基于多層次全局統(tǒng)籌的鐵路樞紐客運(yùn)量預(yù)測(cè)體系及方法探討

丁晨滋 宋 程 張 科

（廣州市交通規(guī)劃研究院，廣東廣州 510030）

國務(wù)院印發(fā)的“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃對(duì)綜合交通運(yùn)輸協(xié)調(diào)發(fā)展提出新的要求。鐵路樞紐是提升綜合交通運(yùn)輸品質(zhì)、保障綜合交通運(yùn)輸高質(zhì)量發(fā)展的重要保障。樞紐客流預(yù)測(cè)是樞紐規(guī)模、設(shè)施布局、運(yùn)營(yíng)組織與管理的重要決策依據(jù)。王晚香等[1]和桂文毅[2]將灰色預(yù)測(cè)模型與線性回歸模型結(jié)合，構(gòu)建鐵路客流預(yù)測(cè)模型，可以實(shí)現(xiàn)鐵路客運(yùn)需求的短期預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。張淑玉[3]基于貝葉斯理論對(duì)鐵路短期客流進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有較好的效果。陶思宇等[4]改進(jìn)重力模型利用生長(zhǎng)曲線法進(jìn)行誘增客流預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。鐵路樞紐客流預(yù)測(cè)普遍欠缺區(qū)域運(yùn)輸與城市交通的一體化統(tǒng)籌考慮，缺乏各個(gè)樞紐之間關(guān)系的考慮，可能導(dǎo)致各個(gè)鐵路樞紐的預(yù)測(cè)結(jié)果之和遠(yuǎn)超城市實(shí)際對(duì)外出行需求總量。因此，文章針對(duì)鐵路樞紐客流預(yù)測(cè)研究制定一套完整的科學(xué)預(yù)測(cè)體系，統(tǒng)籌考慮區(qū)域交通運(yùn)輸需求與城市交通協(xié)調(diào)性，使預(yù)測(cè)結(jié)果與區(qū)域和城市總體發(fā)展態(tài)勢(shì)相適應(yīng)，細(xì)致統(tǒng)籌各個(gè)樞紐和各種交通方式間的相互關(guān)系，提高客流預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與可信度。

1 區(qū)域運(yùn)輸與城市交通一體化的預(yù)測(cè)體系

區(qū)域交通運(yùn)輸模型和城市交通模型是交通預(yù)測(cè)的兩個(gè)主要組成部分，受數(shù)據(jù)資源、模型構(gòu)建成本等多方面限制，兩個(gè)層次的模型體系在實(shí)際應(yīng)用與開發(fā)上缺乏有效整合?，F(xiàn)代鐵路樞紐屬于多模式綜合樞紐，銜接運(yùn)輸方式包括高普鐵、城際和城市層面的地鐵、公交、個(gè)體交通等，鐵路樞紐客流量預(yù)測(cè)需要考慮城市內(nèi)人口、集疏運(yùn)系統(tǒng)影響下的多站點(diǎn)布局競(jìng)合關(guān)系，從綜合交通運(yùn)輸層面考慮各交通方式的競(jìng)合關(guān)系。因此，鐵路樞紐客流預(yù)測(cè)必須統(tǒng)籌考慮區(qū)域交通運(yùn)輸模型和城市交通模型，構(gòu)建一體化的模型體系。

本研究提出的預(yù)測(cè)體系將區(qū)域運(yùn)輸模型和城市交通模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，區(qū)域運(yùn)輸層面重點(diǎn)預(yù)測(cè)全市對(duì)外、四大運(yùn)輸方式分擔(dān)、目的地選擇、鐵路制式分擔(dān)，市域?qū)用骖A(yù)測(cè)樞紐站點(diǎn)分擔(dān)、銜接方式和銜接設(shè)施規(guī)模。

區(qū)域綜合交通運(yùn)輸與城市交通分析一體化模型體系如圖1所示。

圖1 區(qū)域綜合交通運(yùn)輸與城市交通分析一體化模型體系

2 多層次全局統(tǒng)籌的鐵路樞紐客流預(yù)測(cè)體系

本研究構(gòu)建區(qū)域運(yùn)輸與城市交通一體化的預(yù)測(cè)平臺(tái)，形成多層次、全局統(tǒng)籌的鐵路樞紐客流預(yù)測(cè)體系，總體預(yù)測(cè)框架為全市對(duì)外發(fā)送量預(yù)測(cè)→鐵路發(fā)送量預(yù)測(cè)→分制式發(fā)送量預(yù)測(cè)→各站分制式發(fā)送量預(yù)測(cè)→各站發(fā)送量預(yù)測(cè)→銜接設(shè)施規(guī)模預(yù)測(cè)。

基于多層次全局統(tǒng)籌的鐵路樞紐客運(yùn)量預(yù)測(cè)體系如圖2所示。

圖2 基于多層次全局統(tǒng)籌的鐵路樞紐客運(yùn)量預(yù)測(cè)體系

3 預(yù)測(cè)模型的實(shí)現(xiàn)

3.1 城市對(duì)外出行總量預(yù)測(cè)

城市對(duì)外出行總量與城市人口總量和對(duì)外出行率呈正相關(guān)，可以利用城市人口總量和對(duì)外出行率預(yù)測(cè)城市出行總量。城市對(duì)外出行率預(yù)測(cè)采用彈性系數(shù)法[5]，對(duì)外出行率與社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)具有關(guān)聯(lián)性，預(yù)測(cè)中通過對(duì)外出行率和生產(chǎn)總值歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，利用彈性系數(shù)法預(yù)測(cè)出行率。

式中：Ei——i區(qū)對(duì)外出行頻率彈性系數(shù)；rGDPi——i區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率；r對(duì)外出行率i——i區(qū)對(duì)外客運(yùn)出行頻率的增長(zhǎng)率；popi——i區(qū)規(guī)劃人口數(shù)；popi——i區(qū)對(duì)外出行總量。

3.2 對(duì)外方式劃分預(yù)測(cè)

對(duì)外運(yùn)輸方式劃分預(yù)測(cè)采用Logit模型，在效用函數(shù)中考慮價(jià)格因子和便利性因子。價(jià)格因子是對(duì)外運(yùn)輸方式選擇中的重要考慮因素之一，便利性因子包括多層含義，包括是否具有直達(dá)性、出行距離與時(shí)耗對(duì)舒適性的要求等。計(jì)算選擇某種出行方式的概率Pmode：

價(jià)格因子可以根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)各運(yùn)輸方式售票系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)計(jì)算，利用距離和票價(jià)的關(guān)系計(jì)算各運(yùn)輸方式單位距離的運(yùn)輸價(jià)格，便利性因子結(jié)合人的實(shí)際需求、區(qū)域設(shè)施布局規(guī)劃綜合標(biāo)定。

3.3 基于城市引力模型的空間分布預(yù)測(cè)

城市引力模型[6]能夠?qū)崿F(xiàn)需求預(yù)測(cè)對(duì)城鎮(zhèn)體系規(guī)劃定位、經(jīng)濟(jì)人口增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)分工等宏觀因素的靈敏反應(yīng)，劃分模型得到全市對(duì)外鐵路發(fā)送總體規(guī)模，借助引力模型得到預(yù)測(cè)城市與各區(qū)域的鐵路聯(lián)系規(guī)模。

式中：Tij——城市引力；Q——城市質(zhì)量；d——時(shí)間距離；G——地區(qū)生產(chǎn)總值；R——地區(qū)常住人口；xi——通過某種交通方式到達(dá)目的地的時(shí)間；k——校正系數(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（如騰訊遷徙數(shù)據(jù)獲取的地級(jí)市的聯(lián)系需求）進(jìn)行精確標(biāo)定。

基于城市引力模型的空間分布可以預(yù)測(cè)不同圈層（緊鄰城市、省內(nèi)其他城市、省外）的鐵路客流分布占比，在鐵路客流制式分擔(dān)預(yù)測(cè)中，結(jié)合空間分布預(yù)測(cè)不同圈層結(jié)果，進(jìn)行精細(xì)化考慮。

3.4 制式客流的分擔(dān)預(yù)測(cè)

鐵路制式客流劃分與出行距離、設(shè)施布局規(guī)劃緊密相關(guān)，城際客流服務(wù)區(qū)域與大鐵（普鐵和高鐵）具有明顯差異，具體預(yù)測(cè)中首先劃分城際大鐵的客運(yùn)量，進(jìn)一步劃分普鐵、高鐵各自客運(yùn)量。

鐵路制式客流預(yù)測(cè)思路如圖3所示。

圖3 鐵路制式客流預(yù)測(cè)思路

不同制式客流預(yù)測(cè)采用Logit模型，效用函數(shù)主要考慮線路覆蓋人口、票價(jià)、發(fā)車頻率3方面因素。建立某區(qū)域某制式客流預(yù)測(cè)模型：

人口因子根據(jù)規(guī)劃線路途經(jīng)主要城市的規(guī)劃人口統(tǒng)計(jì)，票價(jià)因子結(jié)合現(xiàn)有鐵路票務(wù)系統(tǒng)中不同制式下的單位距離票價(jià)標(biāo)定，發(fā)車頻率根據(jù)鐵路票務(wù)系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)定。

3.5 基于共享原則的樞紐站點(diǎn)客流分擔(dān)

各站點(diǎn)鐵路客流發(fā)送量包括兩部分，包括大鐵（普鐵和高鐵）發(fā)送量和城際發(fā)送量。城際軌道在城市內(nèi)部存在更多站點(diǎn)布局，其預(yù)測(cè)方法與大鐵存在一定差異。

大鐵站點(diǎn)分擔(dān)采用樞紐共享模型劃分，樞紐共享模型考慮兩個(gè)因素，各樞紐集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)支撐下的可達(dá)性影響，即基于可達(dá)性的各站點(diǎn)對(duì)人口和崗位的覆蓋范圍；各樞紐發(fā)送線路吸引力，即各樞紐站點(diǎn)到發(fā)線路的引力。

式中：Pt——交通樞紐t的發(fā)送規(guī)模；Aj——本市達(dá)到某地區(qū)j的鐵路客流；λti——交通小區(qū)i到達(dá)樞紐t的可達(dá)性系數(shù)；θtj——樞紐t到達(dá)地區(qū)j的線路布局便利系數(shù)。

針對(duì)城際鐵路在城市內(nèi)部進(jìn)行多點(diǎn)布局，城際發(fā)送量分站點(diǎn)預(yù)測(cè)中，將城際發(fā)送量按照各線路進(jìn)行劃分，針對(duì)每條城際線路進(jìn)行站點(diǎn)客運(yùn)量的劃分，將城際發(fā)送量按線到點(diǎn)地劃分至各個(gè)站點(diǎn)。城際線路的發(fā)送量與線路輻射的人口以及線路連接城市間的聯(lián)系強(qiáng)度緊密相關(guān)。將城際發(fā)送量劃分至各條城際線路的預(yù)測(cè)時(shí)，采用按各條線路輻射人口、線路連接城市引力等因子劃分的模型，根據(jù)因子最終取值比例對(duì)城際發(fā)送總量進(jìn)行分線路劃分。

根據(jù)各條城際線路方案，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)各條城際線路站點(diǎn)輻射人口規(guī)模，一般按站點(diǎn)周邊10 km的輻射范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算各線路輻射人口的比例。對(duì)各條線路連接城市與預(yù)測(cè)城市的引力關(guān)系按式（5）進(jìn)行量化分析，統(tǒng)計(jì)各條城際線路連接城市與預(yù)測(cè)城市的引力。根據(jù)各條線路的輻射人口比例、城市引力比例，計(jì)算各條線路客運(yùn)量占城際總客運(yùn)量的比例。按照各個(gè)站點(diǎn)的服務(wù)人口因子以及站點(diǎn)功能因子，將各條線路客運(yùn)量劃分至各個(gè)站點(diǎn)，匯總后得到各站城際發(fā)送量。

3.6 預(yù)測(cè)模型應(yīng)用效果

本預(yù)測(cè)體系已被廣泛應(yīng)用至廣州市鐵路樞紐相關(guān)規(guī)劃研究，包括新建廣州白云站規(guī)劃、廣州東站和廣州北站改建規(guī)劃等。新建廣州白云站中，應(yīng)用預(yù)測(cè)體系定量論證了樞紐與廣州火車站等樞紐的分工，結(jié)果表明支撐樞紐可以順利獲批；廣州北站改建規(guī)劃中，在客流規(guī)模預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，利用預(yù)測(cè)體系反饋樞紐競(jìng)合關(guān)系的先天優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)論證廣州北站與白云機(jī)場(chǎng)客流關(guān)系，對(duì)空鐵聯(lián)運(yùn)規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)，支撐后續(xù)空鐵聯(lián)運(yùn)相關(guān)工作的推進(jìn)。

4 結(jié)語

本研究基于“面、線、點(diǎn)逐步演繹，全局統(tǒng)籌考慮”的客流預(yù)測(cè)思路，構(gòu)建基于多層次全局統(tǒng)籌的鐵路樞紐客流預(yù)測(cè)體系方法?！懊妗睂踊趶椥韵禂?shù)法預(yù)測(cè)區(qū)域總體需求，基于城市引力實(shí)現(xiàn)區(qū)域客流空間分布預(yù)測(cè)；“線”層基于輻射人口、連接城市引力等多因子的Logit模型實(shí)現(xiàn)不同線路客流預(yù)測(cè)分?jǐn)?；“點(diǎn)”層基于城市集疏運(yùn)交通可達(dá)性實(shí)現(xiàn)樞紐客流分擔(dān)預(yù)測(cè)，基于大數(shù)據(jù)客流集散特性對(duì)樞紐銜接設(shè)施合理預(yù)測(cè)，系統(tǒng)性解決既有方法總量溢出、分布失真問題。預(yù)測(cè)體系能夠反映上層次城鎮(zhèn)體系規(guī)劃對(duì)區(qū)域各城市的功能定位、樞紐能級(jí)的規(guī)劃愿景，定量地納入經(jīng)濟(jì)人口增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)分工等反映城市宏觀特性的數(shù)據(jù)，得到更精確和科學(xué)的鐵路樞紐預(yù)測(cè)結(jié)果，指導(dǎo)綜合交通樞紐的科學(xué)合理規(guī)劃。