方恒堃

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082）

1 北京軌道交通概況

城市軌道交通系統(tǒng)是一種快捷安全、準(zhǔn)時可靠、節(jié)能環(huán)保的大運量公共交通系統(tǒng)，已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械闹匾煌ǚ绞?。面對日益增長的交通需求和日趨嚴(yán)重的交通擁堵問題，我國逐步加快了軌道交通的發(fā)展進程與建設(shè)力度。在大中型城市中，逐漸形成的軌道交通網(wǎng)絡(luò)對改善城市交通結(jié)構(gòu)、優(yōu)化城市空間布局、提高生活環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮了重要作用[1]。

北京市軌道交通經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已覆蓋了西城區(qū)、東城區(qū)、海淀區(qū)、朝陽區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)、順義區(qū)、昌平區(qū)、通州區(qū)、房山區(qū)、門頭溝區(qū)和大興區(qū)等12 個市轄區(qū)，線網(wǎng)規(guī)模逐步擴大，整體運能達到了一個新的高度，逐步形成了較為成熟的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)。

截至2018 年底，北京市共有軌道交通運營線路22 條，運營總里程達637 km，車站391 座，換乘站59 座。軌道交通完成年客運量38.5 億人次，同比增長1.9%，日均客運量1 054.36 萬人次，最高日客運量達到1 349.25萬人次[2]。圖1為北京城市軌道交通線網(wǎng)[3]。

圖1 北京城市軌道交通線網(wǎng)Fig. 1 Beijing rail transit lines

北京市目前正在編制的新一輪軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)規(guī)劃，以及逐年增長的軌道交通客運量，均要求在前期規(guī)劃研究中將傳統(tǒng)的定性分析向定量分析轉(zhuǎn)變，利用包括AFC 刷卡數(shù)據(jù)、IC 卡數(shù)據(jù)、手機信令數(shù)據(jù)、浮動車數(shù)據(jù)等在內(nèi)的多元數(shù)據(jù)，對軌道交通客流的出行需求、出行特征、存在問題等進行定量分析，進而提出解決策略，應(yīng)用于軌道交通的運營管理、新線規(guī)劃和既有線改造等方面。

在軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的前期研究中，多元數(shù)據(jù)主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：客流預(yù)測研究、規(guī)劃優(yōu)化問題、現(xiàn)狀客流特征及存在問題分析研究、軌道交通調(diào)度和節(jié)能優(yōu)化研究、狀態(tài)監(jiān)測與可視化研究等[4]。

下面以北京市軌道交通昌平線及西二旗站為例，介紹多元數(shù)據(jù)在軌道交通現(xiàn)狀客流特征分析和線網(wǎng)優(yōu)化等方面的應(yīng)用。

2 多元數(shù)據(jù)庫分類

目前，國內(nèi)交通研究機構(gòu)所使用的多元數(shù)據(jù)主要包括地鐵AFC 刷卡數(shù)據(jù)、手機信令數(shù)據(jù)、公交IC 卡數(shù)據(jù)、浮動車數(shù)據(jù)等，針對不同類型的數(shù)據(jù)分別建立對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

2.1 地鐵AFC 刷卡數(shù)據(jù)庫

本研究利用地鐵刷卡數(shù)據(jù)(即AFC 刷卡數(shù)據(jù))[5]進行北京市軌道交通現(xiàn)狀運行數(shù)據(jù)庫的搭建。

2017 年，北京市軌道交通路網(wǎng)年客運量37.78 億人次，日均客運量1 035.07 萬人次?；谌绱她嫶蟮目瓦\量，北京市每日產(chǎn)生海量的IC 卡刷卡數(shù)據(jù)。北京市公交IC 卡(integrated circuit card)刷卡數(shù)據(jù)，指乘坐北京市公共交通并利用市政公交一卡通刷卡交費的客流產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄，分為地鐵刷卡數(shù)據(jù)和地面公交刷卡數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)文獻統(tǒng)計，北京市地鐵IC 卡刷卡原始數(shù)據(jù)在工作日的日均記錄數(shù)在500 萬～600 萬條之間波動(不含臨時票卡數(shù)據(jù)記錄)，具體線路及站點分布如圖2 所示。

圖2 北京城市軌道交通線路站點分布Fig. 2 Distribution of Beijing rail transit lines and stations

通常AFC 數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理后，僅能輸出地鐵進出站客流OD 數(shù)據(jù)，不能知道客流在地鐵內(nèi)部的換乘路徑。利用TransCAD 對站點OD 數(shù)據(jù)進行客流分配，可以得到客流在地鐵系統(tǒng)內(nèi)部的換乘節(jié)點數(shù)據(jù)，從而能夠極大豐富地鐵客流的數(shù)據(jù)類型。處理之后得到的地鐵運行數(shù)據(jù)包括(但不限于)：地鐵客流起訖點數(shù)據(jù)、地鐵站點乘降量數(shù)據(jù)、地鐵站點換乘數(shù)據(jù)、線路斷面客流數(shù)據(jù)等。

2.2 手機信令數(shù)據(jù)庫

Cell-ID 定位法[6]通過基站所處的位置來表征用戶所在位置，中國移動基站在北京市城區(qū)內(nèi)分布密度較高的區(qū)域為CBD、東單、金融中心、中關(guān)村、奧體中心、北京西站及周邊等經(jīng)濟活動較為活躍的區(qū)域。在利用手機信令數(shù)據(jù)提取出行事件信息時，可以記錄出行的起止時間，因而可用于提取不同時間段內(nèi)的OD矩陣，連續(xù)不同時段的OD 矩陣即為動態(tài)OD 矩陣，由此可以構(gòu)建手機信令OD 數(shù)據(jù)庫。

2.3 公交IC 卡數(shù)據(jù)庫

北京市自2014 年12 月28 日實施分段計價后，地面常規(guī)公交上下車均需刷卡，從而使客流特征的識別與提取更加準(zhǔn)確。北京IC 卡數(shù)據(jù)涵蓋800 多條公交線路，具體線路及站點分布如圖3 所示。

圖3 北京公交線路站點分布Fig. 3 Distribution of Beijing public transportation lines and stations

北京市地面公交IC 卡刷卡原始數(shù)據(jù)，2016 年工作日平均約為900 萬條(不含遠(yuǎn)郊縣公交線路，不含未刷卡客流)，從數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)覆蓋范圍上均較為全面。在豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，還需對原始數(shù)據(jù)進行進一步處理。

通過調(diào)查可以獲取包含公交線路/站點名稱與代號的對應(yīng)關(guān)系表。在剔除一輛車數(shù)據(jù)量小于50 的數(shù)據(jù)之后，利用該對應(yīng)關(guān)系表即可真實匹配客流的上車/下車站點名稱及經(jīng)緯度，從而可以構(gòu)建公交IC卡數(shù)據(jù)庫。

2.4 浮動車數(shù)據(jù)庫

浮動車[7]是指利用GPS 定位模塊和無線通信模塊，能夠與交通信息處理平臺進行信息交換的普通車輛，主要包括出租汽車、公共汽車、私人小汽車、公務(wù)車及各種特殊車輛。浮動車上的通信模塊負(fù)責(zé)將車輛的數(shù)據(jù)傳送到交通信息中心，該中心主要包括無線通信設(shè)備、基于GIS(geographic information system，地理信息系統(tǒng))[8]的交通信息處理系統(tǒng)及計算機設(shè)備等。依據(jù)浮動車的經(jīng)緯度、時間、實時速度等信息，經(jīng)過處理后可以獲取道路運行狀況。

綜上所述，地鐵AFC 刷卡數(shù)據(jù)、手機信令數(shù)據(jù)、公交IC 卡數(shù)據(jù)、浮動車數(shù)據(jù)等多元數(shù)據(jù)的特點和應(yīng)用方向如表1 所示。

表1 多元數(shù)據(jù)的特點和應(yīng)用方向統(tǒng)計Tab. 1 Characteristics and application direction of multivariate data

3 軌道交通客流特征

根據(jù)北京交通發(fā)展研究院發(fā)布的北京市交通發(fā)展年度報告，北京市城市軌道交通運營的現(xiàn)狀特征主要包括以下4 個方面。

3.1 地鐵車站進出站客流特征

早高峰進出站的客流規(guī)模受車站的功能屬性和開發(fā)強度影響較大，典型的交通樞紐、居住區(qū)和辦公區(qū)早高峰進出站規(guī)模排序均居前列。

2017 年線網(wǎng)工作日的日均早高峰進站量排名前20 的車站主要分布在霍營、天通苑北、天通苑、宋家莊、立水橋、回龍觀、十里河、回龍觀東大街、龍澤、蘋果園等大型居住區(qū)周邊，進站量的時間不均衡性明顯，早高峰進站量占全天的比例為40%～60%，其中霍營站和回龍觀東大街站的早高峰進站量占全天比例達57%以上(見圖4)。

2017 年線網(wǎng)工作日的日均早高峰出站量排名前20 的車站主要分布在西二旗、朝陽門、國貿(mào)、西直門、阜成門、大望路、復(fù)興門、東直門等辦公區(qū)周邊，出站量的時間不均衡性明顯，早高峰出站量占全天的比例為30%～50%，其中復(fù)興門站早高峰出站量占全天比例達50%以上(見圖5)。

3.2 地鐵車站換乘客流特征

2017 年線網(wǎng)各線路換乘量排名前3 位的線路分別為10 號線、4 號線-大興線和1 號線，日均換乘量分別達68.86 萬、57.35 萬和54.64 萬人次，以上3 條線路換乘量占線網(wǎng)換乘總量的36.9%，其他線路如2 號線、5 號線、6 號線和13 號線日均換乘量也在30 萬人次以上。從換乘客流占各線路客運量比例來看，9 號線換乘量占其全日客運量的60.2%，占比為各線最高，1 號線、2 號線和5 號線該比例也在50%以上，均呈現(xiàn)出以換乘客流為主的線路特征。

圖4 早高峰進站量Fig. 4 Boarding passenger flow during the early peak

圖5 早高峰出站量Fig. 5 Alighting passenger flow during the early peak

2017 年線網(wǎng)各換乘站日均換乘量排名前3 位的車站分別為西直門站、宋家莊站和惠新西街南口站，日均換乘量分別達25.01 萬、21.82 萬和15.37 萬人次；工作日早高峰(7:00—9:00)期間，西直門站換乘量最高，達6.53 萬人次，其次為宋家莊站和惠新西街南口站，分別為6.16、4.53 萬人次(見圖6)。

圖6 2017 年各換乘站早高峰日均換乘量(TOP20)Fig. 6 Transfer passenger scale of the transfer urban railway stations during the early peak in 2017

3.3 線路斷面客流特征

2017 年線路高峰小時最大斷面客流量為4 號線-大興線的菜市口—宣武門上行區(qū)間，達6.09 萬人次/h，同比去年降低0.33%；其次為6 號線的十里堡—金臺路下行區(qū)間，高峰小時最大斷面客流量5.92 萬人次/h，同比去年增長11.49%。

2017 年線路高峰小時最大斷面滿載率超過100%(含)的線路共有14 條、24 個方向，其中4 號線-大興線的菜市口—宣武門上行區(qū)間、5 號線惠北—惠南下行區(qū)間、6 號線十里堡—金臺路下行區(qū)間、9 號線七里莊—六里橋上行區(qū)間、13 號線上地—五道口上行區(qū)間、15 號線崔各莊—望京下行區(qū)間、昌平線生命科學(xué)園—西二旗下行區(qū)間、房山線稻田—大葆臺上行區(qū)間、八通線傳媒大學(xué)—高碑店下行區(qū)間，共計9 條線路高峰小時最大斷面滿載率超過120%(含)(見圖7、8)。

4 問題分析及優(yōu)化

在分析北京市軌道交通現(xiàn)狀客流特征的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地鐵AFC 數(shù)據(jù)和公交IC 卡數(shù)據(jù)，對昌平線及西二旗站存在的問題進行分析，并提出優(yōu)化建議。

4.1 問題分析

4.1.1 昌平線運營現(xiàn)狀分析

昌平線是連接北京市區(qū)與北部昌平新城的地鐵線路，線路起終點為西二旗—昌平西山口，運營里程31.9 km。全線共設(shè)置12 座車站，其中包括朱辛莊和西二旗2 座換乘車站；車輛基地2 座，分別為定泗路停車場和十三陵景區(qū)車輛段[9]。

圖7 2017 年早高峰斷面滿載率Fig. 7 Load factor of the line section during the early peak in 2017

圖8 2017 年晚高峰斷面滿載率Fig. 8 Load factor of the line section during the evening peak in 2017

據(jù)2016 年軌道交通線網(wǎng)線路高峰小時最大斷面滿載率統(tǒng)計[10]，昌平線(生命科學(xué)園—西二旗區(qū)段)最大斷面滿載率全年最高達152%，居全網(wǎng)之首。同時，統(tǒng)計昌平線2016 年某一周5 個工作日的最大斷面滿載率，可知該線工作日最大斷面滿載率的平均值為148%。昌平線車廂內(nèi)擁擠異常嚴(yán)重，乘客服務(wù)水平極低，亟需采取相應(yīng)措施來降低最大斷面滿載率。

截至2016 年12 月31 日，線網(wǎng)常態(tài)限流車站共82 座，占車站總數(shù)的24%。昌平線共有12 座車站，早高峰包括西二旗、朱辛莊、生命科學(xué)園、沙河、沙河高教園和南邵等6 座車站實行常態(tài)限流，晚高峰西二旗站實行常態(tài)限流，沙河站早高峰、西二旗站晚高峰站外限流規(guī)模均超過1 000 人。

由昌平線早高峰全線12 座車站的進站量、出站量和進出站量數(shù)據(jù)可知，早高峰進站量前5 位車站的量級較為均衡，均在11 000 人左右；早高峰出站量前5位車站的量級較為懸殊，除西二旗站為40 000人左右，其他各站均在4 000 人以下。西二旗站在進站量、出站量及進出站量3 方面，均居昌平線首位。

圖9 為昌平線早高峰進站量排名前5 位車站的客流去向分析，客流主要出站車站的比例統(tǒng)計如表2 所示。由表可知，客流主要在本線西二旗站出站，占比13.40%，去往10 號線海淀黃莊、知春路等主要車站占比6.17%，去往13 號線沿線的上地、五道口、大鐘寺、西直門等區(qū)域占比13.52%，而去往原昌平線南延終點——國家圖書館站僅占0.41%。

圖9 昌平線早高峰進站量排名前5 位車站的客流去向Fig. 9 Top 5 stations of the Changping Line with the greatest numbers of boarding passengers during the early peak

表2 昌平線早高峰進站前5 位車站的客流去向統(tǒng)計Tab. 2 Destinations of the top 5 stations of the Changping Line with the greatest numbers of boarding passengers during the early peak

4.1.2 西二旗站現(xiàn)狀分析

西二旗站是昌平線的首末站，也是昌平線和13號線的換乘站[10]。

1) 周邊業(yè)態(tài)分析。西二旗站主要服務(wù)于上地信息產(chǎn)業(yè)基地、中關(guān)村軟件園、航天城等區(qū)域，區(qū)域內(nèi)聚集了包括百度、聯(lián)想、新浪、網(wǎng)易、騰訊等多家大型知名互聯(lián)網(wǎng)公司，屬于典型的吸引到達區(qū)域。

2) 客流來源分析。統(tǒng)計2016 年線網(wǎng)工作日的日均早高峰進出站量，其中西二旗站以3.34 萬人次的高峰兩小時出站量居全網(wǎng)首位，出站客流疏散及接駁壓力大[11]。

圖10 顯示西二旗站出站客流的所有來源，經(jīng)分析，主要來自昌平線沿線、回龍觀地區(qū)(回龍觀、龍澤、霍營)、天通苑地區(qū)(天通苑北、天通苑、立水橋、北苑)、13 號線沿線(五道口、西直門、知春路、大鐘寺)等地。

圖10 西二旗站主要客流來源Fig. 10 Main passenger flow source of Xi’erqi Station

3) 出站客流分析。結(jié)合地鐵AFC 數(shù)據(jù)、公交IC卡數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場調(diào)研情況，分析西二旗站出站客流接駁公交的去向。圖11 表明，客流去向與周邊業(yè)態(tài)分布相呼應(yīng)，多數(shù)接駁公交客流去往百度、聯(lián)想、新浪、網(wǎng)易、騰訊等中關(guān)村軟件園所在區(qū)域。

圖11 西二旗站出站客流接駁公交分布Fig. 11 Distribution of Xi’erqi Station outbound passenger flow transferring to buses

4) 車站換乘量分析。朱辛莊高峰小時最大換乘量約0.4 萬人次，占昌平線鞏華城—朱辛莊斷面客流的23.3%；朱辛莊站高峰小時進、出站量約為0.7 萬、0.07 萬人次。說明昌平線與8 號線在朱辛莊站銜接換乘分流作用不強。高峰小時昌平線換乘13 號線的最大換乘量約為1.8 萬人次，西二旗站換乘壓力大，同時對已超載運行的13 號線而言客流壓力巨大。

4.2 優(yōu)化建議

針對昌平線(生命科學(xué)園—西二旗區(qū)段)目前高峰小時最大斷面滿載率居全網(wǎng)首位，全線50%車站常態(tài)限流，西二旗站進、出站量均較大等問題，建議采用如下措施：

1) 縮小昌平線發(fā)車間隔，提高單線系統(tǒng)運能。目前13 號線上地—五道口區(qū)段，高峰小時最大斷面滿載率高達124%。結(jié)合前面的分析，昌平線主要客流去往13 號線沿線占比13.52%，當(dāng)縮小昌平線發(fā)車間隔后，將造成客流更快更多地進入西二旗站及13 號線西段。昌平線和13 號線運營風(fēng)險非常大，短期內(nèi)單純依靠運營手段解決昌平線的問題較為困難，需要多措施并舉。

2) 建議昌平線南延終點由國家圖書館站調(diào)整至西直門站，并盡快啟動南延工作。根據(jù)北京市城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃(2014—2020)批復(fù)[12]，昌平線南延至國家圖書館站，目前因工程難以實施[13]，昌平線南延薊門橋—國家圖書館區(qū)段暫緩開工。由上面的分析可知，昌平線主要客流去往國家圖書館站的比例僅為0.41%，而去往西直門站的比例為2.89%，且去往13 號線沿線占比13.52%，因此建議昌平線由薊門橋南延至西直門站，一方面滿足客流直達需求，另一方面可以緩解五道口、大鐘寺等13 號線沿線各站的客流壓力。

3) 建議19 號線北延，緩解昌平線及13 號線壓力。盡快啟動19 號線北延至沙河的工作，提高昌平沙河、TBD 地區(qū)軌道線網(wǎng)密度，解決昌平線北段客流壓力大的問題，繼而緩解13 號線的客流壓力。

4) 提供回龍觀及天通苑地區(qū)客流進入西二旗地區(qū)的軌道交通直接聯(lián)系通道，緩解13 號線北段及西二旗站的出站客流壓力。

5 結(jié)語

城市軌道交通的快速發(fā)展，有效緩解了交通擁堵，是現(xiàn)代交通運輸發(fā)展的重要方式。應(yīng)用多元數(shù)據(jù)分析技術(shù)，構(gòu)建包括AFC 刷卡數(shù)據(jù)、IC 卡數(shù)據(jù)、手機信令數(shù)據(jù)、浮動車數(shù)據(jù)等在內(nèi)的軌道交通多元數(shù)據(jù)庫，深入探索軌道交通系統(tǒng)的運維和數(shù)據(jù)規(guī)律，指導(dǎo)運營實踐和規(guī)劃，是一個重要的研究領(lǐng)域。

隨著城市的發(fā)展，越來越多的交通難題顯現(xiàn)出來，城市交通的復(fù)雜性在于“綜合”，多元數(shù)據(jù)分析模型對此提供了一種支持戰(zhàn)略調(diào)控能力的技術(shù)把控手段。本研究用其分析軌道交通現(xiàn)狀客流特征和運營線網(wǎng)存在的問題并加以優(yōu)化，提供可量化、可追蹤、科學(xué)合理的數(shù)據(jù)支撐，是對傳統(tǒng)定性研究方式的一次創(chuàng)新，所獲得的研究成果對提升軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃水平和運營管理水平具有重要的理論和現(xiàn)實意義。