站城融合背景下铁路客运站选址优化研究

户佐安，翁雨琳，袁 涛，薛 锋

站城融合背景下铁路客运站选址优化研究

户佐安1, 2，翁雨琳1，袁 涛3，薛 锋1, 2

（1. 西南交通大学，交通运输与物流学院，成都 611756；2. 综合交通大数据应用技术国家工程实验室，成都 611756；3. 中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

为解决当前铁路客运需求的持续增加与铁路客运站建设相对滞后之间的矛盾，提出以站城融合理念为导向的铁路客运站选址方法，以此推动符合当前发展趋势的高品质铁路客运站的建设。旅客在多种出行方式中对城市轨道交通的选择概率，会随着铁路客运站与出行小区之间的距离而发生变化。基于此，改进传统Logit效用函数，分析旅客在出行小区到铁路客运站这段旅程中对于轨道交通的选择概率。以旅客出行总费用以及铁路客运站选址成本最低为目标函数，构建具有地理限制和多项约束条件的连续型选址模型，同时设计迭代算法对模型进行求解，并以算例分析验证模型和算法的合理性和可行性。结果表明该选址模型为铁路客运站的站址选择提供新了思路，并为推进TOD可持续发展，轨道交通一体化发展，站城规划同步化的发展提供相应的理论支持。

铁路运输；客运站选址；Logit效用函数；迭代算法；站城融合；旅客选择行为

0 引 言

纵观城市发展历程，铁路客运站与城市关系在不断发生变化，最初铁路客运站担任城市门户，站城分置；此后铁路客运站集结主要交通的接驳，依站建城；如今铁路客运站建设进入“交通综合”、“站城融合”新时代。所谓“站城融合”是在新型铁路城市综合交通枢纽建设的基础上，以TOD发展理念为导向，以区域轨道交通一体化发展为亮点，将城市其他功能引入铁路客运站，打造以交通为中心的城市综合体。目前，我国大多数高铁站点选址在远离城市中心的城市边缘或是郊区，铁路客运站选址有边缘化的趋势，此时如果没有完善的城市交通网络与之配合，容易出现客运站可达性降低、脱离城市发展等问题。在“站城融合”背景下，铁路客运站可以考虑引入城市中心区域，与城市轨道交通协调配合，打造一体化换乘中心。当客运站靠近旅客出行小区，不但可以缩短旅客出行距离，提升轨道交通出行的便携度和舒适度，还可以进一步利用中心区位价值，发挥铁路带来的人流、物流、信息流等优势，在客运站内引入城市功能，打造城市新中心。

针对铁路客运站选址问题，国内外学者有很多研究成果。在建立离散型选址模型方面，文献[1]设计了基于线性规划、枚举、最短路的搜索算法，解决了新建客运站的数量、位置，以及多个客运站之间分工的问题；文献[2]基于节点重要度对初步筛选后的城市进行层次划分，得到备选城市，接着构建城际铁路设站城市选择优化模型，并提出相应算法求解；文献[3]考虑旅客的选择行为以及铁路客流多样性，建立了基于旅客选择行为的选址模型；文献[4]针对中小型城市铁路客运站选址布局的特殊性，建立最大系统引力和最小系统费用的双目标优化模型；文献[5]考虑了高铁车站广义建设成本以及旅客广义出行费用，提出了双层离散随机规划模型。在建立连续型选址模型方面，文献[6]和[7]研究了在复杂约束条件下如何实现山区铁路客运站的选址；文献[8]借鉴半讨厌设施选址方法，进行了高速铁路客运站的选址。在建立评价指标进行选址方面，文献[9]利用层次分析法和数据包络分析法，研究了伊朗东北部马什市火车站的选址问题；文献[10]基于每位乘客的总旅行时间成本，分析多对多的始发地—目的地（OD)需求分布，提出了一种成本效益优化模型，用于识别铁路修建环线的可行性和最优性，并以卡尔加里市为例来验证模型的合理性；文献[11]提出了一种基于直觉乘法偏好信息的高速铁路站选址评价方法；文献[12]～[14]分别建立了相应的评价指标体系，采用模糊神经网络评价方法、层次分析法、集对分析法对选址方案进行评价，文献[15]针对上海北站的具体情况，提出了三个规划选址方案，并对三个方案进行了比较分析。对既有的文献研究进行分析，发现既有研究考虑了旅客的选择行为，但没有将旅客对出行方式选择的概率进行量化分析；且对于铁路客运站的选址布局研究较多集中在宏观研究上，研究主体多是城市和铁路线路的规划，往往忽略了以旅客为主体的研究。此外，关于将客运站引入城市中心区域，配合区域轨道交通一体化发展的选址研究较少，且一般的连续型选址模型虽然具备选址精确、可操作性强等特点，但通常都是在区域内每个点都可作为选址点的前提下进行的，与实际情况相差较大。

本文改进传统的Logit模型，设置客运站与出行小区之间的距离为Logit模型中的变量，建立旅客对于出行方式选择的概率模型，在此基础上进行铁路客运站的选址，以达到推进区域轨道交通的一体化发展、站城融合发展的目的。此外，鉴于连续型选址模型中存在的问题，本文建立存在地理限制，有多项约束条件情况下的连续型选址模型，以达到旅客对轨道交通出行的选择概率最大，旅客出行费用最低，选址成本最小等目的，并设计相应的迭代算法对模型进行求解。

1 出行费用及选址成本分析

1.1 出行方式选择概率模型

通过式（1）和式（2）可以推导出下式：

1.2 出行费用分析

选择汽车出行和轨道交通出行有不同的出行费用，计算公式如下所示：

1.3 选址成本分析

2 模型构建

2.1 问题描述及假设

一般来说，选址模型可分为离散型选址模型和连续型选址模型，其中离散型选址模型是通过分析比较几个既定的备选点得到一个或几个较优的选址点，而连续型选址模型是在一个既定的选址区域中选择最优选址点。因此连续型选址模型有更大的选址空间，但是，在现实的情况中，一个选址区域中的某些部分是不可作为选址点的，比如大型建筑物、历史古迹、河流所在地等，因此，在选址过程中需要避开这些存在地理限制的区域。在本文的模型建立中做出如下假设：

（1）选址区域为均质平原，将铁路客运站与出行小区之间的距离以两点之间的直线距离近似计算。

（2）每个出行小区都存在地铁站，且假定地铁站的位置在出行小区的中心点，忽略旅客从出行小区到地铁站的出行费用。

（3）旅客从出行小区到铁路客运站的主要出行方式仅从轨道交通和汽车出行中选择，不考虑其他出行方式（在选择轨道交通为出行方式时可与步行、自行车出行相结合）。

2.2 模型建立

s.t.

目标函数（11）表示整个系统费用达到最小值，共由三部分组成：第一部分表示旅客选择轨道交通出行的出行费用，第二部分表示旅客选择汽车出行的出行费用，第三部分表示选址成本。约束（12）表示铁路客运站的选址位置必须在规定的选址区域内；约束（13）表示铁路客运站不能在限制选址区域内进行选址；约束（14）表示铁路客运站的选址成本不能超过初始投资的限制资金额；约束（15）表示铁路客运站距离出行小区的距离不能超过约束值；约束（16）表示新建铁路客运站与既有铁路客运站的距离不能小于约束值。

3 模型求解

3.1 二元Logistic回归分析

表1 出行方式选择概率模型特性参数

图1 利用SPSS25.0软件进行二元logistic回归分析结果图

3.2 迭代算法求解

其中：

迭代算法的求解步骤如图2所示。

由以上迭代算法求解可以得到一个目标函数的极值点，因为本文中的目标函数不是一个凹函数，因此，由一个设定的初始值出发求得的局部极值点不一定是全局极值点。为了寻找出全局最优值的近似点，可以设定多个不同的初始值进行迭代求解，比较求解结果，从中选择出全局最优点。

4 算例分析

4.1 背景及相关参数

图3 城市布局图

将区域划分为30个交通出行小区，各出行小区的坐标值和客流量如表2所示[17]。

表2 出行小区地理坐标与客流量

4.2 求解结果分析

本文采用Visual C++程序语言在Visual Studio 2013软件上对选址过程进行分析，使用迭代算法求解铁路客运站的最优选址位置以及对应的系统费用最小值。为保证选址结果的合理性，设定不同的初始值分别迭代计算1 000次，得到表3所示的结果。

表3 不同初始坐标迭代得到的新建客运站坐标值及目标函数值

不同的初始值会有不同的迭代轨迹，图4到图7展示了初始坐标值分别为（0，0)、（-10，-10)、（10，10)、（20，20)的迭代轨迹，图中横轴为轴，纵轴为轴。

图4 初始坐标值为（0, 0）的迭代轨迹

图5 初始坐标值为（10，10）的迭代轨迹

图6 初始坐标值为（-10，-10）的迭代轨迹

图7 初始坐标值为（20，20）的迭代轨迹

表4 最终选址结果

5 结束语

在站城融合的大背景下，本文构建了考虑旅客对出行方式选择概率的连续型客运站选址优化模型，改进了旅客对轨道交通出行选择概率的Logit模型，设计了相应的迭代算法求解模型，且最终的算例结果表明，该研究方法能够从不同角度为铁路客运站规划管理者提供科学的客运站选址方案。本文提出的铁路客运站选址方法，主要适用于还未全面发展的城市区域，此时城市建筑和城市环境对客运站选址的限制还不大。但铁路客运站选址是一项复杂的工作，涉及多个学科，要考虑的因素较多，在后续的研究中还需要考虑到线路的具体走向，城市的地貌地形、空间土地的限制，以及与城市既有铁路客运站的配合等因素。

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Optimization of Railway Passenger Station Location under the Background of Station-city Integration

HU Zuo-an1, 2, WENG Yu-lin1, YUAN Tao3, XUE Feng1, 2

(1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 2. National Engineering Laboratory of Integrated Transportation Big Data Application Technology, Chengdu 611756, China; 3. Transportation and Urban Planning Institute, China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd., Chengdu 610031, China)

To solve the contradiction between the increase in passenger transport demand and the relatively lagging construction of railway stations, a method of site selection for railway stations based on the concept of station-city integration is hereby proposed. This method can promote the construction of high-quality railway stations in line with current development trends. The probability that passengers choose urban rail transit will change with the distance between the railway passenger station and the travel area. Accordingly, in this study, the traditional Logit utility function was improved to analyze the passenger’s choice probability of rail transit during the journey from the travel area to the railway station. In addition, the lowest passenger travel expenses and the lowest cost of railway-passenger-station site selection constituted the objective function in this study to construct a continuous site selection model with geographic restrictions and multiple constraints. Simultaneously, an iterative algorithm was designed to solve the model, and an example was used to verify the rationality and feasibility of both the model and the algorithm. The results show that the proposed site selection model provides new ideas for site selection of railway stations, and can provide corresponding theoretical support for the transport-oriented development, the integrated development of rail transit, and the synchronization of station city planning.

railway transportation; passenger station location; Logit utility function; iterative algorithm; integrated development of station-city; passenger selection behavior

1672-4747（2021）03-0042-09

U291.6

A

10.19961/j.cnki.1672-4747.2020.11.004

2020-11-06

2020-12-14

2021-04-06

成都市科技项目（2020-RK00-00204-ZF）；中铁二院工程集团有限责任公司科研项目（KYY 2019091（19-21)）

户佐安（1979—），男，汉族，湖北黄梅人，副教授，研究方向为运输组织理论及系统优化，E-mail：huzuoan@swjtu.edu.cn

薛锋（1981—），男，汉族，山东邹城人，副教授，研究方向为运输组织理论及系统优化，E-mail：xuefeng.7@swjtu.edu.cn

户佐安，翁雨琳，袁涛，等. 站城融合背景下铁路客运站选址优化研究[J]. 交通运输工程与信息学报，2021, 19(3): 42-50.

HU Zuo-an, WENG Yu-lin, YUAN Tao, et al. Optimization of Railway Passenger Station Location under the Background of Station-city Integration [J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(3): 42-50.

（责任编辑：刘娉婷）