北京新機場對周邊區域交通影響的預測

沈越

摘要：機場作為重要的交通輻射中心，對周邊交通網絡具有重要的影響。在首都國際機場2006年—2015年連續時空尺度上的機場運行數據和周邊交通網絡數據的支撐下，根據北京新機場運行數據，引入神經網絡預測模型，對北京新機場周邊交通網絡數據做出科學預測。結論如下：①交通網絡與機場數據密切聯系，機場周邊交通網絡不斷完善；②近期的2025年和遠期的2040年，交通網絡逐步完善。北京新機場和首都國際機場協同運行，分享著客貨流，雙方的交通網絡數據都會呈現先減后增的趨勢。總體上，兩機場協同運行的狀況，將會改善北京交通壓力，提高客貨容量。交通網絡承載力也大幅上漲；③2025年新機場大巴里程數約為1510.8km，道路總數約為176條，2040年新機場大巴里程數約1871.9km，道路總數約為187條；④新機場建設后周圍道路建設規模和機場巴士規模可以平緩增加建設。

Abstract： As an important transportation center， the airport has an important impact on the surrounding traffic network. By the support of airport operation data and airport perimetertraffic network data of the Capital International Airport from 2006 to 2015 at the continuous temporal and spatial scales， based on airport operation data of the new airport in Beijing， using neural network prediction model， we will make scientific prediction on Beijing's new airport traffic network data. Conclusions are as follows： ①The transportation network is closely related to the airport data， and the traffic network around the airport has been improved and will be improved. ②The recent 2025 and forward in 2040， the gradual improvement of the transport network. The new Beijing airport and Beijing Capital International Airport are in cooperation with share of passenger flow， so the traffic network data both decreased before increasing trend. On the whole， with the two airport cooperative operation of the situation， Beijing will improve traffic pressure， improve passenger capacity. Traffic network carrying capacity will also rise sharply. ③New airport bus mileage in 2025 is about 1510.8km， the total number of roads is about 176， in 2040 the new airport bus mileage is about 1871.9km， the total number of roads is about 187. ④After the construction of the new airport， the size of the surrounding airport road construction and the size of the airport bus can be increased gently.

關鍵詞：北京新機場；交通網絡預測；輻射區；神經網絡

Key words： Beijing new airport；traffic network prediction；radiation area；neural network

中圖分類號：F570.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）10-0004-06

0 引言

北京作為全國的政治經濟中心，其民航業也是處于中國發展的前沿。“城市機場”向“機場城市”的概念轉變，使得機場已經不再是一個單純的交通運輸單位，憑借著機場強大的對外交通能力，對城市甚至是地區的發展產生著多層次多方面的滲透。北京新機場的建設則有利于完善北京及周邊交通網絡體系并且促進周邊地區發展。隨著京津冀一體化協作發展的深入，處于三者交界位置的北京新機場無疑成為京津冀發展聯系的紐帶，甚至在其他更多方面輻射著更廣闊的華北乃至全國。北京新機場的建設對經濟發展，產業結構，基礎設施，交通網絡等等的積極影響無疑是巨大的。

現有的研究多以機場對經濟的影響為主，如芮宏用投入產出數據分析了民用機場在城市與區域、分工專業化、企業區位選擇等方面對于區域經濟的影響[1]，夏夢瑩以成都為模板開展了基于新機場的成都臨空經濟發展研究[2]，蘇增蓉則著眼于首都機場與順義臨空經濟區聯動關系并以此展開研究[3]，綦躍武以中小機場為研究對象，從建筑業、旅游業等方面分析中小機場對區域經濟的影響[4]，宋偉分析了民用航空機場對城市和區域經濟原生效應、次生效應、衍生效應[5]，另外周游的《首都機場對區域產業結構的影響研究》[6]和王倩的《樞紐機場對區域的輻射影響研究》[7]都分析了機場對區域經濟和產業結構的影響等。

另一方面關于機場周邊交通的研究較少，以預測性研究和規劃為主，為本文提供了研究思路。王愛云以西安咸陽國際機場為例，對機場軌道交通客流進行分析預測[8]，岳喜展以陸側交通系統中對外集散道路交通規劃為例，提出了機場對外通道的的規劃方案設計[9]，趙素霞以成都市為例，提出了城市公共交通與機場網絡適應性評價方法并驗證了其實用性和可靠性[10]。王彥明則針對長白山機場建設影響的自身特點，分別采用灰色預測模型和生長曲線法、轉換系數法對機場交通的變化量進行預測[11]。而國外的針對終端區旅客流量的研究[12]為機場周邊的道路需求提供了參考，Hepner R.的《機場的發展和成長的研究》[13]從總體上研究了機場的發展規律，Davidson K B以布里斯班機場為例的交通量預測模型的研究[14]對于交通預測模型提出了自己的看法。但是這些研究在都是在預測性上進行深入研究，而未與交通網絡聯系起來，現有的交通網絡研究則多以與機場脫離的方式來研究，如柯文前的《高速公路交通網絡的研究》[15]。

因此，本文將對北京新機場進行周邊交通網絡的預測，同時在在預測中引入輻射區概念。北京新機場的研究必然要借助于對大型樞紐機場的分析，關系最為緊密的便是首都國際機場，擬以首都國際機場2006年-2015年連續時空尺度上的機場運行數據和周邊交通網絡數據，根據北京新機場的運行數據，用神經網絡模型對北京新機場的交通網絡數據進行預測。從而更好的對北京新機場的功能定位、影響評價作出更為準確的結論，結果可以為北京新機場的后期開發建設提供參考指標。

1 數據處理與研究方法

1.1 研究區概況

北京新機場影響范圍廣闊，顯然，對輻射區的影響最為直接。輻射區是指產業輻射所能涉及的范圍。而本文中的產業輻射是指交通網絡方面的輻射，即新機場所能影響其交通的地區。輻射區具有以下幾個特點：①具有輻射源：輻射源是指一個產業輻射體系中刺激、拉動其他產業發展的動力點。核心或骨干產業是產業輻射體系中的動力源，其發展變化將對整個產業輻射網絡中的相關產業產生影響。本文中的輻射源是指北京首都新機場。②雙向輻射：輻射源和接收方之間存在聯動效應，輻射一旦發生，兩者之間互相促成。例如機場的大巴會對周邊的地區帶來影響，而周邊地區也會影響機場的交通狀況。③與物質媒介有關：距離是衡量輻射區的一個重要因素，在交通方面，機場對距離其近的區域影響較大，而距離其遠的地方影響較小[16]。例如，新機場對廊坊交通的影響比對天津的影響要大。

新機場輻射區以機場本身為中心輻射源，輻射源所在的地方為固安縣，隸屬河北省廊坊市，地處華北平原北部，北京、天津、保定三市中心。東與永清縣相連，西與涿洲市、高碑店市相鄰，南與霸州市、雄縣接壤，北隔永定河，與北京市大興區相望。距北京天安門50公里，東南距天津市120公里，西南距保定市120公里[17]。通過機場大巴，空港巴士，高速公路，地鐵，火車，高鐵，國道等主要交通方面所能影響到的區域界定為新機場的輻射區。主要包括：北京市，河北廊坊、保定地區及石家莊、天津地區。

北京新機場工程規劃至2025年總投資達800億元，若加上配套設施（主要為空管設備以市政基礎設施等），總投資高達2000億以上，從長遠看，新機場規模遠超首都機場以及國內其他大型機場，南苑機場也會在新機場落成后遷入，屆時新機場將成為世界第一大機場。目前新機場已于2015年全面開工建設，預計2019年正式投入使用，具體規劃指標及業務量預測詳見表1。

新機場的飛行區等級與首都機場一樣，同為4F級（最高級），但是跑道劃設較首都機場更為靈活，除了三條南北向平行跑道之外，鑒于北京盛行東南向航班的特點，特意設計了一條主要用于起飛的斜向跑道，以提升機場跑道的使用效率。

北京新機場的建設不同于一般地區新建機場，而是在現有首都機場的基礎上另外新建一個大型國際樞紐機場，這意味著北京也將成為國內繼上海之后第二個一市多場的城市。從國外一市多場模式的發展來看，雙機場功能定位的演變多為新機場落成投產后逐漸替代原有機場，成為一個區域內最大最重要的機場。但是這大多是因為老機場建設的年代久遠，新機場的現代化程度和綜合使用性更勝一籌，如韓國首爾仁川/金浦機場、新加坡樟宜/實里達機場、上海浦東/虹橋機場等等。但是，北京首都國際機場T3航站樓于2008年竣工，至今不足十年，且仍保持著世界最大單體航站樓的記錄，基礎設施十分完備，運營情況良好，故北京新機場建成后不會馬上取代首都機場的地位，而是與其共同分擔首都地區的航運業務量，兩個機場各自分工獨立卻又協同配合，共同實現北京市雙機場系統的協同發展。

1.2 數據

從網絡，文獻資料如《從統計看民航》等渠道獲得的民航統計數據中統計出2006-2015旅客吞吐量，貨郵吞吐量，起落架次這三項機場基本指標，見表2。再從機場官方網站獲取，或者從搜狗地圖上進行測距，得到首都機場2006-2015歷年的機場巴士里程數和空港巴士里程，見表3和表4。出租車，自駕車等交通方式都依賴于各類道路，因此根據2006到2015年的北京交通圖，對東起溫榆河西至六環路，北起六環路南至區界的范圍進行各類道路的計數，含高速，公路，小路三個類別。分類方法：依照高速公路、普通有路名公路，和無路名公路，無路名公路按公路交叉點之間一段為一條公路，得到首都機場周圍道路統計表，見表5，由于地圖的清晰度問題以及不同版本的矛盾問題，最后確定的數據為06到09的數據以及13年的數據。以上數據匯總得到首都國際機場2006-2015機場運行數據和交通網絡數據見表6。根據新機場建設的官方規劃，得到新機場預估運行指標，見表7。通過查閱文獻資料及網上數據獲得地鐵的數據，了解到首都機場的機場線地鐵從2008年開始開通，里程數沒有變化，期間也沒有開通新路線，開通新站點，因此不將地鐵的里程數列入體現首都機場周圍交通網絡變化的數據中。從表4知，機場自從運行以來其空港巴士一直處于較穩定的狀態，沒有太大的增幅趨勢，因此不采用空港巴士數據作為依據。通過神經網絡回歸模型，得到兩方數據間的定量關系。最后根據得到的定量關系，以及新機場旅客吞吐量，貨郵吞吐量，起落架次的預估指標，對新機場的機場大巴里程，周圍各類道路數做出預測，從而對新機場建設對周圍的交通網絡造成的影響進行預測。

1.3 預測方法

神經網絡（Neural Networks，NN）是由大量的、簡單的處理單元（稱為神經元）廣泛地互相連接而形成的復雜網絡系統，它反映了人腦功能的許多基本特征，是一個高度復雜的非線性動力學習系統。神經網絡具有：①分布儲存并行分布處理；②高度魯棒性和容錯能力；③學習能力；④能充分逼近復雜的非線性關系。特別適合處理有多個自變量、關系復雜、不精確和模糊的信息處理問題。神經網絡的基礎在于神經元。神經元是以生物神經系統的神經細胞為基礎的一種生物模型。在人們對生物神經系統進行研究之后，人們開始探討人工智能的機制，把神經元數學化，從而產生了神經元數學模型。神經網絡模型由網絡拓撲、節點特點和學習規則來表示。人工神經網絡的模型現在有數十種之多，應用較多的典型的神經網絡模型包括BP神經網絡、Hopfield網絡、ART網絡和Kohonen網絡。其中BP神經網絡是一種按誤差逆傳播算法訓練的多層前饋網絡，是目前應用最廣泛的神經網絡模型之一。BP神經網絡指的是用了“BP算法”進行訓練的“多層感知器模型”。多層感知器（MLP，Multilayer Perceptron）是一種前饋人工神經網絡模型。BP神經網絡模型拓撲結構包括輸入層（input）、隱層（hidden layer）和輸出層（output layer）。其原理有如下四點，首先是輸出原理，隱節點輸出模型和輸出節點輸出模型如式（1）和式（2）所示，其中f為非線形作用函數；qj和qk為j和k節點的神經單元閾值：

本文采用IBM spss statics 的神經網絡多層感知器實現BP神經網絡模型預測，以首都國際機場的機場運行數據和交通網絡數據為練習數據，進行神經網絡訓練，建立神經網絡BP神經網絡模型，再代入北京新機場的機場運行數據，對北京新機場的交通網絡數據進行預測。

2 研究結果

2.1 神經網絡訓練結果

本文利用IBM spss statics 的神經網絡多層感知器進行對數據的訓練以及預測。首先，構建數據集間的神經網絡，它們的神經網絡關系圖如圖1。該神經網絡的隱藏階層啟動函為雙曲線正切值函數，輸出階層啟動函數為單位函數。

本文的神經網絡模型用于訓練的有10組數據，為2006到2015年的首都國際機場的運行數據和交通網絡數據。其中處理這10組數據構成的數據集的過程如表8所示，7組用作訓練，3組用作檢測，排除的為用作預測根據的北京新機場運行數據。

進行訓練后得到的神經網絡參數表如表9，輸入階層含旅客吞吐量，貨郵吞吐量，起降架次作為共變量，共變量的重新計算方法標準化，使神經網絡的訓練得到統一。經過訓練，確定了一層隱藏階層。輸出階層為兩個因變量，即交通網絡數據：機場大巴里程數和道路總數。訓練過程即用7組數據進行訓練，剩下3組數據用來對神經網絡進行檢測。機場大巴里程數和道路總數的訓練結果散點圖見圖2和圖3，殘差圖見圖4和圖5，由可知殘差較小，擬合性和準確性較好。

經過訓練最后得到的神經網絡訓練結果圖如表10所示，經過訓練、檢測過程，最后得到的訓練平均整體相對錯誤為0.038，檢測平均整體相對錯誤為0.065，相對錯誤較小，最后檢測出的機場大巴里程數和道路總數的相對錯誤分別為0.194和0.012，相對錯誤較小，說明該神經網絡模型預測誤差較小，較準確。

2.2 預測結果

由北京新機場旅客吞吐量、貨郵吞吐量、起落架次三個指標最后預測得到2025年和2040年的交通網絡數據，2025年機場大巴里程數約為1510.8km，道路總數約為176條，2040年機場大巴里程數約為1871.9km，道路總數約為187條，見表11。現有大巴里程數1720.2km，道路總數166條。對預測結果進行分析：①從道路總條數來看，到2025年可達176條，到2040年可達187條，十年和之后十五年間分別增長10條和11條。時間跨度大，在短期內增長比較小，主要原因是首都第二機場剛剛建設完工，并不能馬上形成規模，客流量不會突增，所以其道路在短期內的增長不會太多，只是滿足短期的運營需求；而長期運行后，第二機場會超過首都機場成為主要樞紐機場，大量客流會促使道路數有明顯的增長。②從機場巴士的總里程數來看，到2025年總里程為1630.8km，到2040年總里程為2118.8km。預測結果呈先減后增的趨勢。其原因有三：①新機場的剛剛運行并不會馬上獨立其機場巴士路線，而是在短期內會和原來的首都機場共同使用一部分路線，導致其會有先減少的趨勢。②新機場投入后的未來幾年內，其運營規模仍然會次于先有的機場，增長趨勢不會太大，其取代原有機場的地位是徐徐漸進的過程。③當首都新機場的運行成熟之后，其規模才會大于現有的首都機場，客流量的大量增加，起落架次的不斷增長，會使得機場巴士有明顯的增長。預測結果具有一定的現實意義，可作為未來首都新機場周邊交通網絡體系建設規劃的參考。機場大巴和機場周邊道路，是通向機場的兩種重要途徑，在可見的未來10年乃至25年內，大巴里程數和道路總條數會以一定的模式呈增長趨勢。而在以新機場為輻射源的輻射區內，首都新機場的建設會對其周邊區域的交通網絡體系起到促進作用，帶動周邊區域交通網絡的進一步發展，逐步完善交通網絡，使其功能和效率最佳。而另一方面，交通網絡體系的不斷完善又能對首都新機場的發展甚至對周邊區域的發展起促進作用，最終達到相輔相成的關系。

而通往首都新機場的方法不止有機場大巴和乘坐汽車，前面已經提到，空港巴士和地鐵，高鐵也是三種重要的途徑，而本文的預測不僅僅局限于機場巴士的里程數和首都新機場周邊的道路總條數，預測的結果也會對高鐵，空港巴士，地鐵的建設與發展起一定的的參考作用。從機場巴士總里程數和道路總條數的預測結果的趨勢來看，本文認為，到2025和2040年，空港巴士、地鐵和高鐵的的各自運行發展情況可能會有局部減少或者停頓，但總體呈增長的趨勢。而現有的資料及數據顯示，地鐵和高鐵的發展起步較晚，沒有足夠的數據和資料來支撐其模型的的構建和最后精準數值的預測；空港巴士的運行模式尚不健全，且各地模式并不統一，所以也沒有合理的數據來支撐精準預測最后的值。但是本文可以根據機場巴士的里程數和首都新機場周邊的道路總條數的預測結果確定的是，在未來10年及25年內，空港巴士、地鐵和高鐵總里程數會呈總體上升的趨勢不斷完發展。這一結果也具有一定的參考價值和現實意義。

3 結論與討論

3.1 結論

本文以2006年-2015年實際調查數據為支撐，在分析首都國際機場交通網絡變化特征基礎上，結合北京新機場規劃數據，對北京新機場近期和遠期的交通網絡進行預測研究，具有較為準確的數據預測基礎。采用神經網絡模型，繼承了神經網絡模型具有的大規模并行、分布式存儲和處理、自組織、自適應和自學能力，客觀的擬合了整體數據，得到合理的關聯關系。結果表明：①北京新機場周邊交通網絡體系與北京新機場客貨流、起降架次有著密切聯系，其增長量之間也存在著關聯，使得北京新機場周邊交通網絡可以從客觀上進行預測。②近期的2025年和遠期的2040年，交通網絡逐步完善。北京新機場和首都國際機場協同運行，分享著客貨流，雙方的交通網絡數據都會呈現先減后增的趨勢。總體上，兩機場協同運行的狀況，將會改善北京交通壓力，提高客貨容量。交通網絡承載力也大幅上漲。③新機場建設后周圍道路建設規模和機場巴士規模可以平緩增加建設。

3.2 討論

北京新機場正處于建設中，新機場對周邊交通網絡體系的影響還不顯著。隨著北京新機場的落成，客貨吞吐量、起降架次的逐漸變化，周圍區域內的交通需求必然有所增長，這種增長趨勢與北京新機場的各種數據變化有著必然的聯系，最緊密的便是客貨吞吐量。

城市規劃中，符合客觀發展規律極為重要。北京新機場周邊道路交通網絡的建設應當主要考慮處于核心地位的北京新機場的客貨流對交通網絡的需求，結合北京道路交通自身發展特征，北京新機場周邊交通網絡的最佳規劃能得以實現。

本文所研究并預測的數據，客觀上對北京新機場的交通網絡的規劃提供了數據參考，并揭示了北京新機場周邊交通網絡的發展規律，但以下問題仍需進一步討論：②預測的準確性。北京地理位置特殊，隨著國家各種政策的實施，例如一帶一路、京津冀協同發展，宏觀上對整個北京，尤其是北京新機場交通網絡發展注入了許多潛在變量。本文采取了最直接密切的幾種變量進行預測研究，但交通網絡的多樣性與綜合性，多種變量共同作用，使得交通網絡變化復雜，而多種間接變量之間存在的影響是相互抵消還是協同增長有待多方位深入研究。②北京新機場對地鐵和高鐵的影響可預測性。北京新機場建設催生出周邊地鐵發展有其必然性，對高鐵的發展也存在極大的影響，而地鐵的數量和通達性、高鐵的建設也多取決于全局戰略，判斷機場在整個區域發展的全局戰略處于什么樣的位置，從而對更高層次的交通需求產生什么影響，對各種數據都存在極高要求，也有待進一步探討。

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