基于高速鐵路樞紐站的客流中轉(zhuǎn)換乘方案選擇研究

劉曉溪, 李 博

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京100081)

我國高速鐵路運(yùn)營里程在2017年已達(dá)到2.5萬km，“四縱四橫”網(wǎng)絡(luò)基本形成。在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下，充分發(fā)揮高速鐵路快速、高頻率的優(yōu)勢(shì)，提高高速鐵路的市場(chǎng)競(jìng)爭力顯得尤為重要。高速鐵路的快速發(fā)展對(duì)其客流中轉(zhuǎn)換乘組織方案提出了更高的要求。目前，針對(duì)高速鐵路樞紐站的中轉(zhuǎn)換乘方案，如石太客運(yùn)專線(石家莊—太原南)、京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)、京津城際(北京南—天津)形成的高速鐵路線路網(wǎng)，研究探討客流中轉(zhuǎn)換乘組織模式[1-3]，而對(duì)高速鐵路樞紐站的客流中轉(zhuǎn)換乘方案選擇研究較少，特別對(duì)適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下高速鐵路樞紐站客流中轉(zhuǎn)換乘方案選擇還有待進(jìn)一步深入研究。因此，在分析目前高速鐵路客流運(yùn)輸組織現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，篩選高速鐵路樞紐站間影響旅客進(jìn)行中轉(zhuǎn)換乘運(yùn)輸方案選擇的因素[4-6]，構(gòu)建高速鐵路樞紐站間換乘方案選擇模型，為高速鐵路樞紐站主要換乘OD對(duì)客流中轉(zhuǎn)換乘方案選擇的制訂提供依據(jù)。

1 高速鐵路客流組織現(xiàn)狀分析

1.1 客流現(xiàn)狀

（1）OD對(duì)運(yùn)輸距離分析。我國高速鐵路網(wǎng)絡(luò)中直達(dá)OD對(duì)的平均運(yùn)輸距離為812 km，運(yùn)輸距離最長的線路為北京—昆明，全長2 760 km。換乘1次客流OD對(duì)距離分布如圖1所示，換乘1次可達(dá)的OD對(duì)平均運(yùn)輸距離為1 201 km。2次及以上換乘客流OD距離分布如圖2所示，換乘2次及以上可達(dá)的OD對(duì)的平均運(yùn)輸距離為2 056 km?？芍咚勹F路全部可達(dá)OD對(duì)中，換乘可達(dá)的OD距離大，并且換乘次數(shù)越多距離越大。

（2）中轉(zhuǎn)換乘客流比例分析。2016年高速鐵路換乘客流量和周轉(zhuǎn)量比重如圖3所示，可以看出，2016年高速鐵路網(wǎng)換乘客流量為6 648.6萬人，占全高速鐵路網(wǎng)客流的4.6%，換乘周轉(zhuǎn)量占高速鐵路網(wǎng)的9.1%，高速鐵路換乘周轉(zhuǎn)量占比較高。

（3）中轉(zhuǎn)換乘客流出行距離分析。2016年不同出行距離換乘客流量分布如圖4所示，由圖4可知中轉(zhuǎn)換乘客流的平均出行距離為673.5 km，中轉(zhuǎn)換乘客流的平均出行距離約為高速鐵路全高鐵網(wǎng)客流平均出行距離的2倍，中轉(zhuǎn)換乘客流出行距離較長。

1.2 直達(dá)運(yùn)輸組織現(xiàn)狀

通過對(duì)高速鐵路列車時(shí)刻表數(shù)據(jù)中直達(dá)列車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出高速鐵路直達(dá)運(yùn)輸組織具有以下特征。

（1）高速鐵路直達(dá)OD對(duì)比例較小。根據(jù)時(shí)刻表可知目前路網(wǎng)中共有595個(gè)高速鐵路車站，所有時(shí)刻表中可實(shí)現(xiàn)高速鐵路直達(dá)的OD對(duì)占路網(wǎng)中所有OD對(duì)的9.05%，即有90.95%的OD對(duì)需要通過中轉(zhuǎn)換乘實(shí)現(xiàn)可達(dá)。

圖 1 換乘1次客流OD對(duì)距離分布Fig.1 Distance distribution for one-transfer OD pairs

圖2 2次及以上換乘客流OD距離分布Fig.2 Distance distribution for no-less-than-two-transfers OD pairs

圖3 2016年高速鐵路換乘客流量和周轉(zhuǎn)量比重Fig.3 The ratio of transfer-involved passengers to all passengers and that of transfer-involved passenger-kilometers to total passenger-kilometers for highspeed railway lines in 2016

圖4 2016年不同出行距離換乘客流量分布Fig.4 Travel distance distribution for transfer-involved passengers in 2016

（2）高速鐵路直達(dá)OD對(duì)的列車開行頻率較低。79.68%直達(dá)OD對(duì)的開行列車少于5列， 90.77%直達(dá)OD對(duì)的開行列車少于10列。有近80%的直達(dá)OD對(duì)提供了低頻率的運(yùn)輸服務(wù)，這部分OD客流存在中轉(zhuǎn)換乘的需求。

（3）部分直達(dá)OD對(duì)的旅行時(shí)間較長。在所有的直達(dá)OD對(duì)中，有11.9%的OD對(duì)列車平均旅行時(shí)間超過8 h，旅行時(shí)間超過4 h的直達(dá)OD對(duì)占46.1%，旅行時(shí)間超過5 h的直達(dá)OD對(duì)占34.5%。旅行時(shí)間在3 ～ 3.5 h范圍的旅程對(duì)選擇高速鐵路出行的旅客有較強(qiáng)的吸引力，如果旅行時(shí)間過長，高速鐵路的吸引力就會(huì)降低[7]。

綜上所述，我國高速鐵路具有中轉(zhuǎn)換乘OD對(duì)距離大、換乘客流占比高、換乘客流出行距離長、直達(dá)OD對(duì)少、直達(dá)OD列車開行頻率低、直達(dá)列車旅行時(shí)間長的特點(diǎn)。

2 高速鐵路樞紐站客流中轉(zhuǎn)換乘組織 條件

2.1 換乘條件分析

（1）同站換乘。同站換乘是旅客換乘方式中一種較為理想的換乘方式。該方式不要求城市內(nèi)部交通的銜接配合，只需要在站內(nèi)或站前廣場(chǎng)完成即可，其優(yōu)點(diǎn)是換乘時(shí)間消耗較少，但對(duì)站內(nèi)換乘設(shè)施的配合程度要求較高。從國內(nèi)外高速鐵路運(yùn)營現(xiàn)狀來看，同站換乘方式包括站臺(tái)換乘、站廳換乘和站外換乘3種方式，目前我國多為站外換乘。

（2）異站換乘。異站換乘需要跨越相同城市2個(gè)分離的車站，主要依靠便捷、高效的城市軌道交通及常規(guī)公交實(shí)現(xiàn)。由于異站換乘給旅客帶來了較大的不便，即使節(jié)點(diǎn)所在城市的市內(nèi)交通可達(dá)性好，多數(shù)旅客也不愿選擇異站換乘。因此，對(duì)于采取異站換乘方式的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)采用合理的運(yùn)輸組織措施將異站換乘轉(zhuǎn)化為同站換乘，如可以在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部通過聯(lián)絡(luò)線延長列車到站或發(fā)站，變異站換乘為同站換乘。

（3）車站換乘服務(wù)水平。車站的服務(wù)水平會(huì)影響旅客換乘的方便與否，包括硬件設(shè)備設(shè)施、乘車過程中相關(guān)的軟服務(wù)。硬件設(shè)施包括指示牌、換乘通道、候車廳、座椅、客用電梯、自動(dòng)扶梯、殘障人士專用通道、信息查詢機(jī)、購取票機(jī)、應(yīng)急消防通道等；軟件設(shè)施包括信息查詢系統(tǒng)、自動(dòng)售票系統(tǒng)、安全監(jiān)視系統(tǒng)、應(yīng)急管理措施等。

（4）車站換乘能力。車站換乘能力是限制換乘客流的一個(gè)重要因素，通過對(duì)選取的路網(wǎng)進(jìn)行分析，盡管某些節(jié)點(diǎn)換乘條件較好，但如果把所有與該線路相關(guān)的客流都集中在同一個(gè)車站換乘，勢(shì)必會(huì)造成客流擁堵，不僅不能夠?qū)崿F(xiàn)快速換乘，反而會(huì)因?yàn)榭土鬏^大而造成較多的安全隱患。

（5）車站站內(nèi)布局。車站的布局對(duì)高速鐵路車站能夠提供的換乘模式也存在一定的影響。例如，日本很多高速鐵路車站設(shè)有多個(gè)站場(chǎng)出入口，進(jìn)站大廳有多個(gè)方向的軌道線環(huán)襯入口，軌道線間的換乘可在地面以下完成。目前，我國新建的高速鐵路車站不同列車間的換乘大多需要進(jìn)入候車廳完成。

2.2 中轉(zhuǎn)換乘方案影響因素分析

（1）換乘次數(shù)。我國高速鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，可提供公交化的服務(wù)模式，該模式下的中轉(zhuǎn)換乘次數(shù)可能會(huì)增加，但由于高速鐵路旅客旅行時(shí)間較長，鐵路旅客出行的換乘次數(shù)不應(yīng)該多于2次[8]。

（2）高速鐵路樞紐站換乘條件。同站換乘時(shí)，對(duì)于新建的高速鐵路車站，在站臺(tái)開設(shè)反向扶梯，旅客在下車后通過反向閘機(jī)進(jìn)入候車室再次檢票乘車。對(duì)于可辦理高速鐵路乘降的普通車站，一般引導(dǎo)旅客先出站再檢票進(jìn)站。部分客流通過站內(nèi)天橋、地下通道等設(shè)施提供不出站的換乘服務(wù)。異站換乘時(shí)，城市中部分車站可通過鐵路聯(lián)絡(luò)線連接，旅客可通過乘坐高速鐵路或普速鐵路實(shí)現(xiàn)不同車站間的換乘。旅客也可通過公交、地鐵、出租車等形式完成不同車站間的換乘銜接；對(duì)于中轉(zhuǎn)客流量較大的樞紐站或運(yùn)輸距離較長的OD對(duì)，應(yīng)盡量安排同站換乘[9]。

（3）換乘費(fèi)用。換乘費(fèi)用主要由換乘高速鐵路列車過程中，因采用其他交通方式以實(shí)現(xiàn)換乘目的所產(chǎn)生的時(shí)間和成本組成。如果采用同站換乘，換乘費(fèi)用主要是換乘走行時(shí)間成本。新建高鐵站的換乘走行時(shí)間較短，普速車站走行時(shí)間較長。異站換乘則增加了公交、地鐵、出租等方式產(chǎn)生的時(shí)間和成本費(fèi)用。

（4）換乘舒適性。同站換乘中高鐵站換乘舒適性較高。普速車站換乘的舒適性相對(duì)較低。異站換乘時(shí)，旅客需額外增加出站、乘坐其他交通工具、進(jìn)站的過程，大大降低了換乘的舒適性。

3 高速鐵路樞紐站換乘組織方案選取模型

3.1 模型構(gòu)建

同一高速鐵路樞紐站間存在多個(gè)OD對(duì)需要在樞紐內(nèi)的車站換乘，而在一個(gè)樞紐內(nèi)存在多個(gè)高速鐵路車站，一個(gè)OD對(duì)在樞紐內(nèi)存在多種可能的中轉(zhuǎn)換乘組織方案。為了提高樞紐內(nèi)所有旅客的出行效率需要綜合考慮樞紐內(nèi)所有的OD對(duì)在樞紐內(nèi)的換乘方案，選取得出樞紐內(nèi)所有OD對(duì)最佳的中轉(zhuǎn)組織方案。根據(jù)客流中轉(zhuǎn)組織和樞紐條件，可以構(gòu)建高速鐵路樞紐站間換乘方案選取模型。

模型的研究以樞紐內(nèi)所有需要中轉(zhuǎn)換乘的OD對(duì)總費(fèi)用最低為目標(biāo)。

式中：v為某支客流；s為車站；xvs為客流v是否選擇車站s為換乘站；yvs為客流v能否選擇車站s為換乘站；為客流v在車站s換乘的實(shí)際費(fèi)用。

客流v在樞紐內(nèi)車站s中轉(zhuǎn)換乘的費(fèi)用包括時(shí)間成本費(fèi)用、出行費(fèi)用和換乘舒適費(fèi)用。

式中：cvs為客流v在車站s換乘的廣義費(fèi)用；為客流v在車站s換乘的時(shí)間成本費(fèi)用；為客流v在車站s換乘的時(shí)間出行費(fèi)用；為客流v在車站s換乘的時(shí)間換乘舒適費(fèi)用；ω1為時(shí)間成本費(fèi)用占出行總費(fèi)用的比例；ω2為出行成本費(fèi)用占出行總費(fèi)用的比例；ω3為換乘舒適費(fèi)用占出行總費(fèi)用的比例。

時(shí)間成本費(fèi)用用旅客單位小時(shí)時(shí)間成本與總用時(shí)的乘積表示；出行費(fèi)用選擇接續(xù)前后車站間用時(shí)最短的交通方式花費(fèi)的費(fèi)用表示；疲勞恢復(fù)時(shí)間與旅行時(shí)間有直接關(guān)系[10]，計(jì)算公式為

式中：Ttire為疲勞恢復(fù)時(shí)間；Tlimited為疲勞恢復(fù)極限時(shí)間；b1為無量綱參數(shù)；b2為單位旅行時(shí)間的恢復(fù)時(shí)間強(qiáng)度系數(shù)；Ttravel為旅行時(shí)間，日間高速鐵路選取參數(shù)b1= 49，b2= 0.5。

此外，模型中需要考慮客流v在車站s是否具備換乘條件、客流v在樞紐內(nèi)的一個(gè)車站完成換乘、樞紐內(nèi)每個(gè)車站可提供旅客換乘的能力以及變量的范圍等。

（1）客流v在車站s是否具備換乘條件?？紤]客流v在車站s是否具備換乘條件，計(jì)算公式為

式中：xvs為客流v是否選擇車站s為換乘站，如果客流v車站s被選做換乘車站則xvs= 1，否則xvs= 0；yvs為客流v能否選擇車站s為換乘站，如果客流v車站s被選做換乘車站則yvs= 1，否則yvs= 0。

（2）客流v在樞紐內(nèi)完成換乘經(jīng)過的車站數(shù)量。該約束表示客流v在研究樞紐內(nèi)最多經(jīng)過2個(gè)車站完成中轉(zhuǎn)組織過程。

（3）樞紐內(nèi)每個(gè)車站可提供旅客換乘的能力。該約束表示在一個(gè)樞紐內(nèi)每個(gè)車站s內(nèi)服務(wù)的換乘客流量需滿足車站換乘能力的限制。

式中：Bs為車站s最大換乘能力限制。

（4）其他約束。

式中：M為極大值。

公式 ⑺ 表示當(dāng)客流v選擇車站s為換乘站時(shí)，產(chǎn)生費(fèi)用是cvs，否則費(fèi)用為一個(gè)極大值M。公式 ⑻、公式 ⑼ 表示部分變量的取值約束。

3.2 實(shí)例分析

以京津地區(qū)鐵路樞紐換乘方案為例，京津地區(qū)鐵路樞紐內(nèi)主要有京張(北京—張家口)、京沈(北京—沈陽)、京津(北京—天津)、京滬(北京—上海)、京廣(北京—廣州)等高速鐵路線路或城際鐵路。遠(yuǎn)期北京鐵路樞紐的主要客運(yùn)站包括北京站、北京西站、北京南站、北京北站、豐臺(tái)站、星火站、清河站等車站，天津樞紐內(nèi)主要有天津西站和天津站2個(gè)客運(yùn)站。京津地區(qū)鐵路樞紐車站及線路基本情況如圖5所示[11]。

京津地區(qū)鐵路樞紐內(nèi)主要的OD對(duì)有13個(gè)，其中在京津地區(qū)鐵路樞紐內(nèi)換乘客流量較大的OD對(duì)主要是北京—沈陽、沈陽—上海、沈陽—廣州、上海—廣州方向，根據(jù)樞紐的實(shí)際線路情況可以得到可能的路徑，編號(hào)為1—5的OD對(duì)需要在樞紐內(nèi)換乘，采用高速鐵路樞紐站間換乘方案選取模型對(duì)樞紐內(nèi)需要換乘OD對(duì)的換乘方式進(jìn)行確定，根據(jù)實(shí)際開行方案估計(jì)模型中的客流量規(guī)模。根據(jù)Peter的研究，高速鐵路與民航運(yùn)輸競(jìng)爭的因素主要有：旅行時(shí)間、旅行費(fèi)用、服務(wù)頻率、機(jī)場(chǎng)和高鐵車站的可達(dá)性、正點(diǎn)率，其中旅行時(shí)間是旅客出行選擇交通方式的最重要的影響因素[1]。該研究理論模型中參數(shù)取值為：ω1= 0.5，ω2= 0.3，ω3= 0.2，即換乘時(shí)間為最重要的因素，其次為花費(fèi)的費(fèi)用，舒適性的影響較低。以京津地區(qū)鐵路樞紐為例，利用Lingo11.0求解高速鐵路樞紐站間換乘方案選取模型，得到京津地區(qū)鐵路樞紐主要OD對(duì)路徑及換乘方案結(jié)果如表 1所示，這些客流通過不同的換乘方案運(yùn)輸，包括同站換乘、樞紐內(nèi)異站換乘方式。

圖5 京津地區(qū)鐵路樞紐車站及線路基本情況Fig.5 General information about hub stations and railway lines within Beijing-Tianjin area

表1 京津地區(qū)鐵路樞紐主要OD對(duì)路徑及換乘方案Tab.1 Major OD pairs and their paths that involve transfers within Beijing-Tianjin area

通過模型計(jì)算，在滿足樞紐內(nèi)基本運(yùn)輸需求前提下，大部分OD對(duì)換乘結(jié)果與實(shí)際運(yùn)營組織方案相符，同時(shí)考慮樞紐地區(qū)整體換乘效率及能力約束，計(jì)算結(jié)果為樞紐內(nèi)不同OD對(duì)提供了更為多樣化的中轉(zhuǎn)換乘方案。

4 結(jié)束語

基于高速鐵路樞紐站的中轉(zhuǎn)客流換乘方案選擇始終是困擾行車指揮的一大難題，鐵路樞紐客流轉(zhuǎn)換乘便捷度的提高對(duì)改善整個(gè)鐵路客運(yùn)樞紐與城市交通的銜接水平及城市對(duì)外聯(lián)系的整體效率有著重要意義。通過對(duì)高速鐵路OD對(duì)客流及高速鐵路直達(dá)運(yùn)輸組織現(xiàn)狀進(jìn)行分析，綜合考慮樞紐內(nèi)所有OD對(duì)在樞紐內(nèi)的換乘方案，構(gòu)建高速鐵路樞紐站間換乘組織方案選取模型，計(jì)算結(jié)果對(duì)提高樞紐內(nèi)部分車站換乘客流壓力大的問題及樞紐內(nèi)中轉(zhuǎn)換乘客流組織的合理引導(dǎo)具有指導(dǎo)意義，并為高速鐵路樞紐站中轉(zhuǎn)客流提供合理的組織方案選擇，促進(jìn)旅客高效出行。另外，還需要更準(zhǔn)確地把握旅客在樞紐內(nèi)的旅行徑路，分析樞紐內(nèi)客流組織的瓶頸，進(jìn)一步提升樞紐客流的中轉(zhuǎn)換乘組織效率。