多模式综合交通枢纽内部换乘客流分配优化模型

多模式综合交通枢纽内部换乘客流分配优化模型

俞山川杜豫川刘新

俞山川杜豫川刘新

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海，201804）

【摘要】机场到达客流激增和换乘选择差异导致以机场为主体的多模式综合交通枢纽内部换乘问题日趋严重。尽管不能改变机场和公交系统的运营计划，枢纽管理者可以平衡从机场换乘不同公交模式的乘客之间的比例，从而缓解排队延误和公交拥挤。论文基于枢纽内部换乘客流平均换乘时间最少建立优化模型，并通过遗传算法求解。避免考虑枢纽外部交通网对换乘选择的影响，引入枢纽内部刚性和弹性换乘的概念。考虑某公交模式弹性换乘向其他模式的转移。上海虹桥国际机场的案例表明，由于刚性换乘乘客的存在，枢纽管理者只能在一定程度上平衡换乘比例，减少换乘时间。

【关键词】客流换乘；综合交通枢纽；多模式公交；系统最优；刚性和弹性换乘

引言

中国的国际机场建成为以机场为主体的综合交通枢纽，对机场到达乘客提供换乘服务，换乘连接市域的多模式公共交通。研究者们从综合交通枢纽服务评价方法[1-3]、内部客流运行特征、换乘客流量预测[4]、客流换乘效率以及解决措施的评估[5]进行了研究。但是，几乎没有研究致力于平衡从机场换乘不同公交模式的乘客之间的比例。因此，研究枢纽内部乘客向各换乘交通方式的换乘比例很有意义。

乘客对换乘交通方式的选择主要取决于其离开枢纽之后，到达目的地所需要的费用、时间和可达性。相对地，在枢纽内部换乘时所需时间对乘客交通方式的选择没有很大影响。但是，在量化枢纽内部换乘时间和换乘方式选择之间的关系时，考虑枢纽外部的城市交通网络会使得研究复杂化。因此，论文引入枢纽内部刚性和弹性换乘的概念，从而描述乘客的换乘选择差异，并且避免考虑枢纽外部交通网对换乘选择的影响。

刚性换乘乘客不会改变换乘选择，无论这种方式的换乘时间有多大。对于这种乘客，他们的刚性取决于个人偏好，以及其他交通方式在枢纽外部的高出行成本或不可达性。弹性换乘乘客在比较各种换乘方式在枢纽内部的换乘时间之后，倾向于改变他们的最初换乘选择。对于这种乘客，他们能选择的其他交通方式在枢纽外部的出行成本和最初换乘选择相当，因此，他们对于换乘方式的选择取决于枢纽内部换乘时间。

一、换乘客流分配优化模型

1．模型框架和假设

此优化模型属于系统优化模型，通过优化弹性乘客在各交通方式上的换乘比例来最小化所有乘客在枢纽内部的平均换乘时间。模型考虑以下三个方面的假设：

1）考虑枢纽内部刚性和弹性换乘乘客。具体地，地铁、公交和出租车视为弹性换乘；私家车视为刚性换乘。某种换乘方式的弹性乘客既可以坚持原有选择，也可以转移到其他方式。为了量化往其他换乘方式的倾向差异，引入换乘方式之间的转移矩阵，并且假设其保持不变；

2）假设换乘总客流量在研究时段内不是波动的，而是常数；换乘交通方式的运量、站台的容量和换乘路径的容量均为常数；

3）假设乘客对换乘交通方式的分配比例只取决于枢纽内部的换乘时间。枢纽内部平均换乘时间是指所有乘客（包括刚性和弹性乘客）的平均换乘时间。某种交通方式的换乘时间是指换乘链上的总时间，包括步行、排队和等待时间。时间由此交通方式的换乘链的容量和客流量决定。

2．模型建立

模型旨在给定换乘链的容量下，最小化所有乘客在枢纽内部的平均换乘时间。优化的目标函数和约束

条件具体形式如公式所示：

乘距离分别为，路径宽度为。虹桥枢纽是上海市地铁2号线和10号线的起点站。地铁站通常打开13个检票口，单个检票口的通行能力为2.3s/ped。两条线的站台面积均约为1200m2。2号线的发车间隔为3.5分钟，8节编组，单节车厢的准载量为310人。10号线的发车间隔为5分钟，6节编组，单节车厢的准载量为310人。公交车站的候车室面积1500m2，拥有13条公交线，发车间隔30分钟，车辆准载量50人。出租车停靠站站台面积500m2，约10辆出租车同时进站载客，平均发车间隔20秒，平均每辆车载客2人。

对模型进行仿真，得到优化前后平均换乘时间和乘客最优比例随换乘总客流量变化的规律，如图1所示。

图1各交通方式优化前后平均换乘时间、乘客最优比例与换乘总客流量的关系

从图1可以看出，随着换乘总客流量的增加，目前的平均换乘时间只增大了几秒钟。然而，当客流量超过4500ped/h，平均换乘时间急剧增加，优化效果也更明显。在此情形下，出租车停靠站等候排队长度很大，出租车的换乘时间很长。当客流量超过7000ped/h，由于二次等待发生，公交平均换乘时间增加。但是，随着换乘总客流量的增加，优化后的平均换乘时间小幅度增大，这是由于优化模型对换乘比例的平衡导致的。优化后，初始选择为出租车或公交的弹性乘客将换乘地铁。因此，出租车的排队时间将迅速减少。但是，当换乘总客流量不高时，地铁和公交的换乘时间几乎没有变化。这是由于优化前后地铁和公交站台的二次排队均不会发生，发车间隔决定了换乘时间。如果要减少此换乘时间，就得调整发车间隔，但这不是枢纽管理者能够调控的。此外，随着换乘总客流量的增加，换乘地铁的比例增大，换乘出租车的比例减小。特别地，当总客流量超过6000ped/h，换乘公交的比例开始增加，公交开始帮助地铁承担从出租车转移来的乘客。

二、结语

为了缓解多模式综合交通枢纽内部的换乘延误和公交拥挤，论文引入枢纽内部刚性和弹性换乘的概念，基于枢纽内部换乘客流平均换乘时间最少建立优化模型，并使用遗传算法求解。通过上海虹桥枢纽的案例，得到如下结论：

1、尽管枢纽管理者不能够调整交通方式的运营方案，但是能在一定程度上平衡各交通方式的换乘比例，减少平均换乘时间；

2、随着换乘总客流量的增加，目前的平均换乘时间只增大了几秒钟。然而，当客流量到达某临界值，平均换乘时间急剧增加，优化效果也更明显；

3、优化后，初始选择为出租车或公交的弹性乘客将选择地铁作为换乘的方式；

4、随着换乘总客流量的增加，换乘地铁的比例增大，换乘出租车的比例减小。特别地，当总客流量到达某临界值，换乘公交的比例开始增加，公交开始帮助地铁承担从出租车转移来的乘客。

参考文献：

[1]CorreiaA.R.,WirasingheS.C.,andA.G.DeBarros.OverallLevelofServiceMeasuresforAirportPassengerTerminals.TransportationResearchPartA.Vol.42,2008,pp.330-346.

[2]CorreiaA.R.,WirasingheS.C.,andA.G.DeBarros.AGlobalIndexforLevelofServiceEvaluationatAirportPassengerTerminals.TransportationResearchPartE.Vol.44,2008,pp.607-620.

[3]DeBarrosA.G.,SomasundaraswaranA.K.,andS.C.Wirasinghe.EvaluationofLevelofServiceforTransferPassengersatAirports.JournalofAirTransportManagement.Vol.13,2007,pp.293-298.

[4]AmeenN.andC.Kamga.ForecastofAirportGroundAccessModeChoicewiththeIncrementalLogitModel:Case

StudyoftheAirTrainatJohnF.KennedyInternationalAirport.InTransportationResearchRecord:Journalofthe

TransportationRecordBoard.No.2013,pp.97-104.

[5]ChowdhuryM.S.andS.I.Chien.DynamicVehicleDispatchingattheIntermodalTransferStation.InTransportation

ResearchRecord:JournaloftheTransportationRecordBoard.No.2001,pp.61-68.

项目名称：

工信部电子发展电子信息产业发展基金项目2012-407

基金项目：

基于安全可靠基础软件的城市综合交通枢纽智能指挥调度和运行优化系统研发及产业化