高速鐵路換乘節(jié)點(diǎn)選擇及優(yōu)化方法研究*

劉陳綺卉，倪少權(quán)

（1西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院 碩士研究生，四川 成都 610031；2西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院 博士、教授，四川 成都 610031）

0 引言

近年來高速鐵路大規(guī)模成網(wǎng)運(yùn)行，使得跨線客流數(shù)量增加，通過估算其中換乘客流約占理論總客流的75.8%～90.2%，并且絕大部分為中小節(jié)點(diǎn)之間的換乘客流[1]。為減少旅客的出行時間，高速鐵路的輸送模式受到重視[2]，組織高速鐵路中轉(zhuǎn)換乘運(yùn)輸，使旅客途中經(jīng)過至少一次換乘組織到達(dá)目的地，高速線上只運(yùn)行高速列車，提高了高速鐵路通過能力利用率[3]。崔炳煤以旅行、換乘目標(biāo)值之和最小為目標(biāo)，建立了旅客中轉(zhuǎn)換乘方案選擇問題的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型[4]。在中轉(zhuǎn)換乘模式下?lián)Q乘節(jié)點(diǎn)的有效選取有利于事先加強(qiáng)換乘節(jié)點(diǎn)的換乘作業(yè)組織，提高旅客換乘的效率[5]。

換乘節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備良好的路網(wǎng)銜接能力和客流集中疏散能力[6]，Li整合站點(diǎn)與城市的關(guān)系，節(jié)點(diǎn)功能布局及空間形式的特點(diǎn)，為節(jié)點(diǎn)選擇提供參考[7]。屈明月從旅客換乘選擇出行方案值的大小來選取和確定換乘節(jié)點(diǎn),分析得出不同高速鐵路線上換乘節(jié)點(diǎn)的選取符合一定規(guī)律[8]。程述英通過分析旅客的候車時間、換乘時間消耗與列車服務(wù)頻率之間的關(guān)系，成功構(gòu)建了客運(yùn)專線網(wǎng)換乘節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化模型[9]。

Garmendia提出了高速鐵路促進(jìn)小型節(jié)點(diǎn)城市發(fā)展的條件[10]。袁敏通過初步篩選主要換乘節(jié)點(diǎn)，建立節(jié)點(diǎn)重要度評價指標(biāo)，并對重要度指數(shù)進(jìn)行模糊聚類分析，劃分等級[11]。Nathanail提出用于監(jiān)測和控制高速鐵路乘客的服務(wù)質(zhì)量的框架，有利于對量化節(jié)點(diǎn)選擇決策指標(biāo)[12]。Shi建立了節(jié)點(diǎn)等級劃分指標(biāo)體系，對各指標(biāo)進(jìn)行量化確定決策指標(biāo)，并建立了灰色關(guān)聯(lián)決策模型[13]。本文將從外部環(huán)境、技術(shù)能力和客流運(yùn)量三個方面歸納高速鐵路換乘節(jié)點(diǎn)影響因素，得到節(jié)點(diǎn)分類的評價指標(biāo)，并采用基于層次分析法的灰色白化權(quán)函數(shù)聚類分析法對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，以京滬高速鐵路換乘節(jié)點(diǎn)選擇為例，討論每一類節(jié)點(diǎn)特性，最終確定換乘節(jié)點(diǎn)，并提出換乘節(jié)點(diǎn)優(yōu)化建議。

1 換乘節(jié)點(diǎn)功能特性

1.1 換乘節(jié)點(diǎn)功能定位

高速鐵路換乘節(jié)點(diǎn)是完成客流集散的重要場所，應(yīng)設(shè)置在路網(wǎng)通道上的各個中心城市，它在完成客流中轉(zhuǎn)換乘作業(yè)的同時，還應(yīng)具備相關(guān)技術(shù)作業(yè)條件。對于換乘節(jié)點(diǎn)的功能定位如下。

1）路網(wǎng)通達(dá)度高，客流吸引力強(qiáng)。換乘節(jié)點(diǎn)在整個高速鐵路網(wǎng)中起到聯(lián)系城市間生產(chǎn)生活的作用，其通達(dá)程度取決于所在城市的地理位置，以及與周圍城市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化的交流程度[14]。

2）集散功能完備，綜合服務(wù)完善。換乘樞紐應(yīng)實(shí)現(xiàn)公共交通換乘一體化，與城市軌道交通、道路交通等有效銜接。換乘節(jié)點(diǎn)內(nèi)具備清晰的進(jìn)出站及換乘流線，為旅客提供快捷、便利的換乘條件和服務(wù)。

3）設(shè)施設(shè)備齊全，技術(shù)作業(yè)達(dá)標(biāo)。高速鐵路車站主要辦理列車始發(fā)終到、越行通過作業(yè)，兼顧列車整備存放以及日常檢查。換乘節(jié)點(diǎn)的到發(fā)線數(shù)量以及站臺數(shù)量等利用率直接影響著高速列車的接發(fā)車效率，因此換乘節(jié)點(diǎn)應(yīng)達(dá)到相應(yīng)技術(shù)作業(yè)所需的標(biāo)準(zhǔn)[15]。

1.2 換乘節(jié)點(diǎn)影響因素分析

高速鐵路換乘節(jié)點(diǎn)的影響因素即為選擇評價指標(biāo)，根據(jù)旅客的換乘需求，主要從外部環(huán)境、技術(shù)能力和客流運(yùn)量考慮換乘節(jié)點(diǎn)的選擇，并將這三個方面影響因素作為一級評價指標(biāo)。其中，外部環(huán)境包括樞紐城市行政等級、經(jīng)濟(jì)水平和人口數(shù)量，技術(shù)能力包括樞紐能力、動車段條件和路網(wǎng)通達(dá)性，客流運(yùn)量包括日均發(fā)送量和換乘客流量，如圖1所示。

圖1 高速鐵路換乘節(jié)點(diǎn)評價指標(biāo)

2 高速鐵路換乘節(jié)點(diǎn)選擇方法

2.1 基于AHP的灰色白化權(quán)函數(shù)聚類分析法

層次分析法（Analysis Hierarchy Process,AHP）是最常用的評價分析方法，在工程設(shè)計等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但當(dāng)評價的對象較多時，AHP顯得較為繁瑣，并且由于判斷矩陣選擇的隨意性，使判斷結(jié)果并不準(zhǔn)確。聚類分析法通過評價對象相似度的度量值可將其快速分類，但不能用于精準(zhǔn)的評價對象[16]。

本文將基于灰色白化權(quán)函數(shù)的聚類分析法與層次分析法相結(jié)合，對換乘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分?；疑谆瘷?quán)函數(shù)聚類是將聚類對象或評價對象通過不同聚類指標(biāo)或評價指標(biāo)所擁有的白化值，根據(jù)不同的灰類或評價等級進(jìn)行歸納，從而對聚類對象進(jìn)行歸類[17]。其中，白化值則為劃分不同灰類的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 換乘節(jié)點(diǎn)劃分

采用基于AHP的灰色白化權(quán)函數(shù)聚類分析法對換乘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，算法步驟如下。

Step 1：根據(jù)換乘節(jié)點(diǎn)的評價指標(biāo)體系S將其分為三級，一級指標(biāo)為：外部環(huán)境（S1）、技術(shù)能力（S2）、客流運(yùn)量（S3），其子集為

分別進(jìn)行二級評價，Si的評價矩陣為

式中：rij為二級評價指標(biāo)的得分。

Step 2：運(yùn)用AHP確定二級評價矩陣的聚類權(quán)Hi=（ηi1，ηi2，...，ηin），以及一級評價指標(biāo)的聚類權(quán)H=（η1，η2，η3）， 所賦權(quán)值體現(xiàn)了該指標(biāo)在聚類過程中的重要性和差異性。則一級指標(biāo)得分為

式中：n為評價對象個數(shù)，m為二級指標(biāo)個數(shù)。

Step 3：本文根據(jù)換乘節(jié)點(diǎn)的功能定位，將其劃分為3個灰類：路網(wǎng)性節(jié)點(diǎn)、區(qū)域性節(jié)點(diǎn)、地方性節(jié)點(diǎn)，根據(jù)3個灰類的節(jié)點(diǎn)對評價指標(biāo)的要求得出分類閾值。由于3個一級指標(biāo)均為綜合性指標(biāo)，可以認(rèn)為它們具有相同的白化權(quán)函數(shù)fk（Si），其中k表示不同的灰類，k=1，2，3。

Step 4：計算定權(quán)類系數(shù)和灰色聚類系數(shù)向量

式中：t為一級指標(biāo)個數(shù)，通過灰色系數(shù)向量直接進(jìn)行聚類分析，將聚類對象歸至不同灰類中。

3 京滬高速鐵路換乘節(jié)點(diǎn)選擇實(shí)例

京滬高速鐵路全長1 318 km，共設(shè)有23個站點(diǎn)，其中與其他高速線或既有線相連的中間節(jié)點(diǎn)有8個，如圖2所示。由于北京南站、上海站為京滬高速鐵路線路的兩端點(diǎn)站，鎮(zhèn)江南與鎮(zhèn)江在同一城市樞紐內(nèi)，所以不作為換乘節(jié)點(diǎn)考慮。因此，本文只考慮天津南、德州東、濟(jì)南西、徐州東、蚌埠南、南京南、上海虹橋7個中間節(jié)點(diǎn)。對中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二級指標(biāo)評分，結(jié)果如表1所示。

圖2 京滬高速鐵路節(jié)點(diǎn)示意圖

表1 京滬高速鐵路節(jié)點(diǎn)二級指標(biāo)評分

表2 京滬高速鐵路節(jié)點(diǎn)一級指標(biāo)得分

將所有節(jié)點(diǎn)歸于路網(wǎng)性節(jié)點(diǎn)、區(qū)域性節(jié)點(diǎn)、地方性節(jié)點(diǎn)3個灰類，分別構(gòu)造一級指標(biāo)關(guān)于3個灰類的白化權(quán)函數(shù)如下：

由表3可知，路網(wǎng)性節(jié)點(diǎn)有南京南站、上海虹橋站，區(qū)域性節(jié)點(diǎn)有天津南站、濟(jì)南西站、徐州東站，地方性節(jié)點(diǎn)有德州東站、蚌埠南站。路網(wǎng)性節(jié)點(diǎn)不僅在京滬高速鐵路上有重要地位，在整個鐵路網(wǎng)絡(luò)中也起到關(guān)鍵性作用，均設(shè)置為換乘節(jié)點(diǎn)。區(qū)域性節(jié)點(diǎn)對于京滬高速鐵路來說具有一定的區(qū)域連通性，均設(shè)置為換乘節(jié)點(diǎn)。地方性節(jié)點(diǎn)的路網(wǎng)連通性以及技術(shù)作業(yè)能力相對較弱，可根據(jù)列車開行情況和客流需求，有選擇性地設(shè)置為換乘節(jié)點(diǎn)。

京滬高速鐵路可將天津南站、濟(jì)南西站、徐州東站、南京南站、上海虹橋站設(shè)置為換乘節(jié)點(diǎn)，德州東站和蚌埠南站保留設(shè)置為換乘節(jié)點(diǎn)的能力，根據(jù)換乘客流實(shí)際情況可進(jìn)行少量列車的換乘接續(xù)。

4 換乘節(jié)點(diǎn)優(yōu)化建議

4.1 考慮小站換乘

由于高速鐵路的大型客運(yùn)站點(diǎn)尤其是路網(wǎng)性節(jié)點(diǎn)的換乘客流較多，容易造成大量客流在客運(yùn)站內(nèi)滯留，影響換乘效率?？梢钥紤]將與其相鄰的小型客運(yùn)站設(shè)置為部分高速列車的換乘節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)小型客運(yùn)站點(diǎn)的換乘條件，由此來分散換乘客流，提高旅客的換乘效率。

4.2 上下行分站換乘

調(diào)整同一列車上行方向與下行方向在不同換乘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行換乘，從而吸引不同方向的客流進(jìn)入不同的換乘節(jié)點(diǎn)。同時，同一方向不同車次交錯選擇換乘節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到分散疏導(dǎo)節(jié)點(diǎn)換乘客流的目的。

4.3 列車停站方案協(xié)調(diào)

分區(qū)段確定同種列車的初始停站方案，再結(jié)合計算機(jī)編制列車運(yùn)行圖，按“遞遠(yuǎn)遞?！闭{(diào)整列車停站及接續(xù)方案。同時根據(jù)換乘客流時間分布規(guī)律，考慮線路通過能力及車底周轉(zhuǎn)等因素的情況下，高峰時段適當(dāng)增設(shè)列車?？繐Q乘節(jié)點(diǎn)次數(shù)。

5 結(jié)論

1）對節(jié)點(diǎn)選擇影響因素設(shè)置兩級評價指標(biāo)，設(shè)定不同的聚類權(quán)，在一定程度上減小了評價結(jié)果的偏差?；贏HP的灰色白化權(quán)函數(shù)聚類分析法克服了傳統(tǒng)的聚類分析法的局限性，白化權(quán)函數(shù)可根據(jù)所有同類對象樣本值確定。

2）京滬高速鐵路換乘節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)果與實(shí)際運(yùn)營采用的換乘節(jié)點(diǎn)客觀情況基本相符，表明了這種分類方法的有效性，可為高速鐵路換乘節(jié)點(diǎn)的選擇及布局提供一定的理論參考依據(jù)。

3）隨著高速鐵路網(wǎng)絡(luò)逐步完善，跨線客流也將迅速增長，還應(yīng)對成網(wǎng)條件下的客流量進(jìn)行預(yù)測，加強(qiáng)換乘節(jié)點(diǎn)選擇的有效性。確定換乘節(jié)點(diǎn)后，客流吸引程度需進(jìn)一步驗(yàn)證，客流組織及列車接續(xù)組織等還需要協(xié)調(diào)研究。