北京大兴机场航空物流需求预测研究

牛思佳 刘崇献

（北京物资学院 经济学院，北京 101149）

随着我国对外开放的不断深入、科技和经济不断发展，航空运输因其高效、灵活、安全等特点逐渐成为货物流通和人们出行的重要方式。北京市作为全国的政治、文化、国际交往和科技创新中心，航空物流需求潜力巨大。2019年北京市航空货邮吞吐量占全国航空货邮吞吐量的11.57%。2018年北京首都国际机场旅客吞吐量突破1亿人次，成为了全球第二个年旅客量突破一亿人次的机场，已经超过了8000万人次的终端设计容量。北京大兴国际机场的投运可以快速释放首都机场超容运行压力，对促进京津冀交通运输协同发展具有重大意义。

关于航空物流需求预测研究，国内外学者发明和改进了多种预测方法并得以应用。杨新湦等（2019）将指数平滑法、灰色预测、线性趋势外推三种方法进行组合，建立组合预测模型，并对珠三角地区民航运输量进行预测。[1]张鹏等（2012）利用ARMA模型对上海机场航空货运量进行预测，并将VAR方法和GARCH模型引入其中，给出机场货运量预测最大波动区间。[2]任新惠等（2009）归纳了 GM（1，1）模型建模过程中可能出现的典型问题和解决方法，并对天津滨海机场货运量进行了预测。[3]Erma Suryani等（2012）应用系统动力学仿真模型预测了乐观和悲观两种情况下的航空货运量。[4]沈丹阳等（2012）在TEI@I方法论的基础上，提出TEI@Ⅱ预测方法，相对全面、准确地预测供给保障能力有限情况下的机场货邮吞吐量。[5]

上述学者所做的航空物流需求预测都是针对运营多年、有大量历史数据的机场进行的，对于新建机场航空物流需求研究较为匮乏。北京大兴机场投入使用后，北京市将形成“一市两场”的双枢纽格局。在对北京大兴机场航空物流需求进行预测的过程中应将双枢纽因素考虑其中，并从京津冀协同发展的角度对机场航空物流需求进行预测分析。

一、北京大兴机场航空物流发展现状

北京大兴国际机场于2014年12月开工建设，2019年9月25日正式投入运营，是中国内陆第15座4F级机场。机场建设共分两期，目前一期建成一座航站楼，面积为70万平方米；建成东一、北一、西一、西二4条跑道；机位268个，年货邮量设计为200万吨，年旅客量为7200万人次。远期到2040年，将增加2条跑道，共达到6条跑道，年货邮量为400万吨，旅客量达到1亿人次以上，将成为全球最大枢纽机场。自开航至2019年末，北京大兴国际机场完成旅客吞吐量313.5万人次，货邮吞吐量7362.3吨。

（一）物流基础设施

机场货运方面，北京大兴机场规划建设3个货运区。北货运区北侧与综合保税区相连，南侧靠近北一跑道，东、南两面为未来发展预留土地；邮件快件处理区位于机场东侧，东一、东二跑道中间；南货运区位于机场西南侧，紧邻南航站区。目前，北货运区已规划完成，部分建设工程已竣工。北货运区东西长2160米，南北长1120米，配套有24个货机位。空侧依次为机场国内货站、南航国内货站、邮政分拨中心、东航国内货站、东航国际货站、南航国际货站和机场国际货站。货运站后排还设有京东库、顺丰分拨中心、国内国际快件库、海关查验中心、进口二级库、出口拼装库、冷链库、跨境电商库。货运站规划布局合理，配套设施齐全，将大大提高航空货物处理效率。

（二）机场腹地发展现状

北京大兴国际机场位于北京市大兴区与河北省廊坊市的交界处，距天安门46千米，距首都国际机场67千米。机场辐射范围较广，主要的受益范围包括以下区域：因机场坐落在北京市大兴区，地处北京市城南区域的房山区、良乡地区、亦庄地区、燕山地区成为机场在北京市的主要服务范围；向东辐射河北廊坊市和天津武清区；向南辐射廊坊的永清县和霸州市；向西辐射雄安新区和保定市高碑店、涿州等区域。大兴机场的建成将为京津冀交通与经济建设协同发展提供支撑。

北京大兴机场腹地的产业发展将给北京大兴机场带来巨大的货运需求。亦庄位于北京市城南，地处该区域的北京经济技术开发区是北京市重点发展的新城，发展定位为高新技术产业和先进制造业基地，电子信息、生物医药、装备制造和汽车制造是开发区四大主导产业，2019年开发区高技术产业和现代制造业总产值达4858亿元。作为创新驱动发展新引擎的雄安新区，其发展规划明确提出发展信息技术产业、现代生命科学和生物技术产业、新材料产业、高端现代服务业、绿色生态农业等产业。诸如亦庄经济技术开发区、雄安新区等腹地的高新技术和高端服务业发展将产生大量的航空客、货运输需求，是大兴机场航空物流发展的重要动力源。

为发挥机场国际航空枢纽的辐射作用，北京市与河北省共同规划建设机场临空经济区，总投资将超2000亿元，预计未来产出将达1.6万亿元。根据《北京大兴国际机场临空经济区总体规划（2019—2035年）》，临空经济区总面积约150平方公里，其中北京部分约50平方公里，河北省部分约100平方公里，包括服务保障区、航空物流区和科技创新区共3个功能片区。其中，航空物流区重点承载航空物流、电子商务、综合保税、国际会展、航企服务等功能。临空经济区拟建设“1+2+2”临空产业发展体系，即以生命健康为主导产业，以航空枢纽和航空服务保障为两大基础产业，新一代信息技术和智能装备为储备产业的多层次发展体系。这种多层次有重点的航空产业发展体系必将会促进北京大兴国际机场航空物流业务的发展。

二、北京大兴机场航空物流需求预测思路

（一）假设条件

笔者对北京大兴机场航空物流需求预测基于以下假设条件：

1.全球经济总体稳定，新冠肺炎疫情对2020年经济形势有冲击，对后续年份无巨大冲击，经济活力充分释放。

2.国内政治稳定，不发生重大经济政策变化，经济从高速增长转向高质量发展阶段。

3.京津冀机场群各机场定位和职能不发生重大变化，北京大兴机场转场按照《北京大兴国际机场转场投运及“一市两场”航班时刻资源配置方案》和《北京“一市两场”转场投运期资源协调方案》执行。

（二）预测思路

笔者将针对大兴机场缺乏运营历史数据这一实际情况出发，首先应用熵权法对机场航空物流吞吐量进行类比预测，并使用三次移动平均法得出北京大兴机场货邮吞吐量的预测区间。而后，运用灰色系统预测法对北京市整体航空货邮吞吐量进行预测，并根据转场规划进行划分，经调整后得出北京大兴机场货邮吞吐量预测值。最后，将两种预测方法结果进行对比分析，得出预测结论。

三、基于熵权法的北京大兴机场航空物流需求类比预测

（一）熵权法的基本原理

熵最早是作为一个热力学概念提出，用来描述热力学系统的混乱程度，一个系统越混乱，熵值就越大；越是有序，熵值就越小。后来，将熵的概念引入信息论中，用来描述信息源中信号的不确定性，称为信息熵。[6]

如果某一系统可能处于多种不同的状态，每种状态出现的概率为Pi(i=1,2,…,m)时，则系统的熵为：

若有m个参考机场，n个综合评价指标，形成综合评价指标矩阵R=(rij)m×n，对于指标rj，则其熵值为：

用熵来确定权重时，若某一指标的信息熵越小，则该指标能够提供的有效信息量越大，相应的权重越高；反之，若熵值越大，则指标能提供的有效信息越少，相应的权重越低。[7]

（二）基于熵权法的航空物流需求类比预测算法

该算法是考虑新建机场所在区域的经济发展速度、经济产业结构、交通运输、固定资产投资等情况，综合各种航空物流需求的影响因素，选取相关系数较高的指标作为影响航空物流需求的主要因素，选择与新建机场所在城市各项指标最接近的城市作为候选参考城市。运用熵权法计算各个城市的综合评价指数，将参考城市的综合评价指数与新建机场所在城市的综合评价指数进行比较，选择数值最接近的h(h＜m)个城市作为类比城市，并计算出各类比城市的权重。[8]依据权重将各类比城市机场的开航吞吐量进行加权平均，预测出新建机场开航年的吞吐量。再取各类比机场从开航年开始1～4年的移动平均增长率，结合权重进行加权平均，计算出新建机场货邮吞吐量年增长率，从而预测出新建机场的货邮吞吐量。具体的算法如下：

（1）选取m个候选城市，n个综合评价指标，收集各城市相应指标数据。

（2）综合评价指标数值归一化：

其中，dij为第i个城市的第j个指标归一化结果，rij为第i个城市的第j个指标的数值，rmin为第j个指标值当中的最小值，rmax为第j个指标值当中的最大值。

（3）城市指标比重计算：

其中，Pij为第j个指标中第i个城市所占比重。

（4）各指标熵值的计算：

其中，ej为第j个指标的熵值，。若pij=0，则定义。

（5）各指标权重的计算：

其中，wj为第 j个指标的权重，且 0≤wj≤1。

（6）候选城市综合评价指数计算：

其中，Di为第i个候选城市的综合评价指数。

（7）将候选城市的综合评价指数与新机场所在城市的综合评价指数对比，选出与新机场最接近的h(h＜m)个机场作为类比机场，并计算类比机场的权重 Wk(k=1,2,…,h)：

其中，yk为第k个类比机场开航年的货邮吞吐量。

（9）根据各类比机场开航后的年增长率，取各机场移动平均增长率，计算新机场年货邮吞吐量增长率，从而预测出新机场各年份货邮吞吐量。

（三）实证分析

1.指标的选取与数据收集

北京大兴国际机场航空货邮吞吐量预测采用上述方法进行。北京大兴机场所在的北京市属于中国的一线城市，根据国际研究惯例，笔者选择人均GDP在10万元以上的城市所在机场作为候选机场，即除大兴机场外的8个机场。选取了30个可查得的宏观经济指标，与航空货邮吞吐量进行相关性分析，剔除共线性后，挑选出相关系数在0.9以上的10个指标作为综合评价指标。选取出的8个候选机场为：上海浦东国际机场、广州白云国际机场、深圳宝安国际机场、杭州萧山国际机场、南京禄口国际机场、郑州新郑国际机场、厦门高崎国际机场、天津滨海国际机场。所对应的城市分别为：上海市、广州市、深圳市、杭州市、南京市、郑州市、厦门市、天津市。选取的10个综合评价指标分别是：GDP、人均GDP、第三产业占比、工业增加值、货物进出口总额、全社会固定资产投资总额、社会消费品零售总额、交通运输、仓储和邮政业增加值、货运量（除水运）、货运周转量（除水运）。考虑到候选城市多为临海港口城市，海运货运量和货运周转量会影响综合评价指数的计算。因此，收集到各候选城市的货运量和货运周转量两个指标数据后，剔除掉了水路运输相关数值，提高类比的科学性。因北京大兴国际机场2019年开航，笔者收集了2018年北京市和各候选城市综合评价指标的数据作为类比预测数据，如表1所示。

表1 2018年各城市综合评价指标数值

2.各城市综合评价指数的计算

根据上述算法步骤计算出各城市综合评价指数如表2所示。

表2 各城市综合评价指数

通过对比各城市的综合评价指数，发现上海、广州、深圳3个城市的综合评价指数与北京市最接近，说明这3个城市与北京市的经济发展水平、产业结构和物流发展规模相似。因此，选择这3个城市的机场：上海浦东国际机场、广州白云国际机场、深圳宝安国际机场作为类比机场。

3.类比机场权重的计算

根据公式9计算出3个类比机场的权重，如表3所示。

表3 类比机场权重

4.北京大兴机场货邮吞吐量预测

北京大兴国际机场于2019年9月25日通航，截至2019年底通航时间只有三个多月。为方便后续年份货邮吞吐量预测，设定2020年为北京大兴国际机场的开航年。3个类比机场开航年份的货邮吞吐量及各机场权重如表4所示。根据公式10，北京大兴机场2020年的货邮吞吐量预测值为442137.6吨。

表4 类比机场开航年货邮吞吐量

根据类比机场货邮吞吐量增长率，使用四次移动平均法，得出北京大兴机场2021—2025年货邮吞吐量预测区间值，如表5～表9所示。使用四次移动平均的目的在于弱化类比机场个别年份增长率的极值，提高预测的科学性。

表5 取各类比机场开航年增长率预测结果

表6 取各类比机场两年移动平均增长率预测结果

表7 取各类比机场三年移动平均增长率预测结果

表8 取各类比机场四年移动平均增长率预测结果

综合以上结果，得出2021—2025年北京大兴机场航空货邮吞吐量预测区间。从预测结果中可以看出，经过5年的发展，北京大兴机场2025年航空货邮吞吐量为114.27～130.02万吨左右。开航前三年增长速度较快，2022年为服务北京冬、残奥会的客货运输，增长率将达到一个峰值，后续两年增长速度趋于平缓。

表9 2021—2025年北京大兴机场航空货邮吞吐量预测区间

四、基于灰色预测法的北京大兴机场航空物流需求预测

（一）灰色系统预测原理及模型建立

灰色系统理论是由华中科技大学的邓聚龙教授于1982年提出的，适用于研究样本数量少、数据贫瘠的不确定问题。[9]灰色预测模型（GM）是灰色系统理论的核心内容，模型建模实质上是将原始数据进行累加处理，使原有数据序列变成有规律的数据序列，以逼近的曲线作为模型，对研究对象进行预测。灰色预测建模所需数据较少，预测精度较高，能较好的反应系统的实际情况。灰色预测应用最广泛的是GM（1,1）模型，该模型的使用前要满足两个前提条件：第一，原始数据序列须通过光滑性检验；第二，数据序列要满足指数规律，且变化速度不能太快。

应用GM（1,1）模型预测航空物流需求量的步骤如下：

（1）原始数据的检验和处理

模型在使用之前通常对原始数据进行准光滑性检验、准指数规律检验和级比检验，目的是防止外部重大事件造成原始数据波动较大对模型造成干扰。

设原始数据为：x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),…,x(0)(n-1),x(0)(n))

对x(0)进行一次累加生成，可以得到的1-AGO序列为：

（2）建立模型

灰微分方程为：

相应的白化微分方程为：

其中，a称为发展系数，b称为内生控制系数。

（3）求解微分方程

递推模型为：

通过累减计算，求得模型还原值：

（4）对预测模型进行检验

模型建立后，需要根据预测数据对模型的精度进行检验。一般有残差检验、关联度检验、后验差比值检验和小误差概率检验。[3]

1）残差检验：

设 ε(k)为残差

2）关联度检验：

设关联系数为η(k)

其中，ρ为分辨系数，(0,1)在内取值，一般取ρ=0.5。

当ρ=0.5时，关联度大于0.5则可通过关联度检验。

3）后验差比值检验

计算原始序列标准差S1和绝对误差序列标准差S2：

若求得的比值C＜0.5，则模型精度检验合格。

4）小误差概率检验

若小误差概率P＞0.8，则模型精度检验合格。

如果模型通过以上精度检验，则可使用该模型进行预测。

（二）实证分析

1.北京市机场货邮吞吐量预测

北京市2013—2019年航空货邮吞吐量数据如表10所示。

表10 北京市2013—2019年航空货邮吞吐量

（1）对原始数列进行检验：

准光滑性检验：当 k＞3，d(k)＜0.5，说明原始数列是光滑的。

准指数规律检验：W(k)∈[1,1.5]。

级比检验：当 n=7 时，e(k)∈(0.77880,1.28403)，级比序列落在覆盖区域内。

经验证，原始数列通过前期检验。

（2）建立 GM（1,1）模型：

GM（1,1）的微分方程为：

紧邻生成序列为：

利用最小二乘法求得：

a=-0.015092872

b=1868324.872

因此，可得微分方程为：

求解微分方程得到递推模型：

（3）对模型进行检验

关联度检验：取 ρ=0.5，求得关联度 r=0.6＞ρ，即模型通过关联度检验。

小误差概率检验：小误差概率P=1，即通过小误差概率检验。

经检验，全部符合精度要求，模型可以进行预测。得出2021—2025年北京市航空货邮吞吐量预测值如表11所示：

表11 2021—2025年北京市航空货邮吞吐量预测结果

2.北京大兴机场货邮吞吐量预测

《北京大兴国际机场转场投运及“一市两场”航班时刻资源配置方案》指出：2021年夏秋航季始，东航、南航应分别在北京大兴国际机场完成占本公司航季在京运行总量100%的转场投运航班量；上航一次性完成全部转场投运；邮政航将本公司航季在京运行总量30%的航班转场投运至北京大兴国际机场。港澳台地区及国外航空公司可自行制定转场投运计划转场北京大兴国际机场，或保留在北京首都国际机场运行，也可选择在两场运行。

按照境内航空公司转场计划，并结合各航空公司航班历史时刻数量，可计算得出境内转场公司航班数量：境内驻场公司航班数量=0.385:0.615。假设国际（含港、澳、台）航空公司当中，天合联盟航空公司2021年转场至北京大兴国际机场，其余航空公司根据计划相继转场或在两场运行，则按照各航空公司航班历史时刻数量，可计算得出境外驻场公司航班数量：境外转场公司航班数量=0.86:0.14。

查阅统计资料可知，北京市国内航空货运量与国际航空货运量占比分别为46.2%和58.3%，因此综合计算可得2021年北京大兴机场航空货邮吞吐量约占北京市航空货邮吞吐总量的25.3%。计算过程如表12所示。

北京大兴机场处于投运初期，货运基础设施正处在逐步建设和完善阶段，拥有较多全货机的邮政航、顺丰航以及国际货运航空公司在转场初期大部分继续在北京首都国际机场运行，并根据各航空公司计划逐步转场。由于北京首都国际机场与北京大兴国际机场一期航空货运基础设施建设规模相当，根据转场方案中提出的“安全、平稳、有序”原则和“以优促转、以增促转”原则，设定大兴机场航空货邮吞吐量占比增长速度以接近2025年占比50%目标逐渐减速的渐近线的增长方式增长，如图1所示。由此预测北京大兴国际机场2021—2025年航空货邮吞吐量见表13。

表12 北京大兴机场航空货邮吞吐量占比

图1 2021—2025年北京大兴机场货邮吞吐量占比

表13 2021—2025年北京大兴机场航空货邮吞吐量预测结果

五、预测结果分析

笔者利用两种方法分别预测了未来5年北京大兴机场航空货邮吞吐量。将两种方法得到的预测结果对比可以看出，使用灰色预测法的预测结果在熵权法预测区间范围内。两种预测方法所得结果相互印证，由此可知2025年北京大兴机场航空货邮吞吐量在124万吨左右，离大兴机场一期建设的设计吞吐量200万吨还存在一定差距。

该预测结果是基于提出的假设条件得出的，实际上当今国内和国际形势也深深地影响着北京大兴机场航空物流需求，航空物流业发展正处于机遇与挑战并存的局面。2019年，受中美贸易摩擦和美国单边主义影响，全球航空货运市场受到冲击，国内主要枢纽机场货邮吞吐量增速放缓，甚至出现负增长。2019年底，中美双方达成了第一轮的贸易协定，世界两大经济体经贸摩擦的缓和将利好2020年航空货运的发展。但受2020年新冠肺炎疫情的影响，全球贸易需求大幅下降，制造业延期开工，全球供应链体系受到严重影响，北京大兴机场航空物流发展速度将会受到冲击，航空物流发展目标将会延期达成。诸如新冠肺炎疫情期间黑天鹅事件的发生，将对大兴机场航空物流发展产生难以预测的重大影响。除了上述挑战，北京大兴机场航空物流发展同时面临着巨大的发展机遇。北京大兴机场将为2022年冬、残奥会的召开提供航空物流保障，腹地雄安新区蓬勃建设和京津冀协同发展的不断推进将给大兴机场提供货源支撑。

与此同时，还应考虑到近年来随着我国产业结构不断升级，技术密集型产业逐步替代劳动密集型和资本密集型产业，而技术密集型产品更多的是“短小精悍”的高附加值产品。未来北京大兴机场航空货邮吞吐量增速或许保持平稳状态，但是机场周边高新技术产业的兴起使得单位重量的货值不断提升，意味着大兴机场的航空物流效率得到了提高。