高鐵大連北站外部集散路網崩潰路徑研究

馬彩雯，常炎露

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連116028)

高鐵客運站是城市交通網絡的一個重要節點，且高鐵客運站與城市交通網絡之間的銜接效率影響著城市交通網絡的暢通狀態。集散路網作為高鐵客運站與城市交通網絡銜接的重要組成部分，其暢通狀態決定了客流的集散效率。隨著高鐵大連北站功能的逐步強化，集散需求日益增加，外部集散路網的交通擁堵問題也日漸嚴峻。特別是在大連北站到達客流高峰時段與外部集散路網過境交通流高峰時段重合時，疊加后的大客流會加劇交通擁堵問題，路網的集散效率也進一步下降。如何完善高鐵客運站與城市交通網絡的銜接是我們目前面臨的一個難題。

針對高鐵客運站與城市交通銜接的問題，近幾年的研究主要有以下進展：訾海波[1]總結了高速鐵路客運站地區路網結構的模式及地區適用性；劉昱崗等[2]通過分析高速鐵路車站區域道路網結構形式及適用性，對合理設置高速鐵路站區道路網提出相關建議；董堯華[3]對城市公交網絡系統進行脆性分析，通過“最大連通子圖的相對大小”和“網絡的效率”兩個指標直觀地反映出在受攻擊和破壞前后網絡的聯通可靠性變化情況；梁英慧[4]定義了系統崩潰路徑，建立了基于復雜系統脆性賦權圖的崩潰路徑模型，并提出了一種求解系統最大崩潰路徑的拉格朗日松弛算法；劉鵬[5]根據對城市群交通需求空間形態的分析，在系統論、慢變量決定論、快慢變量結合論的基礎上，采用三視模型對城市群區域城際軌道交通與城市公交銜接系統進行了分析。如果能夠根據大連北站高峰時期的到達客流量，預測出分配到集散路網的車流量，找出集散路網中最容易擁堵(崩潰)的路徑，針對性地對其進行交通管控，將有效地緩解交通擁堵，充分發揮外部集散路網的集散效應。因此，本文通過構建崩潰路徑模型，求解崩潰路徑的研究具有重要的現實意義。

1 大連北站外部集散路網現狀分析

大連北站位于大連市北郊，車站中軸線呈偏西北——東南走向，和市區內的大連站走向基本一致。車站周邊主干路北側為姚砬路，南側為華北路，場地周邊次干路有2#、3#通道南北貫通，站北1#路東西貫通，通過高架橋穿過站北二層送站區，向東經東快路通往市區。大連北站集散路網區域如圖1所示。

圖1 大連北站外部集散路網區域圖Fig.1 The external collecting and distributing system area of Dalian north station

1.1 路網拓撲結構構建

由于集散路網是一個復雜的、影響因素繁多的交通信息網絡載體，所以本文根據復雜系統適應性的相關理論，用數學語言來描述集散路網，并抽取影響因素作為拓撲結構參數，從而對交通路網進行模型化分析。

本文研究的大連北站集散路網考慮高鐵客流快速集散需求，以較快步行速度100 m/min計算，將集散路網范圍設定為1 500 m之內[2]。大連北站周邊集散路網中有8對OD對，即大連北站站點V30與其他4個主要節點V1、V7、V23、V25的OD對數，其路網拓撲結構如圖2所示。

圖2 大連北站路網拓撲結構Fig.2 The road network structure of Dalian north station

1.2 路網數據參數設定

根據2018年4月10日鐵路調圖起執行的大連北站始發經停列車時刻表，16:00—17:00為大連北站列車客流到達的高峰時段，與晚高峰期過境交通流疊加會對集散路網造成較大壓力。故本文選取16:00—17:00從大連北站發散到集散路網的車流量進行分析。

1)路段基本參數

大連北站外部集散路網分別有快速路1條：東北快速路；主干路7條：嶺西路、南關嶺路、站北一號路、華北路、華東路、風華路、源泉路；次干路2條：2號通道、3號通道；支路3條：姚靳街、姚勝街、姚勝東三街；專用通道2條：南廣場引橋、北廣場引橋。已知各路段長度，自由流走行時間和路段通行能力。

2)路段集散通過能力

大連北站外部集散路網在實際運行中，過境交通流會占據一定比例，本文研究中將路網本身的通過能力減掉其過境流的通過能力設定為集散路網的集散通過能力。過境占比根據調查所得見表1。

3)發散路網各OD對的實際車流量

已知大連北站往年高峰小時到達客流量數據，采用彈性系數法預測2018年大連北站高峰小時到達客流量為4 265人。通過調查得發散路網中各交通方式分擔率見表2。

由于大連北站地鐵出入口在地下一層換乘大廳，對外部集散路網交通狀況無直接影響，本文不做具體考慮。根據調查高峰期平均每輛公交車載客人數為35人，平均每輛出租車和私家車載客人數為1.5人，平均每輛長途車載客人數為10人。為了計算和處理方便，最后轉化成標準小汽車的數量。公交車換算系數取3.0，出租車和私家車換算系數取1.0，長途車換算系數取2.5。大連北站外部發散路網各交通運輸方式高峰小時當量交通量見表3。

根據調查可知，高峰小時大連北站V30與4個邊界節點V1、V7、V23、V25之間的客流比例為5∶4∶6∶2。以節點30為O，節點1為D1，節點7為D2，節點23為D3，節點25為D4，4對OD對的交通發生量見表4。

表1 大連北站集散路網過境流量比例

表2 大連北站發散路網中各交通方式分擔率

表3 大連北站高峰小時發散機動車當量交通量

表4 大連北站發散路網OD對的交通發生量

2 崩潰路徑模型的建立

崩潰路徑[6-7]是指集散路網中節點與節點間傳遞崩潰的路徑，即路網中最容易擁堵(崩潰)的路徑。本文中把集散路網發散效應定義為以客運站為交通發生點，即OD對的起始點，以快速路和主干路交叉的主節點作為交通吸引點，即OD對的終結點。聚集效應同理可得，本文主要研究大連北站外部發散路網相關內容。

1)假設條件

條件1 大連北站外部集散路網按照銜接地域的大小由低到高劃分為3個圈層[8]，第一圈層：與北站直接銜接(步行5～10min)；第二圈層：與城市中心區域銜接(步行10～15min)；第三圈層：與城市周邊城鎮銜接(步行15min以上)，此圈層邊界開放，與北站無直接聯系。本文研究的集散路網范圍包括第一和第二圈層。

條件2 路段eij=vi,vj的權值ωij定義為節點vi到節點vj轉移的車流量fvi,vj在節點vi總流量fvi中所占的比例，即

2)建立崩潰路徑模型

(1)集散路網崩潰的傳遞方向是vi1→vi2→…→vin，且各節點的崩潰行為只與其有聯系的節點有關，則可由條件概率公式確定崩潰路徑的權值ωhi：

由(1)式可知，崩潰路徑的權值為該崩潰路徑中各路段權值的乘積。

(2)對于集散路網拓撲圖D=〈V,E,R〉，若滿足：Vhi?VD,Ehi?ED拓撲圖有m個OD對，則車流從鐵路客運站節點vp到發散路網的車流終到點vjj=1,2,…,m的k條崩潰路徑hii=1,2,…,k中，存在

式中：vii=1,2,…，n為集散路網的節點，其中vp為鐵路客運站節點；vjj=1,2,…，m為集散路網圈層邊界等級較高的道路之間的交叉口；hii=1,2,…，k為集散路網中OD對之間存在的崩潰路徑；Vhi、Ehi分別表示崩潰路徑hii=1,2,…，k經過的節點和路段集合；ωe為路段e=〈i,j〉的權值；Z*為崩潰路徑hii=1,2,…,k各路段權值乘積的取值。

集散路網中各OD對的最大/最小崩潰路徑分別記為hmax和hmin，崩潰路徑反映了在大客流情況下，整個集散路網崩潰的可能順序及運動方向，其中

崩潰路徑的權值反映了由起點崩潰引起該路徑可能發生崩潰的概率。

3 崩潰路徑模型的求解

本文運用SUE配流方法對集散路網的各個路段進行交通流量分配，已知參數為自由流走行時間、路段的集散通過能力、各OD對的車流到發量等基本數據。借助TransCAD軟件進行配流操作，得到發散路網各路段的配流結果和權值。利用配流數據求解模型，得到大連北站高峰小時發散路網最大/最小崩潰路徑，其結果見圖3和表5。

圖3 大連北站外部發散路網最大/最小崩潰路徑示意圖Fig.3 The sketch of the largest and smallest collapse paths in the extenal collecting network of Dalian north station

表5 大連北站外部發散路網最大/最小崩潰路徑

崩潰路徑示意圖中最大崩潰路徑對應的是：南關嶺路—駿嶺街；北廣場引橋—南關嶺路—姚家路；南廣場引橋—華北路—華東路；南廣場引橋—龍華路—源泉路—風華路；最小崩潰路徑對應的是：北廣場引橋—站北一號路—姚靳街—嶺西路；北廣場引橋—站北一號路—姚勝東三街；華北路—2號通道—站北一號路—南關嶺路—華東路；北廣場引橋—站北一號路—東北快速路。

最大/最小崩潰路徑反映了客流分散對集散路網的影響程度，同時也為集散路網的優化提供了決策支持。針對研究結果提出如下改進措施：

1)優化最大崩潰路徑節點。找出擁堵路段問題點，及時改善，加強監管，減輕路段壓力。

2)加強崩潰路徑信息引導。及時更新電子信息屏，發布路網信息狀態。特別是在最大崩潰路徑附近節點增加電子信息屏進行信息誘導，將車流引導至最小崩潰路徑。

3)加強交通安全知識教育，提高執法力度。引導居民加強學習交通法規，提高出行安全意識，自覺遵守交通安全法。同時交通管理部門要充分利用監控設備，提高執法力度。

4 結束語

大連北站外部集散路網作為銜接大連北站和城市交通的重要結合部，其擁堵會給大連北站客流的暢通集散帶來極大的消極影響，如果能夠對客流集散中最容易崩潰路段的薄弱環節進行科學的管理和控制，就可以保證大連北站外部集散路網的高效運轉。針對大連北站外部集散路網的擁堵問題，建立了崩潰路徑模型，以各路段的權值乘積最大/最小為目標函數進行求解，得出大連北站外部集散路網高峰小時的最大/最小崩潰路徑。該模型具有較好的可行性與實用性，為今后大連北站外部集散路網的高效運轉提供了理論支持。