基于商业可达性的城市轨道交通研究.docx

1、选题背景、目的及意义
1.1 选题背景
最近几年，随着城市社会经济的高速发展，城市化进程的步伐不断加快，交通需求迅速增加，居民平均出行距离不断增大，汽车量的急速增加给城市道路建设、交通管理和环境带来了巨大压力，道路网容量己经不能满足日益增长的城市交通需求。缓和与改善交通紧张的局面，仅靠拓宽马路已经不能根本解决问题。因此，建立以快速大容量轨道交通和地面快速公共汽车交通为依托的综合客运交通体系，已成为城市发展的必然选择。
发展城市轨道交通是解决城市交通问题的重要手段。轨道交通建设从规划、设计、施工到运营，涉及建筑业、制造业及管理等各领域，其发展不仅可以推动我国建筑业、制造业的发展，同时，作为公益性、经济外部性很强的大型公共基础设施, 轨道交通的高度可达性及对站点周边物业的刺激开发作用, 可带来显著的房地产增值，推动城市经济的繁荣和发展。
城市交通是一个城市生活中必不可少的组成部分，交通的根本目的是解决人们出行问题，实现可达性。城市交通网络的结构和容量直接影响该城市可达性的高低，或者说影响一个地方到另一个地方的便捷程度。由于城市规模的不断扩大, 轨道交通的出现在一定程度上缓解了城市交通拥堵问题。国内多个城市都已经开通或新规划了多条线路。然而，目前国内外轨道交通的站点规划目标，往往集中在使站点附近社区居民的出行需求量覆盖率最大化，或者根据经验分析客流量预测对未来站点进行预测，很少把商业区可达性以及对该城市的商业贡献纳入其中考虑。究其原因是由于商业楼宇受所处区位的限制及数据和分析难度的影响，例如商业地价、规模、客流量等都不易获取或有较大的波动性。
1.2 选题目的
由于兴建和运营快速轨道交通系统需要庞大的成本，所以密切关注其效率和效力显得尤为重要（Karlaftis，2004）。本文的主要目的，是要将经典的四部走优化过程中的交通规划模型加以改进，使四个步骤的优化（出行目的，出行分布，交通方式选择和客流分布）合成一个优化过程，并且将商业可达性考虑在内，使得优化结果对规划区域的商业贡献最大化。本文研究基于商业可达性最大化的城市轨道交通线网模型，目的在于解决一个城市在满足规划区域交通可达性和流量的同时，使商业设施最为便捷和发达，使商业可达性在合理范围内最大化。
1.3 选题意义
可达性在交通规划中是一个非常重要的概念，对其在交通规划中的应用进行评估非常必要。乘客的最广泛需求是以上班和消费购物为主，而这些商业点往往汇集于城市的几大金融中心和商业中心。使乘客到达办公区、住宅区、休闲和其他社会活动区等主要结点的可达性最大化是交通规划和城市发展的一个基本目标。因此本文在考虑商业可达性的前提下，建立轨道交通模型，使其具有高度的可达性效能，有助于提高对城市发展的商业贡献。
轨道交通规划在缩短顾客与沿线商家距离、大大增加客流的同时, 加速了商业中心的转移, 加剧了零售业市场的竞争, 进而形成以站点为中心的商圈, 起到了商业聚集的作用, 大大提升了轨道交通站点周边外埠的商业价值, 达到促进沿线商业用地增值的效用。
轨道交通网络的站点位置直接决定了商业设施的可达性，可达性对于土地和房产价值又有重要影响，因而决定土地的开发和利用。因此，现有的城市土地利用结构有助于形成轨道交通模式，而城市轨道交通系统可以通过影响该城市可达性来形成土地利用模式。
基于商业可达性的轨道交通规划模型对于今后轨道交通规划问题具有指导作用，这一模型除了能够优化可达性这一单一目标之外，还可以进一步考虑多目标的地铁规划，从而可以根据目标不同来优化轨道线路
2、国内外研究现状
2.1可达性的研究回顾
在交通规划发展过程中，交通及可达性对于形成和改变城市格局方面的影响已经得到足够的认识（Bruton,1985)。使可达性最大化，行驶距离最小化，振兴城市相关商业设施，减小环境影响和降低社会不公平，已经成为城市交通规划的重要议程。（Tolley,1995）。对乘客而言，使乘客到达办公区、住宅区、休闲娱乐和其他社会活动区等主要结点的可达性最大化是交通规划和城市发展的一个基本目标（LTA,1996）。
在是否需要发展城市轨道交通系统这一问题上，一个重要的因素是最低人口密度。而最低人口密度取决于以下几个因素：私家车的可用性，交通是否拥堵，环境因素等特点。这一数据已经从上世纪末的200万居民下降到50万(Laporte, 2007)，因此对这类系统感兴趣的城市日益增加。然而，由于兴建和运营快速轨道交通系统需要庞大的成本，所以密切关注其效率和效力显得尤为重要（Karlaftis，2004）。
可达性受到不同研究领域学者的广泛关注，也因此产生了对可达性概念的不同理解。其中有代表性的包括：Viekerman（1974）认为可达性是指在社会中产生的包括直接来源于个体作用与来源于整个社会如交通拥堵、环境污染等副产品作用的必然花费。Weibull（1976）认为是指个人参与活动的自由度。Koenig（1980）认为可达性是指在一定的交通系统中，到达某一地点的难易程度。Geertman（1995）认为可达性是指在合适的时间选择某种交通设施到达目的地的能力。杨育军（2004）认为是由土地利用一交通系统所决定的、人／货物通过一定的交通方式到达目的地或参与活动的方便程度。美国交通统计年报提到（1999）可达性是指不同空间分布的点或区域之间相互影响的潜力。钮心毅（1999）认为可达性是指城市用地在时空上可接近的方便程度等。
可达性的计算方法主要有Ingram的距离模型（Space Separation Measures），Black（1977）的机会模型（Opportunity-based Measures），Hansen（1959）的势能模型（Potential models），Ben-Akiva and Lerman（1985）的效用模型（Utility-based models）。本文将把潜能模型考虑在轨道交通规划中，充分考虑商业可达性，建立易于度量的线性规划模型（LP: Linear Program）。
2.2轨道交通规划模型
在轨道交通规划模型的研究中，交通流量需求的预测是其中重要的组成部分。交通流需求的预测是一个多阶段的过程，在每个阶段可以用到不同的方法。一旦所考虑的区域被纳入研究区域，经典的四阶段模型就可以用来预测待规划轨道交通流量的需求。这四个阶段包括：1）出行数量分析：计算每个区域由于特定出行目的而生成的起始行程的数量。2）出行分布区域分析：制作表格，生成每个区域起点和终点行程（Trips)数量。3）出行模式选择分析：现有交通系统出行模式分配，包括公交车、火车、步行、私家车等。4）客流分配分析：具体路线的流量分配因用户选择交通系统不同而异。
以上四阶段经典模型在Dufourd, Gendreau and Laporte (1996）的文章中可见相关实例。Bruno, Gendreau and Laporte (2002)考虑了流量需求覆盖率最大化，而Laporte,Mesa and Ortega(2005)引入了流量需求的O-D矩阵(origin-destination matrix data)使经典模型的第二阶段合成一个整体。
在确定交通流量需求之后，紧接着就需要确定备选站点和具体的线路规划。在过去十年的规划问题的某些方面是参照了最优化模型和运筹学方法求解，从而在传统的四阶段走廊分析中需要考虑更多的备选方案。重要的是，公共交通系统的线网选择四阶段过程，可以确定潜在的快轨走廊。这是基于几个因素来估计的，如未来乘客流量，划分交通模式等。轨道交通走廊决定后，其中的备选站点根据不同情况合成几个网络。需要注意的是，由于备选站点的数量有限，完全不须使用优化方法进行筛选。但是，这导致更优的备选点很可能在早期就被淘汰，或者根本就没有考虑在内，尤其对于地下网络的规划。
3、 课题研究内容及技术路线
3.1主要研究内容
1、 可达性涵义及度量方法
可达性是一个灵活的的概念，有很多种具体的定义方法。只有在实际问题中，人们才会选择其中一个方法（Pirie,1979）。可达性的差异源于不同层面的理解，目前有关可达性的研究大多是面向客观层面即交通运输或通讯可达性。对于该层面的可达性的理解，包括两种类型：一种是从网络的空间配置角度考虑。以人流、物流、信息流的便利程度来度量某一点置的可达性大小。不同网络设施或网络目标对于待度量的点而言可能具有不同的权重。针对点或区域可达性的计算，可以得到有量纲的绝对数值。另一种是从Tobler地理学第一定律出发，认为空间上两点间的相互作用，随着距离的增大而减小，并且从社会经济学的角度，考虑两点间的吸引力规模，将待度量的点与外部所有其他点之间可能的影响之和视为外界施加到该点上的总潜能，亦即该点的可达性。分析由于空间位置差异而形成的需求点和吸引点之间潜在吸引力的规模和变化过程。此时。需要考虑所度量的点的需求规模和吸引点的引力规模，而与交通网络空间形态无关。针对点或区域可达性的计算，只能得到相对的无量纲的计算结果，其在比较环境下才有意义。
可达性的度量方法主要有距离模型（Space Separation Measures），机会模型（Opportunity -based Measures），势能模型（Potential Measures），和效用模型（Utility-based Measures）。
距离模型是一种最为简单、直观的可达性度量方法。该方法使用各种距离作为可达性指标，距离越小，可达性水平越高。距离法考虑了个体在交通网络中流动的耗费，但没有考虑距离的衰减以及各点的作用力规模等因素。
机会模型该模型考虑的是在一定的距离(或时间、费用)范围内从起点到达终点的人口或经济活动的数量，即在一个特定交通成本范围内存在的潜在终点。其缺点是未考虑时间半径外的活动，及度量点和吸引点之间的相互作用及其空间效应随距离的衰减。
势能模型弥补了前两者的缺陷，考虑了距离衰减。其假设两地之间的潜在机会与两地之间吸引力的大小正相关，而与二者出行阻抗负相关。通常采用如下形式：
=，i = 1，2，…，m；j =1，2，…，n。
上式中，为起点i的潜能或者可达性；为终点j的吸引力；为起终点之间的阻抗(距离、时间或费用)；α为系数；m为起点个数；n为终点个数。
效用模型假设个体出行选择效用最优的出行终点(或出行模式)，综合考虑了交通因素、土地利用因素、时间因素以及个体差异的可达性度量方法。以个人从交通—土地利用系统所获得的最大效益为可达性度量指标，考虑了个体差异。能反映出人们实际的满意程度。
总结以往的轨道交通规划模型，主要存在三方面不足：1) 缺少对活动地点容量限制、提供活动机会及时间的考虑；2) 缺少对出行目的的考虑。本文拟从以上方面进行改进，以工作或购物出行为主要出行目的，考虑土地、交通、个体以及时间因素，将较为广义的可达性理论模型及计算公式应用在轨道交通规划中，充分考虑商业可达性，建立易于量度的线性规划模型。
2、 轨道交通的优化设计方法（三阶段）
轨道交通规划过程的一个关键部分是基本的网络设计，其中包括两个相互交织的问题：即确定轨道线路和确定站点的位置。因为本文的一个目标是鼓励在轨道交通系统设计过程中考虑商业可达性，并引入优化法。故分如下三个阶段：
1）选择关键结点（主要站点）
网络设计将根据对行程（trips）的起点或终点（供求点）的流量需求量进行调查了解，来确定可能的关键节点。比如商场、办公楼、公共设施，由于需求量较大都有可能作为关键结点（主要站点）。
2）设计核心网络
根据已选择的关键节点，确定可能线路的名单，使系统的有效性最大化。
3）确定次级站点
一旦线路大体上确定，次级站点就可以确定了，将沿着主站点确定的边使线路覆盖的需求量最大化。

3、 LP模型的建立
本文主要讨论第二阶段，即在给定的备选站点基础上，设计规划线路，同时充分考虑商业可达性，结合可达性的计算方法，建立轨道交通的LP模型。虽然本文可能会涉及对第一阶段的一些讨论，但主要是为了解决第二阶段的优化问题。初步的模型建立如下：
目标函数（Objective)：
约束条件（Constraints）：
(3.1)
(3.2)
(3.3)
(3.4)
(3.5)
(3.6)
(3.7)
(3.8)
(3.9)
(3.10)
(3.11)
(3.12)
(3.13)
(3.14)

目标函数是使所要规划的轨道交通走廊的商业地产可达性最大化，其中是表示有序对p的流量需求对这一轨道交通的可达性，表示有序对p的流量需求是否选择规划的轨道交通。
约束条件（3.1）~（3.2）是模型的限制条件，表示规划线路经过的站点和边（link）的成本之和不超过每条线路预算成本的上下限（alignment）。（3.3）~（3.7）表示与起点和终点相连的边只能一条；且每条边上的客流都是可逆的；起点（O）和终点（D）都只能有一个；除O和D，其他站点均连接两条边（link）。（3.8）~（3.12）是路径需求限制，其中每组有序对（q，r）是吸引点和度量点间由首尾相连的link连接而成，客流量中途不发生变化。（3.13）表示乘客选择使用该轨道公共交通工具，而不选择其他私人交通工具。（3.14）表示只有当吸引点的乘客选择该轨道公共交通（有序对经过该轨道交通），才产生流量需求，否则不选该条边。
X、Y、U是二元变量，只可取0或1，X=1表示选择该边（Link），X=0表示不选择；Y=1表示选择该站点，Y=0表示不选择；U=1表示需求有序对p使用该轨道交通，U=0表示使用其他交通方式；Z=1表示需求有序对p使用该网络的成本小于其他交通方式的成本，Z=0表示需求有序对p使用该网络的成本小于其他交通方式的成本。C表示交通成本。
4、算法及数值分析
本课题研究主要基于LP方法，拟采用CPLEX完成模拟测试，对比分析一般轨道规划问题的结果和本模型的规划结果，进而比较两者可达性的差异，如果考虑规划地区商业可达性最大化，则应优选该方案使规划区域可达性最大化。
3.2研究的技术路线
（1）本文拟在深入研究可达性理论和轨道交通规划的基础上，强化运筹学建模理论，建立本课题的数学模型。
（2）本课题拟采用CPLEX优化软件，完成LP模型的测试，对比本文优化结果和一般轨道交通规划结果。
4、课题研究中可能遇到的问题与对策
（1）建模过程中的问题
在建模过程中，运用到大量运筹学相关的建模知识，所以需要深入学习运筹学，为建模和完善模型打好基础。
（2）将模型转化为计算机程序
根据初步建立的LP模型，本课题拟采用CPLEX完成测试，所以需对此软件及编程进行学习，以实现模型的计算和数值分析。
（3）资料、数据的收集
部分方法理论在国内有所欠缺，应该尽量克服一切困难，广泛搜集、阅读国内外的文献，完成论文的写作。程序
5、时间安排
2010.09－201103：资料搜集及工作准备，查阅相关文献，进一步学习基本理论，完成开题报告。
2011.04－2011.05：对商业地产可行性进行分析与研究。
2011.06－2011.8：对传统轨道交通规划模型进行分析与研究。
2011.09－2011.10：建立并完善本课题轨道交通规划模型。
2011.11－2011.12：对模型进行计算和数值分析。
2012.01－2012.04：对论文涉及的问题从理论上进行分析后得出结论，并结合实际工程项目进行研究，完成论文初稿及修改。
2012.05－2012.06：定稿及答辩。
6、参考文献
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