鐵路到達(dá)旅客離站交通方式選擇模型研究

云 亮，蔣陽(yáng)升，謝 寒

(西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031)

鐵路客運(yùn)樞紐通常集中了鐵路、城市軌道交通、常規(guī)公交、出租車、小汽車等多種交通方式出行，其中鐵路主要承擔(dān)對(duì)外交通的職能，其他幾種方式承擔(dān)出發(fā)和到達(dá)客流的對(duì)內(nèi)集散職能。這兩種職能之間呈現(xiàn)客流輸入輸出的串聯(lián)合作關(guān)系，同時(shí)集散系統(tǒng)中的多種交通方式存在客流分流合流的并聯(lián)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。對(duì)影響這兩類職能發(fā)揮的系統(tǒng)資源配置都已經(jīng)有了充分的研究，但以往的研究往往割裂了兩種職能的內(nèi)在聯(lián)系，通常將對(duì)外交通的資源配置放在鐵路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中考慮，集散交通的資源配置則放在城市交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)中考慮。因此，從優(yōu)化鐵路客運(yùn)樞紐集散交通系統(tǒng)配置、提升交通效率、保障鐵路對(duì)外交通職能發(fā)揮的角度出發(fā)，非常有必要理清兩種交通職能之間的客流聯(lián)系，掌握以對(duì)外交通出行為目的的旅客群在選擇集散交通方式時(shí)的選擇機(jī)理。筆者主要針對(duì)到達(dá)旅客離站交通方式選擇問(wèn)題進(jìn)行建模研究。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在離站交通方式選擇問(wèn)題方面的研究成果主要集中在：換乘客流預(yù)測(cè)問(wèn)題[1-4]、換乘客流組織優(yōu)化問(wèn)題[5]和樞紐內(nèi)部設(shè)施換乘設(shè)施設(shè)計(jì)與優(yōu)化問(wèn)題。其中，在換乘旅客選擇行為問(wèn)題上的主要成果大多集中在模型標(biāo)定等方面[6]；但是在效用函數(shù)中考慮交通方式服務(wù)水平因素的具體成果尚未發(fā)現(xiàn)。筆者將主要針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 鐵路到達(dá)旅客離站交通

鐵路客運(yùn)樞紐到達(dá)旅客離站交通過(guò)程，是指鐵路旅客從到達(dá)鐵路站臺(tái)開始，經(jīng)過(guò)出站、選擇某種離站交通方式、到達(dá)該交通方式所在區(qū)域、候車等一系列決策行為，最終離開鐵路樞紐的整個(gè)過(guò)程。

鐵路客運(yùn)樞紐到達(dá)旅客離站交通的良好運(yùn)轉(zhuǎn)受兩方面因素的影響：到達(dá)客流自身的因素，和樞紐內(nèi)外部的環(huán)境因素。這兩方面因素的影響是相互的：旅客自身特性及其選擇決策行為決定了離站交通系統(tǒng)的特征，如離站交通方式運(yùn)力、布局、樞紐內(nèi)部設(shè)備能力等；而樞紐內(nèi)部和外部的環(huán)境特性，如設(shè)備通行能力、周邊道路條件等，通過(guò)影響離站交通方式的服務(wù)水平的方式，間接影響了旅客的決策行為。由此可見(jiàn)，研究到達(dá)旅客在樞紐內(nèi)外部環(huán)境影響下的離站交通方式選擇問(wèn)題，是合理配置離站交通系統(tǒng)資源的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

筆者以由公共交通和個(gè)體機(jī)動(dòng)交通組成的系統(tǒng)為例，構(gòu)建到達(dá)旅客離站交通方式選擇模型。為了便于處理，文中將出租車視為個(gè)體機(jī)動(dòng)交通，而實(shí)際情況中出租車也具有某些公共交通服務(wù)水平屬性，如候車時(shí)間等。到達(dá)旅客離站交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖1。

圖1 到達(dá)旅客離站交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Network of arriving passengers’ off-site traffic system

圖1中，根據(jù)旅客離站過(guò)程順序，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)共分為3類：①選擇決策點(diǎn)，主要包括O，OPB和OPE，分別為旅客進(jìn)行選擇公共交通與私人交通方式、選擇常規(guī)公交與城市軌道交通方式、選擇出租車和私家車方式的決策點(diǎn)；②出行起終點(diǎn)，主要包括OB，OR，OT，OC和對(duì)應(yīng)的D點(diǎn)，分別為公交、城市軌道交通、出租車和私家車的出行起終點(diǎn)；③換乘點(diǎn)(Transfer)，主要包括TB和TR，分別為公交和城市軌道交通換乘點(diǎn)，其數(shù)量根據(jù)出行路徑而定。

需要說(shuō)明的是，D點(diǎn)為旅客出行的終點(diǎn)，當(dāng)然不可能所有旅客的出行終點(diǎn)均為同一地點(diǎn)，因此D點(diǎn)只是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的虛擬節(jié)點(diǎn)，表示旅客到達(dá)各自的出行終點(diǎn)而離開系統(tǒng)；另外，由于出租車和私家車可以實(shí)現(xiàn)門到門的運(yùn)輸，其出行終點(diǎn)DT和DC就是旅客的出行終點(diǎn)，為了方便表達(dá)而將其單獨(dú)表示。

系統(tǒng)中的實(shí)線段表示出行費(fèi)用不為0的實(shí)際路段，虛線段表示出行費(fèi)用為0的虛擬路段或決策過(guò)程。其中，旅客在O點(diǎn)(通常為出站檢票口附近)進(jìn)行選擇時(shí)主要依據(jù)自身的出行特征進(jìn)行決策，因此采用虛擬路段；在OPB，OPE進(jìn)行選擇時(shí)，更多的是根據(jù)樞紐站內(nèi)走行設(shè)施和離站交通方式交通特征進(jìn)行決策，因此采用實(shí)際路段，以表征站內(nèi)步行時(shí)間、出行費(fèi)用、候車時(shí)間等因素對(duì)旅客決策的影響。

2 離站交通方式選擇機(jī)理

2.1 影響因素分析

傳統(tǒng)的四階段法認(rèn)為，交通方式選擇是出行者在考慮交通目的、交通方式的服務(wù)特性、地區(qū)特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行的決策行為，影響因素包括出行主體特性、出行特性以及交通設(shè)施特點(diǎn)3類。其中交通設(shè)施特點(diǎn)因素分為可量測(cè)的因素和不可量測(cè)的因素兩方面，不可量測(cè)的因素包括了舒適度和方便性、可靠性和準(zhǔn)時(shí)性、防護(hù)物及安全性等[7]。

對(duì)于鐵路客運(yùn)樞紐的旅客交通方式選擇問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為影響因素也主要分為3類：旅客個(gè)體特征、出行特征和交通方式特征[8]。筆者認(rèn)為，旅客個(gè)體特征和出行特征可以歸為影響到達(dá)旅客離站交通方式選擇的內(nèi)因，而交通方式特征可以歸為其外因。不同個(gè)體特征和出行特征的旅客對(duì)出行方式特征的要求的差異，導(dǎo)致了鐵路客運(yùn)樞紐離站交通方式結(jié)構(gòu)的不同。

另外，根據(jù)旅客對(duì)樞紐的熟悉程度不同，各因素的權(quán)重又有所不同：對(duì)樞紐較為陌生的旅客在進(jìn)行離站方式選擇時(shí)往往希望可以快速、便捷、少換乘地從樞紐到達(dá)目的地，因此在決策時(shí)會(huì)更多地考慮外因；經(jīng)常使用樞紐的旅客則往往不需要借助交通誘導(dǎo)，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，因此在決策時(shí)會(huì)根據(jù)出行目的、出行距離等內(nèi)因進(jìn)行初步選擇，再根據(jù)舒適性等外因進(jìn)行調(diào)整。

可見(jiàn)，在旅客進(jìn)行離站交通方式選擇時(shí)，不同類別的旅客不僅會(huì)根據(jù)自己的收入水平、出行喜好等個(gè)體特征和出行目的等出行特征進(jìn)行決策，還會(huì)根據(jù)初步選擇的交通方式的服務(wù)水平進(jìn)行決策調(diào)整。而且，隨著出行者對(duì)于出行質(zhì)量要求的不斷提高，旅客的選擇必將呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)，交通方式特征在旅客形成決策過(guò)程中起到的作用將會(huì)越來(lái)越突出。

2.2 服務(wù)水平因素的作用機(jī)理

鐵路到達(dá)旅客(尤其是初次到達(dá)樞紐的旅客)由于信息不完善，往往只能根據(jù)自身因素選擇離站交通方式，而一旦旅客到達(dá)該方式的候車區(qū)域，也很難重新選擇更符合自己服務(wù)水平要求的方式。因此，假設(shè)樞紐到達(dá)旅客離站交通系統(tǒng)的運(yùn)作服從“旅客-設(shè)施-信息(Passenger-Facilities-Information，簡(jiǎn)稱PFI)作用機(jī)制”[9]，即旅客在選擇離站方式時(shí)可以根據(jù)實(shí)時(shí)的樞紐內(nèi)外部環(huán)境信息進(jìn)行決策。由于現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)備和手段完全可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)服務(wù)水平信息的采集、處理和發(fā)布，因此可以認(rèn)為該假設(shè)是合理可行的。

在信息完善條件下，旅客將可以根據(jù)對(duì)服務(wù)水平的要求進(jìn)行離站交通方式選擇。筆者定義服務(wù)水平期望的概念以表征選擇過(guò)程中服務(wù)水平因素的影響。服務(wù)水平期望是指旅客根據(jù)其出行目的、時(shí)間價(jià)值等因素的綜合考慮，對(duì)各離站交通方式能夠達(dá)到的出行時(shí)間等服務(wù)水平指標(biāo)的期望。筆者選取的服務(wù)水平指標(biāo)包括換乘次數(shù)、擁擠程度和候車時(shí)間。因此定義換乘次數(shù)期望、擁擠程度期望和候車時(shí)間期望，分別表示旅客對(duì)于選擇某種離站交通方式時(shí)能接受的最大換乘次數(shù)、擁擠程度和候車時(shí)間的期望值。其表達(dá)式如式(1)：

(1)

通常旅客在選擇交通方式時(shí)，往往希望換乘次數(shù)越少越好，擁擠程度越小越好，候車時(shí)間越短越好。因此，如果實(shí)時(shí)的離站方式服務(wù)水平高于相應(yīng)的期望，則在方式選擇效用函數(shù)中增加相應(yīng)指標(biāo)的懲罰項(xiàng)，以反映旅客的真實(shí)決策過(guò)程。

3 離站交通方式選擇模型

根據(jù)上述分析，筆者參考交通預(yù)測(cè)四階段法中的交通方式劃分模型，構(gòu)建了鐵路客運(yùn)樞紐到達(dá)旅客離站交通方式選擇模型。文中選擇的是NL(Nested Logit)模型，因?yàn)樵撃Ｐ涂紤]了各選擇枝之間的相關(guān)性，對(duì)具有類似特性的選擇枝進(jìn)行了分類，能夠克服MNL模型所具有的與其它選項(xiàng)無(wú)關(guān)(IIA)特性，更接近于實(shí)際情況。

3.1 NL模型

根據(jù)圖1的網(wǎng)絡(luò)，交通方式選擇集包含常規(guī)公交、軌道交通、小汽車和出租車。由于小汽車和出租車具有相似的交通特性，因此兩者組成虛擬選擇枝(私人交通1)，相應(yīng)的公交和軌道交通組成與私人交通相對(duì)立的虛擬選擇枝(公共交通2)。設(shè)各選擇枝及虛擬選擇枝的效用分別用Uj(j=b，r，c，t)，Ui(i=1，2)表示，對(duì)應(yīng)的效用值確定項(xiàng)分別用Vj和Vi表示，則雙層NL模型的交通方式分層結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的出行效用見(jiàn)圖2。

圖2 雙層NL模型分層結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of two-level NL model

系統(tǒng)NL模型各選擇枝之間的關(guān)系可以描述為樹狀結(jié)構(gòu)，在節(jié)點(diǎn)分叉處可以看作一個(gè)獨(dú)立的簡(jiǎn)單雙項(xiàng)Logit模型(BNL)，由圖2可見(jiàn)，筆者所設(shè)計(jì)的NL模型包含3個(gè)BNL模型。

假定同一個(gè)虛擬選擇枝下的交通方式效用函數(shù)隨機(jī)項(xiàng)服從系數(shù)為b的Gumbel分布，且隨機(jī)項(xiàng)的方差相等，設(shè)私人交通和公共交通效用函數(shù)隨機(jī)項(xiàng)方差分別為σ12和σ22，則根據(jù)文獻(xiàn)[10]的推導(dǎo)過(guò)程，可以得到公交、軌道交通、小汽車和出租車的出行比例Pc，Pt，Pb和Pr分別為：

(2)

式中：λ，b1，b2分別為上下層的參數(shù)，且滿足λ≤b1，λ≤b2；其它符號(hào)同前。

3.2 改進(jìn)的效用函數(shù)

根據(jù)上文所述，效用函數(shù)中選取了出行費(fèi)用、出行時(shí)耗以及作為服務(wù)水平特征變量的換乘次數(shù)、擁擠程度和候車時(shí)間作為特征變量。因此，選擇枝j的改進(jìn)效用函數(shù)計(jì)算公式可用式(3)表示：

Vj=θj1Xj1+θj2Xj2+θjtmax[0,Ej(xt)-Xjt]+

θjcmax[0,Ej(xc)-Xjc]+θjwmax[0,Ej(xw)-Xjw]

(3)

式中：Xj1，Xj2分別為出行費(fèi)用和出行時(shí)耗特征變量；Xjt，Xjc，Xjw分別為選擇枝j的換乘次數(shù)、擁擠程度和候車時(shí)間特征變量；θj1，θj2，θjt，θjc，θjw分別為出行費(fèi)用、出行時(shí)耗、換乘次數(shù)、擁擠程度和候車時(shí)間指標(biāo)的未知參數(shù)；其它符號(hào)同前。

由于NL模型由3個(gè)BNL模型組成，其模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，參數(shù)估計(jì)比較困難，因此文中采用適應(yīng)性強(qiáng)且易操作的極大似然估計(jì)法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，最后得到的非線性方程采用Newton- Raphson法求解。

4 成都東客站實(shí)例分析

4.1 交通調(diào)查概況

本次交通調(diào)查以成都東客站綜合交通樞紐東廣場(chǎng)的到達(dá)旅客為調(diào)查對(duì)象(不包括換乘長(zhǎng)途客運(yùn)離開的旅客)，RP調(diào)查主要在出站及換乘大廳層進(jìn)行，隨機(jī)抽取600個(gè)樣本(到達(dá)旅客)采取詢問(wèn)方式進(jìn)行；流量調(diào)查則由調(diào)查員在主要換乘通道出入口位置采取計(jì)數(shù)方式進(jìn)行，調(diào)查時(shí)間為9:00—19:00共計(jì)10 h。RP調(diào)查主要內(nèi)容包括離站方式選擇意向、服務(wù)水平(如公交換乘次數(shù)、公交擁擠程度、出行費(fèi)用、出行時(shí)間等)期望等。流量調(diào)查則主要反映了到達(dá)旅客在各離站方式間的選擇情況。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，不同離站交通方式選擇意向的服務(wù)水平期望，以及調(diào)查日當(dāng)日不同離站交通方式選擇比例分別如表1和表2。

表1 服務(wù)水平期望值統(tǒng)計(jì)

注：*擁擠程度指標(biāo)采用4級(jí)量化的方式，以公共交通為例，0表示車上有空座，1表示沒(méi)有空座但乘車空間很寬敞，2表示沒(méi)有空座且乘車空間較擁擠，3表示很難擠上車；**候車時(shí)間指標(biāo)以min為單位，其中選擇小汽車方式的旅客多為車等人，因此對(duì)該指標(biāo)的要求水平很低。

表2 離站交通方式選擇調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.2 參數(shù)估計(jì)

基于RP調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)各選擇枝及各BNL模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。把參數(shù)b融入θjk(k=1，2，t，c，w)，并分別代入β= 60%，80%，95%條件下調(diào)查得到的特征變量，通過(guò)編程分別求得Vc，Vt，Vb，Vr和虛擬選擇枝1、2的效用值確定項(xiàng)V1，V2的表達(dá)式如式(4)～式(6)：

β=60%

(4)

β=80%

(5)

β=95%

(6)

4.3 對(duì)比分析

取鐵路客流到達(dá)高峰時(shí)段調(diào)查所得數(shù)據(jù)的平均值作為選擇枝的特征變量值，利用式(4)～式(6)計(jì)算得到各交通方式的出行分擔(dān)率擬合值，并與同一時(shí)段流量調(diào)查值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3。

表3出行分擔(dān)率對(duì)比結(jié)果

Table3Comparisonsofshareratiosoftraveling

通過(guò)結(jié)果對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

1)在不同的β取值條件下，高峰時(shí)期各交通方式出行分擔(dān)率擬合值與調(diào)查值的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)；

2)常規(guī)公共方式選擇枝的擬合值在不同的β取值條件下均比調(diào)查值低；

3)軌道交通方式選擇枝的擬合值在β=60%條件下比調(diào)查值低，在β=80%和β=95%條件下均比調(diào)查值高；

4)出租車方式選擇枝的擬合值在不同的β取值條件下均比調(diào)查值高；

5)小汽車方式選擇枝的擬合值在β=95%條件下比調(diào)查值低，在β=60%和β=80%條件下均比調(diào)查值高。

原因是：在β=60%條件下，部分對(duì)于服務(wù)水平要求較高的乘客由公共交通方式轉(zhuǎn)向私人交通方式；在β=80%和β=95%條件下，由于乘客不能獲得完善交通信息，因而不能做出最有利的決策。

5 結(jié) 語(yǔ)

掌握鐵路到達(dá)旅客在復(fù)雜環(huán)境下的離站交通方式選擇規(guī)律，是合理配置交通系統(tǒng)資源、提高樞紐地區(qū)客流集散效率的必要條件之一。首先，筆者在分析旅客方式選擇影響因素和作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入服務(wù)水平期望指標(biāo)，改進(jìn)了乘客離站交通方式選擇的效用函數(shù)，并建立了由常規(guī)公交、軌道交通、出租車和小汽車等4種方式構(gòu)成的離站交通系統(tǒng)的NL模型，以期更多地考慮服務(wù)水平因素的影響；然后，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)估計(jì)，并以高峰時(shí)段調(diào)查數(shù)據(jù)為例驗(yàn)證了模型的有效性。驗(yàn)證結(jié)果表明，高峰時(shí)段不同β取值條件下，各交通方式出行分擔(dān)率的擬合值與調(diào)查值的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)。其中，在β=60%條件下，部分對(duì)于服務(wù)水平要求較高的乘客可能會(huì)由公共交通方式轉(zhuǎn)向私人交通方式，使得常規(guī)公交的擬合值低于調(diào)查值；在β=80%和β=95%條件下，由于乘客不能獲得完善的交通信息，不能做出最有利的決策，使得部分公共交通資源沒(méi)有發(fā)揮作用。

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行的模型標(biāo)定和結(jié)果對(duì)比分析，由于實(shí)際情況中尚不能實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)采集和發(fā)布，因此模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際調(diào)查結(jié)果仍有一定差距。因此，今后的研究重點(diǎn)可以放在設(shè)計(jì)合理可行的調(diào)查方案，或者利用軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真兩方面考慮。另外，從對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)，研究交通信息在到達(dá)乘客離站交通方式選擇決策時(shí)的影響也將是下一步研究的重要方向之一。

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