nghiên cứu ứng dụng mô hình 4 bước phân tích, dự báo nhu cầu đi lại trong quy hoạch giao thông

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH BƯỚC PHÂN TÍCH, DỰ BÁO NHU CẦU ĐI LẠI TRONG QUY HOẠCH GIAO THÔNG PGS TS BÙI XUÂN CẬY ThS ĐẶNG MINH TÂN Bộ mơn Đường Khoa Cơng trình Trường Đại học Giao thơng Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày quy trình dự báo nhu cầu lại phục vụ cho công tác quy hoạch giao thong áp dụng rộng rãi nước phát triển Đặc biệt mơ hình quan hợp tác Nhật Bản (JICA) áp dụng số dự án phát triển giao thông tổng thể số nước có Việt Nam Summary: This article presents travel demand process, a state-of-the-art analysis tool widely used in developing countries, in transportation planning process This model has been used by Japan International Co-operation Agency (JICA) in some transport planning general development for several countries including Vietnam CT I ĐẶT VẤN ĐỀ Quy hoạch giao thông sử dụng có hiệu mạng lưới giao thơng hạ tầng đất đai sẵn có, xây dựng phát triển hệ thống giao thông vận tải mới, để đạt mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội khu vực quốc gia Nó tạo nên hệ thống giao thơng có chất lượng phục vụ cao với chi phí hợp lý giảm thiểu tác động môi trường Nếu quy hoạch giao thông thất bại dẫn đến ách tắc giao thông, lại an tồn giao thơng, sử dụng đất bất hợp lý, phản diện tác động môi trường lãng phí tiền bạc tài ngun Trong quy trình quy hoạch giao thơng khâu quan trọng phân tích dự báo nhu cầu lại (Travel demand forecasting), sử dụng liệu thu thập giao thông tại, để dự báo nhu cầu lại nhu cầu sử dụng hệ thống giao thông vận tải (hệ thống đường bộ, đường sắt, phương tiện GT cá nhân, phương tiện GTCC…) tương lai nào? Trong báo này, tác giả đề cập đến mơ hình bước mơ hình tiên tiến dùng để phân tích, dự báo nhu cầu lại tương lai áp dụng nhiều nước phát triển giới Đặc biệt mơ hình quan hợp tác Nhật Bản (JICA) áp dụng số dự án phát triển giao thông tổng thể số nước có Việt Nam II PHÂN TÍCH, DỰ BÁO NHU CẦU ĐI (Travel demand forecast) Mơ hình phân tích nhu cầu lại phát triển vào năm 1950 công cụ tiên tiến quy hoạch giao thơng Phân tích, dự báo nhu cầu lại sử dụng để phát triển thông tin trợ giúp việc định để phát triển quản lý hệ thống giao thông, đặc biệt giao thơng thị Quy trình bao gồm bốn bước: Phát sinh hành trình (Trip generation – Hành trình xuất phát đâu?) Phân phối hành trình, (Trip distribution - Hành trình đến đâu) Phương thức phân chia (Modal split – Loại mơ hình sử dụng, phương tiện giao thông cá nhân phương tiện giao thông công cộng) Ấn định mạng lưới (Traffic assignment – Tuyến đường sử dụng với loại mơ hình) Dân số Kinh tế - Xã hội Sử dụng đất Phân tích nhu cầu lại CT Phát sinh hành trình Phân phối hành trình Phương thức phân chia Ấn định tuyến đường Giao thơng thuận lợi Hình Quy trình, dự báo phân tích nhu cầu lại Quy trình bốn bước sử dụng mơ hình tốn học độc lập khác cho hợp phần quy trình Kết bước thường liệu đầu vào để giải bước Sau trình bày bước cụ thể: Bước Phát sinh hành trình (Trip generation) Mơ hình phát sinh hành trình dự báo xác định số lượng lượt lại xuất phát vùng phân tích (mức độ tổng thể), lượt lại hộ gia đình (mức độ cá thể) nhóm tương đương Vùng j Vùng i Hình Phát sinh hấp thu hành trình Sự phát sinh hành trình vùng tính tốn hàm số kinh tế - xã hội, địa điểm, đặc điểm sử dụng đất vùng Hai phương pháp truyền thống phân tích phân loại chéo phân tích hồi quy - Phương pháp phân tích phân loại chéo (Cross-classification analysis): kỹ thuật thơng dụng để tìm hiểu mối quan hệ biến số sử dụng việc xác số hành trình phát sinh hộ gia đình Ví dụ: số lượt lại phát sinh từ vùng nghiên cứu điều tra sau: Số phương tiện sở hữu 2+ Hộ gđ Lượt Hộ gđ Lượt Hộ gđ Lượt 1,200 2,520 2,560 6,144 54 130 874 2,098 3,456 9,676 5,921 20,165 3+ Số thành viên 421 1,137 2,589 8,026 8,642 33,740 Như ta có tỷ lệ lại trung bình là: Số phương tiện sở hữu Số thành viên CT Phương pháp dựa vào nhiều thuộc tính xác định sở liệu khảo sát số hành trình phát sinh phân chia thành nhóm có đặc trưng giống nhau, ví dụ số thành viên gia đình, số lượng phương tiện sở hữu, thu nhập Mỗi loại cấu thành nhóm mà tỷ lệ phát sinh hành trình xác định dự báo phương pháp thống kê 2+ 2.10 2.40 2.41 2.40 2.80 3.41 3+ 2.70 3.10 3.90 Tính số hành trình phát sinh khu vực nằm vùng nghiên cứu có số hộ gia đình (theo số lượng phương tiện sử hữu số thành viên) sau: Số phương tiện sở hữu Số thành viên 2+ 25 125 32 175 254 3+ 10 89 512 Kết quả: Số phương tiện sở hữu Số thành viên 2+ 53 300 77 490 865 Tổng 3+ 27 276 1,999 4,093 - Phương pháp phân tích hồi quy (Regression analysis): Phân tích hồi qui phương pháp thống kê mà giá trị trung bình (mean) hay nhiều biến ngẫu nhiên dự đoán dựa vào điều kiện biến ngẫu nhiên (đã tính tốn) khác Cụ thể, có hồi qui tuyến tình, hồi qui lơgic, hồi qui Poisson học có giám sát Phân tích hồi qui khơng trùng khớp đường cong (lựa chọn đường cong mà vừa khớp với tập điểm liệu); cịn phải trùng khớp với mơ hình với thành phần ngẫu nhiên xác định (deterministic and stochastic components) Thành phần xác định gọi dự đoán (predictor) thành phần ngẫu nhiên gọi phần sai số (error term) Một hàm hồi quy tổng quát sau: Yi = + β1X1 + β2X2 + … + βnXn + εi (1) Trong đó: - Yi = số hành trình phát sinh vùng i - = số thực - β1… βn: = hệ số hồi quy - X1…Xn = biến số ngẫu nhiên (các biến số đại diện cho yếu tố ảnh hưởng đến số lượt lại ví dụ dân số, hộ gia đình… - εi = hệ số hiệu chỉnh (số dư) Các giá trị ao, β1, β2,… βk, εi xác định phương pháp hồi quy CT Ví dụ tốn hồi quy tuyến tính: Một thành phố X có 10 khu vực hình sau: Có kết điều tra dân số hành trình phát sinh sau: Khu vực Hành trình X Y 7,212 5,126 4,818 3,764 8,789 4,030 5,805 3,921 3,054 1,644 10,463 4,467 CT Dân số 2,735 3,407 1,784 1,143 4,418 3,202 10 6,657 3,900 Sử dụng công cụ Excel dễ dàng vẽ biểu đồ xác định hàm hồi quy hình đây: Hình Sử dụng cơng cụ Excel để xác định hàm hồi quy Như ta có hàm số: Y = 0.343X + 1545 (2) Bước Phân phối hành trình (Trip distribution) Sau dự báo nhu cầu lại phát sinh vùng phân tích, mục tiêu phải xác định hành trình đâu số hành trình xuất phát từ điểm đến nhiều điểm đến 25 100 30 … Hình Sự phân phối hành trình Có ba yếu ảnh hưởng tới phân chia này: + Số lượng hành trình phát sinh từ điểm xuất phát CT + Sự hấp dẫn vùng đến + Trở kháng (Chi phí, thời gian lại) Phương pháp thông dụng để xác định phân phối hành trình dùng mơ hình phân phối hấp dẫn (Gravity mode), phương pháp xác định rõ số hành trình lại điểm xuất phát điểm đến hàm số thuộc tính đến (thuộc tính OD) chi phí lại chúng: ⎡ ⎤ ⎢ A j Fij K ij ⎥ Tij = Pi ⎢ A F K ⎥ ⎢ ∑ j ij ij ⎥ ⎣ j ⎦ (3) đó: Tij = Hành trình từ vùng i đến vùng j Pi = Tổng số hành trình phát sinh từ vùng i Aj = Số hành trình hấp thu vào vùng j Fij = Hệ số trở kháng, thông thường hàm số tỷ lệ nghịch với thời gian di chuyển i j Kij = Hệ số hiệu chỉnh mặt kinh tế xã hội cho hành trình xuất phát từ i đến vùng j, thường lấy Ta biết Ps As xác định từ trình phát sinh hành trình, tổng hành trình phát sinh phải tổng hành trình hấp thu ΣPi = ΣAj Ví dụ: Một vùng nghiên cứu có khu vực, liệu điều tra hành trình đến khu vực thể bảng Giả thiết Kij = Khu vực Tổng Hành trình 140 330 280 750 Hành trình đến 300 270 180 750 Thời gian lại từ khu vực đến khu vực khác sau: Vùng CT 2 6 Hệ số trở kháng theo thời gian sau: Time (min) 3 F 82 52 50 41 39 26 20 12 Hệ số trở kháng theo thời gian vùng: Fij theo thời gian Khu vực 39 52 50 52 26 26 50 26 39 Dùng công thức (3): Và lập giá trị A*F*K thành bảng AjFijKij Tổng 11700 14040 9000 34740 15600 7020 4680 27300 15000 7020 7020 29040 Khi giá trị A*F*K cho cặp đến lập bảng, bạn chèn giái trị vào công thức trọng lực xác định số lượng hành trình cặp - đến Như ta tính giá trị Tij thể bảng Khu vực P 47 57 36 140 189 85 57 330 145 68 68 280 A 380 209 161 750 A cho trước 300 270 180 750 Khi tổng số hành trình hấp thu cho vùng khơng tổng số hành trình hấp thu ban đầu, ta cần điều chỉnh lại nhân tố hấp thu Ta phải tính tốn lại nhân tố hấp thu theo công thức sau: Aj A jk = A j( k −1) ( 4) C j( k −1) Trong đó: - Ajk = Nhân tố hấp thu hiệu chỉnh cho vùng hấp thu (cột) j lần thứ k CT - Ajk = Aj k=1 - Cjk = Tổng giá trị hấp thu (cột) thực tế cho vùng j lần thứ k - Aj = tổng số hấp thu mong muốn thuộc vùng hấp thu (cột) j - j = số thứ tự khu vực hấp thu - n = số lượng khu vực - k = số lần lặp Ví dụ: với khu vực ta có: A 12 = A1 300 A 11 = 300 = 237 C11 380 Khu vực Aj1 380 209 161 A cho trước 300 270 180 Aj2 237 349 201 (5) Tiếp tục tính lại giá trị A*F*K: AjFijKij Tổng 9237 18138 10062 37437 12316 9069 5232 26617 11842 9069 7848 28759 Kết tính lặp lần 2: Khu vực P 35 68 38 140 153 112 65 330 115 88 76 280 A 303 269 179 750 A cho trước 300 270 180 750 Tính lặp sai số tổng giá trị hấp thu A gần giá trị A cho trước (sai số không 5%) kết chấp nhận bảng đây: Khu vực 35 68 38 153 112 65 CT 115 88 76 Bước Phương thức phân chia Sau hồn thành cơng tác phân phối hành trình, cơng việc phải xác định phương thức lại phương tiện sử dụng Giai đoạn dự báo có người sử dụng phương tiện giao thông công cộng người sử dụng phương tiện giao thông cá nhân Phương pháp thơng thường sử dụng mơ hình Logit Tất hành trình phát sinh Phương tiện GT cá nhân Xe Xe máy Phương tiện GTCC … Xe bus Tàu điện Hình Phương thức phân chia … Kết q trình phân tích phụ thuộc vào đặc điểm loại hành trình từ điểm đến điểm đến ấn định, loại hành trình ( mua sắm, làm, học…), địa điểm địa điểm đến, thời gian lại, chi phí lại, thời gian chờ đợi chuyển đổi phương tiện, nhân tố kinh tế xã hội biến tố khác có liên quan đến mức độ hấp dẫn mô hình khác Cơng thức tổng qt là: Pi = e Ui ∑e (6) Uj j đó: Pi: khả lựa chọn phương thức i Ui = Hàm tiện ích phương thức i, hàm số có dạng Ui = α + β1 X1 + β2 X2 +… + βn Xn Với: X1, X2,…, Xn, biến số thuộc tính tùy thuộc vào mơ hình i (ví dụ thời gian lại, chi phí lại, thu nhập…) α = Hằng số, β1, β2,…, βn hệ số đại diện cho hợp phần mà kết hợp Hàm tiện ích Hằng số, hệ số xác định phương pháp hồi quy Kết quả: Xác định số lượng hành trình từ vùng đến vùng khác tổ chức mơ hình giao thơng khác CT Ví dụ: Hàm số U cho trước sau: UK= AK - 0.05 Ta - 0.04Tw - 0.02 Tr - 0.01 C Ta = Thời gian lên xe TW = Thời gian chờ đợi Tr = Thời gian hành trình C = Chi phí lại a Sử dụng mơ hình Logit để tính tốn tỷ lệ sử dụng hai loại phương tiện giao thông cá nhân (AK = -0.005) phương tiện giao thông công cộng (AK = -0.05) Sử dụng liệu để phân tích: Mơ hình Ta TW Tr C PTGTCN 30 100 PTGTCC 10 10 45 50 Kết quả: Mơ hình Uk e^Uk P PTGTCN -1.855 0.1565 0.621 PTGTCC -2.35 0.0954 0.379 0.2518 Như 62% người sử dụng phương tiện giao thông cá nhân 38% sử dụng phương tiện giao thông công cộng Bước Ấn định tuyến đường (Traffic assignment) Đây giai đoạn cuối sau xác định phương thức phân chia, mục đích phải xác định tuyến đường (cho phương thức) sử dụng cho hành trình từ điểm đến điểm đến Điểm xuất phát Phát sinh CT Tuyến đường nào? Điểm đến Chi phí Thời gian Số lượng kết nối Hấp thu Hình Tuyến đường lựa chọn cho hành trình? Quá trình ấn định tuyến đường bao gồm sử dụng phương pháp sau: Phương pháp 1: Tất Hầu hết hành trình định cho tuyến tuyến đường ngắn 100 Hình Tất khơng có (All or nothing) Phương pháp 2: (Phương pháp cân bằng), phương pháp bao gồm bước sau: Áp dụng phương pháp (tất khơng có gì) Tính tốn thời gian hành trình (liên quan đến lưu lượng ách tắc giao thơng) Tính tốn lại hành trình ngắn với tăng trưởng giao thơng Kiểm tra lại tất tuyến xem có thời gian lại tương đương hay không, không, lặp lại bước 1, ngược lại, kết thúc trình Ví dụ : Hành trình lại vùng 100 100 200 400 200 100 200 100 100 250 150 300 200 100 50 350 Từ/đến phút phút 12 phút phút phút phút 150 500 150 400 phút Hình Thời gian lại điểm Kỹ thuật “tất khơng có gì” đơn giản giả thuyết tất phương tiện từ điểm đến điểm đến chọn hành trình ngắn (với thời gian ngắn nhất) Ví dụ tất 200 xe từ điểm đến theo hành trình 1-5-4 Bảng thể tất tuyến đường chọn cặp điểm đến Từ tính hành trình ngắn hai cặp điểm tương đương Điểm nút Từ Đến 5 5 Đường Đoạn 1-2 1-2,2-3 1-5,5-4 1-5 2-1 2-3 2-4 2-4,4-5 3-2,2-1 3-2 3-3 3-4,4-5 4-5,5-1 4-2 4-3 4-5 5-1 5-4,4-2 5-4,4-3 5-4 CT Thời gian 11 11 11 11 13 11 11 13 Lưu lượng 100 100 200 150 400 200 100 500 200 100 100 150 250 150 300 400 200 100 50 350 Kết quả: Liên kết Lưu lượng Liên kết Lưu lượng 1-2 200 3-2 300 2-1 600 2-4 600 1-5 350 4-2 250 5-1 450 3-4 250 2-5 4-3 350 5-2 4-5 1300 2-3 300 5-4 700 III KẾT LUẬN Việc phân tích, dự báo nhu cầu lại có tầm quan trọng lớn quy hoạch giao thông Nhờ kết mơ hình phân tích, dự báo nói mà nhà quản lý, chuyên gia đưa định quy hoạch đắn cho công tác quy hoạch hệ thống giao thông vận tải CT Các mơ hình phân tích, dự báo nhu cầu lại dễ dàng áp dụng cơng nghệ tự động hóa phân tích Các mơ hình tích hợp số phần mềm phân tích giao thơng với công nghệ GIS Một số phần mềm tiếng giới dùng để phân tích, dự báo nhu cầu lại TransCAD, EMME/2, Cube… Đặc biệt phần mềm STRADA Nhật Bản quan hợp tác Nhật Bản (JICA) áp dụng số dự án quy hoạch Việt Nam chương trình mạnh, gồm 17 hợp phần, giải toán với 50.000 tuyến đường, 40.000 điểm nút, 3.000 vùng Hiện Việt Nam bắt đầu áp dụng mơ hình phân tích số dự án quy hoạch giao thông tổng thể TPHCM, Hà Nội… dự án tổ chức nước ngồi thực Trong nước chưa có nhiều nghiên cứu phát triển lý thuyết quy hoạch giao thông, tư vấn nước chưa thể đảm nhiệm cơng việc nói chưa có nhân lực công cụ thực lĩnh vực Do cần thiết phải nghiên cứu để xây dựng mơ hình dự báo thực phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam Đưa nhiều cán nước học tập, nghiên cứu đầu tư xây dựng phần mềm phân tích, dự báo nhu cầu lại hướng phù hợp Tài liệu tham khảo [1] Ths Đặng Minh Tân, 2007 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GIS nhằm nâng cao lực quy hoạch quản lý giao thông Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật – ĐHGTVT Hà Nội [2] Harvey J.Miller, Shih-Lung Shaw, 2001 Geographic information systems for transportation Oxford University Press [3] JICA Training, 2007 Urban Transportation Survey & Analysis (Module III) [4] Transportation engineering online lab manual Chapter: Travel Demand Forecasting Oregon State University, Portland State University, University of Idaho [5] Thomas A Domenich and Daniel McFadden, 1975 Urban travel demand North Holland Publishing company – Amsterdam Oxford American Elsevier Publishing Company, Inc – Newyork.♦ ...II PHÂN TÍCH, DỰ BÁO NHU CẦU ĐI (Travel demand forecast) Mơ hình phân tích nhu cầu lại phát triển vào năm 1950 công cụ tiên tiến quy hoạch giao thông Phân tích, dự báo nhu cầu lại sử dụng để... 2-3 300 5 -4 700 III KẾT LUẬN Việc phân tích, dự báo nhu cầu lại có tầm quan trọng lớn quy hoạch giao thông Nhờ kết mơ hình phân tích, dự báo nói mà nhà quản lý, chuyên gia đưa định quy hoạch đắn... công tác quy hoạch hệ thống giao thông vận tải CT Các mơ hình phân tích, dự báo nhu cầu lại dễ dàng áp dụng công nghệ tự động hóa phân tích Các mơ hình tích hợp số phần mềm phân tích giao thông