都市圈綜合軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃布局研究

呂 穎

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 都市圈綜合軌道交通系統(tǒng)構成

都市圈的特征界定與分析是進行軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃布局的基礎，不同發(fā)育程度、不同空間形態(tài)的都市圈內(nèi)軌道交通系統(tǒng)的規(guī)模、結構表現(xiàn)出一定的差異性。

1.1 都市圈界定

都市圈是在城市化進程中形成的特殊空間形態(tài)，涵蓋多個城市、輻射大量人口、聚合多種產(chǎn)業(yè)，是經(jīng)濟要素不斷流動與集散的綜合作用，也是區(qū)域經(jīng)濟實力與競爭力體現(xiàn)的關鍵單元[1-3]。都市圈是在特定的地域范圍內(nèi)，以城市主城作為發(fā)展核心，以一系列不同性質(zhì)、規(guī)模、等級的發(fā)展新區(qū)、城鎮(zhèn)等為主體，共同組成在空間上位置相近，在功能上緊密聯(lián)系、相互依存的具有圈層式地域結構和經(jīng)濟一體化趨勢的地域空間組織，通過以經(jīng)濟為發(fā)展引擎帶動城市間的經(jīng)濟聯(lián)系。在我國都市圈培育的過程中，國外發(fā)達都市圈提供了較好的借鑒作用[4-5]。

1.2 都市圈軌道交通系統(tǒng)構成

國外都市圈發(fā)展進程中，充分考慮交通布局的影響與作用，統(tǒng)籌規(guī)劃布局[6-9]，實現(xiàn)空間合理演化。結合國內(nèi)外發(fā)展實踐，考慮綜合軌道交通所服務的都市圈的空間結構、土地規(guī)劃、需求分布等多方面因素，結合都市圈的圈層特征確定軌道交通系統(tǒng)的構成。根據(jù)都市圈空間結構的分布特征，都市圈內(nèi)部具體可分為以中心城市為核心的第一圈層，由近郊城鎮(zhèn)、發(fā)展新區(qū)、外圍組團及技術開發(fā)區(qū)組成的第二圈層；對外包括隸屬于同一城市群或省域的第一對外聯(lián)系圈，以及與省外其他中長距離的第二對外聯(lián)系圈。相應地，軌道交通系統(tǒng)構成可劃分為城市軌道交通、市域鐵路、城際鐵路、干線鐵路等幾個層級，分別服務于不同圈層內(nèi)的旅客出行需求及城鎮(zhèn)空間演化[10-12]。具體二者的相互關系表示如圖1所示。

圖1 都市圈圈層與軌道交通層級關系

1.3 都市圈軌道交通系統(tǒng)框架設計

基于整體與局部相結合、一體化與層級化相結合的規(guī)劃原則，首先明確高等級軌道交通層次功能布局要求，逐步推演下一層級功能布局方案，經(jīng)過綜合協(xié)調(diào)，形成綜合軌道交通功能布局總體方案，在此基礎上對客流水平、線網(wǎng)規(guī)模、空間架構、樞紐布局等進行細化研究，形成綜合軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案[13-14]。都市圈綜合軌道交通系統(tǒng)框架設計流程如圖2所示。

圖2 都市圈綜合軌道交通系統(tǒng)框架設計流程

2 都市圈綜合軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃布局

軌道交通線網(wǎng)布局是復雜的系統(tǒng)工程，影響因素繁多、涵蓋內(nèi)容廣泛，包括線網(wǎng)規(guī)模測算、空間布局方法等內(nèi)容，其中線網(wǎng)規(guī)模反映與都市圈經(jīng)濟社會發(fā)展水平相適應的總量水平，也是線網(wǎng)空間布局的前提條件之一，在研究空間布局方案時應予以合理判斷。

2.1 既有線網(wǎng)規(guī)劃布局方法

軌道交通線網(wǎng)布局研究過程中相繼形成重要度布局法、交通走廊布局法、主要集散點連線法、出行向量法、網(wǎng)絡形態(tài)分析法等多種方法，可分別適用于不同層次、不同規(guī)模下的軌道交通線網(wǎng)布局[15-17]。考慮綜合軌道交通系統(tǒng)內(nèi)旅客出行需求的多樣化、差異化特征，構建以旅客出行時間最小為目標的線網(wǎng)布局模型進行空間架構。

2.2 基于旅客出行時間最小的規(guī)劃模型

2.2.1 規(guī)劃目標

相較于單一的軌道交通系統(tǒng)，合理滿足多層次、復雜化的出行需求確定線網(wǎng)規(guī)劃方案的主要目標，統(tǒng)籌考慮都市圈范圍內(nèi)的旅客出行特征，以綜合軌道交通線網(wǎng)旅客出行總時間最小作為主要規(guī)劃目標，表示如下

(1)

式中OD(u，v)(v≠u)——OD對u和v之間的客流；

λ(u，v)——OD(u，v)(v≠u)在其路徑上所消耗的時間；

OD( )——起點與終點間的交通分布函數(shù)；

其中，路徑消耗時間λ(u，v)包括換乘時間和在途時間，即

(2)

式中l(wèi)uv——區(qū)段(u，v)的長度，km；

vR——軌道交通旅行速度，根據(jù)軌道交通制式確定；

因此，優(yōu)化目標函數(shù)以演變?yōu)?/p>

(3)

2.2.2 約束條件

考慮都市圈內(nèi)出行者分布不均，而且對軌道交通覆蓋范圍、出行時間需求廣泛，而供給者從投資、運營管理等考慮要求距離最短，從而決定了最長和最短規(guī)模，因此為避免線路長度過長或者過短帶來的一系列問題，以軌道交通線路有效長度為模型約束，具體如下

(4)

式中，lk為路段k的有效長度;ηk為0，1決策變量，表示路段在路網(wǎng)中是否連接;LRmin、LRmax分別為軌道交通線網(wǎng)總長度的最小值和最大值。

以上所提線路總長度也即線網(wǎng)合理規(guī)模的確定，是在相應投資限制下確定的滿足多樣化、多層次出行需求的線網(wǎng)總量。以都市圈綜合軌道交通線網(wǎng)一體化發(fā)展為頂層框架，基于多層級、多模式軌道交通等匹配合理、功能完整的優(yōu)化目標，以分層確定分級、分級測算規(guī)模、級配實現(xiàn)融合為測算流程，構建基于層級優(yōu)化的都市圈綜合軌道交通線網(wǎng)規(guī)模測算模型。其計算公式為

(5)

式中L總——綜合軌道交通線網(wǎng)總量；

L′、L″、L?——各層次軌道交通線網(wǎng)規(guī)模；

L重——各層次線網(wǎng)之間的重疊部分；

lt——核心區(qū)的環(huán)線規(guī)模。

主要測算流程涵蓋以下主要步驟：①應用分形理論及空間結構模型劃分都市圈網(wǎng)絡圈層；②基于耦合協(xié)調(diào)理論匹配軌道交通系統(tǒng)類型與圈層功能實現(xiàn)需求，確定軌道交通層次以及系統(tǒng)構成集；③考慮財政壓力適度和都市圈軌道交通超前發(fā)展需要，分層級測算都市圈軌道交通線網(wǎng)合理規(guī)模；④應用非集計模型劃分各軌道交通系統(tǒng)服務功能，合理確定各層級軌道交通線網(wǎng)規(guī)模；⑤以功能重疊部分和系統(tǒng)銜接部分為測算重點，篩補漏重、融合點線、暢通圈層，考慮總量約束測算都市圈綜合軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的合理區(qū)間。

3 大西安都市圈綜合軌道交通線網(wǎng)布局方案

大西安是指以西安市為核心，包括西咸新區(qū)、規(guī)劃新城在內(nèi)的空間范圍。目前，區(qū)域內(nèi)的干線鐵路網(wǎng)、城際鐵路網(wǎng)以及城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃相繼形成，通過對發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃的系統(tǒng)分析，總結大西安范圍內(nèi)的軌道交通尚存在以下問題：①各層次線網(wǎng)規(guī)劃重疊、線路走向重復，線網(wǎng)布局不均衡，市域線路與市域功能缺失；②既有線路能力未得以有效利用，運能浪費嚴重；③管理體系混亂、管理模式不統(tǒng)一，資源配置失衡；④各級軌道交通割裂嚴重，難以充分滿足各層次運輸需求。因此，運用規(guī)劃模型生成軌道交通線網(wǎng)方案，進一步針對既有規(guī)劃存在的主要問題，提出合理的功能優(yōu)化補強方案。

3.1 優(yōu)化思路

運用上述規(guī)劃思路建立模型，考慮規(guī)模總量約束以及旅客出行時間目標導向，生成綜合軌道交通線網(wǎng)的布局方案。進一步針對各層次軌道交通功能重疊交叉的問題，提出通過資源的整合利用進一步優(yōu)化路網(wǎng)布局。一方面，挖潛國鐵、城際網(wǎng)中部分線路的富裕或閑置能力開行市域列車；另一方面，利用城市軌道交通線網(wǎng)中的部分線路通道，優(yōu)化或調(diào)整組合為市域快線，構建承擔城市近郊通勤運輸功能的市域線網(wǎng)，充分補強既有軌道交通線網(wǎng)中的市域功能，在此過程上，對各層級軌道交通走向重復、功能重疊的線路同步整合優(yōu)化、完善布局結構[18-20]。

3.2 優(yōu)化布局方案

3.2.1 布局方案生成

從綜合軌道交通融合發(fā)展實際出發(fā)，充分考慮不同層次的旅客出行需求特征，構建基于出行時間成本最小的優(yōu)化布局模型，對大西安軌道交通線網(wǎng)適當優(yōu)化。經(jīng)基于客流強度的初步測算以及供需主體對出行時間、運營長度的訴求，判斷確定都市圈合理的線網(wǎng)規(guī)模區(qū)間為[1 800，2 500] km，也即線網(wǎng)布局時的約束區(qū)間；進一步，基于對各層次軌道交通服務范圍、客流出行強度的分析，確定各層次軌道交通線網(wǎng)規(guī)模在都市圈范圍內(nèi)的占比，估算其中國鐵及城際的總規(guī)模約為940 km，城市軌道交通線網(wǎng)1 010 km，環(huán)線規(guī)模210 km，同時扣除重疊規(guī)模150 km，確定綜合軌道交通線網(wǎng)規(guī)模總量約2 010 km。鑒于實際線路走向還存在一定的展線系數(shù)，此處主要考慮以節(jié)點之間的航空線距離進行換算。

在此基礎上，考慮各層軌道交通平均旅行速度、旅客換乘時間等因素，以城市中心及最外圈層主要城鎮(zhèn)節(jié)點為對象，測算周邊城鎮(zhèn)與城市中心以及各節(jié)點之間的平均兩點間的出行時間約為1.5 h。

形成方案如圖3所示。

3.2.2 方案說明

在規(guī)劃方案生成的基礎上，考慮不同層級線路之間的功能交叉等因素，合理分析現(xiàn)狀線路的功能及能力運用情況，進行功能層次的進一步優(yōu)化。

(1)國鐵與城際鐵路市域功能分析

通過對路網(wǎng)布局分析及相關線路能力測算，考慮不同方向的市域客流需求，研究提出分別利用國鐵、城際鐵路開行市域列車方案如表1所示。

(2)城市軌道交通線路市域功能分析

根據(jù)大西安空間結構、線路所處空間位置、交通需求等因素，將規(guī)劃城市軌道交通線網(wǎng)中的線路劃分為都市區(qū)骨干線、都市區(qū)區(qū)域線、都市區(qū)市域線3個層次，其中市域?qū)拥墓δ苤饕沼诔鞘兄行呐c郊區(qū)衛(wèi)星城的市域客流。確定線網(wǎng)層次如表2所示。

表2 軌道交通線網(wǎng)層次結構優(yōu)化方案

(3)軌道交通線網(wǎng)市域功能補強方案

基于上述分析，確定線網(wǎng)市域功能的補強方案如表3所示。

表3 軌道交通線網(wǎng)市域功能補強方案

綜上，綜合運用定性研判與定量分析相結合的方法，按照從物理網(wǎng)布局到功能層優(yōu)化的層次生成大西安綜合軌道交通線網(wǎng)的布局優(yōu)化方案，有助于更好地發(fā)揮綜合軌道交通系統(tǒng)功能，實現(xiàn)資源的合理配置與路網(wǎng)效益最優(yōu)。

4 結論

綜合軌道交通線網(wǎng)融合發(fā)展是適應新時期都市圈建設與綜合交通運輸體系構建的必然選擇，在綜合軌道交通框架體系下，應著力從系統(tǒng)優(yōu)化、效能提升的角度對各層次線網(wǎng)進行優(yōu)化整合、合理布局，以切實做到高效配置資源、提升路網(wǎng)綜合效率。對綜合軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的框架設計、線網(wǎng)規(guī)模、規(guī)劃布局等進行了重點研究，提出了相應的方法；同時針對大西安都市圈綜合軌道交通線網(wǎng)中存在的問題，重點對市域功能補強與線網(wǎng)優(yōu)化進行研究，提出優(yōu)化方案。但是，研究重點從需求的角度進行分析，忽略了供給系統(tǒng)的功能輸出，同時缺少綜合樞紐布局的研究，還有待進一步深化。