站城融合背景下鐵路客運站選址優(yōu)化研究

戶佐安，翁雨琳，袁 濤，薛 鋒

站城融合背景下鐵路客運站選址優(yōu)化研究

戶佐安1, 2，翁雨琳1，袁 濤3，薛 鋒1, 2

（1. 西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都 611756；2. 綜合交通大數據應用技術國家工程實驗室，成都 611756；3. 中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

為解決當前鐵路客運需求的持續(xù)增加與鐵路客運站建設相對滯后之間的矛盾，提出以站城融合理念為導向的鐵路客運站選址方法，以此推動符合當前發(fā)展趨勢的高品質鐵路客運站的建設。旅客在多種出行方式中對城市軌道交通的選擇概率，會隨著鐵路客運站與出行小區(qū)之間的距離而發(fā)生變化。基于此，改進傳統(tǒng)Logit效用函數，分析旅客在出行小區(qū)到鐵路客運站這段旅程中對于軌道交通的選擇概率。以旅客出行總費用以及鐵路客運站選址成本最低為目標函數，構建具有地理限制和多項約束條件的連續(xù)型選址模型，同時設計迭代算法對模型進行求解，并以算例分析驗證模型和算法的合理性和可行性。結果表明該選址模型為鐵路客運站的站址選擇提供新了思路，并為推進TOD可持續(xù)發(fā)展，軌道交通一體化發(fā)展，站城規(guī)劃同步化的發(fā)展提供相應的理論支持。

鐵路運輸；客運站選址；Logit效用函數；迭代算法；站城融合；旅客選擇行為

0 引 言

縱觀城市發(fā)展歷程，鐵路客運站與城市關系在不斷發(fā)生變化，最初鐵路客運站擔任城市門戶，站城分置；此后鐵路客運站集結主要交通的接駁，依站建城；如今鐵路客運站建設進入“交通綜合”、“站城融合”新時代。所謂“站城融合”是在新型鐵路城市綜合交通樞紐建設的基礎上，以TOD發(fā)展理念為導向，以區(qū)域軌道交通一體化發(fā)展為亮點，將城市其他功能引入鐵路客運站，打造以交通為中心的城市綜合體。目前，我國大多數高鐵站點選址在遠離城市中心的城市邊緣或是郊區(qū)，鐵路客運站選址有邊緣化的趨勢，此時如果沒有完善的城市交通網絡與之配合，容易出現客運站可達性降低、脫離城市發(fā)展等問題。在“站城融合”背景下，鐵路客運站可以考慮引入城市中心區(qū)域，與城市軌道交通協(xié)調配合，打造一體化換乘中心。當客運站靠近旅客出行小區(qū)，不但可以縮短旅客出行距離，提升軌道交通出行的便攜度和舒適度，還可以進一步利用中心區(qū)位價值，發(fā)揮鐵路帶來的人流、物流、信息流等優(yōu)勢，在客運站內引入城市功能，打造城市新中心。

針對鐵路客運站選址問題，國內外學者有很多研究成果。在建立離散型選址模型方面，文獻[1]設計了基于線性規(guī)劃、枚舉、最短路的搜索算法，解決了新建客運站的數量、位置，以及多個客運站之間分工的問題；文獻[2]基于節(jié)點重要度對初步篩選后的城市進行層次劃分，得到備選城市，接著構建城際鐵路設站城市選擇優(yōu)化模型，并提出相應算法求解；文獻[3]考慮旅客的選擇行為以及鐵路客流多樣性，建立了基于旅客選擇行為的選址模型；文獻[4]針對中小型城市鐵路客運站選址布局的特殊性，建立最大系統(tǒng)引力和最小系統(tǒng)費用的雙目標優(yōu)化模型；文獻[5]考慮了高鐵車站廣義建設成本以及旅客廣義出行費用，提出了雙層離散隨機規(guī)劃模型。在建立連續(xù)型選址模型方面，文獻[6]和[7]研究了在復雜約束條件下如何實現山區(qū)鐵路客運站的選址；文獻[8]借鑒半討厭設施選址方法，進行了高速鐵路客運站的選址。在建立評價指標進行選址方面，文獻[9]利用層次分析法和數據包絡分析法，研究了伊朗東北部馬什市火車站的選址問題；文獻[10]基于每位乘客的總旅行時間成本，分析多對多的始發(fā)地—目的地（OD)需求分布，提出了一種成本效益優(yōu)化模型，用于識別鐵路修建環(huán)線的可行性和最優(yōu)性，并以卡爾加里市為例來驗證模型的合理性；文獻[11]提出了一種基于直覺乘法偏好信息的高速鐵路站選址評價方法；文獻[12]～[14]分別建立了相應的評價指標體系，采用模糊神經網絡評價方法、層次分析法、集對分析法對選址方案進行評價，文獻[15]針對上海北站的具體情況，提出了三個規(guī)劃選址方案，并對三個方案進行了比較分析。對既有的文獻研究進行分析，發(fā)現既有研究考慮了旅客的選擇行為，但沒有將旅客對出行方式選擇的概率進行量化分析；且對于鐵路客運站的選址布局研究較多集中在宏觀研究上，研究主體多是城市和鐵路線路的規(guī)劃，往往忽略了以旅客為主體的研究。此外，關于將客運站引入城市中心區(qū)域，配合區(qū)域軌道交通一體化發(fā)展的選址研究較少，且一般的連續(xù)型選址模型雖然具備選址精確、可操作性強等特點，但通常都是在區(qū)域內每個點都可作為選址點的前提下進行的，與實際情況相差較大。

本文改進傳統(tǒng)的Logit模型，設置客運站與出行小區(qū)之間的距離為Logit模型中的變量，建立旅客對于出行方式選擇的概率模型，在此基礎上進行鐵路客運站的選址，以達到推進區(qū)域軌道交通的一體化發(fā)展、站城融合發(fā)展的目的。此外，鑒于連續(xù)型選址模型中存在的問題，本文建立存在地理限制，有多項約束條件情況下的連續(xù)型選址模型，以達到旅客對軌道交通出行的選擇概率最大，旅客出行費用最低，選址成本最小等目的，并設計相應的迭代算法對模型進行求解。

1 出行費用及選址成本分析

1.1 出行方式選擇概率模型

通過式（1）和式（2）可以推導出下式：

1.2 出行費用分析

選擇汽車出行和軌道交通出行有不同的出行費用，計算公式如下所示：

1.3 選址成本分析

2 模型構建

2.1 問題描述及假設

一般來說，選址模型可分為離散型選址模型和連續(xù)型選址模型，其中離散型選址模型是通過分析比較幾個既定的備選點得到一個或幾個較優(yōu)的選址點，而連續(xù)型選址模型是在一個既定的選址區(qū)域中選擇最優(yōu)選址點。因此連續(xù)型選址模型有更大的選址空間，但是，在現實的情況中，一個選址區(qū)域中的某些部分是不可作為選址點的，比如大型建筑物、歷史古跡、河流所在地等，因此，在選址過程中需要避開這些存在地理限制的區(qū)域。在本文的模型建立中做出如下假設：

（1）選址區(qū)域為均質平原，將鐵路客運站與出行小區(qū)之間的距離以兩點之間的直線距離近似計算。

（2）每個出行小區(qū)都存在地鐵站，且假定地鐵站的位置在出行小區(qū)的中心點，忽略旅客從出行小區(qū)到地鐵站的出行費用。

（3）旅客從出行小區(qū)到鐵路客運站的主要出行方式僅從軌道交通和汽車出行中選擇，不考慮其他出行方式（在選擇軌道交通為出行方式時可與步行、自行車出行相結合）。

2.2 模型建立

s.t.

目標函數（11）表示整個系統(tǒng)費用達到最小值，共由三部分組成：第一部分表示旅客選擇軌道交通出行的出行費用，第二部分表示旅客選擇汽車出行的出行費用，第三部分表示選址成本。約束（12）表示鐵路客運站的選址位置必須在規(guī)定的選址區(qū)域內；約束（13）表示鐵路客運站不能在限制選址區(qū)域內進行選址；約束（14）表示鐵路客運站的選址成本不能超過初始投資的限制資金額；約束（15）表示鐵路客運站距離出行小區(qū)的距離不能超過約束值；約束（16）表示新建鐵路客運站與既有鐵路客運站的距離不能小于約束值。

3 模型求解

3.1 二元Logistic回歸分析

表1 出行方式選擇概率模型特性參數

圖1 利用SPSS25.0軟件進行二元logistic回歸分析結果圖

3.2 迭代算法求解

其中：

迭代算法的求解步驟如圖2所示。

由以上迭代算法求解可以得到一個目標函數的極值點，因為本文中的目標函數不是一個凹函數，因此，由一個設定的初始值出發(fā)求得的局部極值點不一定是全局極值點。為了尋找出全局最優(yōu)值的近似點，可以設定多個不同的初始值進行迭代求解，比較求解結果，從中選擇出全局最優(yōu)點。

4 算例分析

4.1 背景及相關參數

圖3 城市布局圖

將區(qū)域劃分為30個交通出行小區(qū)，各出行小區(qū)的坐標值和客流量如表2所示[17]。

表2 出行小區(qū)地理坐標與客流量

4.2 求解結果分析

本文采用Visual C++程序語言在Visual Studio 2013軟件上對選址過程進行分析，使用迭代算法求解鐵路客運站的最優(yōu)選址位置以及對應的系統(tǒng)費用最小值。為保證選址結果的合理性，設定不同的初始值分別迭代計算1 000次，得到表3所示的結果。

表3 不同初始坐標迭代得到的新建客運站坐標值及目標函數值

不同的初始值會有不同的迭代軌跡，圖4到圖7展示了初始坐標值分別為（0，0)、（-10，-10)、（10，10)、（20，20)的迭代軌跡，圖中橫軸為軸，縱軸為軸。

圖4 初始坐標值為（0, 0）的迭代軌跡

圖5 初始坐標值為（10，10）的迭代軌跡

圖6 初始坐標值為（-10，-10）的迭代軌跡

圖7 初始坐標值為（20，20）的迭代軌跡

表4 最終選址結果

5 結束語

在站城融合的大背景下，本文構建了考慮旅客對出行方式選擇概率的連續(xù)型客運站選址優(yōu)化模型，改進了旅客對軌道交通出行選擇概率的Logit模型，設計了相應的迭代算法求解模型，且最終的算例結果表明，該研究方法能夠從不同角度為鐵路客運站規(guī)劃管理者提供科學的客運站選址方案。本文提出的鐵路客運站選址方法，主要適用于還未全面發(fā)展的城市區(qū)域，此時城市建筑和城市環(huán)境對客運站選址的限制還不大。但鐵路客運站選址是一項復雜的工作，涉及多個學科，要考慮的因素較多，在后續(xù)的研究中還需要考慮到線路的具體走向，城市的地貌地形、空間土地的限制，以及與城市既有鐵路客運站的配合等因素。

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Optimization of Railway Passenger Station Location under the Background of Station-city Integration

HU Zuo-an1, 2, WENG Yu-lin1, YUAN Tao3, XUE Feng1, 2

(1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 2. National Engineering Laboratory of Integrated Transportation Big Data Application Technology, Chengdu 611756, China; 3. Transportation and Urban Planning Institute, China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd., Chengdu 610031, China)

To solve the contradiction between the increase in passenger transport demand and the relatively lagging construction of railway stations, a method of site selection for railway stations based on the concept of station-city integration is hereby proposed. This method can promote the construction of high-quality railway stations in line with current development trends. The probability that passengers choose urban rail transit will change with the distance between the railway passenger station and the travel area. Accordingly, in this study, the traditional Logit utility function was improved to analyze the passenger’s choice probability of rail transit during the journey from the travel area to the railway station. In addition, the lowest passenger travel expenses and the lowest cost of railway-passenger-station site selection constituted the objective function in this study to construct a continuous site selection model with geographic restrictions and multiple constraints. Simultaneously, an iterative algorithm was designed to solve the model, and an example was used to verify the rationality and feasibility of both the model and the algorithm. The results show that the proposed site selection model provides new ideas for site selection of railway stations, and can provide corresponding theoretical support for the transport-oriented development, the integrated development of rail transit, and the synchronization of station city planning.

railway transportation; passenger station location; Logit utility function; iterative algorithm; integrated development of station-city; passenger selection behavior

1672-4747（2021）03-0042-09

U291.6

A

10.19961/j.cnki.1672-4747.2020.11.004

2020-11-06

2020-12-14

2021-04-06

成都市科技項目（2020-RK00-00204-ZF）；中鐵二院工程集團有限責任公司科研項目（KYY 2019091（19-21)）

戶佐安（1979—），男，漢族，湖北黃梅人，副教授，研究方向為運輸組織理論及系統(tǒng)優(yōu)化，E-mail：huzuoan@swjtu.edu.cn

薛鋒（1981—），男，漢族，山東鄒城人，副教授，研究方向為運輸組織理論及系統(tǒng)優(yōu)化，E-mail：xuefeng.7@swjtu.edu.cn

戶佐安，翁雨琳，袁濤，等. 站城融合背景下鐵路客運站選址優(yōu)化研究[J]. 交通運輸工程與信息學報，2021, 19(3): 42-50.

HU Zuo-an, WENG Yu-lin, YUAN Tao, et al. Optimization of Railway Passenger Station Location under the Background of Station-city Integration [J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(3): 42-50.

（責任編輯：劉娉婷）