城市軌道交通客流特征及預(yù)測相關(guān)問題

郭 平

(上海鐵路局,200071,上?！谓?jīng)濟師)

1 城市軌道交通客流規(guī)模影響因素

城市軌道交通客流規(guī)模的影響因素主要有：線路沿線土地利用,城市經(jīng)濟水平,城市中心區(qū)潛在的發(fā)展前景、與其他運輸方式的銜接及城市的相關(guān)管理等。

(1)沿線土地的利用：為保證城市軌道交通客流量的穩(wěn)定,國內(nèi)外成功的經(jīng)驗就是采用TOD(交通引導(dǎo)城市發(fā)展戰(zhàn)略)模式帶動軌道交通沿線土地的開發(fā),支持居住和商用,以獲得就業(yè)和小區(qū)人口客流量。城市各種經(jīng)濟活動在城市空間上所表現(xiàn)的土地利用是產(chǎn)生交通流的根本。城市軌道交通建設(shè)的另外一種方式被稱為“客流追隨型”發(fā)展,即在城市商業(yè)區(qū)或CBD(中央商務(wù)區(qū))等原本就已經(jīng)擁有充足客流量的區(qū)域修建城市軌道交通線路。相對于“客流追隨型”模式,TOD土地利用模式線路覆蓋范圍內(nèi)的人口就業(yè)強度強,但其有效覆蓋范圍的面積比“客流追隨型”小,所以土地利用是決定客流規(guī)模的基礎(chǔ)。

(2)城市經(jīng)濟水平：它一方面能夠支持軌道交通建設(shè)的費用,另一方面影響客流規(guī)模。研究顯示,只有當(dāng)城市居民收入平均不低于1 800美元時,軌道交通的客流規(guī)模才能夠得到保證。

(3)城市中心區(qū)潛在的發(fā)展前景：這決定了城市交通需求結(jié)構(gòu),尤其是長距離出行。一般來說,城市居民出行距離與城市的當(dāng)量半徑比較接近,因此城市地域面積也在很大程度上決定著城市軌道交通的出行量。

(4)與其他運輸方式的銜接：一般城市很難做到像香港一樣將大約50%的居民和55%的職業(yè)崗位集中在離城市軌道交通車站10 min的步行距離之內(nèi)。軌道交通的特點決定了其網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的有限性。如果沒有其他交通方式進行接駁,軌道交通的吸引半徑就只能限制在步行可達的區(qū)域,大約離車站800 m范圍內(nèi),這樣就會喪失相當(dāng)多的潛在客源。

(5)城市的相關(guān)管理：城市相關(guān)政策的出臺及管理方式會影響到城市軌道交通的客流規(guī)模。例如,政府大力倡導(dǎo)公交優(yōu)先、保護環(huán)境及強化彼此區(qū)域間的聯(lián)系,勢必會擴大軌道交通客流規(guī)模。

另外,速度、可達性、設(shè)施水平、交流和禮貌,以及舒適的乘車環(huán)境也是影響客流規(guī)模的要素。應(yīng)在分析城市軌道交通客流規(guī)模的基礎(chǔ)上確定軌道交通建設(shè)的力度。

2 城市軌道交通客流形成機理

城市軌道交通承擔(dān)的客流主要由趨勢客流、轉(zhuǎn)移客流和誘增客流三部分構(gòu)成[1]。趨勢客流指的是城市軌道交通初期建設(shè)所需要滿足的客流,是城市軌道交通的基礎(chǔ)客流,它的大小是影響城市軌道交通初期建設(shè)規(guī)模的重要因素;轉(zhuǎn)移客流是指由于城市軌道交通獨特的優(yōu)點,如快速、安全、準(zhǔn)時、可靠、方便、無交通堵塞問題等,原來主要由道路公交和自行車方式所承擔(dān)的城市較長距離的客流轉(zhuǎn)移到城市軌道交通;誘增客流量是指由于軌道交通項目的興建,使原有的交通體系得到改善,誘發(fā)了部分居民的出行欲望,導(dǎo)致原有出行者的出行行為發(fā)生變化。這些變化直接表現(xiàn)為出行時間的變化、出行線路及出行方式的調(diào)整、出行距離的增加和新的出行需求產(chǎn)生。誘增客流量不同于轉(zhuǎn)移客流量,前者是由于一種新的交通運輸方式的產(chǎn)生刺激了居民出行的需求而產(chǎn)生的客流,而后者則是從其它交通方式轉(zhuǎn)移過來的客流。這種轉(zhuǎn)移對整個交通系統(tǒng)客流總量不產(chǎn)生影響[2]。

城市客流主要取決于城市土地利用空間布局和交通組織,在供應(yīng)滿足的條件下,在城市的土地利用布局規(guī)劃確定后,城市客流的產(chǎn)生和分布就客觀存在。城市軌道交通作為一種迅速、大運量的城市客運系統(tǒng),改變了軌道線路沿線的可達性,相應(yīng)地會對城市土地利用空間布局產(chǎn)生一定的影響。大量資料顯示,軌道交通沿線土地價值在軌道交通建設(shè)及運營期逐年遞增,甚至在城市軌道交通規(guī)劃期已經(jīng)開始上升,沿線被開發(fā)成商用和居民住宅。所以交通系統(tǒng)和土地利用空間布局是相輔相成的關(guān)系,彼此之間存在促進反饋作用。

3 城市軌道交通客流特征分析

3.1 時變特征

3.1.1 一日內(nèi)小時客流分布

城市軌道交通小時客流分布可以歸納為單向峰型、雙向峰型、全峰型、突峰型、無峰型等五種。各峰型示意圖如圖1所示。

(1)單向峰型：軌道交通線路所處的交通走廊具有明顯的潮汐特征或車站周邊地區(qū)用地功能性質(zhì)單一時,車站客流分布集中,有早、晚錯開的一個上車高峰和一個下車高峰。

(2)雙向峰型：車站位于綜合功能用地區(qū)位時,客流分布與其它交通方式的客流分布一致,有兩個配對的早、晚上下車高峰。

(3)全峰型：軌道交通線路位于用地已高度開發(fā)的交通走廊或車站位于公共建筑和公用設(shè)施高度集中的地區(qū)時,客流分布無明顯的低谷,雙向上下車客流全天都很大

(4)突峰型：車站位于體育場、影劇院等大型公用設(shè)施附近,演出或體育比賽結(jié)束時有一個持續(xù)時間較短的突變的上車高峰。一段時間后,其他部分車站可能有一個突變的下車高峰。

(5)無峰型：當(dāng)軌道交通本身的運能比較小或車站位于用地還沒有完全開發(fā)的地區(qū)時,客流無明顯的上下車高峰,雙向上下車客流全天都較小。

圖1 城市軌道交通客流時段分布示意圖

通常用線路單向分時客流不均衡系數(shù) α1來描述其全日客流分布狀況。

式中：

pt——單向分時最大斷面客流量;

H——全日營業(yè)小時數(shù);

pmax——單向最大斷面客流量。

顯然,α1越趨向于0,則單向分時最大斷面客流不均衡程度越大。在α1較小,即在單向分時最大斷面客流不均衡程度較大的情況下,為實現(xiàn)運輸組織合理性和運營經(jīng)濟性,可考慮采用小編組、高密度行車組織。

3.1.2 一周內(nèi)全日客流分布規(guī)律

城市軌道交通線路主要是以通勤、通學(xué)客流為主,雙休日客流有所減少,而連接商業(yè)網(wǎng)點、旅游景點的軌道交通線路雙休日客流增加。另外,星期一與節(jié)假日后的早高峰小時客流、星期五與節(jié)假日的晚高峰小時客流,都會比其他工作日早、晚高峰小時客流大。

3.1.3 季節(jié)性或短期性客流的不均衡

城市軌道交通客流季節(jié)性變化明顯。由于梅雨季節(jié)和學(xué)生復(fù)習(xí)迎考等原因,6月份客流通常是全年的低谷。旅游旺季,城市中流動人口會使軌道交通線路的客流增加。

3.2 空間分布

城市軌道交通線路客流分布特征可以通過運營期間的客流統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析各條線路的客流分布特征[3]。

3.2.1 上下行方向客流分布特征

由于客流的流向原因,軌道交通線路上下行方向的客流通常是不相等的。在放射狀軌道交通線路上,早、晚高峰小時的上下行方向客流不均衡尤其明顯。可以采用上下行方向不均衡系數(shù)描述軌道交通線路上下行方向客流均衡程度。

式中：

α2——上下行方向客流不均衡系數(shù);

p上max——上行方向最大斷面客流量;

p下max——下行方向最大斷面客流量。

α2越趨向于0,則上下行方向最大斷面客流不均衡程度越大。此時,直線線路上要做到經(jīng)濟合理地配備運力比較困難,環(huán)線線路上可采取在內(nèi)、外環(huán)線路安排不同運力的措施。

3.2.2 各個斷面客流的分布特征

軌道交通線路所行經(jīng)區(qū)域的用地開發(fā)性質(zhì)不同,所覆蓋的客流集散點的規(guī)模和數(shù)量也不同,因而線路單向各個斷面的客流存在不均衡現(xiàn)象是不可避免的。軌道交通線路單向各個斷面客流不均衡系數(shù)可按下式計算：

式中：

α3——單向斷面客流不均衡系數(shù);

pi——單向斷面客流量;

K——單向全線斷面數(shù)。

α3越趨近于0,線路單向最大斷面客流不均衡程度越大?？稍诳土髁枯^大區(qū)段加開區(qū)段列車解決這一問題。但在行車密度較大的情況下,加開區(qū)段列車會有一定難度,并且加開區(qū)段列車對運營組織和車站折返設(shè)備都會提出新的要求。

4 城市軌道交通客流預(yù)測

軌道交通客流預(yù)測是城市交通客流需求預(yù)測的一部分,其預(yù)測原理和城市交通需求預(yù)測是一致的。國內(nèi)外交通需求預(yù)測通常采用四階段法：首先是對研究城市劃分交通小區(qū),進行城市人口、就業(yè)、土地利用資料的調(diào)查和居民出行調(diào)查;在此基礎(chǔ)上進行居民出行產(chǎn)生預(yù)測、出行分布預(yù)測、交通方式劃分預(yù)測及交通分配,以獲得所需要的軌道交通需求數(shù)據(jù)。

4.1 客流預(yù)測的模式

國內(nèi)常用的四階段法根據(jù)發(fā)展時期及工作要求的不同,可以分為三種模式[4]。

模式1：現(xiàn)狀公交——虛擬現(xiàn)狀城市軌道交通——遠期城市軌道交通。該模式首先假設(shè)規(guī)劃軌道線網(wǎng)已經(jīng)存在,稱為虛擬現(xiàn)狀快速軌道,并把其作為公交系統(tǒng)的組成部分。用簡單的數(shù)學(xué)模型以現(xiàn)狀公交流量推算虛擬軌道交通的站點OD,再用增長率法得到預(yù)測年的增長,分配得到線路的客流量。這種方法以現(xiàn)狀公交為預(yù)測基礎(chǔ),無法考慮城市用地、交通設(shè)施、出行結(jié)構(gòu)的變化,精度低。

模式 2：現(xiàn)狀 OD——虛擬現(xiàn)狀城市軌道交通——遠期城市軌道交通。該模式以現(xiàn)狀OD調(diào)查為基礎(chǔ),將現(xiàn)狀出行OD經(jīng)方式劃分,虛擬出軌道交通客流,計算出站間的OD;再根據(jù)軌道客流增長趨勢,計算預(yù)測年客流OD,分配得到所需結(jié)果。該方法對客流出行的現(xiàn)狀特征的反映比較全面,因此預(yù)測精度有所提高。但由于該方法以現(xiàn)狀OD為基礎(chǔ),只適用于城市發(fā)展較為穩(wěn)定的城市,對于快速發(fā)展的新興城市不適用。

模式3：現(xiàn)狀OD——出行需求預(yù)測——遠期城市軌道交通。該模式以O(shè)D調(diào)查為基礎(chǔ),進行各規(guī)劃年份全方式出行預(yù)測,然后通過方式劃分、交通分配,得到規(guī)劃快速軌道客流量。該方法遵循完整的四階段法的步驟,預(yù)測精度較高。

4.2 客流預(yù)測的模型

4.2.1 交通生成

該階段常采用增長率法,即把現(xiàn)狀不同分區(qū)的發(fā)生(吸引)交通量Ti與預(yù)測年的增長率Ri相乘,從而得到各分區(qū)的發(fā)生(吸引)交通量T′i=TiRi。確定Ri,通常用各小區(qū)的指標(biāo)增長率作為發(fā)生(吸引)增長率。例如：Ri=αiβi。其中 αi為目標(biāo)年區(qū)域i人口與基年區(qū)域人口之比;βi為目標(biāo)年區(qū)域i人均小汽車擁有率與基年自行車擁有率之比。

增長率法的不足之處在于將所有的出行目的看作一樣的。事實上不同目的出行的生成和分布規(guī)律相差很大,增長率法并沒有考慮到這個問題。

4.2.2 交通分布

交通分布模型有增長率法和重力模型。增長率法的操作簡單,但是沒有考慮城市布局及城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)改變對城市出行OD的影響,所以該階段一般采用重力模型。雙約束模型是一種比較完整直觀的重力模型,其公式為：

式中：

Qij——從交通小區(qū)i到j(luò)的交通分布量;

Gi——交通小區(qū) i的交通發(fā)生總量;

Aj——交通小區(qū)j的交通吸引總量;

ki,kj——平衡系數(shù);

f(Rij)——阻抗系數(shù)。

重力模型存在的主要問題就是對現(xiàn)有交通分布擬合不夠好,尤其是當(dāng)交通小區(qū)劃分較密、區(qū)間行走時間較短時。采用對區(qū)內(nèi)和區(qū)間的交通分布分別建模的方法調(diào)整出行比,可以很好地解決這個問題。

4.2.3 交通方式分擔(dān)

交通方式分擔(dān)模型首先把出行OD的分擔(dān)方式分為固有OD和競爭選擇OD,由地區(qū)間的出行距離劃分出行總量的固定部分和競爭部分。競爭部分采用適當(dāng)?shù)姆謸?dān)率模型得到公交、小汽車、自行車、步行等方式的OD,軌道交通OD可以從道路公交OD中分離出來。交通方式劃分目前常用的有分擔(dān)率曲線法和線性回歸法。分擔(dān)率模型從個人出行調(diào)查結(jié)果出發(fā),根據(jù)影響交通方式選擇的主要因素(地區(qū)距離、地區(qū)間行走時間比、行走時間差等指標(biāo))對各種交通方式進行劃分。模型操作簡單,需要資料少。線性回歸模型可以考慮多種影響交通方式選擇的使用因素。

由于現(xiàn)有軌道交通OD都是從公交OD中分配出來,沒有考慮到其他交通方式諸如自行車、小汽車等向軌道交通方式轉(zhuǎn)移的規(guī)律,不利于全面預(yù)測軌道交通出行總量。

4.2.4 交通分配

路網(wǎng)分配要符合均衡的原則。即在道路網(wǎng)的利用者都知道網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)并試圖選擇最短路徑時,網(wǎng)絡(luò)就會達到平衡狀態(tài)。在考慮擁擠對行走時間影響的網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達到平衡時,每組OD的各條被利用的路徑具有相等并且最小的行走時間,沒有被利用的路徑的行走時間大于或者小于最小行走時間。在均衡狀態(tài)下,系統(tǒng)總的出行時間最短[5]。

在道路網(wǎng)中達到用戶均衡狀態(tài)是交通分配的難點。因為用戶均衡狀態(tài)是用戶在能夠獲得完整信息的情況下做出的精確基于最小路徑阻抗(費用)的路徑選擇行為,它忽略了出行者由于自身和外界因素引起的路徑選擇隨機性,這在現(xiàn)實中是不合理的。隨機均衡分配模型的出現(xiàn)解決了這一問題。

圖2是隨機均衡分配模型的多路徑——逐次分配算法流程圖。將總OD表分解為幾個子OD表,i,j,k,…,n是子OD表中的節(jié)點,流程結(jié)束后累積總的分配,如果等于子OD表流量,進入下一個OD表進行同樣計算。

該算法的結(jié)果可以保證線網(wǎng)中采用不同交通方式的用戶被分配到合理的路徑,出行阻抗最小,對整個路網(wǎng)交通量的分配具有理論基礎(chǔ)和實用價值。

圖2 交通分配算法流程圖

5 結(jié)語

客流分析是城市軌道交通建設(shè)的基礎(chǔ),決定了軌道交通建設(shè)的規(guī)模和運營組織方式。對客流相關(guān)問題進行研究有助于更好地掌握客流調(diào)查的重點,有目的地進行全面合理的客流預(yù)測及規(guī)劃城市整體發(fā)展。本文中討論的內(nèi)容是城市軌道交通客流問題的一部分,其他與客流相關(guān)的內(nèi)容還有待進一步研究。

[1] 張成.城市軌道交通客流特征分析[D].成都：西南交通大學(xué),2004.

[2] 楊超,楊耀.城市軌道交通誘增客流量預(yù)測分析[J].城市軌道交通研究,2006,9(4)：31.

[3] 羅小強.城市軌道交通客流預(yù)測分析[D].西安：長安大學(xué),2005.

[4] 毛榮昌.城市軌道交通客流預(yù)測方法研究[D].南京：河海大學(xué),2005.

[5] 李春艷,陳金川.基于行為的客流預(yù)測方法探討及應(yīng)用[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息學(xué)報,2006,6(6)：143.

[6] 朱煒,周佩華,滕靖,等.都市區(qū)城市軌道交通客流預(yù)測的相關(guān)問題探討[J].城市軌道交通研究,2009(8)：38.