綜合運輸客運樞紐換乘系統布局優化模型

李德剛，邊莉莉，李丹丹

(1.淄博市鐵路建設管理辦公室， 山東 淄博 255038；2.淄博市公路管理局， 山東 淄博 255038；3.西南交通大學 交通運輸與物流學院， 四川 成都 610031)

綜合運輸客運樞紐換乘系統布局優化模型

李德剛1，邊莉莉2，李丹丹3

(1.淄博市鐵路建設管理辦公室， 山東 淄博 255038；2.淄博市公路管理局， 山東 淄博 255038；3.西南交通大學 交通運輸與物流學院， 四川 成都 610031)

從旅客的全出行過程分析了綜合運輸客運樞紐的旅客換乘流線和換乘特征，提出了基于全出行過程的“路徑—方式”分配模型和樞紐車站的換乘量預測方法.從全路網來看，換乘布局影響路網客流分布和樞紐內各車站換乘量，外部路網和樞紐內的相關市政配套設施需依據交通量和換乘量同步變化，據此建立了綜合運輸客運樞紐換乘系統布局優化模型.最后，通過淄博北綜合運輸樞紐的實例驗證了模型和方法的可行性.

綜合運輸；運輸樞紐；旅客運輸；換乘系統；布局；優化

綜合運輸客運樞紐是區域重要的旅客集散點，承載著城市交通和對外服務功能，通常依托一種或兩種(部分大型航空港有三種)骨干對外運輸方式的車站而規劃和建設，其他運輸方式車站作為必要的換乘設施.樞紐內有大量的換乘客流，不同的換乘布局，旅客換乘便捷性、換乘時間不同.綜合運輸樞紐內的換乘是旅客全出行過程中的一個重要環節.由于不同運輸方式之間、同一運輸方式不同路徑之間在一定范圍內存在替代性，當旅客從起點到樞紐內對外車站或樞紐對外車站到終點有多條路徑可選時，換乘的便捷性將直接影響客流在換乘車站內的分布，樞紐本身和樞紐周邊道路等市政設施也將受到影響.因此，對綜合運輸樞紐布局和換乘的研究必須從全網的角度，既考慮樞紐內部及其本身，也考慮樞紐內部布局和換乘對外部路網的影響.目前國內對綜合運輸客運樞紐換乘和布局的研究，關注的是客運樞紐本身和樞紐內設施的布局和換乘的影響，要么從樞紐內換乘體系布局著手，研究樞紐內部的換乘組織體系，如文獻[1-6]研究了換乘組織、換乘成本、換乘量，其中換乘量采用因素相關法確定，沒有考慮換乘量的產生根源、換乘量與路網的關系等；要么從樞紐內部換乘便捷性研究樞紐內部設施布局，如文獻[7-9]研究了樞紐內各車站合理布局方法和思路，評價方法[9-13]采用傳統的AHP、模糊評價等，但由于這些方法本身固有的缺陷，并不能體現樞紐換乘布局變化與外部路網的相互影響.文獻[14]從樞紐內部建立了高速客運站人流換乘優化布局模型，但沒有考慮樞紐內外部的相互影響造成的客流變化和產生的外部投資.國外有少量研究已考慮旅客的全出行過程、樞紐與路網的相互影響，但并沒有據此提出樞紐換乘系統布局的方法和思路.其中，文獻[15]分析了旅客全出行過程對鐵路客站發展的影響；文獻[16-17]認為樞紐服務水平對區域不同路徑的客流形成和選擇具有重要影響；文獻[18]通過局部區域路網的客運換乘服務滿意度來預測樞紐的換乘需求.本文從旅客的全網出行過程研究樞紐內的旅客換乘系統布局優化，考慮樞紐外部運輸方式或路徑的可替代性、樞紐內換乘布局對客流分配的影響及樞紐與外部路網等市政配套設施相互影響，以優化交通供給，使樞紐內外部總體效益最優.

1 樞紐運力結構及換乘流線

綜合運輸客運樞紐內部通常建有多種運輸方式的多個車站，而且一種運輸方式可能有多條線路、多個車站.這些運輸方式一般包括航空、鐵路(普鐵、準高速、城際、高鐵、高(中、低)速磁浮等)、水運、公路、城市快速軌道交通(地鐵、輕軌、中(低)速磁浮、現代有軌電車等)、地面城市公交(普通地面公交、無軌電車、BRT等)、出租車、私家車和其他運輸方式(步行、自行車、電動車等).一般來說，在綜合運輸樞紐內，航空、鐵路和公路為主要對外運輸方式，布有1個車站(空港、港口)，公路不多于2個，綜合運輸樞紐也主要依托這些運輸方式的車站(空港、港口)為主建成，其他運輸方式作為城市配套設施疏解這些車站到發交通流，通常有多個車站或站點(停靠點、停車場)，如圖1所示.

圖1 綜合運輸樞紐運力結構

如圖2所示，旅客從O點出發后到達目的地D點，一般經過城市交通到達綜合運輸樞紐，然后換乘至對外交通運輸方式(或城市交通的其他方式或同一方式的其他路徑)，再次經樞紐換乘到城市交通后到達目的地.因換乘便捷性、運力配置造成的等候(乘)車時間差異、出行者本身喜好等多方面的原因，旅客O、D點出行會有多種運輸方式的多條路徑可供選擇.旅客在綜合運輸樞紐內從一種運輸方式換乘到另一種運輸方式或同一運輸方式的其他路徑，只是全出行過程中的一部分，旅客在樞紐內的換乘時間長短或便捷性等將影響旅客全出行過程中的某個行程的路徑或方式選擇，從而影響樞紐各車站的發送量.

圖2 基于全出行的旅客流線

2 換乘量的確定

綜合運輸樞紐內的換乘量包括7類：城市交通的不同運輸方式車站之間、同一運輸方式不同車站之間、同一運輸方式同一車站內；城市交通車站與對外交通車站之間； 對外交通的不同運輸方式車站之間、同一運輸方式不同車站之間、同一運輸方式同一車站內.其中，同一運輸方式同一車站內的換乘并不影響樞紐內車站的總布局，相關換乘受運營車輛(列車、航班)線路布局造成，可以簡化為一條路徑，但旅客時間需增加車站內部換乘時間和等候車時間.

樞紐內的任一車站(包括同一運輸方式布設的多個車站)其功能定位和相關的服務區域、服務方向是明確的，運營線路的主要徑由也一般不會重復.從全網的角度，一對OD對間會有多條由多種運輸方式的多條路徑組成的綜合出行線路，因此，不能按傳統的方式劃分進行方式或路徑流量分配，可將方式或運輸工具依附于路徑上，OD對間的出行變成一條由不同的“路徑—方式”組成的綜合出行線路.車站的換乘量就是經過換乘兩站間的所有綜合出行線路的流量之和.即

(1)

式中：Qij為車站i換乘到車站j的換乘量；Qijk為經由車站i、j的綜合出行線路k的客運量.

旅客對外出行選擇了某種對外運輸方式后，他很少再會去變更，例如，乘坐高鐵或航空的人群很少再會去選擇其他運輸方式.因此，可將對外出行旅客的出行路徑適當簡化，將對外出行交通車站作為出行的終點D，并不會對車站間的換乘量產生影響，旅客的出行將簡化為圖2中點畫線框的部分.對外運輸方式車站間的換乘仍然采用全路徑方式分布分配.OD對間的“路徑—方式”交通生成分布可以參考文獻[19-21]提出的分布分配綜合技法.但應注意：

1) 經由兩換乘車站的綜合路徑k有多條，可以參考文獻[22]處理復合網絡的方法處理綜合路徑，然后進行全路網流量生成分布，但該方法計算量大、處理的數據多.當旅客從家出發，考慮多方式之間的換乘時，一般會選擇就近的換乘點，客流會集中于其中的主要幾條.因此，按就近換乘原則可以將諸多換乘路徑簡化為有限的少數幾條綜合“方式—路徑”.

2) 綜合路徑阻抗易將費用轉化為時間，并考慮對外出行旅客攜帶行李的不便.

3 換乘布局優化模型

從全網的角度來說，綜合運輸樞紐是路網中的一個重要節點，運行效率受旅客在樞紐內各車站間的換乘便捷性和車站內候車時間等因素影響，并對整個路網的運行產生影響.其效率高低可以用如下公式表示：

(2)

式中:H為樞紐系統換乘總費用；tij為車站i換乘到車站j的時間；cij為旅客從車站i換乘到車站j的廣義時間費用系數；tj為旅客在車站j的等候車時間；cj為車站j所屬的運輸方式(路徑)的廣義時間費用系數；T為固定資產投資折舊年限；C1為樞紐總投資；C2為保持樞紐周邊路網一定服務水平下的道路等市政設施改造投資，按Schutz(1998)、Pol(2002)的三圈層理論，參照目前國內新建高鐵車站站區控制規劃，建議綜合樞紐取周邊5km2左右的區域計算.

式(2)中的tij受兩站間的換乘距離長短、旅客的步行速度、換乘行程中的電梯運速度等因素影響.

(3)

式中：lij1為旅客在車站i、j間換乘時的步行距離；v1為步行速度；lij2為旅客在車站i、j間換乘時的電梯長度；v2為電梯運行速度.當換乘行程中無長大電梯時，(3)式可以簡化為

tij=lij/v1

(4)

式中：lij為旅客在車站i、j間換乘距離，且lij=lij1+lij2.

旅客在車站j的等候車時間受發車密度、發車間隔等影響，屬運輸組織范疇，在運力一定的情況下，不會影響(2)式的計算效果，(2)式可簡化為

minH=∑Qijlijc1/v1+(C1+C2)/T

(5)

式中，c1為步行的廣義時間費用系數.

4 案例分析

淄博北綜合運輸樞紐[23]依托濟青高鐵淄博北站建設，南廣場規劃有公路長途客運站、城市公交、快速軌道交通、廣場地下停車場，快速送客區位于二層高架平臺；站下右側設私家車接客停車場、左側設出租車接客區；北廣場為濱臨快鐵預留，規劃有城市公交和私家車停車場；南北廣場在站房下設自由通道.其中，公路長途站功能定位為高鐵接駁站，兼顧本區域客流，發送無高鐵的東營市和濱州市班車.站場總平面布局及交通流線組織如圖3所示.

樞紐總平面原布局為：公路長途車站位于公交車場的南側，長途車站位置為區間公交站，公交車場為中心城區公交站，接客區停車場利用廣場下方的停車場，站場下方無私家車接客區.后將進站匝道由直線設計改為向南外凸，增加站房兩側用地，區間公交與中心城區公交站合并，長途站移到區間公交站，原長途站用地作為綜合開發用地，站場下方設私家車接客區.所有交通流線根據布局進行了相應的調整.因調整布局，樞紐增加投資6 000萬元，減少土地10 000m2.高鐵到達換乘私家車平均換乘距離由270m減為80m，公路長途與高鐵平均換乘距離由370m減為150m，樞紐外行車距離有一定的變化.因樞紐內布局變化，各車站之間的換乘量和區域交通流線、流量也隨之變化.不考慮本地流和預留濱臨快鐵影響，僅考慮樞紐流的情況下，按分布分配方法和公式(1)計算的各站布局調整前后到發量見表1.

圖3 淄博北綜合運輸總平面布局及交通流線

表1 淄博北站綜合運輸樞紐布局調整前、后車站流量變化 萬人

淄博市為典型的組團式城市，轄5區3縣，除張店比其他區縣稍大外，其他組團大小差不多，組團之間相距約20km，城市公交主要服務于中心城區張店區，區間公交服務于其他組團.表1計算結果，各運輸方式所占比例與既有的膠濟客運專線淄博站的比例[24]及淄博市綜合交通規劃調查數據[25]基本一致，說明預測結果是正確的.其中長途客運功能定位為發送東營、濱州長途班車，定位沒有變化，換乘節省時間與旅途行程時間相比可以忽略，客流量按不變考慮.該站為新建站，周邊路網建設的比較超前，因調整布局引起的樞紐周邊路網服務水平無變化.取折舊30年、費用時間按2015年城鎮居民和農村居民的加權平均收入15元/小時計算，采用公式(5)進行計算，調整前年綜合費用(不含鐵路站場及站房)為1 649.5萬元，調整后的年綜合費用為1 629.9萬元 ，調整后布局比原布局年綜合費用約少19.6萬元，調整后布局較優.當增加的投資達到6 587.2萬元后，兩個方案無差別，如果再增加投資，原方案較優.

5 結束語

從全路網和旅客的全出行過程建立的綜合運輸樞紐換乘布局優化模型既可用于樞紐布局的多方案比選，也可用于樞紐的后評價，校核實際運行效果與預測的差距.采用“路徑—方式”分布分配技法時，為了兼顧旅客出行的喜好和運力配置的舒適情況，可將時間和費用換算為廣義出行時間，費用和時間的換算系數可以根據交通調查確定的出行人群比例，按收入情況加權確定.進行綜合交通網絡處理時，為簡化計算，可根據出行時間和路況進行預處理，選擇其中幾條較短或運行最快的綜合路徑，然后再進行“路徑—方式”分布分配.樞紐對周邊路網的影響，可根據路網的實際情況進行調整，不能局限于5km2.

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(編輯：郝秀清)

Transfer system layout optimization model of comprehensive passenger transportation hub

LI De-gang1，BIAN Li-li2，LI Dan-dan3

(1. Railway Construction Management Office of Zibo City, Zibo 255038, China;2.Highway Management Bureau of Zibo City, Zibo 255038, China;3. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

A path-way allocation model and a transfer passenger volume prediction method have been presented which are based on the analysis of passenger transfer flow line and the transfer characteristics of the comprehensive transportation hub during overall travel process. The layout of the transfer may influence the road network passenger flow distribution and transfer passenger volume of the transportation hub. Synchronously, the municipal infrastructure, such as transportation hub and external road network may change from the whole network view. The transfer system layout optimization model of the comprehensive transportation hub has been established according to the above conclusion. Eventually, the feasibility of the model and the method is verified by the instance of Zibo north comprehensive transportation hub.

comprehensive transportation; transportation hub; passenger transportation; transfer system; layout; optimization

2016-06-03

李德剛，男，lidegang@126.com

1672-6197(2017)02-0053-05

U

A