一种基于居民出行行为选择的交通容量计算方法

1.本发明属于交通运输规划与管理中的城市道路交通领域，尤其涉及一种基于居民出行行为选择的交通容量计算方法。


背景技术：

2.随着经济的发展，我国的城市道路拥堵问题日益严重。交通拥堵问题的本质是供需矛盾，因此单纯通过新建和扩建道路来增加城市路网容量的方式在经济、环境、舆论方面都存在不足，实际获得的效果也远低于预期。因而获取更加准确的道路交通容量，进而做出交通规划和管理的决策为缓解交通拥堵问题提供了重要依据。
3.现有的交通容量计算模型主要集中在机动车交通容量上，但这并不能从根本上体现出交通使用者的行为与道路交通容量的关系,也不能体现设施的改善对出行者出行行为的影响。因此在交通容量与出行行为选择之间建立联系，构建研究对象是出行者的交通容量模型，对于把握城市交通供需关系、改善拥堵状况有重要作用。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的在于提供一种考虑居民出行行为选择的交通容量计算方法，基于居民出行行为数据和数学模型，建立居民出行行为与交通容量之间的关系，进而提高城市交通管理水平，改善路网。
5.技术方案：本发明的基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤1：基于道路路网资源的特性和元素，定义一种考虑时空资源消耗的交通容量；
7.步骤2：针对考虑时空资源消耗的交通容量，利用时空消耗法搭建理想道路交通容量的基本形式；
8.步骤3：在理想道路总时空资源的基础上考虑各影响因素，标定对应的修正系数修正理想道路交通容量；
9.步骤4：获取不同出行方式的分担量数据，在bl模型理论的基础上搭建机动车、非机动车两类出行方式选择模型；
10.步骤5：结合步骤4的两类出行方式选择模型，通过标定不同方式人均时空消耗，搭建基于出行方式选择的交通容量计算模型。
11.进一步的，步骤1中，考虑时空资源消耗的交通容量具体定义为：道路路网设施在一定状态下单位服务时间里能容纳的最大出行人数，与道路设施的时空总资源和出行者的动态时空消耗有关。
12.进一步的，步骤2的具体步骤为：
13.步骤21：定义时空资源总量为道路有效运营长度与有效运营时间的乘积；
14.步骤22：定义动态时空消耗等于出行者的平均时间消耗与平均距离消耗的乘积；
15.步骤23：建理想道路交通容量的基本形式：
[0016][0017]
其中，n为交通容量，trs为城市道路设施时空总资源，trd为出行者一次出行的平均动态时空消耗。
[0018]
进一步的，步骤22的具体步骤为：城市道路设施时空总资源为不同类别道路时空资源的总和，第i类别道路的总时空资源总和ci＝第i类别道路的总长度资源li*第i类别道路的总服务时间ti，第i类别道路的总长度资源＝第i类别道路的车道数*第i类别道路的单车道，道路类别主要有快速路、主干路、次干路和支路。
[0019]
进一步的，步骤3的具体步骤为：
[0020]
步骤31：考虑驾驶员的差异、天气的影响、突发事件的发生等一系列的道路环境因素使路段被机动车所真正使用的运营长度并非理想状况下的运营长度，标定机动车道有效长度修正系数r1，一般可将机动车有效长度修正系数r1取为0.95；
[0021]
步骤32：考虑道路旁行人或非机动车的运行降低了机动车的行驶速度而造成的时空资源浪费，标定路旁干扰系数r2，对于快速路、主干路、次干路和支路的修正系数分别可取为0.9、0.8、0.7、0.7；
[0022]
步骤33：考虑各级道路在交叉口由于车流的相互干扰会存在一定的空间和时间的损耗，标定交叉口修正系数r3，对于快速路、主干路、次干路和支路的修正系数分别可取为0.75、0.6、0.5、0.4；
[0023]
步骤34：实际城市道路设施时空总资源为不同类别道路实际时空资源的总和，第i类别道路的实际道路总时空资源＝第i类别道路的理想总时空资源总和ci*第i类别道路的机动车道有效长度修正系数*第i类别道路的路旁干扰系数*第i类别道路的交叉口修正系数。
[0024]
进一步的，步骤4的具体步骤为：
[0025]
步骤41：通过rp调查采集每个出行个体的个人属性、家庭属性、交通属性；
[0026]
步骤42：推算出行者j在备选出行方式集合中选择方式1和方式2的概率p
1j
和p
2j
；
[0027]
步骤43：对于每一种交通出行方式，标定二元logit模型的参数，形成出行方式选择模型。
[0028]
进一步的，步骤41中，所述个人属性包括性别、职业、年龄、收入、驾照和公交卡拥有情况；所述家庭属性包括家庭车辆拥有情况和附近公交站点情况；所述交通属性包括出行距离、金钱花费、时间花费、出行目的、出行需求和出行方式。
[0029]
进一步的，步骤42中，方式1和方式2的概率p
1j
和p
2j
为：
[0030][0031][0032]vij
＝θ1x
ij1
+θ2x
ij2
+
…
+x
ijk
，i＝1，2
[0033]
其中，p
1j
表示出行者j选择出行方式1的概率，p
2j
表示出行者j选择出行方式2的概率，x
ijk
出行者j选择方式i的第k项因素的特征值，θ
ik
表示出行者选择第i种出行方式的第k个因素的系数，v
1j
表示出行者j选择方式1的二元logit模型的参数，v
2j
表示出行者j选择方式2的二元logit模型的参数；
[0034]
进一步的，步骤43中，标定二元logit模型的参数具体步骤为：
[0035]
步骤431：建立二元logit模型，形式如下：
[0036][0037]
其中，p
1j
表示出行者j选择出行方式i的概率，x
ijk
出行者j选择方式i的第k项因素的特征值，θ
ik
表示出行者选择第i种出行方式的第k个因素的系数；
[0038]
数学变换得到：
[0039][0040]
其中，p
ij
表示出行者j选择出行方式i的可能性；x
ijk
表示出行者j选择方式i的第k项因素的特征值；θ
ik
表示出行者选择第i种出行方式的第k个因素的系数；θi表示常数项；
[0041]
步骤432：设总共有j名出行者，则选择方式i的平均可能性为：
[0042][0043]
则选择方式i的总人数为：
[0044][0045]
进一步的，步骤5的具体步骤为：
[0046]
步骤51：对于每种出行方式，计算人均时空消耗为：
[0047][0048]
其中，tr
di
为第i种交通方式的出行者平均动态时空消耗；hi第i种交通方式在行驶中的平均车头间距，单位km；t1第i种交通方式一次出行的平均行驶时间，单位h；mi第i种交通方式的平均载客量，单位人；
[0049]
步骤52：考虑所有出行方式，出行者平均动态时空消耗为：
[0050][0051]
其中，trd为出行者平均动态时空消耗，ji为选择第i种交通方式的出行者总人数；j为总出行者人数；
[0052]
步骤53：基于步骤2的定义，将步骤3修正后的实际城市道路设施时空总资源和步骤52中的出行者平均动态时空消耗带入定义式可得，交通容量为：
[0053][0054]
其中，ck表示快速路总时空资源，cz表示主干路总时空资源，cc表示次干路总时空资源，c
l
表示支路总时空资源，r1表示机动车道有效长度修正系数，r
k2
表示快速路的路旁干扰系数，r
z2
表示主干路的路旁干扰系数，r
c2
表示次干路的路旁干扰系数，r
l2
表示支路的路旁干扰系数，r
k3
表示快速路交叉口修正系数，r
z3
表示主干路交叉口修正系数，r
c3
表示次干路交叉口修正系数，r
l3
表示支路交叉口修正系数，j表示总出行者人数，ji为选择第i种交通方式的出行者总人数，hi第i种交通方式在行驶中的平均车头间距，单位km；t1第i种交通方式一次出行的平均行驶时间，单位h；mi第i种交通方式的平均载客量，单位人。
[0055]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
[0056]
1.本发明能够建立交通使用者的行为与道路交通容量的定量关系，得知不同方式对应的人均时空消耗，进而根据其大小进一步指导不同方式在客运交通系统中的占比，以提高城市道路网交通容量、优化城市道路客运交通结构，具有科学性、准确性、合理性和有效性。
[0057]
2.本发明从交通容量的计算是以出行行为选择为基础的，而出行行为选择受多种因素影响，通过找寻影响出行选择方式的因素，丰富了城市交通需求管理手段，有助于解决城市道路高峰小时拥堵问题；
[0058]
3.本发明基于非集计模型理论通过推导建立了考虑出行方式的交通容量模型，完成了从个体离散数据到群体集计数据的转换，大量微观离散的个人出行决策的结果，构成了属于交通需求侧的宏观网络集合，丰富了对于交通数据资源的利用方式。
[0059]
4.本发明中构建的城市交通容量是反映城市道路网满足交通需求能力的指标，在交通流控制和出行需求管理中起着重要的作用，对于掌握交通服务的供需关系和交通使用者的行为特征具有重要作用，进而有利于改善交通服务水平、提升用户使用体验。
附图说明
[0060]
图1是本发明的方法流程图；
[0061]
图2是本发明所述的居民出行方式选择调查属性要点图；
[0062]
图3是本发明所述的泰安市中心城区主干路布局。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0064]
本发明所述的一种考虑居民出行行为选择的交通容量计算方法，以泰安市为例，参考图1，具体包括如下步骤：
[0065]
(1)定义一种考虑时空资源消耗的交通容量为道路路网设施在一定状态下单位服务时间里能容纳的最大出行人数。
[0066]
(2)利用时空消耗法搭建理想道路交通容量的基本形式：
[0067]
(3)在理想道路总时空资源的基础上考虑各影响因素，标定对应的修正系数。
[0068]
参考图3，泰安主城区(泰山区)的各级城市道路及其具体里程如下。
[0069]
城市快速路总长度为45km，呈一横两纵多放射的结构，主要包括泮河大街、长城路和明堂路，平均机动车车道数取为6条，具体情况见下表。
[0070]
表1泰安市泰山区快速路道路情况
[0071][0072]
城市主干路总长度为161.6km，主干道网密度约为1.35km/km2，具体道路名称和车道数如下，平均车道数取为4条，具体情况见下表。
[0073]
表2泰安市泰山区主干路道路情况
[0074][0075]
城市次干路总长度为196km，次干路路网密度约为1.64km/km2，平均车道数为4条，具体道路名称和车道数如下。
[0076]
表3泰安市泰山区次干路道路情况
[0077][0078]
城市支路路网密度约为3.8km/km2，总长度为558.6km，支路里程数据通过支路路网密度与中心城区面积计算而得，平均车道数记为2条。由此，泰安市主城区各等级道路里程及平均车道如下表，数据来源《泰安市综合交通规划(2011-2020)》。
[0079]
表4泰安市泰山区各等级道路里程及车道情况
[0080]
[0081]
则泰安市主城区各等级道路的理想道路时空总资源为：
[0082]ck
＝45
×
6＝270(km
·
h)
[0083]cz
＝161.6
×
4＝646.4(km
·
h)
[0084]cc
＝196
×
4＝784(km
·
h)
[0085]cl
＝558.6
×
2＝1117.2(km
·
h)
[0086]
所以
[0087]
tr
s理想
＝270+646.4+784+1117.2＝2817.6(km
·
h)
[0088]
道路时空资源修正系数可通过相关参考文献进行标定
[0089]
表5泰安市泰山区各等级道路修正系数
[0090][0091]
从而有
[0092]
tr
s实际
＝(0675ck+0.48cz+0.3325cc+0.2625ck)
·
0.95
[0093]
所以
[0094]
tr
s实际
＝(0675ck+0.48cz+0.3325cc+0.2625ck)
·
0.95＝994.144(km
·
h)
[0095]
所以泰安市主城区的道路实际总时空资源为994.144(km
·
h)。
[0096]
(4)获取不同出行方式的分担量数据，在bl模型理论的基础上搭建机动车、非机动车两类出行方式选择模型。
[0097]
参考图2，通过rp调查采集每个出行个体的个人属性、家庭属性、交通属性，结果见表6
[0098]
表6方式选择模型建立605名出行者问卷调查数据
[0099]
[0100][0101]
[0102]
对所收集到的605个出行分别行为进行机动车和非机动车两类简单的多元logit回归，具体流程如下：
[0103]
(a)参数标定
[0104]
利用spss对机动车方式选择二元logit模型进行参数标定，得到如下结果。
[0105]
表7机动车方式选择参数标定情况
[0106][0107]
可建立简单的机动车出行的二元logit选择模型。
[0108]
case 1：小汽车出行
[0109]
logitp
小汽车
＝-0.35+0.14x
11
+0.45x
12
+0.27x
13
+0.19x
14-0.33x
15-0.23x
16-0.12x
17
+0.33x
18
+0.17x
19
[0110]
则
[0111][0112]
case 2：公交车出行
[0113][0114]
表8小汽车、公交车人均动态时空消耗计算
[0115][0116]
所以，模型可标定为：
[0117][0118]
非机动车同理，可得：
[0119][0120]
(5)结合步骤四获得的方式选择模型，通过标定不同方式人均时空消耗，搭建考虑出行方式选择的交通容量计算模型。
[0121]
表9平均动态时空消耗计算
[0122][0123]
对交通容量进行计算有：
[0124][0125]
由于计算高峰小时交通容量时，假定每人只进行1次出行，因此在假设情况下，泰安市主城区道路路网设施在理想状态下高峰小时内能容纳的最大出行人数为249159，或249159人次。
[0126]
基于以上结果，泰安市交通容量扩大途径主要包括：减少城市路侧干扰、实现交叉口信号协同配时、为步行或非机动车出行提供良好的出行环境、合理调整慢行交通和公共交通在城市客运交通中的占比、通过交通管理等手段降低小汽车在交通系统中的比重、使用交通需求管理措施来诱导出行者选择相应的方式等。
[0127]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于道路路网资源的特性和元素，定义一种考虑时空资源消耗的交通容量；步骤2：针对考虑时空资源消耗的交通容量，利用时空消耗法搭建理想道路交通容量的基本形式；步骤3：在理想道路总时空资源的基础上考虑各影响因素，标定对应的修正系数修正理想道路交通容量；步骤4：获取不同出行方式的分担量数据，在bl模型理论的基础上搭建机动车、非机动车两类出行方式选择模型；步骤5：结合步骤4的两类出行方式选择模型，通过标定不同方式人均时空消耗，搭建基于出行方式选择的交通容量计算模型。2.根据权利要求1所述基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，步骤1中，考虑时空资源消耗的交通容量具体定义为：道路路网设施在一定状态下单位服务时间里能容纳的最大出行人数，与道路设施的时空总资源和出行者的动态时空消耗有关。3.根据权利要求1所述基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，步骤2的具体步骤为：步骤21：定义时空资源总量为道路有效运营长度与有效运营时间的乘积；步骤22：定义动态时空消耗等于出行者的平均时间消耗与平均距离消耗的乘积；步骤23：建理想道路交通容量的基本形式：其中，n为交通容量，tr
s
为城市道路设施时空总资源，tr
d
为出行者一次出行的平均动态时空消耗。4.根据权利要求3所述基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，步骤22的具体步骤为：城市道路设施时空总资源为不同类别道路时空资源的总和，第i类别道路的总时空资源总和c
i
＝第i类别道路的总长度资源l
i
*第i类别道路的总服务时间t
i
，第i类别道路的总长度资源＝第i类别道路的车道数*第i类别道路的单车道，道路类别主要有快速路、主干路、次干路和支路。5.根据权利要求1所述基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，步骤3的具体步骤为：步骤31：考虑驾驶员的差异、天气的影响、突发事件的发生等一系列的道路环境因素使路段被机动车所真正使用的运营长度并非理想状况下的运营长度，标定机动车道有效长度修正系数r1，一般可将机动车有效长度修正系数r1取为0.95；步骤32：考虑道路旁行人或非机动车的运行降低了机动车的行驶速度而造成的时空资源浪费，标定路旁干扰系数r2，对于快速路、主干路、次干路和支路的修正系数分别可取为0.9、0.8、0.7、0.7；步骤33：考虑各级道路在交叉口由于车流的相互干扰会存在一定的空间和时间的损耗，标定交叉口修正系数r3，对于快速路、主干路、次干路和支路的修正系数分别可取为0.75、0.6、0.5、0.4；步骤34：实际城市道路设施时空总资源为不同类别道路实际时空资源的总和，第i类别
道路的实际道路总时空资源＝第i类别道路的理想总时空资源总和c
i
*第i类别道路的机动车道有效长度修正系数*第i类别道路的路旁干扰系数*第i类别道路的交叉口修正系数。6.根据权利要求1所述基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，步骤4的具体步骤为：步骤41：通过rp调查采集每个出行个体的个人属性、家庭属性、交通属性；步骤42：推算出行者j在备选出行方式集合中选择方式1和方式2的概率p
1j
和p
2j
；步骤43：对于每一种交通出行方式，标定二元logit模型的参数，形成出行方式选择模型。7.根据权利要求6所述基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，步骤41中，所述个人属性包括性别、职业、年龄、收入、驾照和公交卡拥有情况；所述家庭属性包括家庭车辆拥有情况和附近公交站点情况；所述交通属性包括出行距离、金钱花费、时间花费、出行目的、出行需求和出行方式。8.根据权利要求6所述基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，步骤42中，方式1和方式2的概率p
1j
和p
2j
为：为：v
ij
＝θ1x
ij1
+θ2x
ij2
+
…
+x
ijk
，i＝1，2其中，p
1j
表示出行者j选择出行方式1的概率，p
2j
表示出行者j选择出行方式2的概率，x
ijk
出行者j选择方式i的第k项因素的特征值，θ
ik
表示出行者选择第i种出行方式的第k个因素的系数，v
1j
表示出行者j选择方式1的二元logit模型的参数，v
2j
表示出行者j选择方式2的二元logit模型的参数。9.根据权利要求6所述基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，步骤43中，标定二元logit模型的参数具体步骤为：步骤431：建立二元logit模型，形式如下：其中，p
1j
表示出行者j选择出行方式i的概率，x
ijk
出行者j选择方式i的第k项因素的特征值，θ
ik
表示出行者选择第i种出行方式的第k个因素的系数；数学变换得到：其中，p
ij
表示出行者j选择出行方式i的可能性；x
ijk
表示出行者j选择方式i的第k项因素的特征值；θ
ik
表示出行者选择第i种出行方式的第k个因素的系数；θ
i
表示常数项；步骤432：设总共有j名出行者，则选择方式i的平均可能性为：
则选择方式i的总人数为：10.根据权利要求1所述基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，其特征在于，步骤5的具体步骤为：步骤51：对于每种出行方式，计算人均时空消耗为：其中，tr
di
为第i种交通方式的出行者平均动态时空消耗；h
i
第i种交通方式在行驶中的平均车头间距，单位km；t1第i种交通方式一次出行的平均行驶时间，单位h；m
i
第i种交通方式的平均载客量，单位人；步骤52：考虑所有出行方式，出行者平均动态时空消耗为：其中，tr
d
为出行者平均动态时空消耗，j
i
为选择第i种交通方式的出行者总人数；j为总出行者人数；步骤53：基于步骤2的定义，将步骤3修正后的实际城市道路设施时空总资源和步骤52中的出行者平均动态时空消耗带入定义式可得，交通容量为：其中，c
k
表示快速路总时空资源，c
z
表示主干路总时空资源，c
c
表示次干路总时空资源，c
l
表示支路总时空资源，r1表示机动车道有效长度修正系数，r
k2
表示快速路的路旁干扰系数，r
z2
表示主干路的路旁干扰系数，r
c2
表示次干路的路旁干扰系数，r
l2
表示支路的路旁干扰系数，r
k3
表示快速路交叉口修正系数，r
z3
表示主干路交叉口修正系数，r
c3
表示次干路交叉口修正系数，r
i3
表示支路交叉口修正系数，j表示总出行者人数，j
i
为选择第i种交通方式的出行者总人数，h
i
第i种交通方式在行驶中的平均车头间距，单位km；t1第i种交通方式一次出行的平均行驶时间，单位h；m
i
第i种交通方式的平均载客量，单位人。

技术总结
本发明公开了一种基于居民出行行为选择的交通容量计算方法，包括以下步骤：(1)基于道路路网资源的特性和元素，定义一种考虑时空资源消耗的交通容量；(2)利用时空消耗法搭建理想道路交通容量的基本形式；(3)在理想道路总时空资源的基础上考虑各影响因素，标定对应的修正系数；(4)获取不同出行方式的分担量数据，在BL模型理论的基础上搭建机动车、非机动车两类出行方式选择模型；(5)通过标定不同方式人均时空消耗，搭建考虑出行方式选择的交通容量计算模型，在交通需求管理环节改善道路运行状态。本发明可为城市交通规划中的交通容量规划设计提供参考。设计提供参考。设计提供参考。


技术研发人员：程琳 赵汗青 张晨皓 李哲航
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/5/16