基于 K-means 的交通綜合體類型劃分研究

王之嚴，李 明

（1. 西南交通大學，四川成都 611756；2. 湖北省城市規劃設計研究院有限責任公司，湖北武漢 430064）

1 研究背景

改革開放以來，我國綜合交通運輸發展取得了歷史性成就，隨著各種運輸方式逐漸聯網貫通，已到了充分發揮各種運輸方式比較優勢和組合效率的新階段。隨著城市綜合交通運輸體系的健全發展，鐵路客運站由新中國成立之初的第一代普通客運站發展到如今擁有現代化高速鐵路（以下簡稱“高鐵”）網絡的第四代樞紐站——交通綜合體[1]。交通綜合體包含高鐵主導、地鐵主導、公交主導等類型，基于我國高鐵快速發展的背景，本文的研究對象限定為以高鐵（或城際鐵路、市域鐵路等）為主要交通方式的交通綜合體。

交通綜合體作為實現多模式交通轉換，將商業、休閑等城市功能空間與交通功能有機融合的城市綜合交通樞紐，是未來我國建設交通運輸體系中的重要節點，也是城市功能空間的重要組成部分[2]。進行交通綜合體類型劃分研究，宏觀上，有利于促進我國軌道交通網絡合理化布置；中觀上，有利于完善城市軌道交通體系，提升軌道交通運作效率；微觀上，有利于指導交通綜合體站區開發，提高交通綜合體與站區匹配度，達到站城融合、站城一體化發展的目標。

目前，國內外已有部分學者對綜合客運樞紐類型劃分進行研究，大多按照樞紐功能、客流、服務范圍、位置特性、用地性質對綜合客運樞紐進行分類[3]（表1）。 從樞紐功能角度出發，文獻[2-4]將樞紐分為早期的普通客運樞紐，當前的綜合樞紐、交通綜合體，未來的城市綜合體。從客流角度出發，GB 50226-2007《鐵路旅客車站設計規范》（2011年版）[5]根據高峰小時發送量將鐵路旅客車站劃分為特大型、大型、中型和小型。文獻 [6]提出以旅客發送量以及旅客換乘量作為劃分綜合客運樞紐的依據。文獻[3，7]提出將樞紐日集散客流量作為樞紐類型劃分的量化標準。以服務范圍為變量，文獻[8]提到日本將樞紐分為國家級、都市群級、市區級和地區級4個等級，將我國綜合客運樞紐分為全國性、區域性、市域性、片區性。以客運樞紐在城市中的空間布局為劃分標準，文獻[3，7]將客運樞紐分為中心區樞紐和邊緣組團型樞紐。從綜合客運樞紐與周邊用地性質關系上分析，文獻[9]通過節點-場所理論對交通樞紐及其鄰接區進行分析，研判節點（交通樞紐）、場所（鄰接區）協同現狀，將綜合客運樞紐劃分為城市綜合型、均衡依賴型和城市發展型。

表1 現研究層面的樞紐分類方式匯總表

目前，大多數研究對象停留在綜合客運樞紐層面，對交通綜合體的研究較為缺乏。此外，在劃分綜合客運樞紐的研究中，多數研究都將綜合客運樞紐看作一個點，研判樞紐與其他要素之間的關系，忽略了樞紐本身存在的特征要素?；谝陨?點，本文選取國內部分交通綜合體作為研究對象，剖析其系統特征要素，將交通綜合體特征要素進行量化分析，從而劃分交通綜合體類型。

2 交通綜合體現狀問題分析

目前，我國交通綜合體發展仍然存在許多問題，主要表現在以下3個層面。

（1）交通綜合體類型考量不足，導致交通綜合體體系構建不完善、區域布局不合理?！督煌◤妵ㄔO綱要》中明確提出“建設便捷順暢的城市（群）交通網，構筑多層級、一體化的綜合交通樞紐體系[10]?！蹦壳?，我國交通綜合體建設還處于起步階段，缺乏多層次、多類型的建設考量，導致交通資源在空間上的不均衡分配。從全國視角來看，我國典型的高質量交通綜合體，如北京南站、北京西站、上海虹橋站、南京南站、廣州南站等多分布于東部沿海地區，中部地區以及西部地區相對較為落后。從區域視角來看，區域交通綜合體層次、類型劃分單一，如長江中游城市群（武漢站、武昌站、漢口站、長沙南站、南昌西站）規模等級類型都較為相似，在當下乘客出行行為、出行模式趨于多樣化的時代，不利于樞紐間的良性競爭。

（2）欠缺相關類型劃分標準，導致交通綜合體功能定位不準確、站城空間不耦合。由于缺乏相關建設規范標準，對交通綜合體功能定位、分類缺乏明確的技術指導，樞紐功能定位不夠準確，這將直接影響城市空間的整體布局，導致樞紐與城市功能空間出現不耦合現象。此外，由于交通綜合體建設規模受其功能定位的影響難以得到有效控制，繼而影響相關投資意向，減緩交通綜合體建設進程。

（3）交通綜合體特征解析不足，導致交通綜合體與周邊地區協同發展程度低，樞紐效益低。不同交通綜合體效能、職能、類型各不相同，其周邊地區的土地開發模式、強度也應匹配交通綜合體的特征進行規劃，但目前缺乏對不同類型交通綜合體特征內涵的考量，對交通綜合體類型認知單一，導致樞紐周邊地區開發模式趨于相似，阻礙站城一體化發展，從而降低樞紐開發帶來的經濟以及社會效益。

綜上，解析交通綜合體系統特征內涵，科學合理的劃分交通綜合體類型對我國軌道交通發展具有重大意義。

3 交通綜合體系統特征要素指標分析

3.1 交通綜合體特征解析

區別于普通交通樞紐，交通綜合體的特征主要包括以下3方面。

（1）交通方面。實現多模式交通換乘，注重換乘空間設計。客流特征發生改變，短途出行比例和頻次增加。例如，成渝（成都、重慶區域）短途客流在2019年占該區域全部客流的79.5%，如圖1所示。

圖1 成渝短途客流占該區域全部客流比例

（2）功能定位方面。交通綜合體將商業、休閑等城市功能空間與交通功能有機融合，逐漸成為城市的公共開放節點，承擔交通、娛樂、經濟、景觀等職能，如圖 2所示。

圖2 交通綜合體功能解析

（3）空間布局方面。樞紐布局模式由平面空間向垂直空間轉變，交通綜合體將各功能空間垂直重疊、分層布置并充分利用地下空間。同時，交通綜合體在城市空間布局中呈現由郊外向市中心移動的趨勢，如圖3所示。

圖3 交通綜合體垂直空間利用示意圖

3.2 特征要素指標選取

要素是維持一個客觀事物能夠正常運行的基本單元，是構成事物必不可少的重要組成[11]。事物的表象特征是事物本身復雜系統要素的內在反應。交通綜合體是一個復雜的系統，不同的要素特征致使交通綜合體效能呈現差異化。

本文采取文獻計量研究、頻度分析法、專家打分法來構建交通綜合體特征要素指標體系，構建步驟如圖4所示。首先通過對國內外相關文獻進行梳理、歸納，能夠較為清晰的發現，現研究多聚焦在交通綜合體總體布局規模、客流特征、接駁換乘、發展趨勢與空間布局、內部空間規劃5個方面[12-14]。具體涉及到的指標如下。

圖4 指標體系構建步驟

（1）總體規模布局。包括：城市等級（按照超大城市、特大城市、Ⅰ型大城市、Ⅱ型大城市劃分）、站房建筑面積（m2）、入口數量及方向（個）、站臺規模（個）、到發線數量（條）、日均?？苛熊嚁盗浚校?、候乘模式、站臺容納能力（人/個，指單個站臺單日容納的旅客量）。

（2）客流特征。包括：客流類型比例（%）、年客流量（人次）、日均客流量（人次）、節假日客流量（人次）。

（3）接駁換乘。包括：可換乘交通方式數量（個）、接駁方式比例（%）、平均換乘時間（s）、平均換乘距離（m）。

（4）發展趨勢與空間布局。包括：時間區位（min，指交通綜合體到達市中心的時間距離）、空間區位（km，指交通綜合體到達市中心的空間距離）。

（5）內部空間規劃。包括：交通空間面積（m2）、商業空間面積（m2）、交通空間占比（%）、商業空間占比（%）、空間利用率（m2/人，指交通綜合體空間利用能力，通常以人均空間占比來體現）、空間服務水平（m2/人，指功能性空間的服務水平，通常以人均功能空間面積來表示）。

借助中國知網（CNKI）文獻資料數據庫，分別以“各個特征要素指標”與“交通綜合體、綜合客運樞紐、高鐵站、高鐵樞紐”等關鍵詞進行全文檢索，將搜索到的文獻數量加和，每個指標因子檢索到的文獻數量占總文獻檢索數量的比例大小即為該因子與交通綜合體系統相關性的強弱程度[15]（表2）。

表2 特征要素指標因子與研究對象相關性統計

通過專家打分法對關聯性高的指標進行調整、篩選與組合，同時考慮到實際指標獲取難度，對少許指標進行剔除，最終形成交通綜合體系統特征要素指標體系（表3）。

表3 特征要素指標體系

3.3 構建交通綜合體系統特征要素數據集

本文選取國內17個超大、特大、Ⅰ型城市中的41個交通綜合體為樣本，通過實地考查、網絡查找、大數據爬取、衛星影像圖等方法獲取樣本數據，考慮到研究數據量需求大的特點，對收集的數據進行Z-score標準化處理，得到交通綜合體系統特征要素數據集。Z-score 標準化是一種常用的數據標準化處理方法，計算公式如下：

式（1）中，x為某一具體分數，即某一指標的現狀取值；μ為平均數；σ為標準差。 當Z＜0 時，原始分數低于平均值；當Z＞0 時，原始分數高于平均值。

4 交通綜合體類型劃分及特征分析

4.1 研究方法

通過對交通綜合體系統特征要素數據集進行K-means聚類分析，將具有相同特征的交通綜合體進行歸類，劃分交通綜合體類型。但由于K-means聚類分析中K的取值存在較強的主觀因素，所以本文先利用層次聚類法，測算聚合系數與K的線性關系，以平方歐氏距離為度量標準，以16個交通綜合體特征要素指標為變量來測算K的最佳取值；然后，通過K-means聚類分析對數據進行聚類，得到最終聚類結果。

4.1.1 層次聚類法

層次聚類法通過測度節點之間的相關性并對相關程度進行高低排序分級，將各個節點進行重新連接，然后采用單連接或全連接層次聚類將網絡節點組成一個樹狀圖層次結[16]。本研究借用Python計算平方歐氏距離，計算公式如下：

式（2）中，d（x，y ）2為平方歐氏距離；n為特征要素指標數量；xi、yi為數值。

4.1.2 K-means聚類

K均值（K-means）聚類分析具有原理簡單、應用廣泛、聚類效果好等優勢。該方法的基本思想為：把所有觀測值劃分為 K 類，使每類中的觀測值距離該類的中心（即類均值） 較其余類的中心更近。整個分析過程使用迭代的方式，首先確定一個初始的分類值K（即K 個類中心），其次分別計算每個觀察值距離每個類中心的距離，距離近者劃分為一類，然后重新計算每一類觀測值的平均值作為新的類中心，再次根據距離劃分為K類，一直迭代運算直到所有類中心不再改變。本文在K-means聚類分析時，K值取為4，以16項特征要素指標為變量進行迭代運算。

4.2 數據處理與結果分析

4.2.1 確定 K 值

根據層次聚類最終的結果以及樹狀圖研判最佳聚類數，同時通過平方歐氏距離與聚類數量的線性關系可以看出（圖5），聚類數量大于4時，平方歐氏距離趨于穩定，因此后文K-means聚類分析中K的取值為 4。

圖5 不同平方歐氏距離下的層次聚類數目

4.2.2 K-means 聚類結果

基于K-means聚類分析方法將國內41個交通綜合體分為4類（表4），分別為樞紐型交通綜合體、中心型交通綜合體、均衡型交通綜合體、一般型交通綜合體。其中，樞紐型交通綜合體包括廣州南站、南京南站、北京南站、上海虹橋站等國內大型交通綜合體；中心型交通綜合體包括北京西站、成都東站、長沙南站等區域大型交通綜合體；均衡型交通綜合體包括北京站、天津站、天津西站等；一般型交通綜合體包括上海站、合肥站、南昌站等。

表4 K-means聚類結果

此外，從K-means聚類分析單因素方差分析（ANOVA）表（表5）中可以看出各數據方差結果，從中根據變異數分析指標（F值）的大小可以得出各變量在聚類分析中的作用強度。其中，“日均?？苛熊嚁盗俊笔蔷垲惙治鲋凶饔米畲蟮闹笜耍浯问恰暗桨l線數量”“站臺數量”“站房建筑面積”“平均換乘時間”等指標，最后為“城市等級”。

表5 K-means聚類ANOVA表

4.3 不同類型交通綜合體特征分析

根據交通綜合體系統特征指標體系，從總體布局規模 、客流特征 、接駁換乘 、發展趨勢與空間布局 、內部空間規劃5個方面對4類交通綜合體的特征進行描述（表6）。

表6 不同交通綜合體特征一覽表

4.3.1 樞紐型交通綜合體

樞紐型交通綜合體一般位于我國超大、特大城市，處于城市中心區邊緣，是全國性交通綜合體，并且多為近期建設或者翻修，設計精細、新穎，具有體現城市乃至地區級門戶形象的作用。該類交通綜合體站房建筑面積大，站臺數量多，站臺容納力強，到發線數量較多，日均發送旅客量及日均列車發送量均名列全國前列，交通功能突出，車站作業能力強。同時，車站內空間復合程度較高，站內空間立體化拓展，空間利用能力較高。雖然該類交通綜合體商業面積較大，但人均商業面積較小，商業業態多為零售業，無法支撐綜合體大規模的人流聚集效應，該類交通綜合體與城市中心存在一定的距離也是導致其商業功能較弱的重要原因之一。該類綜合體可換乘的交通方式較為全面，但換乘距離和時間較長。

4.3.2 中心型交通綜合體

中心型交通綜合體一般分布于我國特大城市、Ⅰ 型大城市中，處于城市市中心區邊緣，是地區性的交通樞紐。該類交通綜合體站房面積較大，站臺容納能力較強，日均發送旅客量在該地區位于前列，交通功能突出。該類交通綜合體商業面積較大，人均商業面積相較于樞紐型要高，說明中心型交通綜合功能復合程度更高。該類交通綜合體換乘距離相較于樞紐型較短，換乘時間略有縮減。

4.3.3 均衡型交通綜合體

均衡型交通綜合體一般位于我國特大城市、Ⅰ型大城市、Ⅱ型大城市，由于建成時間較為久遠，隨著城市擴張，現多數處于市中心區內，是城市級的交通樞紐。該類交通綜合體建筑外立面稍顯老舊，站房面積相較于樞紐型、中心型較低，站臺容納能力一般，日均發送列車數量相較于中心型偏低。該類交通綜合體換乘距離較短，但由于垂直空間設計缺失，換乘時間較長。

4.3.4 一般型交通綜合體

一般型交通綜合體通常位于我國Ⅱ型城市以上等級城市中，位于城市中心區或者城市邊緣區外圍，是城市級交通樞紐。該類交通綜合體站房建筑面積偏小，站臺數量少，容納能力弱，日均發送列車數量低。該類交通綜合體可換乘交通方式單一，一般為公交和社會車輛，由于站房空間設計較為簡單，所以換乘的距離較短，換乘時間少。

5 優化策略

（1）構建多層級、多類型、網絡化的交通綜合體體系。從區域、城市群、城市層面構建多層級、多類型、網絡化的交通綜合體體系（圖6），區域層面以樞紐型交通綜合體構建網絡骨架，達到區域成網、分配均衡的狀態。區域城市群層面，以樞紐型交通綜合體為主體結合中心型交通綜合體、均衡型交通綜合體構建城市群交通綜合體網絡。城市層面根據城市等級、規劃定位不同布置不同層級、不同組合模式的交通綜合體。

圖6 交通綜合體體系示意圖

（2）明晰不同類型交通綜合體功能定位，優化城市功能空間結構。通過交通綜合體類型劃分研究，明確不同類型交通綜合體效能強度、特征差異，有利于解析交通綜合體在城市中承擔的職能以及其功能定位，促使交通綜合體與城市功能空間相互耦合，優化城市功能空間結構，促進城市經濟發展。

（3）解析交通綜合體特征內涵，優化樞紐效能及其周邊區域土地開發，促進站城協同發展。不同交通綜合體效能存在差異，帶動周邊區域發展的能力不同，解析交通綜合體系統特征內涵，劃分類型、等級，能最大程度發揮交通綜合體效能，優化樞紐周邊區域的用地開發現狀，促進站體與周邊區域協同發展，達到站城一體化發展的目標（圖7）。

圖7 不同類型交通綜合體周邊區域開發意向圖

6 結論與討論

不同交通綜合體在城市乃至區域所承擔的職能存在差異，科學的交通綜合體分類對促進區域軌道交通網絡合理化布置、站城一體化發展具有重要意義。本文選用北京南站、北京西站、廣州南站等交通綜合體為樣本，檢索、研究、獲取文獻中“總體布局規?！薄翱土髁俊薄皳Q乘距離/時間”等相關指標，通過頻度分析法與專家打分法構建交通綜合體系統特征指標體系與數據集合，并對指標數據進行聚類分析，將 41個交通綜合體類型劃分為“樞紐型”“中心型”“均衡型”“一般型”。在此基礎上，提出針對區域體系構建站城融合、站區開發、站體效能提升方面的優化策略。

交通綜合體是未來城市發展的觸媒點，是交通空間與城市空間的臨界點。本文僅通過對交通綜合體系統特征要素進行量化研究，缺少對交通綜合體鄰接區的分析，在指標體系構建上缺少交通綜合體鄰接區維度，指標體系選取不夠全面，在以后的研究中將進一步增加交通綜合體相關的要素信息，如站體周邊的建成環境指標等。同時，本文缺少考慮指標之間的干擾和影響，致使分析結果存在不穩定的現象。