基于多源數(shù)據(jù)的空港可達性評價

基于多源數(shù)據(jù)的空港可達性評價

如果機場的空間位置重要，是否可以吸引足夠的粉絲，這不僅是運營商必須考慮的問題，也是管理和機場計劃建設(shè)部門必須考慮的問題?？崭叟c海港一樣是兩種運輸方式的界面,是航空出行者由出發(fā)地經(jīng)陸路到達空港,再轉(zhuǎn)到空路運輸系統(tǒng)的服務(wù)設(shè)施。因此,有必要從陸路和空路兩方面來分析空港的選址地點的重要度及市場規(guī)模。在區(qū)域科學、運輸?shù)乩韺W領(lǐng)域,評價某地或某設(shè)施的區(qū)位優(yōu)勢和服務(wù)便利性時,多采用可達性(Accessibility)指標,它是指利用交通運輸系統(tǒng)前往某地的便利性與能夠獲得的服務(wù)規(guī)模。它不僅反映不同空間區(qū)位的潛力差異,且可以評價服務(wù)范圍和資源豐富程度。有關(guān)空港可達性的研究可以被劃分為兩類。第一類研究較多,他們以地區(qū)為對象,研究某地區(qū)內(nèi)出行者經(jīng)陸路交通系統(tǒng)訪問空港的便利性。例如,姜海寧等基于公路路網(wǎng)和最短路算法,計算江蘇省各地前往空港的可達性,分析省內(nèi)各空港的服務(wù)范圍。徐濤等用可達性理論和GIS技術(shù)分析各地到空港的可達性,并依據(jù)可達性的分布特征規(guī)劃空港布局。Matisziw評價了美國各地到航空系統(tǒng)的可達性。第二類研究較少,他們以空港為對象,評價空港被周邊地區(qū)訪問的便利程度。例如,應(yīng)習文等提出將快捷性、經(jīng)濟性和舒適性三方面指標轉(zhuǎn)換為貨幣形式的通達成本,然后衡量單一大型樞紐空港的可達性?？崭劭蛇_性與陸向腹地和空向腹地規(guī)模有關(guān),涉及服務(wù)地區(qū)的人口、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟水平以及交通便利性,是一個多指標的復合體。但是,已有研究在評價可達性時,多局限于空港的陸路集疏運系統(tǒng),僅有少量研究(如Matisziw)將空港可達性劃分為兩部分:出發(fā)地到起飛空港的難易程度;起飛空港到達各通航空港的難易程度。姜海寧、徐濤等人以地區(qū)為對象評價空港可達性,揭示空港輻射范圍內(nèi)各地到空港的便利性,但不涉及空港自身的區(qū)位特征及優(yōu)劣勢。應(yīng)習文等人的研究體現(xiàn)了空港自身可達性的優(yōu)勢,但只關(guān)注空港的陸域集疏運系統(tǒng),忽視空港的空域運輸系統(tǒng),割裂了空港作為銜接陸路與空路運輸系統(tǒng)的節(jié)點功能。Matisziw的研究考慮了空港的陸域與空域運輸?shù)你暯幼饔?但卻以地區(qū)為對象進行評價,沒有體現(xiàn)空港所提供的空域運輸資源特征。本文以空港為對象,同時考慮空港陸路集疏運系統(tǒng)與空路運輸系統(tǒng)以評價空港的可達性。考慮到空港節(jié)點與道路節(jié)點不同,是陸域和空域交通的界面,銜接兩種不同性質(zhì)的運輸網(wǎng)絡(luò),首先將空港可達性分成陸域可達性(Land-sideaccessibility)和空域可達性(Air-sideaccessibility)兩部分。其次,提出新的空港可達性的定義及計量方法,并用GIS建立空港的陸域運輸設(shè)施網(wǎng)絡(luò),根據(jù)航次信息構(gòu)建空港的航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。然后,計算全國各空港的陸域和空域可達性,再將兩部分可達性進行線性組合,以評價我國空港的區(qū)位特征及競爭的優(yōu)劣勢。1旅客客流出行需求分析將空港可達性分成如公式(1)所示的兩部分。右邊的第一項為陸域可達性,表示其服務(wù)域(CatchmentArea)內(nèi)潛在航空出行者利用陸路集疏運系統(tǒng)訪問空港的便利性,涉及空港服務(wù)區(qū)域內(nèi)陸交通運輸系統(tǒng)的豐富程度和服務(wù)水平,以及人口的分布特征。右邊的第二項為空域可達性,表現(xiàn)空港基于航空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)為出行者提供前往目的地從事活動的便利與豐富程度,涉及到空港的航線密度、航線發(fā)班頻率及目的地空港周邊的經(jīng)濟水平等。式中:ACir為空港i在服務(wù)域輻射半徑為r時的可達性;為空港i在服務(wù)域輻射半徑為r時,經(jīng)標準化處理后的陸域可達性;表示空港i提供的訪問與其通航的其他空港在服務(wù)域輻射半徑為r時,經(jīng)標準化處理后的空域可達性。1.1陸域可達性評價空港服務(wù)域是其陸域可達性的重要因素,但界限卻難以準確界定。傳統(tǒng)上常以行政轄區(qū)為界。在空港密度稀疏地區(qū),空港的服務(wù)范圍大,服務(wù)域超出所在地區(qū)的行政界限;而在空港密集地區(qū),一個行政區(qū)域會被多家空港共同服務(wù)。本文用以空港為中心,以r為半徑的輻射圓表示空港的服務(wù)域?；诘貐^(qū)人口分布和陸域集疏運網(wǎng)絡(luò),空港陸域可達性的計算方法如下。式中:為空港i在服務(wù)域輻射半徑r條件下的可達性;mir={l│l是機場i在服務(wù)域輻射半徑r條件下所包含的地區(qū)ID值};ATlL表示地區(qū)l在空港陸域可達性中的魅力值,這里用人口pl表示;γ表示陸域集疏運系統(tǒng)的交通出行阻抗衰減系數(shù);cil表示空港i至地區(qū)l的陸上出行一般化費用。1.2航空客流網(wǎng)絡(luò)的物理構(gòu)成盡管空港本身難以改變其陸域集疏運,但卻可以通過增減航線資源改善其空域可達性。例如,當多家空港的服務(wù)域重疊時,空港可以鼓勵航空公司增開新航線或加密航班,提高其航空運輸服務(wù)水平,進而改善空域可達性,可以說空港的航空運輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)決定著其空域可達性。但是,與陸路運輸網(wǎng)絡(luò)是設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)不同,航空運輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)在物理上不可見,是由航次組成的具有邏輯關(guān)系的虛擬網(wǎng)絡(luò)。另外,由于航次具有時間和空間信息,航空運輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)又是時空網(wǎng)絡(luò)。所以,下面先提出航空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法,再給出空域可達性的計算公式。1.2.1航空時空局域網(wǎng)的構(gòu)建航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是用各時刻的航次將各空港有序連接而形成的圖結(jié)構(gòu),由節(jié)點和弧段組成,與傳統(tǒng)的交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)不同,它有時限性、單向性、龐大性及復雜性三個特點。時限性體現(xiàn)在時間上有界限,由于航次是航班在時間上周期性重復的表現(xiàn),因此為建立航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò),先要定義其在時間維度上的邊界。例如,國內(nèi)定期通航的航班基本上以周為單位,所以可將航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的時限定為一周。單向性體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)弧段兩端節(jié)點的時序先后上。在航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中,任意弧段的兩個節(jié)點不僅記錄空間信息,且記錄時間信息,時間信息的不可逆決定了其弧段是時間向前的。龐大性體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和弧段的數(shù)量巨大。不同規(guī)模的空港都有與之匹配的航線資源,不同航空公司針對同一航線開設(shè)一定數(shù)量的航班,而航班又由高密度的航次組成。另外,由于網(wǎng)絡(luò)記錄時間信息,單周內(nèi)以小時為時間切片,對應(yīng)節(jié)點和弧段的數(shù)量規(guī)模很大。因此,基于航次信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò),節(jié)點和弧段的數(shù)量巨大。復雜性體現(xiàn)在虛擬弧段的連接關(guān)系復雜度高。在大量的節(jié)點間需要考慮空間和時間信息,模擬不同航次間的換乘及與空港虛擬節(jié)點的銜接,需要大量的虛擬弧段,因此網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連通度高,網(wǎng)絡(luò)錯綜復雜。構(gòu)建航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的目的是定量分析空港滿足出行者到達異地從事活動的便利性。下面以圖1為例,說明航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程。圖中有機場i、機場j和機場k,航班a和航班b,相關(guān)信息見表1。以機場i至機場j和機場i至機場k的出行為例,前者需要航班a直航服務(wù),后者需要航班a和航班b經(jīng)機場j換乘共同服務(wù)。1.2.2從轉(zhuǎn)化控制到達港節(jié)點航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可分為決策節(jié)點、起飛節(jié)點、著陸節(jié)點、離港節(jié)點和終到節(jié)點。在網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點都可由9位數(shù)字的代碼構(gòu)成,其中首位表示節(jié)點類型,之后的5位表示時刻信息(時間信息),最后的3位表示空港編號(空間信息)。首先,航空出行者在出發(fā)前會確定到達出發(fā)空港的期望時刻,依據(jù)該期望時刻可確立航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的起點,將其稱為決策節(jié)點,每個空港都對應(yīng)一組決策節(jié)點。由于航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的時間邊界是1周(168h),因此可設(shè)到達空港的時間窗間隔為1h,則各空港有168個決策節(jié)點。例如:編號為16的空港i的168個決策節(jié)點為(000000016,000060016,000120016,…,009960016,010020016,010080016)。首位0表示節(jié)點是決策節(jié)點;第2—6位數(shù)字代表一周內(nèi)整點小時時刻(周一的0點至周日的24點)在時間軸上的映射值;第7至9位數(shù)字是空港編號。其次,針對各空港的所有航次,確定起飛節(jié)點和著陸節(jié)點。例如,對于空港i,航班a的起飛時刻是13∶35,在空港j的降落時刻是15∶05,則周一該航次的起飛節(jié)點為100815016,著陸節(jié)點為200905011。首位的1表示該節(jié)點是起飛節(jié)點,2代表著陸節(jié)點;第2—6位的00815和00905分別代表周一的13∶35和15∶05在時間軸上的映射值;第7—9位的016和011分別表示空港i和空港j。同理可知航班b在空港j的周一航次的起飛節(jié)點101070011,著陸節(jié)點201220013。接著,針對各空港的到達航次確立對應(yīng)的離港節(jié)點。例如,離港節(jié)點為300925011和301245013。以300925011為例,首位的3表示該節(jié)點是離港節(jié)點;第7—9位是空港編號;第2—6位的00925表示離港的具體時刻為周一15∶25,而與其連接的前一個節(jié)點是200905011(表示該航次在周一15∶05到達空港j),兩個節(jié)點的20分鐘間隔代表出行者從空港著陸開始到離開航站樓的平均滯港時間。最后,對每家空港的出行者確立其終到節(jié)點,如圖中的400241011和402221013。前者的首位4表示終到節(jié)點類型,第2—6位的數(shù)字00241表示終到地的編碼為241,第7—9位是空港編號。其中終到節(jié)點在第2—6位的編碼含義與前四種類型的節(jié)點不同,不包含時間信息,僅包含空間信息,這是因為空港的空域可達性是評價出行者在任何決策時刻到達異地的難易程度,并不關(guān)注到達時刻。1.2.3計算目標機場的時間基于節(jié)點進行網(wǎng)絡(luò)拓撲得到弧段?；诠?jié)點的類型、時間及空間信息,按時間先后和空間一致性,可將弧段劃分為等待弧段、飛行弧段、換乘弧段、離港弧段和終到弧段。等待弧段連接決策節(jié)點與起飛節(jié)點,表示出行者到達出發(fā)空港后等待起飛所消耗的時間,該時間應(yīng)大于一個閾值,即換登機牌、過安檢等所消耗的時間。當決策節(jié)點和起飛節(jié)點的時間間隔大于該閾值,且兩個節(jié)點含有同一空港編號時,連接兩個節(jié)點得到對應(yīng)的等待弧段。根據(jù)航班信息,將航次起飛節(jié)點連接到對應(yīng)的著陸節(jié)點得到飛行弧段,它表示出行者在飛機上的行程。換乘弧段連接某航次著陸節(jié)點至另一航次的起飛節(jié)點,表示出行者在空港轉(zhuǎn)機所消耗的時間,該時間應(yīng)大于一個閾值,即換乘過程中的上下飛機、辦理轉(zhuǎn)機手續(xù)及候機等所需的時間。當兩個節(jié)點的時間差大于該閾值,且節(jié)點編號內(nèi)的機場代碼相同時,連接兩個節(jié)點生成對應(yīng)的換乘弧段。離港弧段連接著同一空港的著陸節(jié)點和離港節(jié)點,表示出行者著陸后下飛機直至離開目的空港過程中所消耗的時間,與機場的占地面積、航站樓規(guī)模等有關(guān)。終到弧段連接空港的離港節(jié)點及其服務(wù)域內(nèi)的各地,其交通阻抗為出行者離開目的地空港經(jīng)由陸域集疏運系統(tǒng)到達最終目的所消耗的時間。1.2.4空域可達性評價方法空域可達性的計算式見式(3),它與空港通航地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平成正比,與到達通航地區(qū)的旅行時間、票價或廣義出行費用成反比。此處的目的地空港的服務(wù)域的界定與陸域可達性中空港服務(wù)域的確定方法相同。式中:表示空港i提供的訪問與其通航的其他空港在服務(wù)域輻射半徑為r時的各地的便利程度,即空港i的空域可達性;Ni表示與空港i通航的所有空港的集合;T表示評價時間窗內(nèi)時間切片的數(shù)量;β表示航空出行阻抗衰減系數(shù)。mjr={k│k是機場j在服務(wù)域輻射半徑為r時,所包含地區(qū)的ID值},ATlA表示地區(qū)l在空港空域可達性中的魅力值,這里用地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平gl表示;ctil表示航空出行者在決策時刻t時,從出發(fā)空港i至目的地l間花費的最小一般化費用,包括在出發(fā)空港等待、登機、航行、離港及陸域旅行等一系列環(huán)節(jié)的時間、金錢等各類耗費的合計。1.3網(wǎng)格屬性的分配從式(1)—(3)可以看到,空港服務(wù)域的輻射半徑r是空域可達性和陸域可達性計量中的重要變量。由于服務(wù)域是一個輻射圓,因此空港對其服務(wù)域內(nèi)的影響具有異質(zhì)性,服務(wù)域半徑r越大異質(zhì)性越明顯。為此,需用等面積的網(wǎng)格代表目標地區(qū),以減少地區(qū)內(nèi)的異質(zhì)性。圖2中黑粗實線多邊形代表行政區(qū)劃界限k,網(wǎng)格化時由于行政區(qū)內(nèi)的人口、經(jīng)濟水平等在空間上不均衡,因此需要按一定的規(guī)則將屬性信息(如:人口、GDP等)分配給各網(wǎng)格。具體做法是首先以指定的經(jīng)濟中心為圓心,以圓心至最遠網(wǎng)格中心的距離為最大輻射半徑生成虛擬緩沖區(qū)(圖2中虛線圓)。其次,依據(jù)網(wǎng)格到經(jīng)濟中心的距離對所有網(wǎng)格進行排序,然后用式(4)和(5)計算各網(wǎng)格的屬性。最后,當一些網(wǎng)格與多個行政地區(qū)相交時,對屬性值進行累加。pl=∑k∈Kl{Pkalk(1-(rlk)2)/(Rk)2/∑l∈Lk[alk(1-(rlk)2)/(Rk)2]}(4)gl=∑k∈Kl{Gkalk(1-(rlk)2)/(Rk)2/∑l∈Lk[alk(1-(rlk)2)/(Rk)2]}(5)式中:pl表示網(wǎng)格l的人口指標;gl表示網(wǎng)格l的經(jīng)濟發(fā)展水平;Kl={k│k是與網(wǎng)格l重疊的地區(qū)編號};Pk,Gk分別表示地區(qū)k的人口總數(shù)以及GDP值;alk表示網(wǎng)格l與地區(qū)k重疊部分的面積;rlk表示網(wǎng)格l與地區(qū)k中心點間的距離;Rk表示地區(qū)k中心點為圓心外切圓的半徑;Lk={l│l是與地區(qū)k重疊的網(wǎng)格編號值}。2陸域可達性和空域可達性在國際主流機場選取國內(nèi)有定期航班的141個空港為研究對象,2010年4月這些空港的國內(nèi)定期航班總數(shù)為12970,單周內(nèi)累計航次65823次。根據(jù)全國經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫將全國劃分為358個航空服務(wù)地區(qū),并將全國分成44020個15km×15km的柵格?？崭鄣姆?wù)域范圍設(shè)為100km,式(1)和(2)中的參數(shù)β、γ,根據(jù)LinJY文中的方法計算為0.02。以SAGAGIS為平臺,基于C++語言實現(xiàn)數(shù)值計算。計算得知141個空港的可達性指標的分布特征如圖3。從圖3可以看出,我國空港可達性的分布呈現(xiàn)三個特征。首先是陸域和空域可達性雙高現(xiàn)象,例如,北京、上海、天津三個直轄市及東部、東南沿海地區(qū)的空港的陸域和空域可達性高于其他地區(qū)。陸域可達性高說明一方面陸向腹地人口眾多,出行需求大;另一方面陸域集疏運系統(tǒng)的服務(wù)水平高,出行者可以方便地訪問空港?？沼蚩蛇_性高說明空港在運營上具有競爭優(yōu)勢,他們提供的航空運輸系統(tǒng)的服務(wù)水平高,航線密集,通航地區(qū)資源豐富。其次是一高一低現(xiàn)象,在鄭州、成都、重慶、武漢、長沙、阜陽及沈陽等人口密集的內(nèi)陸地區(qū),空港的陸域可達性高,但空域可達性明顯低于陸域可達性。說明這些空港的選址地具有一定的區(qū)位優(yōu)勢,腹地航空需求較大,具備良好的發(fā)展?jié)摿?但空港航空系統(tǒng)滯后于腹地市場規(guī)模。大連空港正相反,其空域可達性要明顯高于陸域可達性,說明大連空港提供了較好的航空運輸系統(tǒng),但由于它是三面環(huán)海的陸路終端,其陸路集疏運系統(tǒng)服務(wù)的客源規(guī)模有限。第三個是雙低現(xiàn)象,表現(xiàn)為陸域可達性和空域可達性均低。這類空港多分布在新疆、西藏以及東北的西部地區(qū)。這些地區(qū)地廣人稀,經(jīng)濟水平低,陸域可達性偏低。另外,由于航空需求不大,空港規(guī)模小,航空服務(wù)系統(tǒng)的資源有限,地理上距離經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)較遠,到達經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的航空出行費用較高,因此空域可達性也偏低。圖4描述了141個空港的陸域可達性和空域可達性的均值偏差分布,顯現(xiàn)我國空港的區(qū)位特征及其航空系統(tǒng)運營優(yōu)勢的發(fā)展差距。陸域可達性的平均值為0.27,其中大于平均值的空港數(shù)量有61個,占43.3%;空域可達性的平均值為0.15,其中高于平均值的空港42個,占29.8%。說明我國空港的空域可達性發(fā)展水平明顯低于陸域可達性發(fā)展水平,需大幅度提升航空運輸系統(tǒng)的服務(wù)水平,以滿足未來的航空出行需求。另外,圖4中數(shù)據(jù)點在四個象限的分布特征呈現(xiàn)了空港競爭優(yōu)勢的差異性,第二象限有21個點、第三象限有78個點,這兩個象限,特別是第三象限內(nèi)的點密集,說明大多數(shù)機場的營運規(guī)模較小,有待提高。相比之下,第一象限內(nèi)有40個點,占28.4%,且分布松散,說明陸域和空域可達性都大于平均值的空港的發(fā)展水平較分散。第四象限內(nèi)僅有2個點,說明空域可達性較高且陸域可達性較低的現(xiàn)象較少。上述空港陸域和空域可達性的分析體現(xiàn)了空港陸域和空域運輸系統(tǒng)的服務(wù)水平,以及二者的空間分布特征,反映了空港的區(qū)位優(yōu)勢和航空服務(wù)的質(zhì)量。為分析空港的競爭水平,下面選取旅客吞吐量排名前20位的空港,用他們的空域可達性、陸域可達性以及總可達性在全國的排名繪制如圖5所示的雷達圖。從圖5中可見,依空港旅客吞吐量規(guī)模按順時針方向由大至小排布成圓形,并標示出每個空港在三種可達性指標下的排位,遠離圓心的方向表示排位高。圖中給出了平均排位水平的界限,并描述了陸域可達性、空域可達性以及總可達性三條雷達線。廣州白云、上海虹橋以及深圳寶安的3種可達性排位均處于雷達圖的外緣線,因此可以說他們的3種可達性均處于理想狀態(tài),意味著其陸域、空域以及整體競爭力優(yōu)勢明顯。雷達線在昆明、大連、?？谝约叭齺喫奶幇枷菝黠@,說明他們的可達性排位有很大的提升空間。昆明空港的陸域優(yōu)勢競爭力僅處于平均水平,阻礙了其整體發(fā)展,總可達性同樣處于平均水平,應(yīng)采取措施,提高陸域可達性以提高其市場競爭力。大連和?？诳崭鄣年懹蚩蛇_性處于平均水平以下,劣勢明顯。三亞空港的三種可達性排位均位于平均水平以下,意味著其陸域和空域上的劣勢明顯,盡管三亞依靠其旅游吸引力保證了旅客吞吐量,但應(yīng)需提高和完善其陸域和空域系統(tǒng)。另外,大連、昆明、?？诤腿齺喛崭劬哂邢嗤攸c,即空域可達性排名高于陸域可達性,可達性總排名較低。要想提高競爭力,首先要改善陸域可達性。從上面的分析可以認知,空港的空域可達性具有重要的地位,不容忽視。由于空域可達性是依據(jù)航空時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)評價的,特性不僅體現(xiàn)在空間上,且體現(xiàn)在時間上。因此進一步選取代表性的空港分析空域可達性在時間上的分布特征。圖6中橫軸表示時間點,7天共計168h;縱軸表示以小時為單位的空域可達性指標,可以發(fā)現(xiàn)無錫碩放和北京南苑空港的分布曲線相對較平,波動性不顯著,往返航班平均數(shù)分別為50和57,規(guī)模較小。而深圳寶安和上海虹橋空港的平峰和高峰差距明顯,且高峰波動劇烈,往返航班平均數(shù)分別為543和553,規(guī)