城市群城際客運(yùn)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

呂 穎

LYU Ying

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路運(yùn)輸設(shè)計(jì)處，陜西 西安 710043）

(Rail Transport and Design Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co．， Ltd．， Xi’an 710043， Shaanxi， China)

城市群城際客運(yùn)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是對(duì)通道運(yùn)輸方式的合理分工及規(guī)模配給的綜合確定，影響通道整體功能的發(fā)揮。隨著綜合交通運(yùn)輸體系的統(tǒng)一規(guī)劃和系統(tǒng)發(fā)展，運(yùn)輸方式之間的合作與競爭逐漸趨于平衡，通道結(jié)構(gòu)的合理確定是在實(shí)現(xiàn)供需匹配、系統(tǒng)功能最佳的前提下尋找適宜的平衡點(diǎn)，以保證各運(yùn)輸方式在優(yōu)勢范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)效益最大化、在協(xié)同發(fā)展區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸功能的有效拓展。國外對(duì)運(yùn)輸方式分工的研究以新通道規(guī)劃與既有通道優(yōu)化為主要切入點(diǎn)，即對(duì)通道的規(guī)模與空間布局進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，同時(shí)運(yùn)用數(shù)理方法對(duì)通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行深入研究[1-3]。國內(nèi)針對(duì)運(yùn)輸方式分工的研究，一方面從需求者的角度以既有Logit模型進(jìn)行計(jì)算分析，并逐步完善優(yōu)化[4-7]；另一方面引入博弈論、隨機(jī)用戶均衡理論等研究通道內(nèi)運(yùn)輸方式間的關(guān)系以及出行旅客的選擇機(jī)理[8-10]?？傮w上，對(duì)運(yùn)輸方式分工的既有研究主要以旅客的選擇機(jī)制、運(yùn)輸方式間的競爭合作關(guān)系為切入點(diǎn)，很少同時(shí)兼顧運(yùn)輸供給主體與需求者的訴求。因此，以城市群城際客運(yùn)通道為研究對(duì)象，統(tǒng)籌分析運(yùn)輸供給者、需求者的選擇在通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的影響，建立雙層優(yōu)化模型確定通道的合理結(jié)構(gòu)。

1 城市群城際客運(yùn)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.1 影響因素分析

城市群城際客運(yùn)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是合理確定不同運(yùn)輸方式在通道中所承擔(dān)的客流比重，并以此確定其規(guī)模與布局。城際客運(yùn)通道為經(jīng)濟(jì)社會(huì)大系統(tǒng)以及城市群綜合運(yùn)輸子系統(tǒng)的發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐，引導(dǎo)城市群空間演化、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)的確定應(yīng)有效兼顧不同階段下城市群的戰(zhàn)略目標(biāo)與綜合交通系統(tǒng)發(fā)展趨勢，因而通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也即不同運(yùn)輸方式之間綜合比較的過程，涉及各方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性、運(yùn)輸需求量、投資總量等影響因素。

1.2 設(shè)計(jì)思路

從城際客運(yùn)通道在城市群內(nèi)的戰(zhàn)略定位以及系統(tǒng)功能出發(fā)，統(tǒng)籌考慮運(yùn)輸供需主體的決策影響來確定客運(yùn)通道的結(jié)構(gòu)。一方面，作為供給者，運(yùn)輸企業(yè)在一定的資金限制下有效管理各種運(yùn)輸資源來提供高質(zhì)量的運(yùn)輸服務(wù)，以滿足區(qū)域內(nèi)的出行需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的最大化。另一方面，運(yùn)輸需求者對(duì)不同的運(yùn)輸供給特性進(jìn)行橫向比較，選擇與其需求合理匹配的方式出行，追求出行成本的最小化，并且旅客的選擇行為隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件不斷變化。因此，城市群城際客運(yùn)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是涉及供給者與需求者等多個(gè)主體之間多層次、自上而下的聯(lián)合決策行為，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃。

2 城市群城際客運(yùn)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的雙層規(guī)劃模型構(gòu)建

通道系統(tǒng)的決策者以及運(yùn)輸服務(wù)的供給者通過實(shí)施運(yùn)輸服務(wù)來自上而下地引導(dǎo)需求者的出行行為，而需求者在不同時(shí)期下的出行意愿與選擇偏好反過來影響上層決策，因而確定城市群城際客運(yùn)通道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是尋找合理的供需平衡點(diǎn)。

2.1 基于通道系統(tǒng)優(yōu)化的上層決策模型

通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是將通道內(nèi)的需求總量合理分配給各種運(yùn)輸方式，將某種方式承擔(dān)的運(yùn)輸需求量作為主要的決策變量。站在決策者的角度，客運(yùn)通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最佳作為首要目標(biāo)，充分發(fā)揮各運(yùn)輸方式的優(yōu)勢；但通道規(guī)劃周期長、成本高，資金需求量大，應(yīng)考慮投資總量的限制。因此，將系統(tǒng)效率最大、建設(shè)成本最小作為主要決策目標(biāo)，并考慮投資總量的約束構(gòu)建多目標(biāo)模型如公式 ⑴ 所示。

式中：E，G分別表示通道系統(tǒng)效率、通道建設(shè)成本；為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間第c種運(yùn)輸方式承擔(dān)的需求量；為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間第c種運(yùn)輸方式的運(yùn)輸效率為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間第c種運(yùn)輸方式的投資函數(shù)；Gc為城際客運(yùn)通道內(nèi)運(yùn)輸方式c的投資總量。其中，通道運(yùn)輸效率主要從出行時(shí)間的角度計(jì)算，其可直觀反映起訖點(diǎn)之間的實(shí)際交通狀況與最佳狀況的差距以及通道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的運(yùn)輸效率，計(jì)算公式為

式中：為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的最短行程時(shí)間；為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間第c種運(yùn)輸方式的行程時(shí)間。

2.2 基于旅客出行選擇的下層分工模型

旅客對(duì)運(yùn)輸方式的選擇主要體現(xiàn)在運(yùn)輸方式間的橫向比較，具體涉及各方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性的系統(tǒng)分析、效用函數(shù)構(gòu)建以及利用Logit模型進(jìn)行分擔(dān)率計(jì)算等過程。

將通道內(nèi)的方式集合記為Ac，c為其中的一種運(yùn)輸方式。根據(jù)各運(yùn)輸方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性，重點(diǎn)考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性、便捷性、舒適性5個(gè)特性，確定方式c的效用參數(shù)為

式中：Uc為運(yùn)輸方式c的效用參數(shù)；Xcd為運(yùn)輸方式c的第d種技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性，θcd為第d種特性的權(quán)重系數(shù)。

在量化計(jì)算各技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性時(shí)，時(shí)效性與便捷性可通過時(shí)間衡量，其余主要以經(jīng)濟(jì)成本表示，因而引入時(shí)間價(jià)值系數(shù)將其統(tǒng)一換算為經(jīng)濟(jì)成本。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步借鑒方式分工模型，計(jì)算通道起訖點(diǎn)i與j之間運(yùn)輸方式c的分擔(dān)率

式中：λ為正態(tài)分布系數(shù)，取值為正；k為方式集合中第k種運(yùn)輸方式。

3 實(shí)例分析

3.1 算法設(shè)計(jì)

為合理反映上下層目標(biāo)函數(shù)間的響應(yīng)關(guān)系，引入通道飽和熵函數(shù)作為算法的終止條件。通道飽和熵是指能力運(yùn)用的飽和程度，通常通道飽和熵越大，方式分工越均衡，通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越合理。計(jì)算公式為

步驟1：現(xiàn)狀能力適應(yīng)性分析。設(shè)任一路徑l的需求總量為Ol、供給能力為Sl，若?l，Si≥Ol，給能力。

步驟2：初始方案確定。根據(jù)城際需求分布特征以及各種運(yùn)輸方式的發(fā)展目標(biāo)，確定可行的方式集合P；令k=1，從集合P中任意選取k種運(yùn)輸方式形成一個(gè)配置方案u，將所有方案構(gòu)成的集合記為Uk。

步驟3：最優(yōu)配置方案選擇。將Uk中的各方案依次虛擬于路網(wǎng)中，并將城際客流按照時(shí)間最小、效率最大的原則分配到各路徑上，確定各路徑的流量。

步驟4：下層分工模型求解。將步驟3計(jì)算的解Xk代入下層分工模型，進(jìn)一步確定分工模型的解為Yk。

步驟5：方案評(píng)估。將Xk，Yk代入飽和熵函數(shù) 中 ， 若， 則 令轉(zhuǎn)入步驟6；否則，令k=k+ 1，返回步驟2。

步驟7：確定雙層規(guī)劃模型的最佳解，并輸出設(shè)計(jì)方案。

3.2 實(shí)例分析

以關(guān)中城市群為例，分析主要城際客運(yùn)通道的結(jié)構(gòu)。關(guān)中城市群呈現(xiàn)以西安為核心的單中心放射狀布局形態(tài)，區(qū)域內(nèi)城際交流圍繞主要城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)帶及交通走廊展開，城市群客流走廊示意圖如圖1所示，旅客運(yùn)輸方式選擇意愿構(gòu)成如表1所示。其中，旅客出行選擇意愿構(gòu)成引用《關(guān)中城市群城際客流預(yù)測報(bào)告》結(jié)果，該結(jié)果由對(duì)關(guān)中地區(qū)主要公路客運(yùn)站、鐵路客運(yùn)站、機(jī)場內(nèi)的旅客發(fā)放出行意愿調(diào)查表，回收后整理分析得到。

圖1 城市群客流走廊示意圖Fig.1 Sketch map of passenger corridor of urban agglomeration

表1 旅客運(yùn)輸方式選擇意愿構(gòu)成表 %Fig.1 Composition diagram of passengers’ choice for transportation mode

根據(jù)綜合交通發(fā)展規(guī)劃，城市群內(nèi)城際客運(yùn)通道主要由公路、普速鐵路、高速鐵路、城際鐵路等方式構(gòu)成，共同承擔(dān)區(qū)域內(nèi)不同層次的城際客流?；谝陨夏Ｐ图八惴ǎA(yù)測分析相關(guān)指標(biāo)、參數(shù)的取值，建立雙層規(guī)劃模型并進(jìn)行求解確定城際客運(yùn)通道的結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)特征、交通運(yùn)輸發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃、客流調(diào)查結(jié)果等，確定關(guān)中城市群城際客運(yùn)通道各運(yùn)輸方式的主要參數(shù)如表2所示。

根據(jù)以上指標(biāo)及取值預(yù)測，首先構(gòu)建基于通道系統(tǒng)優(yōu)化的上層決策模型，以通道各方式承擔(dān)的需求量為決策變量，建立系統(tǒng)效率最大、建設(shè)成本最小的優(yōu)化模型，其中運(yùn)輸效率通過各方式的平均旅行速度計(jì)算行程時(shí)間確定，結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃以及近年交通基礎(chǔ)設(shè)施投資在財(cái)政收入中的占比預(yù)測研究年度投資總量Gc為1.5萬億元，即

表2 關(guān)中城市群城際客運(yùn)通道運(yùn)輸方式主要參數(shù)表Tab.2 Main parameters of transport modes of intercity corridor in Guanzhong urban agglomeration

其次，構(gòu)建基于旅客出行選擇的下層分工模型，計(jì)算各方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性：安全性一般與事故發(fā)生概率相對(duì)，事故率越高、安全性越小，結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展實(shí)踐進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并橫向比較確定，公路的安全性最小為0.65，高速鐵路的最高為0.98；經(jīng)濟(jì)性通過運(yùn)費(fèi)率乘以運(yùn)輸距離計(jì)算，運(yùn)費(fèi)率越小、經(jīng)濟(jì)成本越低，經(jīng)計(jì)算普速鐵路最小、公路最大；時(shí)效性根據(jù)平均旅行時(shí)間確定，速度越快、時(shí)效性越好；便捷性根據(jù)市內(nèi)出行時(shí)間確定，時(shí)間越短、便捷性越好；舒適性以運(yùn)行平穩(wěn)度指標(biāo)反映，具體通過不同交通工具的振動(dòng)加速度峰值來量化計(jì)算。進(jìn)一步，標(biāo)定θc1，θc2，θc3，θc4，θc5及λ的取值分別 0.9，0.81，0.88，0.79，0.7以及 0.1，確定運(yùn)輸方式c的效用函數(shù)為：Uc=0.9Xc1+ 0.81Xc2+0.88Xc3+ 0.79Xc4+ 0.7Xc5，帶入方式分工模型計(jì)算。

為此，運(yùn)用上述算法流程，分析計(jì)算城市群內(nèi)2030年關(guān)中城市群主要城際客運(yùn)通道內(nèi)各運(yùn)輸方式的分擔(dān)率如表3所示。

表3 2030年關(guān)中城市群主要城際客運(yùn)通道運(yùn)輸方式分擔(dān)率%Tab.3 Transport mode sharing of main intercity corridors in Guanzhong urban agglomeration

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各方式的發(fā)展目標(biāo)以及規(guī)劃要求，分別確定各自的發(fā)展規(guī)模，并進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)的合理布局，進(jìn)而得到城際客運(yùn)通道的整體規(guī)劃方案。

4 結(jié)束語

城市群城際客運(yùn)通道結(jié)構(gòu)的合理確定對(duì)通道功能發(fā)揮、實(shí)現(xiàn)供需均衡意義重大，而運(yùn)輸供需主體在通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均發(fā)揮重要作用且相互影響，因此，將城市群城際客運(yùn)通道結(jié)構(gòu)的確定設(shè)計(jì)為自上而下的聯(lián)合決策，構(gòu)建雙層優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算分析。其中，上層決策模型以運(yùn)輸供給者追求一定資金限制下的系統(tǒng)效率最大為目標(biāo)，下層選擇模型根據(jù)需求者的訴求對(duì)各方式進(jìn)行橫向比選。在多條件約束的情況下，引入通道飽和熵指標(biāo)設(shè)計(jì)求解算法，以確定合理方案。經(jīng)過實(shí)例分析，該方法具有一定適應(yīng)性，為城市群城際客運(yùn)通道規(guī)劃提供理論支持。但是，在計(jì)算分析中，涉及參數(shù)較多、標(biāo)定困難，需要結(jié)合旅客出行調(diào)查等綜合確定，在實(shí)例分析部分僅選取一般值進(jìn)行計(jì)算還有待進(jìn)一步深化。