考虑低碳的高铁客站新区路网结构优化*

陈 鹏 谷剑锋 胡志勇

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (中铁第四勘察设计院集团有限公司2) 武汉 430063)

0 引 言

高速铁路的发展具有很强的触媒效应，带动了沿线城市人口的流动和当地的经济发展，同时对城市结构的优化也产生了促进作用.但是，随着新建高铁站的出现，也给周边的路网交通产生了影响.高铁客站新区交通流组成较为复杂：①高铁客站新区作为城市对外交通枢纽，大量来自城市中心区或周边功能片区的交通流在此集散；②具有较强服务业基础的高铁站区吸引着大量的商机，从而使周边的商业用地呈现高度开发的趋势，诱发了大量商务客流及机动车交通流.双重交通功能的叠加往往造成地区交通拥堵，为乘客出行带来不便.同时大量车流的汇集会产生大量的尾气，使乘客的出行质量受到影响.如何对高铁客站新区路网结构进行优化，力求既满足高铁乘客的出行需求，缓解城市路网的供需矛盾，又能实现站区内居民的低碳出行，成为站区交通规划的重要一环.

目前，国内外对于高铁客站新区路网结构优化研究较少.李星等[1]采用电子云模型计算枢纽地区道路需求的周转量，通过供需平衡计算边缘型高铁枢纽地区路网级配.汤祥[2]根据道路承载量分析来确定高铁站区道路网级配.但上述研究缺少环境因素的考虑.另一方面，交通带来的环境问题日益受到重视，研究人员对低碳交通发展做了初步的分析，从宏观上提出一些发展对策[3-5].王鹏[6]提出了以路网通行能力最大和路网交通碳排放最小为目标的路网结构优化模型，但其模型没有考虑路网交通需求与供给的平衡，且无法统一目标函数中量纲.总体来说，对于高铁客站新区路网结构优化，已有研究考虑的因素不全面，优化目标单一，无法适应目前提倡的低碳出行理念.因此，本文将以保证路网交通供需平衡和降低路网碳排放容积率为目标，对高铁客站新区路网结构进行优化，从而为实现站区居民的畅通出行和低碳出行奠定基础.

1 高铁客站新区路网布局

高铁客站新区路网结构与城市路网结构相似，道路等级划分为四级，依次为：快速路、主干路、次干路、支路，见图1.四种等级的道路之间衔接紧密，发挥着各自的交通功能，见表1.目前我国的高铁站多数建在城市新区范围内，若站区规划范围内无快速路，则路网由原先的四级配置改为三级配置，依次为主干路、次干路、支路，见图2.本文主要针对三级道路配置进行研究.

图1 高铁客站新区四级路网结构图

图2 高铁客站新区三级路网结构图

道路等级功能快速路承担过境和站区出入境的长距离机动车流主干路 承担中长距离的站区出入境和站区内部的跨圈层交通流次干路承担站区内部交通支路服务地块开发,与次干路衔接,使交通流便捷集散

2 高铁客站新区道路网级配优化模型

2.1 模型目标确定

为适应目前倡导的环境友好型社会，实现高铁客站新区的可持续发展.本文选取以下两个优化目标：①保证高铁客站新区路网交通供需平衡，综合考虑高铁客站新区路网容量和交通需求量之间的关系，力求使站区内的机动车流以较短的时间实现区域的集散活动，同时尽可能地节省道路资源；②降低高铁客站新区的路网碳排放容积率，碳排放容积率往往小于1，容积率越大，表明路网中各级道路碳排放情况越严重.

2.2 模型构建

2.2.1模型假设

1) 为简化计算，在进行站区路网碳排放计算中，假设路网中车辆类型的比例相对确定.

2) 为简化碳排放因子的计算，本文以站区路网中高峰小时车辆行驶的平均车速作为主次干道上行驶车辆的速度.

3) 假设近期站区路网中不同等级道路上所有车型单位里程高峰小时CO2排放量相对稳定.

4) 由于高铁客站新区大多数位于城市中心区外围，周围道路网尚不发达，过境交通相对较少，且受研究范围的限制，难以对高铁客站新区的过境交通需求进行准确测定，故本文暂不考虑过境交通需求.

2.2.2高铁客站新区交通供需平衡计算

1) 高铁客站新区路网道路容量计算 高铁客站新区路网中各级道路的容量计算公式为

(1)

假设Wi为站区各类道路与道路总长度的比值，则站区各级道路容量计算公式可改写为

(2)

高铁客站新区的道路网总容量为

(3)

2) 高铁客站新区路网交通需求计算 对于内部交通需求来说，由于高铁客站新区呈圈层式发展，其所包含的区域已具备常态化的城市特性，形成一片城市区域组团.故可将分析城市交通需求的方法应用于高铁客站新区.对高铁客站新区，其内部交通需求可按基于交通方式划分的计算公式计算，即

(4)

式中：D1为站区内部的交通需求，pcu·km/h；E为站区内部流动人口的出行总量，出行次数；fz为第z种方式的出行量占总出行量的比例；sz为第z种方式在站区的平均出行距离，km；μz为第z种交通方式的车型换算系数；k为高峰小时系数；rz为第z种交通方式的平均载客数.

对于高铁客站新区的出入境集散需求，本文主要依据高铁客站新区高峰小时的机动车集散量来确定，即通过预测高峰小时进出站不同种类的机动车数量，最终得到规划年的站区进出站不同种类的机动车高峰小时交通量.其出入境交通需求的计算公式为

(5)

令高铁客站新区的总交通需求量为D，则

D=D1+D2

(6)

2.2.3高铁客站新区路网碳排放量计算

1) CO2排放因子分析 CO2放因子是衡量城市机动车辆碳排放的重要指标，反映了车辆的CO2排放水平.常用Ef来表示.对于Ef的确定，参考美国环保局开发使用的MOBILE模型.即

Ef(CO2)=

[(cfuel-fthc)×0.87-fco×0.42]/0.273

(7)

式中：cfuel为不同车型的油耗，g/km；fthc为污染物THC排放因子；fco为污染物CO排放因子.

2) 高铁客站新区路网碳排放模型 高铁客站新区的路网是由多条道路交叉而成，道路交叉口将站区道路分割成不同长度的路段.在研究高铁客站新区路网碳排放量时可以先从研究每条路段的碳排放量入手.根据文献[7]可知，将其中的污染物排放量微观化为各路段的单位小时碳排放量，即

Pzj=qzj×lj×Efzj

(8)

式中：Pzj为j路段第z种交通方式的CO2排放量，kg；qzj为j路段第z种交通方式的流量，pcu/h;lj为j路段的长度，km；Efzj为j路段第z种交通方式CO2排放因子，kg/km.

高铁客站新区路网中不同等级道路的碳排放量为

(9)

式中：Pi为站区路网中不同等级道路上所有车型的CO2排放量，kg；Li为站区路网中各级道路的长度，km.

令P总为站区路网的总CO2排放量，得

(10)

式中：P为站区路网中j路段所在道路所有车型CO2排放量，kg；Pi为路网中各类道路的CO2排放量，kg；qzj为j路段z型车的交通流量，pcu/h；lj为j路段的长度，km；Efzj为j路段z型车CO2排放因子，kg/km；L为站区路网中道路的总长度，km;Ei为i级道路上所有车型单位里程高峰小时CO2排放量，kg/km.

2.2.4多目标优化模型

综上所述，为实现高铁客站新区路网交通供需平衡和碳排放容积率最小的目标，建立模型为

(11)

式中：θ1，θ2为目标权重，具体取值可采用层次分析法进行确定；V为站区路网总容量，pcu·km/h；D为站区路网总需求量，pcu·km/h；Ei为i级道路上所有车型单位里程高峰小时CO2排放量，kg/km；L为站区路网中道路总长，km；Wi为站区各级道路比例系数；ECCO2为CO2环境容量上限.

2.3 模型约束条件及参数设定分析0.48≤W3≤0.64

1) 高铁客站新区不同等级道路比例约束 令主干路、次干路、支路占比分别为W1，W2，W3，根据文献[8]可知，主干路的比例系数约束为

0.128≤W1≤0.192

(12)

次干路的比例系数约束为

0.2≤W2≤0.224

(13)

支路的比例系数约束为

0.48≤W3≤0.64

(14)

三等级道路比例系数总约束为

W1+W2+W3=1

(15)

2) 高铁客站新区道路建设用地约束 根据文献[9]可知，站区道路面积应占城市建设面积的8%～15%，约束条件为

(16)

式中：di为三类道路的路基宽度，m；Y为站区规划建设用地总面积.

3) 高铁客站新区路网交通供需平衡约束 若高铁客站新区路网交通达到较好的平衡，则存在如下约束条件

(17)

4) 高铁客站新区路网碳排放约束 由于需要对高铁客站新区的机动车排放的CO2量进行控制，故对高铁客站新区的碳排放环境容量进行约束，即在站区中运行的机动车辆，其排放的CO2量应小于城市环境所容许的阈值，其约束条件表述为

(18)

上述约束条件中，ECCO2为CO2环境容量上限[10].其取值可由式(19)求出

(19)

式中：A为站区内的人口总量；HCCO2为人均碳排放值，t/(人·年)，一般将该值定为0.6 t/(人·年)；ΔCO2为道路运行所排放的碳占城市运行所排放的碳的比例，在我国，其值为0.15.

综上所述，模型的约束条件为

(20)

2.4 模型求解

本文选用Matlab对所建立的模型进行求解.模型的求解思路如下：①选择目标函数，约束条件，建立规划模型；②进行模型的数学转化；③利用Matlab中的fmincon函数进行求解.

3 实例分析

宜昌东站区的研究范围为6.8 km2，见图3.各级道路长度分别为：主干路长为14.42 km，次干路长为7.26 km，支路长为4 km，即一级道路长度14.42 km，二级道路长度11.26 km.各级道路密度为：主干路2.12 km/km2，次干路1.07 km/km2，支路0.59 km/km2，即一级道路密度2.12 km/km2，二级道路密度1.66 km/km2，整个站区路网密度为3.78 km/km2.

图3 宜昌东站区路网概况

龙江英[11]结合MOBILE模型，提出了贵阳市道路车辆CO2排放因子的取值情况.因贵阳市与本文研究的宜昌市同为山地城市，二者在车型构成、燃料规格和城市形态方面比较相近，而之前在模型假设中提到以站区路网中高峰小时车辆行驶的平均车速作为主次干道上行驶车辆的速度.故本文参照龙江英提出的取值结果，结合宜昌东站区路网高峰时段车辆平均车速20.8 km/h，最终确定宜昌东站区主次干道车辆排放因子，见表2.

表2 宜昌东站区主次干道车辆CO2排放因子 kg/km

经模型计算，在宜昌东站区路网中，各级道路合理的长度为：主干路9.8 km，次干路10.21 km，支路31.04 km.通过将优化后的路网结构与原有路网结构进行对比，见表3.在优化后的站区路网密度中，一级道路密度与二级道路密度之比为1:4.22，解决了之前站区各级道路呈“倒金字塔”排列的问题，基本与国内主要中心区改建高铁站的一二级道路密度之比接近，能较好地适应宜昌东站未来站区的扩张需求.但由于计算的各级道路规模与宜昌东站区目前道路现状差距较大，尤其是支路长度难以在短期内达到要求，故可将优化的结果作为宜昌东站区远期规划的目标.

表3 宜昌东站区路网优化结果

4 结 束 语

本文将低碳理念应用于高铁客站新区道路网结构优化中，综合考虑了路网交通供需平衡及碳排放容积率最小两个优化目标，建立了基于多目标的高铁客站新区路网结构优化模型，并采用Matlab对模型求解；最后将所建立的模型应用于宜昌东站区的道路网结构优化.实证研究表明：该模型考虑了交通需求与节能减排之间的平衡，符合城市发展的要求，对优化高铁客站新区道路网结构进行了新的探索.