考慮低碳的高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

陳 鵬 谷劍鋒 胡志勇

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司2) 武漢 430063)

0 引 言

高速鐵路的發(fā)展具有很強(qiáng)的觸媒效應(yīng)，帶動了沿線城市人口的流動和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，同時對城市結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也產(chǎn)生了促進(jìn)作用.但是，隨著新建高鐵站的出現(xiàn)，也給周邊的路網(wǎng)交通產(chǎn)生了影響.高鐵客站新區(qū)交通流組成較為復(fù)雜：①高鐵客站新區(qū)作為城市對外交通樞紐，大量來自城市中心區(qū)或周邊功能片區(qū)的交通流在此集散；②具有較強(qiáng)服務(wù)業(yè)基礎(chǔ)的高鐵站區(qū)吸引著大量的商機(jī)，從而使周邊的商業(yè)用地呈現(xiàn)高度開發(fā)的趨勢，誘發(fā)了大量商務(wù)客流及機(jī)動車交通流.雙重交通功能的疊加往往造成地區(qū)交通擁堵，為乘客出行帶來不便.同時大量車流的匯集會產(chǎn)生大量的尾氣，使乘客的出行質(zhì)量受到影響.如何對高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，力求既滿足高鐵乘客的出行需求，緩解城市路網(wǎng)的供需矛盾，又能實(shí)現(xiàn)站區(qū)內(nèi)居民的低碳出行，成為站區(qū)交通規(guī)劃的重要一環(huán).

目前，國內(nèi)外對于高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究較少.李星等[1]采用電子云模型計(jì)算樞紐地區(qū)道路需求的周轉(zhuǎn)量，通過供需平衡計(jì)算邊緣型高鐵樞紐地區(qū)路網(wǎng)級配.湯祥[2]根據(jù)道路承載量分析來確定高鐵站區(qū)道路網(wǎng)級配.但上述研究缺少環(huán)境因素的考慮.另一方面，交通帶來的環(huán)境問題日益受到重視，研究人員對低碳交通發(fā)展做了初步的分析，從宏觀上提出一些發(fā)展對策[3-5].王鵬[6]提出了以路網(wǎng)通行能力最大和路網(wǎng)交通碳排放最小為目標(biāo)的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，但其模型沒有考慮路網(wǎng)交通需求與供給的平衡，且無法統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)中量綱.總體來說，對于高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，已有研究考慮的因素不全面，優(yōu)化目標(biāo)單一，無法適應(yīng)目前提倡的低碳出行理念.因此，本文將以保證路網(wǎng)交通供需平衡和降低路網(wǎng)碳排放容積率為目標(biāo)，對高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而為實(shí)現(xiàn)站區(qū)居民的暢通出行和低碳出行奠定基礎(chǔ).

1 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)布局

高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(fā)揮著各自的交通功能，見表1.目前我國的高鐵站多數(shù)建在城市新區(qū)范圍內(nèi)，若站區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)無快速路，則路網(wǎng)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(jìn)行研究.

圖1 高鐵客站新區(qū)四級路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 高鐵客站新區(qū)三級路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

道路等級功能快速路承擔(dān)過境和站區(qū)出入境的長距離機(jī)動車流主干路 承擔(dān)中長距離的站區(qū)出入境和站區(qū)內(nèi)部的跨圈層交通流次干路承擔(dān)站區(qū)內(nèi)部交通支路服務(wù)地塊開發(fā),與次干路銜接,使交通流便捷集散

2 高鐵客站新區(qū)道路網(wǎng)級配優(yōu)化模型

2.1 模型目標(biāo)確定

為適應(yīng)目前倡導(dǎo)的環(huán)境友好型社會，實(shí)現(xiàn)高鐵客站新區(qū)的可持續(xù)發(fā)展.本文選取以下兩個優(yōu)化目標(biāo)：①保證高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)交通供需平衡，綜合考慮高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)容量和交通需求量之間的關(guān)系，力求使站區(qū)內(nèi)的機(jī)動車流以較短的時間實(shí)現(xiàn)區(qū)域的集散活動，同時盡可能地節(jié)省道路資源；②降低高鐵客站新區(qū)的路網(wǎng)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(wǎng)中各級道路碳排放情況越嚴(yán)重.

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1模型假設(shè)

1) 為簡化計(jì)算，在進(jìn)行站區(qū)路網(wǎng)碳排放計(jì)算中，假設(shè)路網(wǎng)中車輛類型的比例相對確定.

2) 為簡化碳排放因子的計(jì)算，本文以站區(qū)路網(wǎng)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(shè)近期站區(qū)路網(wǎng)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(wěn)定.

4) 由于高鐵客站新區(qū)大多數(shù)位于城市中心區(qū)外圍，周圍道路網(wǎng)尚不發(fā)達(dá)，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(qū)的過境交通需求進(jìn)行準(zhǔn)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(qū)交通供需平衡計(jì)算

1) 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)道路容量計(jì)算 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)中各級道路的容量計(jì)算公式為

(1)

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

(2)

高鐵客站新區(qū)的道路網(wǎng)總?cè)萘繛?/p>

(3)

2) 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)交通需求計(jì)算 對于內(nèi)部交通需求來說，由于高鐵客站新區(qū)呈圈層式發(fā)展，其所包含的區(qū)域已具備常態(tài)化的城市特性，形成一片城市區(qū)域組團(tuán).故可將分析城市交通需求的方法應(yīng)用于高鐵客站新區(qū).對高鐵客站新區(qū)，其內(nèi)部交通需求可按基于交通方式劃分的計(jì)算公式計(jì)算，即

(4)

式中：D1為站區(qū)內(nèi)部的交通需求，pcu·km/h；E為站區(qū)內(nèi)部流動人口的出行總量，出行次數(shù)；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(qū)的平均出行距離，km；μz為第z種交通方式的車型換算系數(shù)；k為高峰小時系數(shù)；rz為第z種交通方式的平均載客數(shù).

對于高鐵客站新區(qū)的出入境集散需求，本文主要依據(jù)高鐵客站新區(qū)高峰小時的機(jī)動車集散量來確定，即通過預(yù)測高峰小時進(jìn)出站不同種類的機(jī)動車數(shù)量，最終得到規(guī)劃年的站區(qū)進(jìn)出站不同種類的機(jī)動車高峰小時交通量.其出入境交通需求的計(jì)算公式為

(5)

令高鐵客站新區(qū)的總交通需求量為D，則

D=D1+D2

(6)

2.2.3高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)碳排放量計(jì)算

1) CO2排放因子分析 CO2放因子是衡量城市機(jī)動車輛碳排放的重要指標(biāo)，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(huán)保局開發(fā)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(qū)路網(wǎng)碳排放模型 高鐵客站新區(qū)的路網(wǎng)是由多條道路交叉而成，道路交叉口將站區(qū)道路分割成不同長度的路段.在研究高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)碳排放量時可以先從研究每條路段的碳排放量入手.根據(jù)文獻(xiàn)[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(qū)路網(wǎng)中不同等級道路的碳排放量為

(9)

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

令P總為站區(qū)路網(wǎng)的總CO2排放量，得

(10)

式中：P為站區(qū)路網(wǎng)中j路段所在道路所有車型CO2排放量，kg；Pi為路網(wǎng)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(qū)路網(wǎng)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(biāo)優(yōu)化模型

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)交通供需平衡和碳排放容積率最小的目標(biāo)，建立模型為

(11)

式中：θ1，θ2為目標(biāo)權(quán)重，具體取值可采用層次分析法進(jìn)行確定；V為站區(qū)路網(wǎng)總?cè)萘浚琾cu·km/h；D為站區(qū)路網(wǎng)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(qū)路網(wǎng)中道路總長，km；Wi為站區(qū)各級道路比例系數(shù)；ECCO2為CO2環(huán)境容量上限.

2.3 模型約束條件及參數(shù)設(shè)定分析0.48≤W3≤0.64

1) 高鐵客站新區(qū)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(jù)文獻(xiàn)[8]可知，主干路的比例系數(shù)約束為

0.128≤W1≤0.192

(12)

次干路的比例系數(shù)約束為

0.2≤W2≤0.224

(13)

支路的比例系數(shù)約束為

0.48≤W3≤0.64

(14)

三等級道路比例系數(shù)總約束為

W1+W2+W3=1

(15)

2) 高鐵客站新區(qū)道路建設(shè)用地約束 根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，站區(qū)道路面積應(yīng)占城市建設(shè)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(qū)規(guī)劃建設(shè)用地總面積.

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

(17)

4) 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)碳排放約束 由于需要對高鐵客站新區(qū)的機(jī)動車排放的CO2量進(jìn)行控制，故對高鐵客站新區(qū)的碳排放環(huán)境容量進(jìn)行約束，即在站區(qū)中運(yùn)行的機(jī)動車輛，其排放的CO2量應(yīng)小于城市環(huán)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(huán)境容量上限[10].其取值可由式(19)求出

(19)

式中：A為站區(qū)內(nèi)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(yùn)行所排放的碳占城市運(yùn)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(jìn)行求解.模型的求解思路如下：①選擇目標(biāo)函數(shù)，約束條件，建立規(guī)劃模型；②進(jìn)行模型的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化；③利用Matlab中的fmincon函數(shù)進(jìn)行求解.

3 實(shí)例分析

宜昌東站區(qū)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(qū)路網(wǎng)密度為3.78 km/km2.

圖3 宜昌東站區(qū)路網(wǎng)概況

龍江英[11]結(jié)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(gòu)成、燃料規(guī)格和城市形態(tài)方面比較相近，而之前在模型假設(shè)中提到以站區(qū)路網(wǎng)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(jié)果，結(jié)合宜昌東站區(qū)路網(wǎng)高峰時段車輛平均車速20.8 km/h，最終確定宜昌東站區(qū)主次干道車輛排放因子，見表2.

表2 宜昌東站區(qū)主次干道車輛CO2排放因子 kg/km

經(jīng)模型計(jì)算，在宜昌東站區(qū)路網(wǎng)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(yōu)化后的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與原有路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，見表3.在優(yōu)化后的站區(qū)路網(wǎng)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(qū)各級道路呈“倒金字塔”排列的問題，基本與國內(nèi)主要中心區(qū)改建高鐵站的一二級道路密度之比接近，能較好地適應(yīng)宜昌東站未來站區(qū)的擴(kuò)張需求.但由于計(jì)算的各級道路規(guī)模與宜昌東站區(qū)目前道路現(xiàn)狀差距較大，尤其是支路長度難以在短期內(nèi)達(dá)到要求，故可將優(yōu)化的結(jié)果作為宜昌東站區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃的目標(biāo).

表3 宜昌東站區(qū)路網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié) 束 語

本文將低碳理念應(yīng)用于高鐵客站新區(qū)道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，綜合考慮了路網(wǎng)交通供需平衡及碳排放容積率最小兩個優(yōu)化目標(biāo)，建立了基于多目標(biāo)的高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并采用Matlab對模型求解；最后將所建立的模型應(yīng)用于宜昌東站區(qū)的道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化.實(shí)證研究表明：該模型考慮了交通需求與節(jié)能減排之間的平衡，符合城市發(fā)展的要求，對優(yōu)化高鐵客站新區(qū)道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了新的探索.