城市軌道交通初期運(yùn)營客流預(yù)測技術(shù)研究

李金海，竇 亮，張 猛，秦義展，孫 穎

（1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2.城市軌道交通綜合應(yīng)急技術(shù)與裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100037；3.鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，鄭州 450047；4.北京中關(guān)村軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100071）

城市軌道交通初期運(yùn)營客流預(yù)測是初期運(yùn)營階段各項(xiàng)工作部署的重要依據(jù)之一，為運(yùn)營安全評估、行車組織方案編制、客運(yùn)組織方案制訂等工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)《城市軌道交通運(yùn)營管理規(guī)定》(交通運(yùn)輸部部令2018 年第8 號)[1]及《城市軌道交通運(yùn)營安全評估管理辦法》(交運(yùn)規(guī)〔2023〕3 號)[2]的有關(guān)規(guī)定，初期運(yùn)營階段是指城市軌道交通工程項(xiàng)目通過初期運(yùn)營前安全評估后、獲準(zhǔn)正式運(yùn)營前，運(yùn)營企業(yè)開展運(yùn)輸組織工作的特定時(shí)段。該階段是城市軌道交通系統(tǒng)從工程建設(shè)到投入正式運(yùn)營實(shí)踐的過渡階段，也是線路從無到有面向乘客提供運(yùn)營服務(wù)的重要階段。鑒于該階段的特殊性，針對運(yùn)營安全評估、行車組織、客運(yùn)組織、應(yīng)急處置等工作開展初期運(yùn)營階段客流預(yù)測至關(guān)重要。

針對新開通線路的客流預(yù)測問題，既有研究主要通過研究人口與就業(yè)[3-4]、土地利用[4-5]、交通基礎(chǔ)設(shè)施[6]等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與軌道客流之間的相關(guān)關(guān)系，建立車站進(jìn)、出站客流需求的預(yù)測模型。由于該類方法聚焦于研究單類因素與客流之間的相關(guān)關(guān)系，存在對復(fù)雜社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響下出行需求刻畫精度不足的問題。為此，文獻(xiàn)[7]采用多源數(shù)據(jù)融合的方法，以期實(shí)現(xiàn)對出行需求的精細(xì)刻畫。但該方法對模型標(biāo)定所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)量和質(zhì)量要求都較高，受車站異質(zhì)性的影響，預(yù)測精度和可移植性仍面臨挑戰(zhàn)。

考慮到軌道交通客流指標(biāo)體系較復(fù)雜，前述研究聚焦于預(yù)測車站個(gè)體進(jìn)、出站客流量的方法顯然無法滿足運(yùn)營實(shí)際需求。文獻(xiàn)[8-9]提出了基于“四階段”交通需求分析理念的客流預(yù)測方法。該類方法雖建模相對復(fù)雜，但可清晰演繹城市出行總需求與軌道交通系統(tǒng)客流需求之間的關(guān)系。由于其空間可移植性優(yōu)勢，該類方法可應(yīng)用于尚無運(yùn)營線路的城市。

本文在借鑒既有研究的基礎(chǔ)上，針對初期運(yùn)營客流預(yù)測需求，提出了一套基于“四階段”需求分析法的客流預(yù)測技術(shù)路線，并重點(diǎn)闡述了預(yù)測內(nèi)容和研究重點(diǎn)，以期為初期運(yùn)營客流預(yù)測工作提供借鑒。

1 預(yù)測的特點(diǎn)及難點(diǎn)

1.1 預(yù)測特點(diǎn)

由于工作目的不同，初期運(yùn)營客流預(yù)測與城市軌道交通規(guī)劃、建設(shè)等階段客流預(yù)測在預(yù)測期、預(yù)測內(nèi)容、預(yù)測對象、方法體系等方面均有較大差異。

1) 預(yù)測期。規(guī)劃和建設(shè)階段客流預(yù)測服務(wù)于近、遠(yuǎn)期規(guī)劃和建設(shè)決策，預(yù)測期可遠(yuǎn)至未來30 年甚至更遠(yuǎn)。初期運(yùn)營階段客流預(yù)測則常聚焦于線路投運(yùn)后的1 年內(nèi)，預(yù)測期距預(yù)測工作開展較近。新開通線路初期運(yùn)營階段，沿線城市軌道交通出行需求從無到有快速增長。預(yù)測期過早，易忽視客流短期成長潛力，預(yù)測成果精度難以保障；預(yù)測期過晚，則不利于成果及時(shí)指導(dǎo)運(yùn)營組織工作開展?？紤]到初期運(yùn)營階段線路客流波動(dòng)較大，預(yù)測期宜選擇客流培育預(yù)期相對穩(wěn)定的時(shí)段，并應(yīng)滿足初期運(yùn)營階段運(yùn)營組織對客流預(yù)測成果的需要。實(shí)踐當(dāng)中，宜因地制宜采用進(jìn)入初期運(yùn)營后滿6～12 個(gè)月為預(yù)測期。

2) 研究對象。本階段客流預(yù)測在研究對象方面與規(guī)劃設(shè)計(jì)階段相比也有所不同。規(guī)劃階段預(yù)測往往以方案涉及線路為對象，旨在服務(wù)方案比選；設(shè)計(jì)階段預(yù)測則以單條線路為主要研究對象，旨在指導(dǎo)設(shè)計(jì)規(guī)模測算。進(jìn)入運(yùn)營期，新線的開通將改變城市交通既有出行結(jié)構(gòu)，打破整個(gè)城市的交通供給形勢。特別是在成網(wǎng)運(yùn)營的軌道交通系統(tǒng)中，新線的引入將會(huì)改變既有線網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而影響全網(wǎng)的客流分布格局。因此，初期運(yùn)營階段客流預(yù)測的研究范圍宜為城市建成區(qū)，研究對象應(yīng)涵蓋預(yù)測期線網(wǎng)的所有線路和車站，并重點(diǎn)關(guān)注新開通線路。

3) 預(yù)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鑒于預(yù)測期往往在未來1～2年內(nèi)，在此期間城市交通需求和供給格局的短期變化并不顯著，初期運(yùn)營客流預(yù)測可在深入把握城市交通運(yùn)行、沿線人口就業(yè)、沿線土地開發(fā)、既有線網(wǎng)客流規(guī)律等因素的現(xiàn)狀條件下，重點(diǎn)關(guān)注新線介入對沿線居民出行的影響，并據(jù)此預(yù)測軌道交通出行需求和重點(diǎn)客流指標(biāo)。

4) 預(yù)測模型。由于規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段客流預(yù)測定位于支撐方案比選和規(guī)模測算，預(yù)測工作主要依賴于城市宏觀交通模型。其基礎(chǔ)假設(shè)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、邊界條件等均以規(guī)劃年為準(zhǔn)，預(yù)測結(jié)果更注重宏觀指標(biāo)量級的準(zhǔn)確性。而初期運(yùn)營階段客流預(yù)測則以服務(wù)運(yùn)營組織工作為目標(biāo)，客觀上要求預(yù)測提出多層次、精細(xì)化的客流指標(biāo)，預(yù)測結(jié)果更注重指標(biāo)的準(zhǔn)確度。為此，有必要在宏觀需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行城軌系統(tǒng)的專題建模研究以保證預(yù)測精度。

1.2 預(yù)測難點(diǎn)

初期運(yùn)營客流預(yù)測的特點(diǎn)決定了預(yù)測工作在把握交通現(xiàn)狀資料、掌握交通現(xiàn)狀運(yùn)行態(tài)勢、保障預(yù)測精度方面存在關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)。

1) 準(zhǔn)確解讀城市交通現(xiàn)狀資料，把脈交通短期發(fā)展動(dòng)向。把握城市及交通發(fā)展現(xiàn)狀和短期發(fā)展動(dòng)向，對于做好線路初期運(yùn)營客流預(yù)測至關(guān)重要。這主要依賴于對城市交通供需現(xiàn)狀資料的深刻解讀，即需要對城市人口、就業(yè)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、機(jī)動(dòng)車保有量、相關(guān)交通政策、城市軌道交通運(yùn)營服務(wù)等資料進(jìn)行深入理解。

2) 深入挖掘交通時(shí)空大數(shù)據(jù)，掌握城市交通運(yùn)行現(xiàn)狀態(tài)勢。在解讀城市交通現(xiàn)狀資料的基礎(chǔ)上，有必要深入洞察城市交通運(yùn)行現(xiàn)狀時(shí)空演變特征。近年來，得益于時(shí)空數(shù)據(jù)感知、存儲、挖掘、可視化等技術(shù)的發(fā)展，用于交通特征分析的數(shù)據(jù)源日益豐富。交通大數(shù)據(jù)為人口及就業(yè)動(dòng)態(tài)分布、出行發(fā)生和吸引時(shí)空變化、區(qū)域間交通需求動(dòng)態(tài)演變等研究提供了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于掌握城市交通運(yùn)行態(tài)勢。

3) 科學(xué)構(gòu)建客流預(yù)測模型，精準(zhǔn)預(yù)測客流指標(biāo)?？土黝A(yù)測模型是對預(yù)測期交通供需的抽象模擬，其基礎(chǔ)假設(shè)對交通供需刻畫的準(zhǔn)確性直接決定了預(yù)測結(jié)果的精度。因此，模型的選擇、模型所依賴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、模型參數(shù)的標(biāo)定與校核等，對預(yù)測精度起到?jīng)Q定性影響。預(yù)測模型除應(yīng)用傳統(tǒng)交通建模技術(shù)手段外，宜通過融合交通、土地利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等多源數(shù)據(jù)，強(qiáng)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、演變規(guī)律、預(yù)測結(jié)論之間的校核。

2 預(yù)測技術(shù)路線

2.1 總體思路

在新線開通客流預(yù)測的實(shí)踐當(dāng)中，需求分析包括城市交通需求宏觀分析和城市軌道交通系統(tǒng)出行需求專題分析2 個(gè)層次?？紤]到該類預(yù)測以現(xiàn)狀分析為主，城市交通宏觀需求的分析可采用交通大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以洞察交通需求的總體時(shí)空分布特征。而城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部需求，由于涉及大量微觀指標(biāo)的系統(tǒng)化分析，可采用“四階段”法進(jìn)行建模。其中，城市居民出行的發(fā)生和吸引量可在沿線交通調(diào)查基礎(chǔ)上，進(jìn)行人口和用地等的靜態(tài)大數(shù)據(jù)建模；出行分布的分析和預(yù)測則主要基于動(dòng)態(tài)交通大數(shù)據(jù)分析技術(shù)；交通方式劃分可考慮基于居民出行方式選擇行為研究有關(guān)方法建模刻畫；由于客流指標(biāo)體系復(fù)雜，軌道系統(tǒng)內(nèi)部客流分配則宜建立城軌線網(wǎng)客流分析模型，進(jìn)行專題研究。預(yù)測技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 預(yù)測技術(shù)路線Figure 1 Technical roadmap for forecasting

2.2 資料收集

交通模型的構(gòu)建基于特定的基準(zhǔn)條件和假設(shè)。新開通線路客流預(yù)測模型體系的搭建則是基于運(yùn)營組織、沿線土地開發(fā)、沿線公共交通運(yùn)行等預(yù)期的特定水平，以及城市交通管理等宏觀政策預(yù)期條件下進(jìn)行的。因此，上述基礎(chǔ)條件的精確把握和深刻理解是客流預(yù)測的基礎(chǔ)性工作。需要收集的資料包括以下幾方面。

1) 城市整體的規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)、人口、就業(yè)以及土地利用等基礎(chǔ)資料。用以把握城市及交通總體特征。

2) 擬開通新線沿線用地、人口、就業(yè)、道路交通、公共交通等經(jīng)濟(jì)社會(huì)和交通運(yùn)輸發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃資料。用以把握沿線經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀和短期態(tài)勢。

3) 既有線網(wǎng)的各類客流統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和歷史成長規(guī)律。用以掌握既有線網(wǎng)客流特征，評估客流成長潛力。

4) 各類運(yùn)營基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。包括但不限于：各線路及車站基礎(chǔ)資料；線網(wǎng)票制票價(jià)方案；運(yùn)營組織方案；新線開通計(jì)劃及運(yùn)營組織方案。

5) 其他資料。如相關(guān)客流預(yù)測資料等。

2.3 交通調(diào)查

交通調(diào)查作為模型標(biāo)定和修正的重要依據(jù)，是決定模型精度和客流預(yù)測可信度的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。初期運(yùn)營階段的客流預(yù)測更注重交通發(fā)展近況及短期態(tài)勢的分析。因此，有必要通過交通調(diào)查掌握現(xiàn)狀及預(yù)期交通需求、預(yù)期出行行為等。主要調(diào)查工作包括以下4 方面。

1) 現(xiàn)狀交通需求調(diào)查。調(diào)查沿線公共交通運(yùn)行現(xiàn)狀(如客流量及其時(shí)空分布特征、與重點(diǎn)線路的空間關(guān)系、與重點(diǎn)線路客流的協(xié)同或競爭關(guān)系)、交通樞紐運(yùn)行現(xiàn)狀(如客流集散和接駁特征)、相關(guān)交通走廊特征(如交通需求量及其起訖點(diǎn))、重要客流集散點(diǎn)(如景區(qū)、場館等)交通特征等。

2) 預(yù)期交通需求調(diào)查。調(diào)查沿線新建成居住、商業(yè)樓宇的投用時(shí)間及入住率、在建項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)展及交通需求等，掌握沿線交通需求增長潛力和演變趨勢。

3) 交通方式選擇意愿調(diào)查。新開通線路為服務(wù)范圍內(nèi)居民出行提供了新的出行選擇。主要調(diào)查內(nèi)容可包括沿線居民社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性，以及居民在不同出行情境組合下的出行方式選擇意愿等。開展出行意愿調(diào)查可為出行方式選擇模型的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4) 乘車路徑選擇意愿調(diào)查。由于在無縫換乘條件下線網(wǎng)客流統(tǒng)計(jì)常采用多路徑概率分配模型。乘車路徑選擇意愿調(diào)查將有助于準(zhǔn)確刻畫乘客的出行行為，精準(zhǔn)標(biāo)定客流分配模型，從而減小模型誤差對微觀指標(biāo)預(yù)測精度的影響。主要調(diào)查內(nèi)容包括乘客社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性，歷史出行行為特征，以及乘客在不同情景組合下(如換乘次數(shù)、乘車時(shí)間、旅行時(shí)間等因素不同水平的組合)出行路徑的選擇意愿等。

2.4 城市交通運(yùn)行特征分析

分析內(nèi)容包括城市居民出行特征和軌道交通出行特征。

1) 城市居民出行特征。城市居民出行特征的洞察主要依托于交通大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可從宏觀、中觀、微觀3 個(gè)層面分析職住分布、出行分布、出行方式、出行需求量等的時(shí)空特征。居民出行特征的分析為全面、定量、動(dòng)態(tài)分析交通需求提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也有助于明確預(yù)測模型的基準(zhǔn)條件并為其提供基礎(chǔ)參數(shù)。

2) 軌道交通出行特征。對于軌道交通出行特征的分析主要依托于軌道交通運(yùn)營數(shù)據(jù)，通過對歷史數(shù)據(jù)和近期客流數(shù)據(jù)的分析，掌握車站、線路和線網(wǎng)的客流現(xiàn)狀及成長規(guī)律。

2.5 出行需求預(yù)測

出行需求預(yù)測的主要工作內(nèi)容包括：

1) 全方式出行發(fā)生與吸引分析、預(yù)測。構(gòu)建城市交通需求分析模型，并結(jié)合現(xiàn)狀條件和發(fā)展趨勢預(yù)測全方式出行發(fā)生和吸引量。在此基礎(chǔ)上預(yù)測線網(wǎng)各站(含新開通站點(diǎn))服務(wù)范圍內(nèi)的全方式出行發(fā)生與吸引量。

2) 全方式出行分布分析、預(yù)測。利用交通大數(shù)據(jù)分析全方式出行現(xiàn)狀，并據(jù)此預(yù)測全方式出行分布。

3) 出行方式劃分預(yù)測。出行方式劃分的預(yù)測可基于交通調(diào)查進(jìn)行建模[10]。預(yù)測工作包括兩個(gè)方面：一是預(yù)測城市整體的出行方式結(jié)構(gòu)；二是從微觀層面預(yù)測各站服務(wù)范圍內(nèi)的出行方式結(jié)構(gòu)?；谲囌痉?wù)范圍內(nèi)出行總需求和出行方式的預(yù)測，可預(yù)測得到車站進(jìn)、出站量。

4) 線網(wǎng)客流分析。針對宏觀交通需求分析模型對微觀客流指標(biāo)預(yù)測精度不足的問題，可在宏觀需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行城軌系統(tǒng)的專題建模(如車站進(jìn)、出站量預(yù)測模型及線網(wǎng)客流分配模型等)，以進(jìn)行線網(wǎng)客流的多維度分析。目前，線網(wǎng)靜態(tài)客流分配多采用基于乘車有效路徑的概率分配模型[8]。

2.6 評估分析

針對客流特征和運(yùn)營組織需求，定性分析預(yù)測結(jié)論并提出必要的建議。主要包括：

1) 分析新線開通對既有線客流的影響，包括對既有線路客運(yùn)量、斷面客流量，以及有關(guān)車站乘降量、換乘量等的影響分析。

2) 結(jié)合客流預(yù)測結(jié)果開展客流組織、線網(wǎng)客流、票務(wù)、換乘站、重點(diǎn)車站、特殊日期和時(shí)段的客流影響評估。

3) 結(jié)合評估結(jié)論，在運(yùn)輸組織、客流組織、應(yīng)急處置、票務(wù)工作等方面提出必要的建議。

2.7 敏感性分析

新開通線路客流受短期內(nèi)交通政策、城市管理政策、沿線開發(fā)建設(shè)、公共交通票價(jià)、線網(wǎng)服務(wù)水平、交通銜接等因素的共同影響。這些因素導(dǎo)致實(shí)際狀況較預(yù)測模型的假設(shè)條件可能存在偏差。需針對上述影響因素潛在的變化情況進(jìn)行客流的敏感性分析，從而更精準(zhǔn)掌握客流的短期波動(dòng)態(tài)勢。

3 預(yù)測和研究內(nèi)容

3.1 線網(wǎng)客流預(yù)測

運(yùn)營階段客流預(yù)測指標(biāo)體系復(fù)雜、指標(biāo)繁多，為支持運(yùn)營組織需求，應(yīng)分別預(yù)測工作日和周末的全日、高峰期客流指標(biāo)。主要包括：

1) 線網(wǎng)客運(yùn)量、平均乘距、客運(yùn)強(qiáng)度、負(fù)荷強(qiáng)度、換乘系數(shù)、高峰小時(shí)系數(shù)；

2) 全網(wǎng)各線路客運(yùn)量、平均運(yùn)距、客運(yùn)強(qiáng)度、客流不均衡系數(shù)、高峰小時(shí)斷面客流及滿載率；

3) 全網(wǎng)各車站進(jìn)出站量、乘降量、高峰小時(shí)系數(shù)、超高峰小時(shí)系數(shù)、各出入口進(jìn)出站客流量；

4) 全網(wǎng)各換乘站換乘總量、分方向換乘量、分線路換乘量；

5) 線網(wǎng)站間OD、線路站間OD；

6) 主要客流指標(biāo)的時(shí)間分布。

需要注意的是，對于既有線路的延伸段或新增站點(diǎn)，應(yīng)以全線作為研究對象進(jìn)行預(yù)測，并重點(diǎn)分析新增段、站對既有段客流和行車的影響；對于采用復(fù)雜交路運(yùn)營組織的線路，應(yīng)分別給出各運(yùn)營交路和物理線路的主要客流指標(biāo)。

3.2 對既有線的影響分析

新線開通對既有線的影響分析是該階段預(yù)測的重要目的和重點(diǎn)任務(wù)。應(yīng)預(yù)測分析新開通線路對既有線路全日、高峰客流的影響，主要內(nèi)容包括：

1) 線網(wǎng)、各線路客流的主要指標(biāo)變化；

2) 受影響較大車站的乘降量變化；

3) 受影響較大區(qū)間的斷面客流量、滿載率變化；4) 受影響較大換乘方向的換乘客流量變化。

3.3 典型車站客流特征分析

新線開通對個(gè)別車站的潛在影響更為突出，也更難把握。應(yīng)結(jié)合既有線網(wǎng)的客流時(shí)空分布特征，確定典型車站并分析其客流變化。典型車站可包括：

1) 城市綜合交通樞紐有關(guān)車站；

2) 服務(wù)城市大型商業(yè)區(qū)客流出行的車站；

3) 服務(wù)旅游景點(diǎn)、大型娛樂設(shè)施、大型場館客流出行的車站；

4) 輻射范圍內(nèi)用地屬性、開發(fā)強(qiáng)度等預(yù)計(jì)發(fā)生重大變化的車站；

5) 其他易發(fā)生大客流的車站。

4 結(jié)束語

初期運(yùn)營階段客流預(yù)測是服務(wù)初期運(yùn)營前安全評估的重要工作之一，預(yù)測應(yīng)立足運(yùn)營安全評估和運(yùn)營籌備工作需要，注重預(yù)測方法的針對性、預(yù)測指標(biāo)的全面性、預(yù)測精度的可靠性。

在預(yù)測技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面，初期運(yùn)營客流預(yù)測更側(cè)重于對城市及交通發(fā)展現(xiàn)狀的把握，因此挖掘時(shí)空大數(shù)據(jù)以掌握交通運(yùn)行態(tài)勢，是預(yù)測的重要技術(shù)手段和工作基礎(chǔ)。在預(yù)測模型方面，由于初期運(yùn)營對預(yù)測精度的要求更高，對預(yù)測模型的可靠性也提出了較高要求，鑒于線網(wǎng)客流分析模型對預(yù)測精度的影響較大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部客流預(yù)測模型構(gòu)建。而開展各類交通調(diào)查和采用大數(shù)據(jù)融合校核將是提高模型預(yù)測精度的重要手段。在預(yù)測成果方面，應(yīng)緊密聯(lián)系運(yùn)營需求，做好特殊時(shí)段、特殊車站、特殊場景的預(yù)測和分析工作，并圍繞運(yùn)營安全管理需求提供完備的預(yù)測成果。