基于步行可达性的高铁站公交设施布局优化.pdf

第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:王海亮()男江苏海安人高级工程师硕士研究方向为工程管理(:.)基金项目:武汉市多要素城市地质调查示范项目()武汉城市铁路建设投资开发有限责任公司研发项目()基于步行可达性的高铁站公交设施布局优化王海亮 黎 佳 罗 维 刘有军 黄兰莉 王岳丽(.武汉城市铁路建设投资开发有限责任公司 湖北 武汉.华中科技大学 土木与水利工程学院湖北 武汉.武汉市规划研究院 湖北 武汉)摘 要:“站城融合”理念要求高铁站区的公共交通设施应具备良好的步行可达性和紧凑的空间形态 为使二者协同优化在经典可达性模型的基础上引入空间形态参数建立公共交通设施步行可达性改进模型 并以步行可达性最大和总建设成本最小为目标函数以公交线路、建成环境及相关规范对公共交通设施的要求为约束条件建立公共交通设施布局优化模型通过引入整数决策变量和采用对数形式处理非线性的目标函数将模型重构为混合整数线性规划模型()并利用 改进了求解模型的 算法 最后以某高铁站核心区公共交通设施为例进行优化求解得到了在特定成本限制下实现该区域步行可达性最优的公共交通设施布局方案验证了步行可达性改进模型的合理性关键词:高铁枢纽 步行可达性 多目标优化 混合整数线性规划模型 中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):“”.().:土木工程与管理学报 年 我国高铁枢纽已向综合客运枢纽模式发展是城市道路网络、地面公交网络和轨道交通网络交汇的重要设施给周边城市区域带来了巨大的发展潜力和空间聚集效应引领土地的综合开发与利用 由于高铁枢纽选址较偏远和采用机动化优先策略站区的公共交通设施难以与城市空间形成良好互动限制了办公、住房及休闲、娱乐等业态的发展“站城融合”理念是一种将交通枢纽的交通功能与城市功能有机融合的新型城市发展模式 在此理念下高铁枢纽需优化交通结构与空间布局以强化公共交通设施与城市功能设施的步行衔接即提高公共交通设施的可达性并提高设施布局的空间整体性其中可达性指出行者在交通网络中出行的便利程度或一定出行范围内获取的机会数 关于可达性的研究集中于三个方面:一是对某交通方式沿线出行阻抗、商业效益、机会成本的测度二是研究区域内到达某类特定设施的便捷程度三是从街道全局角度研究路网的步行可达性与空间连通性 关于枢纽站区各公共交通设施的步行可达性研究较少同时关于枢纽站区交通衔接的研究集中于交通换乘接驳时的集散能力、步行效率等方面对公共交通设施与城市服务设施间的步行衔接研究较少 因此本文将从提高步行可达性和空间整体性的角度对高铁枢纽站区公共交通设施进行优化配置旨在加强公共交通设施与城市设施间的衔接 公共交通设施步行可达性改进模型.可达性计算模型可达性模型主要包括空间阻隔模型、累计机会模型、空间相互作用模型、效用模型和时空约束模型等 在高铁枢纽站区中公共交通设施布置的目标是与城市设施快速衔接并有良好的覆盖效果故可达性模型需要同时考虑出行阻抗及各设施提供的机会数 因此可结合空间阻隔模型和累积机会模型构建新的步行可达性模型此时公共交通设施 的步行可达性 可初步表示为:()式中:为步行网络中各类设施的总数量为设施 和 之间的出行时间阻抗()为设施 在搜索半径内的机会数可用站区内地图 点数测量 由于设施间的距离远近会影响机会数对客流的吸引能力直接将设施在一定范围内可获得的机会总数作为设施的机会数并不符合实际情况故需要引入衰减函数对 进行修正.机会数衰减计算由于机会数衰减的速度与设施间的距离并非线性关系引入核密度衰减参数()使机会数计算更符合实际情况 核密度衰减是指以设施 为核心以设施 与 之间的步行最短距离 为权重计算设施 的机会数对设施 产生的实际吸引力 常用核密度函数中高斯核函数应用最为广泛且相比其他两种核函数对不同数量的样本适用性更强 因此本文采取高斯核密度函数进行机会数衰减计算其公式如下:()()式中:为设施 的影响范围()为设施 间的步行最短距离()利用 算法计算则设施的机会数 应按如下公式计算:()式中:为与设施 直线距离为 的设施的集合为设施 处的机会数()为以设施 为核心设施 的核密度衰减函数.空间形态量化指标计算由于“站城融合”理念对高铁站区公共交通设施的通达性、整体性提出更高要求并强调空间各设施的出行便捷程度和布局紧凑程度而现有步行可达性模型并未考虑公共交通设施的整体性对机会参数的影响 因此重点考虑采用整体性指标对设施空间形态进行量化对步行可达性模型进行改进 能够表征节点整体性的指标包含连接值、深度值、整合度等 其中连接值更适宜描述道路之间的联系对于公共交通节点并不适用整合度计算的度量方式为角度距离在节点与节点之间的量化中并不适用 节点的平均深度值则可用于描述节点之间的紧密程度 且深度值()采用拓扑距离进行计算为无量纲变量在后续模型中采用无量纲变量更易实现公式计算则选取平均深度值()作为整体性指标更合适公式如下:()()由于设施平均深度值的大小与整体性成负相 第 期王海亮等:基于步行可达性的高铁站公交设施布局优化 关为实现步行可达性与整体性的协同优化引入设施平均深度值的倒数作为设施 处的空间形态参数 公式如下:()()对上文所示步行可达性模型增加空间形态参数 进行改进建立高铁枢纽站区公共交通设施步行可达性改进模型(下称步行可达性改进模型)公式如下:()式中:为公共交通设施 的可达性()为研究区域内的公共交通设施总数 公共交通设施布局优化模型.模型概况.基本假设()设施优化方案本模型中默认城市公共服务设施位置与数量保持不变且考虑到用地、成本以及一体化建设合建式出入口、下沉式出入口、高铁枢纽的公交枢纽站数目不予调整 因此只需对枢纽独立式出入口和公交中途站进行调整()设施位置假设交叉口的位置简化为交叉口各进口道中线的交点道路简化为交叉口之间的连线 同时由于独立式出入口、公交中途站设于道路两侧为方便计算其坐标假设其位置在道路上其坐标须满足道路的线性关系并在两端交叉口坐标范围内()独立式出入口假设新建的独立式出入口需配建与其他出入口相连的地下通道考虑到建设安全及成本假设新建地下通道方向与道路方向呈平行或正交关系并假设新建独立式出入口只需与与其距离最近的已建出入口(不含合建式出入口)相连.目标函数高铁枢纽站区公共交通设施需要和高铁枢纽、站区各城市设施便捷衔接缩短公共交通设施与城市公共服务设施的步行时间并提高各个设施之间的整体性 同时控制新建和拆除公共交通设施的数量降低建设成本 因此本模型的优化目标可设为站区范围内公共交通设施步行可达性值最大和建设成本最小 目标函数可初步表示为:()式中:为步行可达性负数为设施的步行可达性为优化后的节点总数包含公共交通节点和城市设施节点(个)为新建一座独立式出入口的成本(万元)为新建独立式出入口的数量(个)为新建一座公交中途站的成本(万元)为新建公交中途站的数量(个)为拆除一座公交中途站的成本(万元)为拆除公交中途站的数量(个)为地下通道每延米的建设成本(万元)为新建地下通道的长度为便于求解将目标函数调整为求最小值格式 模型的决策变量为新建设施的横、纵坐标和设施的数量.约束条件依据公交线路、建成环境及对公共交通设施的要求确定模型的约束条件如下主要分为公交站距约束、站点覆盖率约束和位置约束 类.公交线路约束根据出行者对换乘距离的需求高铁枢纽站房出入口和与其直接相连的公交站点的步行距离应在 以内 本模型中该约束体现为设施间的邻接矩阵 中相应连接值的限制 约束表达如下:()式中:()为独立式出入口和公交中途站组成的邻接矩阵且独立式出入口和公交中途站之间有直接相连道路 为独立式出入口和公交中途站点间的路线长度()同一公交线路上的公交中途站应保持合理站距 此约束可表达如下:式中:为在同一条道路上的公交中途站()和()间的道路长度().公交站点覆盖率约束根据站点覆盖率 的要求约束条件如下:公交站点 覆盖率 公交站点 覆盖率.公交站点位置约束设施()在道路()上两端交叉口为()()设施与交叉口坐标需满足以下约束 土木工程与管理学报 年关系:()()()()()()()()式中:分别为节点 的横、纵坐标()()分别为坐标系中交叉口()的横、纵坐标()()分别为坐标系中交叉口()的横、纵坐标此外对公交中途站的位置和换乘距离提出了要求 假设公交中途站()在交叉口()、道路()方向的出口道上 则公交站点与交叉口的距离对公交中途站的位置要求约束条件为:()()()()()且()()且()式中:()为道路 靠近交叉口()进口道的右侧展宽长度()()为道路 的等级主干路取值为 支路取值为 同条道路上公交中途站与同向站点的距离对公交中途站的位置要求约束条件为:()()式中:()和()为在同一条道路相同方向的公交中途站同条道路上公交中途站与异向站点的距离对公交中途站的位置要求约束条件为:()()式中:()和()为在同一条道路不同方向的公交中途站.优化模型求解算法设计非支配排序遗传算法()相比其他算法具有群体搜索保留种群多样性精度高解集收敛好等优点是目前多目标优化问题运用最典型的算法 本文选取 算法求解公共交通设施布局优化模型利用 平台对该算法进行具体设计和改进使其满足模型要求 算法的基本流程如图(图中:为当前种群迭代次数为最大迭代次数)所示 案例分析.研究范围本文选取某高铁站核心区作为研究对象主要包含文化展示中心、高铁枢纽核和产业总部中心 用 地 地 理 范 围 大 致 在 东 经.?、?，?gengenmax?gen gen 1=+图 算法基本流程.北纬.之间长约 宽约 面积约.其道路结构及用地布局如图 所示图 站域核心区道路结构及用地布局.模型参数标定本模型中涉及到的基础参数包括站区设施数据参数和 算法中的相关参数现分别进行标定.站区数据参数标定首先对枢纽核心区内各设施数量数据进行标定根据前期调查参数标定如表 所示表 站区设施数量参数标定参数数量 注:为城市服务设施出入口节点(个)为优化过程中新增节点的最大数量(个)为原有独立式出入口(个)为原有公交中途站(个)为站区道路总条数(条)为优化过程中可能出现的最大节点总数(个)其次对独立式出入口的新建成本、公交中途站的新建、拆除成本等参数进行标定 参考该高铁站所在城市市政工程一般预算情况进行成本标定如表 所示 第 期王海亮等:基于步行可达性的高铁站公交设施布局优化 表 站区设施成本参数标定设施独立式出入口新建成本公交中途站新建成本 公交中途站拆除成本 地下通道修建成本(每延米)成本/万元.算法参数标定在 算法中需要标定目标函数数量、决策变量个数、交叉指数、变异指数、交叉概率、变异概率等参数借鉴文献在利用 算法求解多目标优化问题时常用的参数取值情况本模型的参数标定如表 所示表 算法参数标定参数种群数最大迭代次数目标函数数量决策变量个数交叉概率变异概率数值.优化结果通过 算法对公共交通设施布局优化模型进行求解最终得到了如图 所示的 最优前沿集中收敛于图中的 个点 目标函数越小可达性越好站区设施总可达性的大小与设施建设成本成正相关2800260024002200200018001600140012001000800f2/?500550600650700750800f1/s-1Pareto?A图 模型 前沿分布本模型可以在特定成本的限制下寻求站区设施可达性的最大化 已知该站核心区公共交通站点改建预算上限为 万元则在此预算下使设施可达性达到最大的解为图 中的 点对应解 相应的优化方案为:新建 座独立式出入口拆除 座、新建 座公交中途站 模型求解得到建设成本为 万元其中公共交通设施拆除、新建总费用为 万元地下通道建设费用为 万元 优化后的公共交通设施分布如图 所示 下面对枢纽出入口与常规公交站点优化方案分别进行介绍优化后公交枢纽站、公交中途站等常规公交站点的布置如图 所示 后续研究可以此布置为基础进行公交线路的规划设计30.55630.55430.55230.55030.54830.54630.54430.54230.54030.538?/()o?/()o114.146114.15114.154114.158114.162?图 优化后公共交通设施分布30.55530.55030.54530.54030.535?/()o?/()o114.146114.15114.154114.158114.162?图 优化后常规公交站点分布采用半径分别为 的公交覆盖率指标对图 核心区常规公交站点进行分析 根据公交中途站的经、纬度通过 平台利用蒙特卡洛法可求得初始状态下公交中途站覆盖率分别为:.经优化后的公交中途站的覆盖率 分别为:.可以得出经优化后该站的常规公交 覆盖率均满足规范要求且优化后分别提升了.和.说明此模型可以有效提升站区常规公交的覆盖范围 结 语在“站城融合”理念下高铁枢纽站区公共交通系统应满足站区生活性客流的出行需求也对高铁枢纽步行出入口、公交站等公共交通设施与城市功能设施的步行衔接提出了新的要求 在此背景下本文对高铁枢纽站区公共交通设施的步行可达性优化展开了研究主要有以下工作内容及结论:()建立了基于“站城融合”的高铁枢纽站区公共交通设施步行可达性改进模型 在经典的空间阻隔模型、累计机会模型的基础上引入了节点在步行衔接网络中深度值的倒数作为空间形态参数使其可以同时表征节点的可达性与整体性有利于二者的协同优化()以站区总可达性最大及建设成本最小为 土木工程与管理学报 年目标函数公交线路、站点覆盖率以及站点位置为约束条件建立了高铁枢纽站区公共交通设施布局优化模型 引入了一定数量的松弛设施和 决策变量对目标函数进行线性化重构使模型满足混合整数线性规划的形式便于求解 设计了求解算法使其满足约束条件并保证了种群的多样性 该算法可求得使站区总可达性与建设成本相平衡的 最优解可在特定成本要求下寻求站区可达性最大的解以某高铁站为例验证了模型的合理性在后续研究中可有以下研究方向:()综合考虑站区机动车道路网络、公共交通网络和步行交通网络的发展要求从公交接驳、公交线路优化等方面对高铁枢纽站区公共交通系统进行系统化研究()提高优化模型数据标定的准确性探究其他多目标优化模型先进求解算法提高算法效率和精准度()本文从步行衔接角度探讨了公共交通设施的可达性优化方法未考虑道路网络的物理特征及出行者的出行特征 在接下来的研究中可综合考虑上述特性研究高铁枢纽站区公共交通设施的优化布局方法参考文献 叶 娇.面向城市交通枢纽的多模式组合出行效用及网络承载力评估.南京:东南大学.闵 俊 刘纹滔 孙军先 等.高铁站综合交通枢纽总体研究思路.铁道标准设计 ():.王 昊 殷广涛.试论中国大型高铁枢纽的发展趋势.城市建筑():.:.:.夏海山 林春翔 刘晓彤.当代城市轨道交通枢纽开发与空间规划设计.北京:中国建筑工业出版社:.周雨阳 李芮智 潘利肖 等.北京南站公共交通可达性计算与评价.北京工业大学学报():.():.樊嘉聪 高亿洋 吴昊.城市公共交通可达性评价方法研究 以珠海市为例.城市交通():.:.():.谢 超.基于网络分析的地下通道对街区步行可达性影响研究 以广州天河新城为例/面向高质量发展的空间治理 中国城市规划年会论文集(城市规划新技术应用).北京:中国建筑工业出版社:.庄宇 张灵珠.站城协同:轨道车站地区的交通可达与空间使用.上海:同济大学出版社:.():.马雪松.大城市公路客运枢纽客流特征及换乘衔接协调性研究.北京:北京交通大学.王 恒.综合交通枢纽行人流组织设计研究.西安:长安大学.陆化普 王继峰 张永波.城市交通规划中交通可达性模型及其应用.清华大学学报(自然科学版)():.高 巍 欧阳玉歆 赵玫 等.公共服务设施可达性度量方法研究综述.北京大学学报(自然科学版)():.倪建华.城市医疗服务设施布局均衡性评价方法与优化研究 以南京市为例.南京:南京大学.李永正.改进人工蜂群算法求解多目标连续优化问题.哈尔滨师范大学自然科学学报 ():.