基于空間分類的鐵路樞紐客運需求預測方法

劉新杰，劉明敏，丁晨滋

(廣州市交通規(guī)劃研究院，廣州 510030)

隨著全國高速鐵路網(wǎng)的建設，大批功能型交通樞紐城市逐漸形成[1]，這些城市都有通達性非常好的鐵路交通樞紐，將國鐵(高鐵+普鐵+城際)、城市地鐵與長途客運、公交交通、小汽車等多種交通方式有機融合在一起，這些鐵路交通樞紐不僅是城市對外聯(lián)系的重要節(jié)點，也是區(qū)域城市之間、區(qū)域城市對外長途聯(lián)系的重要紐帶.

鐵路樞紐客運需求不僅是場站布局、線路運營組織的數(shù)據(jù)基礎，也為到達城市各角落的接駁設施設計提供重要參考.近幾年，在鐵路客運需求預測方面主要研究成果[2-9]包括：吳華穩(wěn)[2]、袁勝強[3]、孫麗[4]等分別利用灰色模型、神經(jīng)網(wǎng)絡模型和組合模型預測鐵路客運需求.京滬高鐵客運需求利用MD方法，通過計算潛在客運需求和顯化率獲得線路客運需求[5].廣珠城際基于SARIMA模型進行短時客運需求預測[6].陳堅等[7]提出了樞紐吸引力概念,通過直接客運需求和間接客運需求兩部分系統(tǒng)預測樞紐及其周邊區(qū)域交通發(fā)生吸引需求.段然等[8]用時間序列SARIMA模型預測站點客運需求.Pengpeng J[9]利用卡爾曼濾波模型進行短期客運需求預測.

從近幾年研究可看出，在鐵路客運需求預測方面的研究主要集中在客運總需求的預測和具體線路客運需求的預測上，關于鐵路樞紐客運需求的預測研究較少且預測方法有一定的局限性：①預測思路僅包含城市對外需求，沒有包含過境交通需求和城市內(nèi)部需求，預測結果不完整；②單點預測思路存在“各自為營、就點論點”的局限，往往導致單個樞紐預測結果盲目偏大、各樞紐總和遠遠超出全市實際需求的情況；③時間序列預測法需要有歷史數(shù)據(jù)基礎，不適用于新建鐵路樞紐客運需求預測.

新背景下鐵路樞紐的功能具有復合性，功能的復合性意味著客運需求的復雜性.本次研究采用全局統(tǒng)籌的方式，通過分析交通出行空間特征，總結各類出行與鐵路樞紐客運需求的關系，針對不同類型出行設計不同的預測模型.

1 出行空間分類與樞紐客運需求關系

1.1 出行空間分類

以某一城市為研究視角，交通出行在空間上可分為3類：城市內(nèi)部出行、城市對外出行和過境交通出行.城市內(nèi)部出行的起點和終點在空間上均位于城市范圍內(nèi)；城市對外出行的起點或終點有一端在空間上位于城市范圍外；過境交通出行的起點和終點在空間上均位于城市范圍外，但必須使用城市空間范圍內(nèi)的交通設施才能完成出行.

傳統(tǒng)鐵路及樞紐的主要功能是承擔城市對外交通出行，但在都市圈、大灣區(qū)、城市群發(fā)展的背景下，鐵路樞紐不僅服務本城市對外出行，還服務其輻射城市的對外交通出行(樞紐城市的過境交通需求)，對于樞紐周邊有綜合開發(fā)的，還服務部分城市內(nèi)部交通出行.深刻剖析3類交通出行特征與鐵路樞紐的關系，才能準確預測鐵路樞紐客運規(guī)模.

1.2 各類出行與鐵路樞紐關系

利用鐵路的城市對外出行，每一次出行，都可能產(chǎn)生1次或2次樞紐客運需求.如圖1所示，樞紐城市去往C城市的出行，若通過步行、地鐵、公交等方式到達樞紐①，再乘坐高鐵到達C城市，則鐵路樞紐①客運需求為1次.若通過城際到達樞紐①，再乘坐高鐵到達C城市，則鐵路樞紐①客運需求為2次，城際出站1次，高鐵進站1次.

利用鐵路的過境交通出行，根據(jù)城市間是否有直達線路，鐵路樞紐的客運需求可能是0次或2次.如圖1所示，從A市到B市，有直達城際，在樞紐①無須上下車，所以A、B城市間出行鐵路樞紐①客運需求為0.而A市到C市，需要先通過城際到達樞紐①，再通過高鐵到達城市C，則鐵路樞紐①客運需求為2次，城際出站1次，高鐵進站1次.

圖1 鐵路樞紐客運需求構成

城際承擔的部分內(nèi)部交通需求，其交通出行特征與城市地鐵類似，每次出行在單個樞紐的客運需求量為1次.

2 鐵路樞紐客運需求分類預測方法

2.1 城市對外交通需求預測模型

樞紐客運需求中城市對外出行部分，本次研究采用“全市對外需求總量及分布—交通方式劃分—鐵路客運需求—各線路客運需求—各樞紐客運需求”的步驟進行預測(圖2).部分對外出行需要先利用鐵路方式到達綜合樞紐，再利用鐵路出行，這部分需求即樞紐內(nèi)部換乘量，也是樞紐客運需求的組成部分，需要單獨預測.

圖2 鐵路樞紐中對外出行需求預測流程

2.1.1 總量及分布預測

對于城市對外出行總量，本次提出了基于城市引力的空間需求預測模型，引力模型是應用廣泛的空間相互作用模型，是分析和預測空間相互作用形式的數(shù)學方程[10].

出行總量與人口分布、城市或區(qū)域間的引力相關，本次研究利用城市間的引力大小和人口總量來確定城市間的出行規(guī)模大小.

Vij=kijTij

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Vij為城市i與城市j的出行量(人次/d)；Tij為城市i與城市j的引力；kij為修正系數(shù)，利用現(xiàn)狀城市間交通需求規(guī)模、城市引力的計算值擬合獲得；Qi為城市i的質(zhì)量；dij為城市i與城市j的時間距離(h)；Gi為城市i的地區(qū)生產(chǎn)總值因子；Ri為城市i的常住人口因子；x1、xn表示通過某種方式到達目的地的時間(h)；α,β,γ為系數(shù).

通過城市引力模型獲得各城市的出行總量，實際上也獲得了對外出行分布.本方法不僅適用于樞紐城市與其他城市之間出行預測，還適用于外部城市相互之間出行(過境交通)預測.

2.1.2 方式分擔預測

對外出行方式主要有鐵路、城市地鐵、公路客運、小汽車、航空、水運等，利用LOGIT模型進行方式劃分，獲得鐵路方式客運需求總量.Logit是比較成熟的方式劃分方法，在此不再贅述.

(5)

式中：Pi為從出發(fā)地至目的地出行總量中，方式i分擔比例/%；n為方式總量；ui為方式i的成本效用；uj為方式j的成本效用，與出行距離、費用、舒適度等相關.

2.1.3 各線路客運需求預測

通過方式劃分，獲得鐵路方式客運需求總量及分布，分配到各條線路上，主要考慮各條線路運行速度、票價、輻射人口、發(fā)車頻率因子等因素.不同制式線路的票價因子和發(fā)車頻率因子有較大區(qū)別，利用影響因子劃分模型，將鐵路客運需求劃分到具體線路中去.

(6)

式中：Li為線路i的分擔比例(%)；RLi為鐵路線i輻射的人口因子；Fi為鐵路線i的票價因子；Hi為鐵路線i的發(fā)車頻率因子.

2.1.4 各樞紐客運需求預測

獲得各線路客運需求后，根據(jù)線路途經(jīng)樞紐的功能和覆蓋人口，將線路客運需求分配到各樞紐.覆蓋人口應結合樞紐接駁系統(tǒng)的交通可達性來測算，該方法更符合城市居民出行對時間和便利性因素的考量.

(7)

式中：Mi為樞紐i的分擔比例(%)；RMi為樞紐i輻射的人口因子，包括樞紐接駁系統(tǒng)覆蓋的人口；Di為樞紐i的功能因子.

在樞紐利用鐵路出行只是對外出行的一部分，對外出行還包括各起訖點到樞紐的接駁出行.若利用鐵路接駁，這部分接駁需求即樞紐內(nèi)部換乘量，也是樞紐客運需求的構成部分.

由于受高鐵、普鐵在票價或發(fā)車頻率的限制，承擔接駁功能的鐵路一般為城際.根據(jù)樞紐接駁城際線路覆蓋人口占樞紐覆蓋總人口的比重，可獲得樞紐內(nèi)部換乘比例.

(8)

式中：Ni為研究樞紐內(nèi)部換乘比例(%)；RMi1、RMi2、RMi3為樞紐直接覆蓋人口，軌道、公交等城市交通接駁設施覆蓋人口和城際接駁覆蓋人口；α、β、γ為權重系數(shù).

此方法適用于規(guī)劃階段需求預測，在線路運營階段，運營組織方案確定后，換乘客運需求根據(jù)運營組織可進行具體預測.

2.2 過境交通需求預測模型

過境交通需求部分，預測方法與城市對外出行部分預測方法類似，但在方式劃分階段，由于高速公路、高速鐵路等兼顧過境交通及城市對外交通的功能，作為過境交通設施，通行能力需要折減，通行能力的折減會影響出行的時間、舒適度等，導致綜合出行成本變化，從而會影響Logit模型方式劃分結果.在前期規(guī)劃階段，通行能力的折減主要考慮各線路功能定位、樞紐運輸組織規(guī)劃以及城市對外交通模型結果等，采用定性與定量想結合的方法.

從線路出行需求到樞紐出行需求階段，可分為3種情況處理：①若兩市之間有直達鐵路線，不論直達線路在本市鐵路樞紐是否經(jīng)停，過境交通均不會對本市交通樞紐產(chǎn)生需求；②若兩市之間無直達鐵路線，且跨線運營工程可實施性差，則過境交通需要在本市鐵路樞紐換乘；③若兩市之間無直達鐵路線，但工程上可安排跨線運營，則過境交通不用出站換乘，不會對本市交通樞紐產(chǎn)生需求.

2.3 城市內(nèi)部交通出行預測模型

鐵路樞紐承擔城市內(nèi)部出行需求部分，采用四階段法進行預測，其中鐵路作為一種軌道交通方式，參與交通方式劃分、交通分配，與城市內(nèi)其他交通方式一起分擔城市內(nèi)部交通出行.模型分配后，可獲得各城際線路及城際樞紐交通需求[11]，如圖3所示.

圖3 鐵路樞紐中城市內(nèi)部交通需求預測技術路線

步驟1綜合考慮人口、收入水平、擁車、出行目的等因素，預測各小區(qū)交通生成總量.

步驟2使用雙約束重力模型進行出行分布，小區(qū)間綜合出行成本計算時，城際鐵路也作為一種出行方式.

步驟3利用Logit模型進行方式劃分，其中城際鐵路也參與方式競爭，獲得軌道方式出行矩陣.各方式初步分配后，步驟 2、步驟 3進行多輪循環(huán)，直至收斂.

步驟4將軌道方式出行矩陣分配至軌道網(wǎng)絡，軌道網(wǎng)絡包括城市地鐵、市域鐵路、城際線路等，分配后獲得各城際線和城際樞紐交通需求.

在出行分布及方式劃分階段，城際鐵路也是城市內(nèi)部交通設施的一部分.但由于城際線路除服務內(nèi)部交通需求外，還服務城市對外出行和過境交通出行，并非全部通行能力留給城市內(nèi)部出行，因此，參與分配的各城際線路的通行能力應根據(jù)對外及過境交通模型結果進行折減.

2.4 鐵路樞紐客運需求總量

每個鐵路樞紐總客運需求等于對外需求、城市內(nèi)部需求、過境交通需求3部分的總和.

3 廣州市鐵路樞紐客運需求分類預測實例

根據(jù)最新的《廣州市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃》和《粵港澳大灣區(qū)城際鐵路建設規(guī)劃》，廣州市未來將形成“五主四輔”鐵路樞紐結構，其中5個主要樞紐包括：廣州樞紐、廣州南樞紐、廣州東樞紐、白云樞紐、佛山西樞紐.遠期規(guī)劃線路包括城際12條，高鐵10條，普鐵3條[12](圖4、表1).

表1 主要鐵路樞紐定位及分工

圖4 廣州市鐵路樞紐及線路規(guī)劃布局圖

3.1 對外及過境交通需求預測

經(jīng)預測，規(guī)劃年廣州對外出行規(guī)模728萬人次/d(雙向)，對外出行的77%集中在粵港澳大灣區(qū)范圍內(nèi)，與佛山、東莞、中山、清遠等相鄰城市的出行比例約為69%.其中鐵路方式出行規(guī)模約177萬人次/d，分擔率為24%，折合發(fā)送量88.3萬人次/d.

規(guī)劃年經(jīng)過廣州的過境客運出行規(guī)模約232萬人次/d，主要方向：①東莞深圳至北部、西部城市交通需求；②東莞深圳至中山珠海等跨江交通需求；③佛山至北部城市、東部城市交通需求.其中鐵路方式出行規(guī)模約78萬人次/d，分擔率34%，大部分出行直接跨越廣州，需要在廣州樞紐換乘的鐵路發(fā)送規(guī)模約19.4萬人次/d.

對外及過境客運需求中，鐵路方式總發(fā)送量約108萬人次/d.主要鐵路樞紐客運需求發(fā)送規(guī)模如表2.

3.2 內(nèi)部交通需求預測

規(guī)劃遠期，根據(jù)廣州市綜合交通模型計算，內(nèi)部出行總量為6 250萬人次/d，其中軌道方式總量1 981萬人次/d，通過城市軌道與城際等鐵路線路分配，獲得城際客運需求為27.3萬人次/d.主要鐵路樞紐客運需求發(fā)送規(guī)模如表2，圖6.

圖5 規(guī)劃年廣州對外及過境出行期望線

圖6 規(guī)劃年廣州市內(nèi)部出行軌道方式客運需求分配

表2 主要鐵路樞紐客運規(guī)模

3.3 樞紐客運需求

遠期規(guī)劃，廣州市鐵路發(fā)送總量約135萬人次/d，是現(xiàn)狀的鐵路發(fā)送總量的3倍.4個主要樞紐客運需求占全市鐵路發(fā)送總規(guī)模的55%，其中，廣州樞紐及廣州東樞紐遠期接入線路較多，客運發(fā)送量較現(xiàn)狀增加1倍以上.

主要鐵路樞紐不僅承擔城市對外出行，還承擔區(qū)域過境交通出行，其中：廣州南樞紐超過1/4客運需求為過境交通出行；廣州樞紐超過1/5客運需求為過境交通出行；廣州東樞紐承擔過境交通需求相對較少.鐵路樞紐還承擔部分城市內(nèi)部出行，其中廣清城際，廣佛環(huán)城際、穗莞深城際、琶洲支線等承擔城市內(nèi)部出行量較大，對應的廣州樞紐、廣州南樞紐承擔市內(nèi)出行比例為8%～14%.所有樞紐平均有20%的出行為城市內(nèi)部出行，平均35%的出行為內(nèi)部及過境出行，城市對外出行僅占65%.

4 結論及建議

分類預測模型是適應樞紐城市鐵路客運需求特征而產(chǎn)生的一種算法，利用該方法進行鐵路客運需求預測，優(yōu)點主要有：①改變了傳統(tǒng)只預測城市對外出行的思路，增加過境交通需求預測和城市內(nèi)部交通需求預測，預測方法更科學.以廣州為例，利用該方法發(fā)現(xiàn)城市對外交通需求僅占樞紐總需求的65%.②改變了傳統(tǒng)單點的預測方式，從全局統(tǒng)籌多模式出行總量，避免單點累積不可控的情形.③利用該方法可將客運需求細分，細分到各制式、各線路，為下一步接駁客運需求分析和預測提供數(shù)據(jù)基礎.

本次研究的分類預測模型適用于前期規(guī)劃階段，是在鐵路運營組織方案還未確定的情況下對潛在客運需求的預測，與具體運營方案下的樞紐客流量有一定區(qū)別.實際客流量受發(fā)車頻率、票價、車輛組織等影響，需結合線路運營組織方案進一步確定.