高速鐵路引入既有鐵路樞紐選址模型研究

現在，中國正處于高速鐵路建設的高峰。將既有鐵路樞紐引入高速鐵路，突破現有運輸模式，對車站布局和樞紐能力的協調提出新的要求。合理確定樞紐高速客運站的位置及數量,優化樞紐內客運站布局,是大城市鐵路樞紐規劃的重要問題之一。1.服務宗旨的要求高速客運站布置方案的確定是一項復雜而慎重的工作,需要進行多專業和領域的綜合比選。根據以往的經驗,選取備選站址應遵循以下基本原則。(1)服從“人便于行”的旅客運輸服務宗旨,盡可能靠近客源集散中心,以有利于最廣泛地吸引客流。(2)綜合考慮區間正線工程的合理性。(3)選擇工程條件和地質條件較好的站位。(4)充分利用既有鐵路設備、設施。(5)站址與城市規劃相協調,符合城市規劃要求。(6)與城市交通系統相協調,便于旅客集散。(7)與城市景觀、生態環境相協調。(8)與鐵路樞紐總體規劃相適應。(9)拆遷量少,但亦不能偏離城區。(10)有足夠大的站前廣場,便于旅客集散,并給今后擴建留有余地。(11)具有較好的電力、供水、通訊、道路、排污、消防條件。2樞紐客流出入口模擬在鐵路樞紐換乘的旅客出發地、目的地較廣泛,與所有鐵路客運站構成一個復雜的系統。為便于研究,按以下方法對系統進行適當簡化。(1)由鐵路到達樞紐換乘其他運輸方式的客流與由其他運輸方式到達樞紐換乘鐵路的客流流動是逆向的,在相當長的一段時間(一年)內,由于出發的單向客流量與到達的單向客流量基本上相等,因此可以只考慮從樞紐吸引區域出發的單向客流。(2)由于部分旅客要從一個鐵路客運站去往其他鐵路客運站中轉,特別是鐵路樞紐處于幾條干線交會處,中轉客流特別大時對鐵路樞紐規劃的影響更大,為此可把樞紐內的每個客運站作為一個出發地。(3)對出發地進行細分,可將旅客出發(到達)數量較集中的長途汽車客運站、公共汽車站、居民區、大型企業單位、鐵路客運站等作為一個出發地。而旅客出行的目的地較復雜,是鐵路樞紐外可達的任一地點,因此,可以將每一個鐵路樞紐銜接方向出發的目的地納為一個總目的地,選取距離該銜接方向的樞紐客運站20km(客票票價計算的起碼里程)以上的第一個車站(以下簡稱銜接方向第一站)作為此方向總目的地,因為從該站到旅客的真正目的地的運輸費用對每種方案都是相同的。(4)不同的客運站分工方案對高速客運站布置方案選擇也會產生影響。由于問題比較復雜,考慮到分站辦理高速列車與普通旅客列車的乘降作業是目前高速鐵路引入的樞紐客運站分工的最常見形式,因此以這種分工方案為基礎,對高速客運站布置方案初選進行研究。不同出發地、目的地的旅客出行徑路可簡化為如圖1所示。從鐵路及旅客兩方面考慮,經濟效益高意味著基本建設投資費用、鐵路運營費用和旅客在客運站的集散費用之和最小,雖然有研究提出以旅客旅行時間之和最小為目標函數,但旅客旅行時間基本上與旅客集散費用成正比,因此兩者從根本上是一致的。從優化整個鐵路樞紐客運站布局考慮,目標函數要求高速客運站站址選擇使旅客集散費用、客運站及相關設備建設投資F與建成后運營費用U之和最小。雖然部分旅客集散費用和鐵路運營費用是重復計算,用兩者之和最小為目標更能考慮鐵路與客戶兩方的利益。因此,目標函數可表示為:由于鐵路客運站既不產生也不消耗客流,因此客運站疏散的旅客量與集中的旅客量應相等。即:客運站總規模應與客運需求相適應,樞紐客運站辦理的年均日旅客到發量之和應小于客運站設計年度日均旅客到發量。即:則樞紐內需設置的客運站數目為:考慮充分利用既有設施,減少廢棄工程,已建客運站一般不會拆除。因此:式中:Q為客運站建設投資F與運營費用U之和,i為目的地序號(i=1,2,…,m);j為客運站序號,包括擬建的高速客運站(j=1,2,…,n);k為出發地序號(k=1,2,…,l);aij為年均每日從客運站j至銜接方向i的旅客量(人次/d);ajk為年均每日從出發地k至客運站j的旅客量(人次/d);cij為平均每人從客運站j至銜接方向第一站i的交通費(元/人);cjk為平均每人從出發地k至客運站j的交通費(元/人);fj、uj為客運站j日均基本建設投資費用和運營費用(元/d);vj為客運站j的最大日旅客發送量(人次/d);r為樞紐內應設置的客運站數量(r≤n);zj為選擇參數,zj={0,1},若站址選在備選站址j時取1,否則取0;S為既有客運站組成的集合。模型中cij、cjk、aij、ajk、fj、uj、vj可通過調查、統計、分析等方法確定,zj為需要確定的變量。3出發地目的地至客客模型參數的選擇對客運站數量和位置的確定相當重要,由于樞紐吸引范圍內的出發地(目的地)眾多,且極為分散,因此確定每一出發地(目的地)至客運站的參數需要大量人力、物力,實際上難以做到。在鐵路已有統計數據的基礎上,參照公路運輸調查方法,可采用以下方法確定模型參數。3.1出發地等區內旅客乘車及總計數確定(1)在鐵路樞紐服務區域確定若干旅客出發數量較集中的長途汽車客運站、公共汽車站、居民區、大型企業單位、鐵路客運站作為出發地,把其他區域劃分成若干客運小區,把每個小區的中心作為出發地。(2)每個出發地所輻射的范圍內年均每日旅客量qk可通過確定人均旅客乘車系數、服務區內常住總人口數,并由以下公式確定:式中:Ak為出發地k吸引范圍內人口總數;Fk為出發地k平均乘車人數(次/人·a)。出發地k吸引范圍內人口總數Ak可按政府及有關部門的人口統計數據及規劃資料得到。確定乘車系數要參照歷史統計資料,并考慮發展因素經分析研究后確定,也可根據經濟情況類似的相鄰營業車站的平均乘車人數來確定。(3)ajk由出發地所有乘車人數乘以相應的比重得出,aij的確定可根據以往統計資料,并進行適當地修正確定。3.2樞紐客運量及乘客乘車費用的計算方法(1)從客運站j至銜接方向總目的地i的人均交通費cij可通過鐵路票價計算方法和該方向的客流統計資料得出。根據客流統計資料預測設計年度內該銜接方向分列車等級、分客車設備條件、分出發站統計客流量,確定相應的權重,乘以從樞紐客運站到總目的地對應的旅客票價,加權可得平均每人從樞紐客運站j至銜接方向第一站i的交通費cjk。式中:clij為第l種票價等級的交通費;Ql為乘坐第l種票價等級的年客流量。擬建的銜接方向第一站的交通費計算可根據新線引入后轉移客運量及誘發客運量之和進行計算。(2)每人從出發地k至客運站j的交通費cjk可根據各種交通運輸方式的乘車費用乘以相應的權重加權確定。設:1為道路交通;2為城市軌道交通;3為小汽車;4為步行;5為自行車;6為其他。式中:c1jk是從出發地k至客運站j采用第1種交通運輸方式的乘車費用(其他同);P1為計算年度內采用第1種交通運輸方式從出發地k至客運站j的人數(其他同)。3.3同類型航站樓的設計結果在規劃階段,新建客運站可根據站址面積參考有關站級標準和國內外已有同類型客運站的設計資料,考慮客運站的性質、功能,通過比較分析確定。既有客運站的最大日旅客發送量根據已有的設計能力和可行的改擴建規劃能力之和確定。3.4客港運輸市場規劃按《鐵路基本建設工程投資(預)估算編制辦法》,對不同站址進行站前工程和站后工程同范圍、同精度計算,可求得客運站日均基本建設投資費用。要求計算方法及相關參數均應相同,比較項目齊全、不遺漏必須的項目,但各方面完全相同的部分可省略。列出各設置方案客運站及配套設施工程項目費用,并確定單位數量的費用,匯總得出總費用F,并由以下公式確定客運站j日均基本建設投資費用fj,經濟評價的計算期取25年。3.5關鍵要素費用鐵路客運站日均運營費用uj可按以下方法確定。(1)選取一個國內外相似規模的鐵路客運站作為參照。(2)選取一些關鍵要素,如車站工作人員工資、企業管理費、稅金、運行材料費、運營設備(線路、信聯閉設備)的維護費用、日常的修理費和每隔一年以上的大修費(計算每年所攤部分)等,匯總計算鐵路客運站日均關鍵要素的總費用。(3)根據關鍵要素所占比重可計算鐵路客運站j日均運營費用uj。4新建高速客站數額的確定,應根據站無論是專門辦理高速列車的客運站,還是既辦理高速列車又辦理普通列車的客運站,都可以納入整個樞紐客運系統進行考慮。應設置的辦理高速客運業務的車站數量按以下方法確定。(1)另選站址新建高速客運站的個數,屬于應設置的客運站數量范圍之內。(2)同一平面上與既有站緊靠并列設計的高速客運站、高架于既有站之上的高速客運站、建在地下的高速客運站,因涉及既有客運站有較大的改建,普通車場與高速車場相對獨立,客運相關設備也是自成系統,可以按2個車站計算。(3)利用既有站的高速客運站,對既有站只有少量改建,按1個既有客運站計算。(4)原有樞紐存在的客貨運站,作業能力只計算其擁有的客運能力,并作為1個既有客運站計算。5計算每大客站數量符合約束條件的方案集,并將其進一步結合于所有客確定模型參數后,建立樞紐客運站布置的整數規劃模型。應用枚舉法求解模型,其計算步驟如下。(1)為避免混淆,可預定擬建客運站個數r,從r=nj開始(r≤n),在Cnnj-r種方案內進行比較,得出客運站數為r情況下符合約束條件的方案集D1,并計算每種布置方案的總費用F。(2)增加客運站的個數r,計算在r+1個客運站情況下,重復步驟(1)得出客運站數量為r+1情況下符合約束條件的方案集Dr和每種布置方案的總費用Q,如此循環,直至r=n。(3)比較方案集Dr(r=1,2,…,n)中每種方案總費用Q,取F較小的幾個方案組成下一步研究備選集D,Q最小的方案也可作為近似最優方案,供樞紐鐵路客運站設計時參考。6樞紐銜接方案比選某鐵路樞紐如圖2所示,樞紐內既有線有4個銜接方向和3個客運站Z1、Z2、Z3,現有一條高速鐵路引入該鐵路樞紐。按照高速客運站選址的基本原則,選定4個備選站址B1、B2、B3、B4;選定若干旅客出發數量較集中的長途汽車客運站、公共汽車站、居民區、大型企業單位、鐵路客運站、客運小區中心作為出發地,并劃分其吸引區范圍;選定樞紐銜接方向的第一站。樞紐只設3個客運站的方案有C40個,即S′13={Z1、Z2、Z3}。樞紐設置4個客運站的方案有C41個,分別為:樞紐設置7個客運站的方案有C44個:經過調查后確定模型參數cij、cjk、ajk、fj、uj、vj,針對每個方案依次求得每種方案的總費用,并判定是否滿足約束條件公式⑶。方案S′14、S′15、S′55滿足約束條件,且費用相對較少。則備選方案為:S′14新建高速客運站B1;S′15新建高速客運站B1,在Z2站增設高速車場B2;S′55新建高速客運站B4,在Z2站增設高速車場B2。7出發地范圍、調查和處理方法、方案對比運用樞紐客運站布置整數規劃模型確定高速客運站初步布置的位置及數量,確定