时间序列模型在交通量预测中的适应性分析

刘宁波，吕 超

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550001)

在公路工程可行性研究报告中，交通量预测是重要组成部分。科学合理地预测项目未来年交通量是项目建设技术标准和改扩建年份的重要依据，也为项目经济评价奠定量的基础。20世纪50至70年代，交通学界初步孕育了“四阶段法”(即把交通量预测分为交通发生、交通分布、交通方式划分和交通分配等四阶段)，对特征年的交通量进行预测，形成了当前交通量预测的主流模型。交通量预测方法众多，而时间序列法因其简明便捷，成为常用方法之一。为确保时间序列预测结果的准确性，又以加权时间序列法为主，但时间序列模型在路网结构发生较大变化时，交通量预测结果精准度如何？本文以杭瑞高速(G56)遵义至思南段建成通车年前后普通国道G326遵义至湄潭段的观测交通量数据为基础，对路网结构发生较大变化时，时间序列在交通量预测中的适应性进行分析。

1 研究思路

以杭瑞高速遵义至思南段建成通车年为分界线，通过收集该高速公路通车年前的普通国道交通量实地观察数据，建立线性、二项式及指数等3种时间序列模型，为排除单一模型预测对预测结果准确度的影响，对上述3种时间序列模型进行权重分配，再用3种模型分别对该高速公路通车后G326遵义至湄潭段的交通量进行预测，并对3种模型得到的预测结果进行加权，把加权值作为时间序列的预测值，与实际观测值进行对比分析，检验当路网结构发生较大变化时，时间序列模型在交通量预测中的适应性。

2 交通量分析

通过查询贵州省历年交通年报，得到G326遵义至湄潭段2010—2015年实际观测交通量，如表1所示。

从表1可知，2010—2014年G326遵义至湄潭段交通量虽不呈逐年稳定增长的趋势，但交通量值相近，2015年观测交通量急剧下降，该年杭瑞高速公路的建成通车，同一个走廊内，发生竞争性的通道，路网结构发生重大变化。对2010—2014年之间的交通车型构成进行分析，其车型占比示意如图1所示。

表1 2010—2015年G326遵义至湄潭段交通量构成 pcu/d

图1 2010—2014年G326遵义至湄潭段车型比例

3 交通量预测

3.1 时间序列

时间序列是按照时间排序的一组随机变量，本质上反映某个或者某些随机变量随时间不断变化的趋势；时间序列中的每个观察值大小是影响变化的各种不同因素在同一时刻发生作用的综合结果。

根据观测的历史交通量数据，采用线性、二项式及指数等3种模型，拟合G326遵义至湄潭段交通量的时间序列函数，并通过对上述3种模型进行加权分配，再对该路段的交通量进行预测。

3.2 建立时间序列模型

根据表1数据，运用线性、二项式和指数模型对2010—2014年的交通量折算数据进行拟合，其交通量与时间的分布关系如图2所示。

图2 时间序列模型分布

根据图2，得到交通量与时间序列的3种模型，如表2所示。其中，X表示预测年份与2010年的差值，Y表示预测年份交通量。

表2 交通量的时间序列模型

根据表2得到时间序列模型的相关系数，进行模型之间的权重分配，可得不同模型的权重分别为：线性模型0.31，二项式模型0.39，指数模型0.30。

结合表2拟合得到时间序列模型及分配的权重，得到未来年交通量的时间序列预测模型为：

Y=0.31Y1+0.39Y2+0.3Y3=2 320.7e0.053X+58.2X2-99.47X+5 796.1

3.3 交通量预测与分析

根据表2得到的模型及相应权重，对2015年的G326遵义至湄潭段交通量进行预测，并对3种模型的预测结果进行加权，结果如表3所示。

表3 交通量预测结果 pcu/d

由表3可知，加权时间序列模型预测得到2015年的交通量为10 259 pcu/d，但表1中G326遵义至湄潭段2015年交通量为 2 892 pcu/d，二者之间差距甚大。究其原因是杭瑞高速遵义至思南段建成通车，该区域内出现更高效便捷的竞争性通道，导致路网结构发生根本性变化，使得大部分普通国道的交通量转移到高速公路，造成普通国道的交通量明显下降。时间序列是反映观测量与时间这一单一变量之间关系的模型，故路网结构出现连续性突变时时间序列模型在一定时间内难以反馈，即当路网结构发生较大变化时，时间序列模型预测的交通量结果和实际数据存在较大误差，此时，模型预测结果对现实指导性不大。

4 结束语

1) 当路网结构不发生较大变化，路段区域内没有新建成具备相应竞争力的通道时，时间序列模型是一种简便高效的交通量预测模型，可为路段改扩建等时间的预测提供准确的数量基础。

2) 若路网发生结构性变化，区域路网结构不再具备连续性时，时间序列模型在近期预测值中，不能及时反映这种变化，进而不适应路网结构变化较大时的交通量预测，此时应采用“四阶段法”等方法来对路网的交通量进行预测、分配，进而得到既有路线的交通量及从既有路线转移到新建成的竞争性路段的交通量。