计量交通学及其研究的几个方面

陈 岚,董德存

(同济大学交通运输工程学院)

1 引入计量学的意义

交通学科是一门年轻的学科,生机勃勃,有良好的发展前景和重要的研究意义,同时正因为其年轻,必然存在着一些问题,如下的几个问题:

第一、数据处理主要采用经验的数学模型,存在较大的误差和局限性,如四阶段模型中的交通需求预测,主要还是采用集计的经验模型,产生较大误差,影响后期的交通规划效果;

第二、根据与其它学科的相似性,应用其他学科的理论解释交通中的现象,如用流体力学的理论解释交通流的流量、密度、速度关系,缺少了交通特有的性质和交通流中人的影响因素;

第三、交通分析大部分停留在定性分析或定性与简单定量分析结合的阶段,如交通风险控制和管理中,交通研究学者通常知道了交通中存在哪些风险和风险的大致影响程度,根据经验对风险进行的控制及管理,缺乏各种风险的具体影响程度及相互影响关系的分析,难以制定出有的放矢的控制管理措施。

这些问题都显示出现有的交通理论研究数学化程度不够,偏向经验主义,定量分析手段及方法缺乏,需要更好的理论和手段对其进行研究和分析,而计量学是显示和建立以数字来评述所研究的客体、现象和过程(它们经过一定的数学加工,为揭示相应属性的数量程度建立了基础)的系统。

基于计量学的特点及现有交通理论研究的问,将计量学引入交通学中一方面可以使交通学更为数学化,从定性研究转向定量描述从而认识交通的本质;另一方面,计量学与交通学的相互渗透使得交通理论的研究手段和方法更为丰富;同时,交通本来就是一个比较综合的学科,不断地学科交叉和学科引入会使得交通学的发展更为蓬勃和系统更为完善。

2 计量交通学的概念及本质

随着国外计量学及分析方法的不断发展与革新,其在交通中的应用已逐渐为人们所关注,同时逐渐形成交通研究领域的一个新方向——Traffic Metrics,本文引入该概念并将其命名为“计量交通学”,同时给出相应的定义——以一定的交通理论和交通数据统计资料为基础,运用数学、统计学方法,以建立交通计量模型为主要手段,揭示各种交通现象的数量关系及其规律性。在该定义中,交通理论是指导思想,统计资料是基础,数学模型是工具。

虽然现在的交通理论研究中也有用数学方法探讨交通现象,但这不能与计量交通学混为一谈,因为计量交通学并不是将数学应用于交通学的同义词,也不是简单的对交通数据进行统计分析。可以说,统计学、交通理论和数学这三种观点对真正了解现代交通中数量关系来说,每一种观点都是必要的,但本身并非充分的条件。三种理论的有机结合才有力量,这种结合便构成了计量交通学。

3 计量交通学内容与主要研究方面

3.1 计量交通学内容

计量交通学是数学、统计学、交通学三者的有机结合,旨在运用计量分析的方法提供交通理论的数学程度、提供交通预测、规划、管理、控制的定量分析手段与模型。计量交通学的内容由四个部分组成,这四个组成部分亦即计量交通学研究的四个步骤:第一,建立模型;第二,估计参数;第三,验证理论,第四,实际应用。

第一、建立交通计量模型、确定计量变量

建立交通计量模型,就是根据交通理论和假定条件,分析选择适合研究对象或研究理论的计量分析方法和模型,根据已确定的计量分析方法和模型确定合适的计量变量以及变量数学表示形式,建立相应的基本方程或者基本方程体系,借助方程体系表明各交通变量及相关变量之间的相互关系。

第二、估计参数值

根据交通理论建立起来的交通模型是参数未定的模型,亦即理论模型。要使理论模型变成能够运算的计量模型,就必须求出各参数值。估算参数值是计量交通学中计算量最大、计算过程最复杂、模型建立最关键的内容。如何估算参数值呢?简言之,就是根据一定时期调查、收集而来的实际统计资料,运用数理统计方法如最小二乘法、最大似然估计法、矩估计法等等方法求出方程式中的各个参数值。

第三、验证理论模型

根据实际统计资料,运用数理统计学关于统计假设检验的理论和方法,验证已经估算出参数值的模型所包含的变量(有哪些变量)、变量的结合形式(方程的具体形式)、变量的结合程度(参数的具体数值)等等能否代表客观情况,从而判断理论模型是否正确反映客观实际,符合交通现象,以便对所研究之理论进行取舍或修正。

第四、实际应用,解决交通问题

对已经估算出参数值的模型求出其被解释变量数值的解式,将估算的参数值和已知的解释变量数值代入解式,就可得出被解释变量的数值,从而在实际的交通活动中进行应用,对交通现象进行分析并进行理论研究,以解决实际交通问题。

3.2 计量交通学研究的初步方面

基于计量学在经济领域、医学领域等不同领域有成功应用背景,针对前文现有交通理论研究存在的问题,计量交通学的初步研究方面有以下三点,但随着计量学的发展及在交通领域的成熟运用,其研究的方面一定会大大扩展,令计量交通学如同计量经济学、计量医学一般蓬勃发展。

(1)交通需求预测

交通需求的预测,一方面随着时间不断变化,另一方面同一时段不同地区的交通需求相互影响、不断变换,如果只研究某一地区在不同时间上的交通流量及相关数据,即采用时间序列数据,可以分析该地区交通需求与该地区人口变化、经济增长的关系,但却无法分析相邻地区因素变化对该地区交通需求的影响;如果只研究同一时间各地区的交通流量与相关数据,即采用截面数据,则可以得到相邻地区因素变化对该地区交通流量的影响,但却不能得到该地区交通流量增长与该地区人口变化、经济增长的关系。基于这种情况,通过对交通流量历史数据和预测地区周边相邻地区的交通流量历史数据收集统计,建立面板数据库,选择计量分析方法中面板数据模型,进行交通需求预测,不仅可以得到交通流量随时间的变化特性,同时还可以补充不同地区交通流量变化对预测地区的影响和联系。

(2)交通流理论研究

基于现有的交通流密速模型,将该模型结合非参数估计方法,将道路特性、交通参与人员特性等变量引进交通流模型中,建立已知模型与非参数模型相结合的半参数计量估计模型,从而令交通流模型脱离流体力学的背景,更强调交通中人的作用,使得交通流模型更加符合交通流的实际意义,为各种相关交通研究提供有利的支持。

(3)交通风险控制研究

在现有的交通风险控制与研究理论中,由于对不同风险因素引发的风险后果并不了解,相互之间的数学关系比较模糊,导致目前交通风险研究主要停留在定性分析阶段。针对这一状况,采用计量分析方法中的非参数模型的,通过模型的建立与计算,确定各种交通风险引起交通事故的影响大小、预测交通事故发生后的风险损失程度,将交通风险控制提升到定量分析的层面,并根据定量分析的结果就不同大小的风险因素采取相应的控制和管理措施,使各项控制和管理措施达到最优的效果。

综上所述,我们可将计量交通学的结构内容及其作用归纳如图 1所示。

图 1 计量交通学的研究框架

4 结 语

数学化和学科交叉是未来科学发展的方向,交通学作为一门综合学科更是需要量化和学科渗透,计量交通学是交通未来发展的必然产物,它的出现定将令交通理论研究更趋于数学化,考虑交通系统中人的因素,使得交通理论研究水平不断提升。

[1] 焦国安,金霞,杨菲,等.中美城市交通模型现况评估[J].城市交通,2008,6(2).

[2] 周商吾.交通工程[M].同济大学出版社,1987.

[3] 吴兵,李晔.交通管理与控制[M].人民交通出版社,2005.

[4] Yaron Ostrovsky-Berman.The transportation metric and related problems.Information Processing Letters,2005.