（管理科学与工程专业论文）城市客运枢纽换乘系统仿真研究.pdf

学位论文主要创新点 f l l l l f f l f r j f l f f f f f l f f fr l l f trrl irllffli r l l f l y 17 7 3 1 4 2 一、从工业工程的角度研究了客运枢纽换乘系统中的三个可以提 高的方面：换乘效率、换乘设施利用率和乘客满意度。 二、针对换乘系统中各类交通设施的特点采用不同的优化策略， 在独立模块最优的同时达到了换乘系统的整体最优化。 三、运用运营管理相关理论与数学方法、仿真技术相结合的方法 分析研究客运枢纽换乘系统。运营管理的思想贯穿整个研究过程， 采用数学方法分析调研数据和模型输出数据，最后使用仿真技术模 拟和优化换乘系统。并且在此过程中实现了p e t r i 网和仿真平台 w i t n e s s 2 0 0 7 的恰当结合。 摘要 城市客运枢纽是城市客运交通系统的关键环节，是各种运输方式交通网络 的交汇点，是客流集散、换乘的主要场所。它承担衔接各种交通方式、保证居 民出行时中转换乘等重要功能，对所属区域的客运交通运输网络的高效运转具 有重要的作用。城市客运枢纽的规划、设计、建设工作合理与否，直接关系到 城市客运交通系统中各种交通方式的衔接配合以及功能的充分发挥，关系到以 公共交通为主导的客运一体化和公交优先发展战略的建立，关系到居民出行的 顺畅便捷程度和“以人为本，公交为民”的人性化服务水平的高低。合理高效的 客运枢纽规划与设计是改善和提高城市客运交通系统运输效率乃至整个城市交 通综合运输效率的重要因素之一。 据此本论文对天津站客运枢纽换乘系统进行了研究，以达到检测现有换乘 系统运行状况和优化换乘效率、提高换乘设施利用率、提高服务水平、降低运 营成本的目标。主要做了以下几个方面的研究： l 、针对综合客运枢纽站内客流换乘的复杂性，分析影响换乘效率的相关因 素以及评价换乘系统的相关指标： 2 、以天津站客运枢纽为背景，鉴于天津站现状研究对象主要包括铁路、公 交、出租以及正在建设的地铁四个部分，运用动态建模工具p e t r i 网对天津换乘 系统进行动态流程分析： 3 、 本文应用工业工程的研究方法对天津站客运枢纽换乘系统的客流状况、 设施参数、道路参数等进行了详尽的采集和调研，运用数学分析软件s p s s 进 行分析，以此真实的数据为基础，一部分抽象成为仿真模型的输入参数，作为 仿真建模的基础数据，一部分用于仿真模型真实性检验； 4 、基于w i t n e s s 仿真技术对其换乘系统从整体到部分进行建模仿真，对其 输出数据和仿真运行报告从换乘效率、交通设施利用率和服务效率等方面对天 津站换乘系统进行分析和评价，检测其运行状况，诊断系统中的“瓶颈”所在； 5 、以交通管理为研究重点，提出合理的优化方案，利用w i t n e s s 中的优化 模块优化天津站换乘系统。解决其整体换乘效率低，运营成本高等问题。从设 施利用率和服务效率等方面对比优化前后的换乘系统，并对优化结果给与评价。 对在建中的换乘设施提出合理化的设置方案。从而为交通管理提供有效的决策 支持。 关键词：客运枢纽，换乘系统，仿真，优化，p e t r i 网，w i t n e s s a b s t r a c t p a s s e n g e rt r a n s p o r tt e r m i n a l s ( p 兀) i st h ec r o s sp o i n to ft h ev a r i o u st r a n s p o r tm o d e s a n dt h ep l a c ef o rt h et r a v e l e r st og a t h e r , d i s p e r s ea n dt r a n s f e r , s oi ti st h ek e y p a r to f t h ec i t y sp a s s e n g e rt r a n s p o r t s y s t e m t h ep t th a sv e r yi m p o r t a n tf u n c t i o n so f c o n n e c t i n gt h ev a r i o u st r a n s p o r tm o d e sa n dg u a r a n t e e i n gt h es m o o t ht r a n s f e ro ft h e t r a v e l e r s i fi t sp l a n n i n g , d e s i g na n dc o n s t r u c t i o na r er e a s o n a b l ed i r e c t l yi m p a c to f t h ec o o p e r a t i o nb e t w e e na l lp e r f o r m a n c eo ft h em o d e s ，o ft h ep a s s e n g e rt r a n s p o r t i n t e g r a t i o n 而t l lt h ep u b l i ct r a n s i tb e i n gd e v e l o p e df i r s ta si t sm a i np a r t s ，o ft h e c o n v e n i e n c eo ft r a v e l e r sa n dt h el e v e lo f p e o p l e - o r i e n t e ds e r v i c e r e a s o n a b l ea n d e f f e c t i v ep l a n n i n ga n dd e s i g no fp t ta r et h em a i nf a c t o r st oi m p r o v ea n de n h a n c e t h ee f f i c i e n c yo ft h ec i t y sp a s s e n g e rt r a n s p o r ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea b o v ea n a l y s i s ，t h et h e s i ss m d i e dt h et r a n s f e rs y s t e mi np t t , i no r d e rt oc h e c kt h es y s t e m ，o p t i m i z et r a n s f e re f f i c i e n c y ( t e ) ，i m p r o v el e v e lo f s e r v i c e ( l o s ) ，i m p r o v et h eu t i l i z a t i o no ft r a n s f e rf a c i l i t i e sa n dr e d u c eo p e r a t i n gc o s t t h ep a r t so fc o n t e n ta r ep r e s e n t e da sf o l l o w 1 a c c o r d i n gt oc o m p l e x i t yo ft h et r a n s f e rs y s t e mi np t t , t h et h e s i sa n a l y z e dt h e f a c t o r so ft ea n dt h ee v a l u a t i o ni n d e x e so ft h et r a n s f e rs y s t e m 2 t h et h e s i st o o kt i a n j i nr a i l w a ys t a t i o na st h eb a c k g r o u n da n di n c l u d e dr a i l w a y , b u s ，t a x ia n ds u b w a yw h i c hi sb e i n gb u i l t t h ep r o c e s so ft i a n j i nt r a n s f e rs y s t e mi s a n a l y z e db a s e do nt h ep e t r in e t 3 w o r ks t u d ym e t h o do fi n d u s t r ye n g i n e e r i n gh a sb e e na p p l i e dt o i n v e s t i g a t e p a s s e n g e rf l o w , f a c i l i t i e sp a r a m e t e r sa n dr o a d sp a r a m e t e r sa n ds oo n t h e s ed a t aa r e a n a l y z e db ys p s sw h i c hi sm a t h e m a t i c a la n a l y s i ss o f t w a r e s o m ed a t aa r eu s e da s i n p u td a t eo fs i m u l a t i o nm o d e l ；m e a n w h i l et h eo t h e rd a t aa r eu s e dt ot e s t 4 b a s e do nw i t n e s ss i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h o l et r a n s p o r ts y s t e ma n dp a r t so f s y s t e ma r es e tu p a c c o r d i n gt oo u t p u td a t aa n ds t a t i s t i c sr e p o r t s ，t h et h e s i sa n a l y z e d a n de v a l u a t e dt h et r a n s f e rs y s t e mf r o mt h ep o i n to fv i e wo ft r a n s f e re f f i c i e n c y , u t i l i z a t i o no ff a c i l i t i e sa n dl e v e lo fs e r v i c e t h e nf i n dt h eb o t t l e n e c k 5 b a s e do no p t i m i z e rm o d u l eo fw i t n e s s ，t h et h e s i sg a v eo p t i m i z e ds c h e m ef r o m t h ev i e wo ft r a f f i cm a n a g e m e n t ，i no r d e rt oi m p r o v et r a n s f e re f f i c i e n c y ( t e ) a n d r e d u c eo p e r a t i n gc o s t ，a n ds oo n t h ef i n a lo p t i m i z e ds c h e m ei sw o r ko u tb y c o m p a r i n gt h eo p t i m i z e dm o d e lw i t ht h ef o r m e rm o d e la tt h ea s p e c t so fu t i l i z a t i o no f f a c i l i t i e sa n d1 e v e lo fs e r v i c e f o rb u i l d i n gt r a n s f e rf a c i l i t i e s t h er e a s o n a b l es c h e m e i sg i v e n t h e r e f o r e ，t h ew o r kc a ne f f e c t i v e l ys u p p o r tt h ed e c i s i o nm a k i n go ft r a f f i c m a n a g e m e n t k e y w o r d ：p a s s e n g e rt r a n s p o r tt e r m i n a l ；t r a n s f e r s y s t e m ；s i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o n ；p e t r in e t ；w i m c s s 目录 第一章绪论1 1 1课题研究的目的和意义1 1 2国内外交通换乘研究相关综述。l 1 2 1国外交通换乘研究概况l 1 2 2国内交通换乘研究概况2 1 3 仿真技术在交通研究中的应用一4 1 3 1 交通仿真概念及分类4 1 3 2 交通仿真的发展历程5 1 3 3仿真技术在交通研究中的应用现状5 1 4研究内容和技术路线5 1 4 1研究内容6 1 4 2技术路线6 第二章城市客运枢纽换乘系统分析7 2 1城市客运枢纽的基本概念7 2 1 1城市客运枢纽的定义7 2 1 2城市客运枢纽的类型8 2 1 3城市客运枢纽的功能9 2 2 换乘在城市公共交通中的地位和作用1 0 2 2 1换乘概述。1 0 2 2 2换乘的必要性1 1 2 2 3换乘的有效性1 1 2 3城市客运枢纽换乘影响因素1 2 2 4城市客运枢纽换乘效率评价1 3 2 4 1评价指标设定原则13 2 4 2换乘效率评价指标1 4 第三章基于p e t r i 网的天津站客运枢纽换乘系统的动态模型15 3 1 p e t r i 网1 5 3 1 1p e t r i 网的概念1 5 3 1 2p e t r i 网的特点15 3 1 3p e 砸网基本元素1 5 3 2 应用p e t r i 网建模16 3 2 1整体动态模型1 6 3 2 2分块动念模型17 3 3本章小结2 1 第四章天津站客运枢纽换乘系统基础数据采集与处理2 3 4 1数据采集、处理技术2 3 4 1 1数据采集2 3 4 1 2数据处理分析2 3 4 2天津站命局数据采集2 5 4 3火车站站内数据采集与处理2 6 4 4公交站数据采集2 8 4 5道路数据采集3 0 4 6本章小结3 3 第五章基于w i t n e s s 的交通换乘系统的建模仿真3 5 5 1 w i t n e s s 简介。3 5 5 1 1 w i t n e s s 的主要特点3 5 5 1 2 w i t n e s s 建模与仿真流程3 5 5 2交通换乘系统建模准备3 6 5 2 1建模的目标3 6 5 2 2换乘系统仿真模型的组成。3 6 5 2 3换乘系统仿真模型的假设3 7 5 2 4事件流程及规则3 7 5 3 原始模型建立3 9 5 3 1定义元素3 9 5 3 2元素可视化4 0 5 3 3元素细节设置4 1 5 4 仿真实现4 4 5 4 1仿真数据输入4 4 5 4 2 换乘模型运行实现4 5 5 5结果输出及真实性检验4 6 5 6诊断换乘系统。4 9 5 7本章小结5 0 第六章换乘模型仿真优化5 1 6 1 优化算法5l 6 1 1模拟退火算法概述5 l 6 1 2模拟退火算法的数学模型。5 1 6 1 3模拟退火算法的应用5 2 6 2交通换乘系统的优化5 2 6 2 1火车模块运营效益优化。5 2 6 2 2 公交模块运营效益优化5 5 6 2 3 出租车模块运营效益优化5 9 6 2 4 地铁模块运营成本优化6 l 6 3 换乘模型仿真优化应用拓展6 3 6 4本章小结6 3 第七章结论与展望6 5 7 1全文总结6 5 7 2 研究展望6 5 参考文献6 7 发表论文和参加科研情况7 0 致谢7 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 近年来，城市交通问题、城市客运枢纽规划、建设滞后及其引起群众出行 换乘不便等问题引起我国政府和行业主管部门的高度重视。目前我国正在积极 进行大城市客运枢纽的规划、设计和建设方面的研究、探索和实践，但还缺乏 可供参考的成熟、系统的方法和成功经验。城市客运交通枢纽规划、设计和建 设迫切需要进一步深入进行相关的理论和方法的研究。 天津作为拥有上千万人口的特大城市，具有巨大的交通需求。发展公共交 通，适度控制私人交通工具增长，无疑是一项基本的交通政策。随着城市用地 规模的扩大，城市人口和机动车保有量逐年递增，加剧了交通需求与交通设施 增长缓慢之间的供需矛盾。 天津站位于海河之畔，是天津对外交通的重要窗口，是中国大量铁路动脉 京沪和京哈铁路的交汇点，在天津对外交通通联系中占有重要地位。天津站改 扩建工程是天津站综合交通枢纽工程的重要组成部分。建成后的天津站将形成 以高速铁路、城际铁路、普速铁路、城市轨道交通、长途客运、公交汽车、客 运出租为一体的大型综合交通枢纽，实现旅客的“零换乘”和各种交通运输方式 的“无缝衔接”。 天津站交通枢纽换乘中心工程位于既有天津站后广场，是天津地铁2 号线、 3 号线、津滨轻轨9 号线、京津城际铁路及国铁的换乘枢纽。本文将利用建模 仿真方法从天津站换乘枢纽衔接布局、换乘效率、服务水平、换乘组织对交通 网络方式分担的影响等方面研究城市交通换乘枢纽设计优化理论和评价方法。 1 2 国内外交通换乘研究相关综述 1 2 1国外交通换乘研究概况 一体化、集约化己成为国外大城市交通换乘衔接建设的典范。各种交通方 式问的衔接系统是高效、安全和舒适的现代化交通系统的一个重要组成部分， 己成为综合交通运输规划的一项重要内容。 国外很重视城市客运枢纽的建设，欧美许多发达国家为解决交通拥挤问题， 从2 0 世纪5 0 年代就陆续开始进行城市交通换乘枢纽的规划、设计及政策研究， 天津工业人学硕士学位论文 并探索出很多适合各自城市特色的换乘枢纽规划设计的经验和方法，取得了较 好的效果【2 】。 国外在综合枢纽客流换乘方面有很好的应用实例。如英国伦敦一些重要铁 路客运站和地铁车站几乎都建在一栋站舍内，而且出站就有公共汽车或小汽车 停车场，形成十分方便的换乘联运体系。法兰克福机场大楼第二层是出发层， 第一层是到达层，机场公共汽车站在一层门口，底层是地铁站和三层地下停车 库，同时机场大楼旁另设有1 0 层停车库；上下层间都有自动扶梯，到发旅客可 以非常方便地进行换乘【3 j 。 日本学者加藤晃在城市交通和城市规划一书中提出城市铁路和郊区铁 路各自活动领域不同、线路形式不一致。在大城市郊区铁路一般不进入城市中 心，在城市高速铁路和郊区铁路相交初设置枢纽站。因此，必须采取措施提高 枢纽站的换乘效率，打破城市铁路间的隔阂，采取一票制【4 1 。该书中还提到铁 路车站设置与其它交通设施的相互位置必须从城市规划的角度予以认真研究。 国外对交通方式的衔接也做了大量的研究：d a v i s d e l m i s 等对换乘枢纽步 行设施服务标准进行讨论，从而得出了城市综合交通枢纽中，通道设施人群步 行服务标准【5 1 。k i t t is u b p r a s o m 等与s e n e v i r a t n e 通过对换乘服务水平的研究以 及通过对换乘设施建设、维护、运行总成本和乘客的期望值研究得出各种条件 下的乘客最优占有空蝌6 j p j 。 以实现乘客换乘步距最小为目标，国外学者们开展了一系列有关机场换乘 枢纽佳几何形状的研究阶。其研究和方法对于铁路客运枢纽的客流换乘研究具 有很好的借鉴和参考【s 】。 关于客运换乘枢纽规划建设，国外有较多的成功经验。虽然发达国家的客 运枢纽因城市的地理位置、政治条件、经济条件、气候条件及旅客特性等条件 的不同而各具特色，但其共同特点是：布局集中紧凑；多层次衔接，立体换乘； 机械化设施完善；各种交通分流，互不干扰；标志清楚明显；换乘距离短，方 便舒适；换乘枢纽内各种服务设施完善等等。 1 2 2国内交通换乘研究概况 国内对于综合交通枢纽站规划与设计的研究主要集中在交通枢纽的结构布 局及换乘规划等方面，特别是将轨道交通与各类城市交通方式相结合的枢纽规 划已成为研究重点。北京、上海、广州等大城市都已相继规划建设了多种类型 的综合交通枢纽站。目前对于站内各类设备的研究主要集中于各类通道如客运 通道、过街人行道的能力及优化设计等方面，对于枢纽管理的研究主要集中于 站内以公交为代表的多种交通方式的时间及空间的衔接等方面。总体上，国内 对于枢纽站内部的设备配置、能力以及站内客流的合理组织等微观方面的研究 2 第一章绪论 相对较少，对于枢纽站的服务能力与服务水平研究不足。 目前我国许多大城市均进行了综合交通枢纽站的总体布局规划并开始进入 建设的实施阶段。北京市共规划城市交通枢纽2 5 个。客运系统按“四主两辅” 总体布局，北京站、北京西站、北京南站和北京北站为主要客站，新北京东站( 通 州) 、丰台站为辅助客站。北京沾与北京西站、北京北站与广安门站间以地下直 径线连接。调整铁路货场布局，逐步将大型铁路货场迁出五环路以外。 国内对于交通枢纽的研究起步较晚，同时加上管理上各个部门只从自身利 益出发，许多的对外枢纽与市内交通衔接并没有综合考虑，导致换乘效率不高， 乘客感到不便，甚至出现交通流疏导不畅导致交通拥挤和周围城市道路堵塞现 象。在理论研究上对于综合交通枢纽衔接换乘也还处于初级阶段。但是随着这 几年城市交通的发展以及居民出行的增加，关于客运枢纽与其它交通方式的换 乘研究与探讨也越来越多。 1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年同济大学道路与交通工程系做的广州市交通衔接实施方案 1 2 0 1 提出了客运交通衔接换乘方案的评价指标体系和评价方法，还有很多交通 工程类的博、硕士论文也对这方面进行了探讨。 。 在国内，综合交通枢纽的客流预测、分配具有一定的复杂性，目前还没有 形成固定的分析计算模式，预测与客流分配的理论和方法也还在发展完善之中。 黄俐圳在客流构成分析的基础上，分析城际交通相关客流、枢纽内城市公 共交通所诱发的客流、枢纽周边用地诱发的客流三部分采用不同的方法分别计 算，最终通过数据综合得到枢纽各方式的换乘矩阵，其计算过程较为简单，是 综合交通枢纽客流预测中可以借鉴的一种方法。 交通部科学研究院的周伟、姜彩良对城市交通枢纽旅客换乘问题的研究， 提出用系统和理论的方法解决枢纽换乘问题，并建立了交通换乘分析模型【l o 】； 李淑庆等研究了对城市交通换乘量模型的建立与求解，并引入方式划分的非集 聚l o g i t 模型来确定乘客选择不同换乘方式的概率】；同济大学的叶霞飞等通 过对世界几个典型城市轨道交通之间换乘方式的实例，介绍了城市各种轨道交 通之间换乘的主要方式i i2 j ；东南大学的陈深提出了利用非集聚预测模型对枢纽 内部各种交通方式之间的换乘量进行预测，并通过大量实例，探讨枢纽内各种 交通方式之问的换乘衔接模式，以及枢纽内轨道交通的站台设计、轨道交通与 常规公交接驳行车路线的安排，最后结合换乘枢纽对交通网络的反作用，侧重 研究公交线路的设置，提出交通枢纽与网络设计同时优化的问题【1 3 】；文雅等人 则提出了基于出行链的城市客运交通枢纽换乘需求预测模型，提出了方式划分 与路径选择联合的客流预测模型并对楸纽内客流做出分配【1 4 】；重庆大学的陈义 华、胥勇提出了一种基于模糊神经网络的交通方式划分模型，通过f n n 和b p 神经网络方法运算结果的比较分析，证实模糊神经网络具有收敛速度快、精度 天津工业大学硕士学位论文 高等优点，是方式划分问题的一种实用方法【1 5 】；同济大学的罗雁云等人在分析 了我国轨道交通枢纽车站换乘的问题后，提出了改善我国城市轨道交通换乘的 建议【1 6 1 ；东南大学的钟华颖、韩冬青将换乘置于整个城市设计中，提出了将城 市交通换乘体系与城市建筑的一体化设计理念【l 刀。 目前，国内针对铁路客运枢纽的换乘研究也逐渐增加。 金明东1 8 】通过对国内外铁路枢纽与城市交通现状研究，运用系统动力学原 理分析整合的内外动力机制，从系统论和控制论的角度对整合流程进行了剖析。 张发才f 1 9 1 通过结合铁路客运站的客流预测来确定枢纽内换乘量，分析了铁 路客运站与城市交通衔接，提出具体措施及铁路客运站的优化换乘的基本原则。 马波涛等【2 0 】从旅客和社会需求的角度，对传统的l 0 西t 模型特征函求解进 行改进；以安全性、快捷性、票价水平、舒适度、开行间隔、方便性、服务水 平和环境友好性等8 个参数确定运输产品的效用值，代替传统的l o g i t 模型求 解特征函数值。在市场调查和参考专家建议的基础上，确定参数效用值，并利 用改进的l o g 模型，计算出广州与深圳之间旅客市场中铁路的需求分担率。 邹琦夫【2 1 】研究了新型铁路交通枢纽在功能上从以前的“等待式”的候车空间 而转变为现在“通过式”换乘空间的必然性，并提出了适合国情的枢纽换乘复合 体的设计对策。 张海波【捌则通过研究铁路运输与城市轨道交通的换乘，提出了换乘枢纽的 换乘模式、换乘枢纽的布局规划和换乘枢纽的信息系统构建三方面的内容。 霍亮【2 3 】针对铁路旅客乘车选择行为进行了分析，设计了时间、费用和舒适 度的关系图，并建立了拥挤条件下的随机用户平衡配流模型及算法对客流进行 分配。 综上所述，铁路客运枢纽换乘的研究可以借鉴城市轨道交通枢纽的己有研 究成果，并在其基础上结合铁路客运自身的特点而进行。但在铁路枢纽内部进 行换乘方式的选择、客流的分配上，缺少更科学、直观的方法。 1 3 仿真技术在交通研究中的应用 1 3 1交通仿真概念及分类 仿真在交通中应用是随着计算技术的进步而发展起来的- f - j 涉及多学科的 综合技术，它采用计算机数字模型来反映复杂的交通现象，对交通运动随时间 和空l 日j 的变化进行跟踪描述和分析，属于计算机数字仿真范畴。交通仿真是计 算机仿真技术在交通工程领域的一个重要应用【2 4 1 。简而言之，交通仿真就是在 计算机上进行交通模拟和实验的方法。 4 第一章绪论 根据交通仿真模型对交通系统描述细节程度的不同，交通仿真可分为微观 仿真、中观仿真和宏观仿真。微观交通仿真模型是用描述交通运行微观规律的 参数来设计模型进行仿真的，对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高。 宏观交通仿真模型是用描述交通运行宏观规律的参数来设计模型进行仿真，它 通过考察车队的“平均”行为来描述系统的状态。中观交通仿真模型在宏观交通 网络的基础上，将个体车辆放入到宏观交通流中进行分析，对特定车辆的速度、 位置及其它属性进行标识，或对个体车辆分组，对每组车辆的速度、位置及其 它属性进行标识，其对交通系统的要素及行为的细节描述程度较耐2 5 - 2 7 。 1 3 2交通仿真的发展历程 交通仿真研究大体经历了三个发展阶段：2 0 世纪4 0 年代末至6 0 年代初的 诞生期、6 0 年代初至8 0 年代初的发展期以及8 0 年代初至现在的成熟则2 8 1 。诞 生期的工作主要涉及如何进行交通流仿真，直到1 9 6 0 年前后，用仿真技术研究 交通流状态的可能性和可行性才得到普遍承认，并开始开发一些交通系统仿真 软件。发展期内交通仿真技术得到了迅速的发展，这一期间，发表了大量的论 文和专著。成熟期内世界各国都展开了以i t s 为应用背景的交通仿真软件的研 究，并达到了交通仿真研究前所未有的高潮，出现了许多比较成熟的仿真软件 系统【2 9 1 。 1 3 3仿真技术在交通研究中的应用现状 交通仿真技术是进行交通分析、交通规划的有效手段之一，其目的就是运 用计算机技术再现复杂交通现象，并对这些现象进行解释、分析找出问题，最终对 交通系统进行优化【3 们。国外在这方面已具有较为成熟的经验，并开发了相关仿真 工具，主要包括：e g r e s s ( k e t c h e l la n dc o l e ，1 9 9 3 ) ，应用于行人紧急疏散行为仿真； l e m o n ( s t i l l ，2 0 0 0 ) ，基于模拟退火和元胞自动机原理，用于拥挤人群在紧急情 况下的行为仿真；p e d r o u t e ( m a wa n dd i x ，1 9 9 0 ) ，用于客运枢纽内乘客行为仿真； s t e p s ( m o t t m a c d o n a l d ，2 0 0 0 ) ，基于元胞自动机和流体力学理论，用于模拟乘客 微观行为和整体移动效果【3 。但在枢纽换乘组织仿真方面，目前相关研究较少， 可供参考的仿真研究主要集中在交通流、道路交叉口、枢纽选址、港口生产作 业等方面。虽然目自订关于城市道路交通的仿真研究较多，但是对于城市交通枢 纽的换乘过程仿真研究较少，需要进一步研究。 1 4 研究内容和技术路线 5 天津工业大学硕士学位论文 1 4 1研究内容 本论文在我国智能交通系统研究的背景下和国外成熟交通仿真平台的基础 上，结合天津站客运枢纽现有交通设施条件和发展方向，提出了基于w i t n e s s 仿真优化的客运枢纽换乘系统研究方案，并对其实施技术进行了研究。 本论文的研究内容由几个相互联系的部分组成，具体内容如下： l 、针对综合交通枢纽内客流换乘的复杂性，分析影响换乘效率的相关因 素； 2 、以天津站客运枢纽为背景，鉴于天津站现状研究对象主要包括铁路、公 交、出租三个部分；基于w i m e s s 仿真技术对其换乘系统整体进行建模仿真， 从交通设施利用率、服务效率等方面对天津站换乘系统进行分析和评价，诊断 系统中的“瓶颈”所在； 3 、以交通管理为研究重点，提出合理的优化方案优化天津站换乘系统。解 决其整体换乘效率低，运营成本高等问题。从设施利用率、服务效率等方面对 比优化前后的换乘系统，并对优化结果给与评价。 1 4 2技术路线 本论文主要以天津站客运枢纽为背景，诊断其运行现状，提出更合理的调 度方案，提高天津站客运枢纽运行效率。具体研究技术路线如下图1 1 ： 系统分析天津站换乘系统 。、：l r ，j 天津站实地数据采集 i 一一一o 数据处理 建模与仿真 一一一 r 一一一 真实性检验 秒表测时面抽样1 1 一一 一，一 面百芬贰一概霸丽虿 一w i t n e s s 仿真软件 回归分析、相关性分析 一 一 优化大津站换乘系统，w i t n e s s 仿真软件、退火算法 图1 - 1 技术路线图 6 第二章城市客运枢纽换乘系统分析 第二章城市客运枢纽换乘系统分析 随着我国城市化与交通机动化进程的加速发展，大城市现有交通基础设施 逐渐不能满足急速增长的交通需求，因而产生了诸如交通堵塞、环境恶化等一 系列交通问题【1 0 1 。究其原因，一方面是城市交通需求总量的急速增长与交通设 施供给滞后之间的矛盾导致；但更重要的是在既定的交通供给水平下，城市交 通的整体化水平仍较低，已有的各种交通方式暂时没有实现有效的协调衔接， 导致城市交通运转效率低，加剧了城市交通的供需矛盾【3 2 】。 城市客运枢纽换乘衔接组织是客运枢纽规划的一项重要工作。研究人员通 常根据客运枢纽的种类、功能、特点以及一定的枢纽规划与设计原则进行枢纽 布局优化与换乘衔接组织工作。城市客运枢纽内不同交通方式衔接一体化的硬 件特征是多种交通设施及其它辅助设施并存。为了实现各种交通方式间的无缝 换乘，提高换乘效率，必须深入研究城市客运枢纽内不同交通方式的衔接组织 优化问题。此外，公共交通枢纽在城市综合客运交通体系中的主要功能是集散 各种客流，满足乘客中转换乘时高效、安全、便捷、舒适的需要，枢纽内各种 换乘设施的设计也是为实现上述主要功能服务的。城市客运枢纽中不同交通方 式的换乘衔接组织是城市客运交通整体化研究的重要内容，是提高城市交通运 转效率的关键所在。 2 1 城市客运枢纽的基本概念 2 1 1 城市客运枢纽的定义 枢纽是指事物的重要关键，事物间相互联系的中心环节。交通枢纽是在两 条或者两条以上运输线路的交汇、衔接处形成的，具有运输组织、中转、装卸、 仓储、信息服务及其它辅助服务功能的综合性设施【3 3 】【3 4 1 。枢纽建立的目的是在 各种交通方式并存条件下为方便乘客、平衡客流，提高整个城市的客运交通服 务水平。 城市客运枢纽可以分为城市对外客运枢纽和城市内部客运枢纽 3 5 】。对外客 运枢纽( 也称城际级枢纽) 主要解决铁路、公路、水运及航空等城市对外交通客 运方式与城市对内客运交通的衔接问题。城市内部客运枢纽主要解决城区、城 郊及郊区间客运换乘衔接问题，包括城市公交枢纽和轨道交通枢纽等，也可分 为城市中心组团级枢纽和城区级枢纽。 7 天津工业大学硕士学位论文 由于城市规模的不断扩大居民从起点到终点的一次出行往往需要使用多种 交通工具，把多种交通方式有机地结合起来。城市客运枢纽把私人交通、常规 公交和城市轨道交通等独立的系统组合成一个有机的客运运输整体，给乘客带 来极大的效益。城市客运枢纽分级概念刚3 6 1 见图o l 所示。 换乘s 1 次 换乘s 2 次 图2 1 城市客运枢纽分级概念图 2 1 2 城市客运枢纽的类型 不同类型的城市客运交通枢纽在城市中的地位、所占用的城市土地面积、 在城市交通中所起的作用、对市民出行和公交线路的影响及建设周期的要求均 不相同。归纳总结以往城市客运交通枢纽的分类形式【3 7 1 ，对于单个城市客运交 通枢纽来说，其分类大致有如下几种，参见表2 1 。 路路空 口 铁公航港 |i卜|卜klriij 一 城际级枢纽 一 糙一一鸵 一 组团级枢纽 一 撇一一鸵 一 城区级枢纽 一 卜轴车车车车圈所行托交租汽达爿自摩公出小直 一出发地或目的地1 第二章城市客运枢纽换乘系统分析 表2 1 城市客运交通枢纽分类 分类系统内容主要特点 城市对外一般设在城市入口，连接着对外交通运输出线路与城市公交线路 交通枢纽其规模与城市发展形态、经济文化活动相当。 市内交通主要为城市内部区域问或中心与对外枢纽的客流交换服务。一 按交通功枢纽 般设在城市内主要客流集散点，多种交通方式，多条线路汇交 能划分点，对通畅、便捷要求高。 为特定设 这些地点某时间段内集散强度大，枢纽为满足人们文化、娱乐 施服务的出行而设。 枢纽 交通方式如城市公共电、汽车与地铁、轻轨、铁路、水路、航空运输等 按交通方换乘枢纽线路相互衔接的城市公共交通枢纽。 式划分线路换乘主要指公共汽车线路之间包括公共汽车与长途汽车线路间的交 枢纽汇处枢纽。 首末端换 枢纽内有多条电、汽车首末站，并设有停车、候车、调度以及 按交通组乘枢纽有关指示标志等设施。 织划分 中途站换位丁道路条件好，公交线路通达性高，多条线路交汇的路网节 乘枢纽点位置设置、人流组织是此类枢纽设计重点内容。 枢纽站为地上或地下多层结构形式。适用于交通方式复杂、用 按位置形立体枢纽地受限制地点。同时也可与综合性服务设施，如商业、文娱活 式划分动场点相协调。 平面枢纽枢纽站设施布置在地面。其规模视换乘需求而定。 都市级枢吸引全市范嗣对外交通客流的枢纽，入火车站、机场、港口等 纽 大型城市出入口。 按服务区区域级枢连接卫星城镇与市内公交线路的城市公共交通枢纽以及城区内 域划分纽 交通重心处枢纽。 片区级枢设在片区中心客流集散点的枢纽 纽 2 1 3 城市客运枢纽的功能 城市客运枢纽的功能可分为交通功能与商业功能【7 1 。一般地，城市客运枢 纽是多种交通功能建筑或集交通功能和商业丌发功能于一身的建筑综合体。它 的交通功能主要体现为对客流的转移和疏散，它的商业开发功能则需根据具体 的项目情况而定。在对城市客运楸纽功能进行定位时应首先确保交通功能的实 现。城市客运枢纽由于其自身交通功能势必带来周边区域交通状况的改善，便 9 天津工业大学硕士学位论文 捷的交通与大量的客流使城市客运枢纽及其周边区域具有巨大的商业价值，往 往随着城市客运枢纽的建设，其周边区域内必然形成高密度的商业区、办公区 等，这也是城市发展的一个必然规律。 尽管商业功能在城市客运枢纽的设计中占重要地位，但是仍属于交通枢纽 的从属功能。本文的研究重点是客运枢纽的交通功能，即对枢纽站的到、发客 流，按不同的目的和方向，实现“换乘、停车、集散、引导”四项基本功能，其 中核心功能是换乘功能。 1 、换乘对于来自不同方向、路线、不同交通方式的乘客，需要转乘其他 交通方式而发生的行为称为换乘。因为这些乘客属于中转客流，需要经过换乘 才能到达最终目的地。 2 、停车对于来自不同方向、路线、不同的车辆，提供固定的停车位置和 上下客位置，并以不同性质的车辆分区停放，配置合理的道路和场地。 3 、集散对于到达或出发的乘客和车辆，实现聚集会合和疏散分流，提供 客流和车流组织的相关措施，保证畅通、安全。 4 、引导对外来客车引导、截流、集中管理，尽量不进市区；引导市内公 交车辆与其接驳换乘，向多层次、一体化发展。对充分发挥各种交通分式的优 点，改善城市客运结构有导向功能。依托枢纽的作用，可实现各交通方式在城 市客运交通中的合理分工，有目的地引导个体交通向公共交通的转移。 城市客运枢纽的客流和车流来自多方向、多路径、多种目的、多种交通方 式，客流方面具有到发量大而集中、多向集散和换乘、各小时段客流不均衡性 等特征。因此，必须做好客流组织和衔接管理工作，将换乘客流和到发客流分 开，将车流和人流分开，既能各行其道，又能相互贯通、相互转换，构筑为一 体化的城市客运交通集散中心【3 2 1 。 2 2 换乘在城市公共交通中的地位和作用 2 2 1 换乘概述 城市客运交通是由多种交通工具和交通方式组成的立体化的大系统。除私 人交通方式外，通常情况下，采用一种交通工具或同一路线，不可能完成所有 的门到f - lj 艮务，因而，各交通工具之问或同一工具不同路线i 日j 的相互转换便是 不可避免的。 换乘是公共交通的一大特点，也是与私人交通不同的地方。所谓“换乘”， 是指乘客从一种交通工具转换到另一种交通工具，或从一条路线转换到另条 线路。城市交通的换乘方式主要有停车场换乘和乘车换乘两种。停车场也叫存 i o 第二章城市客运枢纽换乘系统分析 车换乘，是指将自备车存放后，改乘公共交通工具而达到目的地的交通方式； 乘车换乘是指从一种公共交通工具或一条线路，转换到另一种公共交通工具或 另一条线路上的换乘方式，这是一种前后衔接的连续转乘方式【1 3 】。 2 2 2 换乘的必要性 大城市的客运交通系统庞大而复杂，必须建立完善便捷的换乘系统，才能 使系统