轨道接驳客流预测模型研究

王冲郭建民王一鸣于晓桦

(1.山东建筑大学 交通工程学院,山东济南250101；2.济南轨道交通集团有限公司,山东济南250101)

0 引言

随着城市化进程的加快,人们日常出行的距离逐渐增加,如何选择快捷舒适的出行方式至关重要。轨道交通因其在城市公共交通长距离运输不可比拟的优势,获得了出行者的青睐。但轨道交通巨大的建设运营成本和其在提供完全“门到门”服务上的不足,一定程度上也限制了轨道交通优势的发挥。因此,轨道交通需要与其他交通方式衔接完成出行。轨道交通衔接其他交通方式出行,既可增大轨道交通的辐射范围,实现轨道交通的“二次吸引”,又可促进组合交通出行的发展,满足国家未来复合交通体系建设的需要。据上海2015年发布的综合交通调查数据显示,越来越多的市民采取轨道交通出行,其中约2/3的乘客需换乘其他交通方式来完成整个出行[1]。

轨道交通接驳出行成为城市中重要的出行方式,给传统交通需求预测带来较大的挑战,接驳客流的预测更成为出行需求预测中的难点。从轨道交通接驳方式来看,车站的客流分为步行客流和乘坐其他方式的换乘客流。其中,能够步行到达车站或离开车站的客流,说明其出行的起始点或终止点都位于轨道交通车站较近的辐射范围内,通常认为是车站附近的土地利用结构产生的客流,因此称之为直接客流；而需要乘坐其他方式到达车站或离开车站的客流,说明其出行起始点或终止点不在轨道交通车站的附近,是由于轨道交通出行优势而被吸引到此换乘的,称之为接驳客流。客流需求预测的传统方法以土地利用法和四阶段预测法为主[2-4],前者多用于单条线路的客流预测,对轨道交通线路的历史客流数据具有较高的依赖性,而四阶段法应用广泛,即使对缺乏历史客流数据的预测也具有较强的适应性,尤其可应用于对新建轨道线路接驳客流的预测。

上述2种方法的客流预测,是将用地开发结构、出行特征(距离、时间、费用)及舒适性等作为接驳客流的识别标志。王丽等考虑轨道车站周边的土地利用规模对轨道换乘客流预测进行了分析[5]；朱旭和马超群等基于出行时间、费用等特征采用广义费用模型预测换乘客流量[6-7]。但实际上,接驳客流量不仅仅是出行特征的函数,其与接驳方式、道路通达性等都有很大的相关性[2],如果站点可达性差,即使出行距离短、花费少,出行者也很难轻松的到达换乘站点,往往会造成客流的损失。现有研究多是直接对出行数据进行统计,而忽略了对到达轨道站点的难易和便捷程度的考虑。因此,文章在四阶段法的基础上,引入车站可达性概念,提出轨道车站接驳客流吸引强度指标,将其作为接驳难易程度的综合度量,从而更准确地预测轨道交通的接驳客流量。

1 轨道车站客流吸引强度指标分析

1.1 轨道车站可达性

车站的直接客流吸引强度是根据客流步行距离推算的,而车站的间接客流即接驳客流吸引强度则是由各车站辐射小区到达车站的方便程度(可达性)决定的,因此在研究车站接驳客流强度前,对车站可达性进行分析。

可达性概念源于古典区位论,可看作反映运输成本的指标,后来广泛应用于GIS、建筑工程设计及城市与交通规划等领域。在交通领域,可达性概念最初是由Hanse在1959年提出的,即交通网络中各个节点相互作用的机会大小[8]。但由于研究范围的不同,学者们对可达性概念有着自己的理解。汤姆逊指出可达性是反映一个城市结构的重要因素,是指克服时空分离的能力及便捷程度,从物理意义上可理解为路途所耗费的时间和费用；从心理感知上可理解为路途中的舒适度[9]。Deichmalnn将可达性与空间距离联系起来,表示特定的社会机会要素和经济状况及其居民所处的区位接触和互动的能力[10]。杨涛在城市交通可达性研究上提出了新可达性指标内涵:可动、易达、通达[11]。目前,在可达性的定义上还没形成统一的标准。文章基于国内外可达性研究成果,提出的轨道车站可达性定义为在研究区域内,车站辐射小区以特定的交通方式到达轨道车站的便捷程度。

从交通出行方式划分,轨道车站可达性可分为道路可达性与轨道可达性。道路可达性是乘坐小汽车或地面公交到达轨道车站的便捷程度；轨道可达性是其他车站与轨道车站间以轨道交通通行的便捷程度。基于站点辐射范围的有效性,在到达轨道车站的方式中,不考虑组合方式到达的情况。依据以往其他交通方式的发展趋势及未来交通参与者的出行需求,显然车站可达性与交通系统的服务能力有关,交通系统服务水平高的地区,可达性也相应较高；一个地区新交通方式的引入也可增加该地区可达性,但不降低其已有交通方式可达性的贡献[12-14]。此外,车站附近土地开发强度和车站活动规模的增加,尽管会提升交通系统承载量,但交通阻抗的同步增长会导致可达性降低。因此,需要强调的是,可达性会随着用地开发强度的增加而降低,车站活动规模的增加不但不会提高车站可达性,反而会由于交通量的提高而导致车站可达性的降低。

(1)轨道可达性

车站的轨道可达性指在该车站乘坐轨道交通到达城市其他区域的便捷程度,这主要与车站的自身定位有关。轨道车站分为一般车站和换乘车站。显然,换乘车站的轨道可达性要高于一般车站。另外,轨道车站还分为市中心车站和城市边缘区车站,在市中心的车站乘坐轨道交通到达其他区域的便捷程度要高于边缘区域的车站。因此,可以用车站轨道线路的数量及车站区位来表征轨道可达性,由式(1)表示为

(2)道路可达性

车站的道路可达性指研究区域内辐射小区以道路交通方式到达轨道车站的便捷程度。文章中道路交通主要包括小汽车和公交车2种出行方式,可达性是客观性的描述,因此采用广义出行费用作为车站道路可达性的特征值[15-17],其中小汽车和公交车的广义出行费用分别由式(2)、(3)表示为

以合成效用logsum函数表起讫点间道路可达性,则某辐射小区n到车站j的道路可达性由式(4)表示为

考虑到轨道车站j的辐射范围覆盖多个小区,对不同小区的道路可达性求和得到车站j的道路可达性,由式(5)表示为

当起讫点间存在多条路径时,2点间广义出行费用采用多路径的logsum函数表示,路径越多,可达性越高。因此。轨道车站作为多模式复合交通体系构建的主体,对车站可达性进行分析不仅可以更加准确地预测车站客流吸引强度,而且可作为评价车站功能的重要指标。

1.2 轨道接驳客流吸引强度

与步行客流不同,车站的接驳客流是小区之间的客流交换[18]。乘坐其他方式到达车站和离开车站的客流大多位于车站的辐射小区内,受接驳范围内单个或多个车站的吸引影响。在接驳范围内到哪个车站换乘,不像步行客流那样主要受到车站距离影响,而是取决于辐射小区到达车站的便捷程度,即道路可达性和轨道可达性。辐射小区与轨道车站的道路可达性和吸引力取决于出发地点到达轨道车站的便捷及舒适程度,而轨道可达性和吸引力更多取决于轨道交通在线网的发展及分布密度。因此,在轨道车站对某一辐射地区的接驳客流吸引强度的研究中,引入上述2个特征变量,并结合轨道车站的聚集效应,建立接驳客流吸引强度模型,由式(6)表示为

式中:Enj为车站j对地区n的接驳客流强度,并假设地区n与车站j距离＜5 km；b1、b2分别为轨道可达性与道路可达性的参数。

2 轨道接驳客流预测模型的建立

轨道接驳客流预测模型是在轨道车站的可达性基础上,从轨道车站的发展定位、周边道路及辐射小区的通达服务特征出发,综合考虑车站及其辐射小区的直达交通方式和沿途的交通服务水平,然后依据上节计算的不同车站接驳客流吸引强度将不同小区的客流产生量分配到各个影响车站。

实际中,不仅一个车站服务于多个交通辐射小区,还存在一个交通小区可能同时为多个车站的辐射小区,即小区产生的交通量可能同时受到多个轨道车站的吸引,要注意的是,小区产生的换乘交通量对于车站的选择是基于换乘站点的选择,其数量不会随车站数量的增加而线性增加,而是假设服从Logit概率分布。因此,车站接驳客流规模基于车站辐射小区计算,再将小区产生的接驳换乘客流以可达性服从Logit分布概率为前提分到各个影响车站。

考虑到一个辐射小区可能受一个以上车站的影响,多个车站的道路可达性与轨道可达性要表示为对应车站的logsum形式,由式(7)、(8)表示为

则小区n的换乘客流总量,由式(9)表示为

再根据Logit模型,将小区的换乘总量分到对应的多个轨道车站,由式(10)表示为

此外,若轨道交通的间接影响范围涉及对外虚拟小区,由于无法得知虚拟小区的交通网络,只能根据内部相关小区的换乘量以一定的比例来估计虚拟小区到车站的换乘量。

3 轨道接驳客流预测模型应用

3.1 算例分析

假设有A、B、C、D等4个车站,其中A为单线车站,其余均为两线换乘车站。Ai、Bi、Ci、Di分别为与车站A、B、C、D相关的小区,i＝1,2,3(如图 1所示)。标定换乘客流吸引强度模型需要事先得到的相关数据有:小区到车站换乘客流量,小区与车站间道路交通的平均时间与费用,小区交通生成量,车站间轨道交通的平均通行时间与费用。车站与其相关小区的基础数据与可达性见表1。

图1 4个轨道车站的关系示意图

表1 接驳客流标定所需数据表

由于算例中不涉及一个小区对应多个车站的情况,所计算的小区到车站的换乘客流量可由式(11)表示为

标定参数αj＝0.0084、b1＝0.8976、b2＝0.1421,利用matlab非线性回归命令生成的接驳客流吸引强度如图2所示。

图2 接驳客流吸引强度图

当轨道车站的道路可达性和轨道可达性指标值均＜4时,接驳客流吸引强度变化缓慢,对换乘客流的吸引力较小,相应的换乘客流规模也较小；而当两者指标值均＞4时,轨道车站对换乘客流的吸引力增大,会有更多的出行者会选择在该站点换乘完成出行。

3.2 案例实证

长沙滨江新城片区是复合型新都会中心,既是大河西的核心区,也是整个长沙市的中心地段(如图3所示),区位优势明显,其规划区面积为6.7 km2,总人口约5万。

滨江新城未来会形成“五横三纵”的复合型城市道路网布局,如图4所示。轨道交通作为道路网络布局的重要设施,已运行的轨道4号线、已规划完的轨道5号线、正在规划建设的6号线及长株潭城际铁路均在滨江新城区域设置了轨道站点,符合文章对轨道交通站点换乘客流的分析要求。

图3 滨江新城区位图

图4 滨江新城复合交通网络图

(1)对滨江新城进行交通小区划分

根据交通小区划分原则,将滨江新城划分为70个内部小区和10个外部小区,为了统计方便,归为8个内部大区与4个外部大区,如图5、6所示。其中,5个轨道车站均可以覆盖其周边的4个交通小区。

图5 滨江新城大区划分图

图6 车站覆盖小区示意图

(2)轨道车站客流预测分析

①直接客流与站点类型、覆盖范围有关,车站1、2属于单线CBD车站,车站3为换乘站,车站4、5属于单线非CBD车站。相关研究表明,步行到车站的客流量与步行距离有关,且服从负指数分布,因此车站j的步行客流量可由式(12)表示为

表3 各站点高峰小时步行客流表

图7 各小区的道路可达性示意图

4 结论

通过上述研究可知:

(1)轨道车站的接驳客流吸引强度取决于轨道车站类型和辐射小区的可达性。轨道换乘站和比较容易到达轨道车站的小区,其接驳客流吸引强度大,具有较高的换乘需求。

(2)在轨道交通车站的接驳范围内,乘客换乘站的选择更多取决于小区与车站的道路可达性及车

②轨道车站的换乘客流强度取决于站点类型(强集散中间站、换乘站及普通中间站)和辐射小区的道路可达性及轨道可达性。滨江新城各交通小区的道路可达性指标分布如图7所示,发现离轨道站点越近,其道路可达性越高。对滨江新区的轨道5号线分析站点的轨道可达性,城市地铁和城际铁路分别设定参数为0.8和0.5,得出站点5的轨道可达性为0.5；站点1、2、4的轨道可达性为0.8；站点3的轨道可达性为1.6,发现换乘站站点3的轨道可达性最高,符合实际。因此城市轨道布局位置和线路数量对站点的轨道可达性具有较大的影响,城市内部地铁线路与城际铁路相比,有较高的轨道可达性；换乘站有较多的线路通过,相应的配套设施及道路网密度较高,也具有更高的可达性。

图8 轨道站点换乘客流分布图

根据接驳客流预测模型计算,得到轨道站点接驳客流分布图8,发现站点类型和离轨道站点的远近在很大程度上影响换乘客流的需求,换乘站和离轨道站点较近的位置,具有较高的换乘需求及吸引力。站的轨道可达性,其中道路可达性主要与出行费用、出行时间便利程度有关,其指标值为0.5～1.6；轨道可达性主要与轨道车站的线路数量及轨道车站的自身定位有关,其指标值为2.68～10.00,可达性越高,车站接驳客流吸引强度和客流规模越大,模型预测效果越好。