站城融合背景下南京北站智慧换乘衔接系统框架设计

高冠军， 侯艺琦， 戈 铭， 余清鹏， 陈 茜

（1.南京市江北新区枢纽经济发展管理办公室，江苏 南京 211800； 2.东南大学交通学院，江苏 南京 211189）

引 言

近年来，新一代交通枢纽呈现出融合城市与交通双重功能的站城一体化发展趋势。站城融合枢纽的显著特征为站城一体、规模宏大、功能复杂、设施庞杂，在集约化利用城市土地空间的同时，也给枢纽内部旅客综合换乘、外部车辆快速集散带来了巨大压力［1］。为提升综合交通枢纽运行效率、畅通公众出行和保持枢纽可持续健康发展，枢纽智慧化建设必将成为实现站城服务柔性融合和数字转型升级的重要途径。

随着站城融合枢纽的加快发展，旅客在枢纽的换乘需求发生了改变，“智慧换乘”的概念随之被提出。相对于传统换乘，智慧换乘的关键在于实时捕捉乘客的换乘需求，针对性提供个性化的便捷换乘信息服务，在最短时间内将乘客从枢纽站内疏散至目的地，提升乘客的换乘体验［2］。因此，枢纽建设时应更加关注铁路与各种交通方式以及枢纽片区内部地铁、公交车、摆渡车、出租车、私家车、自行车、电动自行车等之间的一站式换乘，提高枢纽内外交通的顺畅性、便捷性与有序性，提升整体换乘效率，满足旅客的多元化出行需求。目前针对综合客运枢纽的智慧化、信息化管理系统的研究较多，许多信息化系统已在国内外枢纽建设过程中应用实施。国外对于综合客运枢纽与城市交通的换乘衔接系统建设研究起步较早，有较为丰富的理论和实践经验，已形成了相对完整的枢纽换乘衔接体系。日本、德国等国家已建立了集铁、陆、空为一体的大型综合客运枢纽，运输方式之间通过各种换乘信道相互衔接，旅客走下火车或飞机不用出站即可直接换乘到其他运输方式到达目的地［3-4］。这些高铁客运枢纽往往采用集地上、地面、地下为一体的空间立体布局，形成集客运、货运、商业、娱乐为一体的多功能化大型综合体，并且通过一体化智慧换乘系统整合发布信息［5］，这为我国的枢纽智慧化建设提供了宝贵经验。国内学者对综合客运枢纽的换乘衔接问题也展开了很多研究，许多学者通过研究枢纽演变机理、系统可靠性分析、综合信息平台、换乘流线组织优化和枢纽整合体系等理论，提出了提高系统高效性和可靠性的措施［6-7］，同时围绕枢纽周边土地开发、城市轨道交通建设、道路网络与换乘功能提出了综合高铁客运枢纽交通换乘设施布局要点［8］，并在很多新建与改建高铁站中进行了较好应用。然而，实施过程中发现当前换乘过程中仍存在交通组织不合理、信息服务不到位、换乘效率低、旅客体验不佳等问题，这进一步制约着智慧枢纽的高效发展［9］。在此背景下，本文通过分析智慧枢纽客流换乘过程中的需求特征，针对南京北站枢纽经济区进行智慧枢纽换乘衔接系统的框架研究，为提升站城融合智慧枢纽的一体化衔接与服务水平提供有益参考。

1 智慧枢纽换乘衔接系统建设现状

高铁换乘衔接系统承载着“时空压缩最后一公里”效应，是构筑高效便捷的现代化综合交通枢纽的关键，也是建设站城融合智慧枢纽的关键环节［10］。高铁枢纽的功能发挥、客站与城市交通的衔接融合在很大程度上影响了城市综合交通体系的运行效率。随着中国高速铁路的快速发展，各城市高铁枢纽智慧建设也取得了长足进展，但国内各大城市综合高铁枢纽站与城市交通的衔接融合仍存在与城市功能整合不足、与城市交通衔接不便，铁路客站之间互联互通不够等问题。

（1）与城市功能整合不足。目前国内高铁枢纽普遍采用各交通信息化系统单点建设的思路，各交通方式主管部门体系分割，各交通客运服务企业相互独立，没有顶层架构对信息进行整合，无法实现多交通方式信息的互联互通。且基础设施共享不足，需求响应协同性差，“无缝换乘”仍难以实现。

（2）高铁枢纽与城市交通衔接不便。由于高铁枢纽外围路网与落客平台衔接布局不合理，标志指引不完善，地铁、公共汽车等城市交通接驳服务时间接续不够等，高铁枢纽与城市交通衔接管理不畅、衔接效率不高，影响枢纽整体的功能与效率。

（3）数据信息共享问题。各交通方式数据系统发展不均衡，不同交通方式的数据资源目录标准不统一，且数据壁垒突出，不同换乘方式数据资源开放程度不足。

（4）换乘重复安检问题。由于各交通方式安检的等级标准不一，如高铁与地铁换乘过程中存在多次安检，使得乘客“无缝换乘”的出行体验被弱化，出行效率降低。

整体而言，当前国内大型综合高铁枢纽站换乘衔接系统的智慧化水平不一，不同城市枢纽换乘衔接系统建设侧重点也有所不同，如表1 所示。从空间布局上看，换乘客流组织采取立体换乘，多采用上进下出流线形式。在具体功能上，换乘导向仍主要以静态信息标志为主，导向系统电子化、动态化不足；信息发布平台多样，包括站内显示大屏、信息服务台以及公众号、app 等移动端；各交通方式主管部门体系分割，在与市内衔接交通组织调度协同程度不高；同时目前大型综合枢纽大都实现高铁到地铁的换乘“免安检”的落地。

表1 智慧换乘衔接实践现状Tab.1 Current application of smart transfer

2 智慧枢纽换乘衔接需求分析

为提升站城融合枢纽的运转效率、改善枢纽集疏运管理服务质量、准确把握乘客需求，面向枢纽出行人群开智慧展枢纽换乘引导需求调查。调查内容涵盖旅客可接受的换乘消耗时间与距离、换乘引导信息获取方式与商业需求、换乘引导瓶颈、智慧引导信息需求等方面，通过线上与线下调查相结合的方式进行样本数据采集［11］，最终回收有效问卷522 份。

本次受访旅客以男士居多，约占总数的56%，旅客年龄基本分布在19~49 岁；工作性质为学生占比37%，企业职员占比33%，政府机关或事业单位人员占比24%，其他职业占比6%；旅客的出行目的为旅游度假占比34%，公务出差占比21%，探亲访友占比23%，其他出行占比22%。故受访旅客的性别与年龄结构合理，工作性质与出行目的分布均匀，满足换乘引导需求问卷的调查目的。

2.1 换乘消耗时间与距离

约34%的受访旅客能够接受的换乘消耗时间在5~10 min，约45%的旅客能够接受的最长换乘消耗时间在10~20 min，接近60%的旅客能够忍受的最大换乘距离为600 m。具体情况如图1，2 所示。

图1 旅客接受的最长换乘消耗时间Fig.1 Longest transfer time accepted by passengers

图2 旅客接受的最大换乘距离Fig.2 Maximum transfer distance accepted by passengers

2.2 换乘引导信息与商业设施需求

受访旅客换乘引导信息获取方式如图3 所示，可知枢纽区的路标及指示牌是旅客获取信息的首要方式，智慧化信息平台（电子显示屏等）是旅客获取信息的重要手段；随着枢纽上盖物业的发展，针对枢纽及其周边配套商业设施，85%左右的旅客对餐饮美食有需求，如图4 所示。

图3 旅客换乘引导信息获取方式Fig.3 Method for obtaining transfer guidance information

图4 枢纽及其周边配套商业设施需求Fig.4 Demand for hub and its surrounding commercial facilities

2.3 换乘引导瓶颈

针对旅客枢纽换乘过程中遇到的问题，超过60%的旅客认为换乘通道走行距离过长、车站导向信息步不明确、换乘客流交织且秩序混乱；50%左右的旅客认为枢纽引导标识存在服务智能化水平不高、样式不显眼、内容不清楚等问题，具体情况如图5， 6 所示。在枢纽换乘可靠性调查中，如图7 所示，超过80%的旅客认为换乘可靠性来源于换乘时间有保障、换乘引导信息获取准确便捷，约60%的旅客则认为换乘可靠性来源于交通方式和线路多、可达性好。

图5 旅客在枢纽换乘中遇到的问题Fig.5 Difficulties for passengers in hub transfers

图6 枢纽引导标识牌存在问题Fig.6 Problems in the guiding signage

图7 旅客认为的换乘可靠性来源分布Fig.7 Passengers′ recognized transfer reliability

2.4 换乘引导信息需求

受访旅客的常用接驳方式如图8 所示，超过90%的旅客常用地铁接驳，约61%的旅客选用出租车或网约车，约46%的旅客选用公交接驳。

图8 旅客常用接驳方式Fig.8 Commonly used transfer traffic mode

智慧引导信息需求调查的结果显示，使用不同接驳方式的旅客对各类信息引导服务的关心程度存在差异。以使用地铁和公交接驳的旅客为例，调查结果分别如图9-10 所示。结果表明，超过70%的旅客更加关心线路、到站时间、位置指示、车内拥挤程度信息，同时使用公交接驳的旅客还比较关心沿线道路的拥堵情况。主要接驳方式下旅客的换乘引导信息需求如表2 所示。

图9 地铁接驳旅客信息关心程度Fig.9 Information that subway passengers are concerned about

图10 公交接驳旅客信息关心程度Fig.10 Information that bus passengers are concerned about

表2 主要接驳方式的换乘引导信息需求Tab.2 Transfer information requirements for main transfer modes

因此，针对当前换乘衔接系统在建设过程中存在的城市功能整合不足， 各交通方式数据系统发展不均衡，不同交通方式数据资源目录标准不一致，数据壁垒突出，各换乘方式数据资源开放程度不足等问题，结合乘客在换乘衔接过程中的引导需求可知，未来智慧枢纽换乘衔接系统的建设需重点整合发布不同交通方式信息资源，着力打造一体化运输服务平台，发展空铁联程联运，推动高铁、地铁安检互认，实现智慧枢纽片区交通客流集疏运的智慧感知、智慧分析、智慧指引、智慧服务等多重功能。在此目标下针对当前系统，在换乘导向、换乘信息服务、多模式客运组织协同与安检互认方面提出未来换乘衔接系统的建设方向，以提升系统的智慧化水平，具体如表3 所示。

表3 换乘衔接系统建设方向Tab.3 Construction direction of the transfer system

3 智慧枢纽换乘衔接系统框架设计

南京北站是国家高铁通道的重要枢纽，其智慧化建设愿景为发挥南京北站枢纽综合交通枢纽功能，对内打通枢纽向城市内部的智慧出行，对外辐射苏北皖南经济区，增强城区内和城区外的相互融合，做到整体联动智慧出行起到先导作用［12］。南京北站在换乘系统设计中综合考虑城市交通的整体需求，全面引入内外交通资源，实现枢纽内外交通的全面衔接与快速换乘，采取外部协调、内部优化、立体衔接的交通组织方式，提高站城交通协同的整体效率，南京北站站房客流示意图如图11 所示。

图11 南京北站站房客流示意图Fig.11 Schematic diagram of passenger flow in the Nanjingbei Railway Station

基于现有站房建设方案，优化设计南京北站智慧换乘衔接系统。以南京北站为核心场景整合发布不同交通方式信息资源，打造一体化运输服务平台，发展空铁联程联运，推动高铁、地铁安检互认，提升人民群众枢纽换乘的快捷舒适性，让旅客享受到“一票通”“一站通”“一点通”的便利。

南京北站枢纽智慧换乘衔接系统总体架构可定义为四大层次，即功能层、模型层、数据层和设施层，下层对上层具有层层支撑的作用，具体如图12所示。

图12 南京北站智慧换乘衔接系统框架Fig.12 Framework of smart transfer system at the Nanjingbei Railway Station

3.1 设施层

基础设施层根据功能需求大致分为五类：信息采集设备、信息传输设备、信息存储设备、信息处理设备以及信息发布设备，如图13 所示。

图13 智慧换乘衔接系统设施体系Fig.13 Facilities for the smart transfer system

（1）信息采集设备。针对采集对象不同，包括：①采集乘客站内位置信息的蓝牙网关、iBeacon 定位标签、iBeacon 定位基站等蓝牙室内定位硬件；②采集乘客换乘区域位置信息的基站信息采集仪；③采集换乘通道、出租车等候通道、公交站台等重点区域客流集散状态的摄像机；④采集枢纽区域天气环境数据的气象监测站［13］。

（2）信息传输设备。根据传输信息类型主要分为两类：传输布设在枢纽体的信息采集设备所获取的信息，如蓝牙室内定位硬件、基站信息采集仪、摄像机等，以及传输其他接驳交通方式运营设施采集的信息。

（3）信息存储设备。主要通过数据服务器接入并存储各类信息。

（4）信息处理设备。通过数据服务器进行信息的转换与深度处理。

（5）信息发布设备。通过二维码、公众号、小程序、手机App 等移动端应用和站内电子诱导屏、触摸服务平台等站内智能化设施进行信息发布，为旅客提供便捷和个性化的服务呼叫、设施位置导航、各交通方式信息查询等全方位出行支持。同时引入智能化查询设施，如具备自主导航、定点巡航、自由行走、智能避障等功能，且支持人机交互的机器人提供发布各类信息。

3.2 数据层

通过整合南京北站枢纽多种交通运输数据、互联网服务平台数据，依托数据智能算法和出行模型为南京北站“无缝换乘”高效出行服务。智慧换乘衔接系统的主要数据如表4 所示。

表4 智慧换乘衔接系统数据类型表Tab.4 Data types of the smart transfer system

3.3 模型层

结合数据层输入的数据，构建寻路行为模型、室内定位模型、换乘过程分析模型、换乘路径规划模型等，实现相应功能。

3.3.1 枢纽旅客寻路行为模型

枢纽旅客寻路行为服务于南京北站枢纽站内静态指引标志连续布设，最大限度发挥枢纽换乘静态导向标志功能效用，提高旅客换乘出行效率。通过总结旅客寻路行为特征和规律，挖掘寻路与导向标识之间的关系，建立枢纽旅客寻路行为模型，为枢纽导向标识优化设计提供指导，加强枢纽静态指引标志的连续性，如图14 所示。

图14 寻路行为模型Fig.14 The process of pathfinding behavior model

3.3.2 室内定位模型

室内定位模型服务于旅客换乘动态导向。建立南京北站枢纽站内无线定位导航模型，帮助旅客在寻找换乘设施、售票厅、安检口、检票口过程中获得动态连续的位置指引，同时支撑高精度的站内位置服务，为车站的精细化管理、应急疏散、资源调配等提供基础性技术保障。

通过在车站旅客出行区域部署蓝牙定位硬件设备，建设站内信息和站内地图数据，利用移动终端接收到的蓝牙基站信号强度，在蓝牙组成的局域网覆盖范围内，进行指纹匹配， 从而得到移动终端的位置。

3.3.3 枢纽站内换乘路径规划模型

结合南京北站枢纽站室内多楼层空间分布特点，在建立三维空间室内路径规划模型基础上，兼顾高铁枢纽内复杂人流状况和快速换乘路径需求，考虑多目标路径规划。三维空间室内路径规划模型可以基于拓扑关系，利用矢量建筑图，将建筑的单向路径及电梯、楼梯考虑在内，建立包含所有楼层的室内地图，并显示实时动态位置信息［14］。针对南京北站站城融合特色，考虑站内空间布局庞杂、人流构成分布复杂的特点，建立大型室内三维场景的多目标路径规划模型，解决复杂环境下权衡路径选择问题，常用算法模型有Dijkstra 算法、A*算法、蚁群算法、粒子群算法、遗传算法、人工势场算法等。

3.3.4 高铁旅客换乘特性分析模型

首先通过多交通方式信息系统接口获取乘客认证信息、乘客票务信息等，收集南京北站高铁旅客特征数据。对特征数据进行处理，建立面向旅客特征的逻辑回归、二次判别分析、支持向量机等分类模型。分别对特定类旅客的换乘过程进行分析，确定影响换乘效率的主要因素，为优化和评估南京北站枢纽与城市交通衔接融合提供支撑。

3.3.5 枢纽与城市交通衔接的客流预测模型

在传统集散和诱发客流的基础上结合“站城融合”理念，引入交通功能交通需求预测、城市功能交通需求预测、背景交通需求预测［15］，建立衔接客流预测模型，提高南京北站枢纽的交通需求预测精度。

其中，集散预测模型可采用运输市场调查法、德尔菲法等定性预测方法以及增长率法、时间序列法、回归分析法、神经网络等定量预测方法。诱发客流预测可针对近期需求释放型客流和远期经济诱发性客流进行分型预测。同时，南京北站增加了城市功能交通需求预测，即预测由枢纽内用地开发产生的通勤、购物等客流。另外高铁枢纽换乘交通方式结构预测可采用ML 模型、NL 模型、MNL 模型等。

3.3.6 枢纽换乘交通方式协调模型

考虑时间与空间衔接要求，建立南京北站枢纽与城市衔接交通运能协调优化模型，实现高铁枢纽与城市交通衔接融合。基于运营期南京北站高峰、平峰、夜间三个时段的列车到发情况，结合价格调整策略、车内时间调整策略、衔接等候时间调整策略等协调策略模型，分别在集中指挥和自组织两种协调管理机制下展开考虑旅客衔接异质性需求弹性的衔接系统调度优化建模。

3.4 功能层

3.4.1 市内衔接交通协同运营调度

通过统一的数据接口实现各方式运营数据互通，交换运营数据，在此基础上构建需求协同响应机制、编制协同运营计划、共享运营安全保障机制，优化市内换乘公共交通与高铁客运资源配置和科学组织能力，改善客运服务能力，提升乘客市内接驳出行体验。其中需求协同响应机制包括服务需求上传与服务供给下达，响应式交通方式任务协调；协同运营计划编制依赖于高铁计划班线高柔性衔接，运营时刻表协同编制等；运营数据共享交换包括历史运营数据、计划运营数据，以及实时服务数据；运营安全保障主要为安检互认机制健全。具体实现：

（1）地铁与高铁信息互通

地铁系统与高铁信息系统互通，如首先根据历史数据分析高铁下车乘客换乘地铁的比例及换乘客流在整个地铁客流中的占比，指挥车辆在不同时刻随不同的高铁线路到站，合理协调地铁的发车间隔［16］。

（2）公交信息实时交互

在站台和移动端应用均提供公交车导乘、线路查询、车内拥挤预警、等待时长预测、乘车帮助预约、公交发车到站等信息发布和乘客交互系统，实现公交运营效率大幅提高。

（3）出租车智慧调度

将智能信号控制融入社会车辆调度，重点对出租车进行调控，充分利用智能化、信息化手段对内部出租车蓄车场、等候通道、接客区进行自动化调度和信息化提升，借助中控信息诱导屏，引导和自动化匹配实现人车供需平衡，规范乘车秩序，提升上客效率。

（4）共享单车及无人驾驶拓展

一方面鼓励和规范枢纽区域内共享自行车或汽车的发展，并鼓励通过相关智能化设备的安装，实现对共享车辆的精准定位和车辆运行情况的实时掌握；另一方面在相关技术成熟后推广无人驾驶车辆的使用，节省驾驶人力，并提升汽车交通的效率和安全性。

3.4.2 便捷换乘信息发布

信息发布平台关注旅客换乘过程中的切实需求，充分运用好南京北站高铁列车到发信息、客流密度、旅客行为习惯等，整合地铁系统、公交系统、出租车系统数据，管理好车站停车场和站前广场小汽车通行规则，形成开放式的信息共享架构和信息共享管理机制。结合自身业务数据需求制定数据标准化服务，同时对外提供统一的数据接口，满足外部系统对信息共享的需求。平台从乘客经由铁路车站换乘的目的和方式两个维度展开，提供到站乘车、出站、接送等不同情况下，铁路与地铁、公交、摆渡车、出租车、网约车、私家车和骑行换乘时所需信息，确保信息准确、及时、集中，并满足个性化出行需求。

3.4.3 设施位置导航

通过静态指引标志、动态诱导屏、移动端App 以及智能机器人等手段提供换乘衔接设施位置导航，满足旅客出行高效、换乘方便需求。其中，标志导向设置应以保证统一性、连续性，并具有一定的容错性。引导系统统筹考虑，相互协调，一体化设置，导向系统间连接、转换的导向设置具有连续性和一致性。在枢纽关键节点设置明确的导向信息，对目的地及到达各目的地的最短和最适合的路线进行引导，为旅客换乘提供明确、不间断的导向指引。同时，随着智慧交通的发展，标志指引系统与其相融合，合理、有效的信息诱导系统既能充分发挥不同交通接驳设施的优势，更能极大地避免换乘过程的盲目性，提高旅客换乘效率。

3.4.4 站内换乘路径规划

基于乘客所在位置，依据高铁站内的空间特征和环境变化，利用矢量建筑图自动构建室内建筑、地标的可视关系，建立行人导航通行规则，综合考虑路径方向、路径的地标覆盖率、路径距离等多个目标，建立高铁枢纽内多目标路径优化，实现乘客到各换乘设施服务点的实时路径规划。

3.4.5 实时信息查询

实现兼容对接各交通运输方式的信息、票务系统，利用平台大数据技术对各种客运数据进行统一处理，为旅客提供多元化实时信息查询。包括其他交通设施的位置信息、线路信息、附近服务点信息、托运行李位置实时信息、行程异常信息提醒，以及其他辅助信息。

3.4.6 票务互联互通

依托南京北站智慧枢纽交通系统平台，重点为乘客提供“一体化”票务服务，统一的、无差别的聚合支付服务以及兼顾共性和个性化的票证产品服务，实现基于南京北站的联程出行“一票式”。

4 结束语

本文针对智慧枢纽换乘衔接系统的现存问题，分析站城融合背景下枢纽乘客的换乘衔接需求，提出智慧枢纽换乘衔接系统的建设方向，进一步以南京北站枢纽经济区为例开展智慧枢纽换乘衔接系统的框架设计，对系统的设施层、数据层、模型层与功能层进行详细设计与描述，通过以南京北站为核心场景整合发布不同交通方式信息资源，打造一体化运输服务平台，发展空铁联程联运，推动高铁、地铁安检互认，提升枢纽换乘的快捷性、舒适性。目前，南京北站枢纽经济区在建设过程中已经逐步完成了智慧换乘衔接系统框架总体规划设计，并通过宏微观仿真研究验证了换乘服务方法的良好效果，需要进一步研究落实枢纽经济区智慧换乘衔接系统的建设模式和运营组织模式等问题，为实现南京北站枢纽经济区智慧化管理提供支撑。