交通樞紐功能與結(jié)構(gòu)匹配模型探討

啜二勇

（天津市交通科學研究院，天津 300300）

交通樞紐是城市綜合交通網(wǎng)絡的關鍵節(jié)點，其規(guī)劃布局直接影響交通網(wǎng)絡的運行效率[1]。一些學者從整體空間視角，對交通樞紐布局進行了深入分析。張勝等[2]按樞紐用地規(guī)劃將布局劃分為3 個圈層并深入探究其中核心區(qū)布局策略；葉道均等[3]基于空間和交通雙重屬性對交通樞紐功能層次重新劃分，提出基于可達性的交通樞紐空間布局方法。上述研究突出交通樞紐整體布局作用；但以局部視角來看，交通樞紐內(nèi)的客流運行效率還受到內(nèi)部設施結(jié)構(gòu)和功能的影響。王永清等[4]對廈門北站綜合交通樞紐交通銜接設施布局提出4 種方案，為其他樞紐的建設提供借鑒；馬彩雯等[5]以大連北站綜合交通樞紐客流預測為基礎，確定場站類設施配置基本規(guī)模。上述研究以已建交通樞紐為研究對象，結(jié)果適用性受到很大限制。

隨著承擔運輸需求的劇增，交通樞紐中設施功能與乘客需求延續(xù)之間的不匹配導致乘客奔波于不同設施結(jié)構(gòu)之間，造成交通樞紐運行效率降低。針對這一問題，本文以乘客需求、設施功能和設施結(jié)構(gòu)三者之間的映射機制為基礎，對乘客需求進行分解，按對應終端功能重構(gòu)設施結(jié)構(gòu)，構(gòu)建交通樞紐概念布局模型。在交通樞紐詳細布局中，針對增長要素，提出時間作用、距離作用和結(jié)構(gòu)作用約束條件。

1 基本方法

交通樞紐除基本建筑結(jié)構(gòu)功能外，還承擔著交通運輸、商業(yè)等特定功能；其布局是一項復雜的任務。從乘客對高效交通樞紐需求出發(fā)，分析了需求與設施結(jié)構(gòu)不同特征差異，以功能層為媒介闡明兩者之間關系的不確定性和多重性?；诔丝托枨?、樞紐結(jié)構(gòu)和功能關系提出一種概念布局模型。

2 交通樞紐概念布局模型

2.1 需求、功能和結(jié)構(gòu)映射機制

乘客在運輸樞紐站的一系列活動包括購票、安檢、檢票、等候、上下車、購物、換乘等。這些活動分布在樞紐內(nèi)的不同區(qū)域；乘客在特定時間內(nèi)完成各類結(jié)構(gòu)設施的轉(zhuǎn)化且每種結(jié)構(gòu)應滿足不同乘客的需求；為解決這類問題，在乘客需求和結(jié)構(gòu)設施之間建立模擬人類思維的功能性運輸層。

首先分析乘客的原始需求、終端功能演化的客觀規(guī)律及終端結(jié)構(gòu)設施的特點。對于某類乘客需求Di，對應的功能元件Fi被逆分解，終端結(jié)構(gòu)的設施要素Si可以同時分解，以形成映射組合Ci={Di，F(xiàn)i，Si}，見圖1。

圖1 需求、功能和結(jié)構(gòu)相互關系

2.2 概念布局模型

交通樞紐概念布局模型的分解和重構(gòu)過程見圖2。

圖2 交通概念布局模型的分解和重構(gòu)

圖2中第一層將運輸樞紐的乘客需求分為幾個子需求，例如：運輸、商務、建筑等。作為核心的運輸需求又細分為幾個需求單位，例如：中轉(zhuǎn)、等待、購買車票、停車和進出車站等。

為了滿足需求單位的功能，需要相應的結(jié)構(gòu)設施，例如：為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)移需求，需要轉(zhuǎn)移大廳、轉(zhuǎn)移通道、欄桿、轉(zhuǎn)移樓梯、自動扶梯、自動人行道和電梯等設施。因此，羅列終端功能實現(xiàn)所需的所有設施并歸納為不同子結(jié)構(gòu)，其中設施被劃分為四個子結(jié)構(gòu)。

子結(jié)構(gòu)1 包括安全檢查設備、電梯、樓梯、自動人行道、自動扶梯和通道。

子結(jié)構(gòu)2 包括檢票口、自動售票機、自動查詢機、自動充值系統(tǒng)、進出站口、輔助票務臺、咨詢處和欄桿。

子結(jié)構(gòu)3 包括轉(zhuǎn)運大廳、轉(zhuǎn)運通道、欄桿、轉(zhuǎn)運樓梯、自動扶梯、人行道和電梯。

子結(jié)構(gòu)4包括通道、電梯、自動扶梯、樓梯、平臺和平臺屏蔽門。

2.3 模型的約束

為對布局進行詳細設計，需計算增長要素，包括設施的形式、比例、相對位置等，計算關鍵是確定增長要素的約束條件。本文著重研究了時間作用、距離作用和結(jié)構(gòu)作用約束的計算。

2.3.1 時間作用

時間作用是計算樞紐增長要素中最重要的約束，由設施的服務水平、乘客量、設施適應性關系等決定。

式中：E1——時間作用約束；

n——乘客類型，分為一起到達和一起離開的乘客、獨自到達和一起離開的乘客、一起到達和單獨離開的乘客、獨自到達和獨自離開的乘客共4類；

Pn——n類乘客的數(shù)量，n= 1，2，3，4；

tˉn1——n類乘客購票所需平均時間；

tˉn2——n類乘客安檢所需平均時間；

tˉn3——n類旅客到達車站所需平均時間；

tˉn4——n類乘客平均等待時間；

tˉn5——n類乘客離開車站所需平均時間；

tˉn6——n類乘客不同線路換乘所需平均時間。

2.3.2 距離作用

距離作用是計算交通樞紐增長要素的基本約束之一，由設施在乘客步行流線中的相對位置確定。

式中：E2——距離作用約束；

M——乘客移動方式數(shù)；

Pm——使用m類移動方式的乘客數(shù)量；

dˉm——m類方式的移動平均距離。

2.3.3 結(jié)構(gòu)作用

結(jié)構(gòu)作用作為樞紐增長要素的約束之一，由設施容積率、組織順序和設施關聯(lián)度決定。

式中：E3——結(jié)構(gòu)作用約束；

α——設施容積率；

β——組織順序；

γ——設施關聯(lián)度；

ε1——設施容積率的權(quán)重；

ε2——組織順序的權(quán)重；

ε3——設施關聯(lián)度的權(quán)重。

ε1、ε2、ε3均＞0且三者和為1。

設施容積率由設施有效利用面積與整體利用面積的平均比決定，與結(jié)構(gòu)合理性成正比。

式中：a——設施容積率；

k——設施數(shù)量；

SI——設施有效利用面積；

Sc——整體利用面積。

流線組織順序反映了各條流線的相互影響，取決于流線的沖突點總數(shù)與流線的設施節(jié)點總數(shù)之比。

式中：β——流線組織順序；

H0——流線的沖突點總數(shù)；

H1——流線的設施節(jié)點總數(shù)。

設施關聯(lián)度由流線各節(jié)點的組合相關值決定，設施關聯(lián)度越大，結(jié)構(gòu)設計越合理。

式中：γ——設施關聯(lián)度；

m——設施中流線數(shù)量；

ri——流線i節(jié)點處的設施數(shù)；

n(j，j+1)——設施 節(jié)點j與設施節(jié) 點j+ 1 之間的乘客總數(shù)；

d(j，j+1)——從設 施節(jié)點j到設施 節(jié) 點j+ 1 的步行距離。

3 結(jié)論

1）遵循逆向工程原理研究交通樞紐功能與結(jié)構(gòu)之間的關系，將運輸樞紐的整體功能和結(jié)構(gòu)分解為需求單位和設施結(jié)構(gòu)要素。

2）給出時間作用、距離作用和結(jié)構(gòu)作用約束的計算方法，建立了面向功能的交通樞紐概念布局模型，為交通規(guī)劃設計提供了一種新的方法。

3）針對為滿足功能需求造成的出行效率降低問題，以乘客需求對應重構(gòu)功能設施結(jié)構(gòu)，從規(guī)劃角度指導樞紐中設施布局的流線化組織設計。

以模型約束條件最優(yōu)解集為指導，進一步優(yōu)化交通樞紐布局；但定性表述需求單位和結(jié)構(gòu)設施，在約束求解過程中不夠明晰，甚至出現(xiàn)無最優(yōu)解的情況。因此，在未來的研究中，需要更加深入的研究規(guī)定需求及結(jié)構(gòu)的定量表達式并在此基礎上針對已建交通樞紐布局優(yōu)化問題提出解決方法。