综合运输客运枢纽换乘系统布局优化模型

李德刚，边莉莉，李丹丹

(1.淄博市铁路建设管理办公室， 山东 淄博 255038；2.淄博市公路管理局， 山东 淄博 255038；3.西南交通大学 交通运输与物流学院， 四川 成都 610031)

综合运输客运枢纽换乘系统布局优化模型

李德刚1，边莉莉2，李丹丹3

(1.淄博市铁路建设管理办公室， 山东 淄博 255038；2.淄博市公路管理局， 山东 淄博 255038；3.西南交通大学 交通运输与物流学院， 四川 成都 610031)

从旅客的全出行过程分析了综合运输客运枢纽的旅客换乘流线和换乘特征，提出了基于全出行过程的“路径—方式”分配模型和枢纽车站的换乘量预测方法.从全路网来看，换乘布局影响路网客流分布和枢纽内各车站换乘量，外部路网和枢纽内的相关市政配套设施需依据交通量和换乘量同步变化，据此建立了综合运输客运枢纽换乘系统布局优化模型.最后，通过淄博北综合运输枢纽的实例验证了模型和方法的可行性.

综合运输；运输枢纽；旅客运输；换乘系统；布局；优化

综合运输客运枢纽是区域重要的旅客集散点，承载着城市交通和对外服务功能，通常依托一种或两种(部分大型航空港有三种)骨干对外运输方式的车站而规划和建设，其他运输方式车站作为必要的换乘设施.枢纽内有大量的换乘客流，不同的换乘布局，旅客换乘便捷性、换乘时间不同.综合运输枢纽内的换乘是旅客全出行过程中的一个重要环节.由于不同运输方式之间、同一运输方式不同路径之间在一定范围内存在替代性，当旅客从起点到枢纽内对外车站或枢纽对外车站到终点有多条路径可选时，换乘的便捷性将直接影响客流在换乘车站内的分布，枢纽本身和枢纽周边道路等市政设施也将受到影响.因此，对综合运输枢纽布局和换乘的研究必须从全网的角度，既考虑枢纽内部及其本身，也考虑枢纽内部布局和换乘对外部路网的影响.目前国内对综合运输客运枢纽换乘和布局的研究，关注的是客运枢纽本身和枢纽内设施的布局和换乘的影响，要么从枢纽内换乘体系布局着手，研究枢纽内部的换乘组织体系，如文献[1-6]研究了换乘组织、换乘成本、换乘量，其中换乘量采用因素相关法确定，没有考虑换乘量的产生根源、换乘量与路网的关系等；要么从枢纽内部换乘便捷性研究枢纽内部设施布局，如文献[7-9]研究了枢纽内各车站合理布局方法和思路，评价方法[9-13]采用传统的AHP、模糊评价等，但由于这些方法本身固有的缺陷，并不能体现枢纽换乘布局变化与外部路网的相互影响.文献[14]从枢纽内部建立了高速客运站人流换乘优化布局模型，但没有考虑枢纽内外部的相互影响造成的客流变化和产生的外部投资.国外有少量研究已考虑旅客的全出行过程、枢纽与路网的相互影响，但并没有据此提出枢纽换乘系统布局的方法和思路.其中，文献[15]分析了旅客全出行过程对铁路客站发展的影响；文献[16-17]认为枢纽服务水平对区域不同路径的客流形成和选择具有重要影响；文献[18]通过局部区域路网的客运换乘服务满意度来预测枢纽的换乘需求.本文从旅客的全网出行过程研究枢纽内的旅客换乘系统布局优化，考虑枢纽外部运输方式或路径的可替代性、枢纽内换乘布局对客流分配的影响及枢纽与外部路网等市政配套设施相互影响，以优化交通供给，使枢纽内外部总体效益最优.

1 枢纽运力结构及换乘流线

综合运输客运枢纽内部通常建有多种运输方式的多个车站，而且一种运输方式可能有多条线路、多个车站.这些运输方式一般包括航空、铁路(普铁、准高速、城际、高铁、高(中、低)速磁浮等)、水运、公路、城市快速轨道交通(地铁、轻轨、中(低)速磁浮、现代有轨电车等)、地面城市公交(普通地面公交、无轨电车、BRT等)、出租车、私家车和其他运输方式(步行、自行车、电动车等).一般来说，在综合运输枢纽内，航空、铁路和公路为主要对外运输方式，布有1个车站(空港、港口)，公路不多于2个，综合运输枢纽也主要依托这些运输方式的车站(空港、港口)为主建成，其他运输方式作为城市配套设施疏解这些车站到发交通流，通常有多个车站或站点(停靠点、停车场)，如图1所示.

图1 综合运输枢纽运力结构

如图2所示，旅客从O点出发后到达目的地D点，一般经过城市交通到达综合运输枢纽，然后换乘至对外交通运输方式(或城市交通的其他方式或同一方式的其他路径)，再次经枢纽换乘到城市交通后到达目的地.因换乘便捷性、运力配置造成的等候(乘)车时间差异、出行者本身喜好等多方面的原因，旅客O、D点出行会有多种运输方式的多条路径可供选择.旅客在综合运输枢纽内从一种运输方式换乘到另一种运输方式或同一运输方式的其他路径，只是全出行过程中的一部分，旅客在枢纽内的换乘时间长短或便捷性等将影响旅客全出行过程中的某个行程的路径或方式选择，从而影响枢纽各车站的发送量.

图2 基于全出行的旅客流线

2 换乘量的确定

综合运输枢纽内的换乘量包括7类：城市交通的不同运输方式车站之间、同一运输方式不同车站之间、同一运输方式同一车站内；城市交通车站与对外交通车站之间； 对外交通的不同运输方式车站之间、同一运输方式不同车站之间、同一运输方式同一车站内.其中，同一运输方式同一车站内的换乘并不影响枢纽内车站的总布局，相关换乘受运营车辆(列车、航班)线路布局造成，可以简化为一条路径，但旅客时间需增加车站内部换乘时间和等候车时间.

枢纽内的任一车站(包括同一运输方式布设的多个车站)其功能定位和相关的服务区域、服务方向是明确的，运营线路的主要径由也一般不会重复.从全网的角度，一对OD对间会有多条由多种运输方式的多条路径组成的综合出行线路，因此，不能按传统的方式划分进行方式或路径流量分配，可将方式或运输工具依附于路径上，OD对间的出行变成一条由不同的“路径—方式”组成的综合出行线路.车站的换乘量就是经过换乘两站间的所有综合出行线路的流量之和.即

(1)

式中：Qij为车站i换乘到车站j的换乘量；Qijk为经由车站i、j的综合出行线路k的客运量.

旅客对外出行选择了某种对外运输方式后，他很少再会去变更，例如，乘坐高铁或航空的人群很少再会去选择其他运输方式.因此，可将对外出行旅客的出行路径适当简化，将对外出行交通车站作为出行的终点D，并不会对车站间的换乘量产生影响，旅客的出行将简化为图2中点画线框的部分.对外运输方式车站间的换乘仍然采用全路径方式分布分配.OD对间的“路径—方式”交通生成分布可以参考文献[19-21]提出的分布分配综合技法.但应注意：

1) 经由两换乘车站的综合路径k有多条，可以参考文献[22]处理复合网络的方法处理综合路径，然后进行全路网流量生成分布，但该方法计算量大、处理的数据多.当旅客从家出发，考虑多方式之间的换乘时，一般会选择就近的换乘点，客流会集中于其中的主要几条.因此，按就近换乘原则可以将诸多换乘路径简化为有限的少数几条综合“方式—路径”.

2) 综合路径阻抗易将费用转化为时间，并考虑对外出行旅客携带行李的不便.

3 换乘布局优化模型

从全网的角度来说，综合运输枢纽是路网中的一个重要节点，运行效率受旅客在枢纽内各车站间的换乘便捷性和车站内候车时间等因素影响，并对整个路网的运行产生影响.其效率高低可以用如下公式表示：

(2)

式中:H为枢纽系统换乘总费用；tij为车站i换乘到车站j的时间；cij为旅客从车站i换乘到车站j的广义时间费用系数；tj为旅客在车站j的等候车时间；cj为车站j所属的运输方式(路径)的广义时间费用系数；T为固定资产投资折旧年限；C1为枢纽总投资；C2为保持枢纽周边路网一定服务水平下的道路等市政设施改造投资，按Schutz(1998)、Pol(2002)的三圈层理论，参照目前国内新建高铁车站站区控制规划，建议综合枢纽取周边5km2左右的区域计算.

式(2)中的tij受两站间的换乘距离长短、旅客的步行速度、换乘行程中的电梯运速度等因素影响.

(3)

式中：lij1为旅客在车站i、j间换乘时的步行距离；v1为步行速度；lij2为旅客在车站i、j间换乘时的电梯长度；v2为电梯运行速度.当换乘行程中无长大电梯时，(3)式可以简化为

tij=lij/v1

(4)

式中：lij为旅客在车站i、j间换乘距离，且lij=lij1+lij2.

旅客在车站j的等候车时间受发车密度、发车间隔等影响，属运输组织范畴，在运力一定的情况下，不会影响(2)式的计算效果，(2)式可简化为

minH=∑Qijlijc1/v1+(C1+C2)/T

(5)

式中，c1为步行的广义时间费用系数.

4 案例分析

淄博北综合运输枢纽[23]依托济青高铁淄博北站建设，南广场规划有公路长途客运站、城市公交、快速轨道交通、广场地下停车场，快速送客区位于二层高架平台；站下右侧设私家车接客停车场、左侧设出租车接客区；北广场为滨临快铁预留，规划有城市公交和私家车停车场；南北广场在站房下设自由通道.其中，公路长途站功能定位为高铁接驳站，兼顾本区域客流，发送无高铁的东营市和滨州市班车.站场总平面布局及交通流线组织如图3所示.

枢纽总平面原布局为：公路长途车站位于公交车场的南侧，长途车站位置为区间公交站，公交车场为中心城区公交站，接客区停车场利用广场下方的停车场，站场下方无私家车接客区.后将进站匝道由直线设计改为向南外凸，增加站房两侧用地，区间公交与中心城区公交站合并，长途站移到区间公交站，原长途站用地作为综合开发用地，站场下方设私家车接客区.所有交通流线根据布局进行了相应的调整.因调整布局，枢纽增加投资6 000万元，减少土地10 000m2.高铁到达换乘私家车平均换乘距离由270m减为80m，公路长途与高铁平均换乘距离由370m减为150m，枢纽外行车距离有一定的变化.因枢纽内布局变化，各车站之间的换乘量和区域交通流线、流量也随之变化.不考虑本地流和预留滨临快铁影响，仅考虑枢纽流的情况下，按分布分配方法和公式(1)计算的各站布局调整前后到发量见表1.

图3 淄博北综合运输总平面布局及交通流线

表1 淄博北站综合运输枢纽布局调整前、后车站流量变化 万人

淄博市为典型的组团式城市，辖5区3县，除张店比其他区县稍大外，其他组团大小差不多，组团之间相距约20km，城市公交主要服务于中心城区张店区，区间公交服务于其他组团.表1计算结果，各运输方式所占比例与既有的胶济客运专线淄博站的比例[24]及淄博市综合交通规划调查数据[25]基本一致，说明预测结果是正确的.其中长途客运功能定位为发送东营、滨州长途班车，定位没有变化，换乘节省时间与旅途行程时间相比可以忽略，客流量按不变考虑.该站为新建站，周边路网建设的比较超前，因调整布局引起的枢纽周边路网服务水平无变化.取折旧30年、费用时间按2015年城镇居民和农村居民的加权平均收入15元/小时计算，采用公式(5)进行计算，调整前年综合费用(不含铁路站场及站房)为1 649.5万元，调整后的年综合费用为1 629.9万元 ，调整后布局比原布局年综合费用约少19.6万元，调整后布局较优.当增加的投资达到6 587.2万元后，两个方案无差别，如果再增加投资，原方案较优.

5 结束语

从全路网和旅客的全出行过程建立的综合运输枢纽换乘布局优化模型既可用于枢纽布局的多方案比选，也可用于枢纽的后评价，校核实际运行效果与预测的差距.采用“路径—方式”分布分配技法时，为了兼顾旅客出行的喜好和运力配置的舒适情况，可将时间和费用换算为广义出行时间，费用和时间的换算系数可以根据交通调查确定的出行人群比例，按收入情况加权确定.进行综合交通网络处理时，为简化计算，可根据出行时间和路况进行预处理，选择其中几条较短或运行最快的综合路径，然后再进行“路径—方式”分布分配.枢纽对周边路网的影响，可根据路网的实际情况进行调整，不能局限于5km2.

[1] 黄鹏．成都铁路客运站与城市交通的协调发展研究[D]．成都：西南交通大学， 2007．

[2] 刘小丹．综合客运枢纽内部换乘组织研究[D]．成都：西南交通大学， 2008．

[3] 陈方红，王清宇，罗霞．大型综合客运枢纽交通组织研究[J]．铁道运输与经济，2008，16(3)：65-68．

[4] 詹嘉．综合交通枢纽不同交通方式换乘成本研究[D]．上海：同济大学， 2008．

[5] 沈瑞光．城市综合交通枢纽客运需求预测方法与模型研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013．

[6] 乔路．综合交通枢纽换乘量预测方法研究[D]．长春：吉林大学，2009．

[7] 李得伟，韩宝明，刘殿仁．城市综合交通一体化枢纽布局研究[J]．综合运输，2006，28(3)：60-63．

[8] 徐建，张胜，孙海英，等．大型综合交通枢纽设施布局规划设计[J]．城市道桥与防洪，2010，27(9)：1-7．

[9] 贾倩．综合交通枢纽布局规划研究[D]．西安：长安大学，2009．

[10] 戴军，朱金福．空港综合交通枢纽评价指标体系[J]．科技信息，2009，26(33)：14-15．

[11] 田园．综合交通枢纽客运站布局评价的定量优化方法[J]．交通标准化，2006，12(5)：32-35．

[12] 郭峰．城市综合交通枢纽的衔接换乘研究[D]．武汉：华中科技大学，2004．

[13] 杜丽娟．城市综合交通枢纽设计研究[D]．西安：长安大学，2008．

[14] 王南．高速客运站设置的系统优化研究[D]．成都：西南交通大学，2008．

[15] RIETVELD P．The accessibility of railway stations: the role of the bicycle in the Netherlands [J]．Transportation Research Part D: Transport and Environment,2000，5(1)：71-75．

[16] HOOGENDOORN-LANSER S，NES R V，HOOGENDOORN S P．Modeling transfers in multimodal trips: explaining correlations [C] // Transportation Research Board Business Office．Transportation Research Board Annual Meeting．Washington DC：National Academy Press,2006：144-153．

[17] DAAMEN W，HOOGENDOORN S P, BOVY P H L, et al. Passenger route choice concerning level changes in railway station [C]//Transportation Research Board Business Office．Transportation Research Board Annual Meeting．Washington DC：National Academy Press,2005：1-18．

[18] DIANA M．Measuring the satisfaction of multimodal travelers for local transit services in different urban contexts [J]．Transportation Research Part A: Policy and Practice,2012；46(1)：1-11．

[19] 李德刚．综合运输网中的通道分析与系统配置研究[D]．成都：西南交通大学，2006．

[20] 李德刚，边莉莉．总量控制的通道内客运站运量预测[J]．山东理工大学学报(自然科学版)，2011，25(1)：16-20．

[21] 罗霞，李德刚，高世廉．区外旅客的“路径—方式”综合分担模型[J]．西南交通大学学报，2006，41(5)：554-559．

[22] 谢辉，于晓华，晏克非．城市复合交通系统容量超级网络评估方法[J]．同济大学学报(自然科学版)，2011，39(12)：1 789-1 795．

[23] 淄博市规划局．济青高铁淄博北站区控制性规划[R]．淄博：淄博市规划局, 2016．

[24] 淄博市铁路建设管理办公室．淄博火车站南广场规划[R]．淄博：淄博市铁路建设管理办公室, 2016．

[25] 淄博市规划局．淄博市综合交通规划[R]．淄博：淄博市规划局, 2010．

(编辑：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

李德刚，男，lidegang@126.com

1672-6197(2017)02-0053-05

U

A