110 高普考高考三級 交通行政 運輸規劃學 考古題詳解
第 一 題25 分
運輸規劃之基本交通資料有那些?請列出傳統上最常用來蒐集交通資料的三種調查方法及內容?近年已有實驗利用手機信令(mobile signal)以及全球定位系統(GPS)資料進行智慧判讀,從而轉化產生運輸規劃所需之交通資料。請比較傳統調查方法與新近利用手機信令以及 GPS 資料進行智慧判讀方法之優、缺點。
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核心觀念
本題考查運輸規劃中「交通資料」的種類、傳統交通調查方法,以及手機信令與 GPS 大數據在交通資料蒐集上的應用比較。
運輸規劃所需資料,主要可分為:
- 交通供給資料:道路、路網、車道數、道路容量、速限、號誌、停車設施、大眾運輸路線與班次等。
- 交通需求資料:旅次起訖點(Origin-Destination, O-D)、旅次數量、旅次目的、運具選擇、出發時間、到達時間等。
- 交通運行資料:交通量、車種組成、行車速度、旅行時間、壅塞程度、延滯、事故等。
- 社會經濟資料:人口、家戶數、所得、就業人口、車輛持有數、土地使用及活動強度等。
其中,交通需求資料常透過旅次產生、旅次分布、運具選擇及交通指派等程序,作為運輸規劃模式的輸入資料。交通調查的目的,即是建立現況交通需求與交通運行狀況,供交通分析、預測及方案評估使用。
本題不涉及特定法條或計算公式;法規適用問題依題意並無須援引。
解題方法
答題宜採取三段式架構:
- 先說明運輸規劃基本交通資料的內容。
- 再列出三種傳統調查方法,說明調查方式及可取得資料。
- 最後以「資料特性、空間時間解析度、成本、代表性、隱私及資料品質」等面向,比較傳統調查與手機信令、GPS 智慧判讀方法。
一、運輸規劃之基本交通資料
(一)交通量與交通流資料
包括:
- 路段及路口交通量
- 尖峰、小時及日交通量
- 車種組成
- 行車速度
- 旅行時間
- 延滯及排隊長度
- 路口轉向量
- 大眾運輸搭乘量
交通量資料可用於道路容量分析、服務水準評估、號誌設計及壅塞分析。
(二)起訖點資料
即 O-D 資料,記錄旅次的出發地與目的地,可進一步分析:
- 各交通分區間的旅次量
- 旅次流向
- 內部旅次、外部旅次及穿越旅次
- 不同時段的旅次分布
- 不同運具的 O-D 流量
O-D 資料是旅次分布、運具選擇及交通指派的重要基礎。
(三)旅次特性資料
包括:
- 旅次目的:通勤、就學、商務、購物、休閒等
- 旅次發生時間
- 旅次頻率
- 旅次起訖地點
- 旅次所使用的運具
- 轉乘情形
- 旅次旅行時間
- 旅次費用
- 駕駛人及乘客人數
這些資料可用於分析不同族群的交通行為及運具選擇。
(四)交通供給資料
包括:
- 道路幾何條件
- 車道數與車道寬度
- 道路等級
- 速限
- 路口型式與號誌控制
- 公車路線、站位與班次
- 軌道運輸路線與班距
- 停車場位置、容量與費率
- 道路容量及服務水準
(五)社會經濟與土地使用資料
包括:
- 人口及家戶數
- 年齡、所得與就業情形
- 車輛持有數
- 學校、商業區、工業區及住宅區分布
- 土地使用強度
- 建築樓地板面積
- 就業及活動人口
此類資料常作為旅次產生及交通需求預測的解釋變數。
二、傳統上最常用的三種交通調查方法
(一)交通量調查
1. 調查方式
在道路路段、路口或特定斷面,以人工、攝影、感應線圈、雷達或其他計數設備,記錄通過該地點的交通流量。
調查時通常依時間區分為:
- 全日交通量
- 尖峰小時交通量
- 平日與假日交通量
- 早尖峰與晚尖峰交通量
2. 調查內容
主要包括:
- 各方向交通量
- 各進出口及轉向交通量
- 車種組成
- 小客車、機車、貨車及大型車數量
- 時間分布
- 速度
- 車頭時距
- 排隊長度及延滯
路口調查通常特別重視直行、左轉及右轉交通量,因為這些資料直接影響號誌時制及路口容量分析。
3. 優點與用途
交通量調查具有操作簡單、資料容易量化、適合大範圍布點等優點,可用於:
- 道路容量分析
- 路口號誌設計
- 服務水準評估
- 交通指派校估
- 壅塞及交通改善前後比較
4. 限制
交通量調查通常只知道「某一斷面通過多少車」,無法直接知道每輛車的完整起點、目的地、旅次目的及個人特性。因此,單獨使用交通量資料難以完整建立 O-D 矩陣。
(二)路邊訪問調查
1. 調查方式
在道路路邊、檢查站、停車場出入口或特定交通節點攔停車輛,由調查員訪問駕駛人或乘客,取得旅次資訊。
為降低對交通流的干擾,通常採抽樣方式進行,並配合交通量資料進行推估。
2. 調查內容
常見內容包括:
- 車輛目前所在地
- 旅次起點與目的地
- 旅次目的
- 使用運具
- 出發時間
- 預計到達時間
- 旅行頻率
- 車內人數
- 是否為本地車輛
- 行經路線
- 停留地點
- 貨車載運貨物種類及重量
3. 優點
路邊訪問調查具有下列優點:
- 可直接取得 O-D 資料
- 可詢問旅次目的與行程資訊
- 可取得交通量調查無法觀察的個人回答資料
- 適合調查穿越性交通、外地車輛及特定走廊交通
4. 限制
其限制包括:
- 攔停車輛會造成交通干擾及壅塞
- 調查成本高且需要較多人力
- 受訪者可能拒答或回答不完整
- 調查時段通常有限,難以涵蓋全年及所有時段
- 受訪者可能因記憶或理解偏差而產生誤差
(三)家戶訪問調查
1. 調查方式
以家戶為抽樣單位,透過面訪、電話、紙本問卷或網路問卷,調查家戶成員在特定基準日或調查期間的所有旅次。
家戶調查通常採分層抽樣,依行政區、交通分區、家戶型態或所得等條件抽取樣本,再依抽樣權重推估母體。
2. 調查內容
常見內容包括:
- 家戶人口數
- 年齡及職業
- 所得
- 車輛及機車持有數
- 家戶居住地
- 每位成員的出發地與目的地
- 旅次目的
- 出發及到達時間
- 使用運具
- 轉乘情形
- 旅行時間
- 旅次頻率
- 未滿足的交通需求
3. 優點
家戶訪問調查可取得完整的旅次鏈資訊,並可同時掌握旅次與社會經濟特性,適合用於:
- 旅次產生分析
- 旅次分布分析
- 運具選擇分析
- 家戶交通行為研究
- 運輸需求模型建構
- 社會公平及交通弱勢族群分析
4. 限制
其限制包括:
- 調查成本高、週期長
- 受訪者可能漏報短程旅次
- 回憶誤差及填答誤差明顯
- 回收率下降會造成樣本代表性問題
- 調查結果多屬特定日期或期間,難以反映即時交通變化
- 隱私及個人資料保護要求較高
三、手機信令及 GPS 智慧判讀方法
(一)手機信令資料
手機在與基地台進行通訊、位置更新、通話、簡訊或行動數據傳輸時,會留下基地台連線紀錄。透過連續手機信令,可判讀使用者的:
- 大致位置
- 移動方向
- 停留地點
- 停留時間
- 移動路徑
- 可能的居住地及工作地
- 區域間移動量
- 交通分區間 O-D 旅次
手機信令通常是以基地台涵蓋範圍判定位置,因此空間精度受基地台密度影響。在市區通常較佳,在郊區、高速公路及山區則可能較粗略。
(二)GPS 資料
GPS 資料可來自:
- 車載 GPS
- 智慧型手機定位
- 導航軟體
- 物流車隊
- 計程車車隊
- 共享運具
- 具定位功能的穿戴裝置
透過連續定位點與地圖匹配技術,可判讀:
- 精細移動軌跡
- 行駛路線
- 行車速度
- 旅行時間
- 停留時間
- 路口延滯
- 轉向行為
- 壅塞路段
- 交通事件影響
GPS 的定位精度通常高於手機基地台信令,但實際效果仍受裝置、訊號環境、取樣頻率及地圖匹配品質影響。
第 二 題25 分
在運輸規劃過程中,採用四步驟旅運需求預測程序(four-step travel demand forecasting process)所獲得之結果精度並不高,其主要原因是因為循序性步驟前後之間存在介面,從而產生不一致性(inconsistency)的問題。試舉出兩種有效的改進方法並詳細說明之。
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核心觀念
四步驟旅運需求預測程序通常包括:
- 旅次發生與吸引:估計各分區產生旅次數與吸引旅次數。
- 旅次分布:將產生旅次分配至各目的地,形成起迄矩陣。
- 運具選擇:依時間、費用、舒適性及所得等因素,決定各起迄旅次使用不同運具的比例。
- 交通量指派:將各運具旅次分派至路網,估計路段流量、旅行時間及壅塞程度。
傳統四步驟法採取「前一步驟完成後,再將結果交給下一步驟」的循序方式,因此容易產生介面不一致。例如:
- 旅次分布使用的區間旅行時間,與交通量指派後因壅塞產生的實際旅行時間不同。
- 運具選擇使用的旅行成本未充分反映路網壅塞。
- 旅次發生、分布及運具選擇彼此獨立估計,造成總旅次量、起迄分布及運具比例彼此不協調。
因此,本題重點在於說明如何降低四步驟間的資訊落差,使預測結果更接近運輸系統的均衡狀態。
改進方法一:建立回饋迭代程序
最直接且有效的方法,是在旅次分布、運具選擇與交通量指派之間建立回饋迴路,反覆更新各步驟所使用的旅行時間與旅行成本。
一、基本作法
先依初始路網成本進行四步驟預測,取得指派後的路段流量,再依容量限制與壅塞函數計算新的路段旅行時間:
其中:
- :路段 的壅塞後旅行時間;
- :路段 的自由車流旅行時間;
- :路段流量;
- :路段容量;
- :壅塞函數參數。
再將新的旅行時間回饋至旅次分布及運具選擇模型,重新計算起迄旅次、運具比例,最後再次進行交通量指派。
二、迭代流程
持續迭代至前後兩次的旅行時間、路段流量或起迄矩陣差異小於預先設定的收斂標準。例如:
其中 表示第 次迭代, 為容許誤差。
三、改善效果
此方法能使:
- 旅次分布所使用的阻抗接近指派後的實際旅行時間;
- 運具選擇所使用的旅行成本反映道路壅塞;
- 交通量指派結果與旅客選擇路徑、目的地及運具的決策相互一致;
- 預測結果逐漸接近交通需求與路網供給的均衡狀態。
此種作法又可稱為「回饋程序」、「迭代程序」或「平衡程序」。其核心不是只將指派結果作為最後輸出,而是將壅塞後成本回傳至前端模型。
改進方法二:採用整合式或同時性需求模式
第二種方法是將原本分離的步驟加以整合,建立聯立或同時估計的模式,使旅次分布、運具選擇與路網指派不再完全獨立處理。
一、傳統循序模式的問題
傳統模式通常先決定目的地,再決定運具,最後決定路徑。但實際旅客決策具有相互影響關係:
第 三 題25 分
智慧型運輸系統(ITS)中的先進旅行者資訊子系統(ATIS)可提供路網資訊或進一步客製化做為路線導引之用。常見之靜態交通量指派因為忽略時間向度的考量,無法真實反應車輛在路網中流量傳導的過程,是項缺點誘導了動態交通量指派(DTA)的快速發展。請詳細說明納入時間向度考量之分析性(analytic approach)與模擬性(simulation-based)兩種動態交通量指派模型與求解觀念的不同與優劣點。
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核心觀念
本題考查動態交通量指派(Dynamic Traffic Assignment, DTA)的兩大建模路線:
- 分析性方法(analytic approach)
- 模擬性方法(simulation-based approach)
靜態交通量指派(Static Traffic Assignment, STA)通常以一段分析期間內的總流量與平均旅行時間為基礎,假設流量在分析期間內以穩定狀態存在,無法表現:
- 車輛於各時段進入路網的時間差異;
- 尖峰期間壅塞的形成、消散與回堵;
- 車輛在路段間的流量傳導;
- 不同出發時間所造成的旅行時間差異;
- ATIS 或動態路線導引對交通流的即時影響。
DTA則以時間為主要分析軸,將交通需求表示為出發時間函數,並以交通流在路網中的動態傳播過程計算各路徑、路段及時段的流量與旅行時間。
一、DTA的基本數學概念
1. 動態需求
在靜態指派中,起訖點對 的需求通常表示為單一數值 ;在DTA中,需求須依出發時間表示:
其中 表示時間 從起點 出發前往終點 的車流率。
若以路徑 表示起訖點對 的一條可行路徑,則路徑流量為:
並須符合動態需求守恆:
2. 路段流量與旅行時間
設路段 在時間 的進入流量為 ,離開流量為 ,則路段內車流須滿足流量守恆:
其中 為路段內車輛數。
路段旅行時間不再只是流量的靜態函數,而是與出發時間及整個路網的交通狀態有關:
其中 表示於時間 出發,行經路徑 所需的旅行時間。
3. 動態使用者均衡
動態使用者均衡(Dynamic User Equilibrium, DUE)的核心是:在已知交通需求及路網條件下,使用者無法藉由單獨改變路徑或出發時間而降低旅行成本。
若路徑 在時間 被使用,其廣義成本須等於該起訖點對的最低成本:
未被使用的路徑則須滿足:
其中 可包含旅行時間、行程延誤、收費及轉乘成本; 為起訖點對 的最低動態成本。
相較之下,動態系統最適(Dynamic System Optimum, DSO)是從整體路網角度,使總旅行成本最小:
DUE偏重個別用路人的選擇,DSO則偏重整體路網效率。
二、分析性動態交通量指派模型
1. 基本觀念
分析性方法是將交通流的移動與壅塞演化,以數學方程式、最佳化模型、變分不等式或數值離散方式描述。模型先建立交通流的運動規則,再透過方程式求出路段流量、路徑流量、旅行時間及均衡狀態。
常見分析工具包括:
- 動態流量守恆方程式;
- 路段旅行時間函數;
- 變分不等式(Variational Inequality, VI);
- 非線性規劃;
- 最佳控制;
- 時空網路(time-space network);
- 動態使用者均衡模型;
- 宏觀交通流模型,如LWR模型;
- 離散時間、離散路段的細胞傳輸模型(Cell Transmission Model, CTM)。
2. 交通流傳導的描述
分析性模型通常以宏觀流量描述交通狀態,例如密度、流率及速度之間的基本關係:
其中:
- :路段流率;
- :路段密度;
- :平均速度。
宏觀交通流理論可用偏微分方程式描述車流在路段上的傳遞:
此式代表路段內車輛數的守恆。當上游進入流量大於下游可排出流量時,密度增加並形成壅塞;下游容量恢復時,壅塞波向上游消散或退移。
在離散模型中,路段可切割為許多細胞,依據每一時間間隔的流量轉移更新車輛數:
其中 為細胞 內的車輛數, 與 分別為進入及離開該細胞的車流量。
3. 分析性DTA的求解觀念
分析性DTA通常採取下列程序:
- 將每日交通需求依出發時間切分為不同時段或連續時間流。
- 建立路段容量、自由流旅行時間、壅塞延滯及轉向限制。
- 依交通流守恆與路段傳導方程式,計算每一時段的路段進入流量、離開流量與排隊長度。
- 由路徑組合路段成本,求得各條路徑在各出發時間的動態旅行成本。
- 依DUE、DSO或其他均衡條件調整路徑及出發時間流量。
- 反覆計算,直到路徑成本與流量分配符合均衡條件。
若採變分不等式表示,求解目標可概念化為尋找路徑流量 ,使:
對所有滿足需求守恆的可行流量 均成立。
4. 分析性方法的優點
(1)理論結構清楚
分析性模型能明確表達需求、容量、旅行時間、排隊、流量守恆及均衡條件,適合進行理論分析與政策評估。
(2)計算效率較高
宏觀模型不需逐一模擬每輛車,適合處理大型路網、長時間分析及大量政策情境。
(3)容易進行最佳化與敏感度分析
可直接分析道路容量、號誌控制、匝道儀控、收費、車道配置及需求變化對系統效率的影響。
(4)結果較容易解釋
模型輸出通常包括路段流量、旅行時間、排隊長度、總延滯及系統總成本,適合做規劃報告及政策比較。
(5)適合均衡與最適問題
DUE、DSO、動態收費及容量配置等問題,均可用數學規劃或變分不等式架構處理。
5. 分析性方法的缺點
(1)假設較多
為了使模型可以求解,常須簡化駕駛行為、跟車行為、換道行為、事故影響、號誌反應及路口運作。
(2)難以描述個體差異
宏觀流量通常以平均速度、平均密度及平均旅行時間描述,無法充分表現不同駕駛者的反應差異。
(3)路口及複雜交通控制的表現受限
對於號誌時制、轉向衝突、車道變換、織流區、匝道合流及交叉口排隊,分析模型往往須額外簡化。
(4)均衡求解可能困難
DUE通常具有非線性、非凸性及時間相依性,且路徑數量隨路網規模快速增加,可能產生多重均衡解或計算收斂問題。
(5)對模型校估要求高
容量、自由流速、瓶頸位置、排隊規則及流量傳導參數若設定不當,模型結果會與實際交通狀況產生差異。
三、模擬性動態交通量指派模型
1. 基本觀念
模擬性方法是建立一個虛擬路網,依時間逐步推演車輛進入、行駛、排隊、換道、轉向及離開路網的過程,再由模擬結果估計交通流量與旅行成本。
模擬性DTA通常包含兩個主要部分:
- 交通流模擬器或動態網路載入(Dynamic Network Loading, DNL);
- 路徑選擇與流量更新機制。
DNL的功能是:在給定路徑流量及出發時間分配後,模擬車流在路網中的運動,產生每輛車或每一類車輛的行程時間、路徑流量及路段交通狀態。
第 四 題25 分
運輸政策需要考量消費者之效用與偏好行為,請問個體旅運需求模型(disaggregate travel demand model)的架構為何?其在交通領域之適用範圍有那些?另請說明個體選擇行為偏好資料的調查問卷之種類、以及羅吉特模型之統計檢定指標與內容。
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核心觀念
本題考查個體旅運需求模型的三個重點:
- 以個人或家庭為分析單位,解釋旅運者如何在不同方案中進行選擇。
- 以效用最大化與隨機效用理論建立選擇模型。
- 說明偏好資料的調查方式,以及羅吉特模型的參數顯著性、模型配適度與選擇預測能力。
個體旅運需求模型(disaggregate travel demand model)與傳統總體模型不同。傳統總體模型以交通分區、人口或所得總量進行分析;個體模型則直接分析個人、家庭或旅次的選擇行為,因此能納入個人社經特性、旅次目的、時間價值及方案屬性等因素。
一、個體旅運需求模型之架構
(一)分析單位與選擇方案
個體旅運需求模型的基本分析單位包括:
- 個人
- 家庭
- 家戶
- 單一旅次
- 旅運者在特定情境下的選擇行為
首先界定決策者所面對的選擇集合 。例如通勤者的運具選擇集合可能包括:
若研究目的為目的地選擇,選擇集合則可能是不同商業區;若研究目的為出發時間選擇,選擇集合則是不同時段。
(二)隨機效用理論
假設個體 選擇方案 時所獲得的效用為:
其中:
- :個體 選擇方案 的總效用
- :可觀察效用,取決於方案及個體特性
- :不可觀察效用,代表偏好差異、資料遺漏及隨機因素
可觀察效用通常表示為:
其中 包括:
- 旅行時間
- 旅行成本
- 等候時間
- 轉乘次數
- 舒適性
- 可靠度
- 個人所得
- 年齡、性別、職業
- 汽機車持有情形
- 旅次目的
個體選擇效用最高的方案:
因此,模型並非直接預測「一定選擇哪一種運具」,而是計算個體選擇各方案的機率。
(三)選擇機率
若各方案的隨機誤差項服從獨立且相同的極值分配,即可導出多項羅吉特模型:
其中 為個體 選擇方案 的機率。
模型估計後,可將所有個體的選擇機率加總或加權,推估市場占有率、運具分配比例及政策方案下的旅運量:
這就是個體模型由「個體選擇」推估「總體需求」的基本架構。
(四)決策層級架構
個體旅運需求模型可依旅運決策的先後順序,建立階層式架構,例如:
- 是否產生旅次
- 旅次目的選擇
- 目的地選擇
- 出發時間選擇
- 運具選擇
- 路線選擇
實務上可建立巢式羅吉特模型(nested logit model),將具有相近特性的方案置於同一巢內,例如先選擇私人運具或大眾運輸,再選擇小客車、機車、公車或捷運。
二、個體旅運需求模型在交通領域之適用範圍
(一)運具選擇
分析旅運者在小客車、機車、公車、捷運、鐵路、計程車及步行等方案間的選擇。
適用政策包括:
- 大眾運輸票價調整
- 停車費及道路使用費
- 公車專用道
- 捷運新線通車
- 汽機車持有成本改變
- 運具旅行時間及可靠度改善
(二)目的地選擇
分析個人前往不同商業區、工作地點、休閒地點或服務設施的選擇。
模型可評估:
- 新設購物中心對旅次的吸引效果
- 商業區開發對交通量的影響
- 公共設施區位改變
- 工作地點與居住地點的空間選擇
(三)出發時間選擇
分析旅運者選擇尖峰、離峰或不同時段出發的行為。
適用於:
- 尖峰差別費率
- 彈性工時
- 擁擠費
- 大眾運輸班次調整
- 道路壅塞管理
(四)路線選擇
分析駕駛人或乘客在不同路線間的選擇,可納入:
- 行駛時間
- 距離
- 收費
- 壅塞程度
- 事故風險
- 路線可靠度
(五)旅次產生與旅次鏈
個體模型可分析個人或家庭是否產生旅次、產生多少旅次,以及通勤、購物、接送等旅次活動的組合。
(六)新運輸系統與政策評估
特別適合評估具有下列特性的政策:
- 尚未存在的新運具
- 新增收費制度
- 新服務型態
- 服務品質改善
- 票價、時間及舒適性同時改變
- 不同使用者受到差異化影響的政策
此類政策通常缺乏既有觀察資料,必須透過偏好調查建立需求模型。
(七)適用限制
個體模型雖然具有行為解釋能力,仍有下列限制:
- 需要大量個體層級資料
- 問卷設計與樣本品質會直接影響估計結果
- 模型假設可能與真實決策過程不完全一致
- 選擇集合若設定不完整,會造成模型偏誤
- 多項羅吉特模型具有獨立於不相關替代方案的假設,即 IIA 假設
三、個體選擇行為偏好資料之調查問卷種類
(一)敘述偏好調查:SP(Stated Preference)
敘述偏好調查係向受訪者描述假設性選擇情境,請其表示偏好。
例如設定:
- 公車旅行時間 40 分鐘、票價 30 元
- 捷運旅行時間 25 分鐘、票價 50 元
- 小客車旅行時間 20 分鐘、停車費 80 元
再請受訪者選擇偏好的方案。
SP 的常見形式
-
選擇法(choice) 受訪者從數個方案中選出最偏好的方案。
-
排序法(ranking) 受訪者將所有方案依偏好順序排列。
-
評分法(rating) 受訪者對每一方案給予分數,例如 1 至 10 分。
-
配對比較法(paired comparison) 一次比較兩個方案,判斷偏好哪一個。
SP 的優點是能評估新方案及尚未存在的運輸服務;缺點是受訪者在假設情境下的回答,未必等同於實際支付金錢或實際搭乘時的行為。
(二)揭示偏好調查:RP(Revealed Preference)
揭示偏好調查係蒐集受訪者在真實環境中已經做出的選擇。
資料內容包括:
- 實際使用運具
- 實際出發時間
- 實際目的地
- 實際旅行時間
- 實際旅行成本
- 實際旅次頻率
- 個人與家庭社經特性
RP 的優點是反映真實行為;缺點是只能觀察既有方案,無法直接觀察受訪者對全新運具或新政策的偏好,且不同方案的屬性可能存在高度相關。
(三)揭示偏好與敘述偏好混合調查:RP/SP Combined
混合調查同時蒐集:
- 受訪者目前實際採取的選擇
- 受訪者面對假設情境時的選擇