高鐵大連北站外部集散路網(wǎng)崩潰路徑研究

馬彩雯，常炎露

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

高鐵客運(yùn)站是城市交通網(wǎng)絡(luò)的一個重要節(jié)點(diǎn)，且高鐵客運(yùn)站與城市交通網(wǎng)絡(luò)之間的銜接效率影響著城市交通網(wǎng)絡(luò)的暢通狀態(tài)。集散路網(wǎng)作為高鐵客運(yùn)站與城市交通網(wǎng)絡(luò)銜接的重要組成部分，其暢通狀態(tài)決定了客流的集散效率。隨著高鐵大連北站功能的逐步強(qiáng)化，集散需求日益增加，外部集散路網(wǎng)的交通擁堵問題也日漸嚴(yán)峻。特別是在大連北站到達(dá)客流高峰時段與外部集散路網(wǎng)過境交通流高峰時段重合時，疊加后的大客流會加劇交通擁堵問題，路網(wǎng)的集散效率也進(jìn)一步下降。如何完善高鐵客運(yùn)站與城市交通網(wǎng)絡(luò)的銜接是我們目前面臨的一個難題。

針對高鐵客運(yùn)站與城市交通銜接的問題，近幾年的研究主要有以下進(jìn)展：訾海波[1]總結(jié)了高速鐵路客運(yùn)站地區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的模式及地區(qū)適用性；劉昱崗等[2]通過分析高速鐵路車站區(qū)域道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式及適用性，對合理設(shè)置高速鐵路站區(qū)道路網(wǎng)提出相關(guān)建議；董堯華[3]對城市公交網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行脆性分析，通過“最大連通子圖的相對大小”和“網(wǎng)絡(luò)的效率”兩個指標(biāo)直觀地反映出在受攻擊和破壞前后網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通可靠性變化情況；梁英慧[4]定義了系統(tǒng)崩潰路徑，建立了基于復(fù)雜系統(tǒng)脆性賦權(quán)圖的崩潰路徑模型，并提出了一種求解系統(tǒng)最大崩潰路徑的拉格朗日松弛算法；劉鵬[5]根據(jù)對城市群交通需求空間形態(tài)的分析，在系統(tǒng)論、慢變量決定論、快慢變量結(jié)合論的基礎(chǔ)上，采用三視模型對城市群區(qū)域城際軌道交通與城市公交銜接系統(tǒng)進(jìn)行了分析。如果能夠根據(jù)大連北站高峰時期的到達(dá)客流量，預(yù)測出分配到集散路網(wǎng)的車流量，找出集散路網(wǎng)中最容易擁堵(崩潰)的路徑，針對性地對其進(jìn)行交通管控，將有效地緩解交通擁堵，充分發(fā)揮外部集散路網(wǎng)的集散效應(yīng)。因此，本文通過構(gòu)建崩潰路徑模型，求解崩潰路徑的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 大連北站外部集散路網(wǎng)現(xiàn)狀分析

大連北站位于大連市北郊，車站中軸線呈偏西北——東南走向，和市區(qū)內(nèi)的大連站走向基本一致。車站周邊主干路北側(cè)為姚砬路，南側(cè)為華北路，場地周邊次干路有2#、3#通道南北貫通，站北1#路東西貫通，通過高架橋穿過站北二層送站區(qū)，向東經(jīng)東快路通往市區(qū)。大連北站集散路網(wǎng)區(qū)域如圖1所示。

圖1 大連北站外部集散路網(wǎng)區(qū)域圖Fig.1 The external collecting and distributing system area of Dalian north station

1.1 路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建

由于集散路網(wǎng)是一個復(fù)雜的、影響因素繁多的交通信息網(wǎng)絡(luò)載體，所以本文根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性的相關(guān)理論，用數(shù)學(xué)語言來描述集散路網(wǎng)，并抽取影響因素作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)，從而對交通路網(wǎng)進(jìn)行模型化分析。

本文研究的大連北站集散路網(wǎng)考慮高鐵客流快速集散需求，以較快步行速度100 m/min計算，將集散路網(wǎng)范圍設(shè)定為1 500 m之內(nèi)[2]。大連北站周邊集散路網(wǎng)中有8對OD對，即大連北站站點(diǎn)V30與其他4個主要節(jié)點(diǎn)V1、V7、V23、V25的OD對數(shù)，其路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 大連北站路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 The road network structure of Dalian north station

1.2 路網(wǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)2018年4月10日鐵路調(diào)圖起執(zhí)行的大連北站始發(fā)經(jīng)停列車時刻表，16:00—17:00為大連北站列車客流到達(dá)的高峰時段，與晚高峰期過境交通流疊加會對集散路網(wǎng)造成較大壓力。故本文選取16:00—17:00從大連北站發(fā)散到集散路網(wǎng)的車流量進(jìn)行分析。

1)路段基本參數(shù)

大連北站外部集散路網(wǎng)分別有快速路1條：東北快速路；主干路7條：嶺西路、南關(guān)嶺路、站北一號路、華北路、華東路、風(fēng)華路、源泉路；次干路2條：2號通道、3號通道；支路3條：姚靳街、姚勝街、姚勝東三街；專用通道2條：南廣場引橋、北廣場引橋。已知各路段長度，自由流走行時間和路段通行能力。

2)路段集散通過能力

大連北站外部集散路網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中，過境交通流會占據(jù)一定比例，本文研究中將路網(wǎng)本身的通過能力減掉其過境流的通過能力設(shè)定為集散路網(wǎng)的集散通過能力。過境占比根據(jù)調(diào)查所得見表1。

3)發(fā)散路網(wǎng)各OD對的實(shí)際車流量

已知大連北站往年高峰小時到達(dá)客流量數(shù)據(jù)，采用彈性系數(shù)法預(yù)測2018年大連北站高峰小時到達(dá)客流量為4 265人。通過調(diào)查得發(fā)散路網(wǎng)中各交通方式分擔(dān)率見表2。

由于大連北站地鐵出入口在地下一層換乘大廳，對外部集散路網(wǎng)交通狀況無直接影響，本文不做具體考慮。根據(jù)調(diào)查高峰期平均每輛公交車載客人數(shù)為35人，平均每輛出租車和私家車載客人數(shù)為1.5人，平均每輛長途車載客人數(shù)為10人。為了計算和處理方便，最后轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)小汽車的數(shù)量。公交車換算系數(shù)取3.0，出租車和私家車換算系數(shù)取1.0，長途車換算系數(shù)取2.5。大連北站外部發(fā)散路網(wǎng)各交通運(yùn)輸方式高峰小時當(dāng)量交通量見表3。

根據(jù)調(diào)查可知，高峰小時大連北站V30與4個邊界節(jié)點(diǎn)V1、V7、V23、V25之間的客流比例為5∶4∶6∶2。以節(jié)點(diǎn)30為O，節(jié)點(diǎn)1為D1，節(jié)點(diǎn)7為D2，節(jié)點(diǎn)23為D3，節(jié)點(diǎn)25為D4，4對OD對的交通發(fā)生量見表4。

表1 大連北站集散路網(wǎng)過境流量比例

表2 大連北站發(fā)散路網(wǎng)中各交通方式分擔(dān)率

表3 大連北站高峰小時發(fā)散機(jī)動車當(dāng)量交通量

表4 大連北站發(fā)散路網(wǎng)OD對的交通發(fā)生量

2 崩潰路徑模型的建立

崩潰路徑[6-7]是指集散路網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間傳遞崩潰的路徑，即路網(wǎng)中最容易擁堵(崩潰)的路徑。本文中把集散路網(wǎng)發(fā)散效應(yīng)定義為以客運(yùn)站為交通發(fā)生點(diǎn)，即OD對的起始點(diǎn)，以快速路和主干路交叉的主節(jié)點(diǎn)作為交通吸引點(diǎn)，即OD對的終結(jié)點(diǎn)。聚集效應(yīng)同理可得，本文主要研究大連北站外部發(fā)散路網(wǎng)相關(guān)內(nèi)容。

1)假設(shè)條件

條件1 大連北站外部集散路網(wǎng)按照銜接地域的大小由低到高劃分為3個圈層[8]，第一圈層：與北站直接銜接(步行5～10min)；第二圈層：與城市中心區(qū)域銜接(步行10～15min)；第三圈層：與城市周邊城鎮(zhèn)銜接(步行15min以上)，此圈層邊界開放，與北站無直接聯(lián)系。本文研究的集散路網(wǎng)范圍包括第一和第二圈層。

條件2 路段eij=vi,vj的權(quán)值ωij定義為節(jié)點(diǎn)vi到節(jié)點(diǎn)vj轉(zhuǎn)移的車流量fvi,vj在節(jié)點(diǎn)vi總流量fvi中所占的比例，即

2)建立崩潰路徑模型

(1)集散路網(wǎng)崩潰的傳遞方向是vi1→vi2→…→vin，且各節(jié)點(diǎn)的崩潰行為只與其有聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)有關(guān)，則可由條件概率公式確定崩潰路徑的權(quán)值ωhi：

由(1)式可知，崩潰路徑的權(quán)值為該崩潰路徑中各路段權(quán)值的乘積。

(2)對于集散路網(wǎng)拓?fù)鋱DD=〈V,E,R〉，若滿足：Vhi?VD,Ehi?ED拓?fù)鋱D有m個OD對，則車流從鐵路客運(yùn)站節(jié)點(diǎn)vp到發(fā)散路網(wǎng)的車流終到點(diǎn)vjj=1,2,…,m的k條崩潰路徑hii=1,2,…,k中，存在

式中：vii=1,2,…，n為集散路網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，其中vp為鐵路客運(yùn)站節(jié)點(diǎn)；vjj=1,2,…，m為集散路網(wǎng)圈層邊界等級較高的道路之間的交叉口；hii=1,2,…，k為集散路網(wǎng)中OD對之間存在的崩潰路徑；Vhi、Ehi分別表示崩潰路徑hii=1,2,…，k經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)和路段集合；ωe為路段e=〈i,j〉的權(quán)值；Z*為崩潰路徑hii=1,2,…,k各路段權(quán)值乘積的取值。

集散路網(wǎng)中各OD對的最大/最小崩潰路徑分別記為hmax和hmin，崩潰路徑反映了在大客流情況下，整個集散路網(wǎng)崩潰的可能順序及運(yùn)動方向，其中

崩潰路徑的權(quán)值反映了由起點(diǎn)崩潰引起該路徑可能發(fā)生崩潰的概率。

3 崩潰路徑模型的求解

本文運(yùn)用SUE配流方法對集散路網(wǎng)的各個路段進(jìn)行交通流量分配，已知參數(shù)為自由流走行時間、路段的集散通過能力、各OD對的車流到發(fā)量等基本數(shù)據(jù)。借助TransCAD軟件進(jìn)行配流操作，得到發(fā)散路網(wǎng)各路段的配流結(jié)果和權(quán)值。利用配流數(shù)據(jù)求解模型，得到大連北站高峰小時發(fā)散路網(wǎng)最大/最小崩潰路徑，其結(jié)果見圖3和表5。

圖3 大連北站外部發(fā)散路網(wǎng)最大/最小崩潰路徑示意圖Fig.3 The sketch of the largest and smallest collapse paths in the extenal collecting network of Dalian north station

表5 大連北站外部發(fā)散路網(wǎng)最大/最小崩潰路徑

崩潰路徑示意圖中最大崩潰路徑對應(yīng)的是：南關(guān)嶺路—駿嶺街；北廣場引橋—南關(guān)嶺路—姚家路；南廣場引橋—華北路—華東路；南廣場引橋—龍華路—源泉路—風(fēng)華路；最小崩潰路徑對應(yīng)的是：北廣場引橋—站北一號路—姚靳街—嶺西路；北廣場引橋—站北一號路—姚勝東三街；華北路—2號通道—站北一號路—南關(guān)嶺路—華東路；北廣場引橋—站北一號路—東北快速路。

最大/最小崩潰路徑反映了客流分散對集散路網(wǎng)的影響程度，同時也為集散路網(wǎng)的優(yōu)化提供了決策支持。針對研究結(jié)果提出如下改進(jìn)措施：

1)優(yōu)化最大崩潰路徑節(jié)點(diǎn)。找出擁堵路段問題點(diǎn)，及時改善，加強(qiáng)監(jiān)管，減輕路段壓力。

2)加強(qiáng)崩潰路徑信息引導(dǎo)。及時更新電子信息屏，發(fā)布路網(wǎng)信息狀態(tài)。特別是在最大崩潰路徑附近節(jié)點(diǎn)增加電子信息屏進(jìn)行信息誘導(dǎo)，將車流引導(dǎo)至最小崩潰路徑。

3)加強(qiáng)交通安全知識教育，提高執(zhí)法力度。引導(dǎo)居民加強(qiáng)學(xué)習(xí)交通法規(guī)，提高出行安全意識，自覺遵守交通安全法。同時交通管理部門要充分利用監(jiān)控設(shè)備，提高執(zhí)法力度。

4 結(jié)束語

大連北站外部集散路網(wǎng)作為銜接大連北站和城市交通的重要結(jié)合部，其擁堵會給大連北站客流的暢通集散帶來極大的消極影響，如果能夠?qū)土骷⒅凶钊菀妆罎⒙范蔚谋∪醐h(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)的管理和控制，就可以保證大連北站外部集散路網(wǎng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。針對大連北站外部集散路網(wǎng)的擁堵問題，建立了崩潰路徑模型，以各路段的權(quán)值乘積最大/最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得出大連北站外部集散路網(wǎng)高峰小時的最大/最小崩潰路徑。該模型具有較好的可行性與實(shí)用性，為今后大連北站外部集散路網(wǎng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)提供了理論支持。