁有汽車數(shù)為0輛(auto0)、家庭擁有汽車數(shù)為2輛及以上(auto2)、家庭擁有摩托車數(shù)為0~1輛(motor0~1)、家庭擁有自行車數(shù)為0~1輛(bike0~1)、家庭擁有自行車數(shù)為2輛及以上 (bike2)、家 庭 月 收 入 2 000~3 000 元(income2)、家庭月收入3 000~4 000元(income3)、家庭月收入4 000~6 000元(income4)、家庭月收入6 000元以上(income5)、性別為男(gender)、年齡6周歲以下(age1)、年齡6~19周歲(age2)、年齡20~25周歲(age3)、年齡65周歲以上(age5)、擁有駕照(driver_l)、工人(voca1)、公務(wù)員(voca2)、專業(yè)技術(shù)人員(voca3)、職員(voca4)、商業(yè)服務(wù)人員(voca5)、企事業(yè)負(fù)責(zé)人(voca6)、大專院校學(xué)生(voca7)、農(nóng)民(voca8)、中小學(xué)生(voca9)、家務(wù)勞動者(voca10)、個體經(jīng)營者(voca11)、其他職業(yè)(voca12)、起訖小區(qū)相同(rd)、在中心城內(nèi)(centre)、無駐停(nostop)、返程駐停(backstop)、往返均駐停(bothstop),以上均為啞元變量,是則值為1,否則為0.此外,還包含變量小區(qū)距離阻抗(Modedestimp)和小區(qū)崗位面積(work_m_level),小區(qū)崗位面積小于20 000 m2,取值為1;20 000—100 000 m2,取值為2;100 000—200 000 m2,取值為3;200 000—400 000 m2,取值為4;400 000 m2以上,取值為5.
表3 一階工作往返模型變量參數(shù)估計結(jié)果表Tab.3 Results of calibrated variables for first order work trip model
由表3的結(jié)果可以看出:
(1)對于出行距離這個變量(modedestimp),步行的系數(shù)為負(fù)值,而小汽車>公交>摩托車>自行車,說明出行距離越遠(yuǎn)越傾向于選擇機動能力強的交通方式.
(2)對于小區(qū)就業(yè)用地面積(work_m_level)這個變量,所有交通方式的系數(shù)均為正,符合小區(qū)就業(yè)用地面積越大提供的崗位數(shù)就相應(yīng)多,產(chǎn)生更多的交通吸引,更容易成為活動的目的地.
(3)對于步行出行交通方式,家庭沒有小汽車(auto0)、沒 有 摩 托 車(motor0)、收 入 較 低(income1)、年齡低(age1,age2)的出行者更傾向于選擇步行交通方式.
(4)對于自行車交通方式,收入較低(income1)、20~25周歲(age3)更愿意選擇自行車交通方式.
(5)對于小汽車交通方式,家庭人數(shù)4人以上的(hhsize4)、收入高的(income5),擁有多輛小汽車的(auto2)更愿意選擇小汽車交通方式.
(6)公務(wù)員(voca2)、企事業(yè)負(fù)責(zé)人(voca6)和個體經(jīng)營者(voca11)更愿意選擇小汽車的出行方式.
(7)當(dāng)返程有駐停(backstop)或往返均有駐停(bothstop)時不易選擇小汽車出行方式.
參數(shù)大部分具有良好的解釋意義,但有一部分參數(shù)解釋意義模糊或者不符合一般的認(rèn)識,如農(nóng)民(voca8)的交通方式選擇,有可能是這部分樣本量相對其他職業(yè)過少,影響標(biāo)定結(jié)果.但為了模型整體交通方式分擔(dān)率和目的地分布的預(yù)測,保留這些參數(shù).
在標(biāo)定模型時使用80%的數(shù)據(jù)用于標(biāo)定模型,剩余20%用于模型的精度檢驗,對一階工作往返行程使用的交通方式進行預(yù)測并和原始數(shù)據(jù)進行比較來檢驗?zāi)P?對每一條記錄將數(shù)據(jù)用表3的變量參數(shù)計算每一個出行者每種交通方式的效用V步行,V自行車,V摩托車,V小汽車,V公交車,并令V其他=0,則某方式的選擇概率為:P某方式=exp(V某方式)/(exp(V步行)+exp(V自行車)+exp(V摩托車)+exp(V小汽車)+exp(V公交車)+exp(V其他)),分別計算P步行,P自行車,P摩托車,P小汽車,P公交車,P其他,最后將每一條記錄各種交通方式累加,得到聯(lián)合選擇模型估計的交通方式分擔(dān)率.
將聯(lián)合選擇模型所得的各交通方式出行量和調(diào)查原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計的出行量進行比較(圖3).可以看到聯(lián)合選擇模型除了對摩托車出行量的估計偏高,其他幾種交通方式的出行量估計都比較準(zhǔn)確,方式/目的地聯(lián)合選擇模型可以較為準(zhǔn)確地計算出行者往返行程的交通方式.
圖3 聯(lián)合選擇模型結(jié)果檢驗圖Fig.3 Validation of combined choice model
在目前的交通需求預(yù)測領(lǐng)域,傳統(tǒng)的“四階段”法仍占據(jù)主導(dǎo)地位,但是在交通需求管理和交通政策管理的背景下,“四階段”法本身對于出行機理解釋的不足,模型內(nèi)部各階段之間聯(lián)系不緊密,對政策的不敏感等缺陷都讓其顯得跟不上時代前進的步伐.本文從傳統(tǒng)的居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)入手,提出獲取基于活動模型的數(shù)據(jù)的方法,并以此數(shù)據(jù)為模型輸入,提出了基于活動的城市居民出行需求預(yù)測模型,確定模型的結(jié)構(gòu)和變量參數(shù),采用逐層標(biāo)定的方法對模型進行標(biāo)定,基本實現(xiàn)了預(yù)測居民一日主體活動的功能,但模型中對于活動中所涉及到的有關(guān)家庭決策和外部系統(tǒng)的影響還沒有考慮,有待今后的進一步深入研究.
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