中國城市交通模型現狀問題探討

陳先龍

(廣州市交通規劃研究院，廣東廣州510230)

中國城市交通模型現狀問題探討

陳先龍

(廣州市交通規劃研究院，廣東廣州510230)

中國城市交通模型發展歷經30年，在對超大城市及特大城市的交通基礎設施規劃建設決策及交通政策研究發揮重要作用的同時也存在諸多問題。首先，從交通模型的定義、體系和精度三個方面闡述交通模型的基本概念。其次，指出交通模型未考慮職住相對穩定狀態的理論缺陷、超前規劃基礎信息甄別、大數據與傳統抽樣調查的關系以及與非專業人員交互等方面面臨的問題及解決方案設想。最后，從交通模型開發者的角度，提出優秀交通模型工程師的基本素質要求。

交通規劃；交通模型；大數據；交通模型工程師

20世紀80年代，結合中國第一輪大規模居民出行調查，北京[1]、上海[2]、廣州[3]、天津[4]等城市率先建立綜合交通模型，發展至今已有約30年的歷史。毋庸置疑，交通模型對支持超大城市及特大城市的交通基礎設施規劃建設決策及交通政策研究發揮了重要作用。然而，令人遺憾的是交通模型目前的地位非常尷尬，甚至在某些場合只強調應用交通模型技術，而不強調應用的準確性和科學性，對關鍵的數據來源、模型選擇、參數標定、模型校驗等內容缺少足夠關注，導致交通模型在相關研究報告中的出現形式大于內容。這固然有交通模型精度不高的原因，更重要的原因還是對交通模型認識不足。本文從對交通模型的認知、交通模型問題與缺陷，以及交通模型工程師的職業素養等方面進行分析，探討如何正確看待交通模型的現狀問題。

1 交通模型基本概念

1.1 交通模型定義

交通模型是反映交通系統內在規律的數學模型組合，并通過數字、圖形、影像、視頻等形式來描述，融合交通工程學與社會學、人口學、經濟學、統計學、行為學、信息學等多種學科理論，運用數理方法和計算機軟硬件設備，對交通政策與規劃、建設與投資、運行與管理等各階段決策提供支持的重要定量分析技術。

本質上，交通模型是運用數學模型對城市進行解析的方法，對城市交通解析的透徹程度將決定模型質量的優劣。現狀交通模型是對城市現狀的解釋，規劃交通模型則是對城市未來發展的判斷，也即對城市規劃的解讀。只有理解城市才可能建立一個優秀的模型。理解城市體現在兩個本地化：1)隊伍本地化，只有扎根本地的專業人員才可能較為全面地了解和掌握整個城市，這是先決條件；2)參數本地化，各城市自然條件、人口組成、空間結構、基礎設施條件等方面的差異造成居民出行偏好和特征不盡相同，完全照搬其他城市的模型參數必然無法真實解釋本地居民出行行為，因此必須結合專項調查進行本地化的模型參數標定。

關于交通模型的另一個觀點是軟件不是模型。將模型軟件與交通模型混為一談的論斷并不罕見，因此有必要辨明軟件和模型的關系。模型分析軟件為交通模型的設計提供基礎平臺。然而，擁有軟件僅僅是開始，基于模型軟件收集數據、設計建立模型、標定參數、校驗模型的過程被稱為建模，應用于交通分析和評價的建模成果稱之為交通模型。軟件只是工具，不是模型本身。

1.2 交通模型體系

對應不同層次分析所需要的交通模型不同，無論是從分析方法還是分析工具，現階段無法實現通過一個交通模型滿足所有類型交通分析的需要。基于分析對象的不同可以將交通模型分為三層四類交通模型(見圖1)，分別為宏觀交通戰略模型、中觀交通運行模型與專題模型，以及微觀交通仿真模型。

1）宏觀交通戰略模型。

圖1 交通模型組成結構Fig.1 Framework of transportation model

為城市交通發展政策研究、區域性交通走廊分析、重大交通基礎設施規劃建設決策提供快速測試和分析，適用于交通發展戰略測試與區域交通發展研究。

2）中觀交通運行模型。

在宏觀交通戰略模型的基礎上對交通分區系統、交通網絡系統和交叉口控制方式等方面進行細化，力求在交通量、車速等方面反映實際交通運行狀況。

3）專題模型。

指對特定區域范圍或者某種交通系統等需要特別分析建立的精細化模型，對象包括中央商務區、區域性交通樞紐、地鐵網絡系統、城市高架道路系統等。專題模型是宏觀戰略模型與中觀運行模型的細化，兼容上層模型的基本信息，滿足專題模型提出的特別分析需要。

4）微觀交通仿真模型。

主要包括行人和車輛兩大類。行人仿真主要模擬人與人、人與環境之間的相互作用，反映步行空間的行人流動狀況。車輛仿真模型按照跟車模型、換車道模型和可插入機會模型反映車輛個體之間的相互關系，并通過二維和三維的表現形式展現地區的道路交通運行狀況并提取評價指標。

不同層次、不同類型的交通模型均有其特定的適用范圍，因此需要構建較為合理的交通模型體系結構，從滿足基本分析需求著手，同時具備一定的可擴展性，各層次的模型使用相同的基礎數據庫，各模塊既能夠獨立運行，又能夠銜接和交互，為交通分析提供統一的基礎平臺。總之，宏觀—中觀—微觀模型為向下繼承和向上反饋的關系，即下一層次模型從上一層次模型中繼承相關的信息，在此基礎上進行細化和深入研究，并將深化過程中所得的可供上一層次模型使用的數據進行反饋。

1.3 交通模型精度

預測精度是檢驗模型可靠性的重要指標，但現階段中國很多城市的模型預測精度不高。問題可能存在于預測前提、方法論、參數等方面，不一而足。將預測精度簡單歸結為模型是否準確稍顯牽強。模型預測本身是一個IF-THEN過程，即在同一套模型參數體系下，一個假定對應一個結果。在現實中假定通常變化較快，這與中國城市建設處于高速發展階段有關。這對模型工程師提出較高要求，他們需要讀懂并理解城市才可能做出較為準確的預判。然而，由于存在太多具有不可預測性的因素，模型只能通過設定概率的方式來描述可能考慮到的因素。因此，預測年限在3～5年的短期預測和結合高頻數據的短時預測結果可以保持較高精度。

盡管長周期預測結果精度有限，但仍具有一定的重要性和必要性：1)長周期預測模型是一定時期內對未來的判斷，可為未來規劃決策方案提供統一的分析平臺，方便不同方案的同平臺比較，有助于輔助決策，這也是交通模型的核心功能之一，因此長周期的交通模型必不可少；2)模型需要持續更新和維護，將每年的小更新和周期性的大修正相結合，使得預測結果更為真實、準確。圖2為美國圣地亞哥市1980—2005年五代交通模型的精度變化[5]，結果顯示通過不斷更新和維護，中長期預測結果有可能達到較高精度。

各層次交通模型的精度要求也不盡相同，且缺少交通模型精度檢驗標準。宏觀戰略模型側重于中長期研究，預測精度難以檢驗，更多的是滿足多方案同平臺比較的要求。對于中微觀模型的精度要求中國尚未出臺相關標準和規定，英國公路署(The Highways Agency)頒布的《路橋設計手冊》(Design ManualforRoadsand Bridges,DMRB)[6]第12卷第二部分給出基于GEH指標(由Geoffrey E.Havers提出，校核模型擬合優劣的指標)的相關檢驗標準要求。中國城市現狀交通模型可以參照該標準進行檢驗，未來有必要研究制定適合中國國情的標準。

GEH計算公式為：

式中：M為模型模擬值，C為實際觀測值。一般認為GEH值小于5時，模型與實際觀測值的擬合度較好，模型具有較高的可靠度。文獻[6]中建議的模型校核標準見表1。

2 交通模型面臨的主要問題

2.1 理論模型的缺陷

中國幾乎所有城市的綜合交通模型都是基于四階段模型理論，其主要缺陷為各階段的不一致性。文獻[7]提出反饋算法在一定程度上降低了各階段之間不一致性的影響。從國際上來看，一方面四階段模型理論仍為主導，另一方面基于活動的模型(Activitybased Model)理論正由最佳理論走向最佳實踐(State-of-Art to State-of-Practice)，在美國已有約33個都市規劃組織(Metropolitan Planning Organization,MPO)開發完成或者正在開發基于活動的交通模型[8]。

圖2 圣地亞哥市五代交通模型預測精度變化Fig.2 Accuracy changes of five generations of SANDAG Transport Demand Models

表1 《路橋設計手冊》中建議的模型校核標準Tab.1 Index for model validation by DMRB

然而，無論是四階段模型理論還是基于活動的模型理論，人口和就業崗位均互相獨立，在使用中通過重力模型或者選擇模型來建立聯系。事實上，作為出行主體的人，在一定時期內具有相對穩定性，包括固定的居住地和工作崗位以及相對穩定的生活出行圈。目前的模型理論均無法反映這種相對穩定的對應關系，通過分布模型和選擇模型所建立的對應關系只是無窮多種可能解中的一組，幾乎可以說與實際是脫節的。究其根本原因，缺少人口、就業崗位的對應關系是關鍵。這與技術手段的缺乏不無關系，傳統調查成本高，難以實現人口與就業崗位對應關系普查。

隨著大數據技術和互聯網+的發展和應用，已經能夠實現通過手機信令數據等建立既有人口和就業崗位之間的鏈接，反映現實相對穩定的活動狀態。未來理想交通模型開發模式，應基于現狀人口、就業崗位及其對應關系，同時考慮住宅更換模型和就業崗位更換模型，結合新增人口和就業崗位預測結果來設計。對于居住地和就業崗位均未變更的對象采用類似增長率模型進行分析，而針對變化的人口和就業崗位可以采用四階段模型或者基于活動的分析模型進行研究，充分反映人口和就業的相對穩定狀態。

2.2 規劃人口與現實的矛盾

規劃與現實的矛盾源自模型基礎數據的取舍。城市規劃反映的是城市愿景，或者說是規劃人的理想，然而理想與現實往往存在差距。以廣州市為例，2007年廣州市委市政府在2000年《廣州城市建設總體戰略概念規劃綱要》[9]中提出的“南拓、北優、東進、西聯”的基礎上增加了“中調”戰略，旨在優化與提升中心城區，疏解中心城區人口。事實上舊城荔灣、越秀、天河、海珠四區的常住人口從2007年419.5萬人[10]發展至2014年514.3萬人[11]，增長約22.6%。單從這點來看，城市實際發展與規劃目標背道而馳。2015年中國城市規劃年會上，郭仁忠院士在“規劃問題的大數據路徑”報告中指出“全國新城新區規劃人口達34億人”。由此可見，完全依賴規劃數據進行預測的結果偏差無法想象。

以上兩個事例說明，在建模過程中要甄別數據的可靠性和可用性，這也要求模型工程師應充分理解城市。然而，城市總體規劃往往是眾多研究的依據。可行的做法是將現實可能發生的情形作為基本情形，而將城市規劃明確的目標作為理想情形來考慮。

2.3 大數據與小樣本調查

2015年3月，李克強總理在政府工作報告中提出，“制定‘互聯網+’行動計劃，推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展，引導互聯網企業拓展國際市場”。大數據在交通模型中的應用也日趨成熟，以上海市為代表的手機信令數據在城市居民出行活動規律、職住分布研究、公共設施服務半徑等方面的成功應用豐富了交通模型的基礎數據，拓展了交通模型的技術手段，對模型的標定、校驗和精度的提升起到了事半功倍的效果。成功的重要前提是能夠獲得相關基礎數據，故需要解決數據源問題。然而數據源掌握在中國移動、聯通、電信及騰訊、百度等巨型央企或互聯網公司手中，數據渠道通常對交通模型工程師而言封閉。這需要政府從頂層設計進行統籌考慮，疏通數據共享與使用途徑。

大數據應用的成功不能掩蓋其缺陷，在一定程度上大數據分析的核心思想是要全體不要抽樣、要效率不要絕對精確、要相關不要因果，這使得用戶知道是什么卻不知道為什么。模型工程師不能因為大數據而放棄理性思考，邏輯分析不應湮沒在海量數據中。放棄對因果的追求則會丟失模型工作的科學性和嚴謹性。

大數據的推廣和應用帶來的另一個觀點是大數據可以替代傳統調查。從現階段來看，大數據和小樣本調查各有優劣，大數據完全代替小樣本調查的觀點不可取。小樣本調查盡管存在抽樣誤差、調查誤差等諸多缺陷，但對于問題的剖析也較為全面準確，而且其調查的針對性也是大數據無法比擬的。交通模型理想的數據利用模式應當為“大而全”和“小即是美”[12]的結合，既要發展大數據，又要善用小數據。

2.4 專業與通俗的矛盾

交通模型開發與應用是一項專業性較強的工作，不僅大眾難以理解，很多業內人士也難以全面掌握模型問題。這說明目前交通模型的成果表達形式確實存在問題。交通模型成果表達涉及眾多專業術語，存在較多意思相近、不易理解的概念。例如，某路段上行方向比下行方向交通擁堵嚴重，但是上行方向交通量反而較小。如何通過通俗易懂的表現方式來解釋交通模型的結論成為亟須解決的問題。一方面，可以使用微觀仿真模擬軟件，通過二維圖形和三維視頻來展現；另一方面，需要引入新的表現手法或工具軟件，例如百度遷徙圖使用ECharts工具[13]展現OD分布。盡管目前交通模型工程師做了很多努力，也起到了一定效果，但要做到從專業到通俗，還有很長的路要走。

3 結語

交通模型的開發和應用是一個系統集成的過程，這要求優秀的模型工程師應具備復合型的知識結構和技能[14]，包括交通工程學、數學、統計學、經濟學、程序設計、GIS等多個方面。除此之外，優秀的模型工程師應是理想主義者和完美主義者，樂于接受新思想并不斷追求卓越。合格的交通模型工程師本質上應為數據科學家，所有這些技能服務的主體均為設計和搭建優秀的交通模型系統，以交通的思想來運用這些技能。

當前已經有越來越多的工程師參與到交通模型開發中來，工具軟件也越來越先進，這對交通模型行業發展具有積極意義。但由于技術規范不完善，行業門檻低，魚目混珠現象也比較普遍，甚至一些項目只要求使用交通模型即可，而缺少對模型質量的關注。這對行業發展無疑是一劑慢性毒藥，將會腐蝕行業根基。理解交通模型、正視交通模型面臨的問題、提升從業者的素養，有助于推動中國城市交通模型技術的發展與規范化進程。

[1]鄭猛，張曉東.北京城市交通規劃模型發展歷史、現狀及趨勢[C]//上海市城市綜合交通規劃研究所.城市交通模型技術與應用：城市交通模型研討會.上海：同濟大學出版社，2007.

[2]陸錫明，陳必壯，董志國.上海綜合交通模型體系研究[C]//上海市城市綜合交通規劃研究所.城市交通模型技術與應用：城市交通模型研討會.上海：同濟大學出版社，2007.

[3]賀崇明，馬小毅.基于GIS的廣州市交通規劃模型的特點與發展[C]//上海市城市綜合交通規劃研究所.城市交通模型技術與應用：城市交通模型研討會.上海：同濟大學出版社，2007.

[4]鄒哲，蔣寅，朱海明，萬濤.天津市綜合交通模型框架及關鍵技術探索[J].城市交通，2013，11(5)：28-36.Zou Zhe,Jiang Yin,Zhu Haiming,Wan Tao.Comprehensive Transportation Model Framework and Key Technologies in Tianjin[J].Urban Transport of China,2013,11(5):28-36.

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A Review on Urban Transportation Models in China

Chen Xianlong
(Guangzhou Transport Planning and Research Institute,Guangzhou Guangdong 510230,China)

Urban transportation model has been playing a significant role in transportation infrastructure planning and policy-making in China over the past three decades.Along with progress,a couple of challenges are also needed to face them up.Firstly,this paper demonstrates the basic concept of transportation model through the definition,framework,and accuracy measure.Then,highlights the theoretical deficiency of ignoring the issue of house-job balancing,the uncertainty of pre-planning information,the relationship between traditional survey and big data,and the corporation between paraprofessional workers,in the meanwhile,proposes solutions to coupe with those issues.Finally,discusses the fundamental requirements and features of being a qualified modeler.

transportation planning;transportation model;big data;transportation modeler

1672-5328（2016）02-0017-05

U491.1+2

A

10.13813/j.cn11-5141/u.2016.0203

2015-12-03

陳先龍(1978—)，男，安徽當涂人，教授級高級工程師，信息模型所副所長。主要研究方向：城市交通模型開發與應用、交通仿真研究。E-mail:harleych@163.com