考慮低碳的高鐵客站新區路網結構優化*

陳 鵬 谷劍鋒 胡志勇

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (中鐵第四勘察設計院集團有限公司2) 武漢 430063)

0 引 言

高速鐵路的發展具有很強的觸媒效應，帶動了沿線城市人口的流動和當地的經濟發展，同時對城市結構的優化也產生了促進作用.但是，隨著新建高鐵站的出現，也給周邊的路網交通產生了影響.高鐵客站新區交通流組成較為復雜：①高鐵客站新區作為城市對外交通樞紐，大量來自城市中心區或周邊功能片區的交通流在此集散；②具有較強服務業基礎的高鐵站區吸引著大量的商機，從而使周邊的商業用地呈現高度開發的趨勢，誘發了大量商務客流及機動車交通流.雙重交通功能的疊加往往造成地區交通擁堵，為乘客出行帶來不便.同時大量車流的匯集會產生大量的尾氣，使乘客的出行質量受到影響.如何對高鐵客站新區路網結構進行優化，力求既滿足高鐵乘客的出行需求，緩解城市路網的供需矛盾，又能實現站區內居民的低碳出行，成為站區交通規劃的重要一環.

目前，國內外對于高鐵客站新區路網結構優化研究較少.李星等[1]采用電子云模型計算樞紐地區道路需求的周轉量，通過供需平衡計算邊緣型高鐵樞紐地區路網級配.湯祥[2]根據道路承載量分析來確定高鐵站區道路網級配.但上述研究缺少環境因素的考慮.另一方面，交通帶來的環境問題日益受到重視，研究人員對低碳交通發展做了初步的分析，從宏觀上提出一些發展對策[3-5].王鵬[6]提出了以路網通行能力最大和路網交通碳排放最小為目標的路網結構優化模型，但其模型沒有考慮路網交通需求與供給的平衡，且無法統一目標函數中量綱.總體來說，對于高鐵客站新區路網結構優化，已有研究考慮的因素不全面，優化目標單一，無法適應目前提倡的低碳出行理念.因此，本文將以保證路網交通供需平衡和降低路網碳排放容積率為目標，對高鐵客站新區路網結構進行優化，從而為實現站區居民的暢通出行和低碳出行奠定基礎.

1 高鐵客站新區路網布局

高鐵客站新區路網結構與城市路網結構相似，道路等級劃分為四級，依次為：快速路、主干路、次干路、支路，見圖1.四種等級的道路之間銜接緊密，發揮著各自的交通功能，見表1.目前我國的高鐵站多數建在城市新區范圍內，若站區規劃范圍內無快速路，則路網由原先的四級配置改為三級配置，依次為主干路、次干路、支路，見圖2.本文主要針對三級道路配置進行研究.

圖1 高鐵客站新區四級路網結構圖

圖2 高鐵客站新區三級路網結構圖

道路等級功能快速路承擔過境和站區出入境的長距離機動車流主干路 承擔中長距離的站區出入境和站區內部的跨圈層交通流次干路承擔站區內部交通支路服務地塊開發,與次干路銜接,使交通流便捷集散

2 高鐵客站新區道路網級配優化模型

2.1 模型目標確定

為適應目前倡導的環境友好型社會，實現高鐵客站新區的可持續發展.本文選取以下兩個優化目標：①保證高鐵客站新區路網交通供需平衡，綜合考慮高鐵客站新區路網容量和交通需求量之間的關系，力求使站區內的機動車流以較短的時間實現區域的集散活動，同時盡可能地節省道路資源；②降低高鐵客站新區的路網碳排放容積率，碳排放容積率往往小于1，容積率越大，表明路網中各級道路碳排放情況越嚴重.

2.2 模型構建

2.2.1模型假設

1) 為簡化計算，在進行站區路網碳排放計算中，假設路網中車輛類型的比例相對確定.

2) 為簡化碳排放因子的計算，本文以站區路網中高峰小時車輛行駛的平均車速作為主次干道上行駛車輛的速度.

3) 假設近期站區路網中不同等級道路上所有車型單位里程高峰小時CO2排放量相對穩定.

4) 由于高鐵客站新區大多數位于城市中心區外圍，周圍道路網尚不發達，過境交通相對較少，且受研究范圍的限制，難以對高鐵客站新區的過境交通需求進行準確測定，故本文暫不考慮過境交通需求.

2.2.2高鐵客站新區交通供需平衡計算

1) 高鐵客站新區路網道路容量計算 高鐵客站新區路網中各級道路的容量計算公式為

(1)

假設Wi為站區各類道路與道路總長度的比值，則站區各級道路容量計算公式可改寫為

(2)

高鐵客站新區的道路網總容量為

(3)

2) 高鐵客站新區路網交通需求計算 對于內部交通需求來說，由于高鐵客站新區呈圈層式發展，其所包含的區域已具備常態化的城市特性，形成一片城市區域組團.故可將分析城市交通需求的方法應用于高鐵客站新區.對高鐵客站新區，其內部交通需求可按基于交通方式劃分的計算公式計算，即

(4)

式中：D1為站區內部的交通需求，pcu·km/h；E為站區內部流動人口的出行總量，出行次數；fz為第z種方式的出行量占總出行量的比例；sz為第z種方式在站區的平均出行距離，km；μz為第z種交通方式的車型換算系數；k為高峰小時系數；rz為第z種交通方式的平均載客數.

對于高鐵客站新區的出入境集散需求，本文主要依據高鐵客站新區高峰小時的機動車集散量來確定，即通過預測高峰小時進出站不同種類的機動車數量，最終得到規劃年的站區進出站不同種類的機動車高峰小時交通量.其出入境交通需求的計算公式為

(5)

令高鐵客站新區的總交通需求量為D，則

D=D1+D2

(6)

2.2.3高鐵客站新區路網碳排放量計算

1) CO2排放因子分析 CO2放因子是衡量城市機動車輛碳排放的重要指標，反映了車輛的CO2排放水平.常用Ef來表示.對于Ef的確定，參考美國環保局開發使用的MOBILE模型.即

Ef(CO2)=

[(cfuel-fthc)×0.87-fco×0.42]/0.273

(7)

式中：cfuel為不同車型的油耗，g/km；fthc為污染物THC排放因子；fco為污染物CO排放因子.

2) 高鐵客站新區路網碳排放模型 高鐵客站新區的路網是由多條道路交叉而成，道路交叉口將站區道路分割成不同長度的路段.在研究高鐵客站新區路網碳排放量時可以先從研究每條路段的碳排放量入手.根據文獻[7]可知，將其中的污染物排放量微觀化為各路段的單位小時碳排放量，即

Pzj=qzj×lj×Efzj

(8)

式中：Pzj為j路段第z種交通方式的CO2排放量，kg；qzj為j路段第z種交通方式的流量，pcu/h;lj為j路段的長度，km；Efzj為j路段第z種交通方式CO2排放因子，kg/km.

高鐵客站新區路網中不同等級道路的碳排放量為

(9)

式中：Pi為站區路網中不同等級道路上所有車型的CO2排放量，kg；Li為站區路網中各級道路的長度，km.

令P總為站區路網的總CO2排放量，得

(10)

式中：P為站區路網中j路段所在道路所有車型CO2排放量，kg；Pi為路網中各類道路的CO2排放量，kg；qzj為j路段z型車的交通流量，pcu/h；lj為j路段的長度，km；Efzj為j路段z型車CO2排放因子，kg/km；L為站區路網中道路的總長度，km;Ei為i級道路上所有車型單位里程高峰小時CO2排放量，kg/km.

2.2.4多目標優化模型

綜上所述，為實現高鐵客站新區路網交通供需平衡和碳排放容積率最小的目標，建立模型為

(11)

式中：θ1，θ2為目標權重，具體取值可采用層次分析法進行確定；V為站區路網總容量，pcu·km/h；D為站區路網總需求量，pcu·km/h；Ei為i級道路上所有車型單位里程高峰小時CO2排放量，kg/km；L為站區路網中道路總長，km；Wi為站區各級道路比例系數；ECCO2為CO2環境容量上限.

2.3 模型約束條件及參數設定分析0.48≤W3≤0.64

1) 高鐵客站新區不同等級道路比例約束 令主干路、次干路、支路占比分別為W1，W2，W3，根據文獻[8]可知，主干路的比例系數約束為

0.128≤W1≤0.192

(12)

次干路的比例系數約束為

0.2≤W2≤0.224

(13)

支路的比例系數約束為

0.48≤W3≤0.64

(14)

三等級道路比例系數總約束為

W1+W2+W3=1

(15)

2) 高鐵客站新區道路建設用地約束 根據文獻[9]可知，站區道路面積應占城市建設面積的8%～15%，約束條件為

(16)

式中：di為三類道路的路基寬度，m；Y為站區規劃建設用地總面積.

3) 高鐵客站新區路網交通供需平衡約束 若高鐵客站新區路網交通達到較好的平衡，則存在如下約束條件

(17)

4) 高鐵客站新區路網碳排放約束 由于需要對高鐵客站新區的機動車排放的CO2量進行控制，故對高鐵客站新區的碳排放環境容量進行約束，即在站區中運行的機動車輛，其排放的CO2量應小于城市環境所容許的閾值，其約束條件表述為

(18)

上述約束條件中，ECCO2為CO2環境容量上限[10].其取值可由式(19)求出

(19)

式中：A為站區內的人口總量；HCCO2為人均碳排放值，t/(人·年)，一般將該值定為0.6 t/(人·年)；ΔCO2為道路運行所排放的碳占城市運行所排放的碳的比例，在我國，其值為0.15.

綜上所述，模型的約束條件為

(20)

2.4 模型求解

本文選用Matlab對所建立的模型進行求解.模型的求解思路如下：①選擇目標函數，約束條件，建立規劃模型；②進行模型的數學轉化；③利用Matlab中的fmincon函數進行求解.

3 實例分析

宜昌東站區的研究范圍為6.8 km2，見圖3.各級道路長度分別為：主干路長為14.42 km，次干路長為7.26 km，支路長為4 km，即一級道路長度14.42 km，二級道路長度11.26 km.各級道路密度為：主干路2.12 km/km2，次干路1.07 km/km2，支路0.59 km/km2，即一級道路密度2.12 km/km2，二級道路密度1.66 km/km2，整個站區路網密度為3.78 km/km2.

圖3 宜昌東站區路網概況

龍江英[11]結合MOBILE模型，提出了貴陽市道路車輛CO2排放因子的取值情況.因貴陽市與本文研究的宜昌市同為山地城市，二者在車型構成、燃料規格和城市形態方面比較相近，而之前在模型假設中提到以站區路網中高峰小時車輛行駛的平均車速作為主次干道上行駛車輛的速度.故本文參照龍江英提出的取值結果，結合宜昌東站區路網高峰時段車輛平均車速20.8 km/h，最終確定宜昌東站區主次干道車輛排放因子，見表2.

表2 宜昌東站區主次干道車輛CO2排放因子 kg/km

經模型計算，在宜昌東站區路網中，各級道路合理的長度為：主干路9.8 km，次干路10.21 km，支路31.04 km.通過將優化后的路網結構與原有路網結構進行對比，見表3.在優化后的站區路網密度中，一級道路密度與二級道路密度之比為1:4.22，解決了之前站區各級道路呈“倒金字塔”排列的問題，基本與國內主要中心區改建高鐵站的一二級道路密度之比接近，能較好地適應宜昌東站未來站區的擴張需求.但由于計算的各級道路規模與宜昌東站區目前道路現狀差距較大，尤其是支路長度難以在短期內達到要求，故可將優化的結果作為宜昌東站區遠期規劃的目標.

表3 宜昌東站區路網優化結果

4 結 束 語

本文將低碳理念應用于高鐵客站新區道路網結構優化中，綜合考慮了路網交通供需平衡及碳排放容積率最小兩個優化目標，建立了基于多目標的高鐵客站新區路網結構優化模型，并采用Matlab對模型求解；最后將所建立的模型應用于宜昌東站區的道路網結構優化.實證研究表明：該模型考慮了交通需求與節能減排之間的平衡，符合城市發展的要求，對優化高鐵客站新區道路網結構進行了新的探索.