基于TransCAD平臺的OD矩陣反推的關鍵問題及實例分析

■鄭丹(福建省交通規劃設計院，福州　350004)

基于TransCAD平臺的OD矩陣反推的關鍵問題及實例分析

■鄭丹
(福建省交通規劃設計院，福州350004)

摘要本文在介紹基于TransCAD軟件平臺下OD矩陣反推方法基礎上，系統總結了OD反推理論在項目實踐過程中遇到的關鍵問題，如觀測路段、種子OD、交通分配方法等。以福州市高速公路網為例，用TransCAD軟件進行多次OD反推，并對反推精度進行檢驗，為OD反推在工可中的廣泛應用提供了可行的方案。

關鍵詞TransCAD OD反推觀測路段種子OD交通分配方法反推精度

目前，新建道路交通量預測主要采用“四階段”法，該方法的基礎在于OD矩陣的獲得，該矩陣反映了區域交通流量、流向等特征。一般獲取OD矩陣采用的是大規模交通調查法，該方法所需時間較長，需要耗費大量的人力、物力及財力。隨著現代交通理論的發展，OD反推技術逐漸出現，該技術可通過對路段交通量進行逆運算得到具有一定精度的各小區現狀OD，相比傳統的OD調查方法，該方法具有數據可獲取性好、成本低廉等優點。

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，實現路段模擬交通量與實測交通量的最小誤差，從而獲得最優OD矩陣。

TransCAD是一個用于交通數據管理和分析的專業交通規劃軟件，是第一個將地理信息系統GIS和交通分析功能完全整合的軟件包。它可以用來儲存、顯示、管理和分析交通數據，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)。其優點是以現狀路網中路段的斷面觀測流量為基礎，將觀測流量當作隨機變量，同時可以采用各種成熟的交通分配方法，比如隨機用戶平衡分配法和用戶平衡分配法。

在OD反推技術中，基礎數據直接關系到反推結果的精度。這些基礎數據主要包括以下3方面：(1)路網信息，反映OD間出行路徑、出行時間；(2)種子OD矩陣，反映交通量分布特征；(3)路段實際交通流量。OD矩陣反推的技術流程如圖1所示。

圖1　OD矩陣反推技術流程

2　工可研中應用OD反推的關鍵問題

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

2.1交通量觀測路段的選擇

交通量觀測路段的選取是確保OD反推精度的關鍵，利用最少的調查路段獲取滿足要求的推算OD矩陣，需要合理選擇設置交通量觀測路段。一般來說，交通量觀測路段的選取必須遵循以下基本準則。

(1) OD覆蓋準則，即觀測路段流量應當涵蓋所有OD對信息。

(2)最大流量準則，網絡中觀測的交通流量越大，OD反推的精度越高。

(3)最大流截斷準則，在調查路段一定時，所選路段應盡可能多地截斷OD交通量。

(4)路段獨立準則，在調查路段一定時，路段流量應當線性無關，以提供盡可能多的OD信息。

以上4條準則中OD覆蓋準則以及路段獨立準則是選擇調查路段的基本依據，應優先滿足。

對于交通量觀測路段的選擇方法，已經取得了一定的研究成果。然而絕大多數研究屬于理論研究范疇，通過建立數學規劃模型來求解路段設置問題。在我國目前對觀測路段的選取還沒有統一的方法下，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構，對于OD反推非常重要，高質量的種子OD能夠大大提高反推結果的精度。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、隨機用戶均衡法、系統最優法等。相關文獻研究中表示，在觀測路段擁擠程度較小(V/C<1)的情況下，基于用戶平衡法的OD矩陣反推方法較優；在觀測路段擁擠程度較大(V/C>1)的情況下，基于隨機用戶平衡法的OD矩陣反推方法較優。

3　基于TransCAD平臺的OD矩陣反推實例分析

3.1路網構建及小區劃分

在此選取福州市高速公路網進行實例分析，在TransCAD中搭建路網模型。該路網由56個路段組成，每個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間。通過調取2014年福建省高速公路綜合報表中相關路段的交通流量(輛/日)，作為路網的路段流量。

交通小區按照行政區域劃分為13個“大型小區”，另外在每個OD大型小區內又以路段交叉點和起訖點建立“微型小區”，共計54個“微型小區”。實際計算中是以這54個“微型小區”為對象進行，“微型小區”屬性與所屬“大型小區”的屬性相同。這樣可以解決OD反推后“大型小區”區內的交通量不被分配的問題(見圖2)。

圖2　道路網絡及交通小區

3.2阻抗矩陣及種子矩陣構建

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

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

在實際操作中，用種子OD矩陣進行OD反推后，將反推所得到的OD矩陣再分配，可以達到更好的效果。

3.3現狀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，從本路網的實際情況來看，路網中OD對之間的可選最短路徑較少，同時本路網為非飽和路網，因此本文選取用戶平衡法(UE)進行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

OD反推精度的校核方法一般是將得到的OD矩陣分配在現狀路網上，將路段流量數據與現狀調查數據進行比較，用平均相對誤差指標毛估算OD反推的平均精度，通常認為OD反推精度檢驗指標ε≤15%時，OD反推精度符合要求，當然也可根據具體項目情況與區位條件等進行綜合考慮后確定合適的指標大小。平均相對誤差指標ε的計算公式如下：

本文對案例進行了四次反推，其路段分配交通量與觀測交通量誤差對比如圖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，占17.86%；第二次反推平均精度ε=4.04%，誤差＞15%的路段有4個，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，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。本案例進過多次OD反推，實現了較為理想的精度，且分配交通量與實際路網中的交通分布較為符合。

圖4　路段分配交通量與觀測交通量誤差對比圖

4　結束語

本文從基于TransCAD平臺的OD矩陣反推方法入手，對OD反推在工可應用中所面臨的交通量觀測路段、種子OD矩陣、交通分配方法等幾個關鍵問題進行了探討，并利用TransCAD軟件對福州市高速公路網進行了多次OD矩陣反推，將每次路段分配交通量與觀測交通量誤差進行分析。實例研究表明，基于TransCAD 的OD矩陣反推方法具有較強的實用性和可操作性。

參考文獻

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