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(guī)劃設(shè)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(fā)展取得了歷史性成就，隨著各種運輸方式逐漸聯(lián)網(wǎng)貫通，已到了充分發(fā)揮各種運輸方式比較優(yōu)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(fā)展，鐵路客運站由新中國成立之初的第一代普通客運站發(fā)展到如今擁有現(xiàn)代化高速鐵路（以下簡稱“高鐵”）網(wǎng)絡(luò)的第四代樞紐站——交通綜合體[1]。交通綜合體包含高鐵主導(dǎo)、地鐵主導(dǎo)、公交主導(dǎo)等類型，基于我國高鐵快速發(fā)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(xiàn)多模式交通轉(zhuǎn)換，將商業(yè)、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(shè)交通運輸體系中的重要節(jié)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(wǎng)絡(luò)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(dǎo)交通綜合體站區(qū)開發(fā)，提高交通綜合體與站區(qū)匹配度，達到站城融合、站城一體化發(fā)展的目標。

目前，國內(nèi)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(wù)范圍、位置特性、用地性質(zhì)對綜合客運樞紐進行分類[3]（表1）。 從樞紐功能角度出發(fā)，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(fā)，GB 50226-2007《鐵路旅客車站設(shè)計規(guī)范》（2011年版）[5]根據(jù)高峰小時發(fā)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(fā)送量以及旅客換乘量作為劃分綜合客運樞紐的依據(jù)。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(wù)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(qū)級和地區(qū)級4個等級，將我國綜合客運樞紐分為全國性、區(qū)域性、市域性、片區(qū)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(qū)樞紐和邊緣組團型樞紐。從綜合客運樞紐與周邊用地性質(zhì)關(guān)系上分析，文獻[9]通過節(jié)點-場所理論對交通樞紐及其鄰接區(qū)進行分析，研判節(jié)點（交通樞紐）、場所（鄰接區(qū)）協(xié)同現(xiàn)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(fā)展型。

表1 現(xiàn)研究層面的樞紐分類方式匯總表

目前，大多數(shù)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(shù)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(guān)系，忽略了樞紐本身存在的特征要素。基于以上2點，本文選取國內(nèi)部分交通綜合體作為研究對象，剖析其系統(tǒng)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(xiàn)狀問題分析

目前，我國交通綜合體發(fā)展仍然存在許多問題，主要表現(xiàn)在以下3個層面。

（1）交通綜合體類型考量不足，導(dǎo)致交通綜合體體系構(gòu)建不完善、區(qū)域布局不合理。《交通強國建設(shè)綱要》中明確提出“建設(shè)便捷順暢的城市（群）交通網(wǎng)，構(gòu)筑多層級、一體化的綜合交通樞紐體系[10]。”目前，我國交通綜合體建設(shè)還處于起步階段，缺乏多層次、多類型的建設(shè)考量，導(dǎo)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(zhì)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(qū)，中部地區(qū)以及西部地區(qū)相對較為落后。從區(qū)域視角來看，區(qū)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(guī)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(guān)類型劃分標準，導(dǎo)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(guān)建設(shè)規(guī)范標準，對交通綜合體功能定位、分類缺乏明確的技術(shù)指導(dǎo)，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(dǎo)致樞紐與城市功能空間出現(xiàn)不耦合現(xiàn)象。此外，由于交通綜合體建設(shè)規(guī)模受其功能定位的影響難以得到有效控制，繼而影響相關(guān)投資意向，減緩交通綜合體建設(shè)進程。

（3）交通綜合體特征解析不足，導(dǎo)致交通綜合體與周邊地區(qū)協(xié)同發(fā)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(qū)的土地開發(fā)模式、強度也應(yīng)匹配交通綜合體的特征進行規(guī)劃，但目前缺乏對不同類型交通綜合體特征內(nèi)涵的考量，對交通綜合體類型認知單一，導(dǎo)致樞紐周邊地區(qū)開發(fā)模式趨于相似，阻礙站城一體化發(fā)展，從而降低樞紐開發(fā)帶來的經(jīng)濟以及社會效益。

綜上，解析交通綜合體系統(tǒng)特征內(nèi)涵，科學合理的劃分交通綜合體類型對我國軌道交通發(fā)展具有重大意義。

3 交通綜合體系統(tǒng)特征要素指標分析

3.1 交通綜合體特征解析

區(qū)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(xiàn)多模式交通換乘，注重換乘空間設(shè)計。客流特征發(fā)生改變，短途出行比例和頻次增加。例如，成渝（成都、重慶區(qū)域）短途客流在2019年占該區(qū)域全部客流的79.5%，如圖1所示。

圖1 成渝短途客流占該區(qū)域全部客流比例

（2）功能定位方面。交通綜合體將商業(yè)、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(jié)點，承擔交通、娛樂、經(jīng)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(zhuǎn)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(xiàn)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(gòu)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(fù)雜系統(tǒng)要素的內(nèi)在反應(yīng)。交通綜合體是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，不同的要素特征致使交通綜合體效能呈現(xiàn)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(gòu)建交通綜合體特征要素指標體系，構(gòu)建步驟如圖4所示。首先通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻進行梳理、歸納，能夠較為清晰的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)研究多聚焦在交通綜合體總體布局規(guī)模、客流特征、接駁換乘、發(fā)展趨勢與空間布局、內(nèi)部空間規(guī)劃5個方面[12-14]。具體涉及到的指標如下。

圖4 指標體系構(gòu)建步驟

（1）總體規(guī)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(shù)量及方向（個）、站臺規(guī)模（個）、到發(fā)線數(shù)量（條）、日均停靠列車數(shù)量（列）、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(jié)假日客流量（人次）。

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

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

（5）內(nèi)部空間規(guī)劃。包括：交通空間面積（m2）、商業(yè)空間面積（m2）、交通空間占比（%）、商業(yè)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(xiàn)）、空間服務(wù)水平（m2/人，指功能性空間的服務(wù)水平，通常以人均功能空間面積來表示）。

借助中國知網(wǎng)（CNKI）文獻資料數(shù)據(jù)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(guān)鍵詞進行全文檢索，將搜索到的文獻數(shù)量加和，每個指標因子檢索到的文獻數(shù)量占總文獻檢索數(shù)量的比例大小即為該因子與交通綜合體系統(tǒng)相關(guān)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(guān)性統(tǒng)計

通過專家打分法對關(guān)聯(lián)性高的指標進行調(diào)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(tǒng)特征要素指標體系（表3）。

表3 特征要素指標體系

3.3 構(gòu)建交通綜合體系統(tǒng)特征要素數(shù)據(jù)集

本文選取國內(nèi)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(wǎng)絡(luò)查找、大數(shù)據(jù)爬取、衛(wèi)星影像圖等方法獲取樣本數(shù)據(jù)，考慮到研究數(shù)據(jù)量需求大的特點，對收集的數(shù)據(jù)進行Z-score標準化處理，得到交通綜合體系統(tǒng)特征要素數(shù)據(jù)集。Z-score 標準化是一種常用的數(shù)據(jù)標準化處理方法，計算公式如下：

式（1）中，x為某一具體分數(shù)，即某一指標的現(xiàn)狀取值；μ為平均數(shù)；σ為標準差。 當Z＜0 時，原始分數(shù)低于平均值；當Z＞0 時，原始分數(shù)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(tǒng)特征要素數(shù)據(jù)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(shù)與K的線性關(guān)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(shù)據(jù)進行聚類，得到最終聚類結(jié)果。

4.1.1 層次聚類法

層次聚類法通過測度節(jié)點之間的相關(guān)性并對相關(guān)程度進行高低排序分級，將各個節(jié)點進行重新連接，然后采用單連接或全連接層次聚類將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成一個樹狀圖層次結(jié)[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(shù)量；xi、yi為數(shù)值。

4.1.2 K-means聚類

K均值（K-means）聚類分析具有原理簡單、應(yīng)用廣泛、聚類效果好等優(yōu)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(jù)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(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

4.2.1 確定 K 值

根據(jù)層次聚類最終的結(jié)果以及樹狀圖研判最佳聚類數(shù)，同時通過平方歐氏距離與聚類數(shù)量的線性關(guān)系可以看出（圖5），聚類數(shù)量大于4時，平方歐氏距離趨于穩(wěn)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(shù)目

4.2.2 K-means 聚類結(jié)果

基于K-means聚類分析方法將國內(nèi)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(nèi)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(qū)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(jié)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(shù)據(jù)方差結(jié)果，從中根據(jù)變異數(shù)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，“日均停靠列車數(shù)量”是聚類分析中作用最大的指標，其次是“到發(fā)線數(shù)量”“站臺數(shù)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(jù)交通綜合體系統(tǒng)特征指標體系，從總體布局規(guī)模 、客流特征 、接駁換乘 、發(fā)展趨勢與空間布局 、內(nèi)部空間規(guī)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(qū)邊緣，是全國性交通綜合體，并且多為近期建設(shè)或者翻修，設(shè)計精細、新穎，具有體現(xiàn)城市乃至地區(qū)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(shù)量多，站臺容納力強，到發(fā)線數(shù)量較多，日均發(fā)送旅客量及日均列車發(fā)送量均名列全國前列，交通功能突出，車站作業(yè)能力強。同時，車站內(nèi)空間復(fù)合程度較高，站內(nèi)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(yè)面積較大，但人均商業(yè)面積較小，商業(yè)業(yè)態(tài)多為零售業(yè)，無法支撐綜合體大規(guī)模的人流聚集效應(yīng)，該類交通綜合體與城市中心存在一定的距離也是導(dǎo)致其商業(yè)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(qū)邊緣，是地區(qū)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(fā)送旅客量在該地區(qū)位于前列，交通功能突出。該類交通綜合體商業(yè)面積較大，人均商業(yè)面積相較于樞紐型要高，說明中心型交通綜合功能復(fù)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(xiàn)多數(shù)處于市中心區(qū)內(nèi)，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(fā)送列車數(shù)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(shè)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(qū)或者城市邊緣區(qū)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(shù)量少，容納能力弱，日均發(fā)送列車數(shù)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(shè)計較為簡單，所以換乘的距離較短，換乘時間少。

5 優(yōu)化策略

（1）構(gòu)建多層級、多類型、網(wǎng)絡(luò)化的交通綜合體體系。從區(qū)域、城市群、城市層面構(gòu)建多層級、多類型、網(wǎng)絡(luò)化的交通綜合體體系（圖6），區(qū)域?qū)用嬉詷屑~型交通綜合體構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)骨架，達到區(qū)域成網(wǎng)、分配均衡的狀態(tài)。區(qū)域城市群層面，以樞紐型交通綜合體為主體結(jié)合中心型交通綜合體、均衡型交通綜合體構(gòu)建城市群交通綜合體網(wǎng)絡(luò)。城市層面根據(jù)城市等級、規(guī)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(yōu)化城市功能空間結(jié)構(gòu)。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(yōu)化城市功能空間結(jié)構(gòu)，促進城市經(jīng)濟發(fā)展。

（3）解析交通綜合體特征內(nèi)涵，優(yōu)化樞紐效能及其周邊區(qū)域土地開發(fā)，促進站城協(xié)同發(fā)展。不同交通綜合體效能存在差異，帶動周邊區(qū)域發(fā)展的能力不同，解析交通綜合體系統(tǒng)特征內(nèi)涵，劃分類型、等級，能最大程度發(fā)揮交通綜合體效能，優(yōu)化樞紐周邊區(qū)域的用地開發(fā)現(xiàn)狀，促進站體與周邊區(qū)域協(xié)同發(fā)展，達到站城一體化發(fā)展的目標（圖7）。

圖7 不同類型交通綜合體周邊區(qū)域開發(fā)意向圖

6 結(jié)論與討論

不同交通綜合體在城市乃至區(qū)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(qū)域軌道交通網(wǎng)絡(luò)合理化布置、站城一體化發(fā)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(guī)模”“客流量”“換乘距離/時間”等相關(guān)指標，通過頻度分析法與專家打分法構(gòu)建交通綜合體系統(tǒng)特征指標體系與數(shù)據(jù)集合，并對指標數(shù)據(jù)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(chǔ)上，提出針對區(qū)域體系構(gòu)建站城融合、站區(qū)開發(fā)、站體效能提升方面的優(yōu)化策略。

交通綜合體是未來城市發(fā)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(tǒng)特征要素進行量化研究，缺少對交通綜合體鄰接區(qū)的分析，在指標體系構(gòu)建上缺少交通綜合體鄰接區(qū)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(guān)的要素信息，如站體周邊的建成環(huán)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(jié)果存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象。