多層次軌道交通線網(wǎng)級配研究

摘 要：通過對大、中、低運(yùn)量軌道制式特性分析，在客流、時間和空間層面，通過逐條分析各走廊客流、道路條件，確定走廊的適宜制式。線網(wǎng)層面，大中運(yùn)量和低運(yùn)量分別以直達(dá)客流最大、線網(wǎng)覆蓋率最大為目標(biāo)，在約束條件下，采用“逐條布設(shè)，優(yōu)化成網(wǎng)”的方法得到軌道線網(wǎng)級配。

關(guān)鍵詞：多層次軌道交通 線網(wǎng)級配 客流走廊

0 引言

目前，國內(nèi)外對軌道交通線網(wǎng)規(guī)模預(yù)測的研究主要集中在單一制式的地鐵線網(wǎng)規(guī)模預(yù)測，對各層次軌道交通線網(wǎng)之間的合理規(guī)模預(yù)測的研究較少。Bollinger[1]提出，城市經(jīng)濟(jì)水平和城市規(guī)模大小因素會對城市軌道交通的規(guī)模產(chǎn)生重要影響。Aoife A[2]認(rèn)為影響乘客選擇交通方式的決定性因素主要是費(fèi)用和行程時間。毛保華[3]認(rèn)為可以根據(jù)城市的交通需求和線網(wǎng)輻射區(qū)域來測算線網(wǎng)的合理規(guī)模。歐陽志堅(jiān)[4]認(rèn)為在對城市軌道交通合理規(guī)模產(chǎn)生影響的因素中，客流量十分關(guān)鍵。羅小強(qiáng)[5]從經(jīng)濟(jì)角度考慮，考慮軌道交通建設(shè)運(yùn)營的投入與收益，確定線路的最優(yōu)長度。

綜合國內(nèi)外研究，學(xué)者們往往將城市軌道交通作為整體去看待，忽略了城市軌道交通內(nèi)部各制式之間的差異與相關(guān)性。因此，本文考慮制式運(yùn)能、速度特性匹配客流走廊線路制式，以大中運(yùn)量軌道線網(wǎng)以直達(dá)客流最大為目標(biāo)、低運(yùn)量軌道線網(wǎng)以線網(wǎng)覆蓋率最大為目標(biāo)，采用“逐條布設(shè)，優(yōu)化成網(wǎng)”的方法確定線網(wǎng)級配。

1 軌道交通制式分析

地鐵具有運(yùn)量大、速度快的特點(diǎn)，單向運(yùn)輸能力為每小時3萬人次以上，主要服務(wù)于大城市或特大城市中心交通需求比較集中的地方，作為城市公共交通系統(tǒng)的骨架網(wǎng)絡(luò)。

輕軌單向運(yùn)輸能力為每小時1-3萬人次，適用于有較強(qiáng)軌道交通需求但人口經(jīng)濟(jì)等不滿足地鐵標(biāo)準(zhǔn)的城市，

云巴單向運(yùn)輸能力為每小時0.3-1萬人次，可承擔(dān)大城市骨干公共交通網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充、延伸、過渡等輔助功能，也可作為中小城市的骨干公共交通網(wǎng)絡(luò)。

BRT單向客流量大于3600人次/h，可作為大城市的輔助線和加密線，也可作為中小城市的骨干線。

大站快線高峰客流在3600人次/h，可作為大城市的軌道線路的加密線和接駁線，也可作為中小城市的骨干線。

2 軌道線路等級確定

2.1 客流走廊選取

客流走廊的選取首先要從客流效益出發(fā)，選取相適應(yīng)的客流作為高中低運(yùn)量的客流走廊，同時還需要考慮走廊的道路條件同相對應(yīng)的軌道制式的匹配程度。

通過對客流走廊高峰小時單向客流劃分，可劃分為高中低客流走廊，如表1所示。

2.2 制式選擇

在軌道交通線路層面，考慮線路客流、走廊長度和出行時間，結(jié)合制式運(yùn)能和速度特性，進(jìn)行制式匹配，通過綜合效益比選確定線路制式。從客流層面和速度層面對軌道交通線路等級和制式進(jìn)行分析，見表2。

3 軌道交通線網(wǎng)級配模型

3.1 軌道交通線路選擇方法

3.1.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）軌道交通運(yùn)行收入

（1）

式中，為第種軌道交通方式，為運(yùn)行收入，元/d；為第年線路日客運(yùn)量，人次/d；為起步價，元；為起步價外單價，元/km；為線路長度，km。

（2）軌道交通成本

①建設(shè)成本

軌道交通的建設(shè)成本和交通制式相關(guān)，同時還與線路長度有關(guān)。

式中，為建設(shè)成本，元；為建設(shè)長度，；為單位建設(shè)費(fèi)用，元/。

②車輛購置成本

式中，為車輛購置費(fèi)，元；為車輛配置總量與運(yùn)行車輛數(shù)之比，可取1.2-1.25；為車輛購置成本，元/列；為全線周轉(zhuǎn)時間，s；為平均發(fā)車間隔，s。

其中，全線周轉(zhuǎn)時間指車輛在線路上往返運(yùn)行一次所需的時間，包含運(yùn)行時間、停站時間和線路折返時間，表達(dá)式如下：

式中，為平均運(yùn)行速度，km/h；為到站停留時長，s；為折返線時間，s。

第種軌道交通方式停站時長：

式中，為平均到站停留時間，s；為平均站間距，km；

（3）運(yùn)維成本

軌道交通的運(yùn)維成本和制式相關(guān)，同時還與線路長度的車站數(shù)量成正比，運(yùn)維成本的表達(dá)式為：

式中，為運(yùn)維費(fèi)用，元/年；為線路維護(hù)費(fèi)用，元/年·km；為站臺運(yùn)維費(fèi)用，元/年·個；

3.1.2 交通效益

（1）時間節(jié)約效益

相較于公交出行，乘客利用軌道交通出行節(jié)約的時間可用于進(jìn)行社會生產(chǎn)創(chuàng)造價值。

式中，為節(jié)約出行時間的效益，元/d；為單位時間價值，元/人·h；為軌道比公交出行節(jié)省的時間，h；

其中，出行時間價值為出行者為節(jié)約出行時間而考慮多支出的費(fèi)用。可將出行時間價值轉(zhuǎn)為貨幣價值進(jìn)行計(jì)算[6-7]，計(jì)算方法如下：

（8）

式中，為出行時間價值，元/人·h；為年均就業(yè)人數(shù)，人；年均工作時長，h；為年平均工資，元；為年平均工作天數(shù)，天；為日平均工作時長，h，為平衡系數(shù)，一般取值0.4。

其中，出行者采用軌道交通出行相比于常規(guī)公交出行所節(jié)省的時間可計(jì)算為：

（9）

式中，為乘公交的步行距離，km；為步行距離；為常規(guī)公交的平均旅行速度，km/h；為平均旅行速度，km/h；為平均步行速度；為公交平均候車時間，s；為平均候車時間，s。

（2）安全性效益

軌道交通相對于公交，減少了對其他交通方式和行人的影響，降低事故的發(fā)生率[8]。

式中，為減少交通事故損失的效益，元/d；為公交單位長度事故損失，元/人·km；為單位長度的事故損失，元/人·km。

（3）勞動生產(chǎn)率提高效益

其中可用軌道交通方式相對常規(guī)公交所節(jié)約時間表示：

式中，為提高勞動生產(chǎn)率的效益，元/d；為工作客流系數(shù)，本文取0.5；為乘坐第種軌道交通方式比公交車提高的勞動生產(chǎn)率。

（4）運(yùn)力替代效益

式中，為運(yùn)力替代效益，元/d；為公交車運(yùn)輸能力，人/輛；為車輛購置成本，元/輛；為平均每車停車場建設(shè)成本，元/m2；為公交線路每公里運(yùn)維成本，（元/車km）。

3.1.3 社會效益

（1）能源節(jié)約效益

城市軌道交通相對汽車直接消耗化石能源來說，軌道交通更便宜和清潔，產(chǎn)生能源節(jié)約效益。

式中，為公交車能耗，L/km·d；為柴油價格，元/L；為第種軌道交通方式能耗，kW·h/車km；為單位電價，元/kW·h

（2）土地節(jié)約效益

城市軌道交通方式與常規(guī)公交相比，節(jié)省了大量的土地資源。產(chǎn)生的效益可表示為：

式中，為節(jié)省的土地資源效益，元；為市平均土地價格，元/km2；為道路寬度，m；為占用的土地寬度，m。

3.1.4 軌道線路綜合效益

以線路綜合效益最大為目標(biāo)，對線路經(jīng)濟(jì)效益、交通效益、社會效益進(jìn)行加和，比選每條線路各制式綜合效益，確定線路等級。

式中，為軌道交通線路的相對凈交通效益，元；為軌道交通線路產(chǎn)生的相對凈經(jīng)濟(jì)效益，元；為軌道交通線路產(chǎn)生的相對凈社會效益，元；為貼現(xiàn)率，%。

3.2 軌道線網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)

大運(yùn)量軌道線路的布設(shè)，以線路效率最大、覆蓋大客流、長距離出行以及出行時間短為目標(biāo)，見式（20）。在低運(yùn)量網(wǎng)絡(luò)布設(shè)以線網(wǎng)覆蓋率最大為目標(biāo)，見式（21）。

式中，為路線編號，為線網(wǎng)R的路線效率（人）；為從站點(diǎn)到站點(diǎn)的O-D客流量（人）；為從站點(diǎn)到站點(diǎn)的距離（km）；為路線的總長；為線路的直達(dá)客流密度（人/km）；為路線上從到的O-D客流量（人）；為路線總長度（km）。

3.3 軌道線網(wǎng)約束

軌道線網(wǎng)需要滿足路線非直線系數(shù)約束、路線長度約束、線網(wǎng)密度約束、路線客流量約束、換乘次數(shù)等約束，見公式（22）：

式中，為非直線系數(shù)；為最大非直線系數(shù)；為路線的長度，km；為路線起、終點(diǎn)間的直線距離，km；、分別為最小和最大長度，km；、分別為最小和最大線網(wǎng)密度，；、分別為路線上斷面的中轉(zhuǎn)客運(yùn)量和最大中轉(zhuǎn)客運(yùn)能力（人）；為儲備運(yùn)能和服務(wù)水平系數(shù)，取值可為0.85；ATT 為換乘次數(shù)（次）。

3.4 線網(wǎng)級配確定方法

本文借鑒常規(guī)公交規(guī)劃中“逐條布線、優(yōu)化成網(wǎng)”的方法進(jìn)行軌道線網(wǎng)的分層布設(shè)，大中運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)作為主要包括以下幾個步驟：

1、利用TransCAD做出目標(biāo)年客流期望線圖，分析未來年客流主要的流向，然后據(jù)此確定單條線路走向，根據(jù)客流走廊客流量和長度，在客流和時間層面初步確定客流走廊需要的制式；

2、從初始線網(wǎng)中選取單條線路的起、終點(diǎn)，在線網(wǎng)約束控制下，沿初始線網(wǎng)中的主要客流通道布線。按照每條線路根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益、交通效益、社會效益層面確定每條線路的軌道交通制式，重復(fù)此過程，直至每個主要客流方向上均有軌道交通線路通過，從而形成軌道線網(wǎng)；

3、計(jì)算城市中心區(qū)的軌道線網(wǎng)密度，如果符合要求，則認(rèn)為軌道線網(wǎng)已經(jīng)完成，如不符合，則轉(zhuǎn)到步驟2，進(jìn)行線路調(diào)整。

4 案例分析

本文以南寧市為例， 根據(jù)現(xiàn)狀路網(wǎng)和南寧市2020年居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)，利用四階段法對未來年交通需求進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)客流量級劃分，得到城市各層級客流走廊和走向，見表3。

根據(jù)行業(yè)相關(guān)規(guī)范得到軌道交通線路制式選擇中經(jīng)濟(jì)效益、交通效益、社會效益相關(guān)參數(shù)，通過對每條線路交通效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益的計(jì)算，得到每條線路的運(yùn)量等級，大中運(yùn)量在滿足直達(dá)客流最大，低運(yùn)量在滿足線網(wǎng)密度的基礎(chǔ)上，通過線網(wǎng)約束，逐條布設(shè)使得線網(wǎng)在滿足線網(wǎng)約束的條件下，得到大中低運(yùn)量線網(wǎng)規(guī)模分別為188.57km、113.70km、77.03km。

5 結(jié)論

本文根據(jù)各類軌道交通的特性，從交通效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益三個方面出發(fā)，確定線路等級，利用“逐條布設(shè)，優(yōu)化成網(wǎng)”的方法逐條布設(shè)大中低運(yùn)量等級的線路，同時考慮不同層次線網(wǎng)所承擔(dān)的功能，在線網(wǎng)層面設(shè)定不同的目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮線網(wǎng)的密度、換乘，使得線網(wǎng)整體優(yōu)化，從而確定各級軌道交通線網(wǎng)的規(guī)模，使得城市軌道交通線網(wǎng)層次更合理，讓出行效率更高，滿足不同的出行需求。

基金項(xiàng)目：廣西青年科學(xué)基金項(xiàng)目（2020

JJB170049），國家自然科學(xué)基金（61963011）。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bollinger， Christopher R， Ihlanfeldt， Keith R. The Impact of Rapid Rail Transit on Economic Development： The Case of Atlanta's MARTA[J]. Journal of Urban Economics， 1997， 42（2）： 179-204.

[2]Aoife A. Ahern， Nigel Tapley. The use of stated preference techniques to model modal choices on interurban trips in Ireland[J]. Transportation Research Part A Policy and Practice， 2008， 42（1）： 15. 27.

[3]毛保華.城市軌道交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2006．

[4]歐陽志堅(jiān)，馬小毅.城市軌道交通客流規(guī)模影響因素分析[J].城市軌道交通研究，2004（03）：63-65.

[5]羅小強(qiáng)，陳寬民.城市軌道交通線路最優(yōu)長度確定模型[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010（03）：66-70.

[6]陳孟喬，施仲衡，劉建坤.國外主要城市市郊鐵路發(fā)展現(xiàn)狀分析及啟示[J].綜合運(yùn)輸，2010（03）：77-81.

[7]齊彤巖，劉冬梅，劉瑩.北京市居民出行時間成本研究[J].公路交通科技，2008（06）：144-146+153.

[8]夏澤郁，湯育春，李啟明.基于韌性理論的中國城市軌道交通事故統(tǒng)計(jì)分析[J].都市快軌交通，2020，33（03）：148-156.