城市軌道交通換乘站客流匹配評估指標研究*

樊茜琪

(1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院， 201804， 上海； 2.上海軌道交通檢測認證(集團)有限公司， 201804， 上海∥博士研究生)

近年來，我國城市軌道交通迅猛發(fā)展，越來越多的城市軌道交通進入網(wǎng)絡(luò)化運營階段[1]。換乘站是城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點，也是影響網(wǎng)絡(luò)運營協(xié)調(diào)性的重要因素。交通運輸部發(fā)布的交辦運〔2019〕84號《城市軌道交通運營期間安全評估規(guī)范》[2]要求重點關(guān)注網(wǎng)絡(luò)化運營的情況。該規(guī)范的第6條提出：網(wǎng)絡(luò)化運營安全評估包括線網(wǎng)控制中心功能評估、線網(wǎng)應(yīng)急能力評估、換乘站客流匹配評估。該規(guī)范的第9條明確規(guī)定應(yīng)實施換乘站客流匹配評估，測算線路實際運行能力與客流的匹配情況，并結(jié)合各線路高峰小時斷面客流量、列車滿載率等指標，分析判斷線網(wǎng)內(nèi)是否存在運力協(xié)調(diào)不匹配的換乘站，以及運能、運量的變化對網(wǎng)絡(luò)整體可靠性的影響。

但行業(yè)內(nèi)針對換乘站客流匹配評估尚無統(tǒng)一的方法，因此，亟需探索可反映換乘站客流匹配性的指標，并基于網(wǎng)絡(luò)客流需求和換乘特性建立換乘站運力協(xié)調(diào)匹配評估指標，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化運營背景下的精細化管理。

為此，本文對換乘站的客流匹配評估研究側(cè)重于換乘站的運力協(xié)調(diào)匹配，擬通過對換乘站客流匹配性的影響因素進行分析，建立適用的協(xié)調(diào)匹配評估指標，并通過典型城市的指標實例計算來驗證評估指標的有效性。

1 換乘站客流影響因素分析

1.1 網(wǎng)絡(luò)客流需求

從供需角度看，換乘站客流匹配情況主要由供給量(即線路的運輸能力，以下簡稱“運力”)和需求量(即線路的客流量，以下簡稱“運量”)決定的，而運力和運量均是隨時間和空間兩個維度變化的變量。在時間維度上，本文主要關(guān)注運力、運量變化對換乘站客流匹配性的影響，僅針對線網(wǎng)運營的早高峰時段(工作日的8:00—9:00)這一特定時段進行研究；在空間維度上，本文重點討論運力、運量對換乘站客流匹配情況的影響。

對于某一線路的特定運營時段，可用滿載率來衡量線路實際運行能力與客流的匹配情況[4]。但是，對于某一換乘站的客流匹配情況，則需要結(jié)合空間上各換乘線路不同斷面的滿載率情況來綜合判斷，所以換乘站各線路的運力差異、運量差異均會影響換乘站的客流匹配。此外，網(wǎng)絡(luò)化運營的換乘總體匹配情況則還需結(jié)合整個網(wǎng)絡(luò)各線路高峰小時最大斷面的空間分布情況來綜合評估。

1.1.1 運力分析

由于不同線路運量不一，其運輸能力的利用程度不等，在客觀上各線路存在一定的運力差異。其運力差異主要體現(xiàn)為各線路列車的車型和編組不同，以及行車間隔的不同等[4]。如重慶市軌道交通線網(wǎng)中，部分線路有4節(jié)編組、6節(jié)編組混跑或6節(jié)編組、8節(jié)編組混跑的情況，其車型還包括了6節(jié)編組的As型車(以下簡稱“6As”)和6節(jié)編組的B型車(以下簡稱“6B”)兩種。

本文定義運力均值為同一時段不同線路運輸能力的平均值。令運力差異率=[運力最大值-運力最小值)/運力均值]×100%。

表1為重慶市軌道交通線網(wǎng)2019年某個早高峰各換乘站運力差異率的計算結(jié)果。其中：冉家壩站、紅土地站、大龍山站和上新街站等換乘站雖然不同線路的列車均為6 As型車，但由于行車間隔不同，這些換乘站運力差異率的最大值達到78%，最小值僅為35%；兩路口站、紅旗河溝站、重慶北站南廣場站、牛角沱站、小什字站、大坪站和四公里站等換乘站不同線路列車的車型、編組、行車間隔均不相同，其運力差異率最大值為77%，最小值僅為2%。

如表1所示，在運力差異率大于70%的換乘站中，僅有部分換乘站明顯存在換乘站客流不匹配的表現(xiàn)(如站臺擁擠、二次候車等)。而對于運力差異率低于70%的車站，如上新街站雖然運力差異率僅為35%，但因該站的換乘客流需求存在差異，也會導致站內(nèi)存在客流擁擠等客流不匹配現(xiàn)象。

表1 重慶市軌道交通2019年某個早高峰各換乘站運力表Tab.1 Transport capacity of Chongqing rail transit transfer stations at certain morning peak hour in 2019

因此，換乘站各線路運力差異，只是影響換乘站客流匹配情況的一個影響因素，還需考慮換乘站各線路運量需求的差異，這樣才能真實反映換乘站的客流匹配情況。

1.1.2 運量分析

基于運量需求的線路實際運行能力(運輸能力)與客流匹配情況的衡量指標為斷面滿載率。對于某一線路的單向單斷面，該指標可以很好地反映運力與運量的匹配情況；但對于換乘站，該指標反映的是車站上下客后的終了狀態(tài)，未能體現(xiàn)換乘客流的過程狀態(tài)。此外，不同線路的不同方向均存在到站斷面滿載率(列車進站前的斷面的滿載率)和離站斷面滿載率(列車離站后的斷面的滿載率)兩個指標，對于換乘站而言，到站斷面滿載率反映的客流匹配狀態(tài)將直接影響離站斷面滿載率反映的客流匹配狀態(tài)。

引入現(xiàn)有的線路斷面滿載率不均衡系數(shù)來計算換乘站的各斷面滿載率不均衡系數(shù)指標，令斷面滿載率不均衡系數(shù)=[(最大斷面滿載率—最小斷面滿載率)/各斷面滿載率均值]×100%。仍以重慶市軌道交通為例，表2為大坪站、較場口站兩個換乘站2019年某個早高峰時段的不同方向的斷面滿載率。經(jīng)計算可得到，大坪站的斷面滿載率均值為63%，斷面滿載率不均衡系數(shù)為109%；較場口站的斷面滿載率均值為40%，斷面滿載率不均衡系數(shù)為80%。

表2 大坪站和較場口站2019年某個早高峰斷面滿載率Tab.2 Section full load rate of Daping Station and Jiaochangkou Station at certain morning peak hour in 2019

雖然較場口站的斷面滿載率不均衡系數(shù)為80%，但由于較場口站客流需求較小，該指標忽略了線路斷面滿載率的絕對值(運量需求)，因而不能體現(xiàn)真實的客流匹配情況。大坪站運力差異率僅為58%，斷面滿載率不均衡系數(shù)為109%，該指標由于忽略了線路上下行客流的潮汐性，也不能體現(xiàn)該站真實的客流匹配情況。因此，運量需求的絕對值和換乘客流潮汐特性均會影響換乘站的客流匹配情況。

1.2 換乘特性分析

換乘站的乘降客流包括換乘客流和進出站客流兩部分,因此換乘站的斷面客流包括換乘客流、進出站客流和通過客流3個部分。其中：通過客流在到站斷面滿載率和離站斷面滿載率中的占比保持不變，動態(tài)變化的是換乘站的乘降客流(進出站客流、換乘客流)。列車進站的客流行為過程與對應(yīng)的列車滿載率如表3所示。

表3 換乘站列車進站行為與列車滿載率的對應(yīng)關(guān)系Tab.3 Corresponding relation between train entry behavior and full load rate at transfer station

從表3可看出，到站斷面滿載率和離站斷面滿載率的差值即為進出站滿載率和換乘滿載率的變化，其中，換乘滿載率=[(換入客流-換出客流)/線路運力)]×100%；進出站滿載率=[(進站客流-出站客流)/線路運力]×100%。

典型的通道換乘站換乘示意圖如圖1所示。換乘站任一線路任一方向的滿載率存在以下關(guān)系：A線離站斷面滿載率=A線到站斷面滿載率+A線進出站滿載率+A線換乘滿載率。

圖1 典型通道換乘站換乘示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical passage transfer stationinterchange

換乘滿載率中，A線換乘客流等于A線換入客流減去A線換出客流。對于任一多線換乘站，設(shè)i為換乘站涉及的換乘線路號，則各線路的換入客流Qi,換入之和等于各線路的換出客流Qi,換出之和，即：

∑Qi,換入=∑Qi,換出

(1)

由式(1)可知，對A線、B線兩線換乘站而言，QA,換出=QB,換入，因此換乘站任一線路，存在以下關(guān)系：

(2)

式中：

PA,a、PB,a——分別為A線、B線的到站斷面滿載率；

PA,o、PB,o——分別為A線、B線的進出站滿載率；

PA,l、PB,l——分別為A線、B線的離站斷面滿載率；

qA、qB——分別為A線、B線的線路運力。

從式(2)可看出，影響換乘站滿載率協(xié)調(diào)的動態(tài)因素為Po和Pt，而影響換乘滿載率的動態(tài)因素為各線路的換入客流。因此，引入換入滿載率指標Pr，則線路i的換入滿載率Pr,i為：

(3)

式中：

qi——線路i對應(yīng)時段的運力。

重慶市軌道交通2019年各換乘站某個早高峰的換入滿載率計算結(jié)果見表4。此外，客流的潮汐特性影響了某一線路客流斷面的方向不均衡性，需考慮建立上下行方向的不均衡系數(shù)，用以對換入滿載率進行修正。

表4 重慶市軌道交通2019年各換乘站某個早高峰的換入滿載率Tab.4 Full load rate of inbound passenger flow of Chongqing rail transit transfer stations at certain morning peak hour in 2019

由網(wǎng)絡(luò)客流需求分析可知，影響換乘站客流協(xié)調(diào)關(guān)系絕對值的為Pa或Pl的絕對值。因此，本文評估換乘站的客流協(xié)調(diào)匹配情況時，取Pl絕對值進行綜合評估。

2 評價指標建立

2.1 指標建立

本文用Pr來定量分析換乘站任一線路換乘客流與該線路本身運力的匹配關(guān)系；采用上下行方向的不均衡系數(shù)來修正各線路的換入滿載率，形成換入滿載率Pr,修；用換乘站不同線路修正后的換入滿載率差異值(換乘滿載率不均衡系數(shù))來定量分析不同線路在該換乘站表現(xiàn)出的換乘匹配情況；再結(jié)合離站斷面滿載率Pl的絕對值綜合評估該換乘站的換乘客流匹配情況。

2.1.1 方向不均衡系數(shù)

在城市軌道交通換乘數(shù)據(jù)中，目前換乘客流數(shù)據(jù)為換入整條線路的客流而非區(qū)分上下行方向的換乘客流，但Pr,i存在如下關(guān)系：

Pr,i=PU,r,i+PD,r,i

(4)

式中：

PU,r,i——換乘站線路i上行方向的換入滿載率；

PD,r,i——換乘站線路i下行方向的換入滿載率。

設(shè)換乘站線路i的方向不均衡系數(shù)為Ki，則有：

(5)

式中：

PU,i,a——換乘站線路i上行方向的到站斷面滿載率；

PD,i,a——換乘站線路i下行方向的到站斷面滿載率；

PU,i,l——換乘站線路i上行方向的離站斷面滿載率；

PD,i,l——換乘站線路i下行方向的離站斷面滿載率；

PU,i,x——換乘站線路i上行方向的到站斷面滿載率或離站斷面滿載率；

PD,i,x——換乘站線路i下行方向的到站斷面滿載率或離站斷面滿載率。

即若分子最大值為PU,i,a或PD,i,a，則分母為PU,i,a+PD,i,a,反之則為PU,i,l+PD,i,l。

2.1.2 換乘滿載率不均衡系數(shù)

任一線路i修正后的換入滿載率Pi,r,修為：

Pi,r,修=Pr,iKi

(6)

設(shè)n為換乘站的換乘線路數(shù)。對換乘站u，其換乘滿載率不均衡系數(shù)表示為Cu,t。Cu,t的計算式為：

(7)

令線網(wǎng)所有換乘站的換乘滿載率不均衡系數(shù)綜合評價值為CN,t，其計算式為：

(8)

式中：

wJ——線網(wǎng)中換乘站u的結(jié)構(gòu)權(quán)重值，取wJ=n。

2.1.3 離站斷面滿載率評估值

換乘站的體現(xiàn)了換乘終了狀態(tài)。設(shè)定換乘站u的離站斷面滿載率評估值為Pu,l,其計算式如下：

(9)

令線網(wǎng)所有換乘站的離站斷面綜合評價值為PN,l，則有：

(10)

為了對式(10)的Pu,l作進一步的修正，引入線網(wǎng)中換乘站u的客運強度權(quán)重值wK,其計算式如下：

(11)

式中：

fu,i——換乘站u中線路i的客運強度值。

2.2 指標分級

參照城市軌道交通服務(wù)質(zhì)量評估和運營安全評價中滿載率的分級標準，對換乘站u的Pu,l值的分級描述如下：當其小于80%時，充分利用運力且乘客舒適性較高，匹配狀況良好；當其大于等于80%且小于100%時，充分利用運力且乘客舒適性一般，匹配狀況一般；當其大于等于100%且小于130%時，運力緊張且乘客舒適性差，匹配狀況較差；當其大于等于130%時，運力極其緊張且乘客舒適性差，匹配狀況差。

參照滿載率評估中不同級別的差值，對換乘站對應(yīng)的Cu,t值的等級劃分及描述如下：當其小于30%時，匹配程度良好；當其大于等于30%且小于60%時，總體匹配程度一般；當其大于等于60%且小于80%時，總體匹配程度較差；當其大于等于80%時，總體匹配程度差。

結(jié)合Pu,l和Cu,t共同形成換乘站u的客流匹配情況綜合判斷矩陣，如表5所示。

表5 換乘站匹配情況綜合判斷矩陣Tab.5 Comprehensive judgment matrix of transfer station matching

3 案例計算

本文選取重慶和成都軌道交通線網(wǎng)中處于城區(qū)中心位置且換乘客流大的換乘站為典型換乘站，并將由這些典型換乘站組成的城市軌道交通線網(wǎng)稱為該城市的城市軌道交通核心線網(wǎng)(以下簡稱“核心線網(wǎng)”)。采用典型換乘站的運力和客流數(shù)據(jù)進行換乘站客流匹配分析計算示例。

3.1 重慶市軌道交通換乘站客流匹配分析

基于重慶市軌道交通典型換乘站運力和客流數(shù)據(jù)，首先計算換乘站的Ki，各線路的Pi,r，計算出換乘站各線路的Pi,r,修，進而得出Cu,t；在此基礎(chǔ)上，計算得出換乘站u的Pu,l。通過以上兩個指標及評估判斷矩陣則可得出某一換乘站的總體匹配情況。針對城市軌道交通核心線網(wǎng)，結(jié)合各換乘站的wK計算PN,l，再結(jié)合各換乘站的wJ計算CN,t。

根據(jù)以上兩個指標結(jié)合判斷矩陣綜合評估核心線網(wǎng)整體換乘匹配情況。重慶市軌道交通線網(wǎng)典型換乘站的評估指標計算如表6所示。

表6 重慶市軌道交通典型換乘站2019年某個早高峰換乘匹配指標計算Tab.6 Interchange matching index calculation of Chongqing rail transit typical transfer stations at certain morning peak hour in 2019

由表6可知，兩路口站雖運力差異率不大，但該站1號線換入3號線客流量大，換乘滿載率不均衡系數(shù)為20%，且離站斷面滿載率評估值高達98%，因此該站換乘客流匹配總體評估結(jié)果為“一般”。大坪站雖運力差異率較大(該站2號線運力小)，但2號線的換入客流量較小，1號線的換入客流量較大，換乘滿載率不均衡系數(shù)達48%，且換乘后離站斷面滿載率評估值高達112%，因此該站換乘客流匹配總體評估結(jié)果為“較差”。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研實際情況，大坪站2號線站臺確有二次候車現(xiàn)象。

再次計算由這7個典型換乘站組成的重慶市軌道交通核心線網(wǎng)換乘站總體匹配情況，每個換乘站的wK如表7所示。基于表7的wK，綜合計算得出重慶市軌道交通核心線網(wǎng)換乘站的PN,l為110%，CN,t為48%，結(jié)合判斷矩陣可得到重慶市軌道交通核心線網(wǎng)總體換乘匹配評估結(jié)果為“較差”。

表7 重慶市軌道交通典型換乘站客運強度權(quán)重Tab.7 Station passenger transport intensity weight of Chongqing rail transit typical transfer station

3.2 成都軌道交通換乘站客流匹配分析

基于成都軌道交通典型車站運力和客流數(shù)據(jù)，首先計算換乘站各線路Pr,i、Ki、Pi,r,修并收集fu,i的數(shù)據(jù)(見表8)。進一步計算Cu,t和Pu,l，根據(jù)以上兩個指標結(jié)合判斷矩陣可得到換乘站換乘匹配綜合評估結(jié)果(見表9)。最后在計算wJ和wK的基礎(chǔ)上，針對核心線網(wǎng)計算CN,t、PN,l，根據(jù)以上兩個指標結(jié)合判斷矩陣可得到核心線網(wǎng)總體換乘匹配綜合評估結(jié)果。

表8 成都市軌道交通典型換乘站2020年6月某個早高峰換乘匹配指標計算Tab.8 Transfer matching index calculation of Chengdu rail transit typical transfer station at certain morning peak hour in June 2020

表9 成都市軌道交通典型換乘站2020年6月某個早高峰換乘匹配指標計算Tab.9 Interchange matching index calculation of Chengdu rail transit typical transfer station at certain morning peak hour in June 2020

再次計算由這10個換乘站組成的成都市軌道交通核心線網(wǎng)，得到CN,t為34%，PN,l為66%，結(jié)合判斷矩陣可得到成都軌道交通核心線網(wǎng)總體換乘匹配評估結(jié)果為“一般”。

4 結(jié)語

本文通過對換乘站客流匹配情況影響因素的分析，建立了評估換乘站客流匹配情況的評估指標、換乘滿載率不均衡系數(shù)和離站斷面綜合評估值；建立了城市軌道交通線網(wǎng)換乘站綜合匹配評估指標并建立了基于這2個指標的綜合判斷矩陣。結(jié)合重慶、成都軌道交通線網(wǎng)典型換乘站的計算示例，經(jīng)與現(xiàn)場調(diào)研情況的對比，以上指標基本能夠反映車站現(xiàn)場的實際情況。

但本文針對三線及以上換乘站并未結(jié)合不同換乘線路間的換乘滿載率不均衡系數(shù)進行深入分析。此外，綜合判斷矩陣指標分級的劃定仍有一定的局限性，尤其是換乘滿載率不均衡系數(shù)的分級需結(jié)合各城市軌道交通總體客流管控要求進一步的優(yōu)化。