0.   引言

随着城市化和机动化的发展, 现代城市交通供需矛盾日益突出。利用城市客运综合换乘枢纽将城市内各种交通方式有机结合起来, 建立一体化综合客运交通体系是解决现代城市交通问题的根本途径之一。本文研究的城市客运综合换乘枢纽主要服务于城市内客运交通, 并以公共交通方式为依托, 其主要形式为轨道交通枢纽和常规公交枢纽, 为市际与市内和市内多种交通方式间相互转换提供基本平台。

20世纪50年代以欧美为代表的发达国家陆续出台整体机动性的政策, 其中为乘客提供高效、舒适的换乘系统是该政策重要的组成部分, 并积极开展相关领域的研究。由于国外大城市客运交通结构较为简单, 轨道交通网络基本建成, 且国外多中心城市结构已经形成, 用地布局形态相对稳定, 其综合客运换乘枢纽的布局比较明确, 因此, 国外大城市关于综合换乘枢纽的研究主要集中于微观设计、一体化政策和措施以及智能交通领域^[1-3], 而从宏观层面研究换乘枢纽布局及规划的方法与理论较少。

中国对于城市客运换乘系统的研究起步较晚, 还处于初级、局部的尝试阶段, 相关的研究成果主要集中于公路客运主枢纽^[4-8]和公交站点的规划和评价^[9-11]。至今, 大城市客运综合换乘枢纽布局规划仍没有一套成熟、实用的方法。枢纽选址规划早期主要采用单纯的数学物理模型, 如重心法、微分法以及交通运输的效益成本分析法^[12]与基于最短路径和次短路径的交通配流法^[13]; 而后随着运筹学在交通领域的应用, 出现线性规划、整数规划、混合整数规划等枢纽布局优化的方法^[14]。这些方法应用于城市客运综合换乘枢纽布局规划主要存在以下问题: 枢纽布局建立在网络的基础上, 对网络依赖程度很大; 由于交通网络本身是城市的交通供给设施, 具有复杂性、系统性和动态性等特征, 因此要准确把握城市的交通特征, 建立用于枢纽布局规划的交通网络, 本身就是一个难题; 更为重要的是由此产生的枢纽布局依赖于城市交通网络, 而难以反映枢纽是城市客运交通系统中关键性的节点, 起着核心、支柱性的作用; 这种由网络到枢纽的布局方法, 没有分析清楚决定综合换乘枢纽布局的关键因素, 尤其是忽视了枢纽与城市土地利用的互动性。

鉴于以上枢纽布局规划方法的不足, 加之未来中国大城市主要采取多中心组团式的城市结构^[8], 本文针对组团式城市用地布局特点, 在充分分析枢纽布局规划影响因素的基础上, 提出宏观布局、微观选址的城市综合客运换乘枢纽布局规划方法。

1.   城市客运综合换乘枢纽布局规划框架体系

1.1   规划目标

城市客运综合换乘枢纽布局规划目标为: 提高集散和中转换乘客流的效率; 构筑一体化的综合客运交通系统, 以综合换乘枢纽为核心, 整合城市轨道交通、常规公交等系统, 构建功能清晰、结构合理的城市综合客运交通体系; 实现城市公共交通与土地开发的协同发展, 通过综合换乘枢纽促进城市土地的集约化开发, 以枢纽站点为核心形成TOD土地开发模式, 提高枢纽站点合理步行区范围内服务的人口, 增加公交吸引力。

1.2   综合换乘枢纽布局规划影响因素

城市综合客运换乘枢纽布局规划主要有4个影响因素, 城市土地利用是决定综合换乘枢纽选址的根本性因素。按照TOD规划理念, 从宏观层面分析, 综合换乘枢纽宏观布局应与城市空间发展策略紧密结合, 使综合换乘枢纽成为引导多中心组团式城市结构形成的重要条件; 从微观层面分析, 枢纽步行区的范围(通常为500~800 m半径)为高强度开发居住、商业、办公用地。城市客运交通走廊分布是决定枢纽布局的关键因素, 走廊上的客运需求通常具有运量大、出行距离较长、快速等特征。对大城市而言, 为走廊提供服务的通常是轨道交通或快速公交, 并注重通过性功能, 而与出行起、终点之间的联系, 需要提供一个基本的换乘平台, 在此实现其他接运交通方式如常规公交、出租车、自行车等与走廊上快速公共交通方式之间换乘, 加上走廊上客流量大, 因此, 走廊上一些关键性节点是综合换乘枢纽选址的首选。从有效整合城市客运交通资源的角度来分析, 大城市应以枢纽为核心, 组织和整合不同功能、不同层次的城市客运交通网络, 提高公共交通运输的一体化和连续性。因此, 枢纽布局规划不能简单地建立在城市交通网络的基础上, 而应该区别对待。首先, 已建成的轨道交通线路及其站点, 尤其多条线路交汇的站点, 在综合换乘枢纽布局规划时应优先考虑, 因此, 建成的轨道交通站点是综合换乘枢纽选址的重要约束条件; 其次, 规划的轨道交通线网、常规公交线路应根据综合换乘枢纽的布局进行优化调整, 通过枢纽整合轨道交通、快速公交、区域公交和接运公交等不同功能、不同层次的城市客运交通网络, 形成一体化的城市客运交通系统。对于建成区而言, 城市用地资源的限制是枢纽选址重要的约束条件; 对于新建城区, 由于各种土地使用尚未进行或正在进行, 为枢纽选址提供了充足的选择空间。因此, 对于新建城区, 采取“规划引导型”的思路, 通过预留空地的方法, 将枢纽与新建城区高强度开发以及高出行产生率的区域紧密结合起来, 并以综合换乘枢纽作为城市新建城区的增长极, 带动其综合发展, 促进城市副中心的形成。

1.3   城市客运综合换乘枢纽布局规划思路

基于上述对枢纽布局规划目标、影响因素分析, 本文提出了宏观布局、微观选址的城市客运综合换乘枢纽布局规划方法。宏观布局指根据多中心组团式城市用地特征, 从城市空间结构与交通系统有效整合角度出发, 确定综合换乘枢纽的选址区域, 从而保证综合换乘枢纽布局与城市空间发展策略紧密结合, 引导大城市由单中心结构向多中心组团式城市结构演变; 微观选址以枢纽宏观布局为基础, 以换乘枢纽最大限度地覆盖高密度的建成区、重点发展地区和改善地区, 最大限度地服务于城市客运交通走廊, 提高居民出行效率为目标建立枢纽选址模型, 确定综合换乘枢纽的最优位置。具体规划流程见图 1。

图  1  布局规划流程

Figure  1.  Flowchart of layout planning

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2.   综合换乘枢纽宏观布局

根据TOD土地利用形态和多中心组团式城市用地布局特征, 并结合综合换乘枢纽在多中心组团式城市所承担的功能, 本文分3个层次确定枢纽的选址区域。

(1) 对外客运交通换乘枢纽

对外客运交通换乘枢纽的功能主要为市际交通与市内交通衔接服务, 因此, 其选址区域相对明确, 主要为城市火车站、长途汽车站、机场和码头的所在区域。

(2) 城市中心区、副中心、组团中心区等确定型客流集散区的换乘枢纽

按照多中心组团式城市空间布局结构, 城市市中心、中央商务区(CBD)、副中心、组团中心是城市活动集中的地区, 由于工作、购物、娱乐、休闲等活动, 这些区域成为城市中人流、物流最集中的区域。每天有大量的人流出入和经过这些区域, 迫切需要具有集散、中转大量客流功能的综合换乘枢纽为其服务, 因此, 市中心、CBD、副中心、组团中心是综合换乘枢纽选址区域。

(3) 片区或区域性换乘枢纽

片区是城市内用地相对独立、功能相对单一的土地利用单元, 是实现城市功能的基本单位, 片区更贴近于居民的日常生活。与之相适应, 也需要有服务于基本客流发生、吸引单位的换乘枢纽。因此, 需要应用层次分析法对主要片区或区域中心进行综合评价(图 2), 按照评价结果进行从优到劣的排序, 从而确定片区或区域性换乘枢纽的选址区域。

图  2  评价功能区的指标体系

Figure  2.  Indices system of evaluating functional zone

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3.   综合换乘枢纽微观选址

由于对外客运综合换乘枢纽的位置相对固定, 因此枢纽选址模型主要针对市中心、组团中心以及片区或区域性的综合换乘枢纽。枢纽选址区域可能是建成区, 也可能是新建城区, 不同的区域用地资源约束条件对于选址模型所起的作用不同, 因此, 本文分为建成区和新建城区分别建立枢纽选址模型。

3.1   模型框架

3.1.1   目标

微观选址的目标是提高居民的出行效率, 具体表现为: 枢纽选址位置应使居民从出行起讫点到达枢纽的时间最小。到达枢纽客流主要分为近距离以步行为主的集散客流和远距离依靠接运公交的中转换乘客流。步行集散客流到达枢纽的时间主要是由枢纽与主要客流集散点的距离决定, 通过接运公交, 中转换乘客流到达枢纽的时间主要由接运公交线网和站点的布局、运行速度、发车间隔等因素决定, 而与枢纽布局关系不大, 因此, 该方面的目标主要表现为最小化出行起讫点到达枢纽的步行时间。枢纽的选址位置具有最大的可达性, 由于现代城市居民出行敏感的因素为时间, 因此, 可达性的表达方式为采用枢纽内骨干交通方式完成城市居民平均出行距离所需要的时间。

3.1.2   约束

综合换乘枢纽选址模型约束条件为: 枢纽500 m半径服务范围为中高强度开发的商业、居住和办公用地; 判断备选方案是否为建成的轨道交通站点或快速公交站点, 并判断相交轨道交通线路的条数, 以此确定枢纽内骨干交通方式的速度; 备选方案不是建成的轨道交通站点, 判断是否位于城市客运交通需求走廊上。对于大城市而言, 城市客运交通需求走廊是城市大运量、长距离客流的空间需求分布, 是城市大运量、快速公共交通方式线网规划的重点区域。如果备选方案位于城市客运交通走廊上, 则认为综合换乘枢纽以快速公共交通方式为依托, 其骨干交通方式的速度按照快速公共交通方式来选取, 否则按照常规公交来选取。

3.2   新建城区综合换乘枢纽选址规划模型

将每个综合换乘枢纽选址区域置于平面直角坐标系下, 为了便于确定枢纽选址最优方案的位置, 该平面直角坐标系可以参照城市用地规划平面直角坐标系选取, 具体见图 3。图中a₁、a₂、b₁、b₂分别表示枢纽的选址范围, 即a₁≤x≤a₂, b₁≤y≤b₂; 每一多边形代表城市用地规划划分的发展地块, 其中数字为地块偏号; f_j表示第j地块的用地性质, 其取值为0、1、2、3分别表示商业用地、居住用地、办公用地、其他用地; R_j表示第j地块的容积率; 黑色粗斜线表示通过选址区域的城市客运交通走廊, 可以通过两步聚类法确定^[15-16], 其方程为

$y=kx+c$

图  3  综合换乘枢纽选址规划模型

Figure  3.  Location planning model of intermodal transfer points

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k为直线方程的斜率, c为常数项; 小三角符号表示选址区域内主要的客流集散点; (S_1n, S_2n)为第n个客流集散点的坐标。由于新建城区用地资源较为充裕, 备选集为选址区域内的所有点, 在此做一些简化, 将选址范围分割成以ε为步长的小方格网, 因此, 图 3中小方格网的交点(x, y)作为备选的枢纽点位置, 通常ε的取值在10~50 m之间。

微观选址模型的目标函数为

min T= ${\displaystyle \sum _{n=1}^m}$ $2\frac{\sqrt{(x-S{}_{1n}){}^2+(y-S{}_{2n}){}^2}}{v{}_{\text{f}}}+\frac{l}{v{}_i}(1)$

式中: T为不考虑运营因素, 通过备选的枢纽点出行所需的时间; v_f为步行速度, 通常为4 km·h^-1; l为城市居民的平均出行距离; v_i为备选枢纽点内骨干交通方式的等效出行速度; m为枢纽选址区域内客流集散点的总数。

微观选址模型的约束条件为

$\begin{array}{l}\alpha {}_{ij}=\{\begin{array}{cc}1\hfill & (f{}_{ij}=0,1,2)\hfill \\ 0\hfill & (f{}_{ij}=3)\hfill \end{array}(2)\\ \frac{{\displaystyle \sum _{j}A}{}_{ij}\alpha {}_{ij}}{{\displaystyle \sum _{j}A}{}_{ij}}\ge C{}_1(3)\\ \frac{{\displaystyle \sum _{j}A}{}_{ij}R{}_{ij}}{{\displaystyle \sum _{j}A}{}_{ij}}\ge C{}_2(4)\\ \{\begin{array}{cc}v{}_i=v{}_{\text{t}}\hfill & (g{}_i=1)\hfill \\ v{}_i=\beta {}_{1}v{}_{\text{t}}\hfill & (g{}_i=2)\hfill \\ v{}_i=\beta {}_{2}v{}_{\text{t}}\hfill & (g{}_i=3)\hfill \end{array}(5)\end{array}$

$\{\begin{array}{cc}v{}_i=v{}_{\text{b}}\hfill & (g{}_i=0,y-kx-c/\sqrt{k{}^2-1}>300)\hfill \\ v{}_i=v{}_{\text{t}}\hfill & (g{}_i=0,y-kx-c/\sqrt{k{}^2-1}\le 300)\hfill \end{array}(6)$

式中: f_ij、A_ij、R_ij分别为第i个备选点500 m半径范围内第j个地块用地性质、面积和容积率, 可以通过GIS确定; α_ij为判别系数; C₁为第i个备选点500 m半径范围内商业、居住和办公用地占该范围内总发展用地的最小比例, 本文取0.8;C₂为第i个备选点500 m半径范围用地的最小平均容积率, 本文取2.5;g_i为第i个备选点处已建成的轨道交通线路数, 通常不超过3条, 因此取值为0、1、2、3;v_t为轨道交通的运营速度; β₁、β₂为由通过备选枢纽点已建成的轨道交通线路数决定的运营速度调整系数, 已建成的轨道线路数分别为2、3条时, 对应地β₁、β₂分别取1.10和1.15;v_b为常规公交的运营速度。考虑到实际进行轨道等大运量快速公交系统规划时, 会根据用地条件加以微调, 因此取备选枢纽点(x, y)至城市客运交通走廊距离不超过300 m, 则认为该备选枢纽点以轨道交通为依托, 相应地枢纽点内骨干交通方式的等效出行速度取轨道交通运营速度, 否则取常规公交运营速度。

3.3   建成区综合换乘枢纽选址模型

建成区选址规划模型与新建城区选址规划模型形式相同, 由式(1)~(6)组成。不同之处在于建成区选址规划模型需要考虑用地资源的约束, 建成区综合换乘枢纽的选址是从用地条件许可的备选方案中选择最优方案, 因此, 建成区综合换乘枢纽的备选点集不是选址区域内的所有点, 而是由根据用地约束条件建立的备选枢纽点方案集{(x_i, y_i)i∈m}。

4.   实例分析

以深圳市福田区综合换乘枢纽布局规划为例进行分析。根据深圳市福田区规划、法定图则、汽车站、口岸、市中心的布局以及建成的轨道线路走向, 将福田区划分为35个片区, 见图 4。根据上文所述分3个层次确定枢纽选址区域, 结果见表 1、图 4。

图  4  用地布局和功能区

Figure  4.  Land layout and functional zone

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表  1  综合换乘枢纽选址区域

Table  1.  Location zones of intermodal transfer points

功能区编号	用地性质	枢纽功能		功能区编号	用地性质	枢纽功能
1	CBD	全市性		25	对外长途客运站	对外交通
2	市商业中心	全市性
				32	片区中心, 居住和商业	区域性
19	片区中心, 居住和商业	区域性
				34	片区中心, 居住和商业	区域性
21	一线口岸	对外交通

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取34区的应用微观选址模型确定最佳枢纽点的位置, 由于34区为建成区, 其备选方案集需根据城市用地资源限制条件确定。34区土地利用、大型的客流集散点和客运交通走廊的分布见图 5。

图  5  综合换乘枢纽微观选址

Figure  5.  Microcosmic location of intermodal transfer points

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综合换乘枢纽微观选址模型的输入条件为: 各地块的用地性质和容积率, 可以通过相应的法定图则确定, 限于篇幅, 在此不具体列出; 10个大型客流集散点重心的坐标分别为(顺序见图 5): (112 195.9, 22 015.3), (112 529.3, 21 867.6), (112 636.0, 22 069.7), (112 611.7, 22 239.8), (112 687.5, 21 651.9), (112 887.0, 21 924.3), (113 110.9, 21 710.5), (113 162.3, 22 027.1), (113 419.4, 22 129.5), (113 144.7, 22 329.2);通过两步聚类法^[15-16], 确定通过该区的客运交通走廊直线方程为

$y=-1.89x+234867.8$

备选点坐标分别为(112 737.5, 21 685.0), (112 285.0, 21 742.2), (112 707.6, 22 024.3);深圳市居民平均出行距离为7.5 km。利用上述微观选址模型, 结合GIS求解, 可以确定综合换乘枢纽的最优点坐标为(112 707.6, 22 024.3)。对结果进行分析, 枢纽最优点位置, 即备选点3(图 5), 其500 m半径范围内服务的人口就业岗位比备选点1大17%, 比备选点2大26%。

5.   结语

本文提出了宏观布局、微观选址的城市综合客运换乘枢纽选址规划方法, 其建立在TOD规划理念的基础上, 以城市土地利用和客运需求分布结果作为枢纽布局规划依据, 改变了传统的枢纽布局规划方法对网络的依赖, 充分体现了枢纽在城市交通网络规划中的核心和控制性作用, 有助于提高城市客运交通系统的换乘效率, 促使城市综合客运换乘枢纽、土地利用与城市公交系统成为有机的整体, 建立以公交为主体的综合客运交通系统。最后以深圳市福田区综合换乘枢纽布局规划实例分析, 说明该模型具有较强的可操作性。