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(shè)，大批功能型交通樞紐城市逐漸形成[1]，這些城市都有通達(dá)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(yùn)、公交交通、小汽車等多種交通方式有機(jī)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(diǎn)，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(yùn)需求不僅是場站布局、線路運(yùn)營組織的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為到達(dá)城市各角落的接駁設(shè)施設(shè)計提供重要參考.近幾年，在鐵路客運(yùn)需求預(yù)測方面主要研究成果[2-9]包括：吳華穩(wěn)[2]、袁勝強(qiáng)[3]、孫麗[4]等分別利用灰色模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和組合模型預(yù)測鐵路客運(yùn)需求.京滬高鐵客運(yùn)需求利用MD方法，通過計算潛在客運(yùn)需求和顯化率獲得線路客運(yùn)需求[5].廣珠城際基于SARIMA模型進(jìn)行短時客運(yùn)需求預(yù)測[6].陳堅(jiān)等[7]提出了樞紐吸引力概念,通過直接客運(yùn)需求和間接客運(yùn)需求兩部分系統(tǒng)預(yù)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(yù)測站點(diǎn)客運(yùn)需求.Pengpeng J[9]利用卡爾曼濾波模型進(jìn)行短期客運(yùn)需求預(yù)測.

從近幾年研究可看出，在鐵路客運(yùn)需求預(yù)測方面的研究主要集中在客運(yùn)總需求的預(yù)測和具體線路客運(yùn)需求的預(yù)測上，關(guān)于鐵路樞紐客運(yùn)需求的預(yù)測研究較少且預(yù)測方法有一定的局限性：①預(yù)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(yù)測結(jié)果不完整；②單點(diǎn)預(yù)測思路存在“各自為營、就點(diǎn)論點(diǎn)”的局限，往往導(dǎo)致單個樞紐預(yù)測結(jié)果盲目偏大、各樞紐總和遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出全市實(shí)際需求的情況；③時間序列預(yù)測法需要有歷史數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，不適用于新建鐵路樞紐客運(yùn)需求預(yù)測.

新背景下鐵路樞紐的功能具有復(fù)合性，功能的復(fù)合性意味著客運(yùn)需求的復(fù)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(jié)各類出行與鐵路樞紐客運(yùn)需求的關(guān)系，針對不同類型出行設(shè)計不同的預(yù)測模型.

1 出行空間分類與樞紐客運(yùn)需求關(guān)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(diǎn)和終點(diǎn)在空間上均位于城市范圍內(nèi)；城市對外出行的起點(diǎn)或終點(diǎn)有一端在空間上位于城市范圍外；過境交通出行的起點(diǎn)和終點(diǎn)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(shè)施才能完成出行.

傳統(tǒng)鐵路及樞紐的主要功能是承擔(dān)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(wù)本城市對外出行，還服務(wù)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(wù)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(guān)系，才能準(zhǔn)確預(yù)測鐵路樞紐客運(yùn)規(guī)模.

1.2 各類出行與鐵路樞紐關(guān)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(yùn)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(dá)樞紐①，再乘坐高鐵到達(dá)C城市，則鐵路樞紐①客運(yùn)需求為1次.若通過城際到達(dá)樞紐①，再乘坐高鐵到達(dá)C城市，則鐵路樞紐①客運(yùn)需求為2次，城際出站1次，高鐵進(jìn)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(dá)線路，鐵路樞紐的客運(yùn)需求可能是0次或2次.如圖1所示，從A市到B市，有直達(dá)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(yùn)需求為0.而A市到C市，需要先通過城際到達(dá)樞紐①，再通過高鐵到達(dá)城市C，則鐵路樞紐①客運(yùn)需求為2次，城際出站1次，高鐵進(jìn)站1次.

圖1 鐵路樞紐客運(yùn)需求構(gòu)成

城際承擔(dān)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(yùn)需求量為1次.

2 鐵路樞紐客運(yùn)需求分類預(yù)測方法

2.1 城市對外交通需求預(yù)測模型

樞紐客運(yùn)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(yùn)需求—各線路客運(yùn)需求—各樞紐客運(yùn)需求”的步驟進(jìn)行預(yù)測(圖2).部分對外出行需要先利用鐵路方式到達(dá)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(yùn)需求的組成部分，需要單獨(dú)預(yù)測.

圖2 鐵路樞紐中對外出行需求預(yù)測流程

2.1.1 總量及分布預(yù)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(yù)測模型，引力模型是應(yīng)用廣泛的空間相互作用模型，是分析和預(yù)測空間相互作用形式的數(shù)學(xué)方程[10].

出行總量與人口分布、城市或區(qū)域間的引力相關(guān)，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(dá)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(shí)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(yù)測，還適用于外部城市相互之間出行(過境交通)預(yù)測.

2.1.2 方式分擔(dān)預(yù)測

對外出行方式主要有鐵路、城市地鐵、公路客運(yùn)、小汽車、航空、水運(yùn)等，利用LOGIT模型進(jìn)行方式劃分，獲得鐵路方式客運(yùn)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(dān)比例/%；n為方式總量；ui為方式i的成本效用；uj為方式j(luò)的成本效用，與出行距離、費(fèi)用、舒適度等相關(guān).

2.1.3 各線路客運(yùn)需求預(yù)測

通過方式劃分，獲得鐵路方式客運(yùn)需求總量及分布，分配到各條線路上，主要考慮各條線路運(yùn)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(yùn)需求劃分到具體線路中去.

(6)

式中：Li為線路i的分擔(dān)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(yùn)需求預(yù)測

獲得各線路客運(yùn)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(yùn)需求分配到各樞紐.覆蓋人口應(yīng)結(jié)合樞紐接駁系統(tǒng)的交通可達(dá)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(dān)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(diǎn)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(yùn)需求的構(gòu)成部分.

由于受高鐵、普鐵在票價或發(fā)車頻率的限制，承擔(dān)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?cè)丝诘谋戎?，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(shè)施覆蓋人口和城際接駁覆蓋人口；α、β、γ為權(quán)重系數(shù).

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

2.2 過境交通需求預(yù)測模型

過境交通需求部分，預(yù)測方法與城市對外出行部分預(yù)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(shè)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(dǎo)致綜合出行成本變化，從而會影響Logit模型方式劃分結(jié)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(yùn)輸組織規(guī)劃以及城市對外交通模型結(jié)果等，采用定性與定量想結(jié)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(dá)鐵路線，不論直達(dá)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(dá)鐵路線，且跨線運(yùn)營工程可實(shí)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(dá)鐵路線，但工程上可安排跨線運(yùn)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(yù)測模型

鐵路樞紐承擔(dān)城市內(nèi)部出行需求部分，采用四階段法進(jìn)行預(yù)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(dān)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(yù)測技術(shù)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(yù)測各小區(qū)交通生成總量.

步驟2使用雙約束重力模型進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(luò)，軌道網(wǎng)絡(luò)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(shè)施的一部分.但由于城際線路除服務(wù)內(nèi)部交通需求外，還服務(wù)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(yīng)根據(jù)對外及過境交通模型結(jié)果進(jìn)行折減.

2.4 鐵路樞紐客運(yùn)需求總量

每個鐵路樞紐總客運(yùn)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(yùn)需求分類預(yù)測實(shí)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(shè)規(guī)劃》，廣州市未來將形成“五主四輔”鐵路樞紐結(jié)構(gòu)，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(yuǎn)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(yù)測

經(jīng)預(yù)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(yuǎn)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(dān)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(yùn)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(dān)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(yùn)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(yùn)需求發(fā)送規(guī)模如表2.

3.2 內(nèi)部交通需求預(yù)測

規(guī)劃遠(yuǎn)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(yùn)需求為27.3萬人次/d.主要鐵路樞紐客運(yùn)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(yùn)需求分配

表2 主要鐵路樞紐客運(yùn)規(guī)模

3.3 樞紐客運(yùn)需求

遠(yuǎn)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(yùn)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(yuǎn)期接入線路較多，客運(yùn)發(fā)送量較現(xiàn)狀增加1倍以上.

主要鐵路樞紐不僅承擔(dān)城市對外出行，還承擔(dān)區(qū)域過境交通出行，其中：廣州南樞紐超過1/4客運(yùn)需求為過境交通出行；廣州樞紐超過1/5客運(yùn)需求為過境交通出行；廣州東樞紐承擔(dān)過境交通需求相對較少.鐵路樞紐還承擔(dān)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(dān)城市內(nèi)部出行量較大，對應(yīng)的廣州樞紐、廣州南樞紐承擔(dān)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(jié)論及建議

分類預(yù)測模型是適應(yīng)樞紐城市鐵路客運(yùn)需求特征而產(chǎn)生的一種算法，利用該方法進(jìn)行鐵路客運(yùn)需求預(yù)測，優(yōu)點(diǎn)主要有：①改變了傳統(tǒng)只預(yù)測城市對外出行的思路，增加過境交通需求預(yù)測和城市內(nèi)部交通需求預(yù)測，預(yù)測方法更科學(xué).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(diǎn)的預(yù)測方式，從全局統(tǒng)籌多模式出行總量，避免單點(diǎn)累積不可控的情形.③利用該方法可將客運(yùn)需求細(xì)分，細(xì)分到各制式、各線路，為下一步接駁客運(yùn)需求分析和預(yù)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

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