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(xué)研究院，天津 300300）

交通樞紐是城市綜合交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其規(guī)劃布局直接影響交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率[1]。一些學(xué)者從整體空間視角，對(duì)交通樞紐布局進(jìn)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(gè)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(duì)交通樞紐功能層次重新劃分，提出基于可達(dá)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(lái)看，交通樞紐內(nèi)的客流運(yùn)行效率還受到內(nèi)部設(shè)施結(jié)構(gòu)和功能的影響。王永清等[4]對(duì)廈門(mén)北站綜合交通樞紐交通銜接設(shè)施布局提出4 種方案，為其他樞紐的建設(shè)提供借鑒；馬彩雯等[5]以大連北站綜合交通樞紐客流預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，確定場(chǎng)站類(lèi)設(shè)施配置基本規(guī)模。上述研究以已建交通樞紐為研究對(duì)象，結(jié)果適用性受到很大限制。

隨著承擔(dān)運(yùn)輸需求的劇增，交通樞紐中設(shè)施功能與乘客需求延續(xù)之間的不匹配導(dǎo)致乘客奔波于不同設(shè)施結(jié)構(gòu)之間，造成交通樞紐運(yùn)行效率降低。針對(duì)這一問(wèn)題，本文以乘客需求、設(shè)施功能和設(shè)施結(jié)構(gòu)三者之間的映射機(jī)制為基礎(chǔ)，對(duì)乘客需求進(jìn)行分解，按對(duì)應(yīng)終端功能重構(gòu)設(shè)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(xì)布局中，針對(duì)增長(zhǎng)要素，提出時(shí)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(dān)著交通運(yùn)輸、商業(yè)等特定功能；其布局是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。從乘客對(duì)高效交通樞紐需求出發(fā)，分析了需求與設(shè)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(guān)系的不確定性和多重性?；诔丝托枨?、樞紐結(jié)構(gòu)和功能關(guān)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(jī)制

乘客在運(yùn)輸樞紐站的一系列活動(dòng)包括購(gòu)票、安檢、檢票、等候、上下車(chē)、購(gòu)物、換乘等。這些活動(dòng)分布在樞紐內(nèi)的不同區(qū)域；乘客在特定時(shí)間內(nèi)完成各類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)施的轉(zhuǎn)化且每種結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足不同乘客的需求；為解決這類(lèi)問(wèn)題，在乘客需求和結(jié)構(gòu)設(shè)施之間建立模擬人類(lèi)思維的功能性運(yùn)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(shè)施的特點(diǎn)。對(duì)于某類(lèi)乘客需求Di，對(duì)應(yīng)的功能元件Fi被逆分解，終端結(jié)構(gòu)的設(shè)施要素Si可以同時(shí)分解，以形成映射組合Ci={Di，F(xiàn)i，Si}，見(jiàn)圖1。

圖1 需求、功能和結(jié)構(gòu)相互關(guān)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(guò)程見(jiàn)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(yùn)輸樞紐的乘客需求分為幾個(gè)子需求，例如：運(yùn)輸、商務(wù)、建筑等。作為核心的運(yùn)輸需求又細(xì)分為幾個(gè)需求單位，例如：中轉(zhuǎn)、等待、購(gòu)買(mǎi)車(chē)票、停車(chē)和進(jìn)出車(chē)站等。

為了滿足需求單位的功能，需要相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)施，例如：為了實(shí)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(dòng)扶梯、自動(dòng)人行道和電梯等設(shè)施。因此，羅列終端功能實(shí)現(xiàn)所需的所有設(shè)施并歸納為不同子結(jié)構(gòu)，其中設(shè)施被劃分為四個(gè)子結(jié)構(gòu)。

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

子結(jié)構(gòu)2 包括檢票口、自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)查詢機(jī)、自動(dòng)充值系統(tǒng)、進(jìn)出站口、輔助票務(wù)臺(tái)、咨詢處和欄桿。

子結(jié)構(gòu)3 包括轉(zhuǎn)運(yùn)大廳、轉(zhuǎn)運(yùn)通道、欄桿、轉(zhuǎn)運(yùn)樓梯、自動(dòng)扶梯、人行道和電梯。

子結(jié)構(gòu)4包括通道、電梯、自動(dòng)扶梯、樓梯、平臺(tái)和平臺(tái)屏蔽門(mén)。

2.3 模型的約束

為對(duì)布局進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，需計(jì)算增長(zhǎng)要素，包括設(shè)施的形式、比例、相對(duì)位置等，計(jì)算關(guān)鍵是確定增長(zhǎng)要素的約束條件。本文著重研究了時(shí)間作用、距離作用和結(jié)構(gòu)作用約束的計(jì)算。

2.3.1 時(shí)間作用

時(shí)間作用是計(jì)算樞紐增長(zhǎng)要素中最重要的約束，由設(shè)施的服務(wù)水平、乘客量、設(shè)施適應(yīng)性關(guān)系等決定。

式中：E1——時(shí)間作用約束；

n——乘客類(lèi)型，分為一起到達(dá)和一起離開(kāi)的乘客、獨(dú)自到達(dá)和一起離開(kāi)的乘客、一起到達(dá)和單獨(dú)離開(kāi)的乘客、獨(dú)自到達(dá)和獨(dú)自離開(kāi)的乘客共4類(lèi)；

Pn——n類(lèi)乘客的數(shù)量，n= 1，2，3，4；

tˉn1——n類(lèi)乘客購(gòu)票所需平均時(shí)間；

tˉn2——n類(lèi)乘客安檢所需平均時(shí)間；

tˉn3——n類(lèi)旅客到達(dá)車(chē)站所需平均時(shí)間；

tˉn4——n類(lèi)乘客平均等待時(shí)間；

tˉn5——n類(lèi)乘客離開(kāi)車(chē)站所需平均時(shí)間；

tˉn6——n類(lèi)乘客不同線路換乘所需平均時(shí)間。

2.3.2 距離作用

距離作用是計(jì)算交通樞紐增長(zhǎng)要素的基本約束之一，由設(shè)施在乘客步行流線中的相對(duì)位置確定。

式中：E2——距離作用約束；

M——乘客移動(dòng)方式數(shù)；

Pm——使用m類(lèi)移動(dòng)方式的乘客數(shù)量；

dˉm——m類(lèi)方式的移動(dòng)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(zhǎng)要素的約束之一，由設(shè)施容積率、組織順序和設(shè)施關(guān)聯(lián)度決定。

式中：E3——結(jié)構(gòu)作用約束；

α——設(shè)施容積率；

β——組織順序；

γ——設(shè)施關(guān)聯(lián)度；

ε1——設(shè)施容積率的權(quán)重；

ε2——組織順序的權(quán)重；

ε3——設(shè)施關(guān)聯(lián)度的權(quán)重。

ε1、ε2、ε3均＞0且三者和為1。

設(shè)施容積率由設(shè)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(shè)施容積率；

k——設(shè)施數(shù)量；

SI——設(shè)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(diǎn)總數(shù)與流線的設(shè)施節(jié)點(diǎn)總數(shù)之比。

式中：β——流線組織順序；

H0——流線的沖突點(diǎn)總數(shù)；

H1——流線的設(shè)施節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

設(shè)施關(guān)聯(lián)度由流線各節(jié)點(diǎn)的組合相關(guān)值決定，設(shè)施關(guān)聯(lián)度越大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越合理。

式中：γ——設(shè)施關(guān)聯(lián)度；

m——設(shè)施中流線數(shù)量；

ri——流線i節(jié)點(diǎn)處的設(shè)施數(shù)；

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

d(j，j+1)——從設(shè) 施節(jié)點(diǎn)j到設(shè)施 節(jié) 點(diǎn)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(guān)系，將運(yùn)輸樞紐的整體功能和結(jié)構(gòu)分解為需求單位和設(shè)施結(jié)構(gòu)要素。

2）給出時(shí)間作用、距離作用和結(jié)構(gòu)作用約束的計(jì)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(shè)計(jì)提供了一種新的方法。

3）針對(duì)為滿足功能需求造成的出行效率降低問(wèn)題，以乘客需求對(duì)應(yīng)重構(gòu)功能設(shè)施結(jié)構(gòu)，從規(guī)劃角度指導(dǎo)樞紐中設(shè)施布局的流線化組織設(shè)計(jì)。

以模型約束條件最優(yōu)解集為指導(dǎo)，進(jìn)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(shè)施，在約束求解過(guò)程中不夠明晰，甚至出現(xiàn)無(wú)最優(yōu)解的情況。因此，在未來(lái)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(dá)式并在此基礎(chǔ)上針對(duì)已建交通樞紐布局優(yōu)化問(wèn)題提出解決方法。