大型空港客運(yùn)樞紐陸側(cè)交通場站空間布局模型研究及應(yīng)用

周天星，宋元?jiǎng)伲S振東

（1.中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 交通與城市規(guī)劃研究院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)

交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

大型空港樞紐以民航旅客運(yùn)輸為主體，其陸側(cè)交通融合多種交通方式于一身，是綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成部分。我國機(jī)場陸側(cè)的交通方式主要分為道路交通與軌道交通2種，道路交通主要考慮機(jī)場大巴、長途大巴、出租車及私家車4類，軌道交通包括城市軌道、城際鐵路和高速鐵路3部分。這些交通場站的布局水平對(duì)于空港樞紐內(nèi)部的組織工作及旅客的換乘服務(wù)質(zhì)量有著決定性的影響。

在對(duì)大型空港客運(yùn)樞紐陸側(cè)交通場站空間進(jìn)行布局時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮以下因素。①旅客換乘周轉(zhuǎn)量。大型空港樞紐作為公共服務(wù)設(shè)施，選址的目標(biāo)應(yīng)為社會(huì)效益的最大化，因而模型在建立過程中應(yīng)依據(jù)場站與換乘中心之間的相關(guān)性確定場站布局的順序，從多種角度保證換乘周轉(zhuǎn)量較小[1]。②流線組織。如何組織樞紐內(nèi)的交通流線是客運(yùn)樞紐設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵，因而應(yīng)分析影響乘客流線選擇行為的主要因素，建立以樞紐內(nèi)乘客走行廣義費(fèi)用最小的函數(shù)[2-3]。③場站功能性質(zhì)與場地條件匹配。備選場站的功能性質(zhì)對(duì)于交通方式的選擇有著明顯的影響，應(yīng)構(gòu)建以場站功能性質(zhì)與場地條件匹配總效應(yīng)值最大為目標(biāo)的函數(shù)[4-5]。④場站布局與道路交通環(huán)境相協(xié)調(diào)?？瓦\(yùn)樞紐的布局應(yīng)考慮場站與周邊路網(wǎng)的協(xié)調(diào)性，避免場站布局結(jié)果只是將樞紐內(nèi)部擁堵轉(zhuǎn)移到周邊路網(wǎng)的情況，構(gòu)建均衡交通場站與周邊道路交通環(huán)境的函數(shù)[6]。通過研究分析這些因素，確?？崭蹣屑~的運(yùn)營組織工作順暢與旅客在此換乘的服務(wù)質(zhì)量。

1 大型空港客運(yùn)樞紐陸側(cè)交通場站布局模型

進(jìn)行布局時(shí)常用CORELAP與SLP方法。其中，CORELAP方法選取1個(gè)主場站，根據(jù)其他場站與這個(gè)場站的關(guān)系進(jìn)行依次布局，算法簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)，但未考慮場站之間的影響，不符合實(shí)際情況[7]；SLP布局方法綜合考慮各個(gè)交通場站之間的綜合相關(guān)性統(tǒng)一布局，但其數(shù)據(jù)處理與算法思路復(fù)雜，不利于處理多場站的布局優(yōu)化問題[8]。結(jié)合2種方法的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建大型空港客運(yùn)樞紐陸側(cè)交通場站空間布局模型。

1.1 模型假設(shè)

為便于構(gòu)建與求解場站布局優(yōu)化模型，做出以下簡化與假設(shè)：①綜合客運(yùn)樞紐內(nèi)參與換乘的交通方式中，主導(dǎo)交通方式只有1種，輔助交通方式為m種；②主導(dǎo)交通方式功能區(qū)的位置已經(jīng)確定；③布局輔助交通方式功能區(qū)的備選場站有n個(gè)，n≥m；④假定各備選場站可以布局任何一種輔助交通方式，但有備選點(diǎn)面積大小的限制；⑤各交通方式之間的換乘量及各備選場站之間的廣義換乘成本，均作為模型的已知條件輸入；⑥空港客運(yùn)樞紐陸側(cè)交通場站進(jìn)行空間布局時(shí)，在遵循布局原則的基礎(chǔ)上，盡量將各場站看做一個(gè)形狀規(guī)則的場站；⑦對(duì)于空港樞紐內(nèi)部的道路建設(shè)，在盡量滿足換乘周轉(zhuǎn)量最小、不迂回、不倒流的原則下，不考慮道路的寬度設(shè)計(jì)和路線設(shè)計(jì)；⑧主導(dǎo)交通方式與各種輔助交通方式之間的旅客換乘量及輔助交通方式之間的旅客換乘量已知；⑨輔助交通方式之間的換乘量相較于輔助方式與主導(dǎo)交通方式之間的換乘量足夠小，在進(jìn)行場站布局時(shí)應(yīng)忽略輔助交通方式之間換乘量。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為結(jié)合SLP與CORELAP方法的優(yōu)勢(shì)所在，應(yīng)利用SLP方法中的場站相關(guān)性與CORELAP方法中的TCR值概念，數(shù)據(jù)主要依據(jù)與主導(dǎo)交通方式之間的換乘量確定各輔助交通方式場站的布局順序，從而一定程度上確?？崭坳憘?cè)交通場站的旅客換乘周轉(zhuǎn)量較小。

（1）計(jì)算各場站與換乘中心之間的相關(guān)性。SLP方法通常根據(jù)各場站之間的運(yùn)量來確定各場站之間的相關(guān)性，在此，根據(jù)主導(dǎo)交通方式與各種輔助交通方式之間的旅客換乘量及輔助交通方式之間的旅客換乘量，確定各場站之間的相關(guān)性；根據(jù)假設(shè)⑨不考慮輔助交通方式之間的旅客換乘量，僅以主導(dǎo)交通方式與各種輔助交通方式之間的旅客換乘量做出場站與換乘中心之間的相關(guān)性表，其中，N主，k為從主導(dǎo)交通方式換乘到輔助交通方式k (k = 1，2，...，m)的旅客換乘量，Nk，主為從輔助交通方式k換乘到主導(dǎo)交通方式的旅客換乘量。各輔助交通方式場站與換乘中心之間的相關(guān)性如表1所示。

表1 各輔助交通方式場站與換乘中心之間的相關(guān)性表Tab.1 Relationship among stations and the transfer center

（2）計(jì)算場站與換乘中心間的場站相關(guān)性 (Total Closeness Rating，TCR)值。CORELAP方法需要確定各場站的TCR值，然后根據(jù)TCR值確定場站的布局順序。在此，可以將場站與換乘中心之間的相關(guān)性表按列求和，求出每種輔助交通方式場站與換乘中心之間的TCR值；不考慮各輔助交通方式之間的換乘量Nk,l，在此將其均視作0，求每列的和作為各種輔助交通方式的TCR值，各輔助交通方式場站與換乘中心間的TCR值如表2所示。

表2 各輔助交通方式場站與換乘中心間的TCR值Tab.2 TCR of auxiliary traf fi c stations and transfer center

（3）確定布置順序。對(duì)各種輔助交通方式場站的TCR值按從大到小進(jìn)行排序，然后按照此順序把相應(yīng)交通方式的數(shù)據(jù)代入下一步的多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃型進(jìn)行求解，直到所有的輔助交通方式場站布局完成。

1.3 模型構(gòu)建及求解

以運(yùn)營與服務(wù)成本的廣義費(fèi)用Z最小為目標(biāo)函數(shù)，以所有輔助交通方式的場站面積之和大于各輔助交通方式的面積，每個(gè)備選場站最多建立1種輔助交通方式，每種交通方式至少建在1個(gè)備選場站上且各種交通方式場站的總數(shù)一定為約束條件，構(gòu)建多目標(biāo)的混合整數(shù)規(guī)劃模型。除去在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理過程中得到保證的旅客換乘周轉(zhuǎn)量較小這一因素外，模型還應(yīng)當(dāng)包含以樞紐內(nèi)乘客走行廣義費(fèi)用最小為目標(biāo)的函數(shù)Z1，以場站功能性質(zhì)與場地條件匹配總效應(yīng)值最大為目標(biāo)的函數(shù)Z2，以及均衡樞紐與周邊交通為目標(biāo)的函數(shù)Z3這3個(gè)因素，多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型的函數(shù)可以表示為

式中：C主為布局交通場站與主導(dǎo)交通方式之間的總換乘費(fèi)用，元；N 為布局交通方式的總客流量，人；xi,k為備選場站i與輔助交通方式k之間的決策變量，當(dāng)備選場站i被選中作為第k種輔助交通方式的備選場站時(shí)，xi,k= 1，當(dāng)備選場站i未被選中時(shí)，xi,k= 0；Nk為輔助交通方式k的總客流量，人；ci,k,主為布局輔助交通方式k時(shí)旅客在第i個(gè)備選場站與主導(dǎo)交通方式之間的單位換乘費(fèi)用，元；Nk，Nl為交通場站k、場站l的客流量；d (k，l )為交通場站k、場站l之間的距離；dk,l為場站k、場站l之間所允許的距離限定值，由經(jīng)驗(yàn)所得；θk，θl為場站k、場站l所允許的客流量限定值，由經(jīng)驗(yàn)所得；w為時(shí)間價(jià)值，元/h；Di,主為第i個(gè)備選場站與主導(dǎo)交通方式之間的路徑長度，m；v為旅客自由狀況下的速度，m/h；αi,主為旅客受舒適度影響，對(duì)其往返備選場站i與主導(dǎo)交通方式速度的影響系數(shù)；βi,主為旅客受方便性影響，對(duì)其往返備選場站i與主導(dǎo)交通方式速度的影響系數(shù)；ti為第i個(gè)備選地址的重要度；γi(i = 1，2，3)為分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重(通過層次分析法獲得)；ei為備選場站i對(duì)城市交通的影響度；bi為備選場站i對(duì)區(qū)域的吸引度；Si0為備選場站i與總規(guī)中相應(yīng)性質(zhì)用地重合的面積；Si為備選場站i的規(guī)劃用地面積；ti,k為第i個(gè)備選地址上建第k種交通方式的適應(yīng)度；εi(i = 1，2，3)為分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重(通過層次分析法獲得)；a0為當(dāng)前布局場站所需要的能力；ai(i = 1，2，3)為備選場站i的容納能力；ri為當(dāng)前布局的交通方式與備選場站i的地理位置匹配度；li為當(dāng)前布局的交通方式與備選場站i的空間位置匹配度；Sk'為輔助交通方式場站k所需要的面積；p為各種交通方式場站的總個(gè)數(shù)。

2 實(shí)例應(yīng)用

成都天府國際機(jī)場將建成集多種交通方式為一體的綜合交通樞紐，擬建設(shè)的陸側(cè)綜合交通中心位于航站樓之間，將涵蓋高速鐵路、城鐵、地鐵、出租車、私家車、長途大巴等多種交通方式，并通過智能小車系統(tǒng)接駁遠(yuǎn)距離停車場。成都天府國際機(jī)場陸側(cè)綜合交通中心分為4個(gè)樓層，地下2層，地上2層。目前已知空港樞紐的鐵路線路和地鐵線路走向已確定，且線路均采用地下接入的形式，鐵路和地鐵線路的布局是確定的，只需要對(duì)公交車上客區(qū)、公交車落客區(qū)、出租車上客區(qū)、出租車蓄車場、私家車停車場、軌道交通站廳進(jìn)行布局。

2.1 數(shù)據(jù)處理

通過對(duì)成都天府國際機(jī)場陸側(cè)綜合交通中心實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)查與分析，將陸側(cè)綜合交通中心用來進(jìn)行場站布局的建筑面積分為24個(gè)備選場站。陸側(cè)綜合交通中心備選場站劃分抽象圖如圖1所示。

L2層分為9個(gè)備選場站，備選場站1，2，3，4，5，6，7，8，9各占L2層的1/9，L1層分為9個(gè)備選場站，其中備選場站10，11，12，13，14，15各占L1層的1/12，備選場站16，17，18各占L1層的1/6；B1層分為3個(gè)大小相等的備選場站19，20，21；B2層分為3個(gè)大小相等的備選場站22，23，24。將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后計(jì)算得到各個(gè)備選場站與航站樓之間的ci,k,主，ti和ti,k的值。

圖1 陸側(cè)綜合交通中心備選場站劃分抽象圖Fig.1 Abstract graph of alternative stations of landside integrated traf fi c center

2.2 模型求解

在對(duì)天府國際機(jī)場陸側(cè)交通場站進(jìn)行布局時(shí)，通過相關(guān)的客流預(yù)測數(shù)據(jù)得知，出租車的客流占比較小，因而將出租車上客區(qū)與蓄車場看做一個(gè)出租車車場。另外，考慮到公交車上客區(qū)與落客區(qū)在布局時(shí)聯(lián)系比較緊密，在求TCR值時(shí)將二者看做一個(gè)場站，不考慮輔助交通方式之間的旅客換乘量。通過主導(dǎo)交通方式與各種輔助交通方式之間的旅客換乘量，可以確定各種輔助交通方式場站的TCR值按從大到小進(jìn)行排序的結(jié)果為TCR換乘大廳＞TCR軌道交通＞ TCR公交＞ TCR出租車＞ TCR私家車。場站順序及對(duì)應(yīng)的決策變量如表3所示。

表3 場站順序及對(duì)應(yīng)的決策變量Tab.3 Station orders and corresponding decision variables

根據(jù)TCR值所確定的順序，首先對(duì)換乘大廳進(jìn)行布局，第1次布局取公式 ⑷ 中的Z3為零，然后將處理后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入由公式 ⑵，公式 ⑶ 共同組成的多目標(biāo)函數(shù) ⑴，通過Lingo軟件解得在滿足公式 ⑻—⑾的條件下x1,1= 1，x2,1= 1，x3,1= 1，x5,1= 1，即換乘大廳應(yīng)該選擇布局在備選場站1，2，3和5所在的位置。

同理在加入懲罰因子Z3進(jìn)行軌道交通站廳布局時(shí)解得x17,2= 1，表示軌道交通站廳建立在備選場站17可取得多目標(biāo)規(guī)劃模型的最小值；進(jìn)行公交車上客區(qū)布局時(shí)解得x11,3= 1，表示公交車上客區(qū)建立在備選場站11可取得多目標(biāo)規(guī)劃模型的最小值；公交車落客區(qū)布局時(shí)解得x10,4= 1，x12,4= 1表示公交車落客區(qū)建立在備選場站10與12可取得多目標(biāo)規(guī)劃模型的最小值；出租車車場布局時(shí)解得x13,5= 1，x14,5= 1，x15,5= 1表示出租車車場建立在備選場站13，14與15可取得多目標(biāo)規(guī)劃模型的最小值；私家車停車場布局時(shí)解得x16,6= 1，x18,6= 1，表示私家車停車場建立在備選場站16與18可取得多目標(biāo)規(guī)劃模型的最小值。場站布局結(jié)果如表4所示。

表4 場站布局結(jié)果Tab.4 Site layout results

將模型優(yōu)化后的結(jié)果應(yīng)用到陸側(cè)綜合交通中心備選場站劃分抽象圖上可以得到陸側(cè)綜合交通中心布局成果抽象圖。陸側(cè)綜合交通中心布局成果抽象圖如圖2所示。

2.3 結(jié)果分析

經(jīng)過多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型的迭代優(yōu)化后，L2層，B1層和B2層還有部分場站未得到較好的利用，根據(jù)天府國際機(jī)場的實(shí)際需求與遠(yuǎn)期客運(yùn)規(guī)劃，在此建議將L2層未被布局的備選場站4，6，8規(guī)劃為商業(yè)區(qū)，備選場站7，9用作私家車停車場；B1層未被布局的備選場站19與21根據(jù)遠(yuǎn)期規(guī)劃對(duì)公交及出租等的應(yīng)急停車要求，可以設(shè)計(jì)為停車場；B2層未被布局的備選場站22與24可以設(shè)計(jì)為與B1層，L2層和L2層一體的停車樓以便社會(huì)車輛停放及有需求的出租車、長途車等車輛停放；而公交車上、落客區(qū)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)規(guī)模的微調(diào)。因此，結(jié)合多目標(biāo)布局模型優(yōu)化結(jié)果與天府國際機(jī)場陸側(cè)綜合交通中心未來的發(fā)展方向得到最終的陸側(cè)綜合交通中心場站布局圖。天府國際機(jī)場陸側(cè)綜合交通中心場站布局如圖3所示。

圖2 陸側(cè)綜合交通中心布局成果抽象圖Fig.2 Abstract layout result of the landside integrated traf fi c center

圖3 天府國際機(jī)場陸側(cè)綜合交通中心場站布局圖Fig.3 Layout of the landside integrated traf fi c center of Tianfu international airport

根據(jù)表4和圖3可知，多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型的布局結(jié)果在滿足各交通方式的需求、優(yōu)化場站布局結(jié)構(gòu)的同時(shí)，預(yù)留了許多的停車場與商業(yè)區(qū)，不僅保證了空港客運(yùn)樞紐陸側(cè)交通場站空間布局的合理性，而且為樞紐中未來發(fā)展變化較大的場站預(yù)留了場地，符合天府國際機(jī)場陸側(cè)綜合交通中心近遠(yuǎn)期的發(fā)展規(guī)劃。

3 結(jié)束語

大型空港樞紐的陸側(cè)交通場站布局選址問題關(guān)乎空港樞紐的運(yùn)營組織工作能否順利開展及旅客的換乘服務(wù)質(zhì)量，受到諸多定性及定量因素的影響，是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。以天府國際機(jī)場陸側(cè)綜合交通中心為具體案例，結(jié)合SLP與CORELAP方法的核心思想，構(gòu)建大型空港客運(yùn)樞紐陸側(cè)交通場站布局模型，解決了單獨(dú)使用其中一種方法時(shí)太過復(fù)雜或缺乏場站間關(guān)系說明的問題，驗(yàn)證了理論的可行性，為空港樞紐的陸側(cè)交通場站布局提供了一種較為簡單有效的方法。但是，在計(jì)算TCR值確定場站布局順序時(shí)未考慮客流量較小的輔助交通方式之間換乘，數(shù)據(jù)處理較為粗糙。因此，還應(yīng)加入輔助交通方式間換乘量進(jìn)行深入研究，考慮模型在更多場站布局時(shí)的精細(xì)化研究，使得客運(yùn)樞紐的運(yùn)營成本和服務(wù)質(zhì)量能夠在布局規(guī)劃時(shí)得到更為切實(shí)的保障。