基于 K-means 的交通综合体类型划分研究

王之严，李 明

（1. 西南交通大学，四川成都 611756；2. 湖北省城市规划设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430064）

1 研究背景

改革开放以来，我国综合交通运输发展取得了历史性成就，随着各种运输方式逐渐联网贯通，已到了充分发挥各种运输方式比较优势和组合效率的新阶段。随着城市综合交通运输体系的健全发展，铁路客运站由新中国成立之初的第一代普通客运站发展到如今拥有现代化高速铁路（以下简称“高铁”）网络的第四代枢纽站——交通综合体[1]。交通综合体包含高铁主导、地铁主导、公交主导等类型，基于我国高铁快速发展的背景，本文的研究对象限定为以高铁（或城际铁路、市域铁路等）为主要交通方式的交通综合体。

交通综合体作为实现多模式交通转换，将商业、休闲等城市功能空间与交通功能有机融合的城市综合交通枢纽，是未来我国建设交通运输体系中的重要节点，也是城市功能空间的重要组成部分[2]。进行交通综合体类型划分研究，宏观上，有利于促进我国轨道交通网络合理化布置；中观上，有利于完善城市轨道交通体系，提升轨道交通运作效率；微观上，有利于指导交通综合体站区开发，提高交通综合体与站区匹配度，达到站城融合、站城一体化发展的目标。

目前，国内外已有部分学者对综合客运枢纽类型划分进行研究，大多按照枢纽功能、客流、服务范围、位置特性、用地性质对综合客运枢纽进行分类[3]（表1）。 从枢纽功能角度出发，文献[2-4]将枢纽分为早期的普通客运枢纽，当前的综合枢纽、交通综合体，未来的城市综合体。从客流角度出发，GB 50226-2007《铁路旅客车站设计规范》（2011年版）[5]根据高峰小时发送量将铁路旅客车站划分为特大型、大型、中型和小型。文献 [6]提出以旅客发送量以及旅客换乘量作为划分综合客运枢纽的依据。文献[3，7]提出将枢纽日集散客流量作为枢纽类型划分的量化标准。以服务范围为变量，文献[8]提到日本将枢纽分为国家级、都市群级、市区级和地区级4个等级，将我国综合客运枢纽分为全国性、区域性、市域性、片区性。以客运枢纽在城市中的空间布局为划分标准，文献[3，7]将客运枢纽分为中心区枢纽和边缘组团型枢纽。从综合客运枢纽与周边用地性质关系上分析，文献[9]通过节点-场所理论对交通枢纽及其邻接区进行分析，研判节点（交通枢纽）、场所（邻接区）协同现状，将综合客运枢纽划分为城市综合型、均衡依赖型和城市发展型。

表1 现研究层面的枢纽分类方式汇总表

目前，大多数研究对象停留在综合客运枢纽层面，对交通综合体的研究较为缺乏。此外，在划分综合客运枢纽的研究中，多数研究都将综合客运枢纽看作一个点，研判枢纽与其他要素之间的关系，忽略了枢纽本身存在的特征要素。基于以上2点，本文选取国内部分交通综合体作为研究对象，剖析其系统特征要素，将交通综合体特征要素进行量化分析，从而划分交通综合体类型。

2 交通综合体现状问题分析

目前，我国交通综合体发展仍然存在许多问题，主要表现在以下3个层面。

（1）交通综合体类型考量不足，导致交通综合体体系构建不完善、区域布局不合理。《交通强国建设纲要》中明确提出“建设便捷顺畅的城市（群）交通网，构筑多层级、一体化的综合交通枢纽体系[10]。”目前，我国交通综合体建设还处于起步阶段，缺乏多层次、多类型的建设考量，导致交通资源在空间上的不均衡分配。从全国视角来看，我国典型的高质量交通综合体，如北京南站、北京西站、上海虹桥站、南京南站、广州南站等多分布于东部沿海地区，中部地区以及西部地区相对较为落后。从区域视角来看，区域交通综合体层次、类型划分单一，如长江中游城市群（武汉站、武昌站、汉口站、长沙南站、南昌西站）规模等级类型都较为相似，在当下乘客出行行为、出行模式趋于多样化的时代，不利于枢纽间的良性竞争。

（2）欠缺相关类型划分标准，导致交通综合体功能定位不准确、站城空间不耦合。由于缺乏相关建设规范标准，对交通综合体功能定位、分类缺乏明确的技术指导，枢纽功能定位不够准确，这将直接影响城市空间的整体布局，导致枢纽与城市功能空间出现不耦合现象。此外，由于交通综合体建设规模受其功能定位的影响难以得到有效控制，继而影响相关投资意向，减缓交通综合体建设进程。

（3）交通综合体特征解析不足，导致交通综合体与周边地区协同发展程度低，枢纽效益低。不同交通综合体效能、职能、类型各不相同，其周边地区的土地开发模式、强度也应匹配交通综合体的特征进行规划，但目前缺乏对不同类型交通综合体特征内涵的考量，对交通综合体类型认知单一，导致枢纽周边地区开发模式趋于相似，阻碍站城一体化发展，从而降低枢纽开发带来的经济以及社会效益。

综上，解析交通综合体系统特征内涵，科学合理的划分交通综合体类型对我国轨道交通发展具有重大意义。

3 交通综合体系统特征要素指标分析

3.1 交通综合体特征解析

区别于普通交通枢纽，交通综合体的特征主要包括以下3方面。

（1）交通方面。实现多模式交通换乘，注重换乘空间设计。客流特征发生改变，短途出行比例和频次增加。例如，成渝（成都、重庆区域）短途客流在2019年占该区域全部客流的79.5%，如图1所示。

图1 成渝短途客流占该区域全部客流比例

（2）功能定位方面。交通综合体将商业、休闲等城市功能空间与交通功能有机融合，逐渐成为城市的公共开放节点，承担交通、娱乐、经济、景观等职能，如图 2所示。

图2 交通综合体功能解析

（3）空间布局方面。枢纽布局模式由平面空间向垂直空间转变，交通综合体将各功能空间垂直重叠、分层布置并充分利用地下空间。同时，交通综合体在城市空间布局中呈现由郊外向市中心移动的趋势，如图3所示。

图3 交通综合体垂直空间利用示意图

3.2 特征要素指标选取

要素是维持一个客观事物能够正常运行的基本单元，是构成事物必不可少的重要组成[11]。事物的表象特征是事物本身复杂系统要素的内在反应。交通综合体是一个复杂的系统，不同的要素特征致使交通综合体效能呈现差异化。

本文采取文献计量研究、频度分析法、专家打分法来构建交通综合体特征要素指标体系，构建步骤如图4所示。首先通过对国内外相关文献进行梳理、归纳，能够较为清晰的发现，现研究多聚焦在交通综合体总体布局规模、客流特征、接驳换乘、发展趋势与空间布局、内部空间规划5个方面[12-14]。具体涉及到的指标如下。

图4 指标体系构建步骤

（1）总体规模布局。包括：城市等级（按照超大城市、特大城市、Ⅰ型大城市、Ⅱ型大城市划分）、站房建筑面积（m2）、入口数量及方向（个）、站台规模（个）、到发线数量（条）、日均停靠列车数量（列）、候乘模式、站台容纳能力（人/个，指单个站台单日容纳的旅客量）。

（2）客流特征。包括：客流类型比例（%）、年客流量（人次）、日均客流量（人次）、节假日客流量（人次）。

（3）接驳换乘。包括：可换乘交通方式数量（个）、接驳方式比例（%）、平均换乘时间（s）、平均换乘距离（m）。

（4）发展趋势与空间布局。包括：时间区位（min，指交通综合体到达市中心的时间距离）、空间区位（km，指交通综合体到达市中心的空间距离）。

（5）内部空间规划。包括：交通空间面积（m2）、商业空间面积（m2）、交通空间占比（%）、商业空间占比（%）、空间利用率（m2/人，指交通综合体空间利用能力，通常以人均空间占比来体现）、空间服务水平（m2/人，指功能性空间的服务水平，通常以人均功能空间面积来表示）。

借助中国知网（CNKI）文献资料数据库，分别以“各个特征要素指标”与“交通综合体、综合客运枢纽、高铁站、高铁枢纽”等关键词进行全文检索，将搜索到的文献数量加和，每个指标因子检索到的文献数量占总文献检索数量的比例大小即为该因子与交通综合体系统相关性的强弱程度[15]（表2）。

表2 特征要素指标因子与研究对象相关性统计

通过专家打分法对关联性高的指标进行调整、筛选与组合，同时考虑到实际指标获取难度，对少许指标进行剔除，最终形成交通综合体系统特征要素指标体系（表3）。

表3 特征要素指标体系

3.3 构建交通综合体系统特征要素数据集

本文选取国内17个超大、特大、Ⅰ型城市中的41个交通综合体为样本，通过实地考查、网络查找、大数据爬取、卫星影像图等方法获取样本数据，考虑到研究数据量需求大的特点，对收集的数据进行Z-score标准化处理，得到交通综合体系统特征要素数据集。Z-score 标准化是一种常用的数据标准化处理方法，计算公式如下：

式（1）中，x为某一具体分数，即某一指标的现状取值；μ为平均数；σ为标准差。 当Z＜0 时，原始分数低于平均值；当Z＞0 时，原始分数高于平均值。

4 交通综合体类型划分及特征分析

4.1 研究方法

通过对交通综合体系统特征要素数据集进行K-means聚类分析，将具有相同特征的交通综合体进行归类，划分交通综合体类型。但由于K-means聚类分析中K的取值存在较强的主观因素，所以本文先利用层次聚类法，测算聚合系数与K的线性关系，以平方欧氏距离为度量标准，以16个交通综合体特征要素指标为变量来测算K的最佳取值；然后，通过K-means聚类分析对数据进行聚类，得到最终聚类结果。

4.1.1 层次聚类法

层次聚类法通过测度节点之间的相关性并对相关程度进行高低排序分级，将各个节点进行重新连接，然后采用单连接或全连接层次聚类将网络节点组成一个树状图层次结[16]。本研究借用Python计算平方欧氏距离，计算公式如下：

式（2）中，d（x，y ）2为平方欧氏距离；n为特征要素指标数量；xi、yi为数值。

4.1.2 K-means聚类

K均值（K-means）聚类分析具有原理简单、应用广泛、聚类效果好等优势。该方法的基本思想为：把所有观测值划分为 K 类，使每类中的观测值距离该类的中心（即类均值） 较其余类的中心更近。整个分析过程使用迭代的方式，首先确定一个初始的分类值K（即K 个类中心），其次分别计算每个观察值距离每个类中心的距离，距离近者划分为一类，然后重新计算每一类观测值的平均值作为新的类中心，再次根据距离划分为K类，一直迭代运算直到所有类中心不再改变。本文在K-means聚类分析时，K值取为4，以16项特征要素指标为变量进行迭代运算。

4.2 数据处理与结果分析

4.2.1 确定 K 值

根据层次聚类最终的结果以及树状图研判最佳聚类数，同时通过平方欧氏距离与聚类数量的线性关系可以看出（图5），聚类数量大于4时，平方欧氏距离趋于稳定，因此后文K-means聚类分析中K的取值为 4。

图5 不同平方欧氏距离下的层次聚类数目

4.2.2 K-means 聚类结果

基于K-means聚类分析方法将国内41个交通综合体分为4类（表4），分别为枢纽型交通综合体、中心型交通综合体、均衡型交通综合体、一般型交通综合体。其中，枢纽型交通综合体包括广州南站、南京南站、北京南站、上海虹桥站等国内大型交通综合体；中心型交通综合体包括北京西站、成都东站、长沙南站等区域大型交通综合体；均衡型交通综合体包括北京站、天津站、天津西站等；一般型交通综合体包括上海站、合肥站、南昌站等。

表4 K-means聚类结果

此外，从K-means聚类分析单因素方差分析（ANOVA）表（表5）中可以看出各数据方差结果，从中根据变异数分析指标（F值）的大小可以得出各变量在聚类分析中的作用强度。其中，“日均停靠列车数量”是聚类分析中作用最大的指标，其次是“到发线数量”“站台数量”“站房建筑面积”“平均换乘时间”等指标，最后为“城市等级”。

表5 K-means聚类ANOVA表

4.3 不同类型交通综合体特征分析

根据交通综合体系统特征指标体系，从总体布局规模 、客流特征 、接驳换乘 、发展趋势与空间布局 、内部空间规划5个方面对4类交通综合体的特征进行描述（表6）。

表6 不同交通综合体特征一览表

4.3.1 枢纽型交通综合体

枢纽型交通综合体一般位于我国超大、特大城市，处于城市中心区边缘，是全国性交通综合体，并且多为近期建设或者翻修，设计精细、新颖，具有体现城市乃至地区级门户形象的作用。该类交通综合体站房建筑面积大，站台数量多，站台容纳力强，到发线数量较多，日均发送旅客量及日均列车发送量均名列全国前列，交通功能突出，车站作业能力强。同时，车站内空间复合程度较高，站内空间立体化拓展，空间利用能力较高。虽然该类交通综合体商业面积较大，但人均商业面积较小，商业业态多为零售业，无法支撑综合体大规模的人流聚集效应，该类交通综合体与城市中心存在一定的距离也是导致其商业功能较弱的重要原因之一。该类综合体可换乘的交通方式较为全面，但换乘距离和时间较长。

4.3.2 中心型交通综合体

中心型交通综合体一般分布于我国特大城市、Ⅰ 型大城市中，处于城市市中心区边缘，是地区性的交通枢纽。该类交通综合体站房面积较大，站台容纳能力较强，日均发送旅客量在该地区位于前列，交通功能突出。该类交通综合体商业面积较大，人均商业面积相较于枢纽型要高，说明中心型交通综合功能复合程度更高。该类交通综合体换乘距离相较于枢纽型较短，换乘时间略有缩减。

4.3.3 均衡型交通综合体

均衡型交通综合体一般位于我国特大城市、Ⅰ型大城市、Ⅱ型大城市，由于建成时间较为久远，随着城市扩张，现多数处于市中心区内，是城市级的交通枢纽。该类交通综合体建筑外立面稍显老旧，站房面积相较于枢纽型、中心型较低，站台容纳能力一般，日均发送列车数量相较于中心型偏低。该类交通综合体换乘距离较短，但由于垂直空间设计缺失，换乘时间较长。

4.3.4 一般型交通综合体

一般型交通综合体通常位于我国Ⅱ型城市以上等级城市中，位于城市中心区或者城市边缘区外围，是城市级交通枢纽。该类交通综合体站房建筑面积偏小，站台数量少，容纳能力弱，日均发送列车数量低。该类交通综合体可换乘交通方式单一，一般为公交和社会车辆，由于站房空间设计较为简单，所以换乘的距离较短，换乘时间少。

5 优化策略

（1）构建多层级、多类型、网络化的交通综合体体系。从区域、城市群、城市层面构建多层级、多类型、网络化的交通综合体体系（图6），区域层面以枢纽型交通综合体构建网络骨架，达到区域成网、分配均衡的状态。区域城市群层面，以枢纽型交通综合体为主体结合中心型交通综合体、均衡型交通综合体构建城市群交通综合体网络。城市层面根据城市等级、规划定位不同布置不同层级、不同组合模式的交通综合体。

图6 交通综合体体系示意图

（2）明晰不同类型交通综合体功能定位，优化城市功能空间结构。通过交通综合体类型划分研究，明确不同类型交通综合体效能强度、特征差异，有利于解析交通综合体在城市中承担的职能以及其功能定位，促使交通综合体与城市功能空间相互耦合，优化城市功能空间结构，促进城市经济发展。

（3）解析交通综合体特征内涵，优化枢纽效能及其周边区域土地开发，促进站城协同发展。不同交通综合体效能存在差异，带动周边区域发展的能力不同，解析交通综合体系统特征内涵，划分类型、等级，能最大程度发挥交通综合体效能，优化枢纽周边区域的用地开发现状，促进站体与周边区域协同发展，达到站城一体化发展的目标（图7）。

图7 不同类型交通综合体周边区域开发意向图

6 结论与讨论

不同交通综合体在城市乃至区域所承担的职能存在差异，科学的交通综合体分类对促进区域轨道交通网络合理化布置、站城一体化发展具有重要意义。本文选用北京南站、北京西站、广州南站等交通综合体为样本，检索、研究、获取文献中“总体布局规模”“客流量”“换乘距离/时间”等相关指标，通过频度分析法与专家打分法构建交通综合体系统特征指标体系与数据集合，并对指标数据进行聚类分析，将 41个交通综合体类型划分为“枢纽型”“中心型”“均衡型”“一般型”。在此基础上，提出针对区域体系构建站城融合、站区开发、站体效能提升方面的优化策略。

交通综合体是未来城市发展的触媒点，是交通空间与城市空间的临界点。本文仅通过对交通综合体系统特征要素进行量化研究，缺少对交通综合体邻接区的分析，在指标体系构建上缺少交通综合体邻接区维度，指标体系选取不够全面，在以后的研究中将进一步增加交通综合体相关的要素信息，如站体周边的建成环境指标等。同时，本文缺少考虑指标之间的干扰和影响，致使分析结果存在不稳定的现象。