基于自行車換乘地鐵的網(wǎng)絡(luò)時空可達性

張 翔， 何保紅， 王雨佳， 郭 淼， 王擎蒼

(昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院， 云南 昆明 650500)

城市交通作為“個體”獲得“機會”的中間介質(zhì)，是通過系統(tǒng)內(nèi)部各交通方式為出行者提供可達性服務(wù)的。其中，自行車換乘地鐵作為一種特殊的組合方式，因兼具機動性和可達性的雙重優(yōu)勢，被認為是小汽車交通的有效替代方式。Kager[1]等人研究認為，地鐵的高速、大容量和自行車的靈活優(yōu)勢互補，與個人機動模式相比，更具競爭力。Ma[2]等人以華盛頓為例，認為：自行車用戶每增加10%，采用地鐵出行的乘客將增加2.8%。Pucher[3]等人發(fā)現(xiàn)自行車改善公交站點可達性的效果要比增加公交站點密度或建設(shè)換乘停車場設(shè)施顯著得多。Geurs[4]等人在研究荷蘭自行車換乘一體化政策對公共交通使用者的影響時，也得到相似的結(jié)論：相對于提高地鐵的發(fā)車頻率，在站點設(shè)置自行車換乘設(shè)施可以更多地吸引乘客并提高其就業(yè)可達性。J?ppinen[5]等人通過模擬芬蘭赫爾辛基大區(qū)市中心居民出行，得知：以自行車換乘地鐵方式出行，平均可節(jié)約6 min。在中國，自行車換乘地鐵對改善城市交通系統(tǒng)的作用逐漸受到關(guān)注[6-8]。由于對自行車換乘地鐵影響網(wǎng)絡(luò)可達性的研究還不夠深入，因此難以科學(xué)、客觀地定量評估自行車換乘地鐵在交通系統(tǒng)中的貢獻。

時空可達性突出個人活動與出行行為自由度的表達，通過個體在一定時間預(yù)算內(nèi)可達的潛在范圍來表征可達性。它以個體實際的出行鏈為基礎(chǔ)，考慮個體的時間預(yù)算和活動持續(xù)時間等，認為不同空間、地點是相互關(guān)聯(lián)的，前、后駐點的空間位置將直接影響該點的可達范圍[9]。自行車換乘地鐵作為個體的一種出行方式，實現(xiàn)的不僅僅是多種交通方式在出行時間和空間上的銜接，更重要的是它以鏈的形式將個體靈活多樣的出行目的與固定的地鐵網(wǎng)絡(luò)有機銜接，在保證出行時間可靠性的同時，個體可以根據(jù)時間預(yù)算和活動持續(xù)時間等主觀需求作出實時的調(diào)整與反饋。同時，地鐵站點作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之一，自行車換乘地鐵通過改變站點間的關(guān)聯(lián)性對個體出行產(chǎn)生影響，并直接體現(xiàn)在個體目的地選擇和活動時間的分配等多個方面。因此，自行車換乘地鐵對網(wǎng)絡(luò)的影響體現(xiàn)在地鐵站點可達性的改變和出行者個體時空可達性的改變2個層面：① 地鐵站點作為公交網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點之一，并非孤立存在，自行車換乘地鐵將站點與其周邊的地面公交站點建立起聯(lián)系，改變了不同站點間的空間關(guān)聯(lián)性，進而直接影響了整個地鐵網(wǎng)絡(luò)的可達性；② 出行者前往地鐵站點不只是為了搭乘地鐵，而是希望還能夠在其周邊進行其他活動。這使得個體時空可達性發(fā)生改變，繼而影響個體活動計劃的調(diào)整和安排。為此，作者擬基于時空可達性理論，通過分析自行車換乘地鐵對站點可達性和個體可達性的影響，構(gòu)建出基于自行車換乘地鐵的網(wǎng)絡(luò)，并引入網(wǎng)絡(luò)換乘效率測度指標(biāo)，以地鐵站點為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，建立既考慮站點換乘效率和周邊用地多樣性、又考慮個體活動時間預(yù)算的可達性測度模型，并以昆明市地鐵1，2號線為例，評價自行車換乘地鐵對網(wǎng)絡(luò)可達性的改善效果。

1 對地鐵網(wǎng)絡(luò)的換乘效應(yīng)分析

自行車換乘地鐵對網(wǎng)絡(luò)的換乘效應(yīng)如圖1所示。在圖1(a)中的公交網(wǎng)絡(luò)由5條公交線路、1條軌道線路和9個車站組成。每個公交站點的步行接駁半徑相同，均等于r(r為個體最大容忍步行距離)，圖1中陰影部分為公交服務(wù)盲區(qū)。假設(shè)個體i位于點O，距站點M1的距離為d

圖1 地鐵網(wǎng)絡(luò)的換乘效應(yīng)示意Fig. 1 The transfer effect of the metro network

2 對個體參與活動的可達性分析

出行者前往地鐵站點往往并不只是為了乘坐地鐵，還有可能是兼顧著在站點周邊進行其他活動(如：購物或銀行辦事)。因此，站點周邊的用地多樣性及個體可在站點停留的時間會影響個體參與活動的可達性。因此，本研究借鑒時間地理學(xué)中的基本概念“時空路徑”和“時空棱柱”分別表達個體利用自行車換乘模式出行的時空過程(如圖2所示)和個體在地鐵站點進行活動的自由度(如圖3所示)。

圖2 個體采用自行車換乘的時空出行過程Fig. 2 Time and space travel process based on the bike and ride

圖3 基于地鐵站點的個體活動時空棱柱Fig. 3 Space-time prism of the individual activity based on the metro station

圖2中，X和Y軸表示地理空間，Z軸表示時間，個體在以地鐵站點為中心的服務(wù)范圍中，既可選擇在購物廣場1完成購物活動，也可以根據(jù)其活動計劃的改變選擇在辦事的同時接孩子放學(xué)(在公交站點2進行換乘)。圖3中，展示了個體在地鐵站點進行活動的自由度，橢圓代表個體在活動端(時間預(yù)算[t2,t5])騎自行車能夠到達的潛在活動范圍，以其在地鐵站點的停留時間來表征。出行時間越短(斜線)，個體在站點停留時間越長(長方形)，其活動自由度越大。表明：① 個體利用地鐵，最大限度地減少因城市擁堵等所帶來的對出行能力的制約，增加在站點的停留時間；② 利用自行車機動靈活的特點，提高對目的地的選擇。在相同的時間預(yù)算下，自行車換乘地鐵不僅將個體在站點的服務(wù)范圍擴大至整個公交網(wǎng)絡(luò)中，在解決地鐵最后一公里問題的同時，也滿足了個體多樣化的出行需求。

3 對地鐵網(wǎng)絡(luò)時空可達性測度

3.1 基本分析單元

地鐵站點作為地鐵網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，是客流集散與換乘的關(guān)鍵點，其對地鐵網(wǎng)絡(luò)以及個體可達性的影響體現(xiàn)在站點周邊一定影響范圍內(nèi)與其他公交站點的關(guān)聯(lián)性上。因此，以地鐵站為中心，個體所能容忍的最大步行距離500 m和自行車優(yōu)勢出行距離2 km半徑范圍[10-12]作為本研究的基本分析單元，單元即為包含地鐵站點、常規(guī)公交站點及公共自行車站點構(gòu)成自行車換乘地鐵的網(wǎng)絡(luò)。

3.2 關(guān)鍵指標(biāo)測度

為了表達地鐵站點的換乘效率，本研究選擇在自行車換乘地鐵網(wǎng)絡(luò)中的實際連接數(shù)(地鐵站與公交站之間通過自行車換乘可達)與可能有的連接數(shù)之比，用以反映自行車換乘地鐵對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間空間關(guān)系的改善效果，并以與地鐵站點相關(guān)聯(lián)的公交站點數(shù)來衡量。與地鐵站點的聯(lián)系關(guān)系數(shù)越多，表明該地鐵站的換乘效率越高，而該值也越接近于1。其表達式為：

(1)

式中：Dk為地鐵站點k的網(wǎng)絡(luò)換乘率；M為網(wǎng)絡(luò)中與地鐵站點k相連的公交站點數(shù)；N為公交網(wǎng)絡(luò)中的站點數(shù)，其中0≤Dk≤1。

3.3 測度模型

個體因在地鐵站點獲得公共自行車后，更容易鏈接多個目的地而形成復(fù)雜出行鏈[10]。因此，除了地鐵站點的交通功能外，地鐵站點一定范圍內(nèi)的土地利用對站點的選擇影響也較大，如：站點周邊有銀行、超市、學(xué)校及醫(yī)院等，這些用地功能將與站點的交通功能一起發(fā)揮綜合作用。本研究結(jié)合重力模型度量方法，既考慮站點換乘效率和周邊用地多樣性，又考慮個人時間預(yù)算、個體偏好以及個體出行所受到的時空制約等因素，提出可達性測度模型。該模型形式為：

Aik=ρkWke-λtikT(POI)ikζikPiks。

(2)

ρk=Dk。

(3)

(4)

(5)

(6)

ρk的取值與站點是否有公共自行車密切相關(guān)。當(dāng)?shù)罔F站點沒有公共自行車時，ρk取500 m范圍內(nèi)的站點換乘率；否則，ρk取2 km范圍內(nèi)的站點換乘率，具體計算見式(1)。λ的取值由實際調(diào)查數(shù)據(jù)中相關(guān)出行時間累計分布函數(shù)生成。當(dāng)個體在地鐵站點k的停留時間大于最小停留時長時，表示在時空約束下個體可達且能進一步進行其他活動，ζik取1；否則，ζik取0。Piks用于判定當(dāng)個體i到達地鐵站點k時，站點k周邊的某一類活動s是否滿足個體i的活動偏好。Prei由個人設(shè)定。當(dāng)typeks屬于Prei時，Piks取1；否則，Piks取0。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)化處理

將個體i在地鐵站點k的時空可達性Aik定量化后，進行標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理，即：

(7)

將Yik定義為個體i在地鐵站點k的時空可達性，用來衡量個體i在受到站點換乘效率、周邊用地多樣性及時空預(yù)算等因素影響下前往地鐵站點k的可能性。Yik越大，表明個體i越有可能前往地鐵站點k，且在地鐵站點k進行活動的自由度越大。

4 案例分析

4.1 數(shù)據(jù)來源

以昆明市地鐵1號線(大學(xué)城南站—環(huán)城南路站)和2號線(環(huán)城南路—北部汽車站)為例，分析和驗證該模型的合理性，研究數(shù)據(jù)包括地理數(shù)據(jù)和個人數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)包括：昆明市地鐵1,2號線站點服務(wù)半徑內(nèi)的公交站點和購物興趣點數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)均來自百度地圖，查詢均在以地鐵站點為圓心、500 m和2 km為半徑的服務(wù)范圍內(nèi)。公交站點的查詢方式：以地鐵站為起點、500 m和2 km范圍內(nèi)的公交站點為終點，統(tǒng)計服務(wù)范圍內(nèi)的公交站點數(shù)；購物興趣點的輸入檢索詞為商業(yè)、購物、中心及廣場，均為較綜合的大型商場。本研究共查詢306個購物點，根據(jù)百度地圖評分對購物興趣點的綜合評分進行劃分，并以此作為興趣點的權(quán)重。綜合評分5分，以1.5為起點，0.5為一個單位，將興趣點劃分為7個等級。個體活動計劃數(shù)據(jù)是由個人時空預(yù)算、地鐵站點的最短停留時長以及個人偏好構(gòu)成，其中，個人時空預(yù)算是指個人為了順利進行某項活動所能夠自由支配的時空范圍，由時空點對(出發(fā)地點、返回地點)和換乘站點表達。本研究認為個體所到地鐵站點周邊興趣點均能滿足其偏好，其他數(shù)據(jù)在分析中指定。

4.2 距離衰減系數(shù)的確定

采用2013年昆明市乘客出行意向調(diào)查數(shù)據(jù)，提取個體使用自行車換乘地鐵(簡稱為B&R)和小汽車2種出行方式的活動記錄。釆用出行時間累積分布函數(shù)進行回歸分析，得到2種出行方式的出行時間衰減系數(shù)λB&R=0.014(其中：R2=0.700 8)，λi小汽車=0.021(其中：R2=0.918 9)，如圖4所示。2種出行方式的衰減系數(shù)合理，因此，本研究自行車換乘地鐵的衰減系數(shù)取0.014。

圖4 不同出行方式的衰減系數(shù)Fig. 4 The attenuation coefficient of different travel modes

4.3 對地鐵站點時空可達性的影響

選取個體i在地鐵站點k的時空可達性和站點可達性變化率作為評價指標(biāo)進行分析。其中，站點可達性變化率=(自行車換乘地鐵網(wǎng)絡(luò)中地鐵站點可達性-500 m范圍中地鐵站點可達性)/500 m范圍中地鐵站點可達性。以某人居住在呈貢書香大地(即起點為大學(xué)城南站/大學(xué)城站)使用自行車換乘地鐵出行進行購物活動為例，個人時空預(yù)算見表1。利用本研究所提出的基于自行車換乘地鐵站點時空可達性模型，將調(diào)查數(shù)據(jù)代入計算公式，面向各場景生成地鐵站點時空可達性結(jié)果。

表1 個人時空預(yù)算Table 1 Space-time budget of the individual

4.3.1 自行車換乘地鐵影響下沿線地鐵站點可達性的變化

利用式(2)，(7)以及場景1，2的數(shù)據(jù)進行計算，得到地鐵站點的可達性變化分別如圖5，6所示。圖5中，假設(shè)各個地鐵站點周邊的用地吸引力均相同。圖6中，假設(shè)各個站點的換乘率均相同。在時空制約下，各站點均可達。表明：所有站點的可達性均有顯著改善，且其改善程度與周邊公交線網(wǎng)的密度密切相關(guān)，即周邊公交越發(fā)達的區(qū)域，地鐵站點的可達性也就愈高。因此，呈現(xiàn)出中心區(qū)高、兩端低的空間分布結(jié)構(gòu)。但從可達性變化率來看，則呈現(xiàn)出兩邊高、中間平緩的趨勢。表明自行車換乘地鐵對處于公交密度低的站點可達性改善作用更加明顯。如：可達性變化率最高的新亞洲體育城站，該站點周邊以居住地為主，但由于其站點周邊配套設(shè)施不完善，使得步行范圍內(nèi)的公交站點可達性較低。而使用自行車換乘地鐵將站點的影響范圍擴大至公交站點密度較高的相鄰站點，從而提高了該站點的可達性。東風(fēng)廣場雖然地處昆明市主城中心，是最大的換乘樞紐站，但由于其周邊道路網(wǎng)密集，公交線網(wǎng)密度高，因此，自行車換乘地鐵對該站及其附近站點的改善作用稍遜。在站點設(shè)置了公共自行車，促進了常規(guī)公交與地鐵站點的無縫換乘，減小了二者之間的空間轉(zhuǎn)換阻力，使得常規(guī)公交和地鐵之間的銜接和協(xié)調(diào)程度有所加強，提高了站點周邊的交通便利程度。

圖5 站點換乘效率對地鐵站點可達性影響Fig. 5 The impact of site transfer efficiency on the accessibility of metro stations

圖6 站點周邊用地多樣性對地鐵站點可達性影響Fig. 6 The impact of the station diversity on the accessibility of metro stations

考慮地鐵站點周邊用地多樣性對個體在站點的可達性影響。從圖6中可以看出，自行車換乘地鐵對站點可達性的改善呈現(xiàn)出3個中心，分別是以新亞洲體育城站、東風(fēng)廣場站和北辰站為中心的區(qū)域，這樣的空間分布形態(tài)與昆明市目前的城市用地開發(fā)強度相吻合，地鐵站點周邊土地開發(fā)強度越高的區(qū)域，地鐵站點的可達性越高，即站點周邊用地多樣性在站點可達性中得以體現(xiàn)。

4.3.2 對個體時空可達性的影響

依據(jù)站點周邊的土地利用，將地鐵站點劃分為4類[13]：中心型、綜合樞紐型、交通換乘型及一般型。選取部分典型站點作為考察對象，利用式(2)，(7)以及場景3，4的數(shù)據(jù)進行計算，得到的個體時空可達性結(jié)果如圖7所示。

從圖7(a)中可以看出，在自行車換乘地鐵的作用下，地鐵站點的換乘率和興趣點吸引力均大幅度提升，且二者的增長趨勢一致。圖7(b)～(d)為不同時間預(yù)算下個體從同一O點出發(fā)，前往不同站點的時空可達性。在同一時間預(yù)算下，個體在東風(fēng)廣場站可達性最高，其次是環(huán)城南路站和火車北站。較高的站點換乘效率保證了個體出行的交通便捷性，同時，站點周邊土地的多樣化使個體能夠執(zhí)行多項活動，提高對站點停留時間的利用率。進一步比較不同時間預(yù)算下個體時空可達性發(fā)現(xiàn)：由于時間預(yù)算減小，使得個體在站點可停留時間減少，個體在不同站點的可達性呈下降趨勢。當(dāng)站點停留時間不足以保證個體進行活動時，即使是站點吸引力較高的站點，個體仍然不可達，如：火車北站及之后的站點。表明：由于自行車換乘地鐵易于形成多目的出行鏈，使得站點周邊用地多樣性和可停留時間成為影響個體在該站點可達性的關(guān)鍵因素，即站點的可達性不再是固定值，而會隨著個體的出行起訖點和時間預(yù)算而變化。

圖7 個體在典型站點的時空可達性Fig. 7 Space-time accessibility of individuals at typical stations

同樣，作為交通換乘型的站點，如：南部汽車站和北部汽車站與昆明火車站和火車北站的可達性差異顯著，其原因在于站點所處區(qū)位的影響。北部汽車站位于城市邊緣，周邊土地開發(fā)強度弱，用地形式單一，而火車站位于城市中心附近。

5 結(jié)論

引導(dǎo)個體采用環(huán)保、高效的公交出行已成為緩解城市交通擁堵的關(guān)鍵。本研究以昆明市地鐵1,2號線為例，通過機理分析、建立模型及數(shù)據(jù)驗證，定量評價自行車換乘地鐵對公共交通的改善效用，得到的結(jié)論為：

1) 自行車換乘地鐵對站點可達性的改善效果顯著，其改善程度與周邊公交線網(wǎng)密度密切相關(guān)。即公交密度越低的區(qū)域，自行車換乘地鐵的改善效果越明顯；而對公交密度較高的區(qū)域，改善效果稍遜，公交可達性在地鐵可達性中得以體現(xiàn)。

2) 從出行者層面看，由于自行車換乘地鐵便于鏈接多個出行目的，使站點周邊用地多樣性及可停留時間成為影響個體在站點可達性的關(guān)鍵因素。因此，站點的可達性不再是固定值，而會隨著個體的出行起訖點和時間預(yù)算而變化。

3) 當(dāng)?shù)罔F站點的交通功能趨于一致時，相較于時間預(yù)算和出行距離，站點周邊的用地多樣性更加重要。因此，可以根據(jù)站點的換乘效率和周邊的用地性質(zhì)來規(guī)劃公共自行車。在高密度開發(fā)的站點(如：東風(fēng)廣場)周邊，規(guī)劃設(shè)置大量的自行車租賃點。在滿足個體出行需求的同時，引導(dǎo)個體采用公共交通方式出行。而對于低密度開發(fā)的站點周邊，可以通過設(shè)置公共自行車站點，提高個體在站點的可達性，進而吸引人流聚集，促進站點周邊的發(fā)展。

本研究所提出的評價方法將站點周邊的公交可達性和用地性質(zhì)同時加以考慮并測度出來，以合理評估自行車換乘對地鐵網(wǎng)絡(luò)的影響。但該研究仍然存在不足，如：在統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，未將重復(fù)區(qū)域的站點剔除，未結(jié)合個體的實際出行需求(如：考慮個體的活動偏好，并調(diào)整活動計劃)進行分析，需要在后續(xù)的研究中進行不斷改進和深化。