都市圈綜合軌道交通樞紐節點一體化布局研究

呂 穎

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

近年來， 《關于培育發展現代化都市圈的指導意見》《交通強國建設綱要》《國家綜合立體交通網規劃綱要》《關于推動都市圈市域(郊)鐵路加快發展的意見》《關于進一步做好鐵路規劃建設工作意見的通知》等一系列國家政策及行業指導意見相繼出臺，明確都市圈軌道交通的未來發展要以網絡化、一體化為目標，協同發展、系統提升[1-4]。作為聯動各層級軌道交通網的樞紐節點，是交通功能和城市功能有機融合，也是多方式、多方向客流集散、轉換的節點，其合理的規劃布局是提升綜合軌道交通服務功能和運營效率的重要環節。而樞紐的一體化布局是系統化工程設計，涉及節點選擇與布局、綜合交通銜接、設施配置、場站設計、配套功能開發等多方面內容，考慮在綜合軌道交通線網形成的基礎上，結合客流需求分布特征及區域國土空間規劃，重點研究節點的選擇、層級劃分以及空間布局等主要問題。

隨著都市圈建設以及軌道交通多網融合發展的加快推進，理論界選取典型都市圈為研究對象，對軌道交通建設、樞紐布局在都市圈發展中的作用進行了系統研究[5-9]，提出了融合發展的思路，但對樞紐的布局設計仍主要集中于換乘銜接方面，尚未形成系統的布局方法；國外對軌道交通樞紐布局的研究注重城市功能設計，提出的布局方案能很好適應都市圈建設及軌道交通發展，但提出方法的適用性還有待提升[10-14]。因此，在既有理論基礎上，對都市圈綜合軌道交通樞紐節點層級劃分及協同布局進行深入研究，以期進一步完善理論方法體系，指導都市圈軌道交通項目實施。

1 都市圈綜合軌道交通樞紐節點一體化布局概述

1.1 規劃布局要素分析

都市圈綜合軌道交通樞紐布局規劃包括多樞紐站點的協同布局規劃以及樞紐站內設施的一體化布局兩部分。合理的布局方案需統籌處理好客流、列車、線路、場站等關鍵要素[15]。其中，旅客是軌道交通樞紐服務的主要對象，各方向客流在樞紐內便捷、高效地集散是樞紐合理布局的重要體現。列車是旅客在途服務的主要供給者，不同制式列車的能力、速度、舒適度等也影響乘客的出行體驗。而線路作為客流和車流組織的基本要素，不同制式、不同方向線路的銜接模式直接影響旅客出行效率及出行成本。場站是客流集聚與信息交換的場所，也是綜合交通立體銜接的關鍵節點，合理的規模設計、布局配置與設施配備至關重要。

1.2 影響因素分析

都市圈綜合軌道交通樞紐布局與都市圈空間結構、交通網布局、需求分布特征等密切相關[16]，其布局受多方面因素影響，具體如下。

1.2.1 都市圈空間結構與人口分布

從交通功能角度，旅客出行需求與換乘需求是樞紐節點布局的基礎，而需求演變與都市圈的空間結構與人口分布等因素密切相關，因此，布局應充分考慮都市圈的空間發展格局，與居民區分布、生產力布局及發展趨勢相協調，考慮乘客出行的特點。從城市功能角度，樞紐節點布局設計還具有帶動城市開發、提升城市形象等社會價值，因此，應與都市圈的發展規劃相契合，客觀分析樞紐節點的空間布局及具體的用地規模、服務功能等。

1.2.2 綜合交通網布局

綜合軌道交通樞紐的布局一方面融合各層次軌道交通線網，另一方面聯動軌道交通系統與其他交通方式。因此，應從都市圈內不同層次軌道交通銜接需求出發，秉持零距離換乘的基本原則，規劃時與系統內各主要客運站及城市對外的航空港、港口碼頭等合理銜接，全面提升旅客出行效率。

1.2.3 客運需求分布特征

都市圈旅客出行呈現點核式聚集、放射狀分散，對外客流與交流多方向交織、多節點匯合等復雜特征，綜合軌道交通樞紐節點在都市圈內的布局應充分考慮客運需求空間分布、流量流向特征，加強都市圈對外與內部客運的銜接、都市圈中心城區內部不同客流的銜接，同步做好軌道交通樞紐與城市其他公共交通設施配套，實現各方向客流的高效流轉與快速交互。

1.2.4 相關既有規劃約束

綜合軌道交通樞紐屬于都市圈的基礎設施，服務于城市建設發展，其布局規劃應與相關城市的國土空間合理銜接，與綜合交通規劃、客運樞紐場站規劃相協調，因此，在相關既定規劃框架下，合理選擇樞紐節點、確定其規模及設施配備是樞紐節點空間布局的主要目標。

1.2.5 節點經濟社會影響

從經濟性角度，樞紐節點的建設投資大，一次性投入較高；但同時，樞紐建設對周邊地區的開發建設及經濟發展具有較好的帶動作用，經濟影響會隨樞紐的建成使用而逐步凸顯。社會性方面，對城市而言，軌道交通樞紐不僅是客流集散的空間場所，還是通過與外部客觀環境在空間上組合而形成的綜合功能體，為日常居民生活、城市發展提供重要的社會供給。 因此，在同等空間基礎條件下，樞紐的選擇及布局優先考慮經濟輻射效益大、社會影響力強的節點，以充分發揮其城市功能。

1.3 規劃布局流程

都市圈綜合軌道交通樞紐是多層次客流集中的發生吸引源，也是多方向客流換乘的中轉交互區，合理識別重要樞紐節點并進行空間布局也是一項復雜的系統工程，包括層級劃分、功能識別、影響分析、備選節點選擇、優化布局等內容，具體設計流程如圖1所示。

2 綜合軌道交通樞紐節點特征及分類

2.1 綜合軌道交通樞紐節點特征

都市圈綜合軌道交通樞紐是指以高鐵、城際、市域、城市軌道交通等多層次軌道交通為主的樞紐，具有如下特征。

2.1.1 多制式、多線路交匯

綜合軌道交通樞紐一般處于都市圈內較大的客流集散地，一般應包含兩種及以上的軌道交通方式，以及相配合的城市公共交通，是多種制式、多條線路無縫銜接的交匯點。

2.1.2 對外對內緊密銜接點

綜合軌道交通樞紐實現了高鐵、城際等對外軌道交通與市域、城市軌道交通、公共交通等各類城市內部交通的緊密銜接，成為都市圈對外溝通、對內交流的功能綜合體。

2.1.3 各方向客流集散點

綜合軌道交通樞紐主要服務于不同方式間的乘客集散與轉換，通過配備完善的利于換乘的公共轉換區域、公共設施、信息平臺等實現各方向旅客快速集散與便捷換乘。

2.1.4 交通功能與城市功能有機融合

軌道交通樞紐雖是以提供集散服務為主的交通車站，但作為城市的一部分，同時也是交通功能與城市功能相互銜接、融合的關鍵節點，發揮帶動城市開發、提供社會服務的重要作用。

2.1.5 集約化高效管理

在綜合軌道交通系統內，軌道交通樞紐節點之間需通過建立協調先進的管理機制，服務高效的信息平臺，推進客運組織一體化與運營管理集約化，實現高效率、優服務的功能目標。

2.2 綜合軌道交通樞紐節點分類

綜合軌道交通樞紐節點的主要功能在于實現“便捷換乘、快速集散、服務引導”，根據其服務范圍、交通功能的不同，可對其進行分類。

2.2.1 按服務范圍劃分

根據軌道交通樞紐服務范圍和服務半徑的不同，可將其分為都市級樞紐、市郊級樞紐和地區級樞紐。其中，都市級樞紐主要吸引都市圈中心城區的客流和對外交通的客流；市郊級樞紐是服務城市郊區、衛星城鎮與都市圈中心城區間旅客出行的客運樞紐，也是中心城區內交通中心樞紐；地區級樞紐是指地區性中心的軌道交通客流集散點。

2.2.2 按交通功能劃分

不同軌道交通的功能定位和客流服務主體不同，因此，可根據樞紐節點銜接的軌道交通方式構成，界定其主要的交通服務功能，具體可分為都市圈對外樞紐、市內樞紐與特定設施處樞紐等3類。其中，對外樞紐主要銜接都市圈對外的軌道交通方式，以國鐵干線、高鐵、城際為主，樞紐布局與都市圈發展形態、經濟文化活動等因素有關；市內樞紐主要銜接都市圈內部的軌道交通與城市其他公共交通，要求出行便利、銜接順暢，一般設于城市內的主要客流集散點處。

3 都市圈綜合軌道交通樞紐節點一體化布局模型

3.1 備選樞紐節點選擇及分級

備選節點的選擇是在影響因素分析的基礎上，選取關鍵因素建立評價指標體系，選擇適宜方法進行綜合評價得到各節點的排序，進而在總量控制下確定備選節點集合。

樞紐節點之間通過功能接續、有機配合實現綜合軌道交通系統的高效運轉，但不同節點的服務范圍、功能定位、布局方式等尚存在一定差異，通過層級劃分可明晰其功能定位和發展要求，進而更好地指導樞紐節點的協同化布局。

不同樞紐節點的銜接方向與銜接方式不同，在供給能力、服務效能、城市功能等方面的差異也較大，導致其發揮的效用大小不同[17]。因此，在節點選擇時，既需分析節點自身的吸引強度、服務能力、與客流集散點的分離程度，也需考慮與城市環境、上位規劃的協調性及樞紐建設的經濟性、綜合帶動性等多方面。據此，選擇客流潛力、服務能力、出行便捷性、銜接協調性、環境適應性、經濟性、綜合開發性等作為準則層，建立評價指標體系，通過節點重要度的計算與排序，篩選出備選節點集合，評價指標體系如圖2所示。

圖2 軌道交通樞紐備選節點評價指標體系

根據銜接的軌道交通系統構成，統籌考慮高速鐵路、城際鐵路、市域鐵路及城市軌道交通網的布局方案，以功能定位、客流需求特征為基礎，結合不同種類交通方式銜接關系，將樞紐節點的層次體系劃分為兩個層級。

一級節點層次：服務于都市圈核心區對內、對外多方向客流的快速集散，其銜接方式為高速鐵路、城際鐵路為基礎，市域鐵路及城市軌道交通為互補。是綜合軌道交通網絡的核心節點，交通功能與城市功能均較為突出。

二級節點層次：服務于都市圈外圍城鎮節點與都市圈核心區及對外的中長途交流，是承接一級節點客流向外疏散的載體，其銜接方式為高速鐵路為基礎、城際鐵路為互補，個別可實現市域、城市軌道交通的引入。其交通功能層次較為單一，城市功能相對較弱。

兩層級節點的功能側重不同，具有一定的相互兼容性，但均是樞紐節點體系的重要構成，節點劃分側重于對不同節點功能的明晰與適當分離，以更好地指導節點布局。在此基礎上，節點布局方案的確定也即尋求一級節點、二級節點合理組合的過程，即在一定規?？刂坪托枨笠龑?，在一級節點集合、二級節點集合中分別選擇功能明確、相互配合的節點，共同構成布局方案體系。

3.2 一體化布局模型構建

3.2.1 問題分析

在都市圈綜合軌道交通網絡化體系內，路網規劃布局方案及各層次旅客出行需求相對明確，樞紐節點的一體化布局是指從備選節點中選擇合理的樞紐，確定其位置及規模，以滿足各層次軌道交通的旅客出行需求及換乘需要。

不同利益主體對樞紐布局的訴求是存在差異的，考慮樞紐建設投入大、運營成本高，供給者希望盡可能降低成本來實現效益最大化，滿足客流需求的同時帶動周邊開發，提高衍生效益。而旅客作為出行主體，希望能夠快速、便捷地完成在軌道交通系統內的出行行程，盡可能地降低出行成本，但考慮旅客出行需求的多樣化，不可避免地會產生跨制式客流，因此，應重點考慮跨制式出行成本的最小化。

綜上，統籌考慮雙方不同的出行需求，將樞紐建設成本與旅客出行成本最小作為主要的目標，建立一體化布局模型[18-22]。

3.2.2 模型構建

(1)假設條件

為研究綜合軌道交通體系內的樞紐節點布局，將高鐵、城際劃分為一個體系，市域、城市軌道交通劃分為一個體系，并提出如下假設：

①假設各層次軌道交通線網規劃相對穩定，不同OD對間的旅客出行需求確定；

②假設每個備選樞紐具備往各個方向發車的能力；

③假設乘客在不同層次軌道交通之間的換乘均選取時間和費用最小的方案。

(2)模型構建

將都市圈軌道交通線網內所有的備選樞紐節點集合表示為N=N1∪N2，其中，N1={i，i=1，2，…，m}為高速鐵路、城際鐵路等國鐵體系線網內的樞紐節點集合，N2={j，j=1，2，…，m′}為市域、城市軌道交通等線網內節點集合，將不同體系內的備選節點是否被選擇作為決策變量，當xi=1、xj=1時表示備選節點被選中，否則，xi=0、xj=0。

將樞紐建設成本與旅客換乘成本最小作為優化目標，建立模型如下

(1)

式中，Fi、Fj為新增樞紐節點i、j的固定費用，包括建設費用、設備費用等；cij為兩體系跨制式出行而增加的固定費用；Hi、Hj為新增樞紐節點i、j的運營費用，與單位旅客運營成本與樞紐旅客發送總量有關；tij為旅客由樞紐節點i至節點j的出行時間；G為都市圈旅客人均時間價值；ωij為乘客由樞紐節點i至節點j的出行費用；Oij為樞紐節點i至節點j間的客流總量。

主要約束條件如下。

①運輸能力限制

(2)

②軌道交通客流最大化覆蓋約束

(3)

式中，Oi、Oj為樞紐節點i、j的旅客發送量；λ為樞紐節點的客流覆蓋比，不宜小于0.75；O為綜合軌道交通旅客出行總量。

(3)模型求解

本文建立的模型為混合整數規劃模型，可通過引入極大值M將模型線性化處理后，在優化軟件CPLEX 中進行精確求解。CPLEX自帶優化引擎，能求解線性規劃、二次規劃、二階錐規劃等基本問題及相應的混合整數規劃問題，執行速度快、語言簡單易懂、兼容性強，目前在運籌學、交通運輸等領域中已得到廣泛應用。

4 西安都市圈綜合軌道交通樞紐節點分級及布局研究

4.1 備選節點選擇

根據都市圈發展規劃，西安都市圈范圍包括西安、咸陽、銅川、富平、渭南、楊凌、周至、藍田、乾縣等地區。綜合考慮都市圈客運需求分布特征，以及不同城鎮的輻射范圍、城市影響、對外銜接功能等因素，將其范圍內的樞紐節點劃分為2個層級，并篩選出備選節點集合，具體見表1。

表1 備選樞紐節點構成及層級劃分

4.2 樞紐節點布局

根據綜合軌道交通樞紐協同布局的形勢要求，從成本效益角度出發，充分考慮投資主體的利益訴求及旅客便捷出行需求，構建基于綜合成本最小的模型進行布局，經測算，新增樞紐節點及相應乘客出行成本986 574萬元，形成方案如表2及圖3所示。

表2 都市圈樞紐節點布局方案

圖3 西安都市圈綜合軌道交通樞紐布局示意

5 結論

都市圈軌道交通網絡化發展形勢下，各層級軌道交通線路相互銜接，實現各方向客流在軌道交通系統內的快速流轉，樞紐既是聯動各層級線路、集散各方向客流的重要交通節點，也是帶動周邊城鎮開發、提供社會供給的城市要素，其規劃布局要與都市圈空間發展規劃、旅客出行需求分布相適應，并能充分發揮其交通功能及城市功能，因此，合理的規劃布局方法至關重要。以節點的選擇與空間布局為研究要點，即在多網融合發展框架下，分析樞紐節點布局的主要影響因素，提出其規劃布局流程；考慮不同節點的作用也有所差異，綜合節點的路網條件、經濟社會影響、開發帶動性等因素建立備選節點選擇的評價體系，對其進行分級；將樞紐一體化布局描述為尋找供需主體目標訴求最優的數學問題，提出通過建立混合整數規劃模型進行分析；最后以西安都市圈為例，進行實例分析。研究提出的方法綜合考慮了綜合軌道交通網的特征，從供需主體不同視角構建布局模型，操作簡便、適用性強，也更加符合綜合軌道交通樞紐的功能特征。但綜合軌道交通系統構成復雜，節點的功能愈加多元化，節點選擇與界定時對城市軌道交通系統內的局部節點考慮有限，對跨多層級的換乘客流難以全面兼顧，還有待進一步深化研究。