基于時空數(shù)據(jù)的武漢市綠色交通出行模型研究

王 冠，肖 昶*，代 琦

（1.湖北省空間規(guī)劃研究院，湖北 武漢 430064；2.武漢市交通發(fā)展戰(zhàn)略研究院，湖北 武漢 430017）

近年來，國內(nèi)城市發(fā)展模式由增量擴張向存量提升轉(zhuǎn)變，空間結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，長距離機動化出行的原生動力正在減弱[1]。在此背景下，要素配置和布局直接影響城市空間結(jié)構(gòu)和居民生活品質(zhì)[2]。一方面，通勤和生活出行具有明顯的距離邊界，超過一定空間范圍后出行量會銳減[3]；另一方面，短距離通勤具備良好的以公交、慢行為代表的綠色出行條件[4]，可通過改善公交運行環(huán)境降低小汽車出行量，進一步緩解交通擁堵、提高空間利用效率[5]。當前，國內(nèi)各大城市空間布局普遍具有高密度、緊湊性特征，亟需強化交通出行與城市功能復合，重點發(fā)展綠色交通，促進出行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。然而，城市軌道交通發(fā)展與城鎮(zhèn)化的匹配性不高、與城市空間發(fā)展的協(xié)同性不足[6]，交通系統(tǒng)內(nèi)部不同空間范圍、不同方式要素之間的融合優(yōu)化不充分等問題普遍存在[7]。中共中央、國務(wù)院針對全國綜合交通發(fā)展做出重要戰(zhàn)略部署，《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》要求強化銜接聯(lián)通，提升設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化和運輸服務(wù)一體化水平[8]；《交通強國建設(shè)綱要》要求推進城市公共交通設(shè)施建設(shè)，強化城市軌道交通與其他交通方式的銜接[9]。

上述成果明確了交通空間可達與網(wǎng)絡(luò)功能銜接的重要意義，而契合城市轉(zhuǎn)型發(fā)展的綠色交通體系如何耦合空間布局，基礎(chǔ)設(shè)施供給能力如何動態(tài)匹配需求水平，各類出行系統(tǒng)間的融合銜接如何評估等具體問題需要詳細研究。本文收集了武漢市軌道交通、地面公交和部分公共自行車的動態(tài)出行以及靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)等時空數(shù)據(jù)，建立了綠色出行模型，以支撐相關(guān)規(guī)劃編制和問題研究。

1 背景概述

目前國內(nèi)城市以軌道交通為代表的公交系統(tǒng)和以共享單車為代表的慢行系統(tǒng)迅猛發(fā)展，但公眾對出行體驗反應各異，供需關(guān)系和銜接效率是關(guān)鍵一環(huán)[10]。

1）線網(wǎng)規(guī)模有序拓展，網(wǎng)絡(luò)功能需要研究。武漢市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)穩(wěn)步推進，軌道網(wǎng)絡(luò)化進程戰(zhàn)略性提速，出行需求急劇增長。截至2021年，武漢市運營軌道總里程為435 km，位居全國第五[11]，2024年將形成600 km的“強心強軸、環(huán)網(wǎng)放射”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成“四網(wǎng)融合”的1小時通勤圈。地面公交運營線路610條，運營總里程約為9 000 km，正按照“銜接軌道、主城減復、副城補充、新城擴網(wǎng)”的規(guī)劃定位逐步調(diào)整功能。然而，在大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、提高供給能力和水平的同時，尚未充分論證城市空間發(fā)展與公交線網(wǎng)規(guī)劃實施的耦合關(guān)系、運營公交線網(wǎng)與城市綜合交通體系的空間融合等，線網(wǎng)規(guī)劃實施和優(yōu)化調(diào)整之間缺乏必要的量化支撐和科學引導。

2）網(wǎng)絡(luò)功能基本具備，規(guī)劃效果需要評估。目前，武漢市軌道交通日均客流量約為390萬人次，與地面公交基本持平，主城范圍內(nèi)公共自行車日均出行量超過100萬人次。針對千萬級別出行群體的多元化出行需求，更多表現(xiàn)在增強各自網(wǎng)絡(luò)范圍覆蓋、實施獨立票務(wù)政策等方面。然而，地面公交與軌道交通的協(xié)同規(guī)劃、慢行交通與公共交通的銜接機制、線網(wǎng)之間的功能銜接效率等尚未由供需匹配度、公眾滿意度、規(guī)劃實施進度等指標評估，規(guī)劃與實施之間的效果比對以及規(guī)劃全生命周期管理體制尚未形成。

3）初步助推城市更新，應用場景需要拓展。近年來，武漢市在以人為本、公交優(yōu)先、公共空間品質(zhì)提升等方面開展了一系列積極探索。以軌道交通6號線建設(shè)為契機，對沿線的百年商業(yè)老街中山大道開展綜合改造，通過環(huán)境重塑促進城市更新。然而，社會公眾尚未充分感知規(guī)劃先行、數(shù)字化治理體系、TOD實踐產(chǎn)生的巨大變革和便民服務(wù)。

基于上述分析，本文的具體研究內(nèi)容為：①挖掘公交和慢行交通的OD分布、斷面流量、興趣點等規(guī)劃實施信息，發(fā)揮評估效用；②暢通軌道網(wǎng)、公交網(wǎng)、慢行網(wǎng)之間的資源交互渠道，促進功能銜接；③建立健全城市綠色交通規(guī)劃、實施、管理全鏈條機制，推動數(shù)字治理。

2 模型建立

新一代信息化應用模型的建設(shè)不是海量數(shù)據(jù)和硬件平臺的程序化堆砌，而是以需求應用為導向的解決方案，其時效性、可更新性、算法精度是關(guān)注重點。

2.1 數(shù)據(jù)處理模型

建立專用數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)接口，實時采集軌道列車、地面公交車、公共自行車的運行軌跡，準實時收集城市一卡通、移動支付、臨時卡（票）等票務(wù)信息，定期匯集道路網(wǎng)、軌道網(wǎng)、公交網(wǎng)、慢行網(wǎng)等靜態(tài)數(shù)據(jù)。由于各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源不同、采集頻率各異，因此建立模型處理數(shù)據(jù)的冗余歧義、結(jié)構(gòu)異常、制式差異等問題，清洗約5%的無效信息，確保出行主體信息價值最大化。

1）對車輛軌跡數(shù)據(jù)的處理。約束車輛運行狀態(tài)信息有效：對運行記錄排序篩查，過濾鄰近記錄的漂移經(jīng)緯度，過濾極大極小異常車速，識別地面公交車和公共自行車的路口等待和站臺駐留記錄等，日均存儲約2 000萬條出行軌跡記錄。

2）對乘客票務(wù)數(shù)據(jù)的處理。確保出行主體多方式全口徑信息完整：通過與不同票務(wù)管理部門協(xié)商，采集由城市一卡通系統(tǒng)記錄的全市近70%的公共交通票務(wù)數(shù)據(jù)、由網(wǎng)絡(luò)平臺記錄的智能終端電子票務(wù)數(shù)據(jù)、由運營部門記錄的臨時卡（票）等其他方式單程票務(wù)數(shù)據(jù)，日均存儲各類出行需求記錄約1 000萬條。

3）對網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)的處理。提高出行載體與出行行為的匹配精度：①雙向標注路網(wǎng)和公交線網(wǎng)，隔離道路形成雙向路段，提高車輛運行與路網(wǎng)的匹配精度；②構(gòu)建路段索引，提高GPS點位與路段的檢索效率；③劃分地理空間范圍，減少道路匹配時參與搜索的路徑集合，優(yōu)化模型運行時間。

4）對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理。通過人工輔助調(diào)查，查驗公交車內(nèi)部和軌道換乘通道監(jiān)控視頻、出行調(diào)查訪談等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，獲取真實樣本信息，用于模型校核與參數(shù)標定。

2.2 出行分析模型

1）公交車輛運行模型。公交車輛運行是供給能力分析的基礎(chǔ)，以地面公交車實時運行軌跡，軌道列車到離站時刻表為基礎(chǔ)，建立車輛運行模型。應用模型可獲取不同時段的站間運行時間和平均車速，用于站點候車時間發(fā)布和準點率等信息統(tǒng)計；也可獲取站點時空可達測度，包括公交和軌道的獨立模式以及二者之間的換乘模式，用于衡量大型基礎(chǔ)設(shè)施或重點區(qū)域的公交服務(wù)能力；還可動態(tài)形成車輛實際運行線網(wǎng)拓撲，排除因客觀因素造成的真實運行軌跡與規(guī)劃線網(wǎng)不符的情況。

2）地面公交出行模型。武漢市地面公交采取“一票制”，增加了出行OD獲取難度?；谄眲?wù)數(shù)據(jù)、車輛運行軌跡、人工調(diào)查等，建立基于時空匹配的上車站點識別模型和基于通勤匹配的下車站點模擬模型。技術(shù)路線是累積出行記錄，訓練形成個體常發(fā)出行表。如圖1所示，針對閉合通勤出行鏈，一定時空閾值內(nèi)的下次出行起點可視為本次出行終點，將通勤規(guī)則記錄到常發(fā)出行表中；針對閉合非通勤出行鏈，根據(jù)常發(fā)出行表，判斷是否存在通勤出行，若存在則可根據(jù)常發(fā)出行表推斷本次的起止位置；針對非閉合非通勤出行鏈，若不存在通勤行為，則可根據(jù)一定時空閾值內(nèi)站點發(fā)生吸引總量基本平衡的原理，計算該線路后續(xù)站點上客強度并模擬下車站點。對于剛性通勤出行群體，模型精度可達80%。應用模型可獲取公交客流走廊分布情況以及不同時空粒度的區(qū)間、線路、站點客流特征等。

圖1 地面公交出行鏈模擬示意圖

3）軌道交通出行模型。軌道交通方面，雖可通過閘機票務(wù)數(shù)據(jù)獲取站點OD，但復雜的內(nèi)部換乘方案，增加了斷面客流統(tǒng)計和運力匹配分析難度。技術(shù)路線是基于軌道票務(wù)數(shù)據(jù)和車輛到離站時刻表，關(guān)注出行時長、舒適度感受、換乘復雜度等方面，以廣義出行成本為統(tǒng)一標尺度量換乘方案的選擇概率，建立關(guān)注整體特征的全天路徑選擇模型和關(guān)注斷面高峰期特征的分時路徑選擇模型。對于全天路徑選擇模型，其廣義出行成本由列車運行時間、列車站點駐留時間、乘客換乘行走時間和換乘候車時間構(gòu)成（式（1）～（3））；對于分時路徑選擇模型，進一步考慮車廂擁擠度對換乘路徑選擇的影響，如式（4）所示，α、β、γ、δ、ε分別代表上述因素對廣義出行成本的貢獻度。結(jié)合人工調(diào)查標定模型參數(shù)，模型精度可達90%。應用模型可獲取軌道客流基本特征，包括不同時間粒度的斷面和區(qū)間客流分布以及線路、站點的轉(zhuǎn)換乘客流集散特征等。

4）公共自行車出行模型。與地面公交和軌道交通相比，公共自行車軌跡點位稀疏，騎行規(guī)律不強，易產(chǎn)生定位信息重復、乒乓效應等問題，增加了公交接駁點位和POI精準獲取的難度。技術(shù)路線是通過對車輛活動時空序列的邏輯處理，形成有效騎行軌跡，并訓練數(shù)據(jù)獲取出行時空閾值，再依此切分出行（圖2）。結(jié)合抽樣調(diào)查驗證，模型精度可達80%。應用模型可獲取基于工作日通勤出行的城市慢行職住組團；還可獲取基于節(jié)假日通勤出行的POI分布以及與其他交通方式的接駁能力等。

圖2 公共自行車軌跡行程切分模型示意圖

5）換乘出行模型。對于公交系統(tǒng)內(nèi)部的換乘行為，通過調(diào)查數(shù)據(jù)樣本的統(tǒng)計訓練，獲取換乘模型的時空評判標準，主要包括兩種情況：①在時空標準內(nèi)發(fā)生多種出行且均屬同一票務(wù)方式，可直接判斷屬于換乘行為；②在時空標準內(nèi)發(fā)生多種出行但屬不同票務(wù)方式，需結(jié)合其他數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)個體全出行鏈行為判斷（如下班途中發(fā)生POI駐留）。對于公交交通與慢行交通之間的換乘情況，主要圍繞公交站點范圍內(nèi)公共自行車的集散特征模擬換乘行為，尤其以公交站點為起止節(jié)點的通勤騎行研究可支撐出行“最后一公里”專題規(guī)劃。

3 綜合應用

本文應用上述模型規(guī)劃公共交通、慢行交通，支撐線網(wǎng)結(jié)構(gòu)錨固和城市重點功能區(qū)高質(zhì)量發(fā)展；反映真實供給關(guān)系，引導基礎(chǔ)以及配套設(shè)施的規(guī)模確定和功能布局；提供實時動態(tài)信息，服務(wù)運營方案優(yōu)化和公眾信息發(fā)布。

3.1 提升功能，優(yōu)化公交線網(wǎng)布局

以時空可達性和功能提升為目標，推進多輪“主輔結(jié)合、功能融合”的線網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整，達到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍持續(xù)優(yōu)化、品效協(xié)同的效果。

1）以時空可達性為目標的軌道交通規(guī)劃。利用公交車輛運行模型，獲取公共交通站點的時空可達性指標，進而形成單元出行成本。通過促進干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網(wǎng)融合”，強化節(jié)點銜接和網(wǎng)絡(luò)融合，規(guī)劃構(gòu)建武漢都市圈1小時通勤圈，在交通樞紐實現(xiàn)多線換乘和多種軌道交通直通運轉(zhuǎn)等方式。對于前者，規(guī)劃兩條以上軌道快線和1～2條軌道普線銜接國家級客運樞紐，規(guī)劃至少一條軌道線路、3～5條地面公交線路銜接區(qū)域級、城市級客運樞紐，實現(xiàn)市級中心和副城中心至鄰近綜合客運樞紐30 min可達、主要綜合客運樞紐之間互通時間不超過45 min、換乘次數(shù)不超過1次的軌道銜接目標（圖3）；對于后者，推動互聯(lián)互通、資源共享，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)系統(tǒng)制式，在副城中心、新城中心重點規(guī)劃一體化換乘，形成區(qū)域換乘中心，支持市域鐵路與穿城軌道快線的直通運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)都市圈重點城市至武漢副城中心通勤出行小于1 h的網(wǎng)絡(luò)融合目標。

圖3 基于時空可達性的武漢都市圈軌道交通規(guī)劃

2）以供需平衡為基礎(chǔ)的地面公交規(guī)劃。利用地面公交和軌道交通出行模型，識別解放大道、武珞路、漢陽大道等地面公交大客流走廊以及楚河漢街、王家灣、江漢路等大客流集散站點，量化分析常發(fā)性出行擁堵點段或特定事件引起的人群聚集形成與消散規(guī)律，突出供需矛盾點段。圍繞軌道交通線網(wǎng)布局，通過改線、并線等優(yōu)化手段，配合換乘優(yōu)惠政策，規(guī)劃構(gòu)建“快、干、支、微”4級地面公交功能網(wǎng)絡(luò)。首先，依據(jù)與軌道并線的地面公交站點數(shù)量，適當調(diào)配公交線路，加強對次支路網(wǎng)的服務(wù)覆蓋，2015—2021年武漢市地面公交線網(wǎng)道路覆蓋里程由1 750 km增長至4 040 km，而重復系數(shù)由4.65降至2.83；其次，在地面公交可達性較弱的武昌沿江、四新、南湖等區(qū)域（圖4）和日均集散量超過10萬人次的光谷廣場站、楚河漢街站、王家灣站等大型軌道客站周邊規(guī)劃功能型線路。

圖4 武漢市地面公交線網(wǎng)時間可達性情況

3.2 注重銜接，促進出行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型

以提升網(wǎng)絡(luò)換乘銜接效率為目標，規(guī)劃軌道交通、地面公交、慢行交通“三網(wǎng)合一”，推進公共交通占比40%、慢行交通占比40%、機動化交通占比20%的綠色出行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

1）支撐多模式一體化的出行銜接評估。換乘出行模型精細描繪了軌道交通對剛性出行的顯著吸引力。在軌道交通2號線南延線與11號線相繼開通后，光谷大道（珞瑜路—三環(huán)線）沿線地面公交站與軌道交通光谷廣場站的換乘出行量驟降45%；同時，軌道沿線的地面公交光谷大道金融港站、光谷大道當代國際花園站、光谷一路流芳園南路站等客流同步下降（圖5），建議及時優(yōu)化地面公交配置和線路走向。然而，光谷大道西面的民族大道、關(guān)山大道沿線的換乘需求依然旺盛，該區(qū)域出行仍依靠“軌道+公交”的模式，建議加強微循環(huán)型地面交通供給能力，服務(wù)末端3～5 km出行。

圖5 軌道交通2號線南延線與11號線開通前后地面公交換乘情況對比

利用公共自行車出行模型獲取騎行軌跡，雕刻城市慢行空間和POI分布，在主城區(qū)形成若干“騎行部落”，支撐城市組團式規(guī)劃布局。對于軌道交通站點周邊的騎行聚集區(qū)，建議作為常規(guī)公交微循環(huán)型線路的重點發(fā)展區(qū)域。對于識別出的商業(yè)、公服類POI，其中48%可由現(xiàn)狀軌道交通站點800 m范圍覆蓋，建議建立健全自行車管理制度，優(yōu)化次支路網(wǎng)慢行環(huán)境，構(gòu)建“軌道+慢行”的優(yōu)良出行條件。

2）支撐交通功能與城市空間的耦合評估。利用軌道出行模型評估線網(wǎng)功能規(guī)劃效力。軌道交通7號線開通后，其武昌段成為南湖片區(qū)與中心城區(qū)的重要客流走廊，換乘站螃蟹岬和武昌火車站的日均客運量（進出量+換乘量）增幅分別達到52.7%和43.2%，螃蟹岬站已在高峰期出現(xiàn)換乘通道擁擠的情況，建議加大安全事故防范力度。對比以螃蟹岬站為起止節(jié)點和換乘節(jié)點的出行空間發(fā)現(xiàn)（圖6），使用其換乘功能的出行范圍更集中，聯(lián)系南湖大型居住組團與漢口主城區(qū)的樞紐功能凸顯，建議輔助規(guī)劃貫通兩地的干線型地面公交，以緩解軌道客運壓力并增強空間聯(lián)系。

圖6 以螃蟹岬站為起止節(jié)點和換乘節(jié)點的軌道出行范圍

3.3 服務(wù)公眾，引導安全高效出行

研究展示交通流的潮汐分布、向心聚集和波動擴散等特征，關(guān)注實時運行狀態(tài)，引導公眾安全高效出行。根據(jù)軌道交通出行模型，線網(wǎng)供需關(guān)系呈現(xiàn)一定程度的時空分布不均衡（表1），在斷面客流空間分布上，高峰期1號線三陽路—宗關(guān)區(qū)間、2號線中山公園—街道口區(qū)間、4號線東亭—復興路區(qū)間等擁擠明顯；在區(qū)間客流方向分布上，潮汐特性主要發(fā)生在線網(wǎng)末端的向心運行以及功能單一組團的剛性出行，建議面向公眾加強實時交通運行狀態(tài)宣傳，提供錯峰出行和多方案備選服務(wù)。在地面公交方面，分析線路高峰時段載客量與運力之間的負荷發(fā)現(xiàn)，局部呈現(xiàn)一定程度的供需錯位，建議形成動態(tài)監(jiān)管機制，對高峰期服務(wù)強度過高的線路提高發(fā)車頻率，而對平峰期服務(wù)強度過低的線路延長發(fā)車間隔。

表1 武漢市軌道交通高峰期客流方向不均衡情況統(tǒng)計

4 結(jié)語

本文匯集了武漢市軌道交通、地面公交、部分慢行交通的出行和設(shè)施相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了綠色交通資源池，提供了時空可達性、網(wǎng)絡(luò)重復性、節(jié)點銜接性、出行可靠性等應用，支撐網(wǎng)絡(luò)功能優(yōu)化與空間布局協(xié)同，實現(xiàn)了以“網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、出行變化、服務(wù)強化”為驅(qū)動的供需關(guān)系良性發(fā)展。下一步將按照國土空間規(guī)劃城市體檢評估相關(guān)要求[12]，實現(xiàn)線網(wǎng)規(guī)劃有規(guī)可循、線網(wǎng)調(diào)整有據(jù)可依、線網(wǎng)評估有數(shù)可用。