基于数据驱动的老年免票地铁活动方向性节律与空间关联分析：一项重庆市空间交叉验证研究

《Applied Sciences》：Data-Driven Analysis of Directional Rhythms and Spatial Correlates of Fare-Exempt Metro Activity Among Older Adults: A Spatially Cross-Validated Study in Chongqing

　　

专业术语翻译（摘要部分） 采用数据驱动框架，研究人员考察了记录的老年地铁活动发生的时间特征，并检验了详细的空间测度是否比简单的背景变量更能预测站点活动。数据包含2025年3月重庆市263个地铁站65岁及以上免票卡记录的22,908,241次进站和出站事件，按站点和时钟小时汇总。研究人员刻画了进站-出站方向性，并使用老年人口集水区、兴趣点（POIs）、地铁拓扑结构、步行网络和路线级地形对总活动量和人口调整活动量进行建模。预测比较采用地理分块交叉验证，所有预处理和调参均限定在训练数据内。进站和出站计数呈现明显的时间和空间差异，尽管净流入预测对保留区域的外推效果较差（折叠外R2 = ?0.099至0.042）。65岁及以上人口和换乘状态提供了大部分可迁移信号（折叠外R2 = 0.472）。兴趣点（POIs）增量贡献甚微（ΔR2 = 0.007），而更丰富的空间表征并未改善保留区域的预测效果。三十次重复地理分区确认了兴趣点（POI）增强模型存在小幅平均优势，但也显示出对分区的敏感性。这些发现支持简约的站点活动建模。一项补充性筛选分析界定了可复现的45个站点池，用于定向可达性审计。

论文解读

一、研究背景与研究问题

随着全球人口老龄化进程加速，公共交通的可达性已成为建设老年友好型城市和实现社会可持续城市发展的核心议题。公共交通能够拓展老年人在医疗、购物、社会参与等方面的活动范围，但其实际可达性不仅取决于交通系统本身，还受到站域步行环境的深刻影响。已有系统综述表明，关于老年人公共交通可达性和移动性的研究在概念界定和测度方法上存在显著差异，而干预性研究则提示交通和城市设计改造能够改善老年人的移动相关结果。在此背景下，免票地铁活动为观测老年持卡人对轨道交通网络的实际使用情况提供了一个可量化的视角。

截至2025年底，中国60岁及以上人口达3.2338亿（占23.0%），65岁及以上人口达2.2365亿（占15.9%）。重庆市60岁及以上人口为835.06万（占26.20%），65岁及以上人口为597.93万（占18.76%），老龄化程度高于全国平均水平。重庆市2023年报告65岁及以上老年人免费公共交通出行达6.75亿人次。在政策层面，符合条件的65岁及以上居民可持免票卡乘坐城市轨道交通。

已有研究多聚焦于老年人的活动空间、客流构成、行为变化、健康福祉或活动时长，而站点-小时层面的进站-出站不对称性很少作为主要研究结果。本研究正是针对这一空白，以站点-小时为分析单元，系统刻画老年免票地铁活动的方向性节律，并检验空间背景变量对站点活动的预测能力及其地理可迁移性。

二、研究目的与核心问题

本研究提出两个核心研究问题：第一，65岁及以上免票地铁活动在站点层面如何随时间和进站-出站方向变化；第二，站点总活动量与周边老年人口和换乘状态的关系如何，兴趣点（POIs）、地铁拓扑、步行网络测度和路线地形是否增加了可地理迁移的信息。研究将进站和出站节律分开分析，将人口调整后的超额活动作为次要诊断指标，并在统一的防泄漏地理交叉验证框架内评估简约模型和空间细化模型的预测表现。

三、主要技术方法

本研究基于2025年3月重庆市263个地铁站的运营记录，共包含22,908,241次进站和出站事件，汇总为6,312个站点-小时观测。65岁及以上人口数据来自WorldPop R2025A；兴趣点（POIs）、步行边和运营轨道关系来自OpenStreetMap；路线高程采样自Copernicus GLO-30和本地CQcity30数字高程模型（DEM）。方法上采用标准化线性模型配合HC3异方差稳健标准误，Benjamini-Hochberg错误发现率（FDR）程序控制多重比较，岭回归模型测试地理可迁移性，Moran's I置换检验评估残差空间自相关，惩罚加性模型（GAM）探索非线性地形效应。所有预测均使用地理外折交叉验证，插补、缩放和岭惩罚选择均在训练数据内完成。

四、研究结果

4.1 时间与方向性节律

记录的活动呈现明显的日间模式而非单一高峰。系统总量在08:00达到最高，为2,212,895次事件。净流入在06:00强烈为负（?0.583），表明进站主导；上午晚些时候转向出站主导，18:00后再次转正。站点-小时热图显示了聚合曲线背后的局部变异：部分站点保持强烈的早晨进站主导，其他站点更早转向出站主导或呈现更大的傍晚反转。在高于早晨中位流量的站点中，光电园在07:00至08:59具有最强的出站主导模式（净流入=0.754），而九公里具有最强的进站主导模式（净流入=?0.628）。FDR控制分析识别出16个显著系数。周边65岁及以上人口呈现最清晰的样本内关联模式：其在清晨和早晨窗口与净流入呈负相关（05:00–06:59的β=?0.187，07:00–08:59的β=?0.126），在下午和傍晚呈正相关（16:00–18:59的β=0.152，19:00–21:59的β=0.101）。这一符号反转表明同一站点背景在不同时间可能与相反的进站-出站平衡相关联。然而，地理验证显示，五个主要净流入窗口的折叠外R²范围为?0.099至0.042，仅中午（0.042）和下午（0.030）窗口略为正，且所有窗口的残差Moran's I均显著（I=0.062至0.247），表明方向性模型的地理可迁移性有限。

4.2 人口背景与站点活动

站点活动模型在可迁移价值上呈现清晰排序。65岁及以上人口单独建模（B0）达到折叠外R²=0.417；加入换乘状态（B1）将折叠外R²提升0.056至0.472；兴趣点（POI）块（B2）进一步增加0.007，达到折叠外R²=0.479。大多数可地理迁移的信号来自周边老年人口和站点换乘角色，兴趣点（POIs）贡献相对较小。三十次重复地理分区中，B1的平均折叠外R²=0.440（标准差=0.027），B2的平均折叠外R²=0.450（标准差=0.019），平均差异为0.010，分布重叠显著。人口调整后的超额活动识别出局部偏离人口-换乘预期的站点：刘家坪具有最大的正标准化超额（z=2.60），璧城具有最负值（z=?4.10）。

4.3 更详细的空间表征是否增加了可迁移信息

详细的空间表征并未改善主要保留模型。加入地铁拓扑和中心距离后，折叠外R²从B2的0.479降至B3的0.359。在单独的拓扑序列中，人口-换乘基线达到0.472，加入中心性后降至0.249，加入中心距离变量后为0.297。步行网络和地形变量呈现类似模式：加入步行网络测度后折叠外R²降至0.173（B4），加入路线地形后仅升至0.176（B5）。两种数字高程模型（DEM）虽在绝对坡度水平上存在差异，但模型结论相似：B5使用Copernicus为0.176，使用CQcity30为0.168。一致多尺度模型的折叠外R²在400、600、800、1000和1200米处分别为0.430、0.447、0.448、0.449和0.418，600至1000米形成近似平台。惩罚加性模型也逊于线性规格（G0=0.460；G1=0.411；G2=0.385），导数审计未发现可复现的坡度断点。

4.4 探索性实地审计筛选

筛选过程在263个站点中识别出45个（17.1%）属于严格高需求/低可达性组。需求得分D_i由月活动量和标准化折叠外超额的平均排名构成，可达性负担得分B_i由地形调整可达步行节点数、长度加权平均绝对道路坡度和兴趣点（POI）总数组成。原始45站列表在需求中位数0.5038和负担中位数0.4867的截断值下被精确复现。敏感性分析显示，25种百分位截断组合选择23至76个站点（Jaccard相似度0.511至1.000），12种权重规格选择42至57个站点（0.548至1.000），逐一省略组件选择39至54个站点（0.500至0.714）。仅将超额组件替换为30个地理分区的存档折叠外预测残差时，选择45至49个站点并保留原始45个中的43至45个（Jaccard相似度0.860至1.000），41个原始候选在每次分区中均被选中。成员资格对得分设计比对地理分区更敏感。

五、讨论与结论

讨论部分指出，进站-出站方向性节律揭示了月度总量所隐藏的时间模式，运营商可利用这些模式安排导向标识、电梯、人员配置和社区通道的检查时间。人口和换乘背景构成了最强的基线模型，兴趣点（POIs）仅提供有限的增量信息。更丰富的空间表征未能改善地理泛化，原因可能包括：无权图未包含发车频率、换乘步行、拥挤度和电梯可靠性；开放街道地图（OSM）步行网络可能遗漏室内和垂直连接；30米数字高程模型（DEM）无法解析短路径或出入口层面的高程变化。这些缺口在重庆垂直分层城市环境中尤为重要。未来研究应加入带日期的站点-小时计数以进行工作日/周末比较、出入口特定观测，以及频率、换乘步行和可靠性等服务加权测度。

研究结论部分总结如下：本研究整合了重庆市263个地铁站22,908,241次进站和出站事件的分析与站点背景表征的地理交叉验证。联合分析揭示了月度总量所隐藏的时间模式，并区分了样本内空间关联与地理可迁移预测。系统活动在08:00达到峰值，清晨强烈进站主导，许多站点在日间晚些时候转向出站主导。周边老年人口与净流入的关联在早晨和傍晚窗口之间发生反转。方向性预测仍然较弱，折叠外R²范围为?0.099至0.042，残差空间自相关持续存在。65岁及以上周边人口和换乘状态构成总活动量的最强基线，主分割中折叠外R²=0.472，兴趣点（POIs）适度提升至0.479。三十次地理分区的对应均值分别为0.440和0.450，显示兴趣点（POI）小幅平均增益伴随分区敏感性。地铁拓扑、步行网络、路线地形、空间趋势和加性表征均未改善保留预测。600至1000米的性能近似平坦，未出现可复现的地形断点。比较结果支持简约站点背景模型用于地理预测，并识别服务和出入口层面测量为模型发展的优先方向。实际应用中，将记录活动与人口和换乘背景结合可为站点仪表板提供一致基础，45站筛选将该信息转化为可复现的出入口审计和老年用户咨询池。