高速鐵路客運站選址模型

王啟明，崔炳謀，張曉青（蘭州交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，甘肅蘭州730070）

高速鐵路客運站選址模型

王啟明，崔炳謀，張曉青
（蘭州交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，甘肅蘭州730070）

根據(jù)我國鐵路客運站建設(shè)條件限制以及與城市相和諧的建設(shè)要求，將影響客運站選址的因素分為硬性因素和軟性因素兩類。通過硬性因素比選得到初步選址方案集合，將城市公共交通網(wǎng)絡(luò)能力納入客運站選址的軟性因素，結(jié)合車站能力和資金限制2個軟性因素，以旅客出行成本、車站建設(shè)成本、車站運營成本和城市交通運營成本最小為目標(biāo)，建立0-1整數(shù)規(guī)劃模型。以某市實際情況為例建立模型，利用Lingo軟件求解得到客運站的選址方案以及城市公共交通網(wǎng)絡(luò)中公交車和地鐵列車的增加方案。計算結(jié)果顯示，最優(yōu)方案是對原有的兩座客運站進行改造并在市郊新建一座高速鐵路客運站。為滿足旅客的出行要求，相應(yīng)的出行小區(qū)到3個高速鐵路客運站需要增加一定數(shù)量的公交車和地鐵車輛。實例證明了基于此模型所得到的方案符合實際情況。

客運站；選址；公共交通網(wǎng)絡(luò)；硬性因素；軟性因素；0-1整數(shù)規(guī)劃

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，旅客對于高速鐵路的出行需求持續(xù)增加。隨著客運專線引入各個城市，既有客運站的能力已經(jīng)不能滿足旅客的出行需求，需要對既有客運站進行改造或者新建客運站。對既有客運站的改造方案和新建客運站的候選地點往往不止一個，由于各種條件的限制只能選取其中一種或幾種方案。在眾多方案中選取客運站的改擴建方案及新建客運站的地點和數(shù)量的問題稱為客運站選址問題。

在既有研究中，趙軍、李愈等人將已有客運站和備選客運站的選址方案與路網(wǎng)聯(lián)合起來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，以客運站及路網(wǎng)能力、客運站建設(shè)成本為約束條件，構(gòu)建集計模型計算得出了在路網(wǎng)內(nèi)客運站的改擴建、新建方案[1-2]；在鐵路樞紐內(nèi)部探討客運站選址的文章中，王大偉從系統(tǒng)的角度出發(fā)，考慮投資方與旅客的行為目標(biāo)，建立雙層規(guī)劃模型，并以實例進行驗證[3]；王南根據(jù)城市規(guī)模及城市路網(wǎng)情況，分別建立了集中和分散兩類模型，以實例驗證了兩類模型的適用性[4]；潘玲巧、史躍亞以定性研究方式為主，選取評價指標(biāo)，構(gòu)建了方案的比選評價矩陣，經(jīng)比選得出最佳方案[5-6]；馮振宇在總結(jié)交通區(qū)劃分的原則和鐵路樞紐內(nèi)客運站布局模式的基礎(chǔ)上，考慮旅客出行的直接費用和時間成本，建立出行費用最小的0-1規(guī)劃模型，計算出最佳選址地點[7]；朱軍功以重慶第三客運站為例，通過區(qū)域條件、道路條件、軌道接駁、建設(shè)成本、運營組織和區(qū)域經(jīng)濟帶動的對比分析，總結(jié)出客運站選址過程中應(yīng)考慮的因素[8]；陳靜、黃鸝分析了鐵路客運站與城市協(xié)調(diào)規(guī)劃的關(guān)系，陳靜以經(jīng)濟效益、資源節(jié)約和社會責(zé)任3個方面分析為主[9]，黃鸝從鐵路客運站與成都市發(fā)展的相互關(guān)系出發(fā)，分析客運站與城市交通銜接存在的問題，找到了客運站能力與城市道路能力平衡、區(qū)域合理的布局方法[10]。

在文獻[1-6]中都是基于樞紐內(nèi)部最優(yōu)探討鐵路客運站的選址方案，多以旅客出行成本與客運站建設(shè)成本為目標(biāo)函數(shù)，以建設(shè)資金與車站能力為限制條件求解，忽視了城市交通網(wǎng)絡(luò)能力對客運站選址的影響，沒有達(dá)到與城市建設(shè)相協(xié)調(diào)的要求。文獻[7-10]雖然分析了鐵路客運站與城市的關(guān)系，但并沒有將城市交通網(wǎng)能力與鐵路能力相結(jié)合起來。文章在以往研究的基礎(chǔ)上以旅客出行成本、建設(shè)成本、城市交通與車站的運營成本最小為目標(biāo)函數(shù)，以車站能力、城市交通網(wǎng)能力及資金限制為約束，尋找高速鐵路客運站的布局方案，同時計算該布局方案中城市交通網(wǎng)絡(luò)中公共交通的增加方案。

1 建立模型

選址問題中，影響因素大致分為兩類。第一類為硬性因素，即客運站必須滿足，其中一項不滿足，即否定這個方案。硬性因素包括是否對文物建筑有影響、是否對軍事設(shè)施有影響、是否符合城市的發(fā)展方向3個方面[11]。第二類因素為軟性因素，即客運站的選址可以在一定限度上對這類因素進行妥協(xié)，不一定完全滿足。軟性因素包括旅客從出行小區(qū)到客運站的出行費用、建設(shè)資金限制、車站能力的限制、城市路網(wǎng)能力限制4個方面。

將提出的所有方案，無論其是否可行都收入到方案集C中，通過硬性因素進行初步篩選形成備選方案集，然后利用軟性因素建立模型，以成本最小為目標(biāo)值，求解得出既有客運站改擴建方案和新建客運站選址地點。

1.1 硬性因素選擇

用Yk表示第k個硬性因素。依據(jù)前文中選定的硬性因素有：是否對文物建筑有影響、是否對軍事設(shè)施有影響、是否符合城市的發(fā)展方向，依次標(biāo)號為Y1，Y2，Y3。假設(shè)一共有m個地點進入方案，C={cs|s=1,2,3,…,m}，對每1個方案用上述3個硬性因素進行初步篩選。當(dāng)ysk取值為1時，表示第s個候選地址滿足第k個硬性因素，否則取0，選出j個備選方案Bs={bs|s=1,2,3,…,j}，j

1.2 軟性因素選擇

將城市劃分為i個出行小區(qū)，I表示出行小區(qū)集合，總共有j個高速鐵路客運站備選地點，J表示備選地點集合，J1為新建客運站地址集合，J2為既有客運站地址集合，J=J1+J2，J′表示限制辦理業(yè)務(wù)客運站集合。硬性因素將明顯不符合實際情況的方案排除，得到備選方案。利用軟性因素對備選方案進行優(yōu)選，得出最終方案，軟性因素如下。

圖1 備選方案確定流程圖

1.2.1 旅客出行成本

（1）小區(qū)出行成本，令cij表示旅客不受外界任何因素影響從i小區(qū)到j(luò)站的出行時間成本。從出行小區(qū)到客運站的距離考慮，出行小區(qū)離客運站越近，則出行時間成本越低。

（3）出行小區(qū)內(nèi)公共交通的完備程度，首先考慮公交車線路，若從出行小區(qū)到客運站的公交車線路越多，則旅客的選擇越多，旅客等待公交車的時間越短，附加出行時間成本就越低。令fijb表示從i小區(qū)到j(luò)站公交線路的附加成本系數(shù)。其次考慮是否有軌道交通，用fijm表示從i小區(qū)到j(luò)站軌道交通的附加成本系數(shù)。

1.2.2 車站建設(shè)運營成本及建設(shè)資金限制

車站建設(shè)運營成本可以分為建設(shè)成本和運營成本。在建設(shè)成本中又分為最低建設(shè)費用、征地附加費用、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)附加費用和建成后的維護附加費用。假設(shè)無論車站建設(shè)在何處，最低建設(shè)費用U不變。用zj表示征地附加費用系數(shù)，車站選址離市中心越近，則征地附加費用越高。用aj表示基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費用系數(shù)，反映j站基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)設(shè)備的資金投入情況。用gj表示維護費用附加系數(shù)，維護費用與基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)費用關(guān)系密切，在一定范圍內(nèi)初始階段對基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的資金投入越高，則后期維修費用越低。車站的運營費用系數(shù)hj主要由兩部分組成：一是人工費用，二是設(shè)備的使用費用。χj為0-1參數(shù)，若在j地新建或改建客運站χj=1，否則χj=0。設(shè)車站初始建設(shè)投資為M，則車站的建設(shè)費用不得超過M。用A表示鐵路客運站投資的回收年限。

1.2.3 車站能力限制及列車運營成本

1.2.4 城市交通網(wǎng)絡(luò)能力限制及城市交通運營成本

城市交通網(wǎng)絡(luò)能力對客運站選址有重要影響，主要體現(xiàn)在是否能滿足旅客出行的需求。設(shè)nijb和nijm分別表示運送從小區(qū)i到車站j需要增開的公交車、地鐵列車數(shù)量，lijb和lijm分別表示公交車和地鐵的載客人數(shù)，cijb和cijm分別表示開行1輛公交車或1列地鐵列車的成本，eijb和eijm分別表示允許增開的公交車輛數(shù)和地鐵列車列數(shù)。

1.3 模型建立

根據(jù)上述約束條件，以旅客出行成本、車站建設(shè)成本、城市交通與車站的運營成本最小為目標(biāo)函數(shù)，建立選址模型。

式中：w1，w2，w3和w4為權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)城市的具體情況，將各類參數(shù)代入模型中，建立0-1線性規(guī)劃方程組，利用Lingo軟件編程求解。

2 算例分析

某市可劃分出行小區(qū)6個。既有客運站有2個，編號分別為（1）、（2），規(guī)劃有2個備選地點，備選地點（3）位于市區(qū)，（4）位于城市邊緣，客運站（2）不辦理遠(yuǎn)程客運業(yè)務(wù)。各出行小區(qū)均有公交車可到達(dá)既有客運站及規(guī)劃的備選地點，部分小區(qū)有軌道交通到達(dá)既有客運站和備選地點。城市交通網(wǎng)絡(luò)可增加的運輸能力由實際情況確定，小區(qū)到各個客運站的純出行費用由實際測定，各附加費用系數(shù)由專家確定，確定規(guī)則如下。

（1）將fijb從有較多線路選擇到很少線路選擇劃分為3個層次（0.2,0.4,0.6）。

（2）將fijm分為有軌道交通和無軌道交通這兩類，則其附加系數(shù)值為（-0.1,0）。

各小區(qū)到車站的出行成本附加系數(shù)和出行人數(shù)如表1所示。

表1 出行成本附加系數(shù)及出行人數(shù)

車站最低建設(shè)費用為50億元，總資金為230億元。車站運營成本費用由實際情況確定，車站的建設(shè)附加費用系數(shù)由專家討論確定，系數(shù)制定規(guī)則如下。

（1）將zj以距離市中心的距離由近到遠(yuǎn)分為3個層次（0.5,0.3,0.1）。

（2）由于基礎(chǔ)設(shè)施投資費用主觀性較高，后期維修費用隨機性較高難以確定，假設(shè)對既有客運站進行改造，aj=0.3,gj=0.2。新建客運站，aj=0.5, gj=0.3。

（3）如果對既有站改造，人工以及設(shè)備使用費用較低，此時hj=0.1。若新建客運站，要考慮是否能共用客技站，如果可以共用，hj=0.2，否則新建客技站，hj=0.4。

（4）假設(shè)投資回收年限為10年。

建設(shè)成本附加系數(shù)及車站能力和運營成本如表2所示。

表2 建設(shè)成本附加系數(shù)及車站能力和運營成本

各小區(qū)到客運站的路網(wǎng)可增加的通行能力、公交車和地鐵車輛的載客能力以及公交車和地鐵的運營成本都由實際情況確定。本文選取案例城市路網(wǎng)可增加公交車數(shù)和地鐵列數(shù)能力如表3所示。

表3 路網(wǎng)可增加公交車數(shù)和地鐵列數(shù)能力表

根據(jù)該城市特點，旅客的出行成本權(quán)重w1取值為0.3，車站建設(shè)成本權(quán)重取值為0.3，城市交通運營成本權(quán)重w3取值為0.2，車站開行各類列車運行成本權(quán)重w4取值為0.2。利用Lingo軟件編程求解得χ1=1，χ2=1，χ3=0，χ4=1，n14b=8，n22b=2，n24b=8，n31b=4，n34b=5，n41b=2，n44b=6，n64b=6，n11m=2，n12m=1，n21m=2，n32m=1。根據(jù)求解結(jié)果可知，對既有客運站（1）和（2）進行改造，并在備選地點（4）處新建客運站。對于城市交通，為滿足旅客的出行，各個小區(qū)到車站之間需要增加的公交車、地鐵列車數(shù)量如表4所示。

表4 小區(qū)到車站需要增加的公交車數(shù)和地鐵列數(shù)

結(jié)果顯示應(yīng)將原有的2個客運站進行改建，并在城市邊緣新建一座客運站，在相應(yīng)的城市交通網(wǎng)中增加一定的公交車和城市軌道交通列車的運行數(shù)量。此方案充分利用了現(xiàn)有設(shè)備的能力，避免了資源浪費，尤其是選擇在城市邊緣新建客運站避免了城市中心的大拆大建。高速鐵路客運站最終會發(fā)展為城市商業(yè)中心，將原有客運站改建為高速鐵路客運站和在城市邊緣新建高速鐵路客運站將引導(dǎo)城市商業(yè)多中心發(fā)展，這也符合城市商業(yè)發(fā)展原則。新建客運站時城市公共交通必須緊隨其后或超前發(fā)展以滿足旅客的出行要求，充分利用現(xiàn)有公共交通網(wǎng)絡(luò)能力，既滿足了客運站快速疏解人群的要求，也減少了建設(shè)投資，有利于資金的合理利用。此方案符合城市在客運站選址時的實際情況。

3 結(jié)論

文章對高速鐵路客運站選址因素進行了描述，將城市交通網(wǎng)絡(luò)能力這一影響因素加入車站選址條件中，建立了以旅客出行費用、車站建設(shè)成本、運營成本及城市公交系統(tǒng)運營成本最小為目標(biāo)函數(shù)，以成本控制為約束條件的高速鐵路客運站選址模型，使用實例驗證了此模型符合實際情況。但文章也有不足之處：①在城市出行交通系統(tǒng)上只考慮了公交車和地鐵2種類型，對于其他出行方式未予考慮；②高速鐵路客運站的建設(shè)必將為其周邊帶來巨大的經(jīng)濟效益，但這種經(jīng)濟效益難以衡量，所以文章在選址過程中多考慮成本，而對客運站所帶來的經(jīng)濟效益考慮不足。

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Model of Passenger Station Site Selection of High-Speed Railway

WANG Qi-ming,CUI Bing-mou,ZHANG Xiao-qing
(School of Traffic and Transportation,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

According to the restriction of railway passenger station construction condition and the construction requirement of harmonious with city,the factors that affected passenger station site were divided into two kinds:hard factors and soft factors.The preliminary site selection scheme set was obtained by comparing the hard factors.And adding the urban public traffic network capacity into the soft factors, combined with the two soft factors of station capacity and funding constraints,taking the minimum cost of passenger travel,station construction,station operation and urban transit operation as the goal,0-1 integer programming model was established.Taking the actual situation of one city for instance,the model was built.Using Lingo software,the passenger station site selection scheme and the additional scheme of bus and subway train in urban public traffic network were obtained.The result of the model shows that the optimal scheme is that the two original passenger stations need transforming and a new passenger station will be built in suburb.A certain number of buses and subway trains need increasing to meet the travel requirements of passengers travelling from the corresponding travel areas to three high-speed rail?way passenger stations.The example demonstrates that the scheme is in line with the actual situation.

passenger station;site selection;public transport network;hard factor;soft factor;0-1 integer programming

U291.1

A

2095-9931（2015）03-0066-05

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.03.012

2015-03-28

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重大課題（2013X006-A）

王啟明（1990—），男，甘肅永靖人，碩士研究生，主要研究方向為交通運輸組織管理優(yōu)化。

E-mail：529336418@qq.com。