基于网络均衡的城市客运枢纽换乘需求研究报告

1、.基于网络均衡的城市客运枢纽换乘需求研究城市客运枢纽是城市交通网络的重要节点，是为旅客换乘提供服务的设施。城市客运枢纽客流需求，尤其是换乘需求是枢纽规划设计的基础依据。枢纽是网络的一个节点，枢纽中的客流应是网络处于均衡条件下的客流。正是出于这个考虑，文中拟基于交通网络随机用户均衡理论，研究外部变量对城市客运枢纽换乘需求的影响。在传统的交通网络用户均衡研究中，Yang和Bell对出行者路径选择进行了研究，Sheffi考虑了出行者的路径选择与出行方式选择问题，将这两个问题分开进行考虑，并且没有考虑到不同交通方式之间的相互影响问题。Yang和Garcia等的研究将出行者路径选择与出行者方式选择问题结

2、合起来，分析了城市混合交通网络中出行者的交通选择行为；四兵锋等提出了基于BPR公式的混合交通路段阻抗函数，构造城市混合交通网络流量分配模型；韩印等提出了多用户出行选择问题。这些研究并没有考虑到出行者的换乘行为。对于换乘行为，Li和Huang及陆化普等定义了多模式下停车换乘出行的混合随机均衡分配条件。针对城市多模式交通系统，四兵锋等分析了城市多模式交通系统的结构特征，考虑了不同交通模式的道路流量之间的相互干扰。但以上研究只考虑了出行路径选择，没有考虑枢纽换乘选择问题。因此本文中研究的基本思路是将交通网络抽象为分层网络，根据城市O（出发地）D（目的地）矩阵，分析城市交通网络中出行者的交通选择行为，

3、构造相应的等价模型，通过网络中重要参数（外部变量）的变化，得到城市客运枢纽换乘需求的变化，并对这些变化加以分析，以期改善城市客运枢纽的换乘能力。1交通网络说明和假设1.1交通网络说明城市交通网络一般可抽象为如图1描述的分层网络，该网络包括O（出发地）点、D（目的地）点、私家车（私家小汽车）子网络、公交车子网络、地铁子网络和换乘路段。出行者在OD 间有4种基本出行方式可以选择：出行方式a：单纯私家车出行；出行方式B：单纯公交车出行；出行方式c：私家车换乘出行（出发地私家车换乘地铁目的地）；出行方式D：公交车换乘出行（出发地公交车换乘地铁目的地）。后文中含有“a”，“b”，“c”，“d”的变量分别

4、对应于以上各出行方式。OD 点与各子网络之间、不同子网络之间通过换乘路段连接，枢纽即是由节点及换乘路段组成，举例说明：点（11，20，29）和点（19，28）以及各点之间的换乘路段分别组成了停车换乘枢纽和公交地铁换乘枢纽。出行者的出行选择过程遵循层次模型，如图2所示。第一层：选择出行方式；第二层：选择出行费用最少的路径。综合上文，枢纽换乘需求的计算过程为：在OD间，出行者通过图2中的层次模型进行出行选择，当网络达到均衡状态，图1中换乘路段上的流量即为枢纽的换乘需求。本文中研究的枢纽换乘客流包括：私家车换乘地铁客流、公交车换乘地铁客流、地铁换乘公交车客流。1.2网络假设为便于表达，后文中含有“c

5、ar”，“bus”，“sub”，“trs”上标的变量分别对应于私家车子网络、公交车子网络、地铁子网络及换乘路段集合。假设交通网络G（N，L），其中N 为节点集，L为路段集。网络G由私家车子网络、公交车子网络、地铁子网络、OD 集合和换乘路段集合组成。私家车子网络为GcarGcar（Ird，Lcar），公交车子网络为GbusGbus（Krs，Lbus），地铁子网络为GsubGsub（Trs，Ldub），其中：Irs，Krs，Trs分别为私家车停车点集合、公交车站点集合、地铁站点集合；Lcar，Lbus，Lsub分别为私家车路段集合、公交车路段集合、地铁路段集合。OD点与各子网络之间，各子网络之间

6、，通过换乘路段连接，LTrs为换乘路段集合。l为交通网络中的一条路段，lLcar，Lbus，Lsub，Ltrs；vl为路段l 上的流量。OD集合：0为出发地集，r为一个出发地，ir、kr分别为对应r 的私家车起点、公交车起点；d为目的地集，s为一个目的地，is、ks分别为对应s 的私家车终点、公交车终点。PmrS表示OD对（r，s）之间第m 种出行方式的路径集，mM，Ma，b，c，d，rO，sd。Pcariris表示私家车子网络上从私家车起点ir至私家车终点is之间的路径集，irIrs，isIrs；Pbuskrks表示公交车子网络上从公交车起点kr至公交车终点ks之间的路径集，krKrs，ks

7、Krs；Psubt1t2表示地铁子网络上从地铁起点t1至地铁终点t2之间的路径集，t1Trs，t2Trs。2出行费用在下文中设定：私家车路段与公交车路段通过公交专用道分隔开，互相之间不产生影响。代表时间价值（单位为元/h）。所有涉及的时间的单位均为h。所有涉及的费用单位均为元。2.1出行方式a（单纯私家车出行）的出行费用式中：wrir为出行者从出发地r 至私家车起点ir的步行时间；zis为私家车终点iS的停车收费；wiss为从私家车终点至目的地s的步行时间；dis为私家车终点iS的停车位搜索时间。式中：d0is为私家车终点iS自由停车的搜索时间；Gis为私家车终点iS的停车位数目；Vis为私家

8、车终点is的停车需求。Ucariris为出行者在私家车子网络上从私家车起点ir至私家车终点iS的最短路径出行费用式中：ccariris，p为从私家车起点ir经路径p 至私家车终点的出行费用；ccarl为私家车路段l 的路阻函数，由美国公路局BPR公式改进而成。式中：tcar（0）l为私家车路段l 的自由流通行时间；tcar（0）l为私家车路段l 的自由流燃油费；ccarl为私家车路段l的路段通行能力；rcar为私家车平均承载人数；car为私家车折算标准车系数；vcarl为私家车路段l的流量。2.2出行方式B（单纯公交车出行）的出行费用式中：wrkr为出行者从出发地r 步行至公交起点kr的步行时

9、间；Tbuskr为出行者在公交车站的等待时间，Tbusk1/（2Fbus），Fbus为公交车发车频率；wkss为出行者从公交车终点kS至目的地S 的步行时间；Ubuskrks为出行者在公交车子网络上从公交车起点至公交车终点的最短路径出行费用：式中cbuskrks，p为从公交起点kr经路径p 至公交终点ks的公交车出行费用；cbusl为公交车路段l 的路阻函数，由三部分组成：时间费用、公交车票价、公交车拥挤费用。式中：tBusl为公交车路段l的通行时间；Busl为公交车路段l的票价；4（vBusl /BBusl）2 为公交车拥挤程度折算的出行时间10，BBusl为路段l的公交车标准容量；vBus

10、l为公交车路段l上的流量。2.3 出行方式c（私家车换乘出行）的出行费用式中：wrir，Ucariri1的含义同2.1节；Di1为停车换乘设施i1的停车位搜索时间；zi1为停车换乘设施的收费；wi1t1为从停车换乘设施i1至地铁站点t1的换乘步行时间；Tsubt1为在地铁站点t1的换乘等待时间，Tsubt1/（2Fsub），Fsub为地铁发车频率；wt2s为从地铁站点t2至目的地S的步行时间；Usubt1t2为出行者在地铁子网络中从地铁起点t1至地铁终点t2的最短路径出行费用：式中：csubt1t2，p为地铁起点t1经路径p 至地铁终点t2的出行费用；n换是从地铁起点t1至地铁终点t2的地铁线

11、路间换乘次数；wj、Tsubj分别是地铁第j 次线路间换乘所需的步行时间和在站台等待地铁时间。csubl为地铁路段l 的路阻函数，由三部分组成：时间费用、地铁票价、地铁拥挤费用。式中：tsub（0）l为地铁路段l的通行时间；tsubl为地铁路段l的车票价格；4（vsubl/bsubl）2为地铁拥挤程度折算的出行时间；bsubl为路段l 的地铁标准容量；vsubl为地铁路段l上的流量。2.4出行方式D（公交车换乘出行）的出行费用式中：wrkr，Tsuskr，Ubuskrk1，Tsubt1，Usubt1t2，wt2s含义同2.12.3节；wk1t1为公交站点k1至地铁站点t1的步行时间。3出行者出

12、行选择分析3.1出行者出行选择的均衡条件路径选择的确定性均衡条件：式中：fmrs，p、cmrs，p和Umrs分别为各出行方式在OD 之间的路径流量、路径出行费用和最小路径出行费用。选择出行方式的随机均衡条件：式中：qrs为总出行需求；qmrs，umrs分别为各出行方式的出行需求和出行费用；为出行者对出行方式的出行费用的理解误差参数。3.2等价的均衡模型构造如下变分不等式模型：式中标有上标“”的变量表示最优解。式（14）的约束条件参见文献。根据文献中的证明过程，可知式（14）等价于3.1节中的均衡条件，并且解具有唯一性。4研究步骤步骤1根据一定的规律与规则将交通网络抽象为分层网络，构建各层子网络

13、的节点与路段，确定网络中的基本参数及出行需求。选取研究对象，由于外部变量（如某交通方式的票价、吸引力测度等）的变化，通常会引起内部变量（如换乘流量、路段通行时间等）的变化，因此将外部变量作为研究对象。步骤2确定外部变量后，根据交通量分配模型进行分配，使用连续平均法（MSA）得到各路段、各出行方式、各枢纽的流量。步骤3分析处于网络均衡时，外部变量与换乘流量之间的变化规律。5算例分析5.1基本参数设定为了检验模型及算法的有效性，选取市现有地铁1号线、2号线、13号线、5号线、4号线所组成的地铁子网络为基础，构建了各层子网络，如图3所示。图3中包括2个停车换乘枢纽（立水桥、通州北苑）及9个公交地铁换

14、乘枢纽。基础数据包括道路路段的小汽车、公交车自由流运行时间，地铁路段的列车运行时间，换乘站换乘时间这些数据来源于市公交公司、地铁公司、交管局的网上公布数据。其它参数设置：地铁发车频率不随路段路阻变化而改变，地铁早高峰平均发车间隔为3min，故地铁发车频率Fsub20列/h。根据地铁系统采用的B型车规格（按6辆编组，定员数1440人/列），则单一路段上每小时的定员数为Bl1440Fsub。停车设施：假设停车换乘站的停车位自由流搜索时间、停车位数目及停车收费分别为：d00。15h；G500个；2元/次。私家车、公交车平均载客人数分别取rcar1.5人/辆，rbus40人/辆。私家车、公交车折算标准

15、车系数分别取car1，bus3。初始私家车路段自由流燃油费取1.0元，公交车路段票价取0.5元，地铁路段票价取0.5元。时间价值（单位为元/h），根据已有研究确定：5。出行者感知误差参数1.0。OD设置：在停车换乘枢纽（立水桥、通州北苑）之前选取两个0点（出发地），即天通苑北站与土桥站。选取10个典型的D 点（目的地），即建国门、西直门、东直门、复兴门、宣武门、雍和宫、西二旗、望京西、西单、东单，组成共15个OD 对，假定每个OD对之间的出行需求为：qrs100人/h，取一个高峰小时为研究时段。5.2算例数值分析文中选取5个重要外部变量，即私家车路段燃油费、公交车路段票价、地铁路段票价、停车收

16、费、时间价值。利用上述模型和算例，分析网络处于用户均衡时，不同的外部变量的变化与枢纽换乘流量之间的变化规律。5.2.1分析外部变量的变化对枢纽换乘流量的影响对于外部变量有如下设定：私家车路段燃油费用、公交车路段票价、地铁路段票价分别加载到各自子网络中的每条路段的费用中；所有停车设施均采用相同的停车收费；单纯私家车、单纯公交车流量是指从出发地至目的地采用单一交通方式的客流量，私家车换乘、公交车换乘流量是指从出发地至目的地采用换乘地铁方式到达的客流量；总换乘流量为私家车换乘、公交车换乘流量的流量之和。通过计算，外部变量的变化对各流量的影响如图4所示。从图4中可以看出：随着对私家车路段自由流燃油费用

17、的增加，总换乘流量呈现快速上升趋势，并在2。0元达到顶峰，随后缓慢下降，最后稳定在一定数量上，这说明提高燃油费用可以提高换乘流量，但这种趋势不是无限的，燃油费用提高到一定程度之后，总换乘流量会因为单纯公交车出行流量的升高而降低；同时观察到私家车换乘出行的流量并没有随着燃油费用提高而立刻降低，而是有所提高并在1.0元达到峰值才开始下降。随着对公交车路段票价的增加，总换乘流量呈现缓慢上升趋势，在0.5元达到峰值，随后随着公交票价上升而缓慢下降，直至下降接近于0，这说明公交车路段票价具有最优值，取最优值时总换乘流量达到最高；与燃油费用的情况类似，观察到私家车换乘出行的流量并没有随着燃油费用提高而立刻降低，而是有所提高并在2.0元达到峰值才开始下降。随着对地铁路段票价的增加，所有换乘流量均呈现快速下降趋势，在6.0元及以后接近0。随着停车收费的增加，总换乘流量有略微下降，在2.0元处为谷值，随后缓慢上升稳定在500人左右，可以看出停车收费对于总换乘流量的影响比较微弱。随着时间价值增加，所有换乘流量呈现快速下降趋势，但下降趋势比地铁路段票价弱。5.2.2各外部变量对总换乘流量的影响对比从图5中可以看出各外部变量对总换乘流量的影响。 地铁路段票价、时间价值的增加只会减少总换乘流量。其余的外部变量在增加时，相对于初始值，总换乘流量在一定区段内均有不同程度的增加。随着外部变量的增加，相比较而言