大城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變的生命周期特征研究＊

孔 哲 過秀成 侯 佳 費(fèi) 躍

（1.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，100028，北京；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，210096，南京∥第一作者，工程師）

軌道交通網(wǎng)絡(luò)屬于開放系統(tǒng)，伴隨城市空間結(jié)構(gòu)和交通服務(wù)體系的不斷完善，軌道交通需求規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)布局和功能特征不斷變更，具有生命體特征，呈現(xiàn)階段性發(fā)展過程。把握軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變生命周期，對(duì)于完善軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃技術(shù)，整合不同城市空間發(fā)展階段軌道交通與土地利用，明確軌道交通建設(shè)時(shí)序，具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

國內(nèi)相關(guān)研究主要集中于軌道交通網(wǎng)絡(luò)生命周期劃分和生長特征的研究。文獻(xiàn)1總結(jié)了日本和美國等城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程，劃分為起步發(fā)展期、集中建設(shè)期、穩(wěn)步發(fā)展期和補(bǔ)充完善期四個(gè)階段［1］。文獻(xiàn)2將軌道交通網(wǎng)絡(luò)生命周期分為成網(wǎng)前、骨架網(wǎng)和穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)三個(gè)階段［2］。文獻(xiàn)3認(rèn)為軌道交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度為“緩—急—緩”的生命體特征［3］。文獻(xiàn)4提出軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變是從骨架線再到填充線和輔助線的發(fā)展過程［4］。本文結(jié)合國內(nèi)外典型城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變實(shí)證研究，界定軌道交通網(wǎng)絡(luò)生命周期閾值以及分析階段性發(fā)展特征，為各階段軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變特征實(shí)證分析

國外大多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市的軌道交通建設(shè)起步于城市化和機(jī)動(dòng)化發(fā)展初期，其發(fā)展階段與城市化與機(jī)動(dòng)化發(fā)展階段基本吻合［7，8］。國外軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變生命周期特征如表1所示，新加坡和大阪的機(jī)動(dòng)車保有量、人口規(guī)模和軌道交通里程發(fā)展歷程如圖1和圖2所示。

國內(nèi)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變同樣呈現(xiàn)出從建設(shè)初期對(duì)客流主走廊的全覆蓋，到形成基本骨架網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，再到進(jìn)一步加密擴(kuò)容的發(fā)展過程，但也具有一定的差異性。

（1）軌道交通建設(shè)初期往往也是城市化和機(jī)動(dòng)化快速推進(jìn)時(shí)期，軌道交通線路承擔(dān)功能要同時(shí)兼顧支撐客流走廊交通需求與引導(dǎo)新區(qū)開發(fā)。軌道交通網(wǎng)絡(luò)的演變更多的是伴隨城市空間布局和整體需求格局演變而逐步發(fā)展的。

圖1 新加坡機(jī)動(dòng)車、人口和軌道交通里程發(fā)展

圖2 大阪機(jī)動(dòng)車、人口和軌道交通里程發(fā)展

（2）我國軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變速度遠(yuǎn)超國外大多數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，但在各個(gè)階段演變速度差異性并不明顯。其原因在于城市化和機(jī)動(dòng)化進(jìn)程推動(dòng)更為迅速，伴隨城市空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展、人口規(guī)模的膨脹和私家車保有量提升而導(dǎo)致大面積的交通擁堵問題和生態(tài)問題，軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模迅速擴(kuò)張。此外，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展更加迅猛，在軌道交通投融資方面，以政府為主導(dǎo)的直接投融資模式，對(duì)于保障軌道交通公益性事業(yè)具有良好的帶動(dòng)作用。

（3）國內(nèi)人口增速幅度大和城市形態(tài)結(jié)構(gòu)以團(tuán)狀居多，需要更高的線網(wǎng)密度來優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)以及緩解交通擁堵。2011年，上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)里程居世界首位，廣州、深圳、南京和杭州等特大城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃建設(shè)規(guī)模也遠(yuǎn)超國外大多數(shù)發(fā)達(dá)國家城市。北京和上海的軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變歷程如表2和表3所示。

2 軌道交通網(wǎng)絡(luò)生命周期閾值界定

選擇大阪、東京、新加坡、香港、上海、首爾、廣州和北京等城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變數(shù)據(jù)，構(gòu)建軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線模型。選擇生長模型、三次曲線模型、S曲線模型和Logistic模型作為備選模型進(jìn)行對(duì)比分析。城市軌道交通新線從建設(shè)到開通時(shí)間相對(duì)較長，每年建設(shè)里程數(shù)據(jù)較難獲得，論文原始數(shù)據(jù)資料為各個(gè)軌道交通新線開通年份和運(yùn)營里程資料，假定新線建設(shè)初期到新線開通運(yùn)營平均每年對(duì)該條新線建設(shè)里程近似相等。大阪、東京、新加坡、香港、上海、首爾、廣州和北京軌道交通網(wǎng)絡(luò)曲線建模結(jié)果如圖3－圖10所示，各曲線模型擬合度情況如表4所示。

圖3 大阪軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線模型、三次曲線模型、S曲線模型和Logistic模型對(duì)比

圖4 東京軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線模型、三次曲線模型、S曲線模型和Logistic模型對(duì)比

圖5 新加坡軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線模型、三次曲線模型、S曲線模型和Logistic模型對(duì)比

從各個(gè)城市數(shù)據(jù)模型擬合度看，三次曲線和Logistic曲線對(duì)8個(gè)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)擬合度較高，考慮到軌道交通網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)將保持穩(wěn)定，曲線無限趨向某一定值，軌道交通是“起步—發(fā)展—穩(wěn)定”的生命體特征，而三次曲線更多的適合于模擬生命周期為“起步—發(fā)展—衰退”的生命體特征，因此選擇Logistic曲線作為軌道交通網(wǎng)絡(luò)的生長曲線。

圖6 香港軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線模型、三次曲線模型、S曲線模型和Logistic模型對(duì)比

圖7 上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線模型、三次曲線模型、S曲線模型和Logistic模型對(duì)比

圖8 首爾軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線模型、三次曲線模型、S曲線模型和Logistic模型對(duì)比

圖9 廣州軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線模型、三次曲線模型、S曲線模型和Logistic模型對(duì)比

圖10 北京軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線模型、三次曲線模型、S曲線模型和Logistic模型對(duì)比

Logistic曲線模型是描述因變量P隨時(shí)間t變動(dòng)趨勢的模型。模型特點(diǎn)是初期因變量增長緩慢，隨后進(jìn)入急速增長階段，達(dá)到一定程度后，增長率逐漸降低，基本模型曲線形狀總體呈S形。Logistic模型的基本形式為：

式中：

x——待分析成長特征生命群種參量；

M——生命群種增長可能達(dá)到的閾值；

r——物種的固有增長率；

t——時(shí)間變量。

對(duì)Logistic模型進(jìn)行微分方程求解，并以初期生命種群規(guī)模標(biāo)定，可得：

式中：

c——積分常量；

x0——生長初期生命種群規(guī)模。

Logistic曲線存在三組關(guān)鍵點(diǎn)：一是“一階導(dǎo)數(shù)”為0時(shí)間點(diǎn)，其含義是生長曲線生長速率最高時(shí)間點(diǎn)；二是“二階導(dǎo)數(shù)”為0時(shí)間點(diǎn)，其含義是生長曲線速率變化時(shí)間點(diǎn)，包含兩組閾值，將曲線劃分為“緩—急—緩”三個(gè)生長速度階段：三是Logistic曲線發(fā)展規(guī)模閾值點(diǎn)，也即模型中的M 值，指Logistic曲線的最終發(fā)展規(guī)模。分別標(biāo)定大阪、東京、新加坡、上海、首爾、和香港的軌道交通網(wǎng)絡(luò)Logistic生長曲線模型，并對(duì)其求解二階導(dǎo)數(shù)，獲得各發(fā)展階段軌道交通網(wǎng)絡(luò)生命周期里程閾值。

表4 生長曲線模型、三次曲線模型、S曲線模型和Logistic模型擬合度

總結(jié)國內(nèi)外典型城市的軌道交通生長曲線的里程閾值，國外城市軌道交通起步一般不超過30km即進(jìn)入快速發(fā)展階段，國內(nèi)城市一般達(dá)到60km左右才進(jìn)入快速發(fā)展階段；在快速發(fā)展期階段和軌道交通網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定階段，國內(nèi)城市同樣的兩組閾值大幅度高于國外城市；國內(nèi)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一般達(dá)到300km左右進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段。典型城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線建模如表5所示。

表5 典型城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)生長曲線

3 軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變的生命周期特征

按照生命周期閾值界定，將軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變分別劃分為起步期、發(fā)展期與成熟期。總結(jié)北京、上海和廣州3個(gè)城市軌道交通發(fā)展歷程，并參考南京、無錫和蘇州等城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃及建設(shè)時(shí)序編排，總結(jié)不同生命周期軌道交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展特征。

3.1 起步期

在起步期，軌道交通建設(shè)啟動(dòng)后即進(jìn)入快速發(fā)展階段，線路布局形式以“十字形”城市骨架線路居多，與城市公交客流主走廊保持一致，貫穿于城市中心區(qū)，連接城市副中心、大型交通樞紐和重點(diǎn)新區(qū)的主要客流集散點(diǎn)。部分城市為了實(shí)現(xiàn)軌道交通建設(shè)前期對(duì)多個(gè)重點(diǎn)新區(qū)開發(fā)的引導(dǎo)功能，在城市中心區(qū)邊緣軌道交通樞紐節(jié)點(diǎn)增加支線建設(shè)，服務(wù)新區(qū)客流出行。

起步期軌道交通網(wǎng)絡(luò)密度較低，覆蓋范圍較小，一般只有2～3條正線。公交出行以道路公共交通為主體，新區(qū)公共交通服務(wù)主要依靠道路公交接駁；軌道交通在公交出行中占比較低，處于“輔助型”階段，軌道交通占整體公共交通出行分擔(dān)率的10～20%左右。

3.2 發(fā)展期

在發(fā)展期，軌道交通建設(shè)速度將繼續(xù)保持高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，初步實(shí)現(xiàn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營狀態(tài)。軌道線路布設(shè)一般從城市中心全面放射至外圍新區(qū)，線路走向與城市客流次走廊保持一致。放射式軌道交通線路在該階段一般全部建設(shè)完成，在發(fā)展期中后期開始進(jìn)行方格式線路建設(shè)。

發(fā)展期軌道交通網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)初具規(guī)模，基本全面覆蓋近郊新區(qū)，一般存在7～9條軌道交通正線和1～3條支線，道路公共交通需要全面結(jié)合軌道交通網(wǎng)絡(luò)布局進(jìn)行線路調(diào)整。在中心城區(qū)道路公共交通主要以輔助接駁作用為主。但在近郊新區(qū)仍以道路公交出行為主，由于軌道交通初步網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，客流吸引力增強(qiáng)，處于公交骨干型地位，一般軌道交通出行比例占到公共交通出行總量的20～50%左右。

3.3 成熟期

在成熟期發(fā)展初期，軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度一般仍保持較快速度，在發(fā)展后期速度將有所下降。軌道交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展主要是根據(jù)城市不同功能分區(qū)的出行需求，在發(fā)展期形成的骨架網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)一步加密擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)軌道交通線路之間的客流快速轉(zhuǎn)換。起步期和發(fā)展期兩個(gè)階段軌道交通更加注重與中心區(qū)的對(duì)外放射線的建設(shè)，成熟期更加注重城市新區(qū)間的軌道交通聯(lián)系，主要是進(jìn)行方格線的修建，軌道交通更多地穿越中心區(qū)的外圍，聯(lián)系不同近郊功能區(qū)，軌道交通網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋城市客流次走廊。軌道交通起步期和發(fā)展期核心功能是承擔(dān)引導(dǎo)新區(qū)開發(fā)功能，保證軌道交通建設(shè)前期各個(gè)新區(qū)的軌道可達(dá)性，對(duì)于部分連接兩個(gè)新區(qū)間的放射式線路一般里程較長。軌道交通網(wǎng)絡(luò)成熟期城市空間結(jié)構(gòu)和交通需求格局趨于穩(wěn)定，為保證軌道交通線路運(yùn)輸客流的經(jīng)濟(jì)性，需要重新整合部分軌道交通線路，主要的方式是將軌道交通建設(shè)初期修建的支線向周邊延伸，變?yōu)楠?dú)立運(yùn)營的軌道交通新線。南京軌道交通線路支線與正線調(diào)整如圖11所示。

圖11 南京軌道交通線路支線與正線調(diào)整

在成熟期，城區(qū)軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)全部完成，城市軌道交通支線基本全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎€，不同近郊功能區(qū)均具有適宜的軌道交通網(wǎng)絡(luò)密度服務(wù)出行需求。道路公交以輔助和接駁功能為主，一般軌道交通出行比例占到公共交通出行總量的50～70%左右。

軌道交通發(fā)展成熟期中后期，城市空間發(fā)展向新城邁進(jìn)，開始有市域線引入新城。市域線更多采用放射線的形式：一般有兩種接入模式，直接連接至中心區(qū)或連接至城市中心邊緣軌道交通樞紐。根據(jù)北京和上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展以及各城市軌道交通布局規(guī)劃，城市中心區(qū)軌道交通網(wǎng)絡(luò)往往密度相對(duì)較高，且城市規(guī)模較大，市域線以接入城市中心邊緣交通樞紐為主。軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變階段性特征的總結(jié)如表6所示。

4 結(jié)語

分析軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變的生命周期特征，有以下結(jié)論：

（1）國外軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變一般與城市化和機(jī)動(dòng)化的發(fā)展階段相吻合，國內(nèi)軌道交通建設(shè)時(shí)期一般位于城市化和機(jī)動(dòng)化快速推進(jìn)時(shí)期，軌道交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度和規(guī)模體量高于大多數(shù)國外城市。

（2）軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變特征符合Logistic生長曲線，存在兩組規(guī)模閾值。軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在60 km左右即進(jìn)入快速發(fā)展階段，達(dá)到80km左右進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段。

表6 軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變階段特征

（3）提出了不同生命周期軌道交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段特征，起步期較快形成2～3條軌道交通線路，覆蓋城市“十字型”客流主走廊，分擔(dān)率占公交出行10～20%；發(fā)展期軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變速度繼續(xù)提升，形成7～9條左右軌道交通線路，呈現(xiàn)初步網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，覆蓋城市客流次走廊，分擔(dān)率占公交出行20～50%；成熟期軌道交通網(wǎng)絡(luò)演變速度初期加快，后期放緩，分擔(dān)率占公交出行比例的50～70%。

［1］南京市城市與交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司.規(guī)劃軌道交通規(guī)劃線網(wǎng)的修建順序研究［R］.南京：南京市城市與交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，2008.

［2］吳嬌蓉.城市軌道交通各發(fā)展階段的運(yùn)行特征及在公交系統(tǒng)中的作用［J］.城市軌道交通研究，2007（6）：9.

［3］歐陽長城.軌道交通線網(wǎng)發(fā)展特征分析［J］.城市軌道交通研究，2010（1）：7.

［4］陳必壯.軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與客流分析［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［5］陸錫明.城市交通戰(zhàn)略［M］.北京：中國建筑出版社，2006.

［6］陸錫明.亞洲城市交通模式［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2009.

［7］黎曉.“十二五”時(shí)期我國城市軌道交通發(fā)展策略探討［J］.城市軌道交通研究，2011（8）：5.