張英群, 宋 瑞, 何世偉, 殷瑋川
(1. 北京交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100044;2. 清華大學(xué) 一帶一路戰(zhàn)略研究院, 北京 100084)
高速鐵路的快速發(fā)展縮短了城市間的距離,大幅度提升了城市間的出行量。然而相對滯后的城市交通卻成為了縮短出行時間的瓶頸。高鐵樞紐作為銜接城市周邊區(qū)域和城市內(nèi)部的重要節(jié)點(diǎn),對城市客流的集散和運(yùn)輸起到了至關(guān)重要的作用[1]。城鎮(zhèn)化發(fā)展導(dǎo)致城市規(guī)模擴(kuò)大,增加了平均出行距離,而大部分處于發(fā)展時期的城市仍然缺少有效的高鐵集疏運(yùn)體系,以實(shí)現(xiàn)高鐵樞紐對城市核心功能區(qū)的輻射與耦合聯(lián)動。常規(guī)公共交通如地面交通、地鐵等,存在準(zhǔn)點(diǎn)率低、耗時長、擁堵、舒適性差、換乘不便、無處安放行李等問題,尤其當(dāng)?shù)罔F在夜間停運(yùn)后,導(dǎo)致乘客在高鐵車站大量滯留、車輛擁堵等現(xiàn)象。
建立高鐵集疏運(yùn)通道,是快速疏散高鐵車站客流、提升公交出行服務(wù)水平、解決城市交通問題的重要對策,基于此,高鐵快巴應(yīng)運(yùn)而生。高鐵快巴是一種城市快速公交,通過開行大站快車,連通高鐵車站和城市大型需求點(diǎn),提供舒適座椅、行李存放、充電等人性化服務(wù),具有高時效性和舒適性。雖然我國部分地區(qū)已經(jīng)開設(shè)了高鐵接駁專線,但是多數(shù)提供服務(wù)與常規(guī)公交無異,有些也只在特定時間開行,如北京高鐵專線只在小長假夜間地鐵停運(yùn)后開行。高鐵快巴研究集中在時刻表設(shè)計(jì)[1],票價設(shè)計(jì)和效益分析[2],文獻(xiàn)[3]通過蟻群算法對遠(yuǎn)離市中心的高鐵車站進(jìn)行了公交接駁線路設(shè)計(jì)。以往研究缺少對高鐵快巴站點(diǎn)需求特性的考量以及與城市空間結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性和適應(yīng)性,完善的高鐵快巴線網(wǎng)仍然需要進(jìn)一步被探索。
公共交通為導(dǎo)向的開發(fā)(Transit-oriented Development,TOD)是適應(yīng)區(qū)域一體化發(fā)展、優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)和交通布局的重要手段。其最初為解決20世紀(jì)初美國的市中心密度低和城市蔓延問題,致力于樞紐站點(diǎn)周邊的土地開發(fā)。隨著城鎮(zhèn)化水平提升和城市密度增加,TOD理念開始強(qiáng)調(diào)公共交通體系和城市空間的一體化發(fā)展[4]。目前我國人口眾多、建筑密度大、長期處于高速發(fā)展階段,TOD不再局限于少數(shù)樞紐周邊的高密度、多功能集成化開發(fā),而是以軌道交通站點(diǎn)為主體,引導(dǎo)并建立區(qū)域交通、周邊土地開發(fā)、周邊經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展機(jī)制,并通過建立大運(yùn)量的快速公交通道,完成城市人口集散,依托主要交通節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)周邊區(qū)域生產(chǎn)、生活等多重功能的整合,以實(shí)現(xiàn)城市結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。
基于TOD理念構(gòu)建高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò),并非是加強(qiáng)城市的TOD開發(fā),而是依托TOD理念識別城市大型需求點(diǎn),通過建立高鐵集疏運(yùn)通道,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高鐵樞紐和城市主要功能區(qū)的整合與聯(lián)動。本文基于服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)(Service Network Design)理論[5-6]對高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,近年來服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的研究則更側(cè)重方法與異質(zhì)性問題的一體化優(yōu)化。如文獻(xiàn)[7]采用連續(xù)近似模型對多模式公交服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行研究,文獻(xiàn)[8]研究了低需求服務(wù)模塊的物流庫存模型一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[9]研究了多類型車隊(duì)周轉(zhuǎn)的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題。公交類的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題多采用傳統(tǒng)離散服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行建模,鮮有考慮TOD理念對服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的影響。本文通過構(gòu)建區(qū)域TOD指數(shù)和沿線TOD指數(shù),將TOD理念應(yīng)用于高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題中,設(shè)計(jì)規(guī)劃高鐵快巴線網(wǎng),實(shí)現(xiàn)區(qū)域和城市內(nèi)部的協(xié)調(diào)同步發(fā)展,更符合乘客需求和社會效益的要求。
本文首先分別構(gòu)建區(qū)域TOD指數(shù)和沿線TOD指數(shù),依托對區(qū)域TOD指數(shù)的排序篩選出城市需求點(diǎn),并以高鐵快巴特性為約束構(gòu)建備選線路集合。隨后,本文基于網(wǎng)絡(luò)流模型,構(gòu)建了以服務(wù)網(wǎng)絡(luò)TOD效用最大和廣義成本最小為目標(biāo)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型,通過數(shù)學(xué)優(yōu)化軟件進(jìn)行求解,設(shè)計(jì)高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò),最后以北京市為案例進(jìn)行實(shí)證分析。
傳統(tǒng)TOD著重于站點(diǎn)周邊土地的復(fù)合利用,最為經(jīng)典的是地點(diǎn)—場所模型[10],而依托快速交通系統(tǒng)的TOD開發(fā)可以進(jìn)一步通過運(yùn)輸通道實(shí)現(xiàn)大客流的吸引和集散。本研究主要基于兩種TOD模式[11],一種是站點(diǎn)(高鐵站、樞紐站等)周邊的多功能、聚合開發(fā)模式,第二種是基于快速公交通道的沿線開發(fā)模式,見圖1,并以此為基礎(chǔ),構(gòu)建了區(qū)域TOD指數(shù)和沿線TOD指數(shù),以評價主要功能區(qū)/大型需求點(diǎn)的TOD發(fā)展水平,以及區(qū)域間沿線的TOD發(fā)展?jié)摿?。研究框架見圖2。
TOD最早遵循3D(Density, Diversity, Design)原則,但在國內(nèi)人口及建筑密度高、經(jīng)濟(jì)處于快速發(fā)展階段的背景下,TOD發(fā)展應(yīng)適應(yīng)國情,更注重疏散客流、緩解擁堵、增強(qiáng)城市聯(lián)通。早期因數(shù)據(jù)缺失,國內(nèi)研究大多基于交通設(shè)施、土地利用數(shù)據(jù),探索城市TOD發(fā)展水平、站點(diǎn)與土地利用協(xié)調(diào)關(guān)系[12]。近年來,豐富的POI數(shù)據(jù)使得出行行為、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等[13]可以被量化。本文引入人群聚集性、人均消費(fèi)水平等鮮有被考慮的影響因素,進(jìn)一步豐富了TOD的內(nèi)涵。
為了提升以城市需求點(diǎn)、交通節(jié)點(diǎn)的TOD發(fā)展?jié)摿Γ瑧?yīng)以該區(qū)域?yàn)橹行?,充分利用快速交通帶來的?jīng)濟(jì)、社會效益,實(shí)現(xiàn)生活、商業(yè)、文化、娛樂等多功能的融合和周邊區(qū)域高效的土地利用,促進(jìn)人群聚集和流動。基于此,本文從交通出行便捷性、區(qū)域開發(fā)密度、區(qū)域發(fā)展?jié)摿θ齻€方面對區(qū)域TOD指數(shù)進(jìn)行了評價,指標(biāo)體系見圖2。其中,交通出行便捷性主要考慮交通接駁的便捷程度,通過區(qū)域內(nèi)部公交站點(diǎn)密度和公共自行車??奎c(diǎn)密度來衡量;區(qū)域開發(fā)密度主要通過區(qū)域內(nèi)商業(yè)建筑的密度、居住建筑的密度、公共服務(wù)設(shè)施的密度來衡量,數(shù)據(jù)來源于高德POI數(shù)據(jù);區(qū)域發(fā)展?jié)摿Υ砹嗽搮^(qū)域的吸引力,其中人群聚集性為一個月內(nèi)區(qū)域微博簽到次數(shù),反映了區(qū)域?qū)θ说奈?,土地價值來源于鏈家網(wǎng)的平均房價數(shù)據(jù);人均消費(fèi)水平反映了該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,來源于大眾點(diǎn)評的人均消費(fèi)數(shù)據(jù);功能多樣性體現(xiàn)了區(qū)域的多功能性,計(jì)算方法取自文獻(xiàn)[14]。
本文選取了城市主要地鐵站點(diǎn)為城市需求節(jié)點(diǎn),并以地鐵站點(diǎn)為中心的1 km范圍作為研究區(qū)域,采用空間多準(zhǔn)則決策分析(Spatial Multi Criteria Analysis)[15]和AHP模型,通過專家打分法計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重,最終確定區(qū)域TOD指數(shù)。
高鐵集疏運(yùn)通道是城市交通走廊的重要組成部分。該通道不僅能夠?qū)崿F(xiàn)城市重要節(jié)點(diǎn)物理空間上的聯(lián)通,更實(shí)現(xiàn)了客流、信息流、商業(yè)流等多要素的聯(lián)通。引力模型構(gòu)建是常見的分析兩區(qū)域聯(lián)通的模型,故而本文基于引力模型構(gòu)建了沿線TOD指數(shù)。其與發(fā)生聯(lián)系的兩個區(qū)域相關(guān),區(qū)域TOD指數(shù)越高,則吸引程度越高;區(qū)域間出行成本越高,則吸引程度越低。
( 1 )
式中:ΩAB、ΩB、ΩB分別為AB沿線、A區(qū)域、B區(qū)域的TOD指數(shù);WAB為AB間出行成本。
高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是運(yùn)輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的一種,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)即為高鐵站點(diǎn)、大型需求點(diǎn)(如地鐵站點(diǎn))等,通過網(wǎng)絡(luò)中弧段的不同組合,形成不同的服務(wù)線路。本文設(shè)定每一條高鐵快巴線路的起訖點(diǎn)都是高鐵車站。A、B、C為高鐵站;需求點(diǎn)1、2、3、4為需要被服務(wù)的大型需求點(diǎn),見圖3。線路1提供的是由A到C的直達(dá)服務(wù),線路2為A經(jīng)過經(jīng)停站需求點(diǎn)1和B后最終到達(dá)高鐵站C。
本文的備選線路是依托城市道路網(wǎng)絡(luò)和站點(diǎn)間的OD量而設(shè)計(jì),流程圖見圖4。
Step1確定高鐵快巴的服務(wù)范圍。假設(shè)高鐵快巴服務(wù)范圍的半徑介于[Rmin,Rmax],則以高鐵站為中心,分別作半徑為Rmin和Rmax的同心圓,環(huán)形區(qū)域即為高鐵快巴的服務(wù)范圍。
Step2確定高鐵快巴站點(diǎn)備選集合。在高鐵快巴服務(wù)范圍內(nèi),取區(qū)域TOD指數(shù)最高的前S個站點(diǎn),作為高鐵快巴站點(diǎn)的備選集。
Step3構(gòu)建物理路網(wǎng)。根據(jù)需求點(diǎn)所在的城市快速路、主干道構(gòu)建物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌@取相關(guān)道路設(shè)置信息。
Step4計(jì)算初始路徑。依托站點(diǎn)間OD矩陣,獲得以高鐵站為出發(fā)點(diǎn)或終到點(diǎn)的OD量最大的前M個初始站點(diǎn),并以高鐵站為起訖點(diǎn),計(jì)算通過這M個站點(diǎn)的K短路,檢驗(yàn)這些線路是否符合高鐵快巴線路長度范圍[Lmin,Lmax],符合的線路放入線路備選集,否則直接刪除該線路。如果全部不符合線路長度要求,則減少初始站點(diǎn)數(shù)量再次計(jì)算。
Step5拓展備選線路集合。以初始路徑為基礎(chǔ),對初始站點(diǎn)進(jìn)行替換操作和刪減操作,構(gòu)成新站點(diǎn)集合,尋找符合線路長度要求的K短路,并循環(huán)此步驟,以拓展線路數(shù)量。
Step6檢查備選線路集合是否覆蓋所有站點(diǎn)。當(dāng)所有備選線路集合能夠覆蓋所有站點(diǎn)時,結(jié)束該流程。查找并刪除重復(fù)線路,獲得最終線路備選集合。
2.3.1 模型假設(shè)
(1) 為方便車輛調(diào)度和回庫檢修,假設(shè)每條開行線路起訖點(diǎn)都是高鐵站點(diǎn)。
(2) 若高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的OD對中沒有高鐵站點(diǎn)存在,則不考慮該OD為設(shè)計(jì)高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的初始OD需求。
(3) 假設(shè)決策周期內(nèi)客運(yùn)需求相對穩(wěn)定。
2.3.2 模型參數(shù)與變量
定義簡化的物理網(wǎng)絡(luò)為G=(N,E),其中,N為需求點(diǎn)集合,用n進(jìn)行索引(nN),E為需求點(diǎn)間區(qū)段集合,用e進(jìn)行索引(eE)。
A為服務(wù)弧段集合,索引為a(aA)。An+和An-分別為以節(jié)點(diǎn)n為起點(diǎn)和終點(diǎn)的服務(wù)弧段,且An+A,An-A;ca為服務(wù)弧段a上乘客的單位距離成本,元/(人·km);ta為服務(wù)弧段a的運(yùn)輸時間,min;la為服務(wù)弧段a的運(yùn)輸距離;,km;Ωa為服務(wù)弧段a的沿線TOD指數(shù);U為超級服務(wù)弧段集合,用以分配未滿足的需求,索引為為超級服務(wù)弧段上的懲罰費(fèi)用,元。
P為行線路集合,索引為p(pP);lp為開行線路p的運(yùn)輸距離,km;Ap和Bp分別為開行線路p的運(yùn)輸能力的下限和上限;θp為開行線路開行頻率上限;為開行線路p由服務(wù)弧段a來服務(wù),反之為客運(yùn)需求集合,索引為d(dD);Qd為第d支OD的客運(yùn)流量;Td為第d支OD需求所能接受的最長行程時間,min;nd+和nd-分別為客運(yùn)需求d的服務(wù)起點(diǎn)和終點(diǎn),nd+,nd-N。此外,Tstop為停站一次的時間,min;κ為高鐵快巴運(yùn)行單位距離成本,元/km;η為每趟高鐵快巴運(yùn)行的固定運(yùn)輸成本,元;Θ為一個無窮大正數(shù)。
本文有3個決策變量,fp為開行線路p的頻率;xd,a為客運(yùn)需求d是否選擇由服務(wù)弧段a服務(wù),若是,則xd,a=1,否則為0;yd,a為客運(yùn)需求d通過服務(wù)弧段a的客流量。
2.3.3 模型構(gòu)建
該模型需考慮企業(yè)運(yùn)營成本和行人出行成本C1,其中企業(yè)運(yùn)營成本包括固定運(yùn)營成本和可變運(yùn)營成本。同時,本文還考慮了客運(yùn)需求未滿足下的懲罰費(fèi)用C2,廣義成本F1為C1、C2之和。
( 2 )
( 3 )
F1=C1+C2
( 4 )
運(yùn)營高鐵快巴的主要目的在于快速疏散高鐵站客流,同時提升高鐵站與城市節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性。故而本文定義沿線TOD效用,對于服務(wù)弧段a,其TOD效用為Ωayd,a,則高鐵快巴線路的沿線TOD效用F2為
( 5 )
本文的目標(biāo)函數(shù)為最小化廣義成本F1,且最大化高鐵快巴線路的沿線TOD效用F2。參考文獻(xiàn)[16],本文將通過歸一化將雙目標(biāo)規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)規(guī)劃問題,如式( 6 )、式( 7 ),其中,ω1、ω2分別為目標(biāo)F1、F2的權(quán)重,F(xiàn)為處理后的目標(biāo)函數(shù)值。
ω1+ω2=1ω1,ω2≥0
( 6 )
( 7 )
s.t.
( 8 )
?d∈D
( 9 )
(10)
(11)
?d∈Dp∈P
(12)
fp≤θp?p∈P
(13)
xd,a·Θ≥yd,a?a∈A,d∈D
(14)
xd,a≤yd,a?a∈A,d∈D
(15)
fp∈Z+?p∈P
(16)
xd,a∈{0,1} ?d∈D,a∈A
(17)
yd,a∈Z+?d∈D,a∈A
(18)
式( 8 )表示每一支OD都至少被一個開行線路服務(wù);式( 9 )為服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)流約束,任意一個節(jié)點(diǎn)的流量都守恒;式(10)、式(11)是高鐵快巴開行線路服務(wù)能力的上限和下限約束,表示服務(wù)弧段上分配的客流量應(yīng)在高鐵快巴運(yùn)輸能力上下限之間;式(12)是高鐵快巴的時效性約束,表示開行線路的總運(yùn)行時間不能超過乘客出行最長容忍時間,其中,開行線路的總運(yùn)行時間包括在途時間和停站時間;式(13)~式(15)是決策變量關(guān)聯(lián)約束;式(16)~式(18)是決策變量約束。
本文選取北京市部分軌道交通站點(diǎn)作為大型需求點(diǎn),并對這些站點(diǎn)進(jìn)行了TOD評價。首先通過專家打分法確定各個指標(biāo)的權(quán)重,根據(jù)圖2中的指標(biāo)體系,指標(biāo)權(quán)重從上到下依次為:0.12、0.11、0.10、0.12、0.20、0.12、0.06、0.05、0.12。區(qū)域發(fā)展?jié)摿?、區(qū)域開發(fā)密度、交通出行便捷性分別占比0.37、0.33、0.3。最終得到這些站點(diǎn)的區(qū)域TOD指數(shù)分布見圖5。
可以看出,區(qū)域TOD指數(shù)較高的站點(diǎn)大多分布在中心城區(qū),且該指數(shù)大多隨著地鐵線路的延伸而降低,少數(shù)地鐵線路末端,出現(xiàn)了TOD指數(shù)較高的情況,主要是因?yàn)槌鞘袛U(kuò)張、住宅區(qū)郊區(qū)化的趨勢所導(dǎo)致。
表1 地鐵站點(diǎn)對應(yīng)序號
采用C#調(diào)用IBM ILOG Cplex軟件編程求解計(jì)算,Cplex的求解精度Gap設(shè)置為0.1%??傻媒Y(jié)果見表2。該高鐵快巴網(wǎng)絡(luò)總共設(shè)置線路22條,其中包括往返線路7對,單線線路8條。
表2 高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò)方案
計(jì)算統(tǒng)計(jì)每個物理路段累計(jì)通過車輛數(shù)(圖8)可以看到,高鐵站附近的道路及城市東南方經(jīng)停車次較多,這也與路網(wǎng)OD分配情況相吻合。在實(shí)際線路規(guī)劃中,因物理網(wǎng)絡(luò)并不局限于城市快速路,也可選擇城市二級路通行,故而可依據(jù)該圖可進(jìn)一步對服務(wù)線網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整,以盡量避免擁堵區(qū)段。
同時,本文計(jì)算了只考慮F1(即目標(biāo)函數(shù)只考慮廣義成本最小,而不考慮TOD效用)下的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)方案,并與同時考慮ω1F1/F1max-ω2F2/F2max(即目標(biāo)函數(shù)同時考廣義成本最小和TOD效用最大)進(jìn)行了對比,方案對比結(jié)果見表3??梢钥吹剑紤]TOD效用后,雖然線路數(shù)量增加了兩條,但總車次數(shù)卻降低了,導(dǎo)致企業(yè)廣義單位距離成本有所降低。雖然乘客每次的平均出行成本有所增加,但服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的沿線TOD效用大幅度提升,可為之后的沿線發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益,增強(qiáng)城市空間之間的聯(lián)系。
表3 方案對比
本文基于TOD理念,首先構(gòu)建區(qū)域TOD指數(shù)和沿線TOD指數(shù),并基于區(qū)域TOD指數(shù)篩選備選站點(diǎn)和線路備選集合。之后以盡可能提升高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的TOD效用、降低企業(yè)運(yùn)營成本和乘客出行成本為目標(biāo),建立了高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò)雙目標(biāo)規(guī)劃模型,并通過歸一化方法將多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)換成了單目標(biāo)模型。最后,以北京區(qū)域?yàn)槔?,對該方法和模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
案例分析結(jié)果可以看出,北京市TOD發(fā)展?jié)摿χ饾u由市中心向周邊區(qū)域擴(kuò)散,一些城市周邊區(qū)域開始展現(xiàn)新的發(fā)展?jié)摿Γ@也說明依托TOD理念進(jìn)行高鐵快巴服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義:考慮城市空間結(jié)構(gòu)而非單一的依托OD量對公交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃,是公交引導(dǎo)城市發(fā)展的重要實(shí)踐。研究結(jié)果亦顯示,考慮服務(wù)網(wǎng)絡(luò)TOD效用后,雖然廣義成本有所上升,但TOD效用提升1倍之多,密切了高鐵站和城市需求點(diǎn)之間的經(jīng)濟(jì)、服務(wù)、功能等多方面的聯(lián)系,也為沿線的發(fā)展提供了更多機(jī)會。
本文研究的案例中,僅選取軌道交通站點(diǎn)進(jìn)行TOD發(fā)展?jié)摿υu估仍有一定局限性,在未來的研究中,會進(jìn)一步細(xì)化需求點(diǎn)的選擇,精細(xì)化高鐵快巴的服務(wù)范圍。同時,計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣與線路備選集的關(guān)聯(lián)性依然較大,需要進(jìn)一步優(yōu)化篩選線路備選集的方法,對服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。