（交通运输规划与管理专业论文）城市常规公交与轨道交通协调发展研究.pdf

摘要 随着我国社会经济快速发展，城市化和机动化进程日益加快，城市交通需求 空前高涨，城市交通面临严峻的考验和挑战。筹建大容量轨道交通系统己成为发 展功能完备的公共交通系统的重要举措。要充分发挥轨道交通的骨干作用及其整 体效益，公共交通系统各子系统之间必须有效衔接。因此，如何使轨道交通与常 规公交两者协调发展，成为急需研究的课题。 本论文从轨道交通站间距和乘客出行时间成本两方面，对常规公交与轨道交 通的协调进行了研究。首先，分析了现有常规公交与轨道交通的协调方式，指出 合理的轨道交通站间距和乘客出行时间价值对协调的重要性。然后，提出了综合 考虑轨道站点布局和乘客出行时间费用的常规公交与轨道交通的协调方式，并以 包括运营商和乘客出行成本在内的系统总成本最小为目标，对轨道交通的站距和 发车间隔进行优化。文中详细阐述了总成本函数的计算方法，并基于概率论方法， 提出4 中不同类型换乘站乘客换乘时间费用的确定方法，最终建立基于站距最优 的运营商和乘客出行时间成本最小的协调模型。通过算例分析，对实施此协调控 制与未实施此协调控制的运营商和乘客成本进行对比，进一步论证实施此协调控 制方式能够更好的节约运营商和乘客费用，促进常规公交与轨道交通的协调发展。 本论文对已有的研究成果进行有效的整合利用，不仅丰富了城市公共交通协 调理论，而且在一定程度上为城市公共交通规划和运营组织的科学决策提供了参 考依据。 关键词：城市轨道交通；常规公交；协调；轨道交通站间距；出行时间成本 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , u r b a n i z a t i o na n dm o b i l i z a t i o n ，t h e d e m a n do ft r a f f i ci s i n c r e a s i n g u r b a nt r a f f i ci sf a c i n gs e v e r et e s ta n dc h a l l e n g e c o n s t r u c t i n gm a s sr a p i dt r a n s i th a sa l r e a d yb e c o m ea ni m p o r t a n tm e a s u r e m e n tt o d e v e l o pp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw i t hc o m p l e t ef u n c t i o n i no r d e rt of u l l yp l a ya n i m p o r t a n tr o l e a sab a c k b o n e a n dt o t a lb e n e f i tf o ru r b a nr a i l t r a n s i t ，p u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e ms h o u l de f f e c t i v e l yl i n kb e t w e e nt r a n s p o r ts y s t e m s t h u s ，h o wt o c o o p e r a t et h ed e v e l o p m e n to ft h er a i lt r a n s i ta n db u st r a n s i th a sb e c o m ea nu r g e n t t a s k i nt h et h e s i s ，t h ec o o r d i n a t i o no ft h er a i lt r a n s i ta n db u st r a n s i ti ss t u d i e df r o m t w o a s p e c t s ：t h el a y o u to fr a i lt r a n s i ts t a t i o n sa n dp a s s e n g e r s t r a v e lt i m ec o s t s f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y z i n gt h ee x i s t i n gm o d ea b o u tc o o r d i n a t i o no ft h er a i lt r a n s i ta n d b u st r a n s i t ，t h ei m p o r t a n c ea b o u tt h el a y o u to fr a i lt r a n s i ts t a t i o n sa n dp a s s e n g e r s t r a v e lt i m ec o s t sa r ep o i n t e d o u t s e c o n d l y , t h en e wc o o r d i n a t i o nm o d ei sp u tf o r w a r d ， w h i c hg e n e r a l l yc o n s i d e r e dt h el a y o u to fr a i lt r a n s i ts t a t i o n sa n dp a s s e n g e r s t r a v e l t i m ec o s t s o nt h eb a s i s ，t h er a i lt r a n s i td i s t a n c ea n dt h eh e a d w a yt i m ei n t e r v a la r e o p t i m i z e d i no r d e rt om i n i m u mt h et o t a lc o s t i n c l u d i n go p e r a t o r s c o s t s a n d p a s s e n g e r s t r a v e lt i m ec o s t s t h em e t h o da b o u th o wt oc a l c u l a t et h et o t a lc o s t si s d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h eo p e r a t i o nc o s t sa n dp a s s e n g e r s t r a v e lt i m ec o s t s ，a n dt h e t r a n s f e rc o s t s r e g a r d i n gf o u rc a t e g o r i e so ft r a n s f e rs t a t i o n so nt h eb a s i so ft h e p r o b a b i l i t yt h e o r yi sa n a l y z e d t h ec o o r d i n a t i o nm o d e li sf o r m u l a t e df i n a l l y a tt h e l a s tt i m e ，t h r o u g ht h ea n a l y z i n go fa ne x a m p l e ，t h eo p e r a t i o nc o s t sa n dp a s s e n g e r s t r a v e lt i m ec o s t sw h e t h e ra r eg e n e r a t e du n d e rt h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lo rn o ta r e c o n t r a s t e d t h ec o n c l u s i o ns u g g e s t st h a tt h ec o o r d i n a t i o nm o d ec o u l de f f e c t i v e l y d e c r e a s et h eo p e r a t i o nc o s t sa n dp a s s e n g e r s t r a v e lt i m ec o s t s ，a n dp r o m o t et h e c o o r d i n a t e dd e v e l o p m e n to fr a i lt r a n s i ta n db u st r a n s i t t h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t sa r ec a r r i e do nt h ee f f e c t i v ei n t e g r a t i v eu s ei nt h i s t h e s i s b yt h i sw a y , t h eu r b a np u b l i ct r a n s p o r tc o o r d i n a t i o nt h e o r yi se n r i c h e d ，a sw e l l a st h er e f e r e n c ef o rs c i e n t i f i cd e c i s i o no ft r a f f i cp l a n n i n ga n do p e r a t i o no r g a n i z a t i o n i sp r o v i d e d k e yw o r d s ：u r b a nr a i lt r a n s i t ；b u st r a n s i t ；c o o r d i n a t i o n ；t h ed i s t a n c eo f r a i lt r a n s i ts t a t i o n s ；p a s s e n g e r s t r a v e lt i m ec o s t i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：别哟日期：勿加年岁月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密哦 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：剀府 导师签名：专即砭 日期：纠加年岁月乙日 日期：矽户年岁月2 - 日 1 1 研究背景 第一章绪论 随着世界经济的持续发展和城市化水平的不断提高，汽车的普及速度越来越 快。同时，交通堵塞、环境污染、能源匮乏等一系列的“城市病 也逐渐成为国 际性的难题，全球范围内的许多城市开始不同程度的出现“交通危机 【l 】。在我 国，城市化程度由1 9 9 1 年的1 9 2 上升到2 0 0 8 年的4 6 ，百万人口以上的大城 市达1 1 8 座1 2 】。城市化水平的提高以及城市人1 ：3 的增长，必然带来大量的城市交 通出行1 3 j 。与此同时，急剧增加的机动车拥有量，相对匮乏的交通设施，以及相 对落后的管交通理水平，也使得交通问题日趋严重。 为了改善城市交通状况，许多城市开始进行道路交通整治，包括新建、拓宽 道路，调整城市交通结构等等，其中，“公交优先 就是一项主要措施。例如法国 巴黎市区高峰小时公交车的使用比例为7 l ；新加坡为发展公交，限制小汽车进 入市中心【4 儿5 1 。我国的城市公共交通事业也被国家标准城市道路交通规划设计 规范明确列为优先发展事业。随着城市公共交通的发展，公共交通方式也由过 去的地面常规公交和出租车发展到现在包括轨道交通在内的多种形式，作为大运 量、高速节能的新的公共交通方式的轨道交通，已经逐渐成为城市公共交通的骨 干，并作为大城市解决交通拥堵问题的有效途径之一【5 】【6 】【7 】。 自从1 8 6 3 年英国伦敦建成世界上第一条地铁线路以来，目前，全世界已经有 一百多座城市建成地铁或轻轨等形式的城市轨道交通系统f 5 】。轨道交通作为现代 化大运量交通的发展趋势，已逐步成为世界各大城市公共交通的主要方式。日本 东京圈现有快速轨道系统2 0 0 0 k m ，轨道交通的通勤率达到6 0 以上，每天运送 的乘客数超过3 0 0 0 万人次【6 】。我国开始轨道交通的建设是从2 0 世纪6 0 年代末 开始的，自1 9 6 9 年北京建成我国第一条全长2 3 6 k m 的地铁线路以来【8 j ，至2 0 0 9 年底，全国已有北京、上海、广州、深圳等l o 个城市开通了3 1 条城市轨道线路， 运营里程达到8 3 5 5 公里。目前，全国有3 3 个城市正在规划建设地铁，而截至 2 0 1 0 年3 月，已获批复的有2 8 个城市。 然而，尽管我国轨道交通的建设已经取得了定的发展，但许多城市的轨道 交通客流量却不尽如人意【9 1 。如上海的地铁1 号线、广州地铁1 号线等，均由于 换乘距离和时间长，或者轨道交通站间距设置不合理，使得轨道交通的客流量不 高，运营效率难以提高【l 们。造成这种现象的主要原因有三个方面，首先是由于常 规公交与轨道交通衔接不合理，造成乘客的换乘困难。其次，常规公交与轨道交 通的线网衔接不合理，使得部分线路重复，站间距过短等，也对轨道交通的优势 发挥造成了一定的影响。最后，在轨道交通正式投入使用以后，没有及时调整轨 道交通车站影响区内的常规公交线网，也同样造成了轨道交通客流量少和乘客满 意度低。 建设一体化的公共交通系统，既能最大限度的提高城市公共交通系统的运营 效率和服务水平，同时也能吸引城市居民利用城市公共交通出行，使公共交通真 正成为城市综合客运交通系统的核心内容】。而城市轨道交通与常规公交作为公 共交通的主体，二者的协调发展是其中的主要内容。 轨道交通由于其投资昂贵，技术要求高，而且建设周期长，因此要形成系统 的运营网络还需要很长一段时间。轨道交通的特殊结构形式和空间形态以及资源 的占用情况，决定了轨道交通在覆盖程度和线网密度等方面难以脱离常规公交而 独立发展。因此，轨道交通要保障一定的运营效率必须要有常规公交及其他交通 方式的有力支持。换句话说，城市轨道交通运营效率的充分发挥必须依赖其他交 通方式，尤其是常规公交的有效配合。其次，常规公交与轨道交通同属于城市公 共交通系统中不同层次的两种方式，二者所承担的责任和适合运送的出行距离都 有所不同，因此合理的协调常规公交与轨道交通，可以使这两种交通方式做到扬 长避短、优势互补。所以，科学合理的协调常规公交和城市轨道交通已经成为一 项迫在眉睫的工作。 目前，我国城市公共交通出行的首选方式仍然是地面常规公交。然而随着城 市的进一步发展，轨道交通作为公共交通的骨干作用必然越来越重要，因此，协 调两者的关系就显得尤为重要。虽然我国已经开展了很多关于常规公交与轨道交 通系统的整合、协调方面的研究，但过多的集中在宏观的协调规划方面，尤其是 在换乘枢纽的规划设计方面。而较少研究公共交通在运营管理的协调，既有研究 也只是停留在定性的分析上。我国城市公共交通一体化水平不高的重要原因之一 也正是如此。常规公交与轨道交通的协调应当综合考虑规划设计和运营管理两个 方面，二者均不能忽略。 在一个已经建成的公共交通网络中，统一协调的发车时刻表，不仅能够提高 公共交通出行的连续性，而且还能有效降低乘客在换乘站的换乘时间。然而在国 内的许多城市中，轨道交通与常规公交是分属不同部门管理，二者的发车时刻表 都是根据各自的客流需求来制定的，加之各部门之间缺乏有效的信息沟通和统一 的运营计划编制，这也就加大了乘客换乘的不确定性，不利于乘客的连续出行。 由此不仅影响了轨道交通的服务范围，同时也对整个公共交通系统的服务水平起 到了制约的作用。 智能交通( i t s ) 在公共交通领域已经开始广泛应用，这也使得公共交通运营、 调度和管理初步实现了现代化和信息化。同时，通过建立公共交通智能化调度系 统、信息服务系统和电子收费系统等，为居民提供了更为安全、方便、舒适、经 2 济、快捷的公共交通服务。 国内外对于常规公交与轨道交通协调研究的侧重点各不相同。国外对于公共 交通多式协调理论的研究起步较早，并取得了相应的成果，但多数集中在运营组 织的协调研究中。现有研究表明，协调的运营调度计划，不仅可以有效降低乘客 换乘费用和运营商成本，还能够提高整个城市公共交通的服务水平。然而国内的 研究主要集中在轨道交通的规划方面，对轨道交通站点的研究较多。但随着轨道 交通的发展，常规公交与轨道交通在运营组织协调方面的问题也越来越突出。以 北京为例，北京的公共交通出行时间中车内车外时间的比例为6 ：4 ，车站的换乘 候车时间占有较大比重。因此，在我国如何既做好轨道交通的规划，同时开展轨 道交通与常规公交的运营调度的协调，具有十分重要的意义【l l 】。 在上述背景下，本为以常规公交与城市轨道交通的协调发展研究为主题，利 用系统的思想论述两者协调发展的重要性，分析了现有轨道交通与常规公交协调 的方法，以及轨道站间距和出行时间对于居民出行方式选择的影响，并在此基础 上，建立了轨道交通与常规公交系统费用最优的协调模型。这对于轨道交通的站 点布局及常规公交线网调整具有更强的实践指导意义。 1 2 国内外研究概况 常规公交与城市轨道交通的协调发展，既体现了城市公共交通一体化的发展 趋势，同时也是解决城市交通拥堵、节约建设资源的必然要求。国外发达国家在 研究城市公共交通一体化，充分发挥城市内部各种交通方式的协作效应方面积累 了丰富的实践经验。而我国目前尚处于轨道交通高速建设时期，为避免投资浪费， 国内的许多专家都在吸取国外先进经验的同时积极的探索二者协调发展的理论及 方法。 1 2 1 国外研究概况 国外发达国家已经从大规模建设轨道交通，转而开始重视以轨道交通为骨干 的城市公共交通一体化的研究，并积累了丰富的实践经验。国外大城市各自为政 的行业领域观念慢慢淡化，不同的交通部门在管理上实现了协调，内部交通方式 的衔接组织技术也日趋成熟。 以纽约为例，其交通局( n e wy o r km e t r o p o li t a nt r a n s p o r t a t i o na u t h o r i t y ) 统一 管理城市内的各种交通方式，包括地铁、通勤铁路、轻轨、地面公交、轮渡等。 这就有利于实现了各种交通方式之间的配合与衔接，也有利于提高整个城市公共 交通系统的运输效率。而在汉堡，换乘集中在城市快速轨道交通站点的周围，而 高效换乘设施将各种交通方式有效衔接。比如在公共交通联会( h w ) 经过的地区即 有一百八十多个轨道交通站点，而其中的1 5 0 个都能快速的换乘到常规公交，并 且有2 2 个车站是主要的换乘枢纽站。 国外对于衔接换乘的研究主要在概率的基础上，对轨道交通与常规公交的运 营调度技术进行研究。早在2 0 世纪8 0 年代，v u c h i c e t a l 就制定了换乘时间系统 设计指南【1 2 l 。随后，l e ea n ds c h o n f c ld 、s h i h e t a l 等人开始研究同步换乘区间的 动态调度控制方法【1 3 】，并在此基础上对t 轨道交通与其接运公交系统的优化问题 进行研究。假定每个交通小区内出行密度相同，所有轨道交通线路位置己知，且 每个轨道站点只有一条与轨道交通发车频率相同的接运公交线路，将轨道交通走 廊分为长度不同但是宽度相同的若干交通小区。在此情况下，确定接运公交站点 间距、发车频率和轨道线路长度和发车频率【1 4 】。这种方法较为单一，而且仅考 虑了一条接运公交线路显然与实际不相符合。因此，在2 0 0 1 年，m d s h o a i b c h o w d h u r y 研究了以车头时距和发车时刻表为主要要素，在换乘站点实现多条常 规公交线和一条轨道交通线运营协调的控制技术。这种方法是在假定所有轨道站 点的接运公交线路发车频率都相同的情况下，以轨道交通与常规公交组成的城市 公共交通系统总费用最小为目标来确定轨道交通及接运线路的发车频率。但这种 模型主要对于低密度出行的地区较为适用【l5 1 。 除此之外，国外的许多文献对于换乘站的设计和接运线网的规划也进行了研 究。1 9 8 7 年，d e m e t s k y 等人就提出了通过分析运输设备的运能和运力，从而研 究建立交通枢纽的程序，并对城市公共交通系统的效益和成本进行了估算和衡量 【1 6 】。1 9 9 5 年，d i c k i n ss j i a n 在对欧洲和北美的2 1 个城市进行调查以后，指出 了各大城市轻轨运输换乘设施的潜在性和使用情况，并在此基础上对换乘设施的 效益和影响现有各大城市换乘设施的诸多因素进行了分析。同时，对换乘设施设 置的位置、设施配置以及规模大小也给出了适当的建议【1 7 】。s n k u a n ，h l o n g * ，k m n g 等人提出利用启发式算法中的遗传算法和蚁群优化方法解决接运 公交网络的规划设计问题【1 7 】【18 1 。 综上所述，国外对于公共交通多式运营协调的研究时间长，内容也较为全面。 并通过对成本函数的研究，对运营协调进行定量的分析。成本函数的制定主要从 运营商角度或者运营商和乘客两者结合的角度出发，对常规公交与轨道交通的协 调发车间隔、车站停留时间、松弛时间等进行优化。 1 2 2 国内研究概况 我国目前正处于轨道交通的建设时期，如何协调好轨道交通与常规公交的发 展，使两种交通方式能够优先衔接，实现优势互补，成为我国城市公共交通发展 的主要问题。 国内关于轨道交通与常规公交的线网衔接布局的研究，主要围绕站点进行， 包括站点的布局和站点的吸引范围的确定等，对线网的调整的方法主要有王炜教 4 授在文献 7 中提出的逐条优化的方法，在现状公交客流的o - d 矩阵上分析出备选 线路的起讫点位置及客流情况，从而确定线路的最佳配对方式及每条线路的最佳 方向，最终实现直达乘客量最大的主要目标( 最小换乘次数、运量最大) ，并使其 满足约束条件。 在站点布局方面，1 9 8 9 年，张如飞、徐循初、任福田等人开始从站点的选址 方面出发，研究客运枢纽的选址和客运站的规划布局模型以及相应的算法1 2 0 】【2 1 1 。 随后，左大杰、王慈光等从社会再生产的角度出发，提出基于总出行时间最少的 最优站间距的计算方法，研究了各个因素变化对站间距的影响心3 儿2 引。2 0 0 5 年开始， 覃蟊、魏金丽、袁润文等人开始研究以轨道线路系统的总成本最小为优化目标来 建立合理站间距的优化模型。此模型考虑了乘客流量和乘行距离随车站间距的概 率分布，弥补了以往单一以平均出行时间最小为优化目标的站间距模型的不足 乜钉心6 儿2 7 儿2 引。而在接运公交的站点安排上，蒋冰蕾，孙爱允于2 0 0 1 年，在论文“城 市快速轨道交通接运公交线网优化 提出线网规划的关键是确定接运的常规公交 站点以及对常规接运公交线路的优化。以能为轨道线接运的最大客运周转量为主 要因素考虑接运常规公交站点的选取；以接运效率最大为目标搜索优化接运常规 公交线路1 0 1 。 在站点吸引范围的确定方面，杨京帅、张殿业、莫海波等人基于城市轨道交 通车站合理不行区与合理交通区的分析，通过城市规划区域划分及车站分类、不 同区域不同性质车站各类接驳交通方式平均接驳耗时、交通方式速度、车站接驳 方式构成调查分析、车站加权平均接运距离与吸引范围折算系数计算、估算不同 区域车站合理吸引范围阳】 1 。谢玉洁等在论文“城市轨道交通与地面常规公交的 客运一体化 中针对我国城市发展对轨道交通客流预测的影响，为解决一般方法 存在的问题，在合理的假设条件下，构建了常规公交影响下轨道交通站点吸引区 域模型，并给出了模型求解的算法步骤n 引。 由此可见，国内有关轨道交通站点方面的研究较为全面，站点对于轨道交通 的建设以及轨道交通与常规公交的协调发展至关重要，确定合理的轨道站间距是 协调轨道交通与常规公交发展的关键。 在运营组织协调方面，王秋平、李峰对其他交通方式换乘轨道交通时在其车 站的平均换乘时间进行了分析并给出了相应的计算公式，在此基础上提出了保障 轨道交通换乘的客流量的措施及方法，从而缩短乘客的换乘时间，提高轨道交通 运营效益o o l 。姚新虎在论文“城市快速轨道交通与常规公交的线网协调研究 对 轨道交通与常规公交在枢纽站内实现协调换乘的条件和方法进行了研究，并对线 路的发车间隔和松弛时间进行了优化，并分别讨论了协调和非协调状况下的费用 函数组成及其计算方法m 1 。张宇石、黄文娟、姚振平等人研究了在系统总成本费 用最少的情况下，对轨道交通与常规公交的协调运营组织进行优化，论述了总费 5 用函数的计算方法，并建立轨道交通与常规公交的协调模型b 2 m 3 m 引。 综上可见，国内对于轨道交通与常规公交协调的研究站点和换乘两个方面。 而对换乘的研究主要是考虑出行时间或者费用最小化，因此，本文在研究轨道交 通与常规公交协调发展的同时，应可重点研究轨道站距和费用对于协调的影响。 1 3 研究的目的及意义 城市轨道交通与常规公交作为城市公共交通的主流和支流，城市公共交通系 统运行效率的提高极大地依赖二者的协调与否。常规公交与城市轨道交通的协调 就是研究如何从系统的角度出发，通过具体协调方法，使两种交通方式能够有效 衔接，实现优势互补，方便居民出行及换乘，最终实现整个城市公共交通系统一 体化的目标。 本文研究的意义包括： ( 1 ) 是实现优先发展公共交通战略的需要。为了缓解城市交通压力，许多城 市都开始大力提倡公交优先。然而，仅依靠地面常规公交显然不足以满意越来越 大的居民出行需求，并且随着城市的对外扩张，居民出行距离也逐渐增长，常规 公交在距离及容量方面已不能承受城市的发展，因此，有必要加强轨道交通的建 设，将两种公交方式有效的整合，互补短长，满足城市居民日益增长的出行需求， 提高公共交通在居民出行方式中的比重。 ( 2 ) 是增加轨道交通客流，保证轨道交通持续发展的需要。轨道交通要形成 一个较为完善的网络系统需要长期的发展过程。同时，其线网的覆盖率和线网密 度不可能达到常规公交的程度。但由于轨道交通的大运量、高速、安全等性能决 定轨道交通在今后必然成为城市公共交通系统最重要的组成部分，然而，如果轨 道交通线路布设不合理，居民换成不便，将极大的影响轨道交通的客流量1 3 引。因 此，协调好轨道交通与常规公交的发展，合理布置轨道交通站点，使两种公共交 通方式能有效衔接，就可以很大程度扩大轨道交通的吸引范围，增加轨道交通的 客流量。而随着轨道交通客流量的增加，轨道交通运行每乘客公里的成本也会随 之下降，从而提高轨道交通的经济效益，保证轨道交通的良性发展。 ( 3 ) 是优化调整城市布局，实现城市可持续发展的需要。目前，城市化的快 速发展，使得城市人口急速膨胀，用地规模也迅速扩张，城市交通问题也越来越 突出p 引。轨道交通的长运距能够满足城市扩张的需求，通过常规公交的补充，又 能够进一步提高城市的可达性，使城市能够向郊区以带状形式延伸，形成新的适 当的卫星城镇，引导城市人口和就业岗位向新的中心迁移，缓解中心城市压力， 从而优化城市空间的整体布局【”1 。另外，快速形成以轨道交通为骨干，以常规公 交为补充，并足以与私人交通相抗衡的城市公共交通系统，能够减少很多城市的 一系列社会问题，如环境污染、能源消耗、交通事故等。因此，加速常规公交与 6 轨道交通的协调发展，是城市可持续发展的必然要求。 1 4 研究内容及技术路线 由于城市公共交通是一个庞大的开放式系统，因此无论是研究系统的整合优 化，还是系统内部要素的协调发展都必须用到系统工程的方法。本文采用系统学、 协同学和控制论的理论和方法，对常规公交与城市轨道交通的协调发展进行研究。 论文的主要内容安排如下： 1 、阐述本论文的研究背景、国内外研究现状及研究的目的和意义。 2 、分析了城市公共交通系统的构成，并从系统的角度分析了轨道交通与常规 公交协调的必要性。在协同学理论、控制论等系统协调理论的基础上，确定了轨 道交通与常规公交协调的目的和原则。 3 、对现有轨道交通与常规公交的协调方式进行了分析，指出了现有方式在综 合考虑站点布局和乘客出行时间价值方面的不足。在分析轨道站点布局和乘客的 出行时间价值对轨道交通与常规公交的协调的重要性的基础上，提出了考虑站点 布局和出行时间费用的轨道交通与常规的协调方式。 4 、在综合考虑站点布局和乘客出行时间费用的基础上，提出了基于最优站距 的运营商和乘客成本最小的轨道交通与常规公交的协调优化模型。并对模型的变 量进行了分析，确定了最优站距和乘客出行时间费用的计算方法。 5 、构建了联合公交网络，利用本文第四章提出的协调模型，对网络中的轨道 交通与常规公交进行协调优化。在运营商和乘客成本最小的同时，确定了轨道最 优站距和最佳的发车间隔。同时，对实施协调控制和未实施协调控制下，运营商 和乘客的成本进行对比分析。 研究的思路如图1 1 所示。 7 现有研究方式分析 影响协调的晕要因素分析 轨道站间距的 重要性分析 乘客出行时 间价值分析 考虑站点布局和出行时间价值 的协调方式 ，川- oo oo - - o - o ： 运营商成本乘客成本 ： i t l 芏 i l 率；i 候 车 时 间 费 用 换 乘 时 间 费 用 ；f 基于最优站距的运营商和乘客费用最小模型 图1 1 研究思路框架图 算例分析 】 l 结论与展望】 第二章轨道交通与常规公交协调发展的基础理论 城市公共交通支撑了整个城市的客运交通，对确保居民出行和城市的各项生 产建设的正常进行发挥了巨大作用。然而随着城市经济建设的不断发展和居民出 行需求的加大，大运量的公共交通工具开始受到重视，如何利用系统的观点，协 调好新的交通工具轨道交通与地面常规公交之间的关系，建立和谐的城市公 共交通系统，成为保证现代城市功能充分发挥和不断发展的关键因素之一。本章 运用协同学理论和控制论对城市公共交通系统进行了分析。 2 1 城市公共交通系统分析 2 1 1 城市公共交通系统的构成 从1 8 2 9 年英国伦敦出现第一辆马拉式公共马车，标志着城市公共交通的出现 以来，至今已有l8 0 多年的历史，城市公共交通经历了发展、兴旺、衰退和目前 的复兴阶段。 所谓城市公共交通，是在城市这个特定的管辖区域内经营的供公共使用的客 运交通系统【3 引。从交通方式划分的角度来看，城市公共交通分为常规公交、城市 轨道交通及辅助公交方式。其中地面常规公交包括公共汽车、有轨电车、无轨龟 车和小型公共汽车；城市轨道交通包括地铁、轻轨、郊区铁路和单轨铁路；辅助 公交方式主要为单位车、旅游车及出租车。这些交通方式共同构成了城市公共交 通系统，如图2 1 所示。在整个公交系统中，最主要的两种公交方式是常规公交 和轨道交通，它们承担了城市主要的客流。 公共汽车 有轨电车 无轨电车 小型公共汽车 地铁 轻轨 郊区铁路 单轨铁路 图2 1 城市公共交通系统构成图 然而，各种公交方式由于其经济及技术特性的不同，以及其服务范围的差异， 导致各种公共交通方式在城市交通中的功能定位也各不相同。在进行常规公交与 轨道交通协调发展的研究时，将包含两种公交方式的城市公共交通作为一个完整 9 的系统，运用系统的观点对二者进行分析。 2 1 2 轨道交通与常规公交的特性比较 轨道交通与常规公交同属于城市公共交通系统的重要组成部分，但二者在运 输效率、舒适度、服务范围等方面各不相同。 轨道交通最大的优点是专用路权且不占用道路资源，因此不存在交通阻塞， 交通安全事故率低。其次，轨道交通的车辆容量和路线客运量远远高于常规公交， 能有效降低能耗。再次，轨道交通的运行速度为常规公交的两倍左右，能更好的 节约出行时耗。而常规公交线路设置灵活，路网稠密，能够提供更加方便的门到 门服务。具体如表2 1 所示。 表2 1 城市轨道交通与常规公交的运输效率比较 系统特性轨道交通常规公交 投资巨大，提供全天候高质量服 专用、隔离线设置占用道路空间， 优缺点线路设置灵活，投资方面非常灵 务，无交通阻塞 活 路权形式 地面高架地下混行专用线隔离线 车辆容量( 人车)3 0 0 3 7 53 0 0 3 7 5 3 0 0 8 0 一1 2 0 8 0 1 2 01 2 0 路线客运量( 千人h ) 5 07 07 01 0 1 51 5 2 03 0 旅行速度( k m h ) 1 5 3 03 0 3 53 0 3 51 0 1 21 5 1 81 5 3 0 总成本( 包括利息) 0 1 0 0 1 5o 1 2 o 2 00 1 5 0 2 50 1 2 一o 2 4o 0 2 0 1 0o 0 2 0 0 5 ( 美元人公里) 除此之外，考虑到舒适度也是影响居民出行方式选择的重要因素之一，将轨 道交通与常规公交的舒适度进行比较，可见轨道交通的舒适度明显高于常规公交， 具体如表2 2 所示。 表2 2 城市轨道交通与常规公交的舒适度比较 公共交通方式拥挤度( 人m 2 )运行状况 安全、可靠、准点，车内环境 城市轨道交通 4 7 良好 列队运行，车速低，准点率较 常规公交7 一1 1 差，安全性较差 轨道交通与常规公交适宜的服务范围也有差异，将它们的服务范围进行比较， 可以表示如表2 3 所示。 l o 表2 3 城市轨道交通与常规公交的服务范围比较 平均旅行速度 合理运距交通可达城市面积 公共交通方式 ( k m h ) ( k m )( k m 2 ) 城市轨道交通 3 52 5 3 5l9 6 2 5 - 3 8 4 6 5 常规公交 1 51 0 一1 53 1 4 7 0 6 5 由此可见，轨道交通利用速度优势使服务范围进一步扩大，轨道交通的服务 范围为常规公交的6 倍左右。 2 1 3 轨道交通与常规公交的功能定位分析 城市居民出行方式的多样性，决定了城市公共交通系统的多元化发展，为满 足居民出行需求，各交通方式必须相互补充、分工合作，才能共同促进系统整体 功能的发挥。 城市轨道交通由于其运量大，运距长，安全准点，舒适度高，同时能节约能 源，已经越来越多的承担了城市客运的主要客流。目前来看，轨道交通已经成为 了城市公共交通的骨干，并对公共交通的结构和布局形态起到了决定性的作用。 尽管如此，轨道交通并不能完全取代常规公交。主要原因是由于轨道交通投 资大、建设周期长，同时，依据我国现在的国情，高密度的轨道交通线网不可能 在短期内建设，因此，我国城市公共交通的主体还不是轨道交通【3 引。相反的，常 规公交布线灵活，投资小，而且能提供门到门的服务，因此能满足很多中短途出 行居民的需求。同时，它还能作为轨道交通的补充，接运轨道交通的换乘客流。 所以从目前来看，常规公交仍然是我国城市公共交通系统的主体部分。 由此可见，我国城市公共交通系统的发展方向应该为：以城市轨道交通为骨 干，常规公交为主体，其余交通方式为辅助，形成“鱼骨”结构网络，使各种公 共交通方式在时间和空间上达到整体化。也就是说，轨道交通与常规公交的功能 定位应该分别为城市公共客运中的主干与支流【3 引。 2 2 系统协调的相关理论概述 系统( s y s t e m ) 是由一些相互联系、相互制约的若干组成部分结合而成的、具 有特定功能的一个有机整体( 集合) 。在系统内部，各个组成部分相互区别又相互 联系，只有通过协调统一才能共同达成某种目的，实现系统的整体功能【39 1 。 2 2 1 系统协调的基本思想 协调是一个应用十分广泛的概念，它涉及了系统学、管理学、经济学、人工 智能等各个学科领域，但目前对于协调这个词并没有一个统的十分明确的定义。 但对于系统协调的基本思想及要求达到的目的，已基本形成统认识。 所谓的系统协调，就是通过某些方法来重新组织和调控所研究的系统，找到 解决矛盾和冲突的方法，使系统从无序到有序不断的运行，减少系统的负效应， 尽可能的提高系统的整体输出功能和系统的整体效应。 轨道交通与常规公交的协调，就是通过有效的方式、方法，对常规公交与轨 道交通的线网进行合理规划和调整，使两种公交线网在保证其自身的合理性及与 外界环境的适应性的同时，还能最大程度的消除彼此的矛盾，达到协调一致，从 而实现提高城市公共交通系统的整体功效水平的目的。 2 2 2 系统协调的理论基础 系统协调的理论基础主要包括协同学理论和控制论。协同学是指的系统内部 各要素不依靠外力，仅在环境作用下，朝有序结构发展，它是一种间接控制或不 确定控制和软控制。而控制论则是从外界以某种特定方式对系统施加控制，使系 统以预期方式进行演化，是一种直接控制或确定控制和硬控制。 2 2 2 1 协同学理论 协同学是2 0 世纪7 0 年代初联邦德国理论物理学家哈肯创立的，近几十年来 获得了深入发展并被推广应用到各个学科。协同学主要研究的是协同系统在外参 量的驱动下和在子系统之间的相互作用下，以自组织的方式在宏观尺度上形成空 间、时间或功能有序结构的条件、特点及其演化规律。 协同系统是指由许多子系统组成的、能以自组织方式形成宏观的空间、时间 或功能有序结构的开放系统。协同系统的状态又可由组参量来描述，这些状态 参量随时问变化的快慢程度是不相同的。当系统逐渐接近于发生显著质变的临界 点时，变化慢的状态参量的数目就会越来越少，有时甚至只有一个或者少数几个。 这些为数不多的慢变化参量就完全确定了系统的宏观行为并表征系统的有序化程 度，故称序参量。那些为数众多的变化快的状态参量就由序参量支配，并可绝热 地将他们消去。这一结论称为支配原理，它是协同学的基本原理。序参量随时间 变化所遵从的非线性方程称为序参量的演化方程，是协同学的基本方程。由此可 见，协同学的主要内容就是用演化方程来研究协同系统的各种非平衡定态和不稳 定性( 又称为非平衡相态) 。 城市公共交通系统是一个开放式的系统，它与整个社会的人口、土地以及城 市人口的消费水平等有着密切的联系，如图2 2 所示。城市公共交通系统必须不 断的与外界环境交换能量、物质和信息，才能保证整个系统健康稳定的发展，否 则必将走向灭亡。 1 2 图2 2 城市公共交通系统与外界环境关系图 城市公共交通系统是一个庞大的系统，它由许多的予系统组成，各个子系统 之间并不是毫无联系的，它们相互影响相互制约，使系统达到一种有序的状态， 共同促进城市公共交通系统整体功能的发挥。以轨道交通和常规公交为例，如果 过分强调轨道交通的发展，则会限制常规公交的发展，也容易引起投资浪费，而 常规公交的落后，就无法为轨道交通提供快速便捷的客流集散系统，同样会影响 轨道交通的发展。由于整个城市公共交通系统内部及外部的不断作用，使得城市 公共交通系统一般都处于一种远离平衡的状态。主要表现在城市空间结构、土地 利用结构以及城市公共交通系统内部的各个子系统之间的关系是一种非线性的关 系，且随时都在变化，正是这些变化推动整个城市公共交通系统在不断的打破现 有的平衡从而达到新的平衡态。 2 2 2 2 控制论 控制论是研究一般系统中控制和信息过程中共同规律的科学，是一门涉及各 个领域的综合性很强的科学。自从l9 4 8 年诺伯特维纳发表了著名的控制论 关于在动物和机中控制和通讯的科学一书以来，控制论的思想和方法已经渗透 到了几乎有的自然科学和社会科学领域。 在控制论中，“控制”的定义是为了“改善”某个或某些受控对象的功能或发展， 需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的、于该对象上的作用，就叫作 控制。由此可见，控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，进而任何控 制又都有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。通俗 的说，信息反馈就是指由控制系统把信输送出去，又把其作用结果返送回来，并 对信息的再输出发生影响，起到控制的作用，以达到预定的目的【4 们。 控制论系统的主要特征分为四个，具体为： 1 、要有一个预定的稳定状态或平衡状态。 2 、从外部环境到系统内部有一种信息的传递。 3 、这种系统具有一种专门设计用来校正行动的装置。 4 、这种系统为了在不断变化的环境中维持自身的稳定，内部都具有自动调节 的机制，换言之，控制系统都是一种动态系统。 对于轨道交通与常规公交组成的城市公共交通系统而言，确定合理的轨道交 通站间距，就能使整个系统达到一个预定的稳定状态。此时，轨道交通与常规公 交处于相对稳定的发展状态，一方面轨道交通能够盈利，另一方面，也能保证常 规公交的客流不受干扰。然而随着社会进步，出行费用在居民消耗中的比重会发 生变化，而这种变化又会影响居民对于出行方式的选择，其次，城市土地结构的 改变也会引起城市公共交通系统结构的变化。因此，可以通过提高公共交通服务 质量、减少换乘、提高运营效率等方式，来提高城市公共交通系统在城市客运中 的整体竞争力，保证轨道交通与常规公交的良性竞争与合作，实现城市公共交通 系统的稳定、快速的发展。 2 3 轨道交通与常规公交协调的目标及原则 通过以上的分析可知，城市公共交通系统作为一个远离平衡态的开放系统， 必然会受到外部因素的影响，同时，系统内部各因素之间也会相互作用，从而导 致整个系统不断的发展变化。因此，为了确定系统协调的目标及原则，首先要对 影响系统的外部因素进行分析。 2 3 2 协调的目的 通过以上分析可知，为了使整个系统能够朝有序的方向发展，保证城市公共 交通系统整体功能的有效发挥，可以从轨道交通、常规公交和出行者三个方面对 轨道交通与常规公交协调的目的进行分析。 ( 1 ) 切实发挥轨道交通作为城市客运交通骨干的积极作用 通过对轨道交通特性的分析可知，轨道交通适合远距离、大运量的运输，且 它的运送速度是常规