發布時間：2021-07-31所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 鐵路樞紐客運需求是場站布局、線路運營組織、接駁設施設計的重要數據基礎. 通過空間出行特征分析，發現鐵路樞紐客運需求不僅包含城市對外需求，還包括過境交通需求和城市內部需求. 針對 3 類需求特點設計不同的預測方法: 采用總需求線路需求樞紐需求
摘 要: 鐵路樞紐客運需求是場站布局、線路運營組織、接駁設施設計的重要數據基礎. 通過空間出行特征分析，發現鐵路樞紐客運需求不僅包含城市對外需求，還包括過境交通需求和城市內部需求. 針對 3 類需求特點設計不同的預測方法: 采用“總需求—線路需求—樞紐需求”全局統籌的思路，引入城市引力模型，預測城市對外需求和過境交通需求; 采用四階段模型，將城際線路通行能力折減后與城市軌道一起參與競爭分配，預測城市內部交通需求. 該方法用于廣州市鐵路樞紐客運需求預測，發現規劃遠期城市對外交通需求僅占各樞紐總需求的 65% .
關鍵詞: 鐵路運輸; 客運需求; 空間結構; 需求預測; 城市引力模型
隨著全國高速鐵路網的建設，大批功能型交通樞紐城市逐漸形成[1]，這些城市都有通達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、公交交通、小汽車等多種交通方式有機融合在一起，這些鐵路交通樞紐不僅是城市對外聯系的重要節點，也是區域城市之間、區域城市對外長途聯系的重要紐帶.
鐵路樞紐客運需求不僅是場站布局、線路運營組織的數據基礎，也為到達城市各角落的接駁設施設計提供重要參考. 近幾年，在鐵路客運需求預測方面主要研究成果[2-9]包括: 吳華穩[2]、袁勝強[3]、孫麗[4]等分別利用灰色模型、神經網絡模型和組合模型預測鐵路客運需求. 京滬高鐵客運需求利用 MD 方法，通過計算潛在客運需求和顯化率獲得線路客運需求[5]. 廣珠城際基于 SARIMA 模型進行短時客運需求預測[6]. 陳堅等[7]提出了樞紐吸引力概念，通過直接客運需求和間接客運需求兩部分系統預測樞紐及其周邊區域交通發生吸引需求. 段然等[8]用時間序列 SARIMA 模型預測站點客運需求. Pengpeng J [9]利用卡爾曼濾波模型進行短期客運需求預測.
從近幾年研究可看出，在鐵路客運需求預測方面的研究主要集中在客運總需求的預測和具體線路客運需求的預測上，關于鐵路樞紐客運需求的預測研究較少且預測方法有一定的局限性: ①預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部需求，預測結果不完整; ②單點預測思路存在“各自為營、就點論點”的局限，往往導致單個樞紐預測結果盲目偏大、各樞紐總和遠遠超出全市實際需求的情況; ③時間序列預測法需要有歷史數據基礎，不適用于新建鐵路樞紐客運需求預測.
新背景下鐵路樞紐的功能具有復合性，功能的復合性意味著客運需求的復雜性. 本次研究采用全局統籌的方式，通過分析交通出行空間特征，總結各類出行與鐵路樞紐客運需求的關系，針對不同類型出行設計不同的預測模型.
1 出行空間分類與樞紐客運需求關系
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: 城市內部出行、城市對外出行和過境交通出行. 城市內部出行的起點和終點在空間上均位于城市范圍內; 城市對外出行的起點或終點有一端在空間上位于城市范圍外; 過境交通出行的起點和終點在空間上均位于城市范圍外，但必須使用城市空間范圍內的交通設施才能完成出行.
傳統鐵路及樞紐的主要功能是承擔城市對外交通出行，但在都市圈、大灣區、城市群發展的背景下，鐵路樞紐不僅服務本城市對外出行，還服務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的，還服務部分城市內部交通出行. 深刻剖析 3 類交通出行特征與鐵路樞紐的關系，才能準確預測鐵路樞紐客運規模.
1. 2 各類出行與鐵路樞紐關系
利用鐵路的城市對外出行，每一次出行，都可能產生 1 次或 2 次樞紐客運需求. 如圖 1 所示，樞紐城市去往 C 城市的出行，若通過步行、地鐵、公交等方式到達樞紐①，再乘坐高鐵到達 C 城市，則鐵路樞紐①客運需求為 1 次. 若通過城際到達樞紐①，再乘坐高鐵到達 C 城市，則鐵路樞紐①客運需求為 2 次，城際出站 1 次，高鐵進站 1 次.
利用鐵路的過境交通出行，根據城市間是否有直達線路，鐵路樞紐的客運需求可能是 0 次或 2 次.如圖 1 所示，從 A 市到 B 市，有直達城際，在樞紐① 無須上下車，所以 A、B 城市間出行鐵路樞紐①客運需求為 0. 而 A 市到 C 市，需要先通過城際到達樞紐①，再通過高鐵到達城市 C，則鐵路樞紐①客運需求為 2 次，城際出站 1 次，高鐵進站 1 次.
城際承擔的部分內部交通需求，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需求量為 1 次.
2 鐵路樞紐客運需求分類預測方法
2. 1 城市對外交通需求預測模型
樞紐客運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— 鐵路客運需求—各線路客運需求—各樞紐客運需求”的步驟進行預測( 圖 2) . 部分對外出行需要先利用鐵路方式到達綜合樞紐，再利用鐵路出行，這部分需求即樞紐內部換乘量，也是樞紐客運需求的組成部分，需要單獨預測.
2. 1. 1 總量及分布預測
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測模型，引力模型是應用廣泛的空間相互作用模型，是分析和預測空間相互作用形式的數學方程[10].
2. 2 過境交通需求預測
模型過境交通需求部分，預測方法與城市對外出行部分預測方法類似，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，導致綜合出行成本變化，從而會影響 Logit 模型方式劃分結果.在前期規劃階段，通行能力的折減主要考慮各線路功能定位、樞紐運輸組織規劃以及城市對外交通模型結果等，采用定性與定量想結合的方法.
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若兩市之間有直達鐵路線，不論直達線路在本市鐵路樞紐是否經停，過境交通均不會對本市交通樞紐產生需求; ②若兩市之間無直達鐵路線，且跨線運營工程可實施性差，則過境交通需要在本市鐵路樞紐換乘; ③若兩市之間無直達鐵路線，但工程上可安排跨線運營，則過境交通不用出站換乘，不會對本市交通樞紐產生需求.
2. 3 城市內部交通出行預測模型
鐵路樞紐承擔城市內部出行需求部分，采用四階段法進行預測，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，與城市內其他交通方式一起分擔城市內部交通出行. 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.
步驟 1 綜合考慮人口、收入水平、擁車、出行目的等因素，預測各小區交通生成總量.
步驟 2 使用雙約束重力模型進行出行分布，小區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 進行多輪循環，直至收斂.
步驟 4 將軌道方式出行矩陣分配至軌道網絡，軌道網絡包括城市地鐵、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部交通設施的一部分. 但由于城際線路除服務內部交通需求外，還服務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部出行，因此，參與分配的各城際線路的通行能力應根據對外及過境交通模型結果進行折減.
2. 4 鐵路樞紐客運需求總量
每個鐵路樞紐總客運需求等于對外需求、城市內部需求、過境交通需求 3 部分的總和.
3 廣州市鐵路樞紐客運需求分類預測實例
根據最新的《廣州市軌道交通線網規劃》和《粵港澳大灣區城際鐵路建設規劃》，廣州市未來將形成“五主四輔”鐵路樞紐結構，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. 遠期規劃線路包括城際 12 條，高鐵 10 條，普鐵 3 條[12]( 圖 4、表 1) .
3. 1 對外及過境交通需求預測
經預測，規劃年廣州對外出行規模 728 萬人次/ d( 雙向) ，對外出行的 77% 集中在粵港澳大灣區范圍內，與佛山、東莞、中山、清遠等相鄰城市的出行比例約為 69% . 其中鐵路方式出行規模約 177 萬人次/d，分擔率為 24% ，折合發送量 88. 3 萬人次/d.
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規劃年經過廣州的過境客運出行規模約 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模約 78 萬人次/d，分擔率 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送規模約 19. 4 萬人次/d.
對外及過境客運需求中，鐵路方式總發送量約 108 萬人次/d. 主要鐵路樞紐客運需求發送規模如表 2.
3. 2 內部交通需求預測
規劃遠期，根據廣州市綜合交通模型計算，內部出行總量為 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，獲得城際客運需求為 27. 3 萬人次/d. 主要鐵路樞紐客運需求發送規模如表 2，圖 6.
3. 3 樞紐客運需求
遠期規劃，廣州市鐵路發送總量約 135 萬人次/d，是現狀的鐵路發送總量的 3 倍. 4 個主要樞紐客運需求占全市鐵路發送總規模的 55% ，其中，廣州樞紐及廣州東樞紐遠期接入線路較多，客運發送量較現狀增加 1 倍以上.
主要鐵路樞紐不僅承擔城市對外出行，還承擔區域過境交通出行，其中: 廣州南樞紐超過 1 /4 客運需求為過境交通出行; 廣州樞紐超過 1 /5 客運需求為過境交通出行; 廣州東樞紐承擔過境交通需求相對較少. 鐵路樞紐還承擔部分城市內部出行，其中廣清城際，廣佛環城際、穗莞深城際、琶洲支線等承擔城市內部出行量較大，對應的廣州樞紐、廣州南樞紐承擔市內出行比例為 8% ～ 14% . 所有樞紐平均 有 20% 的出行為城市內部出行，平均 35% 的出行為內部及過境出行，城市對外出行僅占 65% .
4 結論及建議
分類預測模型是適應樞紐城市鐵路客運需求特征而產生的一種算法，利用該方法進行鐵路客運需求預測，優點主要有: ①改變了傳統只預測城市對外出行的思路，增加過境交通需求預測和城市內部交通需求預測，預測方法更科學. 以廣州為例，利用該方法發現城市對外交通需求僅占樞紐總需求的 65% . ②改變了傳統單點的預測方式，從全局統籌多模式出行總量，避免單點累積不可控的情形. ③利用該方法可將客運需求細分，細分到各制式、各線路，為下一步接駁客運需求分析和預測提供數據基礎.
本次研究的分類預測模型適用于前期規劃階段，是在鐵路運營組織方案還未確定的情況下對潛在客運需求的預測，與具體運營方案下的樞紐客流量有一定區別. 實際客流量受發車頻率、票價、車輛組織等影響，需結合線路運營組織方案進一步確定. ——論文作者：劉新杰，劉明敏，丁晨滋
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