城市轨道交通网络化进程中客流特征及成长规律研究

城市轨道交通网络化进程中客流特征及成长规律研究

考虑到快速市场和机械化的挑战，近年来中国城市轨道交通建设进入了快速发展阶段。截至2012年底,中国城市轨道交通运营里程达到2008km,轨道交通网络规模排在前列的北京、上海、广州、深圳4个城市运营里程均超过150km,4个城市轨道交通系统总规模达到1278.5km,占中国城市轨道交通运营里程的50%以上,率先进入城市轨道交通网络化运营阶段。未来中国必将有更多大城市陆续进入网络化运营阶段,因此,总结城市轨道交通网络化进程中的客流特征及客流成长规律,对于今后进一步把握客流发展趋势、提高城市轨道交通规划设计与运营管理水平具有重要作用。1线网主要指标截至2012年底,北京、上海、广州、深圳4个城市轨道交通线网主要指标如表1所示。随着城市轨道交通网络化进程的发展,客流特征呈现不断变化的趋势,本文以近几年客流监测数据为基础对主要规律进行总结。1.1网络化进程对表现伴随线网规模不断扩大,4个城市轨道交通客运量均呈持续高速上涨趋势,尤其是2005—2013年,4个城市轨道交通客运量平均年增速均在20%以上。但各个城市轨道交通客运量的发展变化也存在差异:北京市城区骨干线路开通后便有较高的客流水平,而郊区线路一般要经历3~5年的客流培育期;上海市城区线路客运量增长明显快于市郊线路,环线客运量增长速度一般比其他线路快;广州市骨干线路以及中心城区承担通勤功能为主的线路客运量增长较快,而外围郊区线路(4号线)和城际线路(广佛线)增长比较缓慢,初期客流非常小,主要受沿线土地开发进程和开发强度的影响。2013年轨道交通客运强度(除深圳市)均在1.5万人次·d-1·km-1以上,其中北京、广州均超过2万人次·d-1·km-1。网络化进程中不同类型新线加入会引起全网客运强度起伏波动,但客运强度总体仍呈现持续增长的发展态势。通常情况下,郊区线或辅助线的加入会促使全网客运强度短时期下滑,而骨干线路(尤其是环线)的加入则会迅速拉升全网客运强度。例如2002年北京市轨道交通运营里程为54km,只有地铁1号线和2号线在运营,客运强度高达2.43万人次·d-1·km-1,而2003年地铁八通线和13号线开通、2010年地铁昌平线等5条郊区线路开通都促使线网客运强度快速下滑,但总体上客运强度仍呈持续增长趋势(见图1)。1.2该段客流分布形式和变化规律1早高峰时段断面客流图2为北京市轨道交通部分线路全日和早高峰小时断面客流量,二者分布规律呈现明显差异,全日断面客流量分布在不同区间的双方向流量值基本均衡,断面客流量分布形态总体呈“锥”形或“哑铃”形。早高峰小时断面客流量分布呈现明显的方向不均衡性,双方向断面最大客流量出现区间和形态分布差异均十分明显,各方向断面客流量呈现从始发车站累计增长的趋势,一般在第一个换乘车站出现衰减现象,表明城市轨道交通网络化进程中线路间换乘关系的变化对断面客流量分布(尤其是断面最大客流量出现区间)及量级大小的影响非常显著。此外,不同类型线路(例如环线与放射线)断面客流量分布形态也有极大差异,就环线而言(例如北京市地铁2号线),其断面客流量通常呈较为均衡的形态。2线路断面形态发生明显变化城市轨道交通网络化进程中,随着新线加入、换乘车站增加,乘客出行路径选择会发生明显变化,直接影响断面客流量分布形态和流量值。如图3所示,北京市地铁10号线和上海市地铁2号线由于线路延伸,其断面客流量形态、断面最大客流量出现区间及流量值等均发生明显变化。即使是线路起讫点未发生变化的既有线路,断面客流量形态也会因线网规模扩展等因素发生变化。例如北京市地铁5号线2007年高峰小时北向南方向断面最大客流量出现在和平里北街至雍和宫区间,客流量为2.08万人次·h-1,南向北方向断面最大客流量出现在磁器口至崇文门区间,客流量为1.91万人次·h-1。2013年高峰小时北向南方向断面最大客流量向北移至惠新西街北口至惠新西街南口区间,客流量增至4.3万人次·h-1,这主要是由于地铁10号线开通,大量客流在惠新西街南口站由5号线换入10号线所致。同时,南向北方向也发生明显变化。上述分析表明在城市轨道交通网络化进程中,随着新线加入和沿线用地开发,既有线路断面客流量分布形态、断面最大客流量出现区间及流量值均可能发生变化。1.3个城市换乘系数的基本变化伴随线网规模的扩展,换乘需求增长十分迅猛,以北京市轨道交通线网为例,2005—2013年,线网换乘量年均增长率达29.1%,明显超过客运量年均增长率(22.5%)。线网换乘系数从2000年1.31增长至2013年1.82。同样,上海、广州轨道交通线网换乘系数也呈现随线网规模的扩展不断增长的趋势。总结4个城市换乘系数的发展变化规律得出:1)城市轨道交通线网由双线运营至网络化运营初期(一般为5条线路左右),换乘系数增长十分明显,例如北京市2000年双线运营时换乘系数为1.31,2007年线网规模达到5条线路,换乘系数增至1.72(见表2);广州市2004年双线运营至2012年9线运营,换乘数数由1.26增至1.65(见表3)。2)网络化运营进一步向成熟期过渡期间,换乘系数仍持续增长,但增速明显放缓。北京市2007—2013年,虽然轨道交通运营里程由142km发展为456km,但换乘系数仅由1.72增至1.82。1.4线路网的平均距离继续增加，线路的平均距离继续降低1轨道交通线网平均乘距逐年递增总体而言,城市轨道交通线网平均乘距(乘客一次出行在轨道交通网络内的乘车行程距离)随线网规模不断扩大呈持续上升趋势。北京市轨道交通线网平均乘距由2005年11.5km增至2013年17.3km;上海市由2008年不足12km增至2013年超过14km;广州市由2001年(单线运营阶段)6.8km增至2012年11.24km,增长近一倍。随着城市规模的扩大,居民平均出行距离和城市轨道交通线网平均乘距均不断延长,而轨道交通线网平均乘距无论从绝对量还是增速上均高于居民平均出行距离。北京市2000—2010年,居民平均出行距离(不含步行)由8km增至10.6km,年均递增2.9%;同期,城市轨道交通线网平均乘距由10.2km增至15.5km,年均递增4.3%。上海市2004—2009年居民平均出行距离由6.2km增至6.5km,而轨道交通线网平均乘距由不足10km增至13.4km。2运距运距特征与线网平均乘距不断增长相反,各线路平均运距总体呈缩减趋势。从2005年开始,上海市轨道交通网络化扩展过程中地铁1号线、3号线平均运距基本没有变化,至2013年,地铁1号线和3号线平均运距均从约11km下降至约9km;北京市地铁1,2,4,5号线等骨干线路,以及八通线、13号线等郊区线路近几年平均运距总体也呈现逐年缩减趋势,2007年1,2,5号线、八通线和13号线平均运距分别为8.93km、6.04km、9.05km、10.39km和13.43km,到2013年分别减至8.00km、5.30km、8.20km、9.99km和11.83km,4号线2010年开通时平均运距为7.60km,2012年由于线路向大兴延伸平均运距呈现一定幅度的增长,达到10.12km,2013年又小幅下降至8.8km。1.5北京地铁5号线法定站公众单次市场时期在城市轨道交通网络化进程中,线网覆盖面积不断增加,对客流的吸引范围增大,线网和单线客流时间分布特征随之发生变化。2007—2012年北京市轨道交通线网日均进站量由300万人次·d-1上升至402万人次·d-1,增长显著,但早晚高峰小时进站量占全日比例均下降1个百分点(见图4)。同期,北京市地铁5号线日均进站量由47.9万人次·d-1上升至57.3万人次·d-1,尤其在早高峰增加显著,由5.8万人次·h-1上升至8.6万人次·h-1,占5号线全日进站量比例由12%上升至15%;而晚高峰增加较少,最高值仅从5.5万人次·h-1上升至5.6万人次·h-1,占全日进站量比例由11%下降至9%。2004—2013年,上海市地铁1号线日均进站量由58.2万人次·d-1上升至75.3万人次·d-1,早晚高峰最高进站量分别由7.9万人次·h-1和6.2万人次·h-1上升至9.1万人次·h-1和7.6万人次·h-1,但早晚高峰占全日进站量比例略有下降,最高进站量分别从13.6%和11.5%下降至12%和10%,且早晚高峰时间提前并延长1h。上述结果表明在城市轨道交通网络化进程中,全网和线路的日均进站量尤其是早高峰进站量通常会有所增加,但高峰小时进站量占全日进站量的比例会发生变化,且早晚高峰变化规律并不相同。1.6线路客运量过短城市轨道交通网络化进程中,线路的分段开通、延伸及拆分都会对线路客运量产生影响,若初期开通距离过短,会导致线路吸引力降低,进而影响运营效益;同样,线路过分延长形成的超长线路不利于运营组织,也会影响线路服务水平。1线路客观条件北京市地铁9号线、8号线,深圳市地铁4号线,广州市地铁2号线和上海市地铁13号线开通初期线路里程过短,分别为11.7km、4.5km、3.5km、8.9km和9.0km,这些线路在开通年客运强度普遍偏低,除北京市地铁8号线(服务于奥体公园的线路,2008年开通时客运强度超过1.5万人次·d-1·km-1)外均不超过0.7万人次·d-1·km-1,运营效益较差。即使在开通运营3~4年后,除北京市地铁9号线、广州市地铁2号线在第二年开通运营二期工程外,其余3条线路客运强度仍然低于1万人次·d-1·km-1,明显低于中心城区其他骨干线路,见图5。相比之下,北京市地铁10号线虽然也是分期开工、分期投入运营的线路,但因其一期工程线路较长,达到24.7km,开通初期客运强度就达到1.9万人次·d-1·km-1,并在后续客流培育过程中不断上升。2线路客观组织如图6所示,上海市地铁2号线、北京市地铁4号线-大兴线线路长度分别由2009年25.2km和2010年28.2km延长至2010年60km和2011年50km,客运强度分别由3.4万人次·d-1·km-1和3.1万人次·d-1·km-1下降至1.7万人次·d-1·km-1和2.0万人次·d-1·km-1。这表明中心城区轨道交通骨干线路向郊区不断延伸,会导致线路客运强度明显下降、运营效益降低。此外,由于超长线路在城区与郊区部分的客流规模存在较大差异,需要组织多交路运行,这不仅增大列车运行组织难度,也会降低线路服务水平(尤其是外围区段的服务水平)。因此,建议中心城区骨干线路不超过40km,且尽量避免在郊区延伸。1.7不同类型铁路的客流特征明显不同1街区线路客运量增长规律不同类型线路的客运量及客运强度存在显著差异,城区骨干线路客运强度明显高于郊区线路,这主要由两方面原因引起:1)随着城市轨道交通网络化发展,城区线路的换乘车站和换乘线路增多,客运量受网络化影响增长较快;2)城区线路沿线土地开发较为成熟,且密度一般高于郊区线路沿线,其直接吸引范围内潜在客流高于郊区线路。北京市轨道交通线网中郊区线包括八通线、13号线、房山线、亦庄线、15号线等,开通初期客运强度均不超过1万人次·d-1·km-1,经过3~4年客流培育后,客运量虽有所增长,但与城区骨干线路相比仍然存在较大差距。另外3个城市的轨道交通网络也呈现郊区线路客运强度远低于城区骨干线路的特征,且客运量增速缓慢(广州市地铁4号线尤为甚之)。因此,对于具有引导城市拓展功能的郊区线路,如何处理好沿线土地开发规模和强度与轨道交通运能适配关系以及土地开发进程与轨道交通建设同步协调至关重要。此外,还要注意这类线路与市区轨道交通网络的衔接关系,并认真考虑换乘车站的能力匹配,合理选择起讫点。2方向不均衡系数高峰时段不同类型轨道交通线路方向不均衡性存在明显差异,连接郊区新城的市郊线路(如北京市地铁八通线、上海市地铁11号线)方向不均衡系数(双向进站客流量比值)超过1:4,而一般市区线路均在1:1.2以内。受线路运能、系统制式和服务区域等因素影响,高峰时段不同类型线路满载率存在明显差异,例如北京市虽然有10条轨道交通线路客流量最大断面满载率超过100%,但仍有部分线路高峰时段满载率不足50%。3铜线运行效率对比北京、上海共有3条轨道交通环线(北京市地铁2号线、10号线,上海市地铁4号线)投入运营,与其他线路对比来看,环线具有随网络扩大客流增速较快、断面客流量波动较小、平均运距相对较短的特点,同时环线的客运强度、换乘量及途经客流相对较大,这些特点表明环线在轨道交通网络中的衔接功能非常明显,对于强化全网各线路间整体联通性起到十分重要的作用,因此,提高环线的运行效率和服务水平对于发挥线网总体运营效率具有更明显的作用。2客流特征变化的主要影响因素2.1土地利用影响客运量随着城市轨道交通网络化发展,轨道交通车站直接覆盖人口数量呈现快速增长的发展态势。北京市轨道交通车站周边1km半径覆盖的人口由2000年81万人增长至2012年976万人(见表4),年均递增23%,大幅超过在此期间全市和六环快速路内常住人口的年均增速。受此影响,轨道交通日均客运量由2000年119万人次·d-1增长至2010年518万人次·d-1,年均递增16%。由此可见,轨道交通线路周边土地利用及其开发强度直接影响客运量。轨道交通车站周边土地利用也直接影响车站客流的时间分布特征。例如,广州市轨道交通车站依周边用地性质主要分为居住、办公、商业、枢纽四类;除广州市的四类车站外,北京市还涉及场站类、混合类和高校类车站。不同类型车站进(出)站客流出现的高峰时段和高峰小时系数不同,如居住类车站进站高峰一般出现在早高峰时段,高峰小时系数一般在20%以上,个别车站高峰小时系数超过30%,例如北京市地铁8号线霍营站为38%、地铁13号线回龙观站为33%。2.2北京轨道交通现状由于线网发展水平、城市规模以及居民出行特征等差异,北京、上海、广州、深圳4个城市的线网运营水平有所不同(见表5)。北京市轨道交通客运量、换乘量、出行量、平均乘距、客运周转量等指标均高于其他3个城市,尤其是线网负荷强度,北京市分别比上海、广州和深圳高49%,41%和63%。可以看出,北京和上海城市规模、线网长度相差不多,两个城市轨道交通承担的实际出行量规模大致为一个量级,而广州、深圳由于线网规模和城市人口与北京、上海存在一定差距,导致轨道交通出行量规模明显较低。2.3线路服务2.3.1启动间隔为总结城市轨道交通发车间隔调整后客运量的变化情况,以北京市为例进行分析(见表6)并总结主要规律。1地铁5号线最小发酵间隔调整各条轨道交通线路在发车间隔缩短后,工作日日均客运量均有所增加,说明轨道交通需求仍然超过供给能力。最明显的是2008年7月地铁5号线经过两次发车间隔调整,最小发车间隔由4min缩短至3min,客运量增加13万人次·d-1。其次是2011年2月地铁13号线最小发车间隔缩短20s后,日均客运量增加近7万人次·d-1。增幅最小的是2011年4月地铁1号线最小发车间隔缩短10s后,日均客运量增加不足1000人次·d-1。2线路发酵间隔发车间隔临界值大致为3~4min,低于临界值的发车间隔调整对客流的影响愈来愈小。由表5可以看出,在线路发车间隔已经很小的情况下继续缩减发车间隔,线路日均客运量增长幅度有限。对北京市轨道交通历次发车间隔调整后的客运量进行统计显示,当线路发车间隔小于3min时,再次调整发车间隔后日均客运量对于发车间隔的敏感程度明显降低。33不同区域的调整速度不同2.3.2强化线路满率与服务质量由于对客流成长规律缺乏足够认识,加之既有线路受建设年代条件制约,北京市已有10条轨道交通干线出现运力严重不足的局面。现有42个常态限流车站中,绝大部分车站最重要的限流原因是受高峰时段线路运能的影响,这不仅严重降低了轨道交通吸引力,也严重抑制了轨道交通在城市客运交通中骨干作用和缓解交通拥堵作用的发挥。另外,高峰与平峰时段线路满载率与服务水平问题也应得到充分关注。以北京市地铁5号线为例,高峰时段断面最大客流量为4.3万人次·h-1,发车间隔为2min30s,满载率超过120%;平峰时段断面最大客流量仅为0.7万人次·h-1,即使发车间隔延长至4min30s,满载率也刚刚达到40%。地铁5号线是北京市中心城区的骨干线路,高峰与平峰时段线路满载率仍存在巨大落差,如果现阶段仅靠发车间隔调整来平衡运能与客运量,无疑是以牺牲平峰时段的服务水平为代价。建议北京市采取多样化的运营组织模式,逐步转变仅靠延长平峰时段发车间隔来平衡运能与客运量的单一方法。2.4地铁5号线客运量对比分析票制票价是影响客流水平的另一个最主要因素。北京市历经两次轨道交通票制票价改革:2003年实施换乘收费和2007年10月调整为全网一票制。两次调整后对客运量均有一定程度影响,第一次调整实施换乘收费后,2003年全年线网客运量(在2003年地铁八通线和13号线投入运营的背景下)比2002年降低2%;第二次调整为全网一票制,既有线路(地铁1号线、2号线、13号线、八通线)在调整后一个月内日均客运量比调整前增长近15%。上海市地铁5号线开通初期与地铁1号线分属两个独立公司运营,未实行网络化连续计费票制,即乘客从地铁5号线下车后必须先出站重新购票再进入地铁1号线,反之亦然。2005年12月,地铁1号线和5号线在莘庄站实施付费区内换乘,享受网络化连续计费,地铁5号线客运量增长一倍以上。上述案例分析提供两点启示:1)票价提高短期内会减弱城市轨道交通的吸引力,进而使线路客运量显著降低;2)网络化票制方案既使乘客享受付费区内免费换乘,又能合理配置运力资源,有助于提高城市轨道交通的运行效率和客流吸引力。2.5公共交通衔接程度城市轨道交通进(出)站衔接方式构成中,步行占据绝对主导地位,北京和上海市步行衔接比例均达到60%以上,表明轨道交通对沿线居民的的吸引力最大。除步行外,公共汽车和自行车衔接比例也相对较大,北京和上海均在25%左右。公共汽车衔接程度会显著影响轨道交通客运量,尤其是外围地区。北京市地铁八通线、13号线在运营初期公共汽车衔接水平比较落后,导致运营效益较低。3警告和建议3.1线网客流条件城市轨道交通客流量与沿线土地开发密切相关。时至今日,北京、上海等城市轨道交通有超过60%的客流直接来源于沿线步行范围内。对于城市拓展线路,若要保持较高的客流水平,就要保证沿线土地开发与城市轨道交通规划、建设同步进行。车站周边高强度的开发可促进轨道交通与沿线土地发展的双赢,同时也有助于轨道交通保持较高的运营服务水平。3.2合理影响统一行车间隔发车间隔、线路运能等涉及线路服务水平的因素显著影响城市轨道交通的运营效益。当线路发车间隔小于3min时,日客运量对于发车间隔调整的敏感程度明显降低,这同时也印证了轨道交通发车间隔大于3min时,将显著影响运营服务水平。因此,建议市区骨干线路运营初期高峰时段发车间隔应不超过3~4min,平峰时段尽量不要超过5min;郊区线路高峰时段尽量不超过5min。3.3平峰、强化补运平峰与高峰时段客流水平存在明显差异,以往的列车运行组织方式仅靠调整平峰、高峰的发车间隔来平衡运能与客运量,这种做法无疑是以牺牲服务水平为代价。随着轨道交通在综合交通中骨干作用日益凸显,城市可逐步尝试不同列车编组、大小交路、快慢混跑及不同发车间隔等多模式的运行组织方式。3.4保证客流吸引力对于分期建设线路,若要分段开通运营,建议至少应保持15km左右的运营长度,以保证一定的客流吸引力。此外,还要注意新线分段开通时应与既有轨道交通线网良好衔接,尽量避免出现半径线(线路一端断在中心城区且与其他轨道交通线路无法换乘),避免给已运营线路造成较大客流压力。3.5不同区段客流级不匹配北京、上海等城市已经出现投入运营的轨道交通超长线路(如北京市地铁4号线和上海市地铁2号线),从运营效果看,这类线路往往存在不同区段客流量级不匹配的问题,这不仅影响市区既有骨干线路的运营效益、为运营组织带来不便,也严重影响轨道交通的服务水平和吸引力。建议中心城区骨干线路不超过40km。3.6客流指标值预测尽管城市轨道交通客流预测受各种客观条件限制,难以达到预期理想水准,但也并非无完善余地。结合论文分析内容,以“精细化”与“个性化”(即注重线路与车站属性的差异)为改进方向,对进一步提升客流预测水平提出建议:1)客流成长曲线因线路而异,且受不同时期线网构成的变化、票制票价水平以及线路服务水平的影响,应反映实际成网过程中的波动性。2)应摒弃全网采用同一高峰时段预测不同客流指标值的传统做法。由于车站类型不同,各车站进(出)站客流的高峰