高速鐵路引入既有鐵路樞紐選址模型研究

高速鐵路引入既有鐵路樞紐選址模型研究

現(xiàn)在，中國(guó)正處于高速鐵路建設(shè)的高峰。將既有鐵路樞紐引入高速鐵路，突破現(xiàn)有運(yùn)輸模式，對(duì)車站布局和樞紐能力的協(xié)調(diào)提出新的要求。合理確定樞紐高速客運(yùn)站的位置及數(shù)量,優(yōu)化樞紐內(nèi)客運(yùn)站布局,是大城市鐵路樞紐規(guī)劃的重要問題之一。1.服務(wù)宗旨的要求高速客運(yùn)站布置方案的確定是一項(xiàng)復(fù)雜而慎重的工作,需要進(jìn)行多專業(yè)和領(lǐng)域的綜合比選。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),選取備選站址應(yīng)遵循以下基本原則。(1)服從“人便于行”的旅客運(yùn)輸服務(wù)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(qū)間正線工程的合理性。(3)選擇工程條件和地質(zhì)條件較好的站位。(4)充分利用既有鐵路設(shè)備、設(shè)施。(5)站址與城市規(guī)劃相協(xié)調(diào),符合城市規(guī)劃要求。(6)與城市交通系統(tǒng)相協(xié)調(diào),便于旅客集散。(7)與城市景觀、生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)。(8)與鐵路樞紐總體規(guī)劃相適應(yīng)。(9)拆遷量少,但亦不能偏離城區(qū)。(10)有足夠大的站前廣場(chǎng),便于旅客集散,并給今后擴(kuò)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(fā)地、目的地較廣泛,與所有鐵路客運(yùn)站構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。為便于研究,按以下方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。(1)由鐵路到達(dá)樞紐換乘其他運(yùn)輸方式的客流與由其他運(yùn)輸方式到達(dá)樞紐換乘鐵路的客流流動(dòng)是逆向的,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間(一年)內(nèi),由于出發(fā)的單向客流量與到達(dá)的單向客流量基本上相等,因此可以只考慮從樞紐吸引區(qū)域出發(fā)的單向客流。(2)由于部分旅客要從一個(gè)鐵路客運(yùn)站去往其他鐵路客運(yùn)站中轉(zhuǎn),特別是鐵路樞紐處于幾條干線交會(huì)處,中轉(zhuǎn)客流特別大時(shí)對(duì)鐵路樞紐規(guī)劃的影響更大,為此可把樞紐內(nèi)的每個(gè)客運(yùn)站作為一個(gè)出發(fā)地。(3)對(duì)出發(fā)地進(jìn)行細(xì)分,可將旅客出發(fā)(到達(dá))數(shù)量較集中的長(zhǎng)途汽車客運(yùn)站、公共汽車站、居民區(qū)、大型企業(yè)單位、鐵路客運(yùn)站等作為一個(gè)出發(fā)地。而旅客出行的目的地較復(fù)雜,是鐵路樞紐外可達(dá)的任一地點(diǎn),因此,可以將每一個(gè)鐵路樞紐銜接方向出發(fā)的目的地納為一個(gè)總目的地,選取距離該銜接方向的樞紐客運(yùn)站20km(客票票價(jià)計(jì)算的起碼里程)以上的第一個(gè)車站(以下簡(jiǎn)稱銜接方向第一站)作為此方向總目的地,因?yàn)閺脑撜镜铰每偷恼嬲康牡氐倪\(yùn)輸費(fèi)用對(duì)每種方案都是相同的。(4)不同的客運(yùn)站分工方案對(duì)高速客運(yùn)站布置方案選擇也會(huì)產(chǎn)生影響。由于問題比較復(fù)雜,考慮到分站辦理高速列車與普通旅客列車的乘降作業(yè)是目前高速鐵路引入的樞紐客運(yùn)站分工的最常見形式,因此以這種分工方案為基礎(chǔ),對(duì)高速客運(yùn)站布置方案初選進(jìn)行研究。不同出發(fā)地、目的地的旅客出行徑路可簡(jiǎn)化為如圖1所示。從鐵路及旅客兩方面考慮,經(jīng)濟(jì)效益高意味著基本建設(shè)投資費(fèi)用、鐵路運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和旅客在客運(yùn)站的集散費(fèi)用之和最小,雖然有研究提出以旅客旅行時(shí)間之和最小為目標(biāo)函數(shù),但旅客旅行時(shí)間基本上與旅客集散費(fèi)用成正比,因此兩者從根本上是一致的。從優(yōu)化整個(gè)鐵路樞紐客運(yùn)站布局考慮,目標(biāo)函數(shù)要求高速客運(yùn)站站址選擇使旅客集散費(fèi)用、客運(yùn)站及相關(guān)設(shè)備建設(shè)投資F與建成后運(yùn)營(yíng)費(fèi)用U之和最小。雖然部分旅客集散費(fèi)用和鐵路運(yùn)營(yíng)費(fèi)用是重復(fù)計(jì)算,用兩者之和最小為目標(biāo)更能考慮鐵路與客戶兩方的利益。因此,目標(biāo)函數(shù)可表示為:由于鐵路客運(yùn)站既不產(chǎn)生也不消耗客流,因此客運(yùn)站疏散的旅客量與集中的旅客量應(yīng)相等。即:客運(yùn)站總規(guī)模應(yīng)與客運(yùn)需求相適應(yīng),樞紐客運(yùn)站辦理的年均日旅客到發(fā)量之和應(yīng)小于客運(yùn)站設(shè)計(jì)年度日均旅客到發(fā)量。即:則樞紐內(nèi)需設(shè)置的客運(yùn)站數(shù)目為:考慮充分利用既有設(shè)施,減少?gòu)U棄工程,已建客運(yùn)站一般不會(huì)拆除。因此:式中:Q為客運(yùn)站建設(shè)投資F與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用U之和,i為目的地序號(hào)(i=1,2,…,m);j為客運(yùn)站序號(hào),包括擬建的高速客運(yùn)站(j=1,2,…,n);k為出發(fā)地序號(hào)(k=1,2,…,l);aij為年均每日從客運(yùn)站j至銜接方向i的旅客量(人次/d);ajk為年均每日從出發(fā)地k至客運(yùn)站j的旅客量(人次/d);cij為平均每人從客運(yùn)站j至銜接方向第一站i的交通費(fèi)(元/人);cjk為平均每人從出發(fā)地k至客運(yùn)站j的交通費(fèi)(元/人);fj、uj為客運(yùn)站j日均基本建設(shè)投資費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用(元/d);vj為客運(yùn)站j的最大日旅客發(fā)送量(人次/d);r為樞紐內(nèi)應(yīng)設(shè)置的客運(yùn)站數(shù)量(r≤n);zj為選擇參數(shù),zj={0,1},若站址選在備選站址j時(shí)取1,否則取0;S為既有客運(yùn)站組成的集合。模型中cij、cjk、aij、ajk、fj、uj、vj可通過調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、分析等方法確定,zj為需要確定的變量。3出發(fā)地目的地至客客模型參數(shù)的選擇對(duì)客運(yùn)站數(shù)量和位置的確定相當(dāng)重要,由于樞紐吸引范圍內(nèi)的出發(fā)地(目的地)眾多,且極為分散,因此確定每一出發(fā)地(目的地)至客運(yùn)站的參數(shù)需要大量人力、物力,實(shí)際上難以做到。在鐵路已有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,參照公路運(yùn)輸調(diào)查方法,可采用以下方法確定模型參數(shù)。3.1出發(fā)地等區(qū)內(nèi)旅客乘車及總計(jì)數(shù)確定(1)在鐵路樞紐服務(wù)區(qū)域確定若干旅客出發(fā)數(shù)量較集中的長(zhǎng)途汽車客運(yùn)站、公共汽車站、居民區(qū)、大型企業(yè)單位、鐵路客運(yùn)站作為出發(fā)地,把其他區(qū)域劃分成若干客運(yùn)小區(qū),把每個(gè)小區(qū)的中心作為出發(fā)地。(2)每個(gè)出發(fā)地所輻射的范圍內(nèi)年均每日旅客量qk可通過確定人均旅客乘車系數(shù)、服務(wù)區(qū)內(nèi)常住總?cè)丝跀?shù),并由以下公式確定:式中:Ak為出發(fā)地k吸引范圍內(nèi)人口總數(shù);Fk為出發(fā)地k平均乘車人數(shù)(次/人·a)。出發(fā)地k吸引范圍內(nèi)人口總數(shù)Ak可按政府及有關(guān)部門的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及規(guī)劃資料得到。確定乘車系數(shù)要參照歷史統(tǒng)計(jì)資料,并考慮發(fā)展因素經(jīng)分析研究后確定,也可根據(jù)經(jīng)濟(jì)情況類似的相鄰營(yíng)業(yè)車站的平均乘車人數(shù)來確定。(3)ajk由出發(fā)地所有乘車人數(shù)乘以相應(yīng)的比重得出,aij的確定可根據(jù)以往統(tǒng)計(jì)資料,并進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦拚_定。3.2樞紐客運(yùn)量及乘客乘車費(fèi)用的計(jì)算方法(1)從客運(yùn)站j至銜接方向總目的地i的人均交通費(fèi)cij可通過鐵路票價(jià)計(jì)算方法和該方向的客流統(tǒng)計(jì)資料得出。根據(jù)客流統(tǒng)計(jì)資料預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)年度內(nèi)該銜接方向分列車等級(jí)、分客車設(shè)備條件、分出發(fā)站統(tǒng)計(jì)客流量,確定相應(yīng)的權(quán)重,乘以從樞紐客運(yùn)站到總目的地對(duì)應(yīng)的旅客票價(jià),加權(quán)可得平均每人從樞紐客運(yùn)站j至銜接方向第一站i的交通費(fèi)cjk。式中:clij為第l種票價(jià)等級(jí)的交通費(fèi);Ql為乘坐第l種票價(jià)等級(jí)的年客流量。擬建的銜接方向第一站的交通費(fèi)計(jì)算可根據(jù)新線引入后轉(zhuǎn)移客運(yùn)量及誘發(fā)客運(yùn)量之和進(jìn)行計(jì)算。(2)每人從出發(fā)地k至客運(yùn)站j的交通費(fèi)cjk可根據(jù)各種交通運(yùn)輸方式的乘車費(fèi)用乘以相應(yīng)的權(quán)重加權(quán)確定。設(shè):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(fā)地k至客運(yùn)站j采用第1種交通運(yùn)輸方式的乘車費(fèi)用(其他同);P1為計(jì)算年度內(nèi)采用第1種交通運(yùn)輸方式從出發(fā)地k至客運(yùn)站j的人數(shù)(其他同)。3.3同類型航站樓的設(shè)計(jì)結(jié)果在規(guī)劃階段,新建客運(yùn)站可根據(jù)站址面積參考有關(guān)站級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)外已有同類型客運(yùn)站的設(shè)計(jì)資料,考慮客運(yùn)站的性質(zhì)、功能,通過比較分析確定。既有客運(yùn)站的最大日旅客發(fā)送量根據(jù)已有的設(shè)計(jì)能力和可行的改擴(kuò)建規(guī)劃能力之和確定。3.4客港運(yùn)輸市場(chǎng)規(guī)劃按《鐵路基本建設(shè)工程投資(預(yù))估算編制辦法》,對(duì)不同站址進(jìn)行站前工程和站后工程同范圍、同精度計(jì)算,可求得客運(yùn)站日均基本建設(shè)投資費(fèi)用。要求計(jì)算方法及相關(guān)參數(shù)均應(yīng)相同,比較項(xiàng)目齊全、不遺漏必須的項(xiàng)目,但各方面完全相同的部分可省略。列出各設(shè)置方案客運(yùn)站及配套設(shè)施工程項(xiàng)目費(fèi)用,并確定單位數(shù)量的費(fèi)用,匯總得出總費(fèi)用F,并由以下公式確定客運(yùn)站j日均基本建設(shè)投資費(fèi)用fj,經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的計(jì)算期取25年。3.5關(guān)鍵要素費(fèi)用鐵路客運(yùn)站日均運(yùn)營(yíng)費(fèi)用uj可按以下方法確定。(1)選取一個(gè)國(guó)內(nèi)外相似規(guī)模的鐵路客運(yùn)站作為參照。(2)選取一些關(guān)鍵要素,如車站工作人員工資、企業(yè)管理費(fèi)、稅金、運(yùn)行材料費(fèi)、運(yùn)營(yíng)設(shè)備(線路、信聯(lián)閉設(shè)備)的維護(hù)費(fèi)用、日常的修理費(fèi)和每隔一年以上的大修費(fèi)(計(jì)算每年所攤部分)等,匯總計(jì)算鐵路客運(yùn)站日均關(guān)鍵要素的總費(fèi)用。(3)根據(jù)關(guān)鍵要素所占比重可計(jì)算鐵路客運(yùn)站j日均運(yùn)營(yíng)費(fèi)用uj。4新建高速客站數(shù)額的確定,應(yīng)根據(jù)站無論是專門辦理高速列車的客運(yùn)站,還是既辦理高速列車又辦理普通列車的客運(yùn)站,都可以納入整個(gè)樞紐客運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行考慮。應(yīng)設(shè)置的辦理高速客運(yùn)業(yè)務(wù)的車站數(shù)量按以下方法確定。(1)另選站址新建高速客運(yùn)站的個(gè)數(shù),屬于應(yīng)設(shè)置的客運(yùn)站數(shù)量范圍之內(nèi)。(2)同一平面上與既有站緊靠并列設(shè)計(jì)的高速客運(yùn)站、高架于既有站之上的高速客運(yùn)站、建在地下的高速客運(yùn)站,因涉及既有客運(yùn)站有較大的改建,普通車場(chǎng)與高速車場(chǎng)相對(duì)獨(dú)立,客運(yùn)相關(guān)設(shè)備也是自成系統(tǒng),可以按2個(gè)車站計(jì)算。(3)利用既有站的高速客運(yùn)站,對(duì)既有站只有少量改建,按1個(gè)既有客運(yùn)站計(jì)算。(4)原有樞紐存在的客貨運(yùn)站,作業(yè)能力只計(jì)算其擁有的客運(yùn)能力,并作為1個(gè)既有客運(yùn)站計(jì)算。5計(jì)算每大客站數(shù)量符合約束條件的方案集,并將其進(jìn)一步結(jié)合于所有客確定模型參數(shù)后,建立樞紐客運(yùn)站布置的整數(shù)規(guī)劃模型。應(yīng)用枚舉法求解模型,其計(jì)算步驟如下。(1)為避免混淆,可預(yù)定擬建客運(yùn)站個(gè)數(shù)r,從r=nj開始(r≤n),在Cnnj-r種方案內(nèi)進(jìn)行比較,得出客運(yùn)站數(shù)為r情況下符合約束條件的方案集D1,并計(jì)算每種布置方案的總費(fèi)用F。(2)增加客運(yùn)站的個(gè)數(shù)r,計(jì)算在r+1個(gè)客運(yùn)站情況下,重復(fù)步驟(1)得出客運(yùn)站數(shù)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(fèi)用Q,如此循環(huán),直至r=n。(3)比較方案集Dr(r=1,2,…,n)中每種方案總費(fèi)用Q,取F較小的幾個(gè)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(yōu)方案,供樞紐鐵路客運(yùn)站設(shè)計(jì)時(shí)參考。6樞紐銜接方案比選某鐵路樞紐如圖2所示,樞紐內(nèi)既有線有4個(gè)銜接方向和3個(gè)客運(yùn)站Z1、Z2、Z3,現(xiàn)有一條高速鐵路引入該鐵路樞紐。按照高速客運(yùn)站選址的基本原則,選定4個(gè)備選站址B1、B2、B3、B4;選定若干旅客出發(fā)數(shù)量較集中的長(zhǎng)途汽車客運(yùn)站、公共汽車站、居民區(qū)、大型企業(yè)單位、鐵路客運(yùn)站、客運(yùn)小區(qū)中心作為出發(fā)地,并劃分其吸引區(qū)范圍;選定樞紐銜接方向的第一站。樞紐只設(shè)3個(gè)客運(yùn)站的方案有C40個(gè),即S′13={Z1、Z2、Z3}。樞紐設(shè)置4個(gè)客運(yùn)站的方案有C41個(gè),分別為:樞紐設(shè)置7個(gè)客運(yùn)站的方案有C44個(gè):經(jīng)過調(diào)查后確定模型參數(shù)cij、cjk、ajk、fj、uj、vj,針對(duì)每個(gè)方案依次求得每種方案的總費(fèi)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(fèi)用相對(duì)較少。則備選方案為:S′14新建高速客運(yùn)站B1;S′15新建高速客運(yùn)站B1,在Z2站增設(shè)高速車場(chǎng)B2;S′55新建高速客運(yùn)站B4,在Z2站增設(shè)高速車場(chǎng)B2。7出發(fā)地范圍、調(diào)查和處理方法、方案對(duì)比運(yùn)用樞紐客運(yùn)站布置整數(shù)規(guī)劃模型確定高速客運(yùn)站初步布置的位置及數(shù)量,確定