（市政工程专业论文）城市换乘枢纽空间布局与交通资源整合研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 经济和社会的发展引起私人交通工具的逐渐普及，致使城市交通系统承受了越来越大 的压力。对城市的交通资源进行有效整合、大力发展公共交通以提高城市交通系统的运行 效率，是解决城市交通问题的最有效途径，这已成为交通专家们的共识。在城市的交通资 源整合中，换乘枢纽的规划与建设是关键。 本文首先介绍了城市交通系统的组成及其交通枢纽在城市交通系统中的作用，讨论了 交通枢纽的优化布局在城市交通资源整合中的重要地位。然后研究了建立基于多种交通手 段的超级城市交通网络模型的方法，主要包括超级网络的拓扑结构和拓扑方法。这个超级 交通网络模型将包含城市内的公交、道路、轨道等多种交通方式，其网络拓扑的关键是如 何数学表示不同交通方式的线路间的空间关系和换乘路径。其次，本文依据该超级交通网 络和已知的o d 矩阵，建立换乘枢纽选址的双层规划模型。其中，上层模型追求交通系统 社会效益最大和换乘枢纽建设费用最小，而下层模型是超级交通网络上全方式o d 交通量 的用户平衡分配模型。在下层模型中，本文提出了基于超级交通网络的多项l o g i t 随机路 径选择算法，以实现在超级网络上的路径选择与交通分布分配。本文引入改进的禁忌搜索 算法求解布局优化模型，通过此算法实现上下层模型之间的循环反馈，并达到上下层模型 的最优化。 最后，本文在利用双层模型优化计算取得较优的换乘枢纽布局方案的基础上，对换乘 枢纽优化布局方案进行了系统评价。使用层次分析法建立了换乘枢纽布局系统评价模型， 通过建立的包括枢纽内部效益、社会效益与环境效益的综合效益指标体系，对得出的优化 方案进行了综合系统评价并得到最优方案。 关键词：超级网络；枢纽布局；资源整合；禁忌搜索 谢韬：城市换乘枢纽空间布局与交通资源整合研究 s t u d yo nl o c a t i n gt h eu r b a nt r a n s f e rt e r m i n a l sa n di n t e g r a t i n gt h e t 】锄cr e s o u r c e s a b s t r a c t w i 血s o c i o e e o n o m i ed e v e l o p m e n t , t h e r ea r em o r ea n dm o r ec a r si nu r b a n w h i c hb r i n g t r e m e n d o u sp m s s u r et ot h eu r b a nt r a f f i cs y s t e m i n t e g r a t i n gt h ew a n s p o r t a t i o nn c i l i f i e se f f i c i e n t l y a n dd e v e l o p i n gp u b l i ct r a n s i tv i g o r o u s l yi st h ek e yt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t r a f f i cs y s t e m , a n d i ti st h em o s te f f e c t i v ew a yt os o l v eu r b a nt r * d 伍cp r o b l e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec o m p o s i t i o no f t r a f f i cs y s t e m ，t h ef u n c t i o no f t r a n s f e rt e m l i n a l sa n dt h e k e yp o s i t i o no ft r a n s f e rt e r m i n a l si nt h ei n t e g r a t i o no fu r b a nt r a n s p o r t a t i o nf a c i l i t i e si si n t r o d u c e d f i r s t t h e nw ea i m st od e v e l o pam o d e lt ol o c a t et h et e r m i n a l sb a s e do nt h es u p e rt r a n s p o r t a t i o n n e t w o r k f i r s t ，w es t u d yo nt h em e t h o df o re s t a b l i s h i n gas u p e rt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k , w h i c h i n t e g r a t e st h el i n e so fa l lm o d e si nac i t y n em a i nf o c u s e si nt h i ss t e pa r et h et o p o l o g ys t r u c t u r e a n dt o p o l o g ym e t h o df o r 也es u p e rn e t w o r k , w h i c hw i l lm a t h e m a t i c a l l yr e p r e s e n tt h e s p a t i a l r e l a t i o n s h i p sa n dw a l l s f e rp a t h sb e t w e e n1 i n e so fd i f f e r e n tm o d e s s e c o n 山w ed e v e l o pab i 1 e v e l m o d e lt oo p t i m i z et h el o c a t i o no ft h et e r m i n a l sw i t ht h es u r ) e rn e t w o r ka n dt h e0 dt r a f f i cf l o w s w h e r et h eu p p e rl e v e la i m st om a x i m i z et h es o c i a lb e n e f i to ft h e 锄c s y s t e ma n dm i n i m i z et h e t e r m i r m c o n s t r u c t i o nc o s t , a n dt h e1 0 w e rl e v e li sau s e re q u i l i b r i u mm o d e lt oa s s i g nt h ew h o l eo d t r a f f i c st ot h es u p e rn e t w o r k 、v ep r o p o s e 心t os t o c h a s t i ca s s i g n0 dm a t r i xt ot h es u p e r n e t w o r ki nt h el o w e r1 e v e lm o d e l i no r d e rt os o l v et h eb i - i e v e lm o d e le f f i c i e n t l y t h i sd i s s e r t a f i o n a d o p t st h et a b uh e u r i s t i ca l g o r i t h mt oa c h i e v et h ei t e r a t i o na n df e e d b a c kp r o c e s sb e t w e e nt h eu p p e r l e v e la n dt h el o w e rl e v e l a n do b t a i n t h eo p t i m a lr e s u l tf i n a l l y f i n a l l y , w es y s t e m a t i c a l l ya s s e s st h ep r e f e r a b l et r a n s f e rt e r m i n a l sl a y o u ts o l u t i o n sw h i c h a l r e a d yo b t a i n e df i r s t w ec o n s t i t u t ei n d i c a t o rs y s t e mw h i c hc o n t a i n si n t e r n a lb e n e f i t s o c i a lb e n e f i t a n de n v i r o n m e n t a lb e n e ：f i t , a n dt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) i s e m p l o y e dt os y s t e m a t i c a l l y b s s e s sa n do b t a i nt h eb e s tl a y o a to f t m n s f e rt e r m i n a l s k e yw o r d s ：s u p e rt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k ；t e r m i n a ll o c a t i o n ；i n t e g r a t i o n ；t a b us e a r c h 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：! 弛堡垒 日期： 妒fj 1 一哆 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：卵 导师签名： 扬是：箍丑 丛年旦月二日 大连理工大学硕士学位论文 1 前言及背景 1 1 背景介绍 经过上个世纪八十年代以来的二十几年的经济发展，中国的各种交通运输方式都有大 规模的发展。但社会和经济的发展对城市交通系统提出了更高的要求，交通系统面临整合 以优化交通资源配置的任务，建设一体化、高效的综合交通运输系统是各个城市的当务之 急。所谓综合交通运输系统，就是各种交通运输方式在社会化的运输范围内和统一的运输 过程中，按其技术经济特点组成分工协作、有机结合、连接贯通、布局合理的交通运输综 合体 1 。进行一体化综合交通系统整合规划是保证综合交通运输系统高效运转的关键 2 1 。 1 1 1 我国城市交通现状与问题 改革开发以来我国城市化发展迅速，城市人口增长很快，尤其是大量人口涌入了城市 特别是大城市。经济的发展与人们生活水平的提高导致了人们出行次数增多。出行需求的 增大给城市交通带来了严重的问题，我国的城市尤其是大城市大多出现了道路拥堵、交通 秩序混乱、交通污染严重、交通事故增多等现象 1 - 6 1 。在城市化和机动化的进程中，尽管城 市交通的供给规模不断扩大，但是由于交通需求的增加更加强烈，城市内交通拥挤问题仍 然日趋复杂，交通规划也在变得日益综合化网。 ( 1 ) 交通需求激增 交通需求的增长来源于经济的增长与城市发展的需要，城市化发展对城市交通提出了 更高的要求。 大城市作为区域交通枢纽的作用日益加强。庞大的运输量需要相应的城市内部运输能力 来提供保障，没有足够的交通枢纽等换乘衔接设施是完不成外来运输任务的。 大城市中自行车拥有量已趋饱和，但其绝对数量还在增加，并已呈现出向摩托车和小汽 车转化的发展趋势，特别是最近几年，大城市机动车增幅在年均1 5 以上。随着汽车工业 产业政策的实施及鼓励私人购车等措旌的出台，将会有更多的汽车进入城市，城市客运交 通将面临更为严峻的局面。 城市郊区化的发展和城市用地的扩大，导致了居民出行距离的延长，公交出行方式多 样化，换乘问题变得越来越重要。 ( 2 ) 城市交通供给不足 城市交通供给不足主要表现在三个方面：第一是路网容量不足。第二是交通资源缺乏整 合，各种交通方式、道路资源缺乏有效的衔接，交通系统的运行效率低下。如路网结构不 合理，路网功能混乱，主干道、次干道、支路比例失调，道路衔接不畅关系紊乱。第三是 谢韬：城市换乘枢纽空间布局与交通资源整合研究 静态交通设旌不足，忽略了停车场、交通管理标志、信号设施、公交站点、换乘设施等的 建设，难以满足交通管理的需要，影响道路的通行能力。 另外我国常规公交发展迟缓，而私人交通发展很快。据世界银行的预计报告，我国大部 分城市的公交出行分担率在6 - 2 5 之间，而国外大城市一般在4 0 一8 0 之间。我国 大部分城市的公交出行全部要依靠常规地面公交，还没有形成以轨道交通为骨干的综合客 运交通体系，虽然最近几年轨道交通发展很快，在有些城市已经承担了大量的客运交通任 务，但是城市客运的供求矛盾依然突出，公交服务质量低下，无法满足居民多层次的需求。 ( 3 ) 交通管理落后 城市交通管理是城市交通系统的重要软件之一，交通管理设施不足与交通管理水平低下 是城市交通堵塞的重要原因。与发达国家相比，我国的大城市的交通堵塞更为严重、交通 效率低、事故量大，这就是交通管理水平低下、管理设施不足的结果。 1 1 2 解决我国城市交通问题的思路 研究和实践证明单纯的粗放式的增加城市道路设施并不能解决城市的交通问题，增加城 市的道路设施只能使城市交通系统暂时地处于平衡状态，随着交通需求的增长这种平衡又 会被打破，交通供给又将不能满足交通需求。调整城市交通结构与土地利用形态、大力发 展公共交通、整合交通运输系统提高交通系统的运行效率是解决城市交通问题的最有效办 法，已成为大部分交通学者的共识【3 j 。建立一个以轨道交通为骨架，以常规公交为主体，多 种交通方式互相协调的客运交通体系已成为大部分大城市交通发展战略的重要内容。 在城市交通系统的运行中，交通换乘起着关键性的作用，尤其是随着城市郊区化的发展， 人们的出行增长，交通换乘变得越来越普遍。城市交通换乘枢纽是城市交通系统的关节与 纽带，是提高交通系统运行效率的关键。通过换乘枢纽将城市内的公共交通线路、各种交 通方式之间、市内交通与对外交通有效衔接起来，方便人们换乘，减少人们的出行时空消 耗，提高公共交通的服务质量、吸引力而提高公交的占有率，这样通过换乘枢纽构建一个 有机结合、一体化的、高效的城市交通系统。通过换乘枢纽来整合有限的交通资源是调整 优化城市交通结构的重要有效手段。 1 2 研究目的、意义及内容 1 2 1 研究目的与意义 城市换乘枢纽对城市交通系统的高效衔接整合起着关键的作用，同时，合理的交通资源 整合在枢纽区域的交通流组织、减少乘客出行时空消耗等方面有举足轻重的意义。合理成 功的换乘枢纽规划也是一个城市形象建设的一部分。 大连理工大学硕士学位论文 在我国，交通建设与研究的起步较晚，备交通方式分属于不同的交通不同的交通部门， 在交通规划、交通运营、交通管理各自为政，条块分割，有些规划或者政策甚至相互冲突， 交通设施重复建设，交通运营缺乏协调1 3 j 。在以往的交通规划与建设中没有很好的将城市交 通作为一个系统来综合考虑，换乘枢纽是将城市交通进行有效整合、衔接城市交通的各交 通方式与线路的关键一环。换乘枢纽的空间优化布局是城市交通系统规划的主要内容，对 以往规划中常常忽视的交通枢纽接驳问题进行研究是非常必要的。本论文研究有以下目的 与意义： ( 1 ) 建立一体化的城市交通战略的需要。通过换乘枢纽的规划与布局建立一体化城市 交通的衔接系统，发挥各种交通方式的长处，整合各种交通资源提高公共交通的服务水平 与吸引力，以发挥城市交通的系统的最大效率。 ( 2 ) 优先发展公共交通的需要。城市公共交通如果路线布置不合理，无有效的衔接， 居民换乘不便，势必造成客流量达不到预钡4 水平，导致公共交通效益不佳，投资难以回收。 所以合理的规划布局换乘枢纽，完善公共交通与其他交通方式的换乘衔接，保证足够的客 源维持公共交通良好的经济效益，促进公共交通的良性发展。 ( 3 ) 优化调整城市布局的需要。城市交通与城市布局相互影响，互为作用。城市布局 决定了城市交通的特征，决定了城市区域的交通发生与吸引，反过来，交通的发展对城市 布局与发展起导向作用。不同的交通方式形成各具特色的区位可达性分布，对应着一定的 城市空间分布形态，激活城市外围用地。发展城市公共交通，并通过换乘枢纽协调各种交 通方式，提高城市可达性，诱导城市人口和就业岗位的重新分布，有效分散城市功能，优 化城市布局，减小城市交通负荷。 1 2 2 研究内容与方法 本文主要研究如何优化换乘枢纽的空间布局并对优化布局方案进行综合系统评价，以 实现城市交通资源的有效整合。本文主要内容框架如图1 1 所示： 谢韬：城市换乘枢纽空间布局与交通资源整合研究 i 我国交通现状与问题i j ， i 各种交通方式特性分析ii 交通枢纽的整合作用i l i 超级交通网络拓扑研究i 山 i 基于超级变通网络的路i l 径选择算法 i 山 _ 换乘枢纽优化布局建模卜、 l 开发优化布局模型 1 分析模型参数 1 l 研究求解算法 1 实例计算 l j ， ，叫换乘枢纽布局方案系统评价卜_ 、 1 评价指标体系的建立 i 换乘枢纽布局系统评价 i 的层次分析法模型建立l i 实例计算 1 图i 1 论文的框架图 f i g ，1 1f r a m e w o r k o f t h i sd i s s e r t a t i o n 一4 大连理工大学硕士学位论文 2 城市综合交通运输系统与城市交通枢纽 2 1 棚述 城市综合交通运输系统是指灵活运用不同运输形式具有的交通运输特性，综合组织成为 最有效和最适合运输需求、节约能源和保护环境的可持续的运输系统。综合交通运输系统 是一个复杂的多层次的社会经济系统。交通枢纽是综合交通运输网络中，同时承担几种运 输方式或几条线路枢纽功能的节点，是交通运输的生产组织基地和综合交通运输网络中客 贷集散、转运及过境的场所，具有运输组织管理、中转换乘换装、信息流通与辅助服务等 功能，对所在区域的综合交通运输网络的高效运转具有重要作用，也是城市对外联系的桥 梁和纽带。交通枢纽在城市综合交通运输系统中起着关节、衔接、整合不同交通方式线路 的作用。 2 2 城市各类交通方式特陛分析 不同交通方式的分工协作、有机结合形成城市综合交通运输系统。交通方式是指出行 者出行所使用的交通工具或手段。目前城市居民出行的交通方式主要有：地铁、轻轨、公 共电汽车、有轨电车、轮渡、私人小汽车、出租车、摩托车、自行车、步行等。各种交通 方式有着不同的交通特性，城市各类交通方式的特性一般用以下几个方面进行分析【9 ，l 0 1 ： 2 2 1 各种交通方式的便捷性 对于私人交通工具而言( 私人小汽车、摩托车、自行车等) ，其交通可达性强，出行 范围广、尤其是小汽车活动半径大，可实现门到门的运输功能。时间消耗主要是车上的运 送时间，没有步行时间、等车时间与换乘时间。运送速度常常受到道路、交通条件的限制。 常规的地面公交，一般按照固定的线路、固定的时间表运行。交通服务只能做到线路 服务，覆盖面有限。运送时间、运送速度同样受到道路、交通条件的影响，对出行者而言， 由于出行者的出发地与目的地往往离公交线路起终点有一段距离，时间消耗除了车上的运 行时间外还有两端的步行时间与中间换乘时间。 轨道交通，按照固定的线路、固定的时间表运行。交通服务只能做到线服务，覆盖面 小。运送时间、运送速度不受气候、道路、交通等条件的影响，运送速度快，运送量大， 运送能力强。但是建设成本高，其运营成本也比常规的地面公交高。建设密度低，服务范 围有限。而且依赖于地面其他交通的接驳，所以两端的步行时间与换乘时间较长。 2 _ 2 2 各种交通方式的能源消耗 不同的交通方式有不同的能源消耗。从表2 1 可以看出，运输单位人每公里的能源消耗 谢韬：城市换乘枢纽空间布局与交通资源整合研究 从0 0 6 兆焦耳到1 。4 5 兆焦耳。在不考虑交通时间效率情况下，步行、自行车、公共汽车是 最佳的交通方式。在各种机动化的交通方式中，虽然单个小汽车比公交车的能源消耗低， 但是由于公交车的载客量远远大于私人小汽车，因此单位人公里的能源消耗远远小于私人 小汽车方式。各种交通方式的能源消耗如表2 1 所示： 表2 1 不同交通方式单位运量能源消耗( 单位：兆焦耳人公里) t a b 2 1e n e r g yc o n s u m ep e rc a p i t ak i l o m e t e ro f d i f f e r e n tn 邙m o d e s ( u n i t ：m i l l i o n j o u l ep e rc a p i t ak i l o m e t e r ) 2 2 3 交通方式对环境的影响 使用不同的交通方式，平均每人每公里排放的污染物数量是不同的。从表2 2 可以看出 自行车与公共交通是对城市空气污染最少的交通方式。 表2 2 不同交通方式车公里废气排放( n a g ) t a b 2 2 e x h a u s te m i s s i o n p e r v e h i c l e k i l o m e t e r o f d i f f e r e n t t r i p m o d e s ( r a 曲 2 2 ，4 交通方式的城市空间占用 城市的土地利用、城市空问是城市有限资源的重要组成部分，不同的交通方式完成单 大连理工大学硕士学位论文 位客运量对于城市道路设施的占用不同，一般用城市消耗的概念进行比较。城市空间消耗 ( u r b a ns p a c ec o n s u m p t i o n 简称u s c ) 单位是平方米小时。表2 3 是不同交通方式的人均 u s c 。 表2 3 不同交通方式的人均u s c t a b 2 3 u s cp e r c a p i t a o f d i f f e r e n t t r i p m o d e s 2 2 5 交通方式的费用比较 在城市交通体系中，轨道交通、电车、公交巴士、出租车、私人小汽车、摩托车和自 行车建设投资成本各不相同。出行者在出行决策确定后选择某一交通方式所依据的主要是 由票价、使用成本和时间成本。城市轨道交通初期建设投资最大，但是单位运输人公里成 本低，出行者在使用过程中费用较低、时间成本也较低；公共汽车初期投资成本较城市轨 道交通要低，人公里运输成本低，票价相对较低，但是乘车时间受道路交通状况限制无法 控制。私人小汽车的初期投资成本较低，但是使用成本高。 各交通方式特性总结如表2 4 。由上述分析可见，在完成同等出行量的情况下，显然， 公交方式与私人小汽车比较，对于交通设施的占用、资源消耗以及对环境的影响都是最小 的，其社会综合成本无疑是最省的。因此，要提高城市交通系统的整体运输效率就必须采 取大力发展公共交通、公交优先的战略，构建以轨道交通为骨架，有相当的覆盖面的城市 公共交通网络。私人交通方式占据的道路空间，排放的污染物，都数倍于公交方式，而且 还给公交乘客造成了时间延误，因此公交优先不仅考虑了一种社会公平性，照顾了大多数 谢韬：城市换乘枢纽空间布局与交通资源整合研究 人的利益，体现了社会的经济合理性，也节省了有限的城市道路资源与能源，减少了交通 环境污染。 表2 4 城市各种出行方式的运输特性比较5 1 t a b 2 4c h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i s o no f d i f i 融r e n ti r i pm o d e s 2 3 交通枢纽的基础理论 交通枢纽，英文解释为终端( t c m 1 j n a l ) ，意思是当运输对象使地面用某种运输工具沿 某路线到达、换乘时，该枢纽能满足改用其他交通工具或交通方式沿其他线路运行。交通 枢纽的主要功能是实现运输对象的快捷换乘，整合不同的交通线路与方式实现有效衔接， 形成顺畅通达、高效运行的综合交通体系。客运交通枢纽主要体现在重视交通结合部的交 通换乘枢纽建设，将城市铁路、地铁、轻轨、公共汽车、小汽车等交通方式连成一体组成 综合的交通网络。 2 3 1 交通枢纽的基本功能 交通枢纽有以下几种基本功能： ( 1 ) 运输生产组织功能 大连理工大学硕士学位论文 包括运输市场、运输工具的管理，客流组织，对外联络、各枢纽场站之间的协调以及 枢纽站的管理，各种交通方式之间的有机衔接、统一协调，为旅客提供方便快捷的运输服 务。 ( 2 ) 场站作业服务功能 为各种客运交通方式乘客提供问询、购票、候车、检票以及行包托运和提取等基本服 务对各种客运车辆进行组织调度、接发、行包装卸和有关运输手续的交接、费用结算等生 产服务，满足不同客运形式对客运枢纽站的要求。 ( 3 ) 通信信息服务功能 通过计算机通信技术，依托互联网，使客运枢纽站与上级主管和各种不同方式的运输 枢纽有机联系起来，并为枢纽站的组织运营、内部管理、内外联络、旅客出行提供先进的 手段和及时、准确的信息；满足旅客出行和中转换乘的要求。 ( 4 )中转换乘功能 利用良好的交通位置、完善的设施，以及现代化的管理手段，为旅客提供不同运输方 式之间、不同运输线路之间，以及各种运输方式与市内交通之间便利的换乘服务，实现各 种运输方式之间的“零距离换乘”目标。 2 3 | 2 交通枢纽的分类分级 不同类型、不同等级的公共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资金等均不相同。这样就会导 致不同类、不同级的公共交通枢纽在城市中的布局要求上会有很大不同。交通枢纽分类一 般按一下几种方式考虑【l l _ 1 4 1 ： ( 1 ) 按交通功能划分 城市对外交通枢纽。其功能是将城市公共交通与铁路、水路、航空、长途汽车交通 连接起来，使乘客顺利地完成一次旅行。这种枢纽的选址，以运量大的交通方式的站点为 依据； 市内交通枢纽。其功能是沟通市内各分区的交通以及各个分区内部的交通联系： 为特定设施服务的枢纽。其功能是为体育场、全市性公园等大型公共活动场所的观 众、游人的集散服务。 ( 2 ) 按交通方式划分 交通方式换乘枢纽。公共电、汽车交通与地铁、轻轨、港1 ：3 、铁路、航空等交通衔 接的枢纽。这类枢纽主要完成交通方式转换，同时也可实行线路转换； 相同客运交通方式换乘枢纽。公共电、汽车不同路线的转换，与长途汽车的转换枢 纽。 谢韬：城市换乘枢纽空间布局与交通资源整合研究 ( 3 ) 按交通组织划分 公共交通首末端换乘枢纽。有多条公交线路的起点、终点，有相应的停车场地和调 度设施； 公共交通中途站换乘枢纽。是指多路公共交通线路的通过站( 包括城市地铁、轻轨等 轨道交通) 。 ( 4 ) 按布置形式划分 立体式枢纽。枢纽站分地下、地面、地上多层，设有商业、问询等综合服务。这种 枢纽设在大厦之中，如日本名古屋铁路车站终点站“名铁公共汽车终点站”大楼，公共汽 车在大楼的第二层至第五层，在大楼内可以换乘铁路、地铁和常规公交； 平面枢纽。枢纽站在同一地面，客流集散和换乘、交通工具的进出及转换均在同一 平面完成。 ( 5 ) 按服务区域划分 市级枢纽( 包括城市对外交通枢纽) 。为全市服务，客流集散量大，公交线路多，设 备齐全，如火车站前广场的公共交通枢纽、市中心公共交通枢纽等； 区级枢纽。连接各区交通重心、卫星城镇的公交线路的起终点枢纽； 地区性枢纽。设在地区客流集散点处的枢纽，服务范围小，设备简单。 ( 6 ) 按枢纽的集散客流量划分 特大枢纽。日客流量 1 0 0 0 0 0 人； 大型枢纽。l o o o o o 人 日客流量 3 0 0 0 0 人； 中型枢纽。3 0 0 0 0 人 日客流量 5 0 0 0 人； 小型枢纽。日客流1 5 0 0 0 人。 2 4 换乘枢纽与城市交通资源整合 当代交通运输业的发展出现两大趋势：一是随着世界新技术革命的发展，交通运输广 泛采用新技术，实现了运输工具和设备的现代化；二是随着运输方式的多样化和运输过程 的统一化，各种交通方式越来越朝着分工协作、互相配合、建立综合交通运输系统的方向 发展。如何整合各种交通方式的交通资源，协调整个城市交通系统的运行以最大程度地提 高有限交通资源的使用效率是城市交通的重大课题。 为改善交通拥堵、车速慢等问题，许多大城市纷纷在进行城市道路的改造和建设包括 轨道交通与非轨道交通( 如轻轨、地铁、高架铁路、公交专用道等) 在内的公共交通的同 时，由于各种交通方式的衔接换乘问题的出现，如城际铁路与城市内的轨道交通，城市地 铁与地面公交、轨道交通之间、地面公交之间等的衔接问题，换乘枢纽的规划与建设也得 到了积极的关注。 大连理工大学硕士学位论文 换乘枢纽是整合城市交通资源的关键，为了实现顺畅的交通流，协调不同交通方式、 交通线路共同完成城市交通功能，换乘枢纽是一个不可或缺的重要环节。换乘枢纽也是城 际间的长途客货流与城市间交通流衔接并实现交通流的顺畅的关键节点。大型布局良好的 换乘枢纽一般还有布局集中紧凑、多层次衔接、立体换乘、机械化设旌完善、各种交通分 流互不干扰、标志清楚明显人性化、换乘距离短并且舒适方便、服务设施完善等特点。图 2 1 是换乘枢纽的作用示意图： 图2 1 换乘枢纽作用示意图 f i g 2 1f u n c t i o no f t r a n s f e r t e r m i n a l s 流 通常认为在城市交通体系中，换乘枢纽具有如下的整合作用【l 1 6 j ： 1 换乘枢纽是城市总体布局规划的重要组成部分，连接城市不同的功能区域，保证生 产与生活的连续性。枢纽可以大量疏导客流，调节城市客流的流量、流向，引导城市用地 的合理开发； 2 合理协调公交线路之间的关系，保证客运系统工作运转的连续性，充分发挥公交网 的效益，方便乘客，提高公交服务水平与增大公交吸引力； 3 为公交吸引客流、改善城市客运结构。合理的枢纽规划可以大幅度的提高公交的服 务水平与增大公交的吸引力，可促使私人交通方式向公交转换，这将有幂于减轻城市交通 的压力，提高整个城市交通系统的运输效率。 换乘枢纽既可以承担城市的城际客流的集散，建立城市对外交通与城市内部交通的有 效衔接，又可以承担城市内部各种交通方式、线路之间的高效换乘，城市中心城区与城市 外围组团客流的组织与集散，轨道交通客流的集散等，以实现城市交通系统的顺畅衔接与 高效运行。换乘枢纽参与城市交通的整合效果如图2 2 所示。 谢韬：城市换乘枢纽空间布局与交i 薹资源整合研究 r 一磊赢二- 1 i 二= - i - = = - 二磊磊i - - - 二二- - = 二= = 。- 二订 ! - - _ - ； _ 一一- 一一一一一一一一一一一一一一- 一一一一一- 一- 一_ 一- 一一一一一一- - 一一一一一一一一一一- 一j 图2 2 换乘枢纽的城市交通整合示意图 f i g 2 2i n t e g r a t ef u n c t i o no f t r a m f e r t e r m i n a l s 纵观我国的城市客运枢纽的规划建设，许多城市存在不同程度的规划工作不到位，枢 纽布局不合理，枢纽功能缺乏科学的设计，导致多种交通方式协调不畅，乘客换乘时空消 耗较大，换乘次数过多，公交及时疏导能力不强等问题，没有充分发挥换乘枢纽在城市交 通体系中的整合作用。对城市换乘枢纽进行合理优化布局，使枢纽的整合功能得到最大程 度的发挥，是我国各城市迫切需要解决的重要问题。 ( 、 忡怄 l 团一圆圆圆团 圈一团圃 大连理工大学硕士学位论文 3 超级城市交通网络与路径选择算法研究 3 1 超级网络的拓扑 四阶段出行选择模型解决城市交通出行的四个问题，即是否出行，出行方式的选择， 去什么地方以及出行路径的选择。在出行方式选择与路径选择上可以用一个统一的模型来 描述，这样可以解决传统方法交通方式选择与交通分布分开建模并且独立于配流模型之外 的不足。这种联合问题可以用变形网络来表示，换句话说，可以在基本网络的基础上增加 虚设的路段来表示多维选择的问题，我们把增加虚设路段后的网络称为超级网络 1 7 1 。 超级交通网络的拓扑结构如图3 1 所示 1 8 】： _ 虚拟换乘节点 各交通方式节点 一虚拟换乘路段 各交通方式路段 图3 i 超级交通网络拓扑结构示意图 f i g 3 1 t o p o l o g y s t r u c t u r eo f s u p e r t r a n s p o r t a t i o n n e t w o r k 在超级网络中综合考虑了乘客的换乘行为与路径选择，这里假设公交线网、轨道交通 网与道路网是相互独立的，用虚设的换乘线将公交站点与道路网连接起来，从而形成一个 连接在一起的超级网络。由于有些道路上有公交线通过，将道路与经过此路段的公交线分 开考虑，道路作为私人交通( 小汽车) 的专用路段，公交线网由于一条道路路段可能有多 条公交线路通过，因此一条道路路段可能会对应多条公交路段，另外公交网的覆盖面有限， 不是每条路段都有相应的公交线，因此有些道路路段可能没有对应的公交路段。 传统的交通网络是用点和线段连接而成的图来表示。一个交通网络占= “爿j ，其中 n = ，也，吩， 表示节点集，a = q ，a 2 ，a 3 ，a o 表示路段集，啊表示路口、路径交点、 谢韬：城市换乘枢纽空间布局与交通资源整合研究 站点或枢纽的节点，g 表示连接相邻节点的路段，研表示交通网络的节点数，尊表示交通网 络的路段数。 超级交通网络拓扑比传统的网络复杂。在超级网络g = 以爿夕中，7 v , a 分别表示节点 与路段的集合，且分为七种交通方式的子网络：q = ( 6 ，4 ) ，6 b ，m n ，4 a ，其中b 代表一种交通方式，b 是交通方式的集合，4 分别代表g 子网络的节点数与路段数。 另外在各交通方式子网络基础上增加了虚拟节点层g n ，通过虚拟节点层将各交通方式子网 络通过虚拟换乘路段实现换乘，从而形成城市交通的超级网络。乘客出行必须通过虚拟节 点实现不同交通方式、不同线路的换乘。由于公交线路较多，各公交线路、轨道线路通过 虚拟节点与虚拟线路连接邻近的站点或道路网节点实现换乘。 3 2 超级交通网络中路径选择模型与算法 超级交通网络中的路径选择算法是在超级交通网络进行交通分配的基础。超级网络中 的交通出行选择没有方式划分的问题，只有路径选择的问题，但是由于超级交通网络中的 路段有些是道路、有些是公交线或轨道交通线，有不同的路段阻抗特l 生，本文将道路路段、 公交线路段、轨道线路段、虚拟路段的效用函数分开考虑。在路径选择算法上使用多项l o g i t 模型，根据路径阻抗的大小按比例分配到起终点间的合理路径上。 3 2 ，1 随机路径选择算法 随机路径选择算法( s t o c h a s t i c p a t hc h o i c ea l g o r i t h m ) 的基础是随机效用理论( s t o c h a s t i c u n t i t yt h e o r y ) 。所谓的效用是基于能反映乘客的选择行为特征、并考虑乘客行为的社会、 经济方面的因素的乘客满意度。计个体r 关于选择枝，的效用为u u 。，由能够观测到的 因素构成的效用确定项圯，和不能观测到的因素以及个人特有的不可观测的喜好造成的效用 随机项g 。，构成，效用函数可以写为：，= k ，+ 毛，。需要指出的是，k ，是反映平均的个人 喜好的函数，也就是通常所指的效用函数。 随机选择模型一般使用l o g i t 模型和p r o b i t 模型。这里主要介绍常用的l o g i t 模型。 ( 1 ) l o g i t 模型 l o g i t 模型用于计算至少有两个选择枝的选择概率。效用函数中的随机项占。，独立同分 布，并且占。月臣从g u m b e l 分布，可以推导出l o g i t 模型： 口n r 只( f ) = ；万 ( 3 1 ) 2 一i 正。e “ 其中只( f ) 为个体n 选择i 选择枝的概率。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 )多项l o 醣模型( m u l f i n o m i a ll o g i tm o d e l ，m n l ) 定义效用确定项为选择枝( 交通方式) 特性变量的线性函数 = 届。+ 屈h 2 + + 屏 ( 3 2 ) 可以得到多项l o g i t ( l ) 模型： 2 夏e x 丽p ( f 1 x , ) ( 3 3 ) 其中，= 慨，乜，a ) 是待标定的参数向量，x 。= ( x n j lx 。，x j k ) 为个体和选择 枝的特性向量。 本文采用m n l 模型实现超级网络上的路径选择。对于一般的乘客来说，出行时间 ( t r a v e lt i m e ) 与出行费用( t r a v e lc o s t ) 是主要的两个影响其出行决策的因素，本文中将 这两个因素作为效用确定项，其他的因素由于难以量化并且对个人的出行决策影响不大在 本文中作为随机项。定义效用确定项： 髟= 口o4 - n l ，c o s t + 呸- t i m e ( 3 。4 ) 式中：k 第i 条交通路径( 选择枝) 的效用确定项； c o s t 交通路径对应的出行费用； t i m e 交通路径对应的出行时问； 吼选择枝固有常数项： a ，a 2 出行费用、出行时间对效用的影响参数。 这里有两个基本的假设：首先，乘客总是趋向于选择效用最大的交通路径，第二，路 径的效用和路径的特征与乘客的出行特征有关。 在确定选择枝上使用“合理路段”( r e a s o n a b l el i n k ) 的概念。可供出行者选择的更 远离起点、接近终点的合理路段组成o d 对间的合理路径。通过每个节点j 对应的标号，( f ) 和 5 ( f ) 可辨识出合理路段。标号r ( f ) 表示从起点，沿最短路径到节点j 的交通时间，s ( f ) 表示 从节点j 沿最短路径到终点s 的交通时间。每条合理路径只包含满足r ( i ) s ( j ) 的路段i 哼，。 在超级网络中，我们先通过求得o d 对间的有效路径，再利用l o g i t 模型实现出行的路 径选择。 谢韬：城市换乘枢纽空间布局与交通资源整合研究 3 2 2 多项l o g i t 模型的标定方法 前面的m n l 模型中的各选择枝特性变量的线性函数的参数需要标定。多项l o g i t 模型 一般采用极大似然法进行标定甄1 蛇q 。计观测样本数为n ，定义： fi个人n 选择了选择枝k y r 2 1 0个人玎未选择选择枝七 构造似然函数： r = 兀1 7 只( 力“ 其对数形式为工= ( p 瓦，- i n 9 4 白) 。可以证明上是的凹函数，所以只有 当上对的导数向量为。时，上才能取得最大。将上对取一阶偏导数，并令其等于。得： 嚣= 势c k 一甓等一啦，拭。 化简后可得f , e y 。一只( f ) 】瓦。= o ，k = 1 2 ，k a 上式是一个非线性方程，可以用n r ( n e w t o n - r a p h s o n ) 算法求其近似解，其求 解步骤为： ( 1 ) 用m 表示已循环得次数。初始时，令m = 0 ，设定卢得初始值卢”= 0 。 ( 2 ) 求卢处h ( f l 州) 的值，令( 卢，h ( f l ”) ) 为b ”点。 ( 3 ) 求 ( 的导数，得丑”点得切线方程： h ( f 1 ) = h ( f l ) + ( f l ”) ( 一”) ( 4 ) 求此直线与坐标横轴得交点： ) - 舻粉 ( 5 ) 判断下式是否成立： p ! 茜三坐j c 为一个预先给定的很小的正数， 大连理工大学硕士学位论文 如果上式成立，则停止循环，卢忡“即为所求；否则，令m = m 十l ，转到第2 步进行 循环。 3 3 本章小结 本章介绍了怎样在已有道路网与公交网、轨道线网的基础上构建城市超级交通网络， 随后介绍了本文将要使用的随机路径选择算法、多项l 0 班模型的标定方法，这些都是超级 交通网络下交通分配的理论基础，由于超级网络没有方式划分的问题，所以只要解决了超 级网络下的路径选择问题，也就解决了交通分配的问题的关键。 谢韬：城市换乘枢纽空间布局与交通资源整合研究 4 换乘枢纽的空间布局优化 4 1 国内外换乘枢纽现状 国外城市大型换乘枢纽的概念是随着科学技术集约化、数字化、信息化的迅速发展， 人们生活节奏的加快而产生的。换乘枢纽的出现对于促进城市交通系统的高效运行、优化 城市交通的出行结构、改善城市空间布局等都有着积极的意义。目前，我国正在大力发展 大型城市换乘枢纽的建设。 国外非常重视换乘枢纽的建设，很多国家都建设了大量不同规模各类型的换乘枢纽。 在法国，换乘枢纽是由最初的高速铁路车站发展而来的。法国是世界上高速列车最发达的 国家。高速铁路运行速度高达3 0 0 k m h ，而且舒适度和安全度也优于普通铁路，于是，高速 铁路在与公路和航运的竞争中很具吸引力。高速铁路系