都市圈视野下客运枢纽交通需求技术框架研究

董志国

上海晶众信息科技有限公司

都市圈交通具有区域交通与城市交通组合完成一次出行的显著特征。近期国家提出要加快培育发展现代化都市圈，以超大特大城市或辐射带动功能强的大城市为中心、以1小时通勤圈为基本范围[1]。客运枢纽是都市圈高效通勤的关键节点。目前我国一些城市的综合客运枢纽偏重于服务国际、省际等对外交通或核心城市之间的城际交通，对如何为都市圈交通提供服务的研究相对较少。有必要尽快建立以客运枢纽为核心的区域交通需求与城市交通需求一体化研究技术方法，为都市圈综合交通体系规划建设提供针对性的技术支撑。

1 都市圈客运枢纽交通需求主要特征

1.1 都市圈交通出行需求主要特征

都市圈是城市化发展到较高阶段后，特大城市与周边地区的社会经济联系显著增强所呈现出的城镇体系空间组织形态。都市圈交通出行的研究重点是居住在特大城市的通勤腹地、前往核心地区上班的向心通勤交通需求，具有规模大、距离长、峰值高、潮汐强等特点，对交通运输系统的容量、速度和可靠性等具有较高要求，因此多采用轨道交通方式出行。例如，东京大都市交通圈以东京火车站为中心（见图1），通勤半径达到50 km，覆盖人口超过3 000万人口，每天近400万人进入中心城区（区部）上班[2]，轨道交通方式分担率接近90%。

图1 东京大都市交通图[2]

图2 上海第五次综合交通调查居民通勤出行时间

都市圈轨道交通方式出行由区域交通出行和城市交通出行两段组成，形成轨道方式链，需要构建多层次轨道交通系统完成运输任务。同时，由于都市圈通勤出行距离较长，通勤者对出行时间的敏感性较高。根据上海第五次综合交通调查数据分析（见图2），特大城市居民上班出行平均时间不宜超过60 min。因此，1小时可认为是轨道都市圈建设的基本通勤范围。

1.2 都市圈客运枢纽换乘需求主要特征

目前我国客运枢纽一些特大城市的客运枢纽功能设计过于追求大而全，希望通过一个或几个综合客运枢纽解决所有对外交通需求与城市交通需求的衔接问题，实际上都市圈交通出行在枢纽的换乘需求特征较国际、省际或中长距离城际交通出行有较大差异，表现在换乘客流的来源地及换乘目的、方式、时间等方面。

都市圈交通出行的客流来源地位于特大城市的通勤腹地，主要目的是前往核心地区上班通勤，当日往返比重较高，采用轨道交通方式链为主，通过枢纽进行区域轨道交通方式与城市轨道交通方式的相互转换，换乘路线比较单一，由于通勤者对出行时间较为敏感，枢纽内换乘时间十分有限。按照全程出行平均时间60 min计算，枢纽内换乘时间宜控制在5 min左右，如表1所示。

国际、省际或中长距离城际交通出行的客流来源地较都市圈更为广泛，前往枢纽所在城市的目的更加多样，包括公务、务工、旅游观光、探亲访友和中转等。由于客源地较远，出行时间较长，通勤占比较低。同时，客流背景构成多元，对交通系统服务水平要求差异较大，希望枢纽提供多样化换乘方式进行选择，包括航空、铁路、公路等大交通方式和地铁、公交、出租车、社会车辆等城市交通方式，从而在枢纽形成了多种换乘方式组合，换乘路线较多且容易相互交织。此外，客流对枢纽换乘时间的敏感性比都市圈客流较低，许多人员甚至还会在枢纽短暂停留，需要枢纽提供餐饮、购物、休息等配套设施。

表1 轨道都市圈上班通勤出行时间构成

由于上述两类枢纽换乘客流特征相差较大，对枢纽各项功能要求也不相同，因此枢纽规划设计需要注重对各类交通需求的差异化研究，使枢纽功能更好适应交通出行要求。

2 都市圈客运枢纽布局和换乘的主要问题

目前我国一些特大城市的综合客运枢纽规划设计还未系统开展都市圈交通出行特征的针对性研究，枢纽在布局和换乘等方面尚无法完全适应都市圈高效通勤要求。

2.1 都市圈客运枢纽布局体系尚未形成

都市圈综合客运枢纽布局，主要服务对象是居住在特大城市通勤腹地、前往中心城区上班的通勤人群，强调全程出行的高效、便捷和快速，实现市郊铁路、通勤铁路与城市轨道交通的无缝衔接功能，枢纽布局沿都市圈各方向的交通通道多点布置，枢纽选址尽量靠近特大城市中心城区的边缘，使通勤者换乘城市轨道交通后能够在较短时间内到达工作场所。各枢纽之间通过环线连接，便于各方向换乘。而目前一些特大城市的综合客运枢纽布局，主要服务国际、省际或中长距离的城际交通出行，实现一体衔接、综合服务、中转集散、内外辐射等综合性功能，枢纽布局要求机场、铁路客运站、公路客运站、城市轨道交通车站、公交枢纽等各类客运场站尽可能同站布置，并以枢纽为中心促进周边用地的综合开发利用。因此枢纽数量较少，无法覆盖所有方向的交通通道，并且体量普遍较大，选址远离城市中心城区，使通勤者换乘城市轨道交通后仍然需要花费较长时间才能到达工作场所。因此，目前都市圈枢纽布局体系尚未形成，还无法全面支撑都市圈培育发展。

东京大都市交通圈的轨道交通系统由地铁、国铁和私铁构成，线网总长度约2 305 km，其中地铁约333 km、国铁约877 km、私铁约1 085 km。地铁主要承担东京区部（中心城区）内部客流，日均客运量约800万乘次。国铁和私铁主要承担区部外围地区进入区部的客流，日均客运量约2 800万乘次。国铁以东京站为中心，在市中心边缘区域形成一个环线（山手线，见图3），并向周边地区呈放射状分布。山手线上有东京站、上野站、品川站、日暮里、池袋、新宿、惠比寿、大崎等多个客运枢纽，承担地铁、国铁、私铁等客流换乘[3]。

图3 东京JR山手线运营组织[3]

图4 都市圈一体化模型体系

2.2 都市圈客运枢纽换乘组织有待优化

都市圈通勤客流在枢纽内的主要换乘方式是铁路换乘城市轨道交通，现有换乘路线为：铁路站台—铁路出站闸机—换乘大厅—地铁进站安检和闸机—地铁站台。该换乘路线包括铁路出站步行（从铁路站台至出站闸机）、换乘大厅步行、地铁进站步行（从地铁进站闸机至站台）等三段步行和铁路出站排队、地铁进站安检及验票排队等两次排队。由于通勤客流具有出行时段高度集中，潮汐现象显著等特点，并且换乘时间十分有限，因此需要枢纽对现有换乘组织方案进一步优化，高峰时段应减少或避免其他换乘路线对通勤换乘路线的干扰，保障换乘通道安全和效率，缩短通勤换乘步行距离，降低排队次数和长度，提高铁路与城市轨道交通的运力、班次衔接程度，控制换乘总时间。

日本一些都市圈综合客运枢纽为了提高换乘的便利程度，从物理、心理、费用、时间等四个方面因素进行改进。一是在确保安全、有序的情况下，通过缩短换乘距离、减少换乘路线交织等物理措施，缩短换乘时间；二是在一些乘客驻留区域（比如出站口、进站口等） 设置铁路、地铁、公交车等实时时刻表电子信息牌，降低乘客的换乘心理焦虑；三是在各都市圈内部采用铁路和地铁通用IC卡，降低了乘客换乘时需要换卡缴费的麻烦，节省了换乘费用和部分人群购票排队时间；四是通过合理调整各交通系统之间的运营计划进行衔接，有效减少了乘客换乘的候车等待时间，提高了换乘效率[4]。

3 都市圈客运枢纽交通需求分析技术

都市圈综合客运枢纽换乘研究较为复杂，既需要关注整个都市圈宏观交通出行全貌，也需要细致分析枢纽内部交通路线。因此，需要建立都市圈一体化交通模型进行科学研究。

3.1 都市圈一体化交通模型框架

一体化交通模型研究范围覆盖整个都市圈，重点研究特大城市的通勤腹地至中心城区的区域交通向心出行、以及中心城区内部城市交通出行。模型体系由区域交通模型、城市交通模型和枢纽交通模型等三大模型构成(见图4)。区域交通模型主要研究区域交通向心出行需求和铁路、公路等区域交通系统的供需水平。城市交通模型主要研究城市交通出行需求和城市轨道交通、地面公交、道路等城市交通系统的供需水平。枢纽交通模型主要研究综合客运枢纽本体换乘交通的规模、方式、路线、设施容量及服务水平等和集散交通系统的供需水平。枢纽是模型体系的锚固点，三个模型通过枢纽进行逻辑组合，实行数据交换，共同完成对都市圈交通出行过程的全景分析，可以支撑都市圈综合交通体系、枢纽布局及换乘组织等宏、中、微观各个层面研究。

3.2 都市圈区域交通模型

区域交通模型由区域交通出行模型和区域交通系统模型构成。区域交通出行模型主要研究区域交通向心通勤或非通勤出行的频率、目的地、主方式和时段等特征，可按照居住地、年龄、职业、家庭小汽车拥有情况等对人群进行交叉分类。出行频率是指各类人群的日均往返次数，比如1次、2次或2次及以上等；出行目的地是指各类人群到达中心城区的详细空间位置，比如功能区、交通小区、栅格等；出行主方式是指各类人群采用何种主要交通工具进出中心城区，包括铁路、公路长途客运、社会客车等。区域交通出行模型多采用logit等数学模型形式。

区域交通系统模型主要研究铁路、公路、公路长途客运等交通系统的交通承载力、交通流量和服务水平。交通承载力包括网络规模和结构、等级或类型、通行能力（公路）、交通管理方案（公路）、运营组织方案及运能（铁路、公路客运）等，交通流量包括客运量、客运周转量、断面或站点客流量和机动车交通流量、机动车车公里等，服务水平包括交通可达性、速度、时间、饱和度或拥挤度等。

3.3 都市圈城市交通模型

城市交通模型由城市交通出行模型和城市交通系统模型构成。城市交通出行模型主要研究中心城区内上班、上学、业务、日常生活、休憩娱乐等各类社会经济活动的次数、空间范围、交通方式和时段等，可按照本地居住时间、居住地类型和区位、家庭结构、年龄、职业、小汽车拥有情况等对人群进行交叉分类。交通小区范围可细化到地块、社区、街区、居住小区等。交通方式包括轨道交通、地面公交、出租车、网约车、社会客车、摩托车、电动自行车、共享单车、脚踏自行车、步行等。城市交通出行模型多采用出行、行程或活动等理论建立，并依据不同建模理论确定技术框架和数学模型形式。

城市交通系统模型主要研究城市轨道交通、地面公交、道路等交通系统的交通承载力、交通流量和服务水平。道路交通承载力分析包括道路长度、等级、车道数、交叉口、停车位、通行能力和交通管理方案等，城市轨道交通或地面公交承载力分析包括线网长度、线路数、等级、站点、列车编组、车辆类型、运营时间和班次、发车频率、运能等指标；道路交通流量分析包括交通流量、车公里、空驶里程、客运量等，城市轨道交通或地面公交流量分析包括客运量、客运周转量、断面或站点客流量、平均乘距等；道路交通服务水平分析包括行程车速、行程时间、高峰饱和度等，城市轨道交通或地面公交服务水平分析包括公交可达性、行程时间、步行或候车时间、换乘系数、车厢拥挤度等。

3.4 都市圈枢纽交通模型

枢纽交通模型由枢纽交通需求模型和枢纽交通仿真模型构成。枢纽交通需求模型主要研究枢纽本体交通需求和周边交通需求。本体交通需求的生成源包括旅客、工作人员和其他人员等。其中，旅客主要产生各类交通方式之间的换乘交通量，包括铁路、航空、公路等大交通方式和城市轨道交通、公交、出租车等城市交通方式；工作人员主要产生城市交通方式的集散交通量，包括行政、交通、安保、保洁、商店、餐饮等枢纽内各类工作人员；其他人员是指除旅客、工作人员之外在枢纽出现的各类人员，这些人员前往枢纽的主要目的包括接送、业务、换乘、购物等。周边交通需求是指对枢纽集散交通有较大影响的区域产生的交通量，包括周边地块交通生成量、周边路网的机动车交通流量和公交站点上下客流等。

枢纽交通仿真模型主要研究枢纽本体和周边的行人、车辆等个体在空间移动情况、个体与周围环境的感知情况、个体与个体之间的相互作用情况等，包括行人仿真模型和车辆仿真模型。行人仿真模型用于分析行人流线是否存在行人冲突点，以及各种人流流线是否能有序通行，常用模型是社会力模型，该模型假设行人在所受社会力的作用下移动，社会力包括行人自驱动力、行人与行人之间的作用力。车辆仿真模型用于分析车辆行驶路线是否存在冲突点，各类车辆是否能有序通行，最常用模型是跟车模型。为了更好的模拟现实，仿真模型需要设置大量的参数，分为道路特性、车辆构成及驾驶性能、驾驶行为等类型。道路特性类参数用来描述道路设施的特征及其对交通流的影响，包括道路等级、道路限速、自由流车速、期望车速分布等。车辆构成及驾驶性能类参数用来描述各类车型的构成比例和驾驶性能等。驾驶行为类参数用来描述驾驶员的跟车、超车、变道、冲突等行为特征。

表2 枢纽规划建设交通评价指标体系设计[5]

3.5 都市圈枢纽交通评价指标体系

利用都市圈一体化交通模型分析预测结果，可以构建交通评价指标对枢纽规划建设方案预期效果进行量化分析和比选。都市圈客运枢纽交通评价指标体系（见表2）可按照评价层面和评价内容进行分层分类设计，评价层面包括宏观、中观和微观等三个层面，宏观指标用于评价枢纽布局体系对都市圈向心交通出行总体效率的影响程度，中观指标用于评价单个枢纽选址方案对所在交通通道出行效率的影响程度，微观指标用于评价单个枢纽本体的换乘组织效率。

评价内容包括交通设施承载力、交通出行需求和交通服务水平等三个方面。交通设施承载力指标用于评价交通设施规模、结构和运能等，交通出行需求指标用于评价交通需求规模、出行目的、方式结构和出行分布等，交通服务水平指标用于评价交通系统交通流量、客运量、客运周转量、行程时间和速度、拥堵或拥挤程度等。

4 西安火车站综合改造案例应用

4.1 研究目标

西安目前正在开展新一轮的现代化综合交通体系建设，推进国家中心城市和国际旅游城市加快发展。西安火车站综合改造项目是西安综合交通体系建设的重点工程，规划功能定位是服务周边城市与西安的城际交通同时兼顾部分普铁功能，推动大西安都市圈和西咸一体化建设。西安火车站（见图5）南接古城墙，北临大明宫遗址，仅东西方向可组织枢纽集散交通，交通通道资源比较紧张，高峰时段枢纽客流集散压力较大。因此，在交通设施资源有限情况下组织好大规模客流安全、有序、高效地换乘和疏解，是西安火车站综合改造的主要要求之一。案例研究目标是采用交通模型技术预测西安火车站本体及周边交通需求，并对地下停车场、换乘大厅和周边道路进行仿真分析，对枢纽内换乘组织、周边道路交通组织等方案提出优化建议。

图5 西安火车站位置

4.2 大西安一体化交通模型研制

西安火车站是大西安都市圈区域交通与城市交通的衔接中枢，需要构建宏-中-微一体化交通模型，从全程交通出行角度对枢纽交通需求进行系统性研究。大西安一体化交通模型由大西安综合交通模型和西安火车站交通模型构成。大西安综合交通模型（见图6）总体研究范围是大西安全域1.76万km2、重点研究范围是都市圈4 310 km2、精细研究范围是中心城区1 142 km2，模型框架为“3+2”结构，包括人员出行、货车出行和游客出行等3个交通出行模型和公共交通、道路（公路）交通等2个交通系统模型。交通小区总数约2 500个，其中中心城区内交通小区平均面积约1.0 km2，绕城高速内约0.48 km2。模型路网覆盖研究范围内所有城市道路和主要公路，总长度达到11 000 km，约1.7万个路段和1.2万个节点。模型线网覆盖研究范围内所有铁路、城市轨道和公交，线路总长度达到8240 km，约440条线路和1.8万个站点。

图6 大西安综合交通模型框架

西安火车站交通模型由西安火车站交通需求模型和交通仿真模型构成。交通需求模型主要功能是对火车站本体及周边机动车交通、公共交通、城市出入口、枢纽点、货运交通等进行预测，并对各类开发项目的交通影响进行定量测试。交通仿真模型包括火车站地下停车场车辆仿真模型（见图7）、火车站换乘大厅行人仿真模型和火车站周边道路交通仿真模型等。

4.3 西安火车站铁路换乘地铁方案仿真评价

图7 西安火车站地下停车场车辆仿真三维模型

图8 西安火车站铁路换乘地铁方案仿真评价

西安火车站客流包括铁路旅客、铁路职工和周边商业办公设施客流等。利用一体化交通模型对中远期火车站客流规模和换乘方式结构进行预测，并对火车站行人交通组织、地下停车场交通组织和周边道路交通组织等约220个方案进行仿真评价，针对存在的问题提出了优化建议。其中，铁路换乘地铁方案是研究重点。初始设计方案是地铁站位于换乘大厅的南、北两侧各有一个进出口，均有进站闸机和出站闸机。仿真分析发现高峰时段客流规模较大，进站客流和出站客流相互干扰较为严重。改进建议为“北口进、南口出”，避免进站客流与出站客流的路线交织。对改进方案效果进行仿真评估，同等客流规模情况下，高峰时段地铁进站通道人流密度下降了28%、步行速度增加了3%，改进效果显著（见图8）。

同时，为进一步提高大西安区域通勤交通效率，缩短通勤客流在枢纽内换乘时间，还提出了“部分城际铁路客流可通过专用通道直接进入地铁站台”的换乘方案，节省了地铁出站闸机、地铁进站安检和闸机等排队通过时间，缩短了步行距离。仿真评价总换乘时间可减少30%～40%，换乘效率大幅度提升（见图9）。

5 结 语

客运枢纽是城际交通、区域交通与城市交通衔接的关键中枢，对实现都市圈高效通勤目标有重要作用。建立以客运枢纽为核心、将区域交通与城市交通组合研究的一体化交通模型技术，能够提供较为系统、全面的都市圈交通需求分析预测功能，为客运枢纽规划布局、工程设计和运行管理等规划设计提供方案评价功能，有利于进一步提高都市圈综合交通体系建设的科学性。

图9 西安火车站铁路换地铁免安检通道方案仿真评价