市域鐵路與城市軌道交通換乘站設(shè)施配置布局優(yōu)化研究

（西南交通大學(xué)，四川 成都 610031）

1 引言

隨著我國城市的快速發(fā)展，城市中心區(qū)的容量逐漸飽和，都市圈的范圍逐步擴大，人口逐漸向衛(wèi)星城或組團發(fā)展。城市中心區(qū)與衛(wèi)星城或組團的發(fā)展聯(lián)系更加緊密，居民的一次出行需要多種交通方式協(xié)同完成，大城市市域范圍內(nèi)市域鐵路與城市軌道交通之間應(yīng)該相互協(xié)調(diào)、資源共享以減少換乘次數(shù)，縮短旅行時間。因此，對市域鐵路與城市軌道交通換乘站設(shè)施配置進行優(yōu)化以實現(xiàn)快速化、一體化運營顯得尤為重要。由于不同的運輸方式之間進行換乘時，旅客從起點到終點有多種路徑可以選擇，換乘站各類設(shè)施的布局將直接影響旅客換乘的便捷性與舒適度。在考慮換乘站設(shè)施布局時，既要考慮車站投資的經(jīng)濟成本，又要考慮旅客在站內(nèi)的走行時間。目前，國內(nèi)對換乘站設(shè)施配置的研究較少。霍長旭[1]對市郊鐵路與城市軌道交通的銜接模式進行了研究，通過分析不同制式軌道交通技術(shù)經(jīng)濟特征，探討并對重慶市市郊鐵路與城市軌道交通的銜接方案進行了定性比選。賀東[2]基于一體化軌道交通體系，依照樞紐換乘系統(tǒng)構(gòu)建的原則，以旅客集聚時間最小和城市軌道交通集聚分擔率最大為目標，建立了一體化軌道交通運輸體系樞紐換乘模式下樞紐換乘站點的多目標布局優(yōu)化模型。孫俊等[3]通過總結(jié)國外典型軌道換乘站點設(shè)施布局經(jīng)驗，從功能分類、規(guī)模測算與布局設(shè)計三方面對我國換乘樞紐設(shè)計進行了深入研究。顧靜航[4]分析了軌道交通樞紐站點的特點，從使用者的角度總結(jié)了樞紐一體化空間布局和功能整合的方法。周侃[5]建立了樞紐站內(nèi)單向換乘通道及樓梯內(nèi)乘客流密度與乘客平均走行速度的線性關(guān)系模型，并利用換乘時間分析方法，結(jié)合換乘服務(wù)水平等級劃分標準，給出了高鐵客運樞紐內(nèi)走行類設(shè)施、服務(wù)類設(shè)施及等待類設(shè)施的規(guī)模確定方法。

2 換乘站流線分析

流線在換乘站內(nèi)表現(xiàn)為乘客進站、出站、換乘等活動所形成的流動路線。在換乘站設(shè)施配置布局時，需要充分考慮旅客流線的影響，提高換乘效率，以避免某設(shè)施處客流量較大造成擁堵。乘客流線可以分為進站流線、出站流線、換乘流線。

2.1 進站流線

乘客從不同方向進入站內(nèi)乘車時，一般從出入口的樓梯或自動扶梯進入站廳，有乘車卡的乘客可不購票通過安檢，沒有乘車卡的乘客需購票后通過安檢，檢票后經(jīng)由樓梯或自動扶梯到達站臺上車，具體過程如圖1所示。

圖1 乘客進站流線圖

2.2 出站流線

乘客出站線路相對較簡單，下車后到達站臺由樓梯或自動扶梯到達站廳，檢票后通過樓梯或自動扶梯出站，過程如圖2所示。

圖2 乘客出站流線圖

2.3 換乘流線

換乘流線相對復(fù)雜，換乘方式包括同站臺換乘、通道換乘、出站換乘。當采取通道換乘時，乘客下車到達站臺，通過樓梯或自動扶梯檢票后到達另一站臺上車。過程如圖3所示。

圖3 乘客換乘流線圖

本文充分考慮流線對布局的影響，建立優(yōu)化模型。

3 換乘布局優(yōu)化模型

在對換乘站設(shè)施配置進行布局時，影響因素較多，各類設(shè)備布局方式不同導(dǎo)致旅客在站內(nèi)的走行成本的不同。而旅客的走行成本包括旅客在站內(nèi)走行的時間、舒適度、其他額外成本，走行時間是換乘設(shè)施布局與乘客換乘需求匹配程度的表征指標，故用走行時間來衡量走行成本。當站內(nèi)的服務(wù)設(shè)施水平越高時，旅客的走行成本越低，換乘效率越高，建設(shè)成本越高。因此，在旅客走行時間盡量小的同時，應(yīng)綜合考慮建設(shè)成本最小。本文在考慮各流線的基礎(chǔ)上，選取旅客平均走行時間和建設(shè)成本為目標建立優(yōu)化模型。

3.1 旅客走行時間

旅客在站內(nèi)的走行時間包括進站旅客的走行時間、出站旅客的走行時間、換乘旅客的走行時間，旅客在站內(nèi)走行時間的計算式為：

式中，TJ、TC、TH表示進站旅客的走行時間、出站旅客的走行時間、換乘旅客的走行時間。

進站旅客的走行時間需要考慮旅客在自動扶梯或樓梯等通過類設(shè)施的通過時間，在自動售票機、人工售票處、檢票閘機、安檢處等排隊類設(shè)施的等候時間和在站臺和候車廳等等候類設(shè)備的候車時間，進站旅客走行時間的計算式為：

式中，T表示旅客平均走行時間，Tjt、Tjd、Tjh表示進站旅客的通過時間、等候時間、候車時間；QJ表示進站旅客的客流量；Lftn、Lltn、Ltdn表示進站流線上第n個扶梯、樓梯和通道的有效長度；vftn、vltn、vtdn表示進站旅客通過第n個扶梯、樓梯和通道的平均速度；αft表示進站旅客選擇扶梯通過的比例，按經(jīng)驗取0.7；xJi、yJi為0-1變量，xJi、yJi=0表示進站流線上未設(shè)置扶梯、樓梯，xJi、yJi=1表示進站流線上設(shè)置樓梯、扶梯；β1表示進站旅客需要購票的比例；αzd表示選擇自動售票機購票的旅客的比例；Lzdn、Lrgn、Ljpn、Lajn表示進站流線上第n個自動售票機、人工售票窗口、檢票閘機和安檢口的排隊長度；Dzdn、Drgn、Djpn、Dajn表示進站流線上第n個自動售票機、人工售票窗口、檢票閘機和安檢口的旅客到達率；β2表示進站旅客需要候車的比例；tjh表示進站旅客候車的平均時間。

出站旅客的過程相對簡單，不需在站臺與候車廳等候、不需購票、安檢，故計算式為：

式中，Tct、Tcd表示出站旅客的通過時間、等候時間；QC表示出站旅客的客流量；表示換乘流線上第n個扶梯、樓梯和通道的有效長度；表示換乘旅客通過第n個扶梯、樓梯和通道的平均速度；表示換乘旅客選擇扶梯通過的比例，取0.7；表示換乘流線上第n個檢票閘機的排隊長度；表示換乘流線上第n個檢票閘機的旅客到達率。

換乘旅客無需通過安檢設(shè)施，因此換乘旅客的走行時間計算式如下所示:

式中，Tht、Thd、Thh表示換乘旅客的通過時間、等候時間、候車時間；QH表示換乘旅客的客流量；表示換乘流線上第n個扶梯、樓梯和通道的有效長度；表示換乘旅客通過第n個扶梯、樓梯和通道的平均速度；表示換乘旅客選擇扶梯通過的比例，取0.7；xHi、yHi為0-1變量，xHi、yHi=0表示換乘流線上未設(shè)置扶梯、樓梯，xHi、yHi=1表示換乘流線上設(shè)置樓梯、扶梯；β3表示進換乘旅客需要購票的比例；表示選擇自動售票機購票的旅客的比例；表示換乘流線上第n個自動售票機、人工售票窗口、檢票閘機的排隊長度；表示換乘流線上第n個自動售票機、人工售票窗口、檢票閘機的旅客到達率；β4表示換乘旅客需要候車的比例；thh表示進站旅客候車的平均時間。

3.2 建設(shè)成本

車站建設(shè)時，不同布局會導(dǎo)致車站的建設(shè)成本不同。在滿足旅客需求的同時，應(yīng)盡量平衡車站的建設(shè)成本，使建設(shè)成本最小。建設(shè)成本包括連接類設(shè)施、等候類設(shè)施、候車類設(shè)施的建設(shè)成本，計算式為：

式中，C表示建設(shè)成本；sln、sdn表示第n層連接類設(shè)施、等候類設(shè)施的面積；cln、cdn表示第n層連接類設(shè)施、等候類設(shè)施的單位修建成本；cj表示第j類排隊類設(shè)施（售票設(shè)施、檢票設(shè)施、安檢設(shè)施）的單位成本；mj表示第j類排隊類設(shè)施的數(shù)目。

4 案例分析

本站依托于即有城市軌道交通與市域鐵路換乘站，在其基礎(chǔ)上進行布局優(yōu)化。本站銜接一條地鐵線路，一條市域鐵路線路，車站立體空間分兩層，即地面層、地下地鐵站廳層。地面層為市域鐵路站廳，地下地鐵站廳層設(shè)有四個出入站口，分別通往東西兩個方向，如圖4、圖5所示，圖中1號區(qū)域為售票區(qū)、2號區(qū)域為安檢區(qū)、3號區(qū)域為候車區(qū)、4號區(qū)域為檢票區(qū)、5號區(qū)域為樓梯或自動扶梯。

圖4 原地面層站廳布局示意圖

圖5 原地下層站廳布局示意圖

車站在早晚高峰、節(jié)假日等高峰期存在不同程度的擁堵，為此提出兩種不同的改進方案，利用本模型對不同方案的有效性進行比選評估，從而驗證模型的有效性。方案一如圖6、圖7所示。方案二如圖8、圖9所示。

圖6 方案一地面層布局示意圖

圖7 方案一地下層布局示意圖

圖8 方案二地面層布局示意圖

圖9 方案二地下層布局示意圖

各區(qū)域的建造成本見表1。

表1 各功能區(qū)建造成本

利用遺傳算法求解，整合得表2。

表2 整合結(jié)果

方案一中旅客走行時間為765.13s，建設(shè)成本為7 720.99萬元，方案二中旅客走行時間為754.29s，建設(shè)成本為7 691.03萬元。方案二的旅客流線沖突較少、更加直接，避免了旅客迂回，縮短了走行時間，而且總建設(shè)成本小于方案一。綜合比較，方案二優(yōu)于方案一。