■鄭丹(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州　350004)

基于TransCAD平臺(tái)的OD矩陣反推的關(guān)鍵問題及實(shí)例分析

■鄭丹
(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350004)

摘要本文在介紹基于TransCAD軟件平臺(tái)下OD矩陣反推方法基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了OD反推理論在項(xiàng)目實(shí)踐過程中遇到的關(guān)鍵問題，如觀測(cè)路段、種子OD、交通分配方法等。以福州市高速公路網(wǎng)為例，用TransCAD軟件進(jìn)行多次OD反推，并對(duì)反推精度進(jìn)行檢驗(yàn)，為OD反推在工可中的廣泛應(yīng)用提供了可行的方案。

關(guān)鍵詞TransCAD OD反推觀測(cè)路段種子OD交通分配方法反推精度

目前，新建道路交通量預(yù)測(cè)主要采用“四階段”法，該方法的基礎(chǔ)在于OD矩陣的獲得，該矩陣反映了區(qū)域交通流量、流向等特征。一般獲取OD矩陣采用的是大規(guī)模交通調(diào)查法，該方法所需時(shí)間較長(zhǎng)，需要耗費(fèi)大量的人力、物力及財(cái)力。隨著現(xiàn)代交通理論的發(fā)展，OD反推技術(shù)逐漸出現(xiàn)，該技術(shù)可通過對(duì)路段交通量進(jìn)行逆運(yùn)算得到具有一定精度的各小區(qū)現(xiàn)狀OD，相比傳統(tǒng)的OD調(diào)查方法，該方法具有數(shù)據(jù)可獲取性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

1　基于TransCAD的OD矩陣反推方法

所謂OD反推，主要是指從路段的觀測(cè)流量反推獲得OD矩陣的方法，OD反推的過程就是通過OD矩陣校正、OD矩陣分配的迭代，實(shí)現(xiàn)路段模擬交通量與實(shí)測(cè)交通量的最小誤差，從而獲得最優(yōu)OD矩陣。

TransCAD是一個(gè)用于交通數(shù)據(jù)管理和分析的專業(yè)交通規(guī)劃軟件，是第一個(gè)將地理信息系統(tǒng)GIS和交通分析功能完全整合的軟件包。它可以用來儲(chǔ)存、顯示、管理和分析交通數(shù)據(jù)，提供了其他GIS或交通模型軟件所不能及的綜合分析及表現(xiàn)功能。TransCAD中的OD矩陣反推程序主要基于單一路徑OD矩陣反推方法(SPME)和多路徑OD矩陣反推方法(MPME)。其優(yōu)點(diǎn)是以現(xiàn)狀路網(wǎng)中路段的斷面觀測(cè)流量為基礎(chǔ)，將觀測(cè)流量當(dāng)作隨機(jī)變量，同時(shí)可以采用各種成熟的交通分配方法，比如隨機(jī)用戶平衡分配法和用戶平衡分配法。

在OD反推技術(shù)中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接關(guān)系到反推結(jié)果的精度。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括以下3方面：(1)路網(wǎng)信息，反映OD間出行路徑、出行時(shí)間；(2)種子OD矩陣，反映交通量分布特征；(3)路段實(shí)際交通流量。OD矩陣反推的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1　OD矩陣反推技術(shù)流程

2　工可研中應(yīng)用OD反推的關(guān)鍵問題

通過分析OD反推模型的流程，在利用OD反推技術(shù)對(duì)OD矩陣進(jìn)行推算和校正時(shí)，除了反推模型本身的準(zhǔn)確性，還有幾個(gè)重要的因素影響著OD反推的精度，包括交通量觀測(cè)路段的選擇、種子OD矩陣的選擇、交通分配方法的選擇。

2.1交通量觀測(cè)路段的選擇

交通量觀測(cè)路段的選取是確保OD反推精度的關(guān)鍵，利用最少的調(diào)查路段獲取滿足要求的推算OD矩陣，需要合理選擇設(shè)置交通量觀測(cè)路段。一般來說，交通量觀測(cè)路段的選取必須遵循以下基本準(zhǔn)則。

(1) OD覆蓋準(zhǔn)則，即觀測(cè)路段流量應(yīng)當(dāng)涵蓋所有OD對(duì)信息。

(2)最大流量準(zhǔn)則，網(wǎng)絡(luò)中觀測(cè)的交通流量越大，OD反推的精度越高。

(3)最大流截?cái)鄿?zhǔn)則，在調(diào)查路段一定時(shí)，所選路段應(yīng)盡可能多地截?cái)郞D交通量。

(4)路段獨(dú)立準(zhǔn)則，在調(diào)查路段一定時(shí)，路段流量應(yīng)當(dāng)線性無關(guān)，以提供盡可能多的OD信息。

以上4條準(zhǔn)則中OD覆蓋準(zhǔn)則以及路段獨(dú)立準(zhǔn)則是選擇調(diào)查路段的基本依據(jù)，應(yīng)優(yōu)先滿足。

對(duì)于交通量觀測(cè)路段的選擇方法，已經(jīng)取得了一定的研究成果。然而絕大多數(shù)研究屬于理論研究范疇，通過建立數(shù)學(xué)規(guī)劃模型來求解路段設(shè)置問題。在我國(guó)目前對(duì)觀測(cè)路段的選取還沒有統(tǒng)一的方法下，通常以定性的方法為主。

2.2種子OD矩陣的選擇

種子OD矩陣反映的是OD推算的初始交通分布結(jié)構(gòu)，對(duì)于OD反推非常重要，高質(zhì)量的種子OD能夠大大提高反推結(jié)果的精度。目前種子OD矩陣的獲得可通過以下4種方法:

(1)“1”矩陣，即所有矩陣一單元賦值為1；(2)阻抗推算種子OD矩陣；

(3)通過小樣本調(diào)查獲得的種子OD矩陣；

(4)歷史OD矩陣(過期OD矩陣)。

前2種方法種子OD獲取方便，然而，種子OD并不包含出行信息，對(duì)OD矩陣的推算精度要遜于后兩種方法。

2.3交通分配方法的選擇

在進(jìn)行OD反推中交通分配模型主要決定了交通出行路徑選擇的概率，對(duì)OD反推具有較大的影響，目前存在多種交通分配算法，包括全有全無算法、容量限制法、用戶均衡法、隨機(jī)用戶均衡法、系統(tǒng)最優(yōu)法等。相關(guān)文獻(xiàn)研究中表示，在觀測(cè)路段擁擠程度較小(V/C<1)的情況下，基于用戶平衡法的OD矩陣反推方法較優(yōu)；在觀測(cè)路段擁擠程度較大(V/C>1)的情況下，基于隨機(jī)用戶平衡法的OD矩陣反推方法較優(yōu)。

3　基于TransCAD平臺(tái)的OD矩陣反推實(shí)例分析

3.1路網(wǎng)構(gòu)建及小區(qū)劃分

在此選取福州市高速公路網(wǎng)進(jìn)行實(shí)例分析，在TransCAD中搭建路網(wǎng)模型。該路網(wǎng)由56個(gè)路段組成，每個(gè)路段都包含以下屬性：“AB-V”、“BA-V”表示路段雙向流量，“AB-C”、“BA-C”表示路段雙向通行能力；“AB-S”、“BA-S”表示雙向速度，“ABT”、“BA-T”表示路段雙向行駛時(shí)間。通過調(diào)取2014年福建省高速公路綜合報(bào)表中相關(guān)路段的交通流量(輛/日)，作為路網(wǎng)的路段流量。

交通小區(qū)按照行政區(qū)域劃分為13個(gè)“大型小區(qū)”，另外在每個(gè)OD大型小區(qū)內(nèi)又以路段交叉點(diǎn)和起訖點(diǎn)建立“微型小區(qū)”，共計(jì)54個(gè)“微型小區(qū)”。實(shí)際計(jì)算中是以這54個(gè)“微型小區(qū)”為對(duì)象進(jìn)行，“微型小區(qū)”屬性與所屬“大型小區(qū)”的屬性相同。這樣可以解決OD反推后“大型小區(qū)”區(qū)內(nèi)的交通量不被分配的問題(見圖2)。

圖2　道路網(wǎng)絡(luò)及交通小區(qū)

3.2阻抗矩陣及種子矩陣構(gòu)建

阻抗是表示各交通小區(qū)間的出行阻礙大小的重要指標(biāo)，也是OD矩陣反推的重要參數(shù)。阻抗矩陣采用多路徑計(jì)算法(Multiple Path)，通過計(jì)算各質(zhì)心點(diǎn)間最小阻抗值獲得。由于出行者受交通小區(qū)間出行阻抗的影響，因此本文采用基于交通小區(qū)出行阻抗的種子OD矩陣計(jì)算方法，具體計(jì)算公式如下：

式中：Fij為種子OD矩陣中交通小區(qū)i與j的出行量比重；tij為交通小區(qū)i與j之間的出行阻抗值。

在實(shí)際操作中，用種子OD矩陣進(jìn)行OD反推后，將反推所得到的OD矩陣再分配，可以達(dá)到更好的效果。

3.3現(xiàn)狀OD矩陣反推

不同分配方法決定了交通出行路徑選擇的概率，從本路網(wǎng)的實(shí)際情況來看，路網(wǎng)中OD對(duì)之間的可選最短路徑較少，同時(shí)本路網(wǎng)為非飽和路網(wǎng)，因此本文選取用戶平衡法(UE)進(jìn)行OD反推，最終反推獲得的路段分配流量如圖3所示。

圖3　OD矩陣反推路段分配流量示意圖

3.4反推精度的檢驗(yàn)

OD反推精度的校核方法一般是將得到的OD矩陣分配在現(xiàn)狀路網(wǎng)上，將路段流量數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，用平均相對(duì)誤差指標(biāo)毛估算OD反推的平均精度，通常認(rèn)為OD反推精度檢驗(yàn)指標(biāo)ε≤15%時(shí)，OD反推精度符合要求，當(dāng)然也可根據(jù)具體項(xiàng)目情況與區(qū)位條件等進(jìn)行綜合考慮后確定合適的指標(biāo)大小。平均相對(duì)誤差指標(biāo)ε的計(jì)算公式如下：

本文對(duì)案例進(jìn)行了四次反推，其路段分配交通量與觀測(cè)交通量誤差對(duì)比如圖4所示。第一次反推平均精度ε=8.16%，誤差εi＞15%的路段有10個(gè)，占17.86%；第二次反推平均精度ε=4.04%，誤差＞15%的路段有4個(gè)，占7.14%；第三次反推平均精度ε=2.17%，誤差εi＞15%的路段有1個(gè)，占1.79%；第四次反推平均精度ε=1.17%，誤差εi＞15%的路段有0個(gè)。本案例進(jìn)過多次OD反推，實(shí)現(xiàn)了較為理想的精度，且分配交通量與實(shí)際路網(wǎng)中的交通分布較為符合。

圖4　路段分配交通量與觀測(cè)交通量誤差對(duì)比圖

4　結(jié)束語

本文從基于TransCAD平臺(tái)的OD矩陣反推方法入手，對(duì)OD反推在工可應(yīng)用中所面臨的交通量觀測(cè)路段、種子OD矩陣、交通分配方法等幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討，并利用TransCAD軟件對(duì)福州市高速公路網(wǎng)進(jìn)行了多次OD矩陣反推，將每次路段分配交通量與觀測(cè)交通量誤差進(jìn)行分析。實(shí)例研究表明，基于TransCAD 的OD矩陣反推方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

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