城市群城际客运通道结构设计研究

吕 颖

LYU Ying

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 线路运输设计处，陕西 西安 710043）

(Rail Transport and Design Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co．， Ltd．， Xi’an 710043， Shaanxi， China)

城市群城际客运通道结构设计是对通道运输方式的合理分工及规模配给的综合确定，影响通道整体功能的发挥。随着综合交通运输体系的统一规划和系统发展，运输方式之间的合作与竞争逐渐趋于平衡，通道结构的合理确定是在实现供需匹配、系统功能最佳的前提下寻找适宜的平衡点，以保证各运输方式在优势范围内实现效益最大化、在协同发展区域内实现运输功能的有效拓展。国外对运输方式分工的研究以新通道规划与既有通道优化为主要切入点，即对通道的规模与空间布局进行系统规划，同时运用数理方法对通道的结构优化进行深入研究[1-3]。国内针对运输方式分工的研究，一方面从需求者的角度以既有Logit模型进行计算分析，并逐步完善优化[4-7]；另一方面引入博弈论、随机用户均衡理论等研究通道内运输方式间的关系以及出行旅客的选择机理[8-10]。总体上，对运输方式分工的既有研究主要以旅客的选择机制、运输方式间的竞争合作关系为切入点，很少同时兼顾运输供给主体与需求者的诉求。因此，以城市群城际客运通道为研究对象，统筹分析运输供给者、需求者的选择在通道结构设计中的影响，建立双层优化模型确定通道的合理结构。

1 城市群城际客运通道结构设计分析

1.1 影响因素分析

城市群城际客运通道结构设计的核心是合理确定不同运输方式在通道中所承担的客流比重，并以此确定其规模与布局。城际客运通道为经济社会大系统以及城市群综合运输子系统的发展提供基础支撑，引导城市群空间演化、经济结构优化，其结构的确定应有效兼顾不同阶段下城市群的战略目标与综合交通系统发展趋势，因而通道结构设计也即不同运输方式之间综合比较的过程，涉及各方式技术经济特性、运输需求量、投资总量等影响因素。

1.2 设计思路

从城际客运通道在城市群内的战略定位以及系统功能出发，统筹考虑运输供需主体的决策影响来确定客运通道的结构。一方面，作为供给者，运输企业在一定的资金限制下有效管理各种运输资源来提供高质量的运输服务，以满足区域内的出行需求，实现系统效率的最大化。另一方面，运输需求者对不同的运输供给特性进行横向比较，选择与其需求合理匹配的方式出行，追求出行成本的最小化，并且旅客的选择行为随经济社会条件不断变化。因此，城市群城际客运通道结构设计是涉及供给者与需求者等多个主体之间多层次、自上而下的联合决策行为，应统筹规划。

2 城市群城际客运通道结构设计的双层规划模型构建

通道系统的决策者以及运输服务的供给者通过实施运输服务来自上而下地引导需求者的出行行为，而需求者在不同时期下的出行意愿与选择偏好反过来影响上层决策，因而确定城市群城际客运通道结构的关键是寻找合理的供需平衡点。

2.1 基于通道系统优化的上层决策模型

通道结构设计的主要目的是将通道内的需求总量合理分配给各种运输方式，将某种方式承担的运输需求量作为主要的决策变量。站在决策者的角度，客运通道结构的设计以实现系统效率最佳作为首要目标，充分发挥各运输方式的优势；但通道规划周期长、成本高，资金需求量大，应考虑投资总量的限制。因此，将系统效率最大、建设成本最小作为主要决策目标，并考虑投资总量的约束构建多目标模型如公式 ⑴ 所示。

式中：E，G分别表示通道系统效率、通道建设成本；为节点i与节点j之间第c种运输方式承担的需求量；为节点i与节点j之间第c种运输方式的运输效率为节点i与节点j之间第c种运输方式的投资函数；Gc为城际客运通道内运输方式c的投资总量。其中，通道运输效率主要从出行时间的角度计算，其可直观反映起讫点之间的实际交通状况与最佳状况的差距以及通道结构产生的运输效率，计算公式为

式中：为节点i与节点j之间的最短行程时间；为节点i与节点j之间第c种运输方式的行程时间。

2.2 基于旅客出行选择的下层分工模型

旅客对运输方式的选择主要体现在运输方式间的横向比较，具体涉及各方式技术经济特性的系统分析、效用函数构建以及利用Logit模型进行分担率计算等过程。

将通道内的方式集合记为Ac，c为其中的一种运输方式。根据各运输方式的技术经济特性，重点考虑安全性、经济性、时效性、便捷性、舒适性5个特性，确定方式c的效用参数为

式中：Uc为运输方式c的效用参数；Xcd为运输方式c的第d种技术经济特性，θcd为第d种特性的权重系数。

在量化计算各技术经济特性时，时效性与便捷性可通过时间衡量，其余主要以经济成本表示，因而引入时间价值系数将其统一换算为经济成本。在此基础上，进一步借鉴方式分工模型，计算通道起讫点i与j之间运输方式c的分担率

式中：λ为正态分布系数，取值为正；k为方式集合中第k种运输方式。

3 实例分析

3.1 算法设计

为合理反映上下层目标函数间的响应关系，引入通道饱和熵函数作为算法的终止条件。通道饱和熵是指能力运用的饱和程度，通常通道饱和熵越大，方式分工越均衡，通道结构设计越合理。计算公式为

步骤1：现状能力适应性分析。设任一路径l的需求总量为Ol、供给能力为Sl，若∀l，Si≥Ol，给能力。

步骤2：初始方案确定。根据城际需求分布特征以及各种运输方式的发展目标，确定可行的方式集合P；令k=1，从集合P中任意选取k种运输方式形成一个配置方案u，将所有方案构成的集合记为Uk。

步骤3：最优配置方案选择。将Uk中的各方案依次虚拟于路网中，并将城际客流按照时间最小、效率最大的原则分配到各路径上，确定各路径的流量。

步骤4：下层分工模型求解。将步骤3计算的解Xk代入下层分工模型，进一步确定分工模型的解为Yk。

步骤5：方案评估。将Xk，Yk代入饱和熵函数 中 ， 若， 则 令转入步骤6；否则，令k=k+ 1，返回步骤2。

步骤7：确定双层规划模型的最佳解，并输出设计方案。

3.2 实例分析

以关中城市群为例，分析主要城际客运通道的结构。关中城市群呈现以西安为核心的单中心放射状布局形态，区域内城际交流围绕主要城镇产业带及交通走廊展开，城市群客流走廊示意图如图1所示，旅客运输方式选择意愿构成如表1所示。其中，旅客出行选择意愿构成引用《关中城市群城际客流预测报告》结果，该结果由对关中地区主要公路客运站、铁路客运站、机场内的旅客发放出行意愿调查表，回收后整理分析得到。

图1 城市群客流走廊示意图Fig.1 Sketch map of passenger corridor of urban agglomeration

表1 旅客运输方式选择意愿构成表 %Fig.1 Composition diagram of passengers’ choice for transportation mode

根据综合交通发展规划，城市群内城际客运通道主要由公路、普速铁路、高速铁路、城际铁路等方式构成，共同承担区域内不同层次的城际客流。基于以上模型及算法，预测分析相关指标、参数的取值，建立双层规划模型并进行求解确定城际客运通道的结构。因此，结合区域经济社会特征、交通运输发展现状及规划、客流调查结果等，确定关中城市群城际客运通道各运输方式的主要参数如表2所示。

根据以上指标及取值预测，首先构建基于通道系统优化的上层决策模型，以通道各方式承担的需求量为决策变量，建立系统效率最大、建设成本最小的优化模型，其中运输效率通过各方式的平均旅行速度计算行程时间确定，结合区域经济发展规划以及近年交通基础设施投资在财政收入中的占比预测研究年度投资总量Gc为1.5万亿元，即

表2 关中城市群城际客运通道运输方式主要参数表Tab.2 Main parameters of transport modes of intercity corridor in Guanzhong urban agglomeration

其次，构建基于旅客出行选择的下层分工模型，计算各方式的技术经济特性：安全性一般与事故发生概率相对，事故率越高、安全性越小，结合国内外发展实践进行统计分析并横向比较确定，公路的安全性最小为0.65，高速铁路的最高为0.98；经济性通过运费率乘以运输距离计算，运费率越小、经济成本越低，经计算普速铁路最小、公路最大；时效性根据平均旅行时间确定，速度越快、时效性越好；便捷性根据市内出行时间确定，时间越短、便捷性越好；舒适性以运行平稳度指标反映，具体通过不同交通工具的振动加速度峰值来量化计算。进一步，标定θc1，θc2，θc3，θc4，θc5及λ的取值分别 0.9，0.81，0.88，0.79，0.7以及 0.1，确定运输方式c的效用函数为：Uc=0.9Xc1+ 0.81Xc2+0.88Xc3+ 0.79Xc4+ 0.7Xc5，带入方式分工模型计算。

为此，运用上述算法流程，分析计算城市群内2030年关中城市群主要城际客运通道内各运输方式的分担率如表3所示。

表3 2030年关中城市群主要城际客运通道运输方式分担率%Tab.3 Transport mode sharing of main intercity corridors in Guanzhong urban agglomeration

在此基础上，根据各方式的发展目标以及规划要求，分别确定各自的发展规模，并进行空间结构的合理布局，进而得到城际客运通道的整体规划方案。

4 结束语

城市群城际客运通道结构的合理确定对通道功能发挥、实现供需均衡意义重大，而运输供需主体在通道结构设计中均发挥重要作用且相互影响，因此，将城市群城际客运通道结构的确定设计为自上而下的联合决策，构建双层优化模型进行计算分析。其中，上层决策模型以运输供给者追求一定资金限制下的系统效率最大为目标，下层选择模型根据需求者的诉求对各方式进行横向比选。在多条件约束的情况下，引入通道饱和熵指标设计求解算法，以确定合理方案。经过实例分析，该方法具有一定适应性，为城市群城际客运通道规划提供理论支持。但是，在计算分析中，涉及参数较多、标定困难，需要结合旅客出行调查等综合确定，在实例分析部分仅选取一般值进行计算还有待进一步深化。