綜合運(yùn)輸客運(yùn)樞紐換乘系統(tǒng)布局優(yōu)化模型

李德剛，邊莉莉，李丹丹

(1.淄博市鐵路建設(shè)管理辦公室， 山東 淄博 255038；2.淄博市公路管理局， 山東 淄博 255038；3.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 四川 成都 610031)

綜合運(yùn)輸客運(yùn)樞紐換乘系統(tǒng)布局優(yōu)化模型

李德剛1，邊莉莉2，李丹丹3

(1.淄博市鐵路建設(shè)管理辦公室， 山東 淄博 255038；2.淄博市公路管理局， 山東 淄博 255038；3.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 四川 成都 610031)

從旅客的全出行過(guò)程分析了綜合運(yùn)輸客運(yùn)樞紐的旅客換乘流線和換乘特征，提出了基于全出行過(guò)程的“路徑—方式”分配模型和樞紐車(chē)站的換乘量預(yù)測(cè)方法.從全路網(wǎng)來(lái)看，換乘布局影響路網(wǎng)客流分布和樞紐內(nèi)各車(chē)站換乘量，外部路網(wǎng)和樞紐內(nèi)的相關(guān)市政配套設(shè)施需依據(jù)交通量和換乘量同步變化，據(jù)此建立了綜合運(yùn)輸客運(yùn)樞紐換乘系統(tǒng)布局優(yōu)化模型.最后，通過(guò)淄博北綜合運(yùn)輸樞紐的實(shí)例驗(yàn)證了模型和方法的可行性.

綜合運(yùn)輸；運(yùn)輸樞紐；旅客運(yùn)輸；換乘系統(tǒng)；布局；優(yōu)化

綜合運(yùn)輸客運(yùn)樞紐是區(qū)域重要的旅客集散點(diǎn)，承載著城市交通和對(duì)外服務(wù)功能，通常依托一種或兩種(部分大型航空港有三種)骨干對(duì)外運(yùn)輸方式的車(chē)站而規(guī)劃和建設(shè)，其他運(yùn)輸方式車(chē)站作為必要的換乘設(shè)施.樞紐內(nèi)有大量的換乘客流，不同的換乘布局，旅客換乘便捷性、換乘時(shí)間不同.綜合運(yùn)輸樞紐內(nèi)的換乘是旅客全出行過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié).由于不同運(yùn)輸方式之間、同一運(yùn)輸方式不同路徑之間在一定范圍內(nèi)存在替代性，當(dāng)旅客從起點(diǎn)到樞紐內(nèi)對(duì)外車(chē)站或樞紐對(duì)外車(chē)站到終點(diǎn)有多條路徑可選時(shí)，換乘的便捷性將直接影響客流在換乘車(chē)站內(nèi)的分布，樞紐本身和樞紐周邊道路等市政設(shè)施也將受到影響.因此，對(duì)綜合運(yùn)輸樞紐布局和換乘的研究必須從全網(wǎng)的角度，既考慮樞紐內(nèi)部及其本身，也考慮樞紐內(nèi)部布局和換乘對(duì)外部路網(wǎng)的影響.目前國(guó)內(nèi)對(duì)綜合運(yùn)輸客運(yùn)樞紐換乘和布局的研究，關(guān)注的是客運(yùn)樞紐本身和樞紐內(nèi)設(shè)施的布局和換乘的影響，要么從樞紐內(nèi)換乘體系布局著手，研究樞紐內(nèi)部的換乘組織體系，如文獻(xiàn)[1-6]研究了換乘組織、換乘成本、換乘量，其中換乘量采用因素相關(guān)法確定，沒(méi)有考慮換乘量的產(chǎn)生根源、換乘量與路網(wǎng)的關(guān)系等；要么從樞紐內(nèi)部換乘便捷性研究樞紐內(nèi)部設(shè)施布局，如文獻(xiàn)[7-9]研究了樞紐內(nèi)各車(chē)站合理布局方法和思路，評(píng)價(jià)方法[9-13]采用傳統(tǒng)的AHP、模糊評(píng)價(jià)等，但由于這些方法本身固有的缺陷，并不能體現(xiàn)樞紐換乘布局變化與外部路網(wǎng)的相互影響.文獻(xiàn)[14]從樞紐內(nèi)部建立了高速客運(yùn)站人流換乘優(yōu)化布局模型，但沒(méi)有考慮樞紐內(nèi)外部的相互影響造成的客流變化和產(chǎn)生的外部投資.國(guó)外有少量研究已考慮旅客的全出行過(guò)程、樞紐與路網(wǎng)的相互影響，但并沒(méi)有據(jù)此提出樞紐換乘系統(tǒng)布局的方法和思路.其中，文獻(xiàn)[15]分析了旅客全出行過(guò)程對(duì)鐵路客站發(fā)展的影響；文獻(xiàn)[16-17]認(rèn)為樞紐服務(wù)水平對(duì)區(qū)域不同路徑的客流形成和選擇具有重要影響；文獻(xiàn)[18]通過(guò)局部區(qū)域路網(wǎng)的客運(yùn)換乘服務(wù)滿意度來(lái)預(yù)測(cè)樞紐的換乘需求.本文從旅客的全網(wǎng)出行過(guò)程研究樞紐內(nèi)的旅客換乘系統(tǒng)布局優(yōu)化，考慮樞紐外部運(yùn)輸方式或路徑的可替代性、樞紐內(nèi)換乘布局對(duì)客流分配的影響及樞紐與外部路網(wǎng)等市政配套設(shè)施相互影響，以優(yōu)化交通供給，使樞紐內(nèi)外部總體效益最優(yōu).

1 樞紐運(yùn)力結(jié)構(gòu)及換乘流線

綜合運(yùn)輸客運(yùn)樞紐內(nèi)部通常建有多種運(yùn)輸方式的多個(gè)車(chē)站，而且一種運(yùn)輸方式可能有多條線路、多個(gè)車(chē)站.這些運(yùn)輸方式一般包括航空、鐵路(普鐵、準(zhǔn)高速、城際、高鐵、高(中、低)速磁浮等)、水運(yùn)、公路、城市快速軌道交通(地鐵、輕軌、中(低)速磁浮、現(xiàn)代有軌電車(chē)等)、地面城市公交(普通地面公交、無(wú)軌電車(chē)、BRT等)、出租車(chē)、私家車(chē)和其他運(yùn)輸方式(步行、自行車(chē)、電動(dòng)車(chē)等).一般來(lái)說(shuō)，在綜合運(yùn)輸樞紐內(nèi)，航空、鐵路和公路為主要對(duì)外運(yùn)輸方式，布有1個(gè)車(chē)站(空港、港口)，公路不多于2個(gè)，綜合運(yùn)輸樞紐也主要依托這些運(yùn)輸方式的車(chē)站(空港、港口)為主建成，其他運(yùn)輸方式作為城市配套設(shè)施疏解這些車(chē)站到發(fā)交通流，通常有多個(gè)車(chē)站或站點(diǎn)(?？奎c(diǎn)、停車(chē)場(chǎng))，如圖1所示.

圖1 綜合運(yùn)輸樞紐運(yùn)力結(jié)構(gòu)

如圖2所示，旅客從O點(diǎn)出發(fā)后到達(dá)目的地D點(diǎn)，一般經(jīng)過(guò)城市交通到達(dá)綜合運(yùn)輸樞紐，然后換乘至對(duì)外交通運(yùn)輸方式(或城市交通的其他方式或同一方式的其他路徑)，再次經(jīng)樞紐換乘到城市交通后到達(dá)目的地.因換乘便捷性、運(yùn)力配置造成的等候(乘)車(chē)時(shí)間差異、出行者本身喜好等多方面的原因，旅客O、D點(diǎn)出行會(huì)有多種運(yùn)輸方式的多條路徑可供選擇.旅客在綜合運(yùn)輸樞紐內(nèi)從一種運(yùn)輸方式換乘到另一種運(yùn)輸方式或同一運(yùn)輸方式的其他路徑，只是全出行過(guò)程中的一部分，旅客在樞紐內(nèi)的換乘時(shí)間長(zhǎng)短或便捷性等將影響旅客全出行過(guò)程中的某個(gè)行程的路徑或方式選擇，從而影響樞紐各車(chē)站的發(fā)送量.

圖2 基于全出行的旅客流線

2 換乘量的確定

綜合運(yùn)輸樞紐內(nèi)的換乘量包括7類：城市交通的不同運(yùn)輸方式車(chē)站之間、同一運(yùn)輸方式不同車(chē)站之間、同一運(yùn)輸方式同一車(chē)站內(nèi)；城市交通車(chē)站與對(duì)外交通車(chē)站之間； 對(duì)外交通的不同運(yùn)輸方式車(chē)站之間、同一運(yùn)輸方式不同車(chē)站之間、同一運(yùn)輸方式同一車(chē)站內(nèi).其中，同一運(yùn)輸方式同一車(chē)站內(nèi)的換乘并不影響樞紐內(nèi)車(chē)站的總布局，相關(guān)換乘受運(yùn)營(yíng)車(chē)輛(列車(chē)、航班)線路布局造成，可以簡(jiǎn)化為一條路徑，但旅客時(shí)間需增加車(chē)站內(nèi)部換乘時(shí)間和等候車(chē)時(shí)間.

樞紐內(nèi)的任一車(chē)站(包括同一運(yùn)輸方式布設(shè)的多個(gè)車(chē)站)其功能定位和相關(guān)的服務(wù)區(qū)域、服務(wù)方向是明確的，運(yùn)營(yíng)線路的主要徑由也一般不會(huì)重復(fù).從全網(wǎng)的角度，一對(duì)OD對(duì)間會(huì)有多條由多種運(yùn)輸方式的多條路徑組成的綜合出行線路，因此，不能按傳統(tǒng)的方式劃分進(jìn)行方式或路徑流量分配，可將方式或運(yùn)輸工具依附于路徑上，OD對(duì)間的出行變成一條由不同的“路徑—方式”組成的綜合出行線路.車(chē)站的換乘量就是經(jīng)過(guò)換乘兩站間的所有綜合出行線路的流量之和.即

(1)

式中：Qij為車(chē)站i換乘到車(chē)站j的換乘量；Qijk為經(jīng)由車(chē)站i、j的綜合出行線路k的客運(yùn)量.

旅客對(duì)外出行選擇了某種對(duì)外運(yùn)輸方式后，他很少再會(huì)去變更，例如，乘坐高鐵或航空的人群很少再會(huì)去選擇其他運(yùn)輸方式.因此，可將對(duì)外出行旅客的出行路徑適當(dāng)簡(jiǎn)化，將對(duì)外出行交通車(chē)站作為出行的終點(diǎn)D，并不會(huì)對(duì)車(chē)站間的換乘量產(chǎn)生影響，旅客的出行將簡(jiǎn)化為圖2中點(diǎn)畫(huà)線框的部分.對(duì)外運(yùn)輸方式車(chē)站間的換乘仍然采用全路徑方式分布分配.OD對(duì)間的“路徑—方式”交通生成分布可以參考文獻(xiàn)[19-21]提出的分布分配綜合技法.但應(yīng)注意：

1) 經(jīng)由兩換乘車(chē)站的綜合路徑k有多條，可以參考文獻(xiàn)[22]處理復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的方法處理綜合路徑，然后進(jìn)行全路網(wǎng)流量生成分布，但該方法計(jì)算量大、處理的數(shù)據(jù)多.當(dāng)旅客從家出發(fā)，考慮多方式之間的換乘時(shí)，一般會(huì)選擇就近的換乘點(diǎn)，客流會(huì)集中于其中的主要幾條.因此，按就近換乘原則可以將諸多換乘路徑簡(jiǎn)化為有限的少數(shù)幾條綜合“方式—路徑”.

2) 綜合路徑阻抗易將費(fèi)用轉(zhuǎn)化為時(shí)間，并考慮對(duì)外出行旅客攜帶行李的不便.

3 換乘布局優(yōu)化模型

從全網(wǎng)的角度來(lái)說(shuō)，綜合運(yùn)輸樞紐是路網(wǎng)中的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行效率受旅客在樞紐內(nèi)各車(chē)站間的換乘便捷性和車(chē)站內(nèi)候車(chē)時(shí)間等因素影響，并對(duì)整個(gè)路網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響.其效率高低可以用如下公式表示：

(2)

式中:H為樞紐系統(tǒng)換乘總費(fèi)用；tij為車(chē)站i換乘到車(chē)站j的時(shí)間；cij為旅客從車(chē)站i換乘到車(chē)站j的廣義時(shí)間費(fèi)用系數(shù)；tj為旅客在車(chē)站j的等候車(chē)時(shí)間；cj為車(chē)站j所屬的運(yùn)輸方式(路徑)的廣義時(shí)間費(fèi)用系數(shù)；T為固定資產(chǎn)投資折舊年限；C1為樞紐總投資；C2為保持樞紐周邊路網(wǎng)一定服務(wù)水平下的道路等市政設(shè)施改造投資，按Schutz(1998)、Pol(2002)的三圈層理論，參照目前國(guó)內(nèi)新建高鐵車(chē)站站區(qū)控制規(guī)劃，建議綜合樞紐取周邊5km2左右的區(qū)域計(jì)算.

式(2)中的tij受兩站間的換乘距離長(zhǎng)短、旅客的步行速度、換乘行程中的電梯運(yùn)速度等因素影響.

(3)

式中：lij1為旅客在車(chē)站i、j間換乘時(shí)的步行距離；v1為步行速度；lij2為旅客在車(chē)站i、j間換乘時(shí)的電梯長(zhǎng)度；v2為電梯運(yùn)行速度.當(dāng)換乘行程中無(wú)長(zhǎng)大電梯時(shí)，(3)式可以簡(jiǎn)化為

tij=lij/v1

(4)

式中：lij為旅客在車(chē)站i、j間換乘距離，且lij=lij1+lij2.

旅客在車(chē)站j的等候車(chē)時(shí)間受發(fā)車(chē)密度、發(fā)車(chē)間隔等影響，屬運(yùn)輸組織范疇，在運(yùn)力一定的情況下，不會(huì)影響(2)式的計(jì)算效果，(2)式可簡(jiǎn)化為

minH=∑Qijlijc1/v1+(C1+C2)/T

(5)

式中，c1為步行的廣義時(shí)間費(fèi)用系數(shù).

4 案例分析

淄博北綜合運(yùn)輸樞紐[23]依托濟(jì)青高鐵淄博北站建設(shè)，南廣場(chǎng)規(guī)劃有公路長(zhǎng)途客運(yùn)站、城市公交、快速軌道交通、廣場(chǎng)地下停車(chē)場(chǎng)，快速送客區(qū)位于二層高架平臺(tái)；站下右側(cè)設(shè)私家車(chē)接客停車(chē)場(chǎng)、左側(cè)設(shè)出租車(chē)接客區(qū)；北廣場(chǎng)為濱臨快鐵預(yù)留，規(guī)劃有城市公交和私家車(chē)停車(chē)場(chǎng)；南北廣場(chǎng)在站房下設(shè)自由通道.其中，公路長(zhǎng)途站功能定位為高鐵接駁站，兼顧本區(qū)域客流，發(fā)送無(wú)高鐵的東營(yíng)市和濱州市班車(chē).站場(chǎng)總平面布局及交通流線組織如圖3所示.

樞紐總平面原布局為：公路長(zhǎng)途車(chē)站位于公交車(chē)場(chǎng)的南側(cè)，長(zhǎng)途車(chē)站位置為區(qū)間公交站，公交車(chē)場(chǎng)為中心城區(qū)公交站，接客區(qū)停車(chē)場(chǎng)利用廣場(chǎng)下方的停車(chē)場(chǎng)，站場(chǎng)下方無(wú)私家車(chē)接客區(qū).后將進(jìn)站匝道由直線設(shè)計(jì)改為向南外凸，增加站房?jī)蓚?cè)用地，區(qū)間公交與中心城區(qū)公交站合并，長(zhǎng)途站移到區(qū)間公交站，原長(zhǎng)途站用地作為綜合開(kāi)發(fā)用地，站場(chǎng)下方設(shè)私家車(chē)接客區(qū).所有交通流線根據(jù)布局進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整.因調(diào)整布局，樞紐增加投資6 000萬(wàn)元，減少土地10 000m2.高鐵到達(dá)換乘私家車(chē)平均換乘距離由270m減為80m，公路長(zhǎng)途與高鐵平均換乘距離由370m減為150m，樞紐外行車(chē)距離有一定的變化.因樞紐內(nèi)布局變化，各車(chē)站之間的換乘量和區(qū)域交通流線、流量也隨之變化.不考慮本地流和預(yù)留濱臨快鐵影響，僅考慮樞紐流的情況下，按分布分配方法和公式(1)計(jì)算的各站布局調(diào)整前后到發(fā)量見(jiàn)表1.

圖3 淄博北綜合運(yùn)輸總平面布局及交通流線

表1 淄博北站綜合運(yùn)輸樞紐布局調(diào)整前、后車(chē)站流量變化 萬(wàn)人

淄博市為典型的組團(tuán)式城市，轄5區(qū)3縣，除張店比其他區(qū)縣稍大外，其他組團(tuán)大小差不多，組團(tuán)之間相距約20km，城市公交主要服務(wù)于中心城區(qū)張店區(qū)，區(qū)間公交服務(wù)于其他組團(tuán).表1計(jì)算結(jié)果，各運(yùn)輸方式所占比例與既有的膠濟(jì)客運(yùn)專線淄博站的比例[24]及淄博市綜合交通規(guī)劃調(diào)查數(shù)據(jù)[25]基本一致，說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果是正確的.其中長(zhǎng)途客運(yùn)功能定位為發(fā)送東營(yíng)、濱州長(zhǎng)途班車(chē)，定位沒(méi)有變化，換乘節(jié)省時(shí)間與旅途行程時(shí)間相比可以忽略，客流量按不變考慮.該站為新建站，周邊路網(wǎng)建設(shè)的比較超前，因調(diào)整布局引起的樞紐周邊路網(wǎng)服務(wù)水平無(wú)變化.取折舊30年、費(fèi)用時(shí)間按2015年城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民的加權(quán)平均收入15元/小時(shí)計(jì)算，采用公式(5)進(jìn)行計(jì)算，調(diào)整前年綜合費(fèi)用(不含鐵路站場(chǎng)及站房)為1 649.5萬(wàn)元，調(diào)整后的年綜合費(fèi)用為1 629.9萬(wàn)元 ，調(diào)整后布局比原布局年綜合費(fèi)用約少19.6萬(wàn)元，調(diào)整后布局較優(yōu).當(dāng)增加的投資達(dá)到6 587.2萬(wàn)元后，兩個(gè)方案無(wú)差別，如果再增加投資，原方案較優(yōu).

5 結(jié)束語(yǔ)

從全路網(wǎng)和旅客的全出行過(guò)程建立的綜合運(yùn)輸樞紐換乘布局優(yōu)化模型既可用于樞紐布局的多方案比選，也可用于樞紐的后評(píng)價(jià)，校核實(shí)際運(yùn)行效果與預(yù)測(cè)的差距.采用“路徑—方式”分布分配技法時(shí)，為了兼顧旅客出行的喜好和運(yùn)力配置的舒適情況，可將時(shí)間和費(fèi)用換算為廣義出行時(shí)間，費(fèi)用和時(shí)間的換算系數(shù)可以根據(jù)交通調(diào)查確定的出行人群比例，按收入情況加權(quán)確定.進(jìn)行綜合交通網(wǎng)絡(luò)處理時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可根據(jù)出行時(shí)間和路況進(jìn)行預(yù)處理，選擇其中幾條較短或運(yùn)行最快的綜合路徑，然后再進(jìn)行“路徑—方式”分布分配.樞紐對(duì)周邊路網(wǎng)的影響，可根據(jù)路網(wǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，不能局限于5km2.

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(編輯：郝秀清)

Transfer system layout optimization model of comprehensive passenger transportation hub

LI De-gang1，BIAN Li-li2，LI Dan-dan3

(1. Railway Construction Management Office of Zibo City, Zibo 255038, China;2.Highway Management Bureau of Zibo City, Zibo 255038, China;3. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

A path-way allocation model and a transfer passenger volume prediction method have been presented which are based on the analysis of passenger transfer flow line and the transfer characteristics of the comprehensive transportation hub during overall travel process. The layout of the transfer may influence the road network passenger flow distribution and transfer passenger volume of the transportation hub. Synchronously, the municipal infrastructure, such as transportation hub and external road network may change from the whole network view. The transfer system layout optimization model of the comprehensive transportation hub has been established according to the above conclusion. Eventually, the feasibility of the model and the method is verified by the instance of Zibo north comprehensive transportation hub.

comprehensive transportation; transportation hub; passenger transportation; transfer system; layout; optimization

2016-06-03

李德剛，男，lidegang@126.com

1672-6197(2017)02-0053-05

U

A