基于高速铁路枢纽站的客流中转换乘方案选择研究

刘晓溪, 李 博

（中国铁道科学研究院集团有限公司运输及经济研究所，北京100081)

我国高速铁路运营里程在2017年已达到2.5万km，“四纵四横”网络基本形成。在网络化运营条件下，充分发挥高速铁路快速、高频率的优势，提高高速铁路的市场竞争力显得尤为重要。高速铁路的快速发展对其客流中转换乘组织方案提出了更高的要求。目前，针对高速铁路枢纽站的中转换乘方案，如石太客运专线(石家庄—太原南)、京沪高速铁路(北京南—上海虹桥)、京津城际(北京南—天津)形成的高速铁路线路网，研究探讨客流中转换乘组织模式[1-3]，而对高速铁路枢纽站的客流中转换乘方案选择研究较少，特别对适应于网络化运营条件下高速铁路枢纽站客流中转换乘方案选择还有待进一步深入研究。因此，在分析目前高速铁路客流运输组织现状的基础上，筛选高速铁路枢纽站间影响旅客进行中转换乘运输方案选择的因素[4-6]，构建高速铁路枢纽站间换乘方案选择模型，为高速铁路枢纽站主要换乘OD对客流中转换乘方案选择的制订提供依据。

1 高速铁路客流组织现状分析

1.1 客流现状

（1）OD对运输距离分析。我国高速铁路网络中直达OD对的平均运输距离为812 km，运输距离最长的线路为北京—昆明，全长2 760 km。换乘1次客流OD对距离分布如图1所示，换乘1次可达的OD对平均运输距离为1 201 km。2次及以上换乘客流OD距离分布如图2所示，换乘2次及以上可达的OD对的平均运输距离为2 056 km。可知高速铁路全部可达OD对中，换乘可达的OD距离大，并且换乘次数越多距离越大。

（2）中转换乘客流比例分析。2016年高速铁路换乘客流量和周转量比重如图3所示，可以看出，2016年高速铁路网换乘客流量为6 648.6万人，占全高速铁路网客流的4.6%，换乘周转量占高速铁路网的9.1%，高速铁路换乘周转量占比较高。

（3）中转换乘客流出行距离分析。2016年不同出行距离换乘客流量分布如图4所示，由图4可知中转换乘客流的平均出行距离为673.5 km，中转换乘客流的平均出行距离约为高速铁路全高铁网客流平均出行距离的2倍，中转换乘客流出行距离较长。

1.2 直达运输组织现状

通过对高速铁路列车时刻表数据中直达列车数据进行分析，得出高速铁路直达运输组织具有以下特征。

（1）高速铁路直达OD对比例较小。根据时刻表可知目前路网中共有595个高速铁路车站，所有时刻表中可实现高速铁路直达的OD对占路网中所有OD对的9.05%，即有90.95%的OD对需要通过中转换乘实现可达。

图 1 换乘1次客流OD对距离分布Fig.1 Distance distribution for one-transfer OD pairs

图2 2次及以上换乘客流OD距离分布Fig.2 Distance distribution for no-less-than-two-transfers OD pairs

图3 2016年高速铁路换乘客流量和周转量比重Fig.3 The ratio of transfer-involved passengers to all passengers and that of transfer-involved passenger-kilometers to total passenger-kilometers for highspeed railway lines in 2016

图4 2016年不同出行距离换乘客流量分布Fig.4 Travel distance distribution for transfer-involved passengers in 2016

（2）高速铁路直达OD对的列车开行频率较低。79.68%直达OD对的开行列车少于5列， 90.77%直达OD对的开行列车少于10列。有近80%的直达OD对提供了低频率的运输服务，这部分OD客流存在中转换乘的需求。

（3）部分直达OD对的旅行时间较长。在所有的直达OD对中，有11.9%的OD对列车平均旅行时间超过8 h，旅行时间超过4 h的直达OD对占46.1%，旅行时间超过5 h的直达OD对占34.5%。旅行时间在3 ～ 3.5 h范围的旅程对选择高速铁路出行的旅客有较强的吸引力，如果旅行时间过长，高速铁路的吸引力就会降低[7]。

综上所述，我国高速铁路具有中转换乘OD对距离大、换乘客流占比高、换乘客流出行距离长、直达OD对少、直达OD列车开行频率低、直达列车旅行时间长的特点。

2 高速铁路枢纽站客流中转换乘组织 条件

2.1 换乘条件分析

（1）同站换乘。同站换乘是旅客换乘方式中一种较为理想的换乘方式。该方式不要求城市内部交通的衔接配合，只需要在站内或站前广场完成即可，其优点是换乘时间消耗较少，但对站内换乘设施的配合程度要求较高。从国内外高速铁路运营现状来看，同站换乘方式包括站台换乘、站厅换乘和站外换乘3种方式，目前我国多为站外换乘。

（2）异站换乘。异站换乘需要跨越相同城市2个分离的车站，主要依靠便捷、高效的城市轨道交通及常规公交实现。由于异站换乘给旅客带来了较大的不便，即使节点所在城市的市内交通可达性好，多数旅客也不愿选择异站换乘。因此，对于采取异站换乘方式的节点，应采用合理的运输组织措施将异站换乘转化为同站换乘，如可以在节点内部通过联络线延长列车到站或发站，变异站换乘为同站换乘。

（3）车站换乘服务水平。车站的服务水平会影响旅客换乘的方便与否，包括硬件设备设施、乘车过程中相关的软服务。硬件设施包括指示牌、换乘通道、候车厅、座椅、客用电梯、自动扶梯、残障人士专用通道、信息查询机、购取票机、应急消防通道等；软件设施包括信息查询系统、自动售票系统、安全监视系统、应急管理措施等。

（4）车站换乘能力。车站换乘能力是限制换乘客流的一个重要因素，通过对选取的路网进行分析，尽管某些节点换乘条件较好，但如果把所有与该线路相关的客流都集中在同一个车站换乘，势必会造成客流拥堵，不仅不能够实现快速换乘，反而会因为客流较大而造成较多的安全隐患。

（5）车站站内布局。车站的布局对高速铁路车站能够提供的换乘模式也存在一定的影响。例如，日本很多高速铁路车站设有多个站场出入口，进站大厅有多个方向的轨道线环衬入口，轨道线间的换乘可在地面以下完成。目前，我国新建的高速铁路车站不同列车间的换乘大多需要进入候车厅完成。

2.2 中转换乘方案影响因素分析

（1）换乘次数。我国高速铁路网络规模大，可提供公交化的服务模式，该模式下的中转换乘次数可能会增加，但由于高速铁路旅客旅行时间较长，铁路旅客出行的换乘次数不应该多于2次[8]。

（2）高速铁路枢纽站换乘条件。同站换乘时，对于新建的高速铁路车站，在站台开设反向扶梯，旅客在下车后通过反向闸机进入候车室再次检票乘车。对于可办理高速铁路乘降的普通车站，一般引导旅客先出站再检票进站。部分客流通过站内天桥、地下通道等设施提供不出站的换乘服务。异站换乘时，城市中部分车站可通过铁路联络线连接，旅客可通过乘坐高速铁路或普速铁路实现不同车站间的换乘。旅客也可通过公交、地铁、出租车等形式完成不同车站间的换乘衔接；对于中转客流量较大的枢纽站或运输距离较长的OD对，应尽量安排同站换乘[9]。

（3）换乘费用。换乘费用主要由换乘高速铁路列车过程中，因采用其他交通方式以实现换乘目的所产生的时间和成本组成。如果采用同站换乘，换乘费用主要是换乘走行时间成本。新建高铁站的换乘走行时间较短，普速车站走行时间较长。异站换乘则增加了公交、地铁、出租等方式产生的时间和成本费用。

（4）换乘舒适性。同站换乘中高铁站换乘舒适性较高。普速车站换乘的舒适性相对较低。异站换乘时，旅客需额外增加出站、乘坐其他交通工具、进站的过程，大大降低了换乘的舒适性。

3 高速铁路枢纽站换乘组织方案选取模型

3.1 模型构建

同一高速铁路枢纽站间存在多个OD对需要在枢纽内的车站换乘，而在一个枢纽内存在多个高速铁路车站，一个OD对在枢纽内存在多种可能的中转换乘组织方案。为了提高枢纽内所有旅客的出行效率需要综合考虑枢纽内所有的OD对在枢纽内的换乘方案，选取得出枢纽内所有OD对最佳的中转组织方案。根据客流中转组织和枢纽条件，可以构建高速铁路枢纽站间换乘方案选取模型。

模型的研究以枢纽内所有需要中转换乘的OD对总费用最低为目标。

式中：v为某支客流；s为车站；xvs为客流v是否选择车站s为换乘站；yvs为客流v能否选择车站s为换乘站；为客流v在车站s换乘的实际费用。

客流v在枢纽内车站s中转换乘的费用包括时间成本费用、出行费用和换乘舒适费用。

式中：cvs为客流v在车站s换乘的广义费用；为客流v在车站s换乘的时间成本费用；为客流v在车站s换乘的时间出行费用；为客流v在车站s换乘的时间换乘舒适费用；ω1为时间成本费用占出行总费用的比例；ω2为出行成本费用占出行总费用的比例；ω3为换乘舒适费用占出行总费用的比例。

时间成本费用用旅客单位小时时间成本与总用时的乘积表示；出行费用选择接续前后车站间用时最短的交通方式花费的费用表示；疲劳恢复时间与旅行时间有直接关系[10]，计算公式为

式中：Ttire为疲劳恢复时间；Tlimited为疲劳恢复极限时间；b1为无量纲参数；b2为单位旅行时间的恢复时间强度系数；Ttravel为旅行时间，日间高速铁路选取参数b1= 49，b2= 0.5。

此外，模型中需要考虑客流v在车站s是否具备换乘条件、客流v在枢纽内的一个车站完成换乘、枢纽内每个车站可提供旅客换乘的能力以及变量的范围等。

（1）客流v在车站s是否具备换乘条件。考虑客流v在车站s是否具备换乘条件，计算公式为

式中：xvs为客流v是否选择车站s为换乘站，如果客流v车站s被选做换乘车站则xvs= 1，否则xvs= 0；yvs为客流v能否选择车站s为换乘站，如果客流v车站s被选做换乘车站则yvs= 1，否则yvs= 0。

（2）客流v在枢纽内完成换乘经过的车站数量。该约束表示客流v在研究枢纽内最多经过2个车站完成中转组织过程。

（3）枢纽内每个车站可提供旅客换乘的能力。该约束表示在一个枢纽内每个车站s内服务的换乘客流量需满足车站换乘能力的限制。

式中：Bs为车站s最大换乘能力限制。

（4）其他约束。

式中：M为极大值。

公式 ⑺ 表示当客流v选择车站s为换乘站时，产生费用是cvs，否则费用为一个极大值M。公式 ⑻、公式 ⑼ 表示部分变量的取值约束。

3.2 实例分析

以京津地区铁路枢纽换乘方案为例，京津地区铁路枢纽内主要有京张(北京—张家口)、京沈(北京—沈阳)、京津(北京—天津)、京沪(北京—上海)、京广(北京—广州)等高速铁路线路或城际铁路。远期北京铁路枢纽的主要客运站包括北京站、北京西站、北京南站、北京北站、丰台站、星火站、清河站等车站，天津枢纽内主要有天津西站和天津站2个客运站。京津地区铁路枢纽车站及线路基本情况如图5所示[11]。

京津地区铁路枢纽内主要的OD对有13个，其中在京津地区铁路枢纽内换乘客流量较大的OD对主要是北京—沈阳、沈阳—上海、沈阳—广州、上海—广州方向，根据枢纽的实际线路情况可以得到可能的路径，编号为1—5的OD对需要在枢纽内换乘，采用高速铁路枢纽站间换乘方案选取模型对枢纽内需要换乘OD对的换乘方式进行确定，根据实际开行方案估计模型中的客流量规模。根据Peter的研究，高速铁路与民航运输竞争的因素主要有：旅行时间、旅行费用、服务频率、机场和高铁车站的可达性、正点率，其中旅行时间是旅客出行选择交通方式的最重要的影响因素[1]。该研究理论模型中参数取值为：ω1= 0.5，ω2= 0.3，ω3= 0.2，即换乘时间为最重要的因素，其次为花费的费用，舒适性的影响较低。以京津地区铁路枢纽为例，利用Lingo11.0求解高速铁路枢纽站间换乘方案选取模型，得到京津地区铁路枢纽主要OD对路径及换乘方案结果如表 1所示，这些客流通过不同的换乘方案运输，包括同站换乘、枢纽内异站换乘方式。

图5 京津地区铁路枢纽车站及线路基本情况Fig.5 General information about hub stations and railway lines within Beijing-Tianjin area

表1 京津地区铁路枢纽主要OD对路径及换乘方案Tab.1 Major OD pairs and their paths that involve transfers within Beijing-Tianjin area

通过模型计算，在满足枢纽内基本运输需求前提下，大部分OD对换乘结果与实际运营组织方案相符，同时考虑枢纽地区整体换乘效率及能力约束，计算结果为枢纽内不同OD对提供了更为多样化的中转换乘方案。

4 结束语

基于高速铁路枢纽站的中转客流换乘方案选择始终是困扰行车指挥的一大难题，铁路枢纽客流转换乘便捷度的提高对改善整个铁路客运枢纽与城市交通的衔接水平及城市对外联系的整体效率有着重要意义。通过对高速铁路OD对客流及高速铁路直达运输组织现状进行分析，综合考虑枢纽内所有OD对在枢纽内的换乘方案，构建高速铁路枢纽站间换乘组织方案选取模型，计算结果对提高枢纽内部分车站换乘客流压力大的问题及枢纽内中转换乘客流组织的合理引导具有指导意义，并为高速铁路枢纽站中转客流提供合理的组织方案选择，促进旅客高效出行。另外，还需要更准确地把握旅客在枢纽内的旅行径路，分析枢纽内客流组织的瓶颈，进一步提升枢纽客流的中转换乘组织效率。