基于阻抗函数的机场集疏运道路网可达性测度方法研究*

华松逸 包丹文 贾俊华

(南京航空航天大学民航学院 南京 211106)



基于阻抗函数的机场集疏运道路网可达性测度方法研究*

华松逸 包丹文 贾俊华

(南京航空航天大学民航学院 南京 211106)

基于阻抗函数，对传统可达性测度方法进行了改进.在此基础上，以南京禄口机场集疏运道路网为例，对该测度方法进行了验证.结果表明，加入阻抗函数后，由于考虑了交通流量、出行费用以及区域重要度因子，区域可达性水平增加了13 min，且分布层次化鲜明，在一定程度上解决了传统可达性测算模型与现状相脱节的现象.分区可达性差异分析显示，加入阻抗函数后，主城区可达性系数平均降低0.06，副城区平均降低0.02，一般城镇增加0.1，区域差异化显著提高，较好地反映出机场集疏运道路网特征.

交通工程；机场可达性；阻抗函数；栅格成本距离；区域重要度

0 引 言

近年来，关于机场衔接城市的研究受到广泛关注，但是深入探讨机场可达性的研究尚不多见，在既有研究中多以空间距离、通达成本或通达时间作为主变量，建立测度模型.Harvey等[1-2]对旧金山地区机场进行了一系列研究，并得知机场通达时间、出行费用对于旅客选择机场的影响程度.Dimitrios等[3]从通达时间角度度量机场可达性，发现为降低通达机场的时间，旅客甚至愿意支付额外费用.Saad等[4]对哈立德国王国际机场也进行了相似研究，得知旅客收入、旅行时间、国籍对机场可达性的要求不同.国内部分学者在民用机场可达性研究中也取得了不少成果，如应习文等[5-6]从快捷性、经济性、舒适性3个方面出发，提出使用通达成本来描述机场可达性的方法；姜海宁等[7-8]从空间距离角度出发，提出了基于栅格成本加权距离的可达性测度方法，并借助GIS的空间分析功能进行可达性分析.以上研究已取得了一定成果，但依然存在一定不足：(1)传统机场可达性研究多以空间距离模型为主，选择通达时间或通达成本来衡量，但此类方法仅局限于空间尺度的量化，不能准确反映各个区域间联系强度；(2)部分采用栅格成本加权距离的研究中，也多仅考虑以出行时间为单一评价指标，而出行费用、交通延误、区域重要度等因素作为衡量可达性的必要因素却一直得不到重视.

为此，文中综合考虑以出行时间、出行费用、区域重要度为影响因子，以实际交通量为主变量建立阻抗函数，并将阻抗函数引入到栅格耗费成本距离模型中，建立改进的可达性测度方法，以期在准确获取研究区域机场可达性水平的同时能较好地反映出各个分区对机场可达性要求的差异，从而为科学指导机场集疏运道路网评价决策提供理论支持.

1 可达性测度模型

1.1 机场可达性涵义

可达性来源久远，发展至今，可达性的概念出现了多样化.通常情况，可达性被定义为从一个地方到达另一个地方的难易程度[9].参照可达性的概念，文中将机场集疏运道路网可达性定义为腹地城市及周边地区旅客通过不同集疏运方式(轨道交通暂不考虑)通达机场的难易程度.

1.2 机场可达性算法

借鉴文献[7]对民用机场可达性评价方法，用Ai作为区域内民用机场可达性的评价指标，根据栅格成本加权距离模型进行可达性测算，即

(1)

式中：i为区域内任意一点；Tis为区域中点i通过时间最短路线到达民用机场s的通达时间；M为机场s的权重，通常取1.

通过对整个区域内各个节点可达性时间值进行统计，可得整个区域可达性的计算式为

(2)

式中：Z为网络可达性；k为区域中的栅格；n为栅格数量；Z越小，说明该网络可达性越好，反之可达性就越差.

根据上述情况，当旅客均选择时间最短路线通达机场时，此时的集疏运网络可达性将达到最大，但在实际情况中，若考虑交通流量影响，最佳路径会发生变化，即旅客对最佳路径的选择受到流量影响，以至可达性降低；另外，出行费用也是影响可达性的重要因素，而不同区域对路网可达性的要求也不尽相同.为此，文中将综合考虑以出行时间、出行费用以及区域重要度因素为主要测算指标，从而引入阻抗函数的概念优化传统可达性测度方法.

1.3 路网阻抗函数

交通阻抗指旅客属性、交通方式、交通环境等因素给交通运输带来的阻力[10]，是表现出行难度的物理量，在一定程度上可以反映出道路的通达度.文中将结合机场道路网特性，综合考虑时间阻抗因子、费用阻抗因子，并将不同区域对可达性要求的差异以区域重要度的形式引入阻抗函数中，具体函数表达式如下.

(3)

式中：ξi为栅格i的阻抗值，min；Ti，Fi分别为栅格i的时间阻抗、费用阻抗；θ1，θ2为待标定系数，θ1无量纲，θ2单位为min/元；wj为区域j的区域重要度.

1.3.1 各类阻抗因子计算方法

1) 时间阻抗因子 时间阻抗指旅客在通达机场过程中所花费的时间转化为空间阻抗的形式.时间阻抗与道路交通流量有关.目前，关于时间阻抗的计算方法有多种，其中常采用的阻抗函数是美国联邦公路局提出的BRP路阻函数模型[11].事实上，我国交通部在基于大数据之上已建立符合我国各级公路交通特点的路段路阻函数模型(车速-流量通用模型)，将该模型引入到我国的路网研究中，能够使测算结果更准确、科学，其表达式如下.

(3)

(4)

式中：ti(0)为栅格i上的平均车辆自由行驶时间；vi为栅格i的实际交通量；ci为栅格i的通行能力，通常情况下vi/ci不大于1；a1,a2,a3为回归系数，可沿用王炜等[12]所提出的拟合值进行计算分析，为计算方便，通常a2=1.88，a3=4.90(高等级公路)或7.00(一般公路).

2) 费用阻抗因子 费用阻抗指旅客采用某种交通方式通达机场过程中所花费的金钱转化为空间阻抗的形式.不同交通方式的出行成本不同，而交通方式的选择会影响旅客的机动能力和可达性水平，高额的出行费用往往会阻碍许多中低收入旅客选择该交通方式.因此，出行费用是评价可达性水平的重要因素.其计算式为

(5)

式中：Fi为栅格i的费用阻抗，元；rc为旅客选择交通方式c出行的每公里单价，可参照南京区域行车费用标准(见表1)；βc为交通方式c的出行比例；li为栅格i的长度，取0.5 km.

表1 不同交通方式出行费用

3) 区域重要度 区域重要度指某区域因政治、经济、交通、文化等因素与综合枢纽之间(这里特指机场)具有一定的吸引能力，使得物流、人流在两者之间有一定的倾向性流动，即区域重要度越高，对可达性的要求越高.通常可选择一些能反映区域功能强弱及地位高低的指标进行评价.文中根据航空运输与区域之间的相关关系，选择区域航空旅客需求量、城镇居民收入以及路网密度作为衡量区域重要度的相关指标，具体计算公式为

(6)

1.3.2 参数标定

参照文献[10]给出的拟合方法，运用SPSS数据分析软件，对θ1，θ2进行最大似然估计，结果见表2.

表2 θ1和θ2的拟合值

注：R2为回归模型中的相关系数，R2取值为0～1，数值越大，回归效果越好.

1.4 基于阻抗函数的可达性算法

将上述提出的阻抗函数引入栅格耗费距离模型中，建立基于阻抗函数的可达性测算方法，即赋予栅格对应的阻抗值，并计算各个栅格通过最低出行阻抗通达“源点”(机场)的最小累计成本.其计算公式如下.

(7)

式中:ξi为第i个栅格的时间成本值，若不放入阻抗函数，该时间成本值由靳诚等[13-14]研究基础上获取,加入阻抗函数后，可根据上述公式来计算时间成本值，即路阻值;ξi+1为沿某个方向第i+1个栅格的成本值；o为像元数.

另外，文中将一些如河流、高坡等无法通行区域设置为阻隔网络；对于无等级公路区域，也将结合实际情况对其系统地赋予合理的阻抗值，最后，根据划分的片区将区域重要度叠加到整个网络中，使测算结果尽可能贴近现实情况，并呈现区域差异.

在以上设定的基础上，将运用Arc GIS10.1的空间分析功能对图层各要素进行赋值，首先对研究区域的原矢量图以0.5 km×0.5 km的像元大小进行栅格化处理；然后将采集到的相关数据信息导入至图层中，使用Cost Weight工具计算集疏运网络的栅格成本阻抗值；选择成本-距离函数求出各个栅格到达源点机场的时间，并生成可达性视图，做进一步可达性分析.

2 研究范围与数据来源

2.1 研究范围分析

根据文献[15]，通常距离机场50～70 km范围内的旅客航空需求最高，再远就感觉不便.为此，考虑以南京市域为界，南京禄口机场作为源点，向四周辐射70 km区域作为研究范围，其覆盖人口总数超过800万，能满足70%以上航空旅客出行需求，具有较高的研究意义.

为研究需要，首先需对研究范围进行分区，可将整个研究区域划分为3个级别：第1级别为主城区，其包含老城区、河西新城、东城区、北城区以及南部新城；第2级别为副城区，主要包括东山副城、仙林副城以及江北副城；第3级别为一般城镇，见图1.主城区土地开发强度高，经济实力强，集商务、商贸、会展、经融、文体五位一体，此外，南京站、南京南站分别坐落在北城区和南部新城，因此，该区域对机场可达性要求较高；副城区为新型城市，该区域经济发展迅速，拥有高新技术产业园区，聚集大量人才、资源，对航空旅客也具有一定吸引力；而一般城镇则对航空旅客吸引力相对较低.

图1 研究范围分区

2.2 数据来源与处理

文中涉及的路网信息片区划分、城镇人口收入、路网密度是通过《南京市城市总体规划(2015-2020)》以及“2014年南京统计公报”收集的；航空旅客出行特征数据来源于现场调研，调研时间为2015年11月，调研地点为南京禄口机场及各个片区，调查内容主要包括航空旅客出发地点、出行方式、出行费用等，调查方式为纸质问卷，本次调查共发放问卷1 200份，回收问卷1 120份，有效问卷1 076份，有效率达96%.

根据调研结果，得到各区域重要度评价指标数据，参照上述评价方法计算出各区域重要度值见表3.

表3 区域重要度值

对于栅格耗费值，未加入阻抗函数前，将根据文献[16]及南京市实际路况获取；加入阻抗函数后，则运用式(3)来计算耗费成本，结果见表4.

表4 机场集疏运网络栅格成本值

最后，以城市基础地理信息数据库中1∶100 000比例尺的公路网数据为基础，运用ArcGIS10.1软件构建南京禄口机场集疏运道路网络图，该道路网体系主要以高速公路、一级公路为主，见图2.

图2 南京禄口机场集疏运道路网络图

3 可达性对比分析

以南京禄口机场为栅格耗费源点，根据上述计算公式，测算各区域内任一栅格通达源点的最小累积阻抗值，并对未加入阻抗函数和加入阻抗函数的可达性测算结果进行对比分析，结果见图3.

图3 南京禄口机场集疏运道路网可达性空间分布图

3.1 整体空间分布可达性差异对比

由图3可见，无论哪种测算方法，随着距离的增加，可达性均呈现下降趋势.加入阻抗函数后，区域可达性整体水平明显下降，且可达性空间分布层次化鲜明，能较好的反映出可达性沿道路线网、河流、山地等区域形成层层嵌套的分级结构；其次，加入阻抗函数前，区域可达性分布相对均匀，差异不明显；加入阻抗函数后，可达性空间分布呈现北部区域(长江以南)平缓，东西南区域陡峭的现状，即中北部区域(长江以南)较其他区域可达性水平较优，该现象符合南京城市分布特征.

而根据数据统计(见表5)，两种算法的测算结果在数值上也存在较大差别.加入阻抗函数前，计算所得整个研究区域可达性水平为25.3 min，最大值为82.7 min，标准差为11.0，存在测算结果与实际现状相脱节的现象；加入阻抗函数后，考虑了实际交通量、旅客出行费用以及区域重要度，该区域可达性水平达到38.3 min，最大值达到96.2 min，标准差为16.1，该结果与运行现状契合度更高.

表5 加入阻抗函数前后可达性水平对比

3.2 分区可达性差异对比

通常，可达性水平往往受到出行距离限制，在一定程度上无法反映出分区可达性差异，为此，文中考虑引入可达性系数即各分区可达性水平与区域整体可达性水平的比值来分析分区可达性差异.通过对划分的片区进行统计计算，得到各片区可达性水平及可达性系数，见表6.

表6 分区可达性差异

根据统计数据可知，加入阻抗函数后，各片区差异化显著.主城区5个片区可达性系数皆低于1.0，整体可达性水平较副城区与一般城镇占优，对比加入阻抗函数前后，5个区可达性系数分别降低了0.05，0.11，0.07，0.03，0.06.而副城区分布在主城区周边，受出行距离及地形影响，3个片区可达性落差较大，整体可达性水平低于主城区，对比加入阻抗函数前后，3个区可达性系数分别降低0.03，0.01，0.02，差异变化低于主城区，高于一般城镇.相比主城区和副城区，一般城镇可达性水平较低，加入阻抗函数后，可达性系数增加了0.01.可见，主城区与机场之间相互联系最为紧密，对通达机场可达性要求最高，副城区次之，一般城镇机场可达性较差.该结果较好地反映出了机场集疏运道路网特性.

4 结 束 语

文中在研究机场集疏运道路网可达性测算模型的过程中，首先通过引入时间阻抗、费用阻抗、区域重要度差异因子，提出了阻抗函数的概念，其次基于阻抗函数，根据栅格耗费距离模型建立了改进的机场集疏运道路网可达性测度方法，并通过南京禄口机场集疏运道路网实例对该测度方法进行了验证.可达性测算结果显示：改进后，南京禄口机场集疏运道路网可达性水平为38.3 min，较改进前可达性水平增加了1 3min，且分布层次化更明显，加入阻抗函数在一定程度上解决了传统可达性测算模型与现状相脱节的现象；分区可达性差异分析显示：主城区可达性系数平均降低0.06，副城区平均降低0.02，一般城镇增加0.1，该现象与不同区域对机场可达性要求不同的特性相符.可见，改进后的可达性测算方法较传统可达性测算方法适用性更强、准确度更高.但文中提出的阻抗函数仅考虑了出行时间、出行费用和区域重要度，而旅客出行舒适度、交通延误、地形阻隔等诸多因素还未涉及，有待进一步研究.

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Study on the Measurement Method of Airport Transportation Road Network Accessibility Based on Impedance Function

HUA Songyi BAO Danwen JIA Junhua

(CollageofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)

Based on impedance function, this article improves the traditional accessibility measurement method, by taking Nanjing Lukou Airport transportation road network as an example to verify this measure method. The results show that the regional accessibility level is increased by 13 min and the distribution tiers are more distinct after adding the impedance function, and considering the traffic flow, travel cost and regional importance factors. To a certain extent, it solves the phenomenon that the traditional accessibility measurement model is out of touch with the current situation. The difference of the partition accessibility reveals that the accessibility coefficient of the main urban area decreases by 0.06, the vice city decreases by 0.02 and the general town increases by 0.1. In other words, the regional differentiation is enhanced significantly by adding the impedance function, which could fully reflect the characteristics of network transportation in airport road. This method can provide a theoretical basis for evaluation decision on airport transportation road network.

traffic engineering; airport accessibility; impedance function; raster cost distance; regional importance

2016-07-05

*国家自然科学基金项目(51508274)、江苏省自然科学基金项目(BK20140821)资助

U12 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.025

华松逸(1992- )：男，硕士生，主要研究领域为交通运输规划与管理