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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

1 都市圈綜合軌道交通系統(tǒng)構(gòu)成

都市圈的特征界定與分析是進(jìn)行軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃布局的基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)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(jìn)程中形成的特殊空間形態(tài)，涵蓋多個(gè)城市、輻射大量人口、聚合多種產(chǎn)業(yè)，是經(jīng)濟(jì)要素不斷流動(dòng)與集散的綜合作用，也是區(qū)域經(jīng)濟(jì)實(shí)力與競(jìng)爭(zhēng)力體現(xiàn)的關(guān)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(jí)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(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)一體化趨勢(shì)的地域空間組織，通過(guò)以經(jīng)濟(jì)為發(fā)展引擎帶動(dòng)城市間的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系。在我國(guó)都市圈培育的過(guò)程中，國(guó)外發(fā)達(dá)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(gòu)成

國(guó)外都市圈發(fā)展進(jìn)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(shí)現(xiàn)空間合理演化。結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)展實(shí)踐，考慮綜合軌道交通所服務(wù)的都市圈的空間結(jié)構(gòu)、土地規(guī)劃、需求分布等多方面因素，結(jié)合都市圈的圈層特征確定軌道交通系統(tǒng)的構(gòu)成。根據(jù)都市圈空間結(jié)構(gòu)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(tuán)及技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)組成的第二圈層；對(duì)外包括隸屬于同一城市群或省域的第一對(duì)外聯(lián)系圈，以及與省外其他中長(zhǎng)距離的第二對(duì)外聯(lián)系圈。相應(yīng)地，軌道交通系統(tǒng)構(gòu)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(gè)層級(jí)，分別服務(wù)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(guān)系表示如圖1所示。

圖1 都市圈圈層與軌道交通層級(jí)關(guān)系

1.3 都市圈軌道交通系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于整體與局部相結(jié)合、一體化與層級(jí)化相結(jié)合的規(guī)劃原則，首先明確高等級(jí)軌道交通層次功能布局要求，逐步推演下一層級(jí)功能布局方案，經(jīng)過(guò)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(chǔ)上對(duì)客流水平、線網(wǎng)規(guī)模、空間架構(gòu)、樞紐布局等進(jìn)行細(xì)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(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 都市圈綜合軌道交通系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)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(fù)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(cè)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(jì)社會(huì)發(fā)展水平相適應(yīng)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(shí)應(yīng)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(guò)程中相繼形成重要度布局法、交通走廊布局法、主要集散點(diǎn)連線法、出行向量法、網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建以旅客出行時(shí)間最小為目標(biāo)的線網(wǎng)布局模型進(jìn)行空間架構(gòu)。

2.2 基于旅客出行時(shí)間最小的規(guī)劃模型

2.2.1 規(guī)劃目標(biāo)

相較于單一的軌道交通系統(tǒng)，合理滿足多層次、復(fù)雜化的出行需求確定線網(wǎng)規(guī)劃方案的主要目標(biāo)，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(shí)間最小作為主要規(guī)劃目標(biāo)，表示如下

(1)

式中OD(u，v)(v≠u(mài))——OD對(duì)u和v之間的客流；

λ(u，v)——OD(u，v)(v≠u(mài))在其路徑上所消耗的時(shí)間；

OD( )——起點(diǎn)與終點(diǎn)間的交通分布函數(shù)；

其中，路徑消耗時(shí)間λ(u，v)包括換乘時(shí)間和在途時(shí)間，即

(2)

式中l(wèi)uv——區(qū)段(u，v)的長(zhǎng)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(biāo)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(duì)軌道交通覆蓋范圍、出行時(shí)間需求廣泛，而供給者從投資、運(yùn)營(yíng)管理等考慮要求距離最短，從而決定了最長(zhǎng)和最短規(guī)模，因此為避免線路長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或者過(guò)短帶來(lái)的一系列問(wèn)題，以軌道交通線路有效長(zhǎng)度為模型約束，具體如下

(4)

式中，lk為路段k的有效長(zhǎng)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(zhǎng)度的最小值和最大值。

以上所提線路總長(zhǎng)度也即線網(wǎng)合理規(guī)模的確定，是在相應(yīng)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(jí)、多模式軌道交通等匹配合理、功能完整的優(yōu)化目標(biāo)，以分層確定分級(jí)、分級(jí)測(cè)算規(guī)模、級(jí)配實(shí)現(xiàn)融合為測(cè)算流程，構(gòu)建基于層級(jí)優(yōu)化的都市圈綜合軌道交通線網(wǎng)規(guī)模測(cè)算模型。其計(jì)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(cè)算流程涵蓋以下主要步驟：①應(yīng)用分形理論及空間結(jié)構(gòu)模型劃分都市圈網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)需求，確定軌道交通層次以及系統(tǒng)構(gòu)成集；③考慮財(cái)政壓力適度和都市圈軌道交通超前發(fā)展需要，分層級(jí)測(cè)算都市圈軌道交通線網(wǎng)合理規(guī)模；④應(yīng)用非集計(jì)模型劃分各軌道交通系統(tǒng)服務(wù)功能，合理確定各層級(jí)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(cè)算重點(diǎn)，篩補(bǔ)漏重、融合點(diǎn)線、暢通圈層，考慮總量約束測(cè)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(guò)對(duì)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃的系統(tǒng)分析，總結(jié)大西安范圍內(nèi)的軌道交通尚存在以下問(wèn)題：①各層次線網(wǎng)規(guī)劃重疊、線路走向重復(fù)，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(yùn)能浪費(fèi)嚴(yán)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(jí)軌道交通割裂嚴(yán)重，難以充分滿足各層次運(yùn)輸需求。因此，運(yùn)用規(guī)劃模型生成軌道交通線網(wǎng)方案，進(jìn)一步針對(duì)既有規(guī)劃存在的主要問(wèn)題，提出合理的功能優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)方案。

3.1 優(yōu)化思路

運(yùn)用上述規(guī)劃思路建立模型，考慮規(guī)?？偭考s束以及旅客出行時(shí)間目標(biāo)導(dǎo)向，生成綜合軌道交通線網(wǎng)的布局方案。進(jìn)一步針對(duì)各層次軌道交通功能重疊交叉的問(wèn)題，提出通過(guò)資源的整合利用進(jìn)一步優(yōu)化路網(wǎng)布局。一方面，挖潛國(guó)鐵、城際網(wǎng)中部分線路的富裕或閑置能力開(kāi)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(gòu)建承擔(dān)城市近郊通勤運(yùn)輸功能的市域線網(wǎng)，充分補(bǔ)強(qiáng)既有軌道交通線網(wǎng)中的市域功能，在此過(guò)程上，對(duì)各層級(jí)軌道交通走向重復(fù)、功能重疊的線路同步整合優(yōu)化、完善布局結(jié)構(gòu)[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(shí)際出發(fā)，充分考慮不同層次的旅客出行需求特征，構(gòu)建基于出行時(shí)間成本最小的優(yōu)化布局模型，對(duì)大西安軌道交通線網(wǎng)適當(dāng)優(yōu)化。經(jīng)基于客流強(qiáng)度的初步測(cè)算以及供需主體對(duì)出行時(shí)間、運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)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(shí)的約束區(qū)間；進(jìn)一步，基于對(duì)各層次軌道交通服務(wù)范圍、客流出行強(qiáng)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(guó)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(shí)扣除重疊規(guī)模150 km，確定綜合軌道交通線網(wǎng)規(guī)?？偭考s2 010 km。鑒于實(shí)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(diǎn)之間的航空線距離進(jìn)行換算。

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

形成方案如圖3所示。

3.2.2 方案說(shuō)明

在規(guī)劃方案生成的基礎(chǔ)上，考慮不同層級(jí)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(yùn)用情況，進(jìn)行功能層次的進(jìn)一步優(yōu)化。

(1)國(guó)鐵與城際鐵路市域功能分析

通過(guò)對(duì)路網(wǎng)布局分析及相關(guān)線路能力測(cè)算，考慮不同方向的市域客流需求，研究提出分別利用國(guó)鐵、城際鐵路開(kāi)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(jié)構(gòu)、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(gè)層次，其中市域?qū)拥墓δ苤饕?wù)于城市中心與郊區(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(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

(3)軌道交通線網(wǎng)市域功能補(bǔ)強(qiáng)方案

基于上述分析，確定線網(wǎng)市域功能的補(bǔ)強(qiáng)方案如表3所示。

表3 軌道交通線網(wǎng)市域功能補(bǔ)強(qiáng)方案

綜上，綜合運(yùn)用定性研判與定量分析相結(jié)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(shí)現(xiàn)資源的合理配置與路網(wǎng)效益最優(yōu)。

4 結(jié)論

綜合軌道交通線網(wǎng)融合發(fā)展是適應(yīng)新時(shí)期都市圈建設(shè)與綜合交通運(yùn)輸體系構(gòu)建的必然選擇，在綜合軌道交通框架體系下，應(yīng)著力從系統(tǒng)優(yōu)化、效能提升的角度對(duì)各層次線網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化整合、合理布局，以切實(shí)做到高效配置資源、提升路網(wǎng)綜合效率。對(duì)綜合軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的框架設(shè)計(jì)、線網(wǎng)規(guī)模、規(guī)劃布局等進(jìn)行了重點(diǎn)研究，提出了相應(yīng)的方法；同時(shí)針對(duì)大西安都市圈綜合軌道交通線網(wǎng)中存在的問(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)市域功能補(bǔ)強(qiáng)與線網(wǎng)優(yōu)化進(jìn)行研究，提出優(yōu)化方案。但是，研究重點(diǎn)從需求的角度進(jìn)行分析，忽略了供給系統(tǒng)的功能輸出，同時(shí)缺少綜合樞紐布局的研究，還有待進(jìn)一步深化。