市域铁路与城市轨道交通换乘站设施配置布局优化研究

（西南交通大学，四川 成都 610031）

1 引言

随着我国城市的快速发展，城市中心区的容量逐渐饱和，都市圈的范围逐步扩大，人口逐渐向卫星城或组团发展。城市中心区与卫星城或组团的发展联系更加紧密，居民的一次出行需要多种交通方式协同完成，大城市市域范围内市域铁路与城市轨道交通之间应该相互协调、资源共享以减少换乘次数，缩短旅行时间。因此，对市域铁路与城市轨道交通换乘站设施配置进行优化以实现快速化、一体化运营显得尤为重要。由于不同的运输方式之间进行换乘时，旅客从起点到终点有多种路径可以选择，换乘站各类设施的布局将直接影响旅客换乘的便捷性与舒适度。在考虑换乘站设施布局时，既要考虑车站投资的经济成本，又要考虑旅客在站内的走行时间。目前，国内对换乘站设施配置的研究较少。霍长旭[1]对市郊铁路与城市轨道交通的衔接模式进行了研究，通过分析不同制式轨道交通技术经济特征，探讨并对重庆市市郊铁路与城市轨道交通的衔接方案进行了定性比选。贺东[2]基于一体化轨道交通体系，依照枢纽换乘系统构建的原则，以旅客集聚时间最小和城市轨道交通集聚分担率最大为目标，建立了一体化轨道交通运输体系枢纽换乘模式下枢纽换乘站点的多目标布局优化模型。孙俊等[3]通过总结国外典型轨道换乘站点设施布局经验，从功能分类、规模测算与布局设计三方面对我国换乘枢纽设计进行了深入研究。顾静航[4]分析了轨道交通枢纽站点的特点，从使用者的角度总结了枢纽一体化空间布局和功能整合的方法。周侃[5]建立了枢纽站内单向换乘通道及楼梯内乘客流密度与乘客平均走行速度的线性关系模型，并利用换乘时间分析方法，结合换乘服务水平等级划分标准，给出了高铁客运枢纽内走行类设施、服务类设施及等待类设施的规模确定方法。

2 换乘站流线分析

流线在换乘站内表现为乘客进站、出站、换乘等活动所形成的流动路线。在换乘站设施配置布局时，需要充分考虑旅客流线的影响，提高换乘效率，以避免某设施处客流量较大造成拥堵。乘客流线可以分为进站流线、出站流线、换乘流线。

2.1 进站流线

乘客从不同方向进入站内乘车时，一般从出入口的楼梯或自动扶梯进入站厅，有乘车卡的乘客可不购票通过安检，没有乘车卡的乘客需购票后通过安检，检票后经由楼梯或自动扶梯到达站台上车，具体过程如图1所示。

图1 乘客进站流线图

2.2 出站流线

乘客出站线路相对较简单，下车后到达站台由楼梯或自动扶梯到达站厅，检票后通过楼梯或自动扶梯出站，过程如图2所示。

图2 乘客出站流线图

2.3 换乘流线

换乘流线相对复杂，换乘方式包括同站台换乘、通道换乘、出站换乘。当采取通道换乘时，乘客下车到达站台，通过楼梯或自动扶梯检票后到达另一站台上车。过程如图3所示。

图3 乘客换乘流线图

本文充分考虑流线对布局的影响，建立优化模型。

3 换乘布局优化模型

在对换乘站设施配置进行布局时，影响因素较多，各类设备布局方式不同导致旅客在站内的走行成本的不同。而旅客的走行成本包括旅客在站内走行的时间、舒适度、其他额外成本，走行时间是换乘设施布局与乘客换乘需求匹配程度的表征指标，故用走行时间来衡量走行成本。当站内的服务设施水平越高时，旅客的走行成本越低，换乘效率越高，建设成本越高。因此，在旅客走行时间尽量小的同时，应综合考虑建设成本最小。本文在考虑各流线的基础上，选取旅客平均走行时间和建设成本为目标建立优化模型。

3.1 旅客走行时间

旅客在站内的走行时间包括进站旅客的走行时间、出站旅客的走行时间、换乘旅客的走行时间，旅客在站内走行时间的计算式为：

式中，TJ、TC、TH表示进站旅客的走行时间、出站旅客的走行时间、换乘旅客的走行时间。

进站旅客的走行时间需要考虑旅客在自动扶梯或楼梯等通过类设施的通过时间，在自动售票机、人工售票处、检票闸机、安检处等排队类设施的等候时间和在站台和候车厅等等候类设备的候车时间，进站旅客走行时间的计算式为：

式中，T表示旅客平均走行时间，Tjt、Tjd、Tjh表示进站旅客的通过时间、等候时间、候车时间；QJ表示进站旅客的客流量；Lftn、Lltn、Ltdn表示进站流线上第n个扶梯、楼梯和通道的有效长度；vftn、vltn、vtdn表示进站旅客通过第n个扶梯、楼梯和通道的平均速度；αft表示进站旅客选择扶梯通过的比例，按经验取0.7；xJi、yJi为0-1变量，xJi、yJi=0表示进站流线上未设置扶梯、楼梯，xJi、yJi=1表示进站流线上设置楼梯、扶梯；β1表示进站旅客需要购票的比例；αzd表示选择自动售票机购票的旅客的比例；Lzdn、Lrgn、Ljpn、Lajn表示进站流线上第n个自动售票机、人工售票窗口、检票闸机和安检口的排队长度；Dzdn、Drgn、Djpn、Dajn表示进站流线上第n个自动售票机、人工售票窗口、检票闸机和安检口的旅客到达率；β2表示进站旅客需要候车的比例；tjh表示进站旅客候车的平均时间。

出站旅客的过程相对简单，不需在站台与候车厅等候、不需购票、安检，故计算式为：

式中，Tct、Tcd表示出站旅客的通过时间、等候时间；QC表示出站旅客的客流量；表示换乘流线上第n个扶梯、楼梯和通道的有效长度；表示换乘旅客通过第n个扶梯、楼梯和通道的平均速度；表示换乘旅客选择扶梯通过的比例，取0.7；表示换乘流线上第n个检票闸机的排队长度；表示换乘流线上第n个检票闸机的旅客到达率。

换乘旅客无需通过安检设施，因此换乘旅客的走行时间计算式如下所示:

式中，Tht、Thd、Thh表示换乘旅客的通过时间、等候时间、候车时间；QH表示换乘旅客的客流量；表示换乘流线上第n个扶梯、楼梯和通道的有效长度；表示换乘旅客通过第n个扶梯、楼梯和通道的平均速度；表示换乘旅客选择扶梯通过的比例，取0.7；xHi、yHi为0-1变量，xHi、yHi=0表示换乘流线上未设置扶梯、楼梯，xHi、yHi=1表示换乘流线上设置楼梯、扶梯；β3表示进换乘旅客需要购票的比例；表示选择自动售票机购票的旅客的比例；表示换乘流线上第n个自动售票机、人工售票窗口、检票闸机的排队长度；表示换乘流线上第n个自动售票机、人工售票窗口、检票闸机的旅客到达率；β4表示换乘旅客需要候车的比例；thh表示进站旅客候车的平均时间。

3.2 建设成本

车站建设时，不同布局会导致车站的建设成本不同。在满足旅客需求的同时，应尽量平衡车站的建设成本，使建设成本最小。建设成本包括连接类设施、等候类设施、候车类设施的建设成本，计算式为：

式中，C表示建设成本；sln、sdn表示第n层连接类设施、等候类设施的面积；cln、cdn表示第n层连接类设施、等候类设施的单位修建成本；cj表示第j类排队类设施（售票设施、检票设施、安检设施）的单位成本；mj表示第j类排队类设施的数目。

4 案例分析

本站依托于即有城市轨道交通与市域铁路换乘站，在其基础上进行布局优化。本站衔接一条地铁线路，一条市域铁路线路，车站立体空间分两层，即地面层、地下地铁站厅层。地面层为市域铁路站厅，地下地铁站厅层设有四个出入站口，分别通往东西两个方向，如图4、图5所示，图中1号区域为售票区、2号区域为安检区、3号区域为候车区、4号区域为检票区、5号区域为楼梯或自动扶梯。

图4 原地面层站厅布局示意图

图5 原地下层站厅布局示意图

车站在早晚高峰、节假日等高峰期存在不同程度的拥堵，为此提出两种不同的改进方案，利用本模型对不同方案的有效性进行比选评估，从而验证模型的有效性。方案一如图6、图7所示。方案二如图8、图9所示。

图6 方案一地面层布局示意图

图7 方案一地下层布局示意图

图8 方案二地面层布局示意图

图9 方案二地下层布局示意图

各区域的建造成本见表1。

表1 各功能区建造成本

利用遗传算法求解，整合得表2。

表2 整合结果

方案一中旅客走行时间为765.13s，建设成本为7 720.99万元，方案二中旅客走行时间为754.29s，建设成本为7 691.03万元。方案二的旅客流线冲突较少、更加直接，避免了旅客迂回，缩短了走行时间，而且总建设成本小于方案一。综合比较，方案二优于方案一。