最新《交通规划年会优秀论文》217-客运中心地理论及其应用研究.pdf
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1、 1 客运中心地理论及其应用研究 刘龙胜 马亮 邓肯 【摘要】【摘要】长期以来交通规划领域缺乏系统的理论支撑,影响了相关工作和学科进一步发展。本文借鉴经济地理学经典的中心地理论,提出客运中心地理论,论证了客运交通体系的等级规模和空间布局规律,引申出出行链及其综合费用的概念以及相关分析方法。该理论的建立有助于交通规划学科理论基础的完善,有望广泛应用于交通相关领域。【关键词】【关键词】中心地理论;客运场站;空间布局;等级体系;出行链 0 前言前言 关于客运交通体系的研究,长期以来处于一种碎片化的状态。尽管交通一直在城市发展中扮演着重要角色,但相关研究大多将其作为附带的假设条件,专注于研究交通的文献
2、也很少将各种交通方式作为一个体系进行系统性研究1,2。不仅如此,目前交通领域主流方法仍基于经验主义,只能对特定条件下的现象予以解释,难以提供普适性答案3。汉森(S.Hanson)和朱利安(G.Giuliano)便指出:“当代交通运输地理学是安静的,也许即将死亡的科学,我们之前秉承的框架或许已走投无路4。”。交通规划和其研究领域迫切需要系统的理论基础,本文借鉴经济地理学经典理论中心地理论,提出客运中心地理论,以此分析和解释公交体系的等级和空间分布等基本问题,为后续研究和规划实践奠定理论基础。1 文献回顾文献回顾 中心地理论是城市地域结构研究的核心理论,最早由克里斯塔勒(W.Christaller
3、)于 1933年完整地提出。其将城市抽象成为周边提供不同等级商品服务的中心地,指出城市中心地的等级和空间分布服从市场、交通和行政三种原则(分别对应 K=3、K=4 和 K=7)。上世纪60 年代,廖士(A.Losch)继承和发展了中心地理论,提出 K 值具有多种可能,通过旋转不同K 值六边形得到“廖士景观”,较好地解释了城市周围的产业布局5,6。客运交通尤其是公共交通的等级特性和服务内涵在诸多文献中有提及7-9,类似于克里斯塔勒对商品服务的定义。参照克里斯塔勒对中心地的定义,提供客运交通服务的站场可称为客运中心地,并在相当程度上被中心地理论所解释。当然,中心地理论曾受到如下质疑10-14,在将
4、其引入客运交通领域前,有必要进行回应:(1)中心地理论关于“同一等级城市所具有的商品服务相同”的假设与实际情况不符,实际中同一等级城市可能具有完全不同的职能,例如规模相当的旅游城市和工业城市。(2)其关于“消费者就近选择商品中心”的假设也与实际情况不符,实际中交通网络越便利,消费者出现“舍近求远”行为的概率越高。(3)该理论假设与结论矛盾:假设是人口均匀分布,但等级结构推导出来后,人口显然是聚集的。(4)研究发现,随着中心地等级提高,中心地与其腹地的关系逐渐弱化,腹地概念变得模糊。例如经济全球化之下,城市发展越来越多地取决于与其他城市间的有效联系。2 (5)互联网技术的变革,使得“面对面”交流
5、变得可被取代,经济“聚集效应”的影响逐渐减弱,一些业态出现了“去中心化”的发展趋势。(6)中心地理论只是描述了一个静止的状态,而城市的等级规模结构和空间结构不仅在时间上不停演变,而且在空间上发生变迁,一些高等级中心地可能没落,一些低等级中心地随之崛起,这一动态发展过程不能被中心地理论所解释。当中心地理论的研究对象由城市转变为客运站场时,其中的一些质疑不再成立:如质疑(1)和(2),同一等级客运中心地提供的服务基本相同,且绝大多数消费者也会就近选择;对于质疑(3),推导出来的客运场站的聚集结构与人口均匀分布的假设并不矛盾;对于质疑(4)和(5),腹地和中心始终是客运中心地的关键概念。但质疑(6)
6、反映了中心地理论尚未完善的一个重要部分。因此,关于中心地理论的质疑对于将其引入客运交通领域的影响较小,但应注意将动态发展纳入考虑之列。2 客运中心地理论及其实证客运中心地理论及其实证 2.1 假设条件假设条件(1)研究区域是均质平原,人口及就业岗位均匀分布;(2)各客运站场为抽象的点,且无服务容量限制;(3)道路、公交线路布局不受地块划分形状影响;(4)客运服务价格按运输距离计算,同种服务的单价与质量相同;(5)消费者是理性的,即以尽可能低的综合费用使用交通服务;(6)在服务所有人口的前提下,客运站场的数量尽可能少,即在没有空白区的前提下使各站场的腹地尽可能大。2.2 基本概念基本概念(1)客
7、运中心地:能够提供客运交通服务的站场。(2)客运中心地的腹地:客运交通站场的服务范围,有上限范围和下限范围之分,前者指消费者愿意去一个中心地得到服务的最远距离;后者指保持一项中心地职能经营所必须腹地的最小半径。当下限范围大于上限范围时,此种客运服务不可能以正常方式提供。(3)中心性或中心度:指就周围区域而言,中心地的相对重要性,即中心职能作用的大小。交通是一种以时间和金钱交易空间的活动15,所以中心性测度为中心地能提供的跨越空间能力,即客运服务的旅行速度。(4)客运中心地等级:客运中心地具有等级性,其等级因其提供交通服务能力的大小而定。本研究采用旅行速度作为客运中心地等级划分的直观测度,通过收
8、集国内外相关资料,对现有常见交通方式的旅行速度进行研究16-22,将客运中心地分为 20 个等级,如表 1 所示。其中,小型客机、大型客机多为点对点出行,旅行速度无明显差距(均在 800900km/h)。因此航空飞机类客运中心地的等级分类(表 1 中 Q、R、S、T 级别客运中心地)参照美国联邦航空管理局对机场的分类标准(客流吞吐量)23。(5)出行链及其综合费用:出行链是指使用若干个客运中心地服务完成从起点向终点的交通出行,它包括三个基本要素:起终点、客运中心地、出行段。出行链综合费用是完成一次出行所需的时间、金钱等代价。3 表 1 客运中心地等级划分(单位:km/h)2.3 理论要点理论要
9、点(1)客运中心地腹地形状:根据克里斯塔勒的中心地理论,同级别的客运中心地有同样大小的服务范围,即正六边形腹地。24,25(2)客运中心地嵌套原则及向下兼容性:整个区域是由一级级的中心地嵌套而成,低一级的中心地被高一级的腹地所包括。越高等级的中心地其腹地范围越大,则需低等级交通方式集散旅客,因此,客运中心地往往具有向下兼容性。(3)客运中心地空间分布模型 根据中心地理论,各级客运中心地在空间分布上将遵循一定的原则(常见的如市场原则、交通原则和行政原则)。无论在哪种原则下,客运中心地等级体系满足下列公式:111=iiKNN (1)式中:K为系统因子,即下一级中心地与上一级中心地数量倍数关系,市场
10、原则下3=K,交通原则下4=K,行政原则下7=K;iN表示i级客运中心地的数量,单位为个;i表示中心地等级,2i。现实中客运中心地受三种原则共同影响,K值通常位于 3 和 7之间。市场原则 K=3 交通原则 K=4 行政原则 K=7 级别ABCDEFGHIJKLMNOPQRST旅速区间055101015152525353545455555656575758585100100120120170170220220300300450450900900900900(步行)公共自行车公共自行车常规公交常规公交现代有轨电车现代有轨电车BRTBRTBRT轻轨轻轨地铁(普)地铁(快)地铁(快)通勤铁路通勤铁路
11、通勤铁路长途客车长途客车长途客车长途客车长途客车普速铁路普速铁路普速铁路普速铁路普速铁路高速铁路高速铁路高速铁路高速铁路高速铁路磁浮列车小型客机小型客机小型客机小型客机大型客机大型客机大型客机常见站场类型 4 图 1 三种不同原则的客运中心地空间分布形态(4)相邻等级客运中心地间距 在交通原则下,次一级中心地的中心分布于两个高一级中心地连线的中点上,从而形成最有效的网络连接。在 K=4 的系统下,相邻等级中心地间距呈4倍关系,具体中心地等级体系如表 2 所示。表 2 交通原则 K=4 下的客运中心地等级体系 等级 旅速 km/h 中心距离(站间距)km服务半径 km A 05 0.20*0.1
12、2 C 1015 0.40 0.23 D 1525 0.80 0.46 F 3545 1.60 0.92 H 5565 3.20 1.85 I 6575 6.40 3.70 K 85100 12.80 7.39 L 100120 25.60 14.78 M 120170 51.20 29.56 N 170220 102.40 59.12 O 220300 204.80 118.24 Q/R/S/T 300 409.60 236.48 注:根据 Dittmar.H 和 G.Ohland 的研究26,办公楼的位置应该处于站点半径 150300 米的范围之内。民居则相对远一点,可以达到 800 米。
13、本研究取 200 米作为步行方式的最佳站间距。在市场原则下,次一级中心地的中心位于高一级三个中心地所形成的等边三角形中央,由此形成 K=3 的系统,相邻等级中心地间距呈3倍关系。具体中心地等级体系如表 3 所示。表 3 市场原则 K=3 下的客运中心地等级体系 等级 旅速 km/h 中心距离(站间距)km服务半径 km A 05 0.20 0.12 C 1015 0.35 0.20 D 1525 0.60 0.35 E 2535 1.04 0.60 G 4555 1.80 1.04 H 5565 3.12 1.80 I 6575 5.40 3.12 J 7585 9.35 5.40 K 851
14、00 16.20 9.35 L 100120 28.06 16.20 M 120170 48.60 28.06 N 170220 84.18 48.60 O 220300 145.80 84.18 P 300450 252.53 145.80 Q/R/S/T 450 437.40 252.53 在行政原则下,每 6 个次级中心地的中心都将完全坐落在高一级中心地的腹地内,形成K=7 的系统,相邻等级中心地间距呈7倍关系。具体中心地等级体系如表 4 所示。5 表 4 行政原则 K=7 下的客运中心地等级体系 等级 旅速 km/h 中心距离(站间距)km服务半径 km A 05 0.20 0.12
15、D 1525 0.53 0.31 F 3545 1.40 0.81 H 5565 3.70 2.14 J 7585 9.80 5.66 L 100120 25.93 14.97 M 120170 68.60 39.61 O 220300 181.50 104.79 Q/R/S/T 450 480.20 277.24 (5)出行链综合费用构成 客运中心地一般对应公共交通方式,若将出租车、私人小汽车、单位班车、步行等方式看成场站无处不在的客运服务,则出行链综合费用可以纳入各种交通方式,进一步应用于交通规划研究。出行链综合费用由出行过程中每一个出行段的综合费用组成,出行段费用包括票价、换乘惩罚时间、
16、换乘等待时间、车内时间、其它费用(一般指燃油、过路过桥、停车费用)等。U=?transferpenaltytime?+transferwaittingtime?+invehicletime?+(ticketfare?+otherfare?)/valuetime?式中,U 为出行链综合费用,为便于分析,单位为时间;transferpenaltytime为换乘惩罚时间;transferwaittingtime为换乘等待时间;invehicletime为车内时间;valuetime 为时间价值;ticketfare 为票价;otherfare 为其它费用;i 表示第 i 出行段,i=1 或 n 时,
17、表示采用步行到达或离开客运中心地,换乘惩罚时间、换乘等待时间、票价均为 0。(6)距离-费用曲线 图 2 为不同级别客运中心地的距离费用曲线,表示使用不同级别中心地时,消耗的综合费用与出行距离的关系。1)使用高级别客运中心地的门槛费用较高。如图 2,当距离为 0 时,各条曲线横坐标的值为不同级别客运中心地的门槛费用,即为了使用某一级别客运中心地所需的最低消费,包括到达该客运中心地的综合费用、起步票价、换乘惩罚时间、等车时间。2)高级别客运中心地的曲线斜率大于低级别客运中心地,即当不计门槛费用时,高等级交通方式单位运距花费的综合费用较低等级交通方式低。3)两种不同级别客运中心地的门槛费用、曲线斜
18、率的特性导致二者的距离费用曲线必存在交点,当出行的距离位于交点上方,使用较高级别客运中心地综合费用较低;当出行距离位于交点下方,使用较低级别客运中心地综合费用较低。6 图 2 不同级别客运中心地的距离费用曲线(7)出行链费用距离特征 一次出行往往存在两种或两种以上的出行链可供选择,每种出行链具有不同的距离费用特征。如图 3 所示,出行起终点距离为 L,存在四种出行链供选择,出行链 1 采用“公交+地铁”方式,出行链 2 采用地铁方式,出行链 3 采用公交方式,出行链 4 采用步行方式。根据综合费用公式,出行链 1 可以分为 4 段:i=1,乘客步行至常规公交中心地,费用仅包括步行到达时间;i=
19、2,乘客采用常规公交方式到达地铁中心地,费用包括常规公交票价、等车时间、车内时间;i=3,乘客换乘地铁方式到达距出行终点最近的地铁中心地,费用包括地铁票价、换乘惩罚时间、换乘等待时间、车内时间;i=4,乘客步行至出行终点,费用仅包括步行离开时间。通过分析这四条出行链,有以下结论:1)纯步行出行链表现人类在以步行为主阶段的出行特点,出行链 3 可以看成新交通方式出现对人类出行的影响,显著降低了出行费用,出行链 1、出行链 2 则是更有竞争力方式出现的结果。2)一个城市或地区通过引入高等级交通方式往往可有效降低居民出行链的综合费用,加强区域对内对外的交通联系,促进城市发展。3)交通规划的本质是寻找
20、不同等级交通方式的优化组合以实现经济投入最小、社会效益最大,同时通过不同等级客运中心地的合理布局,实现中心地的下限范围最小,上限范围最大。4)要特别关注客运中心地内部不同等级交通方式间的换乘惩罚时间、等车时间、换乘票价,通过优化换乘来降低出行链综合费用,提高与小汽车交通的竞争力。图 3 出行链的费用距离特征 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 1 6 0 0 0 1 8 0 0 0 0 3 6 9 1 2 1 5 1 8 2 1 2 4 2 7 3 0 距离费用距离费用F级中心地E级中心地D级中心地C级
21、中心地B级中心地步行步行出行链3出行链2出行链10.0 1 0 0 0.0 2 0 0 0.0 3 0 0 0.0 4 0 0 0.0 5 0 0 0.0 6 0 0 0.0 7 0 0 0.0 8 0 0 0.0 9 0 0 0.0 1 0 0 0 0.0 距离距离费用费用步行到达时间车内时间换乘惩罚等车时间步行离开时间车内时间步行到达时间车内时间换乘惩罚等车时间步行离开时间车内时间票价票价i i1 1=1i=1i1 1=2i=2i1 1=3i=3i1 1=4票价等车时间=4票价等车时间车内时间步行到达时间票价等车时间步行离开时间车内时间步行到达时间票价等车时间步行离开时间i i2 2=1i
22、=1i2 2=2i=2i2 2=3=3L费费用用 7 2.4 客运中心地理论的实证分析客运中心地理论的实证分析 根据客运中心地理论概念和要点,一个成熟并趋于完整的客运交通体系应符合理论描述的客运中心地腹地形态、层次结构以及等级数量关系。以下将从不同城市以及不同交通层级对客运中心地理论进行实证分析。(1)客运中心地腹地形状实证 纽约地铁服务于纽约五个大区共 786km2的土地面积,系统共有 421 个站点(换乘站不重复计算),线路总长度为 337km。其中,曼哈顿岛(50km2)有 118 个站点。如图 4 所示,纽约曼哈顿地铁站点腹地呈现出六边形形态,其中曼哈顿中城和下城的站点腹地接近理论指出
23、的正六边形。巴黎市地铁服务于巴黎市区以及周边 3 区共 657km2的土地面积,系统共有 303 个站点(换乘站不重复计算),线路总长度 220km。其中,巴黎市区(105km2)有 245 个站点。如图 5 所示,由于巴黎市有较强的均质平原特性,其站点腹地呈现出更多的六边形,且大多数站点腹地形态接近正六边形。图 4 纽约地铁(局部)站点覆盖范围 图 5 巴黎市区地铁站点覆盖范围 截至 2012 年,美国共有 516 个拥有定期航班且年旅客登机数量在 1 万人以上的商用机场(非私人机场),其中美国本土有 408 个。年旅客登机数占美国年旅客登机总数 0.05%(约36 万)以上的机场为枢纽机场
24、,其中美国本土 127 个。如图 6、图 7 所示,其客运中心地的腹地形态较地铁系统更接近于理论的正六边形。图 6 美国本土枢纽机场站点(127 个)覆盖范围 图 7 美国本土商用机场站点(408 个)覆盖范围 截至 2012 年底,中国大陆(不含港、澳、台)共有 184 个民用机场,其中拥有定期航班且年旅客登机数在 1 万人以上的机场共有 174 个。另外年旅客登机数占全国年旅客登机总数 0.05%(约 36 万)以上的机场为枢纽机场有 94 个。如图 8、图 9 所示,中国东部及沿海曼哈顿中城曼哈顿下城 8 地区机场客运中心地的腹地形态非常接近理论的六边形,但由于人口分布不均,其航空客运中
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