基于改進節(jié)點-場所模型的城市軌道交通TOD評估

張志健，高順祥，陳 越，肖中圣，鄧 進,2，許 奇

(1.北京交通大學 綜合交通運輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室，北京 100044；2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；3.北京交通大學中國綜合交通研究中心，北京 100044)

0 引言

為解決快速城鎮(zhèn)化帶來的諸多大城市病，提升軌道交通財務(wù)可持續(xù)性，以公共交通為導向的開發(fā)模式（Transit-Oriented Development,TOD）已成為促進城市與軌道交通可持續(xù)發(fā)展的重要方式。軌道交通站點周邊良好的服務(wù)狀況是實現(xiàn)緊湊型城市建設(shè)的重要保證，因此開展TOD 發(fā)展的測度研究具有重要的實踐意義。

TOD 理念中，軌道交通站點具有運輸乘客的交通功能與帶動周邊發(fā)展更新的城市功能雙重屬性[1-3]。既有研究基于TOD 的3D 準則，即高密度開發(fā)（Density）、用地功能混合（Diversity）和良好的城市設(shè)計（Design），對不同站點進行量化評估[4]，但僅依靠該方法無法充分體現(xiàn)站點周邊的發(fā)展?jié)摿σ约敖煌ㄅc土地利用的協(xié)調(diào)程度。Bertolini[5]提出的節(jié)點-場所（Node-Place,NP）模型通過量化評估站點地區(qū)的節(jié)點價值和場所價值以綜合評價兩者的發(fā)展水平和協(xié)調(diào)程度。在此基礎(chǔ)上，部分學者將可步行性和行人舒適度等設(shè)計特征納入NP模型，但仍是以對指標的補充和細化為主[6-10]。盡管NP 模型對節(jié)點與場所價值的刻畫愈發(fā)詳盡，但仍忽略了二者與客流之間的復雜互動機制[11]。軌道交通站點通過提升所在地區(qū)的交通容量和可達性，吸引商業(yè)、辦公等競租能力強的活動在其周邊集聚，促使土地的用地性質(zhì)和開發(fā)強度發(fā)生改變，而站域功能的強化又為軌道交通的發(fā)展提供了充足的客流支撐。然而，既有關(guān)于客流的研究或?qū)⑵渥鳛楣?jié)點價值和場所價值的一部分[11-12]，或僅評價兩兩之間的協(xié)調(diào)程度，未能充分反映客流、交通與土地利用三者間的相互作用[13-15]。

鑒于現(xiàn)有評價體系對TOD 發(fā)展的評價不夠全面細致，本文在經(jīng)典的NP 模型基礎(chǔ)上，新增客流作為第3 個評價維度，提出改進的場所-節(jié)點-客流（Node-Place-Ridership,NPR）模型，分別針對工作日與休息日不同的客流特點從場所、節(jié)點、客流3 個維度對站點的發(fā)展水平和維度間協(xié)調(diào)程度進行量化評估，并依據(jù)車站聚類結(jié)果，研究不同類型站點的發(fā)展策略，以促進軌道交通與城市的高質(zhì)量融合發(fā)展。

1 節(jié)點-場所-客流模型的原理與構(gòu)建

1.1 改進的節(jié)點-場所模型

NP模型基于站域交通與土地利用應(yīng)協(xié)同發(fā)展的理論[5]，其結(jié)果能評價軌道站點周邊區(qū)域的發(fā)展短板，并能為引導站域交通與土地利用向協(xié)同狀態(tài)轉(zhuǎn)變的規(guī)劃提供指導。具體而言，NP模型通過定量測度站點地區(qū)節(jié)點價值和場所價值，將站域劃分為5 種類型以綜合評價兩者的發(fā)展水平和協(xié)調(diào)程度，如圖1（a）所示。

圖1（a）中由對角線向兩側(cè)延展出的紡錘形區(qū)域表示節(jié)點與場所價值的協(xié)調(diào)狀態(tài)，該區(qū)域又由上至下被分為“壓力”、均衡”“依賴”3部分?！皦毫Α北硎菊军c節(jié)點與場所價值均處于最高水平，站點周邊開發(fā)趨近飽和狀態(tài)；“均衡”表示站點節(jié)點與場所價值適中，各種指標協(xié)調(diào)較好；“依賴”類站點交通與城市活動較少，開發(fā)潛力較大。另外，在上述區(qū)域外為不協(xié)調(diào)區(qū)域，右下角為“不均衡節(jié)點”，表示站點周邊城市開發(fā)遲滯于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；左上角為“不均衡場所”，此類站點周邊城市開發(fā)強于交通節(jié)點功能，需要加強交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

在NP 模型的基礎(chǔ)上，本文將客流要素加入至第3軸，使NP模型改進為NPR模型，其空間中各區(qū)域的分類如圖1（b）所示。NPR 模型根據(jù)3維指標的差異將站點分為“壓力&高客流”“依賴&低客流”“平衡”“不均衡節(jié)點”“不均衡場所”5 類，其中平衡類與不均衡類又可依據(jù)客流量的不同進一步細分，從而實現(xiàn)對站點更精細、全面的分類評價。

圖1 模型原理

1.2 指標說明

NPR 模型從節(jié)點價值、場所價值、客流價值3 方面對站點周邊區(qū)域進行評價，本文采用的評價指標體系及說明如表1 所示。節(jié)點價值評價交通服務(wù)水平，包括站點及區(qū)域兩個角度，共計9項指標。其中，站點角度包含站點在軌道交通線網(wǎng)中的區(qū)位、所在線路的服務(wù)水平以及交通運行情況；區(qū)域角度考慮站點周邊的交通供給水平以評價乘客到達與離開站點的便捷程度。

表1 NPR模型的指標說明

上述基礎(chǔ)指標中，介數(shù)中心性是網(wǎng)絡(luò)中心性的一種，既有研究用其反映站點在線網(wǎng)拓撲中的重要程度[11,16]，具體計算方法如式（1）[17]所示。軌道交通連接度與城市功能連接度分別是車站到所有車站以及車站到中心車站的軌道交通平均出行時間，包括候車、在車、換乘時間，反映站點利用軌道交通出行的便捷程度，通過電子地圖獲取的路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)計算。

式（1）中：Bi為站點i的介數(shù)中心性；σst為站點s到站點t的最短路徑數(shù)；σst(i)為站點s與站點t間經(jīng)過站點i的最短路徑數(shù)；V為全部站點集合。

場所價值評價周邊建成環(huán)境，從高效聚集、用地開發(fā)、多元混合、街區(qū)設(shè)計和潛在價值等5方面提出22項指標度量站點周邊的開發(fā)水平，如表1 所示。其中，混合度指標以信息熵反映站域開發(fā)的多樣性，按式（2）[18]計算。天空開闊度表示站點周圍步行者能看到的天空范圍，反映街區(qū)設(shè)計中慢行交通的出行環(huán)境友好程度，其計算如式（3）與式（4）[19]所示。

式（2）中：Ei為站點i的用地功能混合熵；poiim為站點i周邊m類POI 的數(shù)量；M為POI 全部類型的數(shù)量，本文M取8。

式（3）～式（4）中：SVFi為i站點步行吸引范圍內(nèi)的天空開闊度；α為方位角步長；Ωdirection為每個方位對該點的遮蔽度；γ為每個方位上建筑物形成的最大建筑高度角，用于計算遮蔽度。

1.3 綜合評價

NPR 模型指標體系涉及多層次、多類型指標的聚合，不同指標權(quán)重的選取尤為關(guān)鍵。既有研究確定權(quán)重的方法包括變異系數(shù)法、信息熵值法、德爾菲法、專家打分法等主、客觀賦權(quán)法，但均無法反映數(shù)據(jù)的空間特征。

因此，本文首先對各項基礎(chǔ)指標進行歸一化處理，并采用可反映數(shù)據(jù)在空間上集聚特征的全局莫蘭指數(shù)作為基礎(chǔ)指標的權(quán)重，計算模型如式（5）[20]所示。

在莫蘭指數(shù)的基礎(chǔ)上，計算并集計各分項中所有基礎(chǔ)指標的加權(quán)和，以進一步歸一化得到各站點的節(jié)點與場所價值。然后結(jié)合客流指標，利用K-means 方法對各站點進行聚類分析得到相應(yīng)結(jié)果。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

廈門市為東南沿海重要的港口及中心城市，其城區(qū)被海域劃分為本島（島內(nèi)）與內(nèi)陸（島外區(qū)域，包括海滄區(qū)、集美區(qū)、同安區(qū)、翔安區(qū)等不在廈門本島上的區(qū)域）兩部分，本島為廈門市核心區(qū)域，內(nèi)陸則分別向北、西、東3 個方向延伸發(fā)展。廈門市軌道交通于2017 年12 月31 日開通運營，至今已開通3 條線路，里程達98.4km，設(shè)站65 座；已有的3 條線路分別自本島向北、西、東連接本市內(nèi)陸部分，如圖2 所示。

圖2 研究范圍

在針對軌道交通站點周邊建成環(huán)境的研究中，一般以步行吸引范圍（Pedestrian Catchment Area,PCA）作為軌道交通站點的服務(wù)覆蓋范圍，既有研究多采用圓形緩沖區(qū)表示站點的PCA。以10min 作為步行時間閾值、1.3m/s 為平均步行速度，本文選用800m緩沖區(qū)作為地鐵站點的PCA。

本文運用多源融合數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集主要包含：廈門軌道交通站點數(shù)據(jù)與線路數(shù)據(jù)、聯(lián)合國人口數(shù)據(jù)、基于工作地及居住地統(tǒng)計的城市人口數(shù)據(jù)、基于工作日及休息日統(tǒng)計的城市人口熱力數(shù)、站點周邊興趣點（POI）與興趣面（AOI）數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、小區(qū)數(shù)據(jù)、公交站點以及路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)、車站進站量數(shù)據(jù)等。上述多源數(shù)據(jù)主要來自電子地圖運營商、公開數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源，具體描述如表2所示。

表2 多源數(shù)據(jù)使用概況

3 結(jié)果分析

3.1 指標分析

利用全局莫蘭指數(shù)的空間集聚特征衡量各站點多層次、多類型指標的權(quán)重，結(jié)果如表3所示。

以表3 中莫蘭指數(shù)作為權(quán)重，匯集各項指標后可得廈門市各站點的節(jié)點價值分布如圖3（a）所示。廈門島內(nèi)中心區(qū)域站點的節(jié)點價值最高，外部站點的節(jié)點價值則隨距市中心的距離增加而衰減，說明廈門島為廈門市軌道交通線網(wǎng)的核心區(qū)域。換乘站點的節(jié)點價值在同區(qū)位站點中表現(xiàn)出了較高的水平，這得益于其較高的介數(shù)中心性與交通供給水平。同時，2 號線在線網(wǎng)中的重要性和連通性也大于其他線路，因此2 號線各車站的節(jié)點價值明顯高于其他線路。

表3 NPR模型各指標的莫蘭指數(shù)

場所價值的分布呈現(xiàn)出向島內(nèi)中心聚集的特點，島外僅集美區(qū)與海滄區(qū)部分站點場所價值較高，如圖3（b）所示。這是由于場所價值的各項指標如高效聚集、用地開發(fā)等均高度依賴于站點周邊的開發(fā)水平，因此在已開發(fā)完善區(qū)域的站點的場所價值較高。上述分布表明廈門島內(nèi)的開發(fā)成熟度顯著優(yōu)于其他區(qū)域，且廈門發(fā)展趨勢是由島內(nèi)向外逐漸延伸。

圖3 廈門軌道交通站點節(jié)點與場所價值空間分布

相較于場所和節(jié)點指標，廈門市軌道交通的客流分布特征存在更明顯的中心性，且工作日與休息日相差較小，僅部分站點存在明顯不同，如圖4 所示?？土髁看蟮恼军c聚集于3 條線交叉圍成的近圓形區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域包含大量居住與商業(yè)用地，為廈門市核心地段。在該區(qū)域外1、2號線島內(nèi)段客流也較多，但在島外僅園博苑、海滄行政中心等站客流較大。

圖4 廈門軌道交通站點日均客流空間分布

另外，工作日與休息日的差距體現(xiàn)在部分休閑購物與就業(yè)集中站點，如塘邊站位于島內(nèi)中部，以休閑娛樂為主，其休息日進站量高于工作日；而軟件園二期、何厝等站靠近軟件園等就業(yè)聚集區(qū)，工作日進站量顯著高于休息日。

3.2 模型對比

根據(jù)NP 及NPR（工作日）、NPR（休息日）指標，利用K-means 聚類算法分別將廈門市軌道交通站點分為6類，具體結(jié)果如下。

（1）NP模型結(jié)果

NP 模型的聚類結(jié)果及空間分布如圖5 所示，差異體現(xiàn)在不同區(qū)位及線路的站點間。平衡類站點主要分布在2 號線廈門島中心兩側(cè)，連通度好且開發(fā)時間早，具有中高的節(jié)點與場所價值；依賴類站點的節(jié)點、場所價值均偏低，出現(xiàn)在1 號線沿海布設(shè)的島外段，覆蓋范圍有限；壓力類站點同時擁有高節(jié)點與場所價值，主要位于市中心商業(yè)與就業(yè)區(qū)域。

圖5 NP模型聚類結(jié)果

此外另有3 類不均衡站點：不均衡節(jié)點站點位于2、3號線末端，導致其場所價值偏低；不均衡場所類可據(jù)其節(jié)點價值大小分為兩類，高節(jié)點站點位于3號線島內(nèi)段，客流和開發(fā)強度均較弱；低節(jié)點站點主要位于島內(nèi)線路服務(wù)水平不能滿足場所需求的成熟建成區(qū)。

（2）NPR模型結(jié)果

NPR 模型在NP 模型的基礎(chǔ)上引入客流指標，導致部分節(jié)點、場所價值相近的站點在客流指標加入后分類發(fā)生變化，其中根據(jù)工作日與休息日客流量的不同，變化也有所不同（見圖6和圖7）。分類的變化主要出現(xiàn)在島內(nèi)區(qū)域，具體如下。

圖6 NPR模型（工作日）聚類結(jié)果

圖7 NPR模型（休息日）聚類結(jié)果

①島內(nèi)中南部的體育中心、育秀東路及湖濱東路站由NP 模型中的壓力類轉(zhuǎn)化為NPR 模型（工作日）中的平衡&中高客流類。湖濱東路站在NPR 模型（休息日）中再次轉(zhuǎn)為壓力&高客流類站點。這一變化說明盡管節(jié)點與場所價值均較高，但較低的客流量會壓縮兩者的影響，改變站點的聚類結(jié)果。

②島內(nèi)中部的烏石浦站由NP 與NPR 模型（工作日）的不均衡場所轉(zhuǎn)為壓力&高客流分類，該站周邊的購物設(shè)施在休息日帶來的巨大客流改變了該站的分類。

③NP模型中的不均衡場所（高節(jié)點）類站點轉(zhuǎn)化為平衡&中低客流類站點，這類站點的穩(wěn)定客流彌補了其場所價值的不足。而在島外區(qū)域，位于3 號線末端的后村與蔡厝站也發(fā)生了相應(yīng)的變化，兩站在NP 模型中分別為不均衡節(jié)點與依賴類，而在NPR（工作日）中均變?yōu)椴痪夤?jié)點&低客流類，在NPR（休息日）中又由于休息日的低客流轉(zhuǎn)換為依賴&低客流類站點。

此外，仍有3 類的大部分站點的定義沒有改變，分別為依賴類、不均衡節(jié)點與壓力類，它們分別對應(yīng)低客流與高客流。這些站點的節(jié)點價值與場所價值為所有站點中的極值水平，故其分類受客流影響較小。

3.3 討論

結(jié)合NPR 模型的不同分類，提出針對各類站點的差異化TOD開發(fā)策略。

（1）依賴&低客流類。這些站點位于城市郊區(qū)，開發(fā)程度低，交通基礎(chǔ)設(shè)施不完善，應(yīng)在提升交通接駁能力的同時依托軌道交通站點建設(shè)具有區(qū)域特色的開發(fā)體系以吸引由中心城區(qū)出發(fā)的反向客流。以地鐵廈門北站為例，該站位于線網(wǎng)末端且周邊開發(fā)不完善，考慮到其交通樞紐的定位，未來應(yīng)著重提升站點公共交通通達度以連接城市更多區(qū)域，在提升客流吸引能力的基礎(chǔ)上，進一步進行站域經(jīng)濟開發(fā)。

（2）平衡&中高客流類。該類站點各項指標較為平衡，位于城市中心區(qū)，周邊以居住及混合用地為主，應(yīng)在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上限制站域開發(fā)強度，著力進行城市更新發(fā)展。以建業(yè)路站為例，該站周圍建成環(huán)境成熟，毗鄰數(shù)座商務(wù)建筑，外圍則多為住宅，該站應(yīng)做好周邊用地設(shè)施的動態(tài)更新，維持現(xiàn)有開發(fā)水平，以避免過度吸引客流造成擁擠。

（3）平衡&中低客流類。該類站點與平衡&中高客流類站點類似，主要位于城市中心區(qū)，但周邊以低密度居住用地為主，故客流水平較低。應(yīng)在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上控制站域開發(fā)速度，實行有限開發(fā)。以湖濱中路站為例，該站毗鄰白鷺洲公園與狐尾山公園，周邊以居住用地為主，該站應(yīng)結(jié)合周邊綠地與廣場用地較多的優(yōu)勢進行針對開發(fā)，提升站域經(jīng)濟活力及土地價值。

（4）壓力&高客流類：此類站點位于城市核心區(qū)，各項指標趨于飽和，應(yīng)避免過度開發(fā)，并結(jié)合城市更新項目向周邊疏解客流壓力。以呂厝站為例，該站是市中心的換乘站點且站域以商業(yè)商務(wù)用地為主，客流壓力大。故建議該站一方面加強與周邊商業(yè)設(shè)施的聯(lián)系，實現(xiàn)站城有機結(jié)合，緩解客流壓力；另一方面控制站域新項目的開發(fā)數(shù)量，向外疏解商業(yè)設(shè)施，同時在規(guī)劃新線時避免在此重復交叉以減輕換乘壓力。

（5）不均衡場所&高客流類。這些站點位于城市中心區(qū)，其節(jié)點價值不能滿足周邊用地及客流需求，應(yīng)加大交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度。以鎮(zhèn)海路站為例，該站位于廈門老城區(qū)，周邊用地情況復雜且商業(yè)商務(wù)設(shè)施密集，未來應(yīng)考慮增加公交線路、優(yōu)化線路發(fā)車頻率甚至規(guī)劃新線路等措施以提升該站的節(jié)點價值并向周圍疏散客流壓力。

（6）不均衡節(jié)點&低客流類。該類站點主要位于城市郊區(qū)新建線路上，站域用地開發(fā)處于起步階段，尚未形成成熟的客流體系，建議結(jié)合用地規(guī)劃合理設(shè)置站點開發(fā)目標，適當建設(shè)位于郊區(qū)的多樣功能節(jié)點。以鼓鑼站為例，該站位于翔安區(qū)南部，靠近規(guī)劃中的城市副中心，建議進一步完善周邊居住用地配套服務(wù)以聚集人口并與臨近站點聯(lián)動，加快商務(wù)設(shè)施建設(shè)速度，進行高混合度開發(fā)，打造區(qū)域中心以提升站域場所價值。

4 結(jié)語

本文以廈門市為例，在傳統(tǒng)NP 模型的基礎(chǔ)上提升維度引入客流指標，建立節(jié)點、場所、客流三者融合的TOD 評價體系。案例計算結(jié)果表明，NPR 模型可以修正場所或節(jié)點價值單一指標在結(jié)果分類中權(quán)重過大的問題，實現(xiàn)對車站更精細、更全面的分類評價。NP模型從節(jié)點與場所兩個維度將廈門市全部65 座軌道交通車站分為6類，而NPR 模型進一步結(jié)合客流指標將類別調(diào)整為壓力&高客流、平衡&中高客流、平衡&中低客流、不均衡場所&高客流、不均衡節(jié)點&低客流、依賴&低客流6 類，對站點類別結(jié)合客流進行了更精確的劃分。NPR 模型中不同類別站點分布不僅具有顯著的空間集聚特點，也與城市建設(shè)進度緊密相關(guān)，這一結(jié)果直觀反映了站域范圍的交通、土地利用與客流特點，有助于進一步有針對性地指導規(guī)劃建設(shè)。在此基礎(chǔ)上，NPR 模型為土地開發(fā)、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與乘客出行構(gòu)建聯(lián)系，定量刻畫三者之間的協(xié)同程度，可為決策者提供認識站域開發(fā)情況的融合視角，有助于更全面地引導區(qū)域空間規(guī)劃與交通組織。受數(shù)據(jù)限制，本文僅以廈門為研究案例，而NPR 模型具有普適性，未來可探究不同線路乃至不同城市間的站點開發(fā)特點，為促進軌道交通與城市融合發(fā)展的高質(zhì)量發(fā)展目標的實現(xiàn)提供理論支撐。