陳 鵬 谷劍鋒 胡志勇
(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司2) 武漢 430063)
高速鐵路的發(fā)展具有很強的觸媒效應,帶動了沿線城市人口的流動和當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展,同時對城市結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也產(chǎn)生了促進作用.但是,隨著新建高鐵站的出現(xiàn),也給周邊的路網(wǎng)交通產(chǎn)生了影響.高鐵客站新區(qū)交通流組成較為復雜:①高鐵客站新區(qū)作為城市對外交通樞紐,大量來自城市中心區(qū)或周邊功能片區(qū)的交通流在此集散;②具有較強服務(wù)業(yè)基礎(chǔ)的高鐵站區(qū)吸引著大量的商機,從而使周邊的商業(yè)用地呈現(xiàn)高度開發(fā)的趨勢,誘發(fā)了大量商務(wù)客流及機動車交通流.雙重交通功能的疊加往往造成地區(qū)交通擁堵,為乘客出行帶來不便.同時大量車流的匯集會產(chǎn)生大量的尾氣,使乘客的出行質(zhì)量受到影響.如何對高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,力求既滿足高鐵乘客的出行需求,緩解城市路網(wǎng)的供需矛盾,又能實現(xiàn)站區(qū)內(nèi)居民的低碳出行,成為站區(qū)交通規(guī)劃的重要一環(huán).
目前,國內(nèi)外對于高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究較少.李星等[1]采用電子云模型計算樞紐地區(qū)道路需求的周轉(zhuǎn)量,通過供需平衡計算邊緣型高鐵樞紐地區(qū)路網(wǎng)級配.湯祥[2]根據(jù)道路承載量分析來確定高鐵站區(qū)道路網(wǎng)級配.但上述研究缺少環(huán)境因素的考慮.另一方面,交通帶來的環(huán)境問題日益受到重視,研究人員對低碳交通發(fā)展做了初步的分析,從宏觀上提出一些發(fā)展對策[3-5].王鵬[6]提出了以路網(wǎng)通行能力最大和路網(wǎng)交通碳排放最小為目標的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型,但其模型沒有考慮路網(wǎng)交通需求與供給的平衡,且無法統(tǒng)一目標函數(shù)中量綱.總體來說,對于高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,已有研究考慮的因素不全面,優(yōu)化目標單一,無法適應目前提倡的低碳出行理念.因此,本文將以保證路網(wǎng)交通供需平衡和降低路網(wǎng)碳排放容積率為目標,對高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,從而為實現(xiàn)站區(qū)居民的暢通出行和低碳出行奠定基礎(chǔ).
高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)相似,道路等級劃分為四級,依次為:快速路、主干路、次干路、支路,見圖1.四種等級的道路之間銜接緊密,發(fā)揮著各自的交通功能,見表1.目前我國的高鐵站多數(shù)建在城市新區(qū)范圍內(nèi),若站區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)無快速路,則路網(wǎng)由原先的四級配置改為三級配置,依次為主干路、次干路、支路,見圖2.本文主要針對三級道路配置進行研究.
圖1 高鐵客站新區(qū)四級路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖
圖2 高鐵客站新區(qū)三級路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖
道路等級功能快速路承擔過境和站區(qū)出入境的長距離機動車流主干路 承擔中長距離的站區(qū)出入境和站區(qū)內(nèi)部的跨圈層交通流次干路承擔站區(qū)內(nèi)部交通支路服務(wù)地塊開發(fā),與次干路銜接,使交通流便捷集散
為適應目前倡導的環(huán)境友好型社會,實現(xiàn)高鐵客站新區(qū)的可持續(xù)發(fā)展.本文選取以下兩個優(yōu)化目標:①保證高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)交通供需平衡,綜合考慮高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)容量和交通需求量之間的關(guān)系,力求使站區(qū)內(nèi)的機動車流以較短的時間實現(xiàn)區(qū)域的集散活動,同時盡可能地節(jié)省道路資源;②降低高鐵客站新區(qū)的路網(wǎng)碳排放容積率,碳排放容積率往往小于1,容積率越大,表明路網(wǎng)中各級道路碳排放情況越嚴重.
2.2.1模型假設(shè)
1) 為簡化計算,在進行站區(qū)路網(wǎng)碳排放計算中,假設(shè)路網(wǎng)中車輛類型的比例相對確定.
2) 為簡化碳排放因子的計算,本文以站區(qū)路網(wǎng)中高峰小時車輛行駛的平均車速作為主次干道上行駛車輛的速度.
3) 假設(shè)近期站區(qū)路網(wǎng)中不同等級道路上所有車型單位里程高峰小時CO2排放量相對穩(wěn)定.
4) 由于高鐵客站新區(qū)大多數(shù)位于城市中心區(qū)外圍,周圍道路網(wǎng)尚不發(fā)達,過境交通相對較少,且受研究范圍的限制,難以對高鐵客站新區(qū)的過境交通需求進行準確測定,故本文暫不考慮過境交通需求.
2.2.2高鐵客站新區(qū)交通供需平衡計算
1) 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)道路容量計算 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)中各級道路的容量計算公式為
(1)
假設(shè)Wi為站區(qū)各類道路與道路總長度的比值,則站區(qū)各級道路容量計算公式可改寫為
(2)
高鐵客站新區(qū)的道路網(wǎng)總?cè)萘繛?/p>
(3)
2) 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)交通需求計算 對于內(nèi)部交通需求來說,由于高鐵客站新區(qū)呈圈層式發(fā)展,其所包含的區(qū)域已具備常態(tài)化的城市特性,形成一片城市區(qū)域組團.故可將分析城市交通需求的方法應用于高鐵客站新區(qū).對高鐵客站新區(qū),其內(nèi)部交通需求可按基于交通方式劃分的計算公式計算,即
(4)
式中:D1為站區(qū)內(nèi)部的交通需求,pcu·km/h;E為站區(qū)內(nèi)部流動人口的出行總量,出行次數(shù);fz為第z種方式的出行量占總出行量的比例;sz為第z種方式在站區(qū)的平均出行距離,km;μz為第z種交通方式的車型換算系數(shù);k為高峰小時系數(shù);rz為第z種交通方式的平均載客數(shù).
對于高鐵客站新區(qū)的出入境集散需求,本文主要依據(jù)高鐵客站新區(qū)高峰小時的機動車集散量來確定,即通過預測高峰小時進出站不同種類的機動車數(shù)量,最終得到規(guī)劃年的站區(qū)進出站不同種類的機動車高峰小時交通量.其出入境交通需求的計算公式為
(5)
令高鐵客站新區(qū)的總交通需求量為D,則
D=D1+D2
(6)
2.2.3高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)碳排放量計算
1) CO2排放因子分析 CO2放因子是衡量城市機動車輛碳排放的重要指標,反映了車輛的CO2排放水平.常用Ef來表示.對于Ef的確定,參考美國環(huán)保局開發(fā)使用的MOBILE模型.即
Ef(CO2)=
[(cfuel-fthc)×0.87-fco×0.42]/0.273
(7)
式中:cfuel為不同車型的油耗,g/km;fthc為污染物THC排放因子;fco為污染物CO排放因子.
2) 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)碳排放模型 高鐵客站新區(qū)的路網(wǎng)是由多條道路交叉而成,道路交叉口將站區(qū)道路分割成不同長度的路段.在研究高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)碳排放量時可以先從研究每條路段的碳排放量入手.根據(jù)文獻[7]可知,將其中的污染物排放量微觀化為各路段的單位小時碳排放量,即
Pzj=qzj×lj×Efzj
(8)
式中:Pzj為j路段第z種交通方式的CO2排放量,kg;qzj為j路段第z種交通方式的流量,pcu/h;lj為j路段的長度,km;Efzj為j路段第z種交通方式CO2排放因子,kg/km.
高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)中不同等級道路的碳排放量為
(9)
式中:Pi為站區(qū)路網(wǎng)中不同等級道路上所有車型的CO2排放量,kg;Li為站區(qū)路網(wǎng)中各級道路的長度,km.
令P總為站區(qū)路網(wǎng)的總CO2排放量,得
(10)
式中:P為站區(qū)路網(wǎng)中j路段所在道路所有車型CO2排放量,kg;Pi為路網(wǎng)中各類道路的CO2排放量,kg;qzj為j路段z型車的交通流量,pcu/h;lj為j路段的長度,km;Efzj為j路段z型車CO2排放因子,kg/km;L為站區(qū)路網(wǎng)中道路的總長度,km;Ei為i級道路上所有車型單位里程高峰小時CO2排放量,kg/km.
2.2.4多目標優(yōu)化模型
綜上所述,為實現(xiàn)高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)交通供需平衡和碳排放容積率最小的目標,建立模型為
(11)
式中:θ1,θ2為目標權(quán)重,具體取值可采用層次分析法進行確定;V為站區(qū)路網(wǎng)總?cè)萘浚琾cu·km/h;D為站區(qū)路網(wǎng)總需求量,pcu·km/h;Ei為i級道路上所有車型單位里程高峰小時CO2排放量,kg/km;L為站區(qū)路網(wǎng)中道路總長,km;Wi為站區(qū)各級道路比例系數(shù);ECCO2為CO2環(huán)境容量上限.
1) 高鐵客站新區(qū)不同等級道路比例約束 令主干路、次干路、支路占比分別為W1,W2,W3,根據(jù)文獻[8]可知,主干路的比例系數(shù)約束為
0.128≤W1≤0.192
(12)
次干路的比例系數(shù)約束為
0.2≤W2≤0.224
(13)
支路的比例系數(shù)約束為
0.48≤W3≤0.64
(14)
三等級道路比例系數(shù)總約束為
W1+W2+W3=1
(15)
2) 高鐵客站新區(qū)道路建設(shè)用地約束 根據(jù)文獻[9]可知,站區(qū)道路面積應占城市建設(shè)面積的8%~15%,約束條件為
(16)
式中:di為三類道路的路基寬度,m;Y為站區(qū)規(guī)劃建設(shè)用地總面積.
3) 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)交通供需平衡約束 若高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)交通達到較好的平衡,則存在如下約束條件
(17)
4) 高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)碳排放約束 由于需要對高鐵客站新區(qū)的機動車排放的CO2量進行控制,故對高鐵客站新區(qū)的碳排放環(huán)境容量進行約束,即在站區(qū)中運行的機動車輛,其排放的CO2量應小于城市環(huán)境所容許的閾值,其約束條件表述為
(18)
上述約束條件中,ECCO2為CO2環(huán)境容量上限[10].其取值可由式(19)求出
(19)
式中:A為站區(qū)內(nèi)的人口總量;HCCO2為人均碳排放值,t/(人·年),一般將該值定為0.6 t/(人·年);ΔCO2為道路運行所排放的碳占城市運行所排放的碳的比例,在我國,其值為0.15.
綜上所述,模型的約束條件為
(20)
本文選用Matlab對所建立的模型進行求解.模型的求解思路如下:①選擇目標函數(shù),約束條件,建立規(guī)劃模型;②進行模型的數(shù)學轉(zhuǎn)化;③利用Matlab中的fmincon函數(shù)進行求解.
宜昌東站區(qū)的研究范圍為6.8 km2,見圖3.各級道路長度分別為:主干路長為14.42 km,次干路長為7.26 km,支路長為4 km,即一級道路長度14.42 km,二級道路長度11.26 km.各級道路密度為:主干路2.12 km/km2,次干路1.07 km/km2,支路0.59 km/km2,即一級道路密度2.12 km/km2,二級道路密度1.66 km/km2,整個站區(qū)路網(wǎng)密度為3.78 km/km2.
圖3 宜昌東站區(qū)路網(wǎng)概況
龍江英[11]結(jié)合MOBILE模型,提出了貴陽市道路車輛CO2排放因子的取值情況.因貴陽市與本文研究的宜昌市同為山地城市,二者在車型構(gòu)成、燃料規(guī)格和城市形態(tài)方面比較相近,而之前在模型假設(shè)中提到以站區(qū)路網(wǎng)中高峰小時車輛行駛的平均車速作為主次干道上行駛車輛的速度.故本文參照龍江英提出的取值結(jié)果,結(jié)合宜昌東站區(qū)路網(wǎng)高峰時段車輛平均車速20.8 km/h,最終確定宜昌東站區(qū)主次干道車輛排放因子,見表2.
表2 宜昌東站區(qū)主次干道車輛CO2排放因子 kg/km
經(jīng)模型計算,在宜昌東站區(qū)路網(wǎng)中,各級道路合理的長度為:主干路9.8 km,次干路10.21 km,支路31.04 km.通過將優(yōu)化后的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與原有路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行對比,見表3.在優(yōu)化后的站區(qū)路網(wǎng)密度中,一級道路密度與二級道路密度之比為1:4.22,解決了之前站區(qū)各級道路呈“倒金字塔”排列的問題,基本與國內(nèi)主要中心區(qū)改建高鐵站的一二級道路密度之比接近,能較好地適應宜昌東站未來站區(qū)的擴張需求.但由于計算的各級道路規(guī)模與宜昌東站區(qū)目前道路現(xiàn)狀差距較大,尤其是支路長度難以在短期內(nèi)達到要求,故可將優(yōu)化的結(jié)果作為宜昌東站區(qū)遠期規(guī)劃的目標.
表3 宜昌東站區(qū)路網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果
本文將低碳理念應用于高鐵客站新區(qū)道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中,綜合考慮了路網(wǎng)交通供需平衡及碳排放容積率最小兩個優(yōu)化目標,建立了基于多目標的高鐵客站新區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型,并采用Matlab對模型求解;最后將所建立的模型應用于宜昌東站區(qū)的道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化.實證研究表明:該模型考慮了交通需求與節(jié)能減排之間的平衡,符合城市發(fā)展的要求,對優(yōu)化高鐵客站新區(qū)道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行了新的探索.