李欣悅，孫云華*，艾云飛

(1.中交信息技術(shù)國家工程實驗室有限公司，北京100028；2.中國交通通信信息中心，北京100011)

0 引言

機場是銜接多種運輸方式的客、貨轉(zhuǎn)運中心，決定著換乘旅客的出行成本和整個系統(tǒng)的運行效率。但目前機場信息誘導系統(tǒng)不完善造成公共交通分擔率低、站臺排隊時間長、機場高速擁堵等問題，機場可采用VMS 為乘客提供站臺排隊和車輛到站時間等信息引導乘客做出最優(yōu)決策，提高系統(tǒng)運行效率。因此研究不同類型出行信息對機場出站乘客交通方式選擇的影響對優(yōu)化樞紐信息誘導系統(tǒng)有重要意義。

當前很多學者對交通信息如何影響人們交通方式的選擇行為進行了研究。Mauro等[1]引入可能性理論模擬信息條件下駕駛員的動態(tài)選擇行為。Paolo 等[2]研究了不同功能的ATIS(Advanced Traveler Information System)和慣性對旅行時間的影響，結(jié)果顯示，具有預(yù)測性信息的ATIS可以降低駕駛員的感知誤差。黃海軍等[3]發(fā)現(xiàn)單類別或單準則模型可能會高估或低估ATIS的服務(wù)效益。侯現(xiàn)耀等[4]的研究表明，公交信息對乘客出行前行為的影響較為顯著，并且不同的公交信息對乘客出行行為的影響不同?，F(xiàn)有文獻中關(guān)于出行信息對乘客交通行為影響的研究均是基于乘客在同一時間節(jié)點獲得所有信息的假設(shè)，但機場出站乘客在進行交通方式選擇前利用手機查詢信息和接收到機場VMS 信息的時間節(jié)點不同，現(xiàn)有研究鮮有考慮不同類別出行信息條件下乘客的交通方式轉(zhuǎn)移問題，以及將不同時段獲得信息數(shù)據(jù)的融合問題。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，將乘客出行決策過程分為兩階段，建立多類出行信息條件下乘客出行方式選擇模型，利用全概率公式將出行信息融合，從新的視角分析多類出行信息對機場出站乘客交通方式選擇的影響，為改善機場信息系統(tǒng)提供理論支持。

1 多類信息條件下的機場出站乘客交通方式選擇模型

1.1 問題描述

多類出行信息條件下機場出站乘客交通方式選擇分為兩階段：首先，機場出站乘客到達機場后根據(jù)個人興趣和需求，綜合考慮自身經(jīng)驗或手機導航信息做出初步交通方式選擇，在這一階段，利用感知參數(shù)將自身經(jīng)驗和手機導航數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建基于Mixed-Logit模型的乘客出行方式選擇模型；第2階段，乘客在機場內(nèi)部活動時，若機場通過VMS向乘客提供更多出行信息，部分乘客受到出行信息的影響可能會改變之前的選擇，將之前獲取的信息與VMS 提供的信息融合，做出最終決策。具體流程如圖1所示。

圖1 多類出行信息條件下機場出站乘客交通方式選擇模型Fig.1 Selection model of airport outbound passenger traffic mode under condition of multiple types of travel information

為簡化模型描述，作如下假設(shè)：

(1)所有乘客的目的地相同，即只存在一個OD 對；

(2)乘客有4 種交通方式可供選擇，軌道交通，機場巴士，巡游出租車，網(wǎng)約車；

(3)機場巴士、巡游出租車和網(wǎng)約車均需通過機場高速進入市區(qū)，假設(shè)三者的路線相同；

(4)手機導航可以向乘客提供從機場到目的地各種交通方式所需要的旅行費用、步行時間、發(fā)車間隔和車內(nèi)時間。

1.2 符號定義

模型變量和參數(shù)定義如表1所示。

表1 符號定義Table 1 Definition of symbols

1.3 乘客出行成本函數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，影響乘客交通方式選擇的因素主要是出行費用和時間，但乘客對出行時間中包含的步行時間、等車時間和車內(nèi)時間敏感度不同[4]，除此之外，機場出站乘客與通勤出行乘客不同，大部分乘客攜帶行李，對車內(nèi)舒適度要求較高[9]，為提高預(yù)測精度，將出行費用、步行時間、等車時間、車內(nèi)時間和車內(nèi)舒適度作為特性變量，根據(jù)軌道交通和機場巴士的容量約束計算這兩種交通方式的等車時間，即

根據(jù)排隊論公式[5]計算巡游出租車和網(wǎng)約車等車時間，即

式中：μk2為單位時間到達的乘客數(shù)；λk2為單位時間上車的乘客數(shù)。

利用BPR函數(shù)表示機場巴士、巡游出租車和網(wǎng)約車的路上擁堵時間，即

式中：C0為機場高速原有斷面流量；t0為自由流的行駛時間；C為機場高速的通行能力；a和b為模型待定參數(shù)；q3為選擇巡游出租車的乘客數(shù)；q4為選擇網(wǎng)約車的乘客數(shù)。

根據(jù)車內(nèi)乘客數(shù)與車內(nèi)容量的比值將車內(nèi)舒適度量化，即

式中：Lk2為軌道交通座位數(shù)。

1.4 機場出站乘客初始交通方式選擇模型

機場出站乘客交通方式選擇的主要影響因素是乘客個人屬性和出行方式屬性，Mixed-Logit 模型可以通過待估參數(shù)向量的不同分布狀況表現(xiàn)不同屬性乘客的喜好特點，因此本文利用Mixed-Logit模型描述乘客初步交通方式選擇情況。出行方式屬性包括乘客到達機場時根據(jù)自身經(jīng)驗或手機導航獲得各種交通方式的費用、步行時間和路上時間信息，根據(jù)這些影響因子構(gòu)建各交通方式效用函數(shù)為

交通方式k的感知效用函數(shù)為

根據(jù)Mixed-Logit公式得到乘客初步交通方式選擇結(jié)果為

Mixed-Logit 模型的選擇概率可以看作Logit模型選擇概率的加權(quán)平均值，權(quán)重由分布密度函數(shù)決定，向量β1為效用函數(shù)中的待估參數(shù)向量，ρ1為密度函數(shù)的未知特征參數(shù)，θ1為感知參數(shù)。

1.5 VMS信息條件下機場出站乘客交通方式轉(zhuǎn)移模型

乘客在第1階段做出初始交通方式選擇后，若提供VMS，則乘客首先需要確定是否改變之前的方式選擇，若改變，需確定乘客向其他交通方式轉(zhuǎn)移的概率，機場出站乘客交通方式轉(zhuǎn)移過程如圖2所示。以初步交通方式選擇為軌道交通出行的乘客為例，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，乘客第2階段的方式轉(zhuǎn)移是雙層結(jié)構(gòu)，對于選擇軌道交通的乘客而言，機場巴士、巡游出租車和網(wǎng)約車存在相似特征，故乘客在第1 階段沒有選擇這3 種方式。由于傳統(tǒng)多項Logit 模型具有非相關(guān)選擇方案的相互獨立特性(IIA 特性)，故選擇方案重合部分較多時，應(yīng)選擇巢式Logit模型研究出行方式轉(zhuǎn)移行為。

圖2 機場出站乘客交通方式轉(zhuǎn)移過程Fig.2 Transfer process of airport outbound passenger traffic mode

假設(shè)VMS 向乘客提供站臺等車時間、高速擁堵時間和車上擁擠度信息，根據(jù)這些因素構(gòu)建基于VMS信息的效用函數(shù)為

式中：Xn為VMS 提供的影響因素變量向量，為高速擁堵時間；βn為Xn所對應(yīng)的待估參數(shù)向量，為待估參數(shù)。

在機場設(shè)置VMS向乘客提供機場高速擁堵時間、各站臺等車時間和車內(nèi)擁擠度信息，將其作為影響因子構(gòu)建選擇枝的效用函數(shù)為

式中：i為選擇枝，i=1 為軌道交通，i=2 為機場巴士，i=3 為巡游出租車，i=4 為網(wǎng)約車。

乘客選擇虛擬選擇枝的概率為

結(jié)合式(9)～式(14)，得到各選擇枝的選擇概率為

根據(jù)全概率公式計算發(fā)生交通方式轉(zhuǎn)移后各交通方式分擔率為

2 算法

多類出行信息條件下機場出站乘客交通方式選擇第1階段運用Mix-Logit模型，第2階段利用巢式Logit 模型計算乘客交通方式轉(zhuǎn)移概率。因此，求解該模型首先需要將蒙特卡洛方法和連續(xù)平均法[6](MSA)結(jié)合，產(chǎn)生初始交通方式選擇結(jié)果；然后，改進連續(xù)平均法求解巢式Logit模型；最后利用全概率公式將兩階段數(shù)據(jù)融合，得到各交通方式分擔率。算法求解框架如圖3所示。

圖3 算法框架Fig.3 Algorithm framework

3 算例

3.1 算例背景及參數(shù)賦值

算例以首都國際機場T2 航站樓為起點，東直門為終點，假設(shè)乘客總數(shù)為500人，可選4種交通方式成本如表2所示。經(jīng)調(diào)查，巡游出租車和網(wǎng)約車的平均費用分別為66 元和63 元，載客量為1.5 人·車-1，則每位乘客需要支付的費用分別為44 元和42 元。參考文獻[7]，乘客對時間和費用的感知價值參數(shù)假設(shè)如表3所示。

表2 不同交通方式所需的時間及費用Table 2 Time and cost for different traffic mode

表3 乘客特性變量參數(shù)Table 3 Parameter of passenger characteristic variables

軌道交通和機場巴士容量有限，當選擇軌道交通和機場巴士的人數(shù)超過車內(nèi)容量時，部分乘客需要等待下一輛車，假設(shè)軌道交通到達T2 航站樓時車內(nèi)有200人，定員922人，座位數(shù)為216，機場巴士定員50 人。根據(jù)文獻[8]?？稍O(shè)BPR 函數(shù)中a=0.71，b=1.5，C=3600 pcu·h-1。根據(jù)調(diào)查，得到乘客在站內(nèi)等待巡游出租車和網(wǎng)上排隊約車的時間分別為

不同VMS的信息內(nèi)容如表4所示。

表4 不同VMS信息內(nèi)容Table 4 Information content of different VMS

3.2 參數(shù)敏感度分析

乘客對實際旅行時間的感知情況主要由信息的質(zhì)量決定，信息質(zhì)量越高，乘客對實際旅行時間的感知越準確，感知參數(shù)越大[2]。根據(jù)模型和算法計算得到不同出行信息條件下乘客的交通方式選擇和系統(tǒng)運行效率隨信息質(zhì)量變化的情況，如圖4和圖5所示。

從圖4 可以看出，提供VMS4信息的情況下選擇巡游出租車和網(wǎng)約車的乘客數(shù)最少，隨著θ1和θ2的增加，選擇巡游出租車和網(wǎng)約車的乘客數(shù)逐漸減少。根據(jù)以上分析可知，當信息質(zhì)量足夠高時，等車時間、路上擁堵時間和車上擁擠度信息結(jié)合的情況下，公共交通分擔率最高，與無VMS信息的情況相比，公共交通利用率提高了3%。

圖4 不同信息條件下乘客交通方式選擇隨信息質(zhì)量變化情況Fig.4 Changes of passenger traffic mode selection with information quality under different information conditions

圖5 對比有無VMS 信息的情況發(fā)現(xiàn)，提供VMS信息的情況下乘客出行時間少于未提供VMS信息的情況。當θ1=1，θ2=1時，提供VMS1的情況下乘客的平均步行時間最短，與無VMS 信息的情況對比，步行時間縮短了15.5%。提供VMS4的情況下乘客平均等車時間和旅行時間最短，相比于無VMS的情況等車時間縮短了17.9%，總旅行時間縮短了13.8%。提供VMS2的情況下路上擁堵時間最短，與無VMS信息的情況相比縮短了16.1%。根據(jù)以上分析可知，當信息質(zhì)量足夠高時，等車時間、路上擁堵時間和車上擁擠度信息結(jié)合可以使乘客等車時間和旅行時間最短，有效緩解站臺擁堵，提高系統(tǒng)運行效率。

圖5 不同信息條件下乘客出行時間隨信息質(zhì)量變化情況Fig.5 Changes of passenger travel time with information quality under different information conditions

3.3 道路擁擠程度分析

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，提供VMS2、VMS3和VMS4信息的情況下，隨著道路擁堵狀況變化各交通方式分擔率變化較大，隨著路上擁堵狀況加劇，選擇軌道交通的乘客數(shù)逐漸增多，選擇機場巴士、巡游出租車和網(wǎng)約車的乘客數(shù)逐漸減少。由此可見，道路擁堵信息的提供有利于提高軌道交通分擔率，且道路擁堵越嚴重，道路擁堵信息對乘客交通方式選擇的影響越大。

圖6 不同信息條件下各交通方式分擔率隨道路擁堵狀況的變化情況Fig.6 Change of traffic sharing rate with road congestion under different information conditions

3.4 交通需求敏感度分析

從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，無VMS 情況下，軌道交通分擔率最高，機場巴士分擔率最低。獲得VMS 信息的情況下，當交通需求低于500 人時，機場巴士分擔率隨交通需求的增加逐漸增加；交通需求量超過500 人時，機場巴士分擔率隨需求量的增加而減少。根據(jù)以上分析發(fā)現(xiàn)，交通需求較小的情況下提供VMS信息有利于提高機場巴士利用率。

圖7 不同信息條件下各交通方式分擔率隨交通需求的變化情況Fig.7 Change of share rate of different traffic modes with traffic demand under different information conditions

4 結(jié)論

本文構(gòu)建多類出行信息條件下機場出站乘客交通方式選擇模型研究4 類出行信息對乘客交通方式選擇的影響，并對感知參數(shù)、道路擁擠度和交通需求進行敏感度分析。結(jié)果表明，提供等車時間、道路擁堵時間和車內(nèi)擁擠度信息的情況下，站臺擁堵時間最短，系統(tǒng)運行效率最高。道路擁堵越嚴重，路上擁堵時間信息的提供對乘客的交通方式選擇影響越大，建議提供準確的道路擁堵時間，引導乘客選擇公共交通出行，緩解道路交通壓力。交通需求較小的情況下，提供VMS 信息有利于提高機場巴士利用率，但是機場巴士發(fā)車間隔大，在交通需求較大的情況下，乘客因等車時間過長而放棄選擇機場巴士出行，因此提供等車時間和道路擁堵時間信息，并縮短機場巴士發(fā)車間隔有利于吸引乘客選擇機場巴士，對提高機場巴士利用率有重要意義。