城市軌道交通網絡中減少換乘的多線地鐵設計方案

摘要 在城市軌道交通布局中，環形放射狀網絡可以改善放射性交通網之間的連通性和可達性，大幅度提高城市交通網絡的運行效率。文章以某市軌道交通現狀為研究對象，以減少乘客出行換乘次數為目標，基于現有交通站點和商業中心，利用交通規劃軟件TransCAD生成7條供選擇的環形地鐵線路，并通過最小化乘客換乘次數（PTN）的目標函數，對7條可供選擇的線路進行組合分析，根據PTN方差和直達出行百分比確定最優解。結果表明，兩線環路方案中L5和L6雙線方案在增加直達需求覆蓋率上提高了70.24%。

關鍵詞 軌道交通；環形網絡；換乘次數；直達出行

中圖分類號 TU998 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）05-0034-03

0 引言

地鐵是大城市中具有容量大、快捷、準時、舒適等優點的一種交通系統。與此同時，地鐵的高速建設和發展要求地面公交線路網絡不斷調整，以與地鐵協調配合[1-2]，最大限度地提高運行效率。當主線構成放射狀網絡時，引入環形交通線是改善交通網絡布局的重要因素[3]。環線位于市中心周圍，與放射線相交，以創造換乘機會，除了節省乘客出行和等待時間、提高交通網絡連通性和可靠性外，環線還有潛力提高放射主線中心的可達性[4-5]。該文以某市現有交通網絡為研究對象，以減少乘客換乘次數為目標，通過增加環形地鐵路線對交通網絡進行優化設計。

1 工程概況

該研究選取某市現有的公交和地鐵網絡為研究對象，地鐵交通網絡包括3條主干線，總長113.6 km，設有88個地鐵站，地鐵站的排列方式從1號地鐵線路的1號站開始，到3號地鐵線路的88號站結束，如圖1所示；共有12條主干公交線路，總長487.7 km，公交線路從4號線開始，到15號線結束。由于交通網絡的不平衡或不足，導致交通延誤、高峰時段出行擁擠、交通方式間多次換乘次數的增加，迫切需要進行優化設計。

2 分析方法

2.1 分析理論

該文將整個公交網絡公交和地鐵系統的連通性，以數學公式概括為所考慮的目標函數。在線路網絡層面，換乘次數是根據線路行程直接或間接覆蓋需求節點對的數量進行評估，所采用的目標函數試圖最小化現有系統的潛在乘客換乘次數（PTN），其定義如下：

（1）

式中，——乘客出發點到終點的節點對，包含于集合W；TS0——乘客從出發地前往目的地使用一種交通方式，沒有換乘站；TS1——乘客從出發地前往目的地使用兩種交通方式，有一個換乘站；TS2——乘客從出發地前往目的地使用三種交通方式，有兩個換乘站；TS∞——從出發地前往目的地，使用三種以上的交通方式；β——一個非負權重因子，反映優化過程中每個部分的相對重要性。

在如圖1所示的純放射狀地鐵網絡中，只有沿著穿過中心的徑向線路才能到達遠離中央商務區（CBD）的目的地，這樣的區域出行將導致不必要的客流量和市中心的高換乘負荷。環形路線可以提供直達出行和更好的連通性，并降低交通網絡的脆弱性。此外，環形或環狀交通線路可能會顯著提高網絡的連通性、直達性和交通網絡的運營效率。因此，建議城市采用交通環線，以鼓勵沿市中心環形走廊進行更高密度、混合用途、以交通為導向的發展。

采用交通規劃軟件TransCAD，將研究區域分解為主要交通分析區域，以起點/目的地（O/D）矩陣格式創建出行模式，然后選擇可用作車站的最佳位置，以選出最佳的公交網絡結構，進而提高該市地鐵和公交網絡的覆蓋性能。擬議的環線設計方案包括三個階段：首先利用TransCAD軟件評估現有的交通網絡；其次，根據環線半徑，以分層的方式提出環線方案；最后，基于PTN目標函數，使用枚舉法選擇地鐵線路的最優解決方案。

2.2 環線地鐵方案

TransCAD軟件集地理信息系統和宏觀交通模擬平臺為一體，可用于任何地理規模或細節水平的所有交通方式，并有專門的工具和程序創建和使用交通網絡[6]。該研究使用TransCAD軟件構建現有的交通網絡，并提出新路線，根據案例研究中現有車站和CBD中心的坐標，在設定環線地鐵半徑和現有相對應車站的基礎上，提出了該市7條可供選擇的環形地鐵線路，線路布局如圖2所示；然后，使用PTN目標函數對7條新的環形地鐵線路進行對比分析，以選擇可提高交通網絡連通性、可覆蓋多地鐵線路的最佳方案。

3 分析結果和討論

在該節中，描述多種類型的多地鐵線路對PTN方差分布和直達需求覆蓋的影響。總體而言，所有類型的地鐵環線均改善了起點/目的地矩陣覆蓋的當前現狀，然后進一步確定最佳的線路組合。TransCAD軟件將每個分析單元定義為（TS0、TS1、TS2和TS∞），然后計算各個單元類別的總和，但是預期的目標函數是多目標函數，它使用覆蓋類型的加權求和。β值的權重是根據PTN方差和直達需求覆蓋率的分布確定比例，根據該研究對象，采用表1所示的一組β權重值確定每個方案的最佳路徑。

為了更好地理解多地鐵設計標準，β策略評估了該市中交通網絡的當前狀態。例如，策略1涉及增加交通網絡（即公交車、地鐵或混合交通）中的直達行程（需要換乘少于兩次的行程），根據式（2）進行計算；而第二個策略則試圖最小化需要兩次或兩次以上換乘的行程，采用式（3）進行分析。從另一個意義上講，PTN方差位于指定范圍內，標記為PTN1和PTN2。此外，如表2所示，列舉了雙線建設對該市交通網絡換乘分布的影響，結果部分僅列出了表現良好的部分解決方案。

（2）

（3）

如圖3所示，根據不同的策略評估了不同的兩線方案對PTN方差的構建效果，橫軸表示雙線建設時的方案，縱軸表示每個β策略對應的PTN方差百分比。對于最佳的PTN，L5和L6雙線方案比其他線路更占優勢，PTN2值總體減少34.6%，而PTN1值總體增加25.3%。如圖4所示，L5和L6雙線方案在增加直達需求覆蓋率方面具有70.2%的優勢。因此，建議在現有的三條地鐵線路中增加此方案線路，環線半徑范圍為線路L5距離CBD中心6.5～7.5 km，而線路L6距離CBD中心7.5～8.5 km。

在決定增加地鐵線路實施時，成本是優先考慮的重點之一，運營和建設成本可能會因當地條件而存在顯著差異。成本分析是地鐵線路設計的初步任務，通常使用參數方法進行初始成本估算，即地鐵線路長度參數是決定所有成本方面的最重要因素。圖5繪制了所有生成案例的成本效益分析，其中對于每個線路組合形成的案例采用預算標準評估整個線路成本，得出由第1條和第3條環線組成的第13號案例達到了最佳比，每10億元的直達需求覆蓋率增加了3.9%。

根據擬議的環形地鐵線路設計方案，環形線路位于市中心周圍，與放射線路相交，以創造換乘機會，因此它們支持綜合的多路徑交通網絡。環形線路覆蓋了服務不完善的地區，此外，環形線路相對于放射線路允許大量換乘。雖然放射線路主要將CBD和交通走廊沿線的主要景點或就業中心與住宅區連接起來，但環形線路有多條交叉的放射線路，將提供更多的換乘機會。與直通線路相比，環形線路的換乘率更高，上下車乘客人數也更多。

4 結論

該文以某市為研究對象，基于現有的公共交通網絡，采用TransCAD軟件形成了以CBD為中心的7條環線，利用PTN目標函數分析了13種組合方案。經過方案比較分析得出：兩線環路方案中L5和L6雙線方案在增加直達需求覆蓋率上提高了70.2%，所以選擇合適的環形地鐵線路可以提高公共交通網絡的連通性和直接性，從而提高公交網絡的運行效率和可靠性。

參考文獻

[1]李金武.鐵路專用線設計相關問題分析[J].城市建設理論研究（電子版）， 2018（18）：100+171.

[2]王杰，符慧丹，孟存喜，等.既有鐵路線路改建設計優化模型與方法[J].鐵道科學與工程學報， 2023（11）：4117-4127.

[3]朱遠祺，屈云超，劉浩，等.環形放射狀路網拓撲結構交通擁堵特性[J].山東科學， 2019（5）：124-130.

[4]劉雨.干路環形交叉口的交通優化設計[J].交通與運輸， 2020（4）：42-45.

[5]劉俊瀟.國內城市軌道交通環線特征分析[J].交通與運輸， 2023（S1）：136-140.

[6]樊嘉聰，高億洋，吳昊.城市公共交通可達性評價方法研究——以珠海市為例[J].城市交通， 2021（6）：102-106+52.