基于多源數據融合的北京軌道交通既有線客流特征與優(yōu)化提升對策研究

陳 炎，趙華偉，楊 軍，賀 鵬，葉 軒，王少楠，王 俊，張 源

（1.北京市地鐵運營有限公司 技術創(chuàng)新研究院分公司，北京 100044；2.地鐵運營安全保障技術北京市重點實驗室，北京 100044；3.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司 軌道交通院，北京100037；4.北京城建交通設計研究院有限公司 交通模型與大數據研究中心，北京 100037）

自1969年北京建成首條地鐵起，截至2022年底北京市軌道交通運營線路已達27 條，車站475 座，運營線路里程807 km[1]。軌道交通在城市公共交通中發(fā)揮了巨大的作用[2]。雖然網絡化運營下的客流規(guī)模日益增長，但軌道交通系統仍存在網絡結構與客流OD 契合度低、乘客通勤時間長、客流吸引力不足、客流負荷不均衡、網絡功能不完善等幾大方面的問題。近幾年，隨著信息化的發(fā)展，基于多源數據融合的軌道交通客流模型日益成熟[3]，旨在通過多層面剖析既有的客流大數據，準確把握既有線網存在的問題，并提出針對性的解決措施。

1 基于多源數據融合的軌道交通客流特征與問題分析

互聯網、大數據、云計算等技術的發(fā)展，為交通數據的采集與分析提供了新的途徑和方法?；诓煌夹g采集的多源交通數據與傳統上僅有的交通調查數據相比，具有覆蓋面廣、樣本量大、數據精度高等優(yōu)勢。基于多源數據的交通特征分析更加契合當今城市交通快速發(fā)展的背景，也能夠更加準確地把握城市居民的出行特征。本次主要使用“城市仿真”數據底座平臺中部分數據，包括北京市軌道交通路網矢量數據、軌道交通AFC 數據以及手機信令數據等，對北京市城市及軌道交通客流特征進行分析，得出目前北京軌道交通既有線網主要存在如下問題。

1.1 服務能力不足

北京市居住區(qū)及就業(yè)區(qū)較為集中，導致高峰時段軌道交通出行需求過大[4]。如早高峰進站量較大的站點均主要集中于回龍觀、天通苑等大型居住區(qū)，而出站量較大的站點則主要集中于CBD、中關村、金融街等崗位聚集地，導致相關區(qū)域軌道交通供需矛盾突出，車站常態(tài)化限流。此外，受職住分離特征的影響，北京市軌道交通客流存在較大的空間不均衡性，部分軌道交通斷面滿載率明顯偏高，運能缺口明顯。

如八通線及6號線東段，沿線區(qū)域以居住用地為主，早高峰存在大量進城客流需求，2019年軌道交通最大斷面滿載率如表1 所示。2019 年6 號線東向西方向早高峰時段在黃渠—呼家樓區(qū)間滿載率均超過100%，最大斷面滿載率高達124%；八通線東向西方向早高峰時段斷面客流持續(xù)累積，傳媒大學—高碑店站為最大斷面區(qū)間，最大滿載率同樣為124%。雖然中心城東部平谷線即將建成[5]，但其主要為解決平谷、燕郊及副中心進城客流，自身客流需求已處于較高水平，對于6號線和八通線客流壓力的緩解有限[6]。超高的高峰斷面滿載率導致車廂異常擁擠，乘客出行體驗差，同時對軌道交通運營安全也產生一定的影響，亟需采取措施對服務能力進行提升。

表1 2019年軌道交通最大斷面滿載率[7]Tab.1 Maximum cross-sectional loading rate of rail transit in 2019[7]

1.2 OD契合度低

城市軌道交通網絡是由相對獨立的軌道交通線通過換乘節(jié)點銜接形成的，由于建設時機的不同以及所處城市功能區(qū)位的不同，不同線路對應的客流需求時空分布特點各異[8]。近年來，北京市處于城市化、機動化快速發(fā)展時期，居民出行需求及出行特征在時間和空間上也發(fā)生了顯著的變化，部分早期規(guī)劃建設的軌道交通線路走向與實際客流需求存在差異，線路和功能區(qū)的融合仍存在一定的問題，線路與客流出行OD 不能很好地契合，軌道交通通達性較差，無法滿足客流出行需求，造成部分區(qū)域軌道交通競爭力明顯不足。

如大興線，近年來隨著豐臺總部基地的發(fā)展，大興線沿線與該區(qū)域間的聯系日益增強。早高峰大興線沿線客流(全方式)目的地分布如圖1 所示，根據現狀手機信令數據分析，大興線沿線1 km 范圍內客流進城主要目的地為總部基地、中關村、金融街、CBD，其中去往豐臺總部基地約5.3 萬人/d。但是由于大興線前往9 號線現狀軌道交通通達性較差，去往其主要目的地之一的總部基地的軌道交通客流幾乎不存在，占全方式出行比例僅0.4%[9]，軌道交通競爭力明顯不足。而大興線沿線其他主要目的地，如金融街、中關村、CBD 等，因軌道交通通達性較好，其出行軌道交通分擔比例明顯較高，均在25%以上。

圖1 早高峰大興線沿線客流(全方式)目的地分布Fig.1 Destination distribution of morning peak passenger flow (all modes) along Daxing line

在海淀山后區(qū)域居住、產業(yè)日益集中的背景下，該區(qū)域對外發(fā)生及吸引出行量也逐漸增加。海淀山后區(qū)域早高峰客流來源地分布如圖2 所示，海淀山后區(qū)域早高峰客流目的地分布如圖3 所示，現狀手機信令數據顯示，與海淀山后區(qū)域聯系較為緊密的區(qū)域包括中關村、昌平線沿線、回龍觀—清河區(qū)域等，但是由于軌道交通線路的缺失，現狀以上區(qū)域與海淀山后的軌道交通聯系幾乎為0。

圖2 海淀山后區(qū)域早高峰客流來源地分布Fig.2 Source distribution of morning peak passenger flow in the Haidianshanhou area

圖3 海淀山后區(qū)域早高峰客流目的地分布Fig.3 Destination distribution of morning peak passenger flow in the Haidianshanhou area

由于上述問題的存在，相應出行OD 軌道交通分擔率極低，其出行只能靠小汽車、常規(guī)公交等地面交通方式解決，從而導致道路交通、常規(guī)公交在高峰時段運行壓力較大，需要有針對性地對既有軌網進行修正、調整。

1.3 出行效率低

隨著城市化進程的進一步加快，城市以及城市居民對時效性的要求越來越高[10]。城市軌道交通作為提供中長距離出行的公共交通工具，應在時效性上進一步發(fā)揮其優(yōu)勢。目前北京市早高峰時段軌網平均出行耗時74.9 min，接近小汽車出行耗時的2倍；平均行程速度15.3 km/h，低于小汽車的16.1 km/h，軌道交通的時效性優(yōu)勢并不明顯。尤其近郊新城線路，其沿線以居住用地為主，與中心城間出行聯系明顯，而此類線路自身長度及乘客乘坐距離通常較長，部分線路或廊道出行效率明顯較低。

如昌平線，南起海淀區(qū)西二旗站，北至昌平區(qū)昌平西山口站，聯系了昌平區(qū)與北京中心城區(qū)。早高峰昌平線進城客流目的地分布如圖4 所示。從軌道交通昌平線早高峰客流出行分布來看，昌平線北段早高峰客流目的地排名第一的為西二旗站，主要為西二旗出站或通過西二旗換乘去往上地、中關村、永豐、海淀山后等地，有點對點、向心性出行特征，該部分客流進城時效性存在提升的必要，以實現昌平線北段客流快速到達目的地，提升線路服務水平。

圖4 早高峰昌平線進城客流目的地分布Fig.4 Destination distribution of inbound passenger flow of Changping line in the morning peak

西南方向進城廊道，燕房線與9 號線、良鄉(xiāng)等區(qū)域聯系較為緊密。早高峰燕房線沿線客流前往良鄉(xiāng)區(qū)域最多，占比28%，其次去往總部基地區(qū)域、中關村區(qū)域、北京西站區(qū)域占比也相對較大。早高峰房山線前往9號線客流最多，占全線客流的38.7%，其次是房山線自身出站，占比12.9%。從不同區(qū)域來看，早高峰房山線沿線客流前往總部基地區(qū)域最多，占比25.3%，中關村及北京西站區(qū)域分別占比10.9%和8.9%。早高峰房山線進城客流目的地分布如圖5 所示。從現狀客流情況來看，上述西南進城通道存在明顯的點對點客流出行需求，但是由于主要OD 之間出行多需要換乘，導致軌道交通出行效率低下，如以燕山站到豐臺科技園站為例，主要OD對不同交通方式出行效率對比如表2 所示，軌道交通需換乘2 次，耗時66 min(不考慮接駁時間)，小汽車則僅需47 min。軌道交通時間競爭性明顯較差，吸引力明顯不足，從而導致現狀燕房線客流效力不夠理想。

圖5 早高峰房山線進城客流目的地分布Fig.5 Destination distribution of inbound passenger flow of Fangshan line in the morning peak

表2 主要OD對不同交通方式出行效率對比Tab.2 Comparison of travel efficiency of main OD for different modes of transportation

針對上述問題，需落實“以人為本”交通服務理念，通過工程技術及運營組織優(yōu)化手段實現精準服務，提高軌道交通出行效率，提升軌道交通吸引力。

1.4 換乘節(jié)點壓力突出

根據統計，2019 年北京市軌道交通全網(不含市郊鐵路)工作日日均進站量654.1 萬人，換乘量578.8 萬人，換乘系數高達1.88，與國內外主要城市相比明顯較高[11]。受北京軌道交通網絡結構的影響，部分線路起終點設置不合理，導致大量客流被動換乘[12]。2019 年北京軌道交通早高峰(7：00—9：00)換乘量最大的10 個站客流情況如表3 所示。早高峰(7：00—9：00)換乘量排名前10的車站換乘量均在3 萬人以上，其中宋家莊站2 h 換乘量高達6.1萬人，西直門站為5.7 萬人，芍藥居站約3.6 萬人。隨著軌道交通客流的增長，站點換乘壓力越來越大，遠遠超過換乘站設計客流，換乘通道內客流密度高，給軌道交通運營帶來了安全隱患。

表3 2019年北京軌道交通早高峰(7：00—9：00)換乘量最大的10個站客流情況Tab.3 Passenger flow situation at 10 stations with the largest transfer volume in the morning peak (7:00—9:00) of Beijing Rail Transit in 2019

此外，換乘不便捷也是軌道交通面臨的主要問題。目前換乘距離超過100 m 的車站占47%，換乘距離超過250 m 的車站占11%。全路網采用通道換乘方式的換乘站34 座，占換乘站總數的64%，同臺換乘車站僅6 座，其余換乘多數需要站臺提升至站廳，再下至站臺，“爬上爬下”現象突出，換乘便捷性不足，換乘時間長。

針對大客流換乘站點，需在進一步研判客流需求的基礎上，分析換乘節(jié)點壓力來源，有針對性地疏通網絡節(jié)點，疏解單點換乘壓力，改善換乘條件，提升換乘便捷性和舒適性。

2 優(yōu)化提升對策及實施要點

2.1 基于問題分析的既有線優(yōu)化提升整體對策

宏觀層面，分析既有客流數據，基于手機信令數據獲取北京市職住空間分布，研究不同交通圈層下北京市空間結構、交通時空分布、軌道交通網絡三者之間的耦合關系，分析全市主要走廊通道、各區(qū)發(fā)展軸帶、重要空間節(jié)點三大方面的軌道交通網絡支撐強弱，評價軌道交通建設時序與城市空間演變的契合程度，從全方式交通出行，分析片區(qū)廊道的交通出行特點。由于建設時機的不同以及所處城市功能區(qū)位的不同，不同線對應的客流需求時空分布特點各異，導致個別線路的OD 與實際客流需求存在差異，從全網宏觀層面，提出通過增復線、建支線、擴編組、縮間隔等方案來進行軌道交通網絡的織補及結構的優(yōu)化。

中觀層面，聚焦不同廊道、不同線路，從具體軌道交通線路客流特征分析入手，結合重點功能區(qū)發(fā)展需求，以滿足不同的客流需求為出發(fā)點，提升線網的直達性及運營多樣性，有針對性地研究通過增加越行線、既有線設備設施改造等方式來滿足乘客多方向的出行需求，提高軌道交通網絡服務效率，縮短乘客出行時間。

微觀層面，從車站層級考慮，結合不同類型的車站的客流特征，針對性地解決車站級問題。如車站換乘的便捷性及時效性是影響車站服務效率的重要指標，也是車站高效運營管理的重要因素。通過對北京既有軌道交通車站的調研分析，針對不同結構類型的換乘車站，系統性總結換乘站的問題，提出具體的優(yōu)化方案。對于客流一般的車站，應統籌周邊規(guī)劃及用地，有針對性地提出一體化方案。

基于以上思路，提出北京軌道交通存在的問題及對策如表4所示。

表4 北京軌道交通存在的問題及對策Tab.4 Issues and countermeasures of Beijing rail transit

2.2 具體實施要點

結合目前北京軌道交通網絡中存在的問題，提出4個方面的具體實施要點。

2.2.1 增建復線

對于線網中局部地段或區(qū)域軌道交通滿載率高，既有運力不滿足要求的，可考慮通過增加復線，提高廊道能力。如針對1 號線、6 號線東段客流滿載率高的問題，考慮在局部滿載率高的區(qū)域增設復線，增加局部區(qū)域的運輸能力，同時結合既有線路，靈活組織運營交路，滿足不同方向上的客流需求?？蓮木€網角度，在1號線與6號線之間搭建1條聯絡線[13]，同時考慮目前1號線、八通線已經貫通，將八通線往西繼續(xù)延伸至國貿。一方面，加強CBD區(qū)域廊道能力，實現東部走廊OD 直連。另一方面通過M1 線與M6 線銜接換乘，緩解M6 線客流壓力。新建復線方案示意圖如圖6所示。

圖6 新建復線方案示意圖Fig.6 Schematic diagram of newly-built double-track lines

新建聯絡線從四惠東站經高碑店延伸至6 號線褡褳坡，與6 號線銜接；同時從既有四惠站向西經大望路延伸至國貿站。聯絡線建成后，可開行多種運營交路，新建復線后運營交路圖如圖7 所示，有利于滿足不同方向的客流需求，解決東部交通出行短板問題?；诒本┦熊壍澜煌ǘ诮ㄔO規(guī)劃調整的客流預測成果，通過建立軌道交通客流預測模型，預測建復線后，早高峰6 號線東段換入1 號線東延線最多可達8 000人/h，6號線最大斷面客流得到緩解最多可達約10%。可見，通過復線的建設，可有效緩解既有線運力矛盾突出問題。

圖7 新建復線后運營交路圖Fig.7 Operational route map for newly-built double-track lines

2.2.2 增設聯絡線

對既有線網的服務覆蓋與城市空間發(fā)展缺少耦合，部分重點區(qū)域甚至存在服務空白的區(qū)域，應根據目前軌道交通網絡的布局，結合居民出行OD 需求，通過建支線或聯絡線的方式對軌道交通網絡進行織補，填補軌道交通網絡的空白區(qū)域。

如大興地區(qū)進城的主要目的地為3 大方向，分別為西側的總部基地及麗澤、中部的金融街—中關村、東部的泛CBD 區(qū)域。但目前軌網缺少大興和總部基地的直連線，同時現狀受中心城4 號線能力限制，大興線未能開滿30對/d，既有西紅門站已滿載，難以滿足客流需求。根據大興至豐臺總部基地方向的交通情況分析，全交通方式中早高峰大興沿線前往總部基地的客流量約5.3 萬人/d，但在這個方向上缺少軌網直達方式的服務。聯絡線方案示意圖如圖8 所示。初步可考慮從大興線的西紅門站出岔，新建聯絡線與9 號線的郭公莊站銜接[14-15]。未來可考慮聯絡線預留獨立成線的條件。通過修建簡短的聯絡線工程，織補線網，實現直線距離僅6 km左右的大興線與9 號線的聯系，提供該方向上的出行的便捷性，有效提升軌道交通出行占比。

圖8 聯絡線方案示意圖Fig.8 Schematic diagram of connecting line

通過建立軌道交通客流預測模型，預測聯絡線2027 年全日客流量約7.5 萬人/d，高峰小時約1.3 萬人/h。預測聯絡線2027 年為9 號線新增客流5.3萬人/d，日均客流總量較現狀提高約9%。

2.2.3 線路提速

針對現狀聯系中心城與外圍新城的軌道交通線路目前存在速度低、旅速慢的問題，提出開行快慢車的思路。首先結合車站周邊規(guī)劃對客流需求進行分析，確定對提速需求最為迫切的區(qū)段以及客流需求較大不宜越行的車站。結合線路的高架、地下敷設條件，及初步的快慢車開行方案，確定需要增加越行線的車站，對增加越行線的工程難度及代價進行綜合研究。力求用較小的工程代價，實現較大的時間效益。根據提出的快慢車開行方案，對客流進行復核檢驗，檢驗開行快慢車后的系統能力是否能夠滿足預測的遠期客流需求。

目前昌平線、燕房線、房山線、15號線、亦莊線大部分線路均為高架段，具備增加越行線的條件。建議在高架車站兩側設置越行線，在外圍線路開行快慢車，解決主要客流的快速出行需求。如昌平線，結合運行圖的鋪畫，需在進站量較小的鞏華城站增設越行線，快車可越行十三陵景區(qū)、北邵洼站、南邵站、沙河高教園站、鞏華城站、朱辛莊站6 座車站，開行快車6 對/d，可將昌平線的旅行時間節(jié)約7.5 min。昌平線快慢車運營交路圖如圖9所示。

圖9 昌平線快慢車運營交路圖Fig.9 Operational route map for Changping line express and slow trains

既有線開行快慢車，快車能夠提升出行的時效性，但同時也會有因慢車避讓帶來的乘客受損。

受益人群主要包括2 方面。①快車速度提升受益人群。快車進城時效性較高，對所停車站客流吸引較強，開行快車的區(qū)間能夠吸引大部分相應OD對應的客流。根據現狀軌道交通運營客流，按照快車吸引其前后相鄰兩列車的客流計算，高峰時段將吸引4.7萬人乘坐快車，平峰時段吸引1.7萬人乘坐快車，全日受益人群共約6.2 萬人次，根據不同站點間快車較普通列車節(jié)約的時間，共可節(jié)省時間約3 975 h。②站點發(fā)車間隔較現狀縮短進一步受益人群。開行快車后，部分站點發(fā)車對數較現狀有明顯增加，發(fā)車間隔縮短，相應站點客流平均候車時間減少，該部分乘客也是受益客流之一。根據現狀軌道交通運營客流計算，此類受益客流全日共計14.2萬人，節(jié)約時間約4 134 h。2 類受益客流合計全日共20.4萬人，節(jié)約時間8 109 h。

受損人群主要包括以下2 方面。①因慢車避讓受損人群。由于提速改造后為滿足開行大站快車，部分列車需停站等待，其出行時間將較普通列車有所增加，車上乘客將成為開行快車的受損客流，經過計算，高峰受損客流2.1萬人，平峰受損客流2.6萬人，每日受影響客流共計4.7 萬人，按照慢車站停時間增加約2 min，折算為時間共計1 562 h。②因發(fā)車間隔增加受損人群。部分車站發(fā)車對數較現狀有所減少，發(fā)車間隔增加，導致部分乘客候車時間增加，該部分乘客也為受損客流。經計算全日該類受損客流共計3.1 萬人，折算時間約230 h。2 類受損客流合計全日共7.8萬人，增加旅行時間1 792 h。

綜合來看，凈受益人群為12.6 萬人/d，時間效益每日可節(jié)約6 317 h。

2.2.4 優(yōu)化換乘

針對線網中換乘不便捷的車站，從換乘距離、換乘高差等方面進行提升。例如復興門站，復興門站位于北京市西城區(qū)復興門內、外大街與西二環(huán)交匯處。車站位于金融街片區(qū)西南角，站位北側為百盛購物中心，南側為遠洋大廈。該站是地鐵1 號線與2 號線的換乘車站，是北京地鐵的第一座換乘站。兩線均為端廳式車站，1號線站臺在下，寬度為12.1 m，設1部廳臺樓梯；2號線站臺在上，寬度為12.1 m，設2部廳臺樓梯。兩線通過通道+節(jié)點樓梯的方式換乘。車站設4 個出入口，均位于二環(huán)東，均只設上行扶梯，無無障礙電梯。具體優(yōu)化措施建議將4 m寬坡道換乘通道優(yōu)化為平直換乘通道，通過垂直電梯、樓扶梯解決兩線高差問題，實現換乘無障礙，換乘空間擴大，從而提升復興門站換乘體驗。復興門站原方案換乘流線示意圖如圖10 所示，復興門站換乘優(yōu)化流線示意圖如圖11所示。

圖10 復興門站原方案換乘流線示意圖Fig.10 Schematic diagram of the original transfer flow lines for Fuxingmen Station

圖11 復興門站換乘優(yōu)化流線示意圖Fig.11 Schematic diagram of the optimization transfer flow lines for Fuxingmen Station

3 結束語

通過分析北京軌道交通既有線網及運輸組織存在的問題，提出了優(yōu)化對策和實施要點。針對既有線優(yōu)化提出的具體策略，在下一步實施層面仍需要深入的研究。提出的通過聯絡線織補線網、彌補OD 不足還應考慮線網規(guī)劃情況、工程實施改造難度、對既有線路停運影響等進一步落實方案的可實施性；通過增加越行線還應進一步考慮周邊沿線功能集聚情況、結合目前北京微中心規(guī)劃布局情況研究具體的快線?？糠桨?，進一步分析開行快慢車的經濟性；換乘站的改造實施還應進一步研究在既有運營線路上進行改造對乘客出行的影響。研究中所提到的方案還應結合工程實施難度、用地規(guī)劃、工程投資等進一步論述。