都市圈綜合軌道交通樞紐節(jié)點一體化布局研究

呂 穎

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

近年來， 《關(guān)于培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見》《交通強國建設(shè)綱要》《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》《關(guān)于推動都市圈市域(郊)鐵路加快發(fā)展的意見》《關(guān)于進一步做好鐵路規(guī)劃建設(shè)工作意見的通知》等一系列國家政策及行業(yè)指導(dǎo)意見相繼出臺，明確都市圈軌道交通的未來發(fā)展要以網(wǎng)絡(luò)化、一體化為目標，協(xié)同發(fā)展、系統(tǒng)提升[1-4]。作為聯(lián)動各層級軌道交通網(wǎng)的樞紐節(jié)點，是交通功能和城市功能有機融合，也是多方式、多方向客流集散、轉(zhuǎn)換的節(jié)點，其合理的規(guī)劃布局是提升綜合軌道交通服務(wù)功能和運營效率的重要環(huán)節(jié)。而樞紐的一體化布局是系統(tǒng)化工程設(shè)計，涉及節(jié)點選擇與布局、綜合交通銜接、設(shè)施配置、場站設(shè)計、配套功能開發(fā)等多方面內(nèi)容，考慮在綜合軌道交通線網(wǎng)形成的基礎(chǔ)上，結(jié)合客流需求分布特征及區(qū)域國土空間規(guī)劃，重點研究節(jié)點的選擇、層級劃分以及空間布局等主要問題。

隨著都市圈建設(shè)以及軌道交通多網(wǎng)融合發(fā)展的加快推進，理論界選取典型都市圈為研究對象，對軌道交通建設(shè)、樞紐布局在都市圈發(fā)展中的作用進行了系統(tǒng)研究[5-9]，提出了融合發(fā)展的思路，但對樞紐的布局設(shè)計仍主要集中于換乘銜接方面，尚未形成系統(tǒng)的布局方法；國外對軌道交通樞紐布局的研究注重城市功能設(shè)計，提出的布局方案能很好適應(yīng)都市圈建設(shè)及軌道交通發(fā)展，但提出方法的適用性還有待提升[10-14]。因此，在既有理論基礎(chǔ)上，對都市圈綜合軌道交通樞紐節(jié)點層級劃分及協(xié)同布局進行深入研究，以期進一步完善理論方法體系，指導(dǎo)都市圈軌道交通項目實施。

1 都市圈綜合軌道交通樞紐節(jié)點一體化布局概述

1.1 規(guī)劃布局要素分析

都市圈綜合軌道交通樞紐布局規(guī)劃包括多樞紐站點的協(xié)同布局規(guī)劃以及樞紐站內(nèi)設(shè)施的一體化布局兩部分。合理的布局方案需統(tǒng)籌處理好客流、列車、線路、場站等關(guān)鍵要素[15]。其中，旅客是軌道交通樞紐服務(wù)的主要對象，各方向客流在樞紐內(nèi)便捷、高效地集散是樞紐合理布局的重要體現(xiàn)。列車是旅客在途服務(wù)的主要供給者，不同制式列車的能力、速度、舒適度等也影響乘客的出行體驗。而線路作為客流和車流組織的基本要素，不同制式、不同方向線路的銜接模式直接影響旅客出行效率及出行成本。場站是客流集聚與信息交換的場所，也是綜合交通立體銜接的關(guān)鍵節(jié)點，合理的規(guī)模設(shè)計、布局配置與設(shè)施配備至關(guān)重要。

1.2 影響因素分析

都市圈綜合軌道交通樞紐布局與都市圈空間結(jié)構(gòu)、交通網(wǎng)布局、需求分布特征等密切相關(guān)[16]，其布局受多方面因素影響，具體如下。

1.2.1 都市圈空間結(jié)構(gòu)與人口分布

從交通功能角度，旅客出行需求與換乘需求是樞紐節(jié)點布局的基礎(chǔ)，而需求演變與都市圈的空間結(jié)構(gòu)與人口分布等因素密切相關(guān)，因此，布局應(yīng)充分考慮都市圈的空間發(fā)展格局，與居民區(qū)分布、生產(chǎn)力布局及發(fā)展趨勢相協(xié)調(diào)，考慮乘客出行的特點。從城市功能角度，樞紐節(jié)點布局設(shè)計還具有帶動城市開發(fā)、提升城市形象等社會價值，因此，應(yīng)與都市圈的發(fā)展規(guī)劃相契合，客觀分析樞紐節(jié)點的空間布局及具體的用地規(guī)模、服務(wù)功能等。

1.2.2 綜合交通網(wǎng)布局

綜合軌道交通樞紐的布局一方面融合各層次軌道交通線網(wǎng)，另一方面聯(lián)動軌道交通系統(tǒng)與其他交通方式。因此，應(yīng)從都市圈內(nèi)不同層次軌道交通銜接需求出發(fā)，秉持零距離換乘的基本原則，規(guī)劃時與系統(tǒng)內(nèi)各主要客運站及城市對外的航空港、港口碼頭等合理銜接，全面提升旅客出行效率。

1.2.3 客運需求分布特征

都市圈旅客出行呈現(xiàn)點核式聚集、放射狀分散，對外客流與交流多方向交織、多節(jié)點匯合等復(fù)雜特征，綜合軌道交通樞紐節(jié)點在都市圈內(nèi)的布局應(yīng)充分考慮客運需求空間分布、流量流向特征，加強都市圈對外與內(nèi)部客運的銜接、都市圈中心城區(qū)內(nèi)部不同客流的銜接，同步做好軌道交通樞紐與城市其他公共交通設(shè)施配套，實現(xiàn)各方向客流的高效流轉(zhuǎn)與快速交互。

1.2.4 相關(guān)既有規(guī)劃約束

綜合軌道交通樞紐屬于都市圈的基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)于城市建設(shè)發(fā)展，其布局規(guī)劃應(yīng)與相關(guān)城市的國土空間合理銜接，與綜合交通規(guī)劃、客運樞紐場站規(guī)劃相協(xié)調(diào)，因此，在相關(guān)既定規(guī)劃框架下，合理選擇樞紐節(jié)點、確定其規(guī)模及設(shè)施配備是樞紐節(jié)點空間布局的主要目標。

1.2.5 節(jié)點經(jīng)濟社會影響

從經(jīng)濟性角度，樞紐節(jié)點的建設(shè)投資大，一次性投入較高；但同時，樞紐建設(shè)對周邊地區(qū)的開發(fā)建設(shè)及經(jīng)濟發(fā)展具有較好的帶動作用，經(jīng)濟影響會隨樞紐的建成使用而逐步凸顯。社會性方面，對城市而言，軌道交通樞紐不僅是客流集散的空間場所，還是通過與外部客觀環(huán)境在空間上組合而形成的綜合功能體，為日常居民生活、城市發(fā)展提供重要的社會供給。 因此，在同等空間基礎(chǔ)條件下，樞紐的選擇及布局優(yōu)先考慮經(jīng)濟輻射效益大、社會影響力強的節(jié)點，以充分發(fā)揮其城市功能。

1.3 規(guī)劃布局流程

都市圈綜合軌道交通樞紐是多層次客流集中的發(fā)生吸引源，也是多方向客流換乘的中轉(zhuǎn)交互區(qū)，合理識別重要樞紐節(jié)點并進行空間布局也是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括層級劃分、功能識別、影響分析、備選節(jié)點選擇、優(yōu)化布局等內(nèi)容，具體設(shè)計流程如圖1所示。

2 綜合軌道交通樞紐節(jié)點特征及分類

2.1 綜合軌道交通樞紐節(jié)點特征

都市圈綜合軌道交通樞紐是指以高鐵、城際、市域、城市軌道交通等多層次軌道交通為主的樞紐，具有如下特征。

2.1.1 多制式、多線路交匯

綜合軌道交通樞紐一般處于都市圈內(nèi)較大的客流集散地，一般應(yīng)包含兩種及以上的軌道交通方式，以及相配合的城市公共交通，是多種制式、多條線路無縫銜接的交匯點。

2.1.2 對外對內(nèi)緊密銜接點

綜合軌道交通樞紐實現(xiàn)了高鐵、城際等對外軌道交通與市域、城市軌道交通、公共交通等各類城市內(nèi)部交通的緊密銜接，成為都市圈對外溝通、對內(nèi)交流的功能綜合體。

2.1.3 各方向客流集散點

綜合軌道交通樞紐主要服務(wù)于不同方式間的乘客集散與轉(zhuǎn)換，通過配備完善的利于換乘的公共轉(zhuǎn)換區(qū)域、公共設(shè)施、信息平臺等實現(xiàn)各方向旅客快速集散與便捷換乘。

2.1.4 交通功能與城市功能有機融合

軌道交通樞紐雖是以提供集散服務(wù)為主的交通車站，但作為城市的一部分，同時也是交通功能與城市功能相互銜接、融合的關(guān)鍵節(jié)點，發(fā)揮帶動城市開發(fā)、提供社會服務(wù)的重要作用。

2.1.5 集約化高效管理

在綜合軌道交通系統(tǒng)內(nèi)，軌道交通樞紐節(jié)點之間需通過建立協(xié)調(diào)先進的管理機制，服務(wù)高效的信息平臺，推進客運組織一體化與運營管理集約化，實現(xiàn)高效率、優(yōu)服務(wù)的功能目標。

2.2 綜合軌道交通樞紐節(jié)點分類

綜合軌道交通樞紐節(jié)點的主要功能在于實現(xiàn)“便捷換乘、快速集散、服務(wù)引導(dǎo)”，根據(jù)其服務(wù)范圍、交通功能的不同，可對其進行分類。

2.2.1 按服務(wù)范圍劃分

根據(jù)軌道交通樞紐服務(wù)范圍和服務(wù)半徑的不同，可將其分為都市級樞紐、市郊級樞紐和地區(qū)級樞紐。其中，都市級樞紐主要吸引都市圈中心城區(qū)的客流和對外交通的客流；市郊級樞紐是服務(wù)城市郊區(qū)、衛(wèi)星城鎮(zhèn)與都市圈中心城區(qū)間旅客出行的客運樞紐，也是中心城區(qū)內(nèi)交通中心樞紐；地區(qū)級樞紐是指地區(qū)性中心的軌道交通客流集散點。

2.2.2 按交通功能劃分

不同軌道交通的功能定位和客流服務(wù)主體不同，因此，可根據(jù)樞紐節(jié)點銜接的軌道交通方式構(gòu)成，界定其主要的交通服務(wù)功能，具體可分為都市圈對外樞紐、市內(nèi)樞紐與特定設(shè)施處樞紐等3類。其中，對外樞紐主要銜接都市圈對外的軌道交通方式，以國鐵干線、高鐵、城際為主，樞紐布局與都市圈發(fā)展形態(tài)、經(jīng)濟文化活動等因素有關(guān)；市內(nèi)樞紐主要銜接都市圈內(nèi)部的軌道交通與城市其他公共交通，要求出行便利、銜接順暢，一般設(shè)于城市內(nèi)的主要客流集散點處。

3 都市圈綜合軌道交通樞紐節(jié)點一體化布局模型

3.1 備選樞紐節(jié)點選擇及分級

備選節(jié)點的選擇是在影響因素分析的基礎(chǔ)上，選取關(guān)鍵因素建立評價指標體系，選擇適宜方法進行綜合評價得到各節(jié)點的排序，進而在總量控制下確定備選節(jié)點集合。

樞紐節(jié)點之間通過功能接續(xù)、有機配合實現(xiàn)綜合軌道交通系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)，但不同節(jié)點的服務(wù)范圍、功能定位、布局方式等尚存在一定差異，通過層級劃分可明晰其功能定位和發(fā)展要求，進而更好地指導(dǎo)樞紐節(jié)點的協(xié)同化布局。

不同樞紐節(jié)點的銜接方向與銜接方式不同，在供給能力、服務(wù)效能、城市功能等方面的差異也較大，導(dǎo)致其發(fā)揮的效用大小不同[17]。因此，在節(jié)點選擇時，既需分析節(jié)點自身的吸引強度、服務(wù)能力、與客流集散點的分離程度，也需考慮與城市環(huán)境、上位規(guī)劃的協(xié)調(diào)性及樞紐建設(shè)的經(jīng)濟性、綜合帶動性等多方面。據(jù)此，選擇客流潛力、服務(wù)能力、出行便捷性、銜接協(xié)調(diào)性、環(huán)境適應(yīng)性、經(jīng)濟性、綜合開發(fā)性等作為準則層，建立評價指標體系，通過節(jié)點重要度的計算與排序，篩選出備選節(jié)點集合，評價指標體系如圖2所示。

圖2 軌道交通樞紐備選節(jié)點評價指標體系

根據(jù)銜接的軌道交通系統(tǒng)構(gòu)成，統(tǒng)籌考慮高速鐵路、城際鐵路、市域鐵路及城市軌道交通網(wǎng)的布局方案，以功能定位、客流需求特征為基礎(chǔ)，結(jié)合不同種類交通方式銜接關(guān)系，將樞紐節(jié)點的層次體系劃分為兩個層級。

一級節(jié)點層次：服務(wù)于都市圈核心區(qū)對內(nèi)、對外多方向客流的快速集散，其銜接方式為高速鐵路、城際鐵路為基礎(chǔ)，市域鐵路及城市軌道交通為互補。是綜合軌道交通網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，交通功能與城市功能均較為突出。

二級節(jié)點層次：服務(wù)于都市圈外圍城鎮(zhèn)節(jié)點與都市圈核心區(qū)及對外的中長途交流，是承接一級節(jié)點客流向外疏散的載體，其銜接方式為高速鐵路為基礎(chǔ)、城際鐵路為互補，個別可實現(xiàn)市域、城市軌道交通的引入。其交通功能層次較為單一，城市功能相對較弱。

兩層級節(jié)點的功能側(cè)重不同，具有一定的相互兼容性，但均是樞紐節(jié)點體系的重要構(gòu)成，節(jié)點劃分側(cè)重于對不同節(jié)點功能的明晰與適當(dāng)分離，以更好地指導(dǎo)節(jié)點布局。在此基礎(chǔ)上，節(jié)點布局方案的確定也即尋求一級節(jié)點、二級節(jié)點合理組合的過程，即在一定規(guī)?？刂坪托枨笠龑?dǎo)下，在一級節(jié)點集合、二級節(jié)點集合中分別選擇功能明確、相互配合的節(jié)點，共同構(gòu)成布局方案體系。

3.2 一體化布局模型構(gòu)建

3.2.1 問題分析

在都市圈綜合軌道交通網(wǎng)絡(luò)化體系內(nèi)，路網(wǎng)規(guī)劃布局方案及各層次旅客出行需求相對明確，樞紐節(jié)點的一體化布局是指從備選節(jié)點中選擇合理的樞紐，確定其位置及規(guī)模，以滿足各層次軌道交通的旅客出行需求及換乘需要。

不同利益主體對樞紐布局的訴求是存在差異的，考慮樞紐建設(shè)投入大、運營成本高，供給者希望盡可能降低成本來實現(xiàn)效益最大化，滿足客流需求的同時帶動周邊開發(fā)，提高衍生效益。而旅客作為出行主體，希望能夠快速、便捷地完成在軌道交通系統(tǒng)內(nèi)的出行行程，盡可能地降低出行成本，但考慮旅客出行需求的多樣化，不可避免地會產(chǎn)生跨制式客流，因此，應(yīng)重點考慮跨制式出行成本的最小化。

綜上，統(tǒng)籌考慮雙方不同的出行需求，將樞紐建設(shè)成本與旅客出行成本最小作為主要的目標，建立一體化布局模型[18-22]。

3.2.2 模型構(gòu)建

(1)假設(shè)條件

為研究綜合軌道交通體系內(nèi)的樞紐節(jié)點布局，將高鐵、城際劃分為一個體系，市域、城市軌道交通劃分為一個體系，并提出如下假設(shè)：

①假設(shè)各層次軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃相對穩(wěn)定，不同OD對間的旅客出行需求確定；

②假設(shè)每個備選樞紐具備往各個方向發(fā)車的能力；

③假設(shè)乘客在不同層次軌道交通之間的換乘均選取時間和費用最小的方案。

(2)模型構(gòu)建

將都市圈軌道交通線網(wǎng)內(nèi)所有的備選樞紐節(jié)點集合表示為N=N1∪N2，其中，N1={i，i=1，2，…，m}為高速鐵路、城際鐵路等國鐵體系線網(wǎng)內(nèi)的樞紐節(jié)點集合，N2={j，j=1，2，…，m′}為市域、城市軌道交通等線網(wǎng)內(nèi)節(jié)點集合，將不同體系內(nèi)的備選節(jié)點是否被選擇作為決策變量，當(dāng)xi=1、xj=1時表示備選節(jié)點被選中，否則，xi=0、xj=0。

將樞紐建設(shè)成本與旅客換乘成本最小作為優(yōu)化目標，建立模型如下

(1)

式中，F(xiàn)i、Fj為新增樞紐節(jié)點i、j的固定費用，包括建設(shè)費用、設(shè)備費用等；cij為兩體系跨制式出行而增加的固定費用；Hi、Hj為新增樞紐節(jié)點i、j的運營費用，與單位旅客運營成本與樞紐旅客發(fā)送總量有關(guān)；tij為旅客由樞紐節(jié)點i至節(jié)點j的出行時間；G為都市圈旅客人均時間價值；ωij為乘客由樞紐節(jié)點i至節(jié)點j的出行費用；Oij為樞紐節(jié)點i至節(jié)點j間的客流總量。

主要約束條件如下。

①運輸能力限制

(2)

②軌道交通客流最大化覆蓋約束

(3)

式中，Oi、Oj為樞紐節(jié)點i、j的旅客發(fā)送量；λ為樞紐節(jié)點的客流覆蓋比，不宜小于0.75；O為綜合軌道交通旅客出行總量。

(3)模型求解

本文建立的模型為混合整數(shù)規(guī)劃模型，可通過引入極大值M將模型線性化處理后，在優(yōu)化軟件CPLEX 中進行精確求解。CPLEX自帶優(yōu)化引擎，能求解線性規(guī)劃、二次規(guī)劃、二階錐規(guī)劃等基本問題及相應(yīng)的混合整數(shù)規(guī)劃問題，執(zhí)行速度快、語言簡單易懂、兼容性強，目前在運籌學(xué)、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。

4 西安都市圈綜合軌道交通樞紐節(jié)點分級及布局研究

4.1 備選節(jié)點選擇

根據(jù)都市圈發(fā)展規(guī)劃，西安都市圈范圍包括西安、咸陽、銅川、富平、渭南、楊凌、周至、藍田、乾縣等地區(qū)。綜合考慮都市圈客運需求分布特征，以及不同城鎮(zhèn)的輻射范圍、城市影響、對外銜接功能等因素，將其范圍內(nèi)的樞紐節(jié)點劃分為2個層級，并篩選出備選節(jié)點集合，具體見表1。

表1 備選樞紐節(jié)點構(gòu)成及層級劃分

4.2 樞紐節(jié)點布局

根據(jù)綜合軌道交通樞紐協(xié)同布局的形勢要求，從成本效益角度出發(fā)，充分考慮投資主體的利益訴求及旅客便捷出行需求，構(gòu)建基于綜合成本最小的模型進行布局，經(jīng)測算，新增樞紐節(jié)點及相應(yīng)乘客出行成本986 574萬元，形成方案如表2及圖3所示。

表2 都市圈樞紐節(jié)點布局方案

圖3 西安都市圈綜合軌道交通樞紐布局示意

5 結(jié)論

都市圈軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展形勢下，各層級軌道交通線路相互銜接，實現(xiàn)各方向客流在軌道交通系統(tǒng)內(nèi)的快速流轉(zhuǎn)，樞紐既是聯(lián)動各層級線路、集散各方向客流的重要交通節(jié)點，也是帶動周邊城鎮(zhèn)開發(fā)、提供社會供給的城市要素，其規(guī)劃布局要與都市圈空間發(fā)展規(guī)劃、旅客出行需求分布相適應(yīng)，并能充分發(fā)揮其交通功能及城市功能，因此，合理的規(guī)劃布局方法至關(guān)重要。以節(jié)點的選擇與空間布局為研究要點，即在多網(wǎng)融合發(fā)展框架下，分析樞紐節(jié)點布局的主要影響因素，提出其規(guī)劃布局流程；考慮不同節(jié)點的作用也有所差異，綜合節(jié)點的路網(wǎng)條件、經(jīng)濟社會影響、開發(fā)帶動性等因素建立備選節(jié)點選擇的評價體系，對其進行分級；將樞紐一體化布局描述為尋找供需主體目標訴求最優(yōu)的數(shù)學(xué)問題，提出通過建立混合整數(shù)規(guī)劃模型進行分析；最后以西安都市圈為例，進行實例分析。研究提出的方法綜合考慮了綜合軌道交通網(wǎng)的特征，從供需主體不同視角構(gòu)建布局模型，操作簡便、適用性強，也更加符合綜合軌道交通樞紐的功能特征。但綜合軌道交通系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，節(jié)點的功能愈加多元化，節(jié)點選擇與界定時對城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)的局部節(jié)點考慮有限，對跨多層級的換乘客流難以全面兼顧，還有待進一步深化研究。