計量交通學(xué)及其研究的幾個方面

陳 嵐,董德存

(同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院)

1 引入計量學(xué)的意義

交通學(xué)科是一門年輕的學(xué)科,生機勃勃,有良好的發(fā)展前景和重要的研究意義,同時正因為其年輕,必然存在著一些問題,如下的幾個問題:

第一、數(shù)據(jù)處理主要采用經(jīng)驗的數(shù)學(xué)模型,存在較大的誤差和局限性,如四階段模型中的交通需求預(yù)測,主要還是采用集計的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?產(chǎn)生較大誤差,影響后期的交通規(guī)劃效果;

第二、根據(jù)與其它學(xué)科的相似性,應(yīng)用其他學(xué)科的理論解釋交通中的現(xiàn)象,如用流體力學(xué)的理論解釋交通流的流量、密度、速度關(guān)系,缺少了交通特有的性質(zhì)和交通流中人的影響因素;

第三、交通分析大部分停留在定性分析或定性與簡單定量分析結(jié)合的階段,如交通風(fēng)險控制和管理中,交通研究學(xué)者通常知道了交通中存在哪些風(fēng)險和風(fēng)險的大致影響程度,根據(jù)經(jīng)驗對風(fēng)險進行的控制及管理,缺乏各種風(fēng)險的具體影響程度及相互影響關(guān)系的分析,難以制定出有的放矢的控制管理措施。

這些問題都顯示出現(xiàn)有的交通理論研究數(shù)學(xué)化程度不夠,偏向經(jīng)驗主義,定量分析手段及方法缺乏,需要更好的理論和手段對其進行研究和分析,而計量學(xué)是顯示和建立以數(shù)字來評述所研究的客體、現(xiàn)象和過程(它們經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)加工,為揭示相應(yīng)屬性的數(shù)量程度建立了基礎(chǔ))的系統(tǒng)。

基于計量學(xué)的特點及現(xiàn)有交通理論研究的問,將計量學(xué)引入交通學(xué)中一方面可以使交通學(xué)更為數(shù)學(xué)化,從定性研究轉(zhuǎn)向定量描述從而認(rèn)識交通的本質(zhì);另一方面,計量學(xué)與交通學(xué)的相互滲透使得交通理論的研究手段和方法更為豐富;同時,交通本來就是一個比較綜合的學(xué)科,不斷地學(xué)科交叉和學(xué)科引入會使得交通學(xué)的發(fā)展更為蓬勃和系統(tǒng)更為完善。

2 計量交通學(xué)的概念及本質(zhì)

隨著國外計量學(xué)及分析方法的不斷發(fā)展與革新,其在交通中的應(yīng)用已逐漸為人們所關(guān)注,同時逐漸形成交通研究領(lǐng)域的一個新方向——Traffic Metrics,本文引入該概念并將其命名為“計量交通學(xué)”,同時給出相應(yīng)的定義——以一定的交通理論和交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料為基礎(chǔ),運用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)方法,以建立交通計量模型為主要手段,揭示各種交通現(xiàn)象的數(shù)量關(guān)系及其規(guī)律性。在該定義中,交通理論是指導(dǎo)思想,統(tǒng)計資料是基礎(chǔ),數(shù)學(xué)模型是工具。

雖然現(xiàn)在的交通理論研究中也有用數(shù)學(xué)方法探討交通現(xiàn)象,但這不能與計量交通學(xué)混為一談,因為計量交通學(xué)并不是將數(shù)學(xué)應(yīng)用于交通學(xué)的同義詞,也不是簡單的對交通數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。可以說,統(tǒng)計學(xué)、交通理論和數(shù)學(xué)這三種觀點對真正了解現(xiàn)代交通中數(shù)量關(guān)系來說,每一種觀點都是必要的,但本身并非充分的條件。三種理論的有機結(jié)合才有力量,這種結(jié)合便構(gòu)成了計量交通學(xué)。

3 計量交通學(xué)內(nèi)容與主要研究方面

3.1 計量交通學(xué)內(nèi)容

計量交通學(xué)是數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、交通學(xué)三者的有機結(jié)合,旨在運用計量分析的方法提供交通理論的數(shù)學(xué)程度、提供交通預(yù)測、規(guī)劃、管理、控制的定量分析手段與模型。計量交通學(xué)的內(nèi)容由四個部分組成,這四個組成部分亦即計量交通學(xué)研究的四個步驟:第一,建立模型;第二,估計參數(shù);第三,驗證理論,第四,實際應(yīng)用。

第一、建立交通計量模型、確定計量變量

建立交通計量模型,就是根據(jù)交通理論和假定條件,分析選擇適合研究對象或研究理論的計量分析方法和模型,根據(jù)已確定的計量分析方法和模型確定合適的計量變量以及變量數(shù)學(xué)表示形式,建立相應(yīng)的基本方程或者基本方程體系,借助方程體系表明各交通變量及相關(guān)變量之間的相互關(guān)系。

第二、估計參數(shù)值

根據(jù)交通理論建立起來的交通模型是參數(shù)未定的模型,亦即理論模型。要使理論模型變成能夠運算的計量模型,就必須求出各參數(shù)值。估算參數(shù)值是計量交通學(xué)中計算量最大、計算過程最復(fù)雜、模型建立最關(guān)鍵的內(nèi)容。如何估算參數(shù)值呢?簡言之,就是根據(jù)一定時期調(diào)查、收集而來的實際統(tǒng)計資料,運用數(shù)理統(tǒng)計方法如最小二乘法、最大似然估計法、矩估計法等等方法求出方程式中的各個參數(shù)值。

第三、驗證理論模型

根據(jù)實際統(tǒng)計資料,運用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)關(guān)于統(tǒng)計假設(shè)檢驗的理論和方法,驗證已經(jīng)估算出參數(shù)值的模型所包含的變量(有哪些變量)、變量的結(jié)合形式(方程的具體形式)、變量的結(jié)合程度(參數(shù)的具體數(shù)值)等等能否代表客觀情況,從而判斷理論模型是否正確反映客觀實際,符合交通現(xiàn)象,以便對所研究之理論進行取舍或修正。

第四、實際應(yīng)用,解決交通問題

對已經(jīng)估算出參數(shù)值的模型求出其被解釋變量數(shù)值的解式,將估算的參數(shù)值和已知的解釋變量數(shù)值代入解式,就可得出被解釋變量的數(shù)值,從而在實際的交通活動中進行應(yīng)用,對交通現(xiàn)象進行分析并進行理論研究,以解決實際交通問題。

3.2 計量交通學(xué)研究的初步方面

基于計量學(xué)在經(jīng)濟領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等不同領(lǐng)域有成功應(yīng)用背景,針對前文現(xiàn)有交通理論研究存在的問題,計量交通學(xué)的初步研究方面有以下三點,但隨著計量學(xué)的發(fā)展及在交通領(lǐng)域的成熟運用,其研究的方面一定會大大擴展,令計量交通學(xué)如同計量經(jīng)濟學(xué)、計量醫(yī)學(xué)一般蓬勃發(fā)展。

(1)交通需求預(yù)測

交通需求的預(yù)測,一方面隨著時間不斷變化,另一方面同一時段不同地區(qū)的交通需求相互影響、不斷變換,如果只研究某一地區(qū)在不同時間上的交通流量及相關(guān)數(shù)據(jù),即采用時間序列數(shù)據(jù),可以分析該地區(qū)交通需求與該地區(qū)人口變化、經(jīng)濟增長的關(guān)系,但卻無法分析相鄰地區(qū)因素變化對該地區(qū)交通需求的影響;如果只研究同一時間各地區(qū)的交通流量與相關(guān)數(shù)據(jù),即采用截面數(shù)據(jù),則可以得到相鄰地區(qū)因素變化對該地區(qū)交通流量的影響,但卻不能得到該地區(qū)交通流量增長與該地區(qū)人口變化、經(jīng)濟增長的關(guān)系。基于這種情況,通過對交通流量歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測地區(qū)周邊相鄰地區(qū)的交通流量歷史數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計,建立面板數(shù)據(jù)庫,選擇計量分析方法中面板數(shù)據(jù)模型,進行交通需求預(yù)測,不僅可以得到交通流量隨時間的變化特性,同時還可以補充不同地區(qū)交通流量變化對預(yù)測地區(qū)的影響和聯(lián)系。

(2)交通流理論研究

基于現(xiàn)有的交通流密速模型,將該模型結(jié)合非參數(shù)估計方法,將道路特性、交通參與人員特性等變量引進交通流模型中,建立已知模型與非參數(shù)模型相結(jié)合的半?yún)?shù)計量估計模型,從而令交通流模型脫離流體力學(xué)的背景,更強調(diào)交通中人的作用,使得交通流模型更加符合交通流的實際意義,為各種相關(guān)交通研究提供有利的支持。

(3)交通風(fēng)險控制研究

在現(xiàn)有的交通風(fēng)險控制與研究理論中,由于對不同風(fēng)險因素引發(fā)的風(fēng)險后果并不了解,相互之間的數(shù)學(xué)關(guān)系比較模糊,導(dǎo)致目前交通風(fēng)險研究主要停留在定性分析階段。針對這一狀況,采用計量分析方法中的非參數(shù)模型的,通過模型的建立與計算,確定各種交通風(fēng)險引起交通事故的影響大小、預(yù)測交通事故發(fā)生后的風(fēng)險損失程度,將交通風(fēng)險控制提升到定量分析的層面,并根據(jù)定量分析的結(jié)果就不同大小的風(fēng)險因素采取相應(yīng)的控制和管理措施,使各項控制和管理措施達(dá)到最優(yōu)的效果。

綜上所述,我們可將計量交通學(xué)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容及其作用歸納如圖 1所示。

圖 1 計量交通學(xué)的研究框架

4 結(jié) 語

數(shù)學(xué)化和學(xué)科交叉是未來科學(xué)發(fā)展的方向,交通學(xué)作為一門綜合學(xué)科更是需要量化和學(xué)科滲透,計量交通學(xué)是交通未來發(fā)展的必然產(chǎn)物,它的出現(xiàn)定將令交通理論研究更趨于數(shù)學(xué)化,考慮交通系統(tǒng)中人的因素,使得交通理論研究水平不斷提升。

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