多層次軌道交通線網級配研究

摘 要：通過對大、中、低運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。線網層面，大中運量和低運量分別以直達客流最大、線網覆蓋率最大為目標，在約束條件下，采用“逐條布設，優化成網”的方法得到軌道線網級配。

關鍵詞：多層次軌道交通 線網級配 客流走廊

0 引言

目前，國內外對軌道交通線網規模預測的研究主要集中在單一制式的地鐵線網規模預測，對各層次軌道交通線網之間的合理規模預測的研究較少。Bollinger[1]提出，城市經濟水平和城市規模大小因素會對城市軌道交通的規模產生重要影響。Aoife A[2]認為影響乘客選擇交通方式的決定性因素主要是費用和行程時間。毛保華[3]認為可以根據城市的交通需求和線網輻射區域來測算線網的合理規模。歐陽志堅[4]認為在對城市軌道交通合理規模產生影響的因素中，客流量十分關鍵。羅小強[5]從經濟角度考慮，考慮軌道交通建設運營的投入與收益，確定線路的最優長度。

綜合國內外研究，學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部各制式之間的差異與相關性。因此，本文考慮制式運能、速度特性匹配客流走廊線路制式，以大中運量軌道線網以直達客流最大為目標、低運量軌道線網以線網覆蓋率最大為目標，采用“逐條布設，優化成網”的方法確定線網級配。

1 軌道交通制式分析

地鐵具有運量大、速度快的特點，單向運輸能力為每小時3萬人次以上，主要服務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的骨架網絡。

輕軌單向運輸能力為每小時1-3萬人次，適用于有較強軌道交通需求但人口經濟等不滿足地鐵標準的城市，

云巴單向運輸能力為每小時0.3-1萬人次，可承擔大城市骨干公共交通網絡的補充、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絡。

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，選取相適應的客流作為高中低運量的客流走廊，同時還需要考慮走廊的道路條件同相對應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，結合制式運能和速度特性，進行制式匹配，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行分析，見表2。

3 軌道交通線網級配模型

3.1 軌道交通線路選擇方法

3.1.1 經濟效益

（1）軌道交通運行收入

（1）

式中，為第種軌道交通方式，為運行收入，元/d；為第年線路日客運量，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建設成本

軌道交通的建設成本和交通制式相關，同時還與線路長度有關。

式中，為建設成本，元；為建設長度，；為單位建設費用，元/。

②車輛購置成本

式中，為車輛購置費，元；為車輛配置總量與運行車輛數之比，可取1.2-1.25；為車輛購置成本，元/列；為全線周轉時間，s；為平均發車間隔，s。

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

式中，為平均運行速度，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）運維成本

軌道交通的運維成本和制式相關，同時還與線路長度的車站數量成正比，運維成本的表達式為：

式中，為運維費用，元/年；為線路維護費用，元/年·km；為站臺運維費用，元/年·個；

3.1.2 交通效益

（1）時間節約效益

相較于公交出行，乘客利用軌道交通出行節約的時間可用于進行社會生產創造價值。

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

其中，出行時間價值為出行者為節約出行時間而考慮多支出的費用。可將出行時間價值轉為貨幣價值進行計算[6-7]，計算方法如下：

（8）

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

其中，出行者采用軌道交通出行相比于常規公交出行所節省的時間可計算為：

（9）

式中，為乘公交的步行距離，km；為步行距離；為常規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）勞動生產率提高效益

其中可用軌道交通方式相對常規公交所節約時間表示：

式中，為提高勞動生產率的效益，元/d；為工作客流系數，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率。

（4）運力替代效益

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

3.1.3 社會效益

（1）能源節約效益

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，產生能源節約效益。

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）土地節約效益

城市軌道交通方式與常規公交相比，節省了大量的土地資源。產生的效益可表示為：

式中，為節省的土地資源效益，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，對線路經濟效益、交通效益、社會效益進行加和，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；為軌道交通線路產生的相對凈經濟效益，元；為軌道交通線路產生的相對凈社會效益，元；為貼現率，%。

3.2 軌道線網目標函數

大運量軌道線路的布設，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，見式（20）。在低運量網絡布設以線網覆蓋率最大為目標，見式（21）。

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

3.3 軌道線網約束

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

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

3.4 線網級配確定方法

本文借鑒常規公交規劃中“逐條布線、優化成網”的方法進行軌道線網的分層布設，大中運量軌道交通系統作為主要包括以下幾個步驟：

1、利用TransCAD做出目標年客流期望線圖，分析未來年客流主要的流向，然后據此確定單條線路走向，根據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、從初始線網中選取單條線路的起、終點，在線網約束控制下，沿初始線網中的主要客流通道布線。按照每條線路根據經濟效益、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；

3、計算城市中心區的軌道線網密度，如果符合要求，則認為軌道線網已經完成，如不符合，則轉到步驟2，進行線路調整。

4 案例分析

本文以南寧市為例， 根據現狀路網和南寧市2020年居民出行調查數據，利用四階段法對未來年交通需求進行預測，根據客流量級劃分，得到城市各層級客流走廊和走向，見表3。

根據行業相關規范得到軌道交通線路制式選擇中經濟效益、交通效益、社會效益相關參數，通過對每條線路交通效益、經濟效益、社會效益的計算，得到每條線路的運量等級，大中運量在滿足直達客流最大，低運量在滿足線網密度的基礎上，通過線網約束，逐條布設使得線網在滿足線網約束的條件下，得到大中低運量線網規模分別為188.57km、113.70km、77.03km。

5 結論

本文根據各類軌道交通的特性，從交通效益、經濟效益和社會效益三個方面出發，確定線路等級，利用“逐條布設，優化成網”的方法逐條布設大中低運量等級的線路，同時考慮不同層次線網所承擔的功能，在線網層面設定不同的目標函數，綜合考慮線網的密度、換乘，使得線網整體優化，從而確定各級軌道交通線網的規模，使得城市軌道交通線網層次更合理，讓出行效率更高，滿足不同的出行需求。

基金項目：廣西青年科學基金項目（2020

JJB170049），國家自然科學基金（61963011）。

參考文獻：

[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.城市軌道交通規劃與設計[M].北京：人民交通出版社，2006．

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

[5]羅小強，陳寬民.城市軌道交通線路最優長度確定模型[J].交通運輸工程學報，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展現狀分析及啟示[J].綜合運輸，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計分析[J].都市快軌交通，2020，33（03）：148-156.