都市圈综合轨道交通枢纽节点一体化布局研究

吕 颖

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

近年来， 《关于培育发展现代化都市圈的指导意见》《交通强国建设纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》《关于推动都市圈市域(郊)铁路加快发展的意见》《关于进一步做好铁路规划建设工作意见的通知》等一系列国家政策及行业指导意见相继出台，明确都市圈轨道交通的未来发展要以网络化、一体化为目标，协同发展、系统提升[1-4]。作为联动各层级轨道交通网的枢纽节点，是交通功能和城市功能有机融合，也是多方式、多方向客流集散、转换的节点，其合理的规划布局是提升综合轨道交通服务功能和运营效率的重要环节。而枢纽的一体化布局是系统化工程设计，涉及节点选择与布局、综合交通衔接、设施配置、场站设计、配套功能开发等多方面内容，考虑在综合轨道交通线网形成的基础上，结合客流需求分布特征及区域国土空间规划，重点研究节点的选择、层级划分以及空间布局等主要问题。

随着都市圈建设以及轨道交通多网融合发展的加快推进，理论界选取典型都市圈为研究对象，对轨道交通建设、枢纽布局在都市圈发展中的作用进行了系统研究[5-9]，提出了融合发展的思路，但对枢纽的布局设计仍主要集中于换乘衔接方面，尚未形成系统的布局方法；国外对轨道交通枢纽布局的研究注重城市功能设计，提出的布局方案能很好适应都市圈建设及轨道交通发展，但提出方法的适用性还有待提升[10-14]。因此，在既有理论基础上，对都市圈综合轨道交通枢纽节点层级划分及协同布局进行深入研究，以期进一步完善理论方法体系，指导都市圈轨道交通项目实施。

1 都市圈综合轨道交通枢纽节点一体化布局概述

1.1 规划布局要素分析

都市圈综合轨道交通枢纽布局规划包括多枢纽站点的协同布局规划以及枢纽站内设施的一体化布局两部分。合理的布局方案需统筹处理好客流、列车、线路、场站等关键要素[15]。其中，旅客是轨道交通枢纽服务的主要对象，各方向客流在枢纽内便捷、高效地集散是枢纽合理布局的重要体现。列车是旅客在途服务的主要供给者，不同制式列车的能力、速度、舒适度等也影响乘客的出行体验。而线路作为客流和车流组织的基本要素，不同制式、不同方向线路的衔接模式直接影响旅客出行效率及出行成本。场站是客流集聚与信息交换的场所，也是综合交通立体衔接的关键节点，合理的规模设计、布局配置与设施配备至关重要。

1.2 影响因素分析

都市圈综合轨道交通枢纽布局与都市圈空间结构、交通网布局、需求分布特征等密切相关[16]，其布局受多方面因素影响，具体如下。

1.2.1 都市圈空间结构与人口分布

从交通功能角度，旅客出行需求与换乘需求是枢纽节点布局的基础，而需求演变与都市圈的空间结构与人口分布等因素密切相关，因此，布局应充分考虑都市圈的空间发展格局，与居民区分布、生产力布局及发展趋势相协调，考虑乘客出行的特点。从城市功能角度，枢纽节点布局设计还具有带动城市开发、提升城市形象等社会价值，因此，应与都市圈的发展规划相契合，客观分析枢纽节点的空间布局及具体的用地规模、服务功能等。

1.2.2 综合交通网布局

综合轨道交通枢纽的布局一方面融合各层次轨道交通线网，另一方面联动轨道交通系统与其他交通方式。因此，应从都市圈内不同层次轨道交通衔接需求出发，秉持零距离换乘的基本原则，规划时与系统内各主要客运站及城市对外的航空港、港口码头等合理衔接，全面提升旅客出行效率。

1.2.3 客运需求分布特征

都市圈旅客出行呈现点核式聚集、放射状分散，对外客流与交流多方向交织、多节点汇合等复杂特征，综合轨道交通枢纽节点在都市圈内的布局应充分考虑客运需求空间分布、流量流向特征，加强都市圈对外与内部客运的衔接、都市圈中心城区内部不同客流的衔接，同步做好轨道交通枢纽与城市其他公共交通设施配套，实现各方向客流的高效流转与快速交互。

1.2.4 相关既有规划约束

综合轨道交通枢纽属于都市圈的基础设施，服务于城市建设发展，其布局规划应与相关城市的国土空间合理衔接，与综合交通规划、客运枢纽场站规划相协调，因此，在相关既定规划框架下，合理选择枢纽节点、确定其规模及设施配备是枢纽节点空间布局的主要目标。

1.2.5 节点经济社会影响

从经济性角度，枢纽节点的建设投资大，一次性投入较高；但同时，枢纽建设对周边地区的开发建设及经济发展具有较好的带动作用，经济影响会随枢纽的建成使用而逐步凸显。社会性方面，对城市而言，轨道交通枢纽不仅是客流集散的空间场所，还是通过与外部客观环境在空间上组合而形成的综合功能体，为日常居民生活、城市发展提供重要的社会供给。 因此，在同等空间基础条件下，枢纽的选择及布局优先考虑经济辐射效益大、社会影响力强的节点，以充分发挥其城市功能。

1.3 规划布局流程

都市圈综合轨道交通枢纽是多层次客流集中的发生吸引源，也是多方向客流换乘的中转交互区，合理识别重要枢纽节点并进行空间布局也是一项复杂的系统工程，包括层级划分、功能识别、影响分析、备选节点选择、优化布局等内容，具体设计流程如图1所示。

2 综合轨道交通枢纽节点特征及分类

2.1 综合轨道交通枢纽节点特征

都市圈综合轨道交通枢纽是指以高铁、城际、市域、城市轨道交通等多层次轨道交通为主的枢纽，具有如下特征。

2.1.1 多制式、多线路交汇

综合轨道交通枢纽一般处于都市圈内较大的客流集散地，一般应包含两种及以上的轨道交通方式，以及相配合的城市公共交通，是多种制式、多条线路无缝衔接的交汇点。

2.1.2 对外对内紧密衔接点

综合轨道交通枢纽实现了高铁、城际等对外轨道交通与市域、城市轨道交通、公共交通等各类城市内部交通的紧密衔接，成为都市圈对外沟通、对内交流的功能综合体。

2.1.3 各方向客流集散点

综合轨道交通枢纽主要服务于不同方式间的乘客集散与转换，通过配备完善的利于换乘的公共转换区域、公共设施、信息平台等实现各方向旅客快速集散与便捷换乘。

2.1.4 交通功能与城市功能有机融合

轨道交通枢纽虽是以提供集散服务为主的交通车站，但作为城市的一部分，同时也是交通功能与城市功能相互衔接、融合的关键节点，发挥带动城市开发、提供社会服务的重要作用。

2.1.5 集约化高效管理

在综合轨道交通系统内，轨道交通枢纽节点之间需通过建立协调先进的管理机制，服务高效的信息平台，推进客运组织一体化与运营管理集约化，实现高效率、优服务的功能目标。

2.2 综合轨道交通枢纽节点分类

综合轨道交通枢纽节点的主要功能在于实现“便捷换乘、快速集散、服务引导”，根据其服务范围、交通功能的不同，可对其进行分类。

2.2.1 按服务范围划分

根据轨道交通枢纽服务范围和服务半径的不同，可将其分为都市级枢纽、市郊级枢纽和地区级枢纽。其中，都市级枢纽主要吸引都市圈中心城区的客流和对外交通的客流；市郊级枢纽是服务城市郊区、卫星城镇与都市圈中心城区间旅客出行的客运枢纽，也是中心城区内交通中心枢纽；地区级枢纽是指地区性中心的轨道交通客流集散点。

2.2.2 按交通功能划分

不同轨道交通的功能定位和客流服务主体不同，因此，可根据枢纽节点衔接的轨道交通方式构成，界定其主要的交通服务功能，具体可分为都市圈对外枢纽、市内枢纽与特定设施处枢纽等3类。其中，对外枢纽主要衔接都市圈对外的轨道交通方式，以国铁干线、高铁、城际为主，枢纽布局与都市圈发展形态、经济文化活动等因素有关；市内枢纽主要衔接都市圈内部的轨道交通与城市其他公共交通，要求出行便利、衔接顺畅，一般设于城市内的主要客流集散点处。

3 都市圈综合轨道交通枢纽节点一体化布局模型

3.1 备选枢纽节点选择及分级

备选节点的选择是在影响因素分析的基础上，选取关键因素建立评价指标体系，选择适宜方法进行综合评价得到各节点的排序，进而在总量控制下确定备选节点集合。

枢纽节点之间通过功能接续、有机配合实现综合轨道交通系统的高效运转，但不同节点的服务范围、功能定位、布局方式等尚存在一定差异，通过层级划分可明晰其功能定位和发展要求，进而更好地指导枢纽节点的协同化布局。

不同枢纽节点的衔接方向与衔接方式不同，在供给能力、服务效能、城市功能等方面的差异也较大，导致其发挥的效用大小不同[17]。因此，在节点选择时，既需分析节点自身的吸引强度、服务能力、与客流集散点的分离程度，也需考虑与城市环境、上位规划的协调性及枢纽建设的经济性、综合带动性等多方面。据此，选择客流潜力、服务能力、出行便捷性、衔接协调性、环境适应性、经济性、综合开发性等作为准则层，建立评价指标体系，通过节点重要度的计算与排序，筛选出备选节点集合，评价指标体系如图2所示。

图2 轨道交通枢纽备选节点评价指标体系

根据衔接的轨道交通系统构成，统筹考虑高速铁路、城际铁路、市域铁路及城市轨道交通网的布局方案，以功能定位、客流需求特征为基础，结合不同种类交通方式衔接关系，将枢纽节点的层次体系划分为两个层级。

一级节点层次：服务于都市圈核心区对内、对外多方向客流的快速集散，其衔接方式为高速铁路、城际铁路为基础，市域铁路及城市轨道交通为互补。是综合轨道交通网络的核心节点，交通功能与城市功能均较为突出。

二级节点层次：服务于都市圈外围城镇节点与都市圈核心区及对外的中长途交流，是承接一级节点客流向外疏散的载体，其衔接方式为高速铁路为基础、城际铁路为互补，个别可实现市域、城市轨道交通的引入。其交通功能层次较为单一，城市功能相对较弱。

两层级节点的功能侧重不同，具有一定的相互兼容性，但均是枢纽节点体系的重要构成，节点划分侧重于对不同节点功能的明晰与适当分离，以更好地指导节点布局。在此基础上，节点布局方案的确定也即寻求一级节点、二级节点合理组合的过程，即在一定规模控制和需求引导下，在一级节点集合、二级节点集合中分别选择功能明确、相互配合的节点，共同构成布局方案体系。

3.2 一体化布局模型构建

3.2.1 问题分析

在都市圈综合轨道交通网络化体系内，路网规划布局方案及各层次旅客出行需求相对明确，枢纽节点的一体化布局是指从备选节点中选择合理的枢纽，确定其位置及规模，以满足各层次轨道交通的旅客出行需求及换乘需要。

不同利益主体对枢纽布局的诉求是存在差异的，考虑枢纽建设投入大、运营成本高，供给者希望尽可能降低成本来实现效益最大化，满足客流需求的同时带动周边开发，提高衍生效益。而旅客作为出行主体，希望能够快速、便捷地完成在轨道交通系统内的出行行程，尽可能地降低出行成本，但考虑旅客出行需求的多样化，不可避免地会产生跨制式客流，因此，应重点考虑跨制式出行成本的最小化。

综上，统筹考虑双方不同的出行需求，将枢纽建设成本与旅客出行成本最小作为主要的目标，建立一体化布局模型[18-22]。

3.2.2 模型构建

(1)假设条件

为研究综合轨道交通体系内的枢纽节点布局，将高铁、城际划分为一个体系，市域、城市轨道交通划分为一个体系，并提出如下假设：

①假设各层次轨道交通线网规划相对稳定，不同OD对间的旅客出行需求确定；

②假设每个备选枢纽具备往各个方向发车的能力；

③假设乘客在不同层次轨道交通之间的换乘均选取时间和费用最小的方案。

(2)模型构建

将都市圈轨道交通线网内所有的备选枢纽节点集合表示为N=N1∪N2，其中，N1={i，i=1，2，…，m}为高速铁路、城际铁路等国铁体系线网内的枢纽节点集合，N2={j，j=1，2，…，m′}为市域、城市轨道交通等线网内节点集合，将不同体系内的备选节点是否被选择作为决策变量，当xi=1、xj=1时表示备选节点被选中，否则，xi=0、xj=0。

将枢纽建设成本与旅客换乘成本最小作为优化目标，建立模型如下

(1)

式中，Fi、Fj为新增枢纽节点i、j的固定费用，包括建设费用、设备费用等；cij为两体系跨制式出行而增加的固定费用；Hi、Hj为新增枢纽节点i、j的运营费用，与单位旅客运营成本与枢纽旅客发送总量有关；tij为旅客由枢纽节点i至节点j的出行时间；G为都市圈旅客人均时间价值；ωij为乘客由枢纽节点i至节点j的出行费用；Oij为枢纽节点i至节点j间的客流总量。

主要约束条件如下。

①运输能力限制

(2)

②轨道交通客流最大化覆盖约束

(3)

式中，Oi、Oj为枢纽节点i、j的旅客发送量；λ为枢纽节点的客流覆盖比，不宜小于0.75；O为综合轨道交通旅客出行总量。

(3)模型求解

本文建立的模型为混合整数规划模型，可通过引入极大值M将模型线性化处理后，在优化软件CPLEX 中进行精确求解。CPLEX自带优化引擎，能求解线性规划、二次规划、二阶锥规划等基本问题及相应的混合整数规划问题，执行速度快、语言简单易懂、兼容性强，目前在运筹学、交通运输等领域中已得到广泛应用。

4 西安都市圈综合轨道交通枢纽节点分级及布局研究

4.1 备选节点选择

根据都市圈发展规划，西安都市圈范围包括西安、咸阳、铜川、富平、渭南、杨凌、周至、蓝田、乾县等地区。综合考虑都市圈客运需求分布特征，以及不同城镇的辐射范围、城市影响、对外衔接功能等因素，将其范围内的枢纽节点划分为2个层级，并筛选出备选节点集合，具体见表1。

表1 备选枢纽节点构成及层级划分

4.2 枢纽节点布局

根据综合轨道交通枢纽协同布局的形势要求，从成本效益角度出发，充分考虑投资主体的利益诉求及旅客便捷出行需求，构建基于综合成本最小的模型进行布局，经测算，新增枢纽节点及相应乘客出行成本986 574万元，形成方案如表2及图3所示。

表2 都市圈枢纽节点布局方案

图3 西安都市圈综合轨道交通枢纽布局示意

5 结论

都市圈轨道交通网络化发展形势下，各层级轨道交通线路相互衔接，实现各方向客流在轨道交通系统内的快速流转，枢纽既是联动各层级线路、集散各方向客流的重要交通节点，也是带动周边城镇开发、提供社会供给的城市要素，其规划布局要与都市圈空间发展规划、旅客出行需求分布相适应，并能充分发挥其交通功能及城市功能，因此，合理的规划布局方法至关重要。以节点的选择与空间布局为研究要点，即在多网融合发展框架下，分析枢纽节点布局的主要影响因素，提出其规划布局流程；考虑不同节点的作用也有所差异，综合节点的路网条件、经济社会影响、开发带动性等因素建立备选节点选择的评价体系，对其进行分级；将枢纽一体化布局描述为寻找供需主体目标诉求最优的数学问题，提出通过建立混合整数规划模型进行分析；最后以西安都市圈为例，进行实例分析。研究提出的方法综合考虑了综合轨道交通网的特征，从供需主体不同视角构建布局模型，操作简便、适用性强，也更加符合综合轨道交通枢纽的功能特征。但综合轨道交通系统构成复杂，节点的功能愈加多元化，节点选择与界定时对城市轨道交通系统内的局部节点考虑有限，对跨多层级的换乘客流难以全面兼顾，还有待进一步深化研究。