都市圈客运交通模型技术框架研究：以西安都市圈为例

发展和壮大都市圈是中国“十四五”时期深入推进新型城镇化战略的重要建设内容，交通将发挥重要的引领作用。当前都市圈交通规划还存在一些关键问题，需借助交通模型进行深入研究，例如空间尺度、交通发展模式和规模、交通运输网络布局和衔接等。但与城市、城际等交通模型相比，都市圈交通模型研究较为薄弱。国内已建的一些都市圈交通模型只是在城市交通模型基础上简单扩大了研究空间范围，补充了区域交通运输网络。实际上两类模型存在明显差异，需尽快开展都市圈交通模型的专项研究。文献[1]对纽约、伦敦、东京、巴黎4个国际大都市圈的人口和就业岗位、小汽车保有量、通勤出行及主要交通方式出行分布、交通运输网络规模结构及交通系统运行状况等客运交通特征进行了对比分析。文献[2]介绍了纽约大都市交通模型的研究范围、人口规模、交通小区数量和交通运输网络等基本情况。文献[3]较早提出了上海大都市180 min交流圈和90 min通勤圈的“双圈战略”。文献[4]介绍了上海大区域交通模型的框架结构、主要交通方式OD及公路流量分配模型研制过程。张福勇 等 ^[5] 介绍了大广州交通模型系统的区域层次、应用结构与模型整合。上述国外文献主要对都市圈交通需求特征进行了描述，但缺少规律性总结。国内文献主要针对城市群交通模型，但缺少对都市圈交通模型的系统性研究。本文对都市圈交通模型特征进行初步归纳，并在此基础上提出都市圈客运交通模型的技术框架要点和模型体系架构。

都市圈客运交通模型与城市客运交通模型在交通需求产生根源、交通运输网络连通性等关键特征方面存在显著差异。

城市交通需求的产生根源是城市用地开发带来人口和就业岗位集聚并引发各类社会经济活动。上班、上学、日常生活(日用品采购、就餐、加油等)等目的的出行是保障城市生产生活正常运行的刚性出行，占工作日城市交通的主体。刚性出行的产生根源与人口结构、用地布局等密切相关，出行频率、空间分布等特征在一段时期内较为稳定；而交通方式选择受交通工具、交通政策和交通运行水平等影响较大，存在一定的多变性。因此城市客运交通模型常采用四阶段建模技术框架，各阶段相对独立，出行生成和出行分布多采用集计方法，出行方式选择多采用离散方法。

都市圈交通需求产生根源是都市圈中心城市与周边城镇的社会经济联系不断加强，交通设施服务水平不断提高，吸引了周边城镇的部分居民前往中心城市工作(但居住地不变)，或者中心城市的部分居民前往周边城镇居住(但工作地不变)，从而产生大量的城际通勤交通需求。例如东京都市圈每天超过300万人进入东京区部(中心城区)上班 ^[6] 。都市圈交通需求的产生是社会经济、城镇体系、土地利用、交通设施等多种相关因素共同作用的结果，且都市圈通勤与城市通勤存在相互竞争关系，因此都市圈交通需求在产生根源方面存在一定的不确定性。

在城市内部大多数情况下可采用单一方式独立完成一次出行(两端步行不计)，只有一部分采用城市轨道交通、快速公共汽车、有轨电车等作为主要交通方式的出行，还需与其他交通方式共同完成一次出行。因此，城市交通运输网络建模比较注重单系统网络内部的连通性，各系统网络之间的连通性要求不高，既可以相互连接，也可以相互隔离。例如，城市轨道交通线网既可直接与交通小区相连，也可先与道路网相连、再与交通小区相连；公共汽车线网既可基于路网构建，也可单独构建。

文献[7]针对现代化都市圈建设明确提出构建以轨道交通为骨干的通勤圈，推动干线铁路、城际铁路、市域(郊)铁路、城市轨道交通“四网融合”。多方式组合出行成为都市圈交通的主体。因此，都市圈交通运输网络的连通性要求较城市交通更加复杂，不仅需关注单系统网络内部的连通性，还需要研究各系统网络之间、各层级网络之间的衔接。

由于两类模型在上述两个关键特征方面的差异，都市圈客运交通模型构建不能只是基于城市客运交通模型进行简单的拓展，而是首先需要结合现阶段都市圈发展阶段特点对模型技术框架进行整体设计，并基于技术框架开展系统性建模研究。

现阶段都市圈客运交通模型的技术框架设计应面向都市圈处于培育期或快速发展期的特点进行整体设计，主要设计内容包括研究空间范围、出行空间结构、交通需求分析技术流程、综合交通运输网络拓扑结构和模型体系架构等。

界定研究空间范围是建模的首要问题。都市圈空间范围的界定方法与城市交通有显著不同。城市交通研究空间范围主要依据城市建设用地规划，在规划期内较为稳定。而都市圈发展受超大城市中心城区的城市功能或产业功能外溢推动，其空间范围在不同发展阶段也不相同。常用的都市圈空间尺度度量方法包括时间、距离、通勤出行比例等。文献[7]提出以1小时通勤圈为现代化都市圈的基本范围；东京以东京火车站为中心、通勤半径50 km作为东京都市圈的基本范围 ^[8] ；蔡润林 ^[9] 认为半径50 km和1 h为都市圈商务圈层范围，半径30 km和1 h门到门为都市圈通勤圈层范围；伦敦都市圈的通勤区(大伦敦之外的英格兰东南地区，约8 800 km ² )内至少有10%的居民前往大伦敦(M25高速公路环线以内地区)上班 ^[1] 。

不同方法计算的空间范围会存在一定的差异，可利用交通模型技术进行详细测算和比选，例如时间尺度中的各部分(步行、等待、换乘、车内等)出行时间权重如何取值，距离尺度是采用哪一种距离计算方法(直线距离、最短路距离或多路径加权距离等)，通勤出行比例尺度是采用哪一种统计口径(常住人口、适龄劳动人口或通勤出行量等)。从都市圈交通需求产生根源分析的角度来看，采用通勤出行比例尺度更能够反映中心城市与周边城镇的社会经济联系紧密程度，分析都市圈城际通勤与城市通勤的相互关系，为合理测算都市圈出行规模和交通设施规模提供基本依据。距离或时间尺度可与通勤出行比例尺度进行相互佐证。

都市圈范围覆盖面积较广、城镇较多、人口规模较大，出行类型多样，交通网络结构复杂。例如东京都市圈包括东京都和琦玉县、千叶县、神奈川县、茨城县的部分地区，总面积约1万km ² ，人口约3 200万人 ^[8] 。因此，为加强都市圈不同区域交通特征的差异性分析，还常将都市圈划分为若干个地带。例如文献[1]将都市圈范围划分为中心区、外围区和通勤区，中心区是指中央商务区、金融区、政府机构、公司总部等集中区域，外围区是居住为主地区，中心区和外围区构成中心城区，通勤区是指产生大量前往中心城区通勤客流的周边城镇。考虑到中国城市行政管辖范围特点，可将都市圈划分为中心区、郊区和通勤区等，中心城区和郊区属于中心城市的市域范围，通勤区是指都市圈以内、中心城市市域范围之外的其他地区。

不同地带的都市圈通勤出行比例、交通需求规模及交通结构等特征具有一定差异性。都市圈出行空间分布呈现明显的向心特征和圈层特征，即通勤者的居住地距离中心区越近，向心交通设施越发达，向心力越强，选择前往中心城区上班的通勤者比例越多；反之离心力越强，选择前往中心城区上班的通勤者比例越少。

交通需求分析技术流程用于解析都市圈交通需求产生成因，得到通勤出行比例、交通需求规模、出行分布、出行距离(或时间)、交通结构等基本特征。由于都市圈需求能否产生以及产生规模存在一定的不确定性，因此需综合中心城市与腹地城镇的社会经济联系强度、城镇和产业空间布局、出行成本、交通运行服务水平等相关影响因素，对出行频率、出行行程、出行方式等需求特征进行统筹分析，宜采用一体化技术流程 ^[10] (见图1)。

图1 都市圈交通需求分析技术流程示意

其中，出行频率决策是对都市圈交通需求是否产生及产生规模进行分析，包括出行目的、频率、时段和同行人数等内容；出行目的分析可根据都市圈交通需求构成比例进行划分，例如上班、业务、其他；出行频率分析可按照不同目的的活动强度进行分组，例如0次、1次、≥2次，频率周期可以日或周等为单位。出行行程决策是对都市圈交通时空活动范围和方式进行分析，包括出行主要目的地、中途停留地和停留次数、区域交通主方式及城市交通辅助方式等内容，可采用聚类、场强等大数据技术进行识别，并按照规划需求将都市圈进一步细分为CBD、中心区、外围区、新城等区域。出行方式决策是对都市圈交通主方式和辅助方式进行分析，主方式是指铁路、市域轨道交通快线、公路长途客车(班车)、私人小客车等区域交通方式，辅助方式是指衔接主方式的城市交通方式，包括城市轨道交通、公共汽车、出租汽车(网约车)、私人小客车、非机动车等。

都市圈交通具有区域交通方式与城市交通方式组合完成一次出行的普遍特性，因此都市圈交通规划宜注重综合交通运输网络一体化研究。然而，一些都市圈偏重于轨道交通系统网络规划研究，缺少综合交通运输网络布局和协调关系的整体性研究，对公路网基础作用、综合交通枢纽衔接作用等重视程度有待进一步加强。建模时宜注重综合交通运输网络的连通性设计，梳理各系统网络之间、系统内各层级网络之间、网络与通道之间、网络与枢纽之间等拓扑关系 ^[11] (见图2)；细化枢纽与网络之间的连通关系，例如可将枢纽内部单作为一个小型交通网络，换乘流线、换乘通道等设计为路段(或线段)，各类站台、停车场、候车区、出入口及安检票检等区域设计为节点(或站点)，从而可以对各种交通方式在枢纽内的换乘时间、距离、费用和安全等进行详细分析，进一步增强枢纽衔接能力研究，体现枢纽在综合交通运输网络中的中枢作用。

图2 都市圈综合交通运输网络连通拓扑结构示意

模型体系可设计为交通出行模型和交通系统模型双层架构。交通出行模型用于都市圈交通出行需求分析预测，可基于都市圈出行空间结构进一步划分为中心城区交通出行模型、郊区交通出行模型、通勤区交通出行模型和对外交通出行模型等。其中，中心城区交通出行模型和郊区交通出行模型可与城市客运交通模型进行对接或转换。通勤区交通出行模型可基于都市圈交通需求分析技术流程进行构建，细分为出行频率选择模型、出行行程选择模型、出行方式选择模型等，并采用非集计模型技术进行一体化构建。其技术难点是一体化分层结构设计、效用函数设计和参数估值等，效用函数需统筹考虑社会经济联系强度、出行者属性、出行成本(时间、费用等)和交通运行服务水平(发车间隔、准点率、拥挤度等)因子。对外交通出行模型用于研究中心城区与都市圈外部区域的交通联系特征。

交通系统模型用于研究交通设施规模与结构、交通承载力、交通量(客运量)、交通运输系统服务水平等，可细分为城市道路/公路网、铁路线网、城市轨道交通线网、公共汽车线网等多个交通系统模型和综合交通枢纽模型，各系统网络可通过综合交通枢纽模型等进行连通。综合交通枢纽模型分为宏观和微观两个模型，宏观模型用于研究枢纽在多层次交通运输网络中的总体换乘效率，包括换乘系统容量、平均换乘距离和时间等；微观模型用于研究枢纽内部的换乘组织效率，包括换乘流线、换乘通道、换乘客流规模、换乘距离和时间、有序度和拥挤度等 ^[12] 。交通系统模型在市域范围内可与城市客运交通模型进行对接或转换。交通出行模型与交通系统模型之间通过出行OD表/行程表、出行成本表等进行数据交换和迭代运算。都市圈客运交通模型体系框架如图3所示。

图3 都市圈客运交通模型体系框架

西安都市圈综合交通模型是在西安市综合交通模型基础上进行的全面提升。西安市综合交通模型于2011年为支撑西安市综合交通规划编制而建立，历经10年持续发展，基础数据不断丰富，研究范围逐步扩大，功能技术不断优化，应用能力不断增强，在城市规划、交通规划、交通工程、交通政策等领域发挥了重要的模型技术支撑作用。为进一步贯彻落实科技创新、交通强国等发展战略，更好地支撑西安都市圈现代化综合交通体系建设、西安市国土空间规划编制、中心城区交通精细化治理和国际古都旅游城市建设等重大研究，2019—2020年西安市将现有模型全面提升为西安都市圈综合交通模型，包括客运交通模型和货车模型。

西安都市圈综合交通模型的研究范围从西安市域拓展到西安都市圈约2万km ² ，包括西安市全域(含西咸新区)以及咸阳市、铜川市、渭南市三市部分区县和杨凌示范区(见图4)；基础年限从2012年更新至2020年，预测年限从2020年延伸至2025年和2035年；常住人口约1 800万人。基础数据在常规人工调查基础上补充了覆盖都市圈范围的手机信令、货车GPS、公路交通量、城市综合客运枢纽客运量等数据。通过对多源数据的融合扩样，系统性梳理西安都市圈交通需求特征、交通出行类型(包括常态交通出行和旅游交通出行)，并重新构建模型体系架构和重点研发都市圈人员出行模型。交通小区总规模达到2 600个。

图4 西安都市圈综合交通模型研究范围

西安都市圈综合交通模型充分利用大数据、人工调查和资料收集等多源基础数据对西安都市圈人口职住分布、跨区出行OD等进行综合扩样(见图5)。主要数据资源包括1万户家庭出行调查数据、1万名个人出行调查数据(高校、旅馆、交通枢纽、景区、地铁等)、1 900万手机用户信令数据(移动、联通)、180个路段交通视频数据、1万辆出租汽车GPS数据、3万辆货车GPS数据、4 700辆公共汽车刷卡数据、350个高速公路收费站数据、100个地铁车站检票数据、2 000个公共自行车服务点数据、80万份共享单车订单数据以及土地利用、交通设施、机动车保有量、实有人口、公交运营、对外交通等统计数据。

图5 基于多源数据融合技术的出行扩样流程

西安都市圈综合交通模型的出行研究类型包括常态交通出行和旅游交通出行两大类。总体框架分为交通出行模型和交通系统模型两层(见图6)。交通出行模型包括人员出行、货车出行和景区游客出行等模型，其中人员出行模型按照都市圈出行空间结构特点进一步分为都市圈出行、都市区出行、中心城区出行等模型 ^[13] 。交通系统模型包括道路交通、公共交通、综合交通枢纽等模型。城市道路及公路网总长度达到1.3万km，包括近2万个路段和1.3万个节点，公共交通线网包括高速铁路、城际铁路、长途汽车、城市轨道交通和公共汽车等，线路总长度达到0.9万km，包括500多条线路和近2万个车站。

图6 西安都市圈综合交通模型框架结构

都市圈人员出行模型是本次重点研制模型，主要研究对象是都市圈内进入都市区、中心城区的向心出行需求。向心出行目的分为通勤、非通勤两大类，主方式包括轨道交通(城际铁路、市域铁路、城市轨道交通等)、长途客车、社会客车等三种，并通过综合交通枢纽与都市区、中心城区等市内交通方式进行衔接转换。利用多源数据对都市圈人口分布(见图7)、就业岗位分布及向心出行特征进行挖掘分析，可知在现状都市圈内进出都市区(含中心城区)的日均出行量约为39万人次·d ^-1 ，其中社会客车占90.0%、长途客车占7.7%、轨道交通占2.3%；进出中心城区的日均出行量约为26万人次·d ^-1 ，其中社会客车占86.7%、长途客车占6.6%、轨道交通占6.7%。

图7 西安都市圈常住人口分布

都市圈人员出行模型结构采用都市圈交通需求一体化技术流程，由出行频率选择、出行目的地选择、出行主方式选择及出行时段选择等模型组成。出行频率选择模型用于研究都市圈内进入都市区、中心城区的向心出行频率的选择概率，选择肢类型包括出行目的、目的地类型、出行频率(0次，1次，≥2次)等。出行目的地选择模型用于研究向心出行目的地的选择概率，按出行目的分类。出行主方式选择模型用于研究向心出行的主方式选择概率，按出行目的分类，出行主方式数据表通过火车站、长途客运站等交通枢纽节点数据与都市区出行模型、中心城区出行模型的市内交通方式数据表建立对应关系。上述选择模型的效用函数设计统一考虑空间布局、城镇体系、产业布局、区位、就业岗位、出行成本等变量。

西安都市圈综合交通模型在都市圈国土空间规划、轨道交通线网规划、快速路网规划等重大项目编制研究中发挥了重要技术支撑作用，主要应用内容包括都市圈城镇空间范围识别、功能组团关联度识别、区域产业布局优化分析、交通通道识别和需求量级分析、综合交通枢纽布局方案测试、交通设施承载力分析等，并针对人口和就业岗位规模和分布、小汽车保有量、交通基础设施建设规模、公共交通服务水平和交通政策等未来多情景变化趋势下的规划目标实现程度进行了多方案预测。

都市圈交通特征比城市错综复杂，更需要借助交通模型为交通规划建设提供数字化智能化技术支撑。随着中国现代化都市圈加快培育发展，尽快开展都市圈交通模型系统性研究具有十分重要的意义。都市圈交通模型研究的首要环节是技术框架设计，应注意与都市圈所处的历史发展阶段相适应，与当前都市圈交通规划建设研究重点相一致，同时平衡好模型先进性和可用性、可维护性的关系，并在应用中不断完善和提升模型的科学水平。