城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案研究

曹世理

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院，山東濟南 250022）

1 引言

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅猛，許多城市已形成軌道交通線網(wǎng)。為保證城市軌道交通線網(wǎng)建設(shè)的合理性和科學性，進行全面、系統(tǒng)的線網(wǎng)規(guī)劃十分必要。城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的研究重點包括客流需求的預測、線網(wǎng)布局及規(guī)模的確定以及線網(wǎng)方案的評價[1-2]。本文以山東省德州市為例，在詳細分析其城市規(guī)劃空間布局的基礎(chǔ)上進行城市軌道交通客流預測，據(jù)此確定城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃原則、層次結(jié)構(gòu)，提出線網(wǎng)規(guī)劃方案，并進行評價擇優(yōu)，同時根據(jù)實際需求提出線網(wǎng)的建設(shè)時序[3-4]，以期為類似城市的軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃提供思路和借鑒。

2 城市概況及規(guī)劃空間布局

德州市位于山東省西北部，北依北京、天津，南鄰省會濟南，西連河北、山西，總面積1.03萬km2，市域總?cè)丝?00余萬人。其處于環(huán)渤海經(jīng)濟圈、京津冀經(jīng)濟圈、山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)及黃河三角洲經(jīng)濟區(qū)交匯區(qū)域，鐵路、公路、運河運輸體系完善，區(qū)位優(yōu)勢十分明顯。公路是德州市交通運輸網(wǎng)的主骨架，市域內(nèi)公路總里程達到2萬余km；此外，境內(nèi)還有石濟客運專線、京滬高鐵、京滬鐵路、石德鐵路和邯濟鐵路。目前，德州市境內(nèi)無城市軌道交通設(shè)施，民眾出行（尤其是市內(nèi)出行）主要依賴公路交通。

根據(jù)德州市城市總體發(fā)展規(guī)劃，其老城區(qū)與各新區(qū)、高鐵片區(qū)將作為中心城區(qū)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展，在此基礎(chǔ)上適度向兩端發(fā)展；同時加快城市產(chǎn)業(yè)升級，促進人口和產(chǎn)業(yè)的聚集，擴大中心城區(qū)規(guī)模。

該市規(guī)劃形成“一帶三心三城”、組團式發(fā)展的城市空間結(jié)構(gòu)，如圖1所示。“一帶”是指東西軸向發(fā)展帶，其從西向東依次串聯(lián)老城區(qū)、河東新城中心區(qū)、高鐵新區(qū)中心區(qū)，并遠景延展至陵城區(qū)中心區(qū)；“三心”是指3個市級發(fā)展核心，即老城區(qū)商貿(mào)中心、河東新城綜合服務中心、高鐵新區(qū)商務中心；“三城”是指老城區(qū)、河東新城、高鐵新區(qū)三大城區(qū)。

圖1 德州市規(guī)劃空間布局示意圖

3 城市軌道交通客流預測

客流預測是城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)，客流大小及方向影響著城市軌道交通的制式選擇、方案布局決策、車站或換乘站選址等。目前，客流預測方法主要有增長率法、經(jīng)驗預判法和四階段法。增長率法、經(jīng)驗預判法主要考慮社會經(jīng)濟、城市空間布局對線路吸引范圍內(nèi)的客流量的影響，同時結(jié)合其他城市現(xiàn)有經(jīng)驗，考慮線路在建成后對路網(wǎng)中其他交通運輸方式的影響，按照一定的增長率進行客流預測。四階段法是以民眾出行特征（即起訖點（OD）出行客流量調(diào)查數(shù)據(jù)，如出行時間、成本、舒適度）為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌考慮各種交通運輸方式，利用相應的數(shù)學模型將全部出行客流量在整個城市交通路網(wǎng)上進行合理分配，得到全部交通運輸方式所承擔的客流占比，進而計算出分配到所研究線網(wǎng)上的出行客流量[5-6]。但是，由于該方法缺少對城市軌道交通具體特征及客流出行生成因素的分析，沒有針對不同出行目的和出行客流量分布規(guī)律單獨建立數(shù)學模型進行分析，對城市軌道交通的實際吸引力過于樂觀或者保守，從而導致預測的客流量過大或過小，偏離合理范圍。

本文在對所研究城市的軌道交通線網(wǎng)進行客流預測時，改進了四階段法：在客流出行生成方面，考慮到土地的利用性質(zhì)及開發(fā)情況對未來客流吸引力的巨大作用，將土地利用性質(zhì)作為OD小區(qū)（以下簡稱“小區(qū)”）的劃分依據(jù)，并對小區(qū)進行擬合，生成大區(qū)，進而建立客流出行生成模型；在客流出行分布方面，由于重力模型對短距離客流出行分布的預測值偏大，因此本次對小區(qū)內(nèi)部和小區(qū)之間的客流出行分布分別建立數(shù)學模型。

（1）小區(qū)內(nèi)部客流出行分布模型。小區(qū)內(nèi)部出行交通量的影響因素包括小區(qū)內(nèi)發(fā)生交通量、吸引交通量（這兩者取決于產(chǎn)業(yè)布局）、小區(qū)面積，其出行分布模型如下：

式（1）中，Qi為i小區(qū)的出行交通量；Gi為i小區(qū)的發(fā)生交通量；Ai為i小區(qū)的吸引交通量；Si為i小區(qū)的面積；K為小區(qū)區(qū)間系數(shù)；α、β、γ為標定系數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)狀OD出行客流量調(diào)查數(shù)據(jù)使用最小二乘法對重力預測模型進行標定得到，如有必要，可通過卡方檢驗驗證參數(shù)選取的合理性（即進行顯著性檢驗，比較自由度與臨界值，前者小于后者時較合理），下同。

（2）小區(qū)間客流出行分布模型。對于小區(qū)間的出行交通量分布，可根據(jù)影響出行的約束因素，制定以下重力模型：

其中，

式（2）～式（4）中，Qij為i小區(qū)和j小區(qū)間的出行交通量；Ki、Kj分別為i小區(qū)和j小區(qū)的區(qū)間系數(shù)；Aj為j小區(qū)的吸引交通量；f（Rij）為阻抗函數(shù)，一般為冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)或者Gamma函數(shù)，與出行延誤時間、擁擠程度等有關(guān)。

城市軌道交通客流預測時，可采用有無對比（即全有全無）的方法進行二階段劃分，首先針對無城市軌道交通的情況，依據(jù)出行客流量調(diào)查數(shù)據(jù)，利用建立的數(shù)學模型，預測不同運輸方式的客流占比；然后在既有出行客流調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建城市軌道交通承擔轉(zhuǎn)移客流模型，預測城市軌道交通客流量。

根據(jù)城市規(guī)劃布局、用地、交通線路等將德州市劃分為13個小區(qū)，如圖2、表1所示。

表1 小區(qū)編號及范圍

圖2 小區(qū)劃分范圍示意圖

依據(jù)德州市目前的人口及居民出行狀況，參考同類型城市發(fā)展情況，預計該城市常住總?cè)丝谠诮冢?030年）、遠期（2040年）、遠景（2050年）分別為177萬人、207萬人、274萬人，其2050年就業(yè)總?cè)藬?shù)將達到150萬人，群眾日均出行3.6次。預測該城市各小區(qū)2050年客流發(fā)生/吸引量如表2、圖3所示。

圖3 2050年各小區(qū)客流發(fā)生/吸引量預測趨勢

表2 2050年各小區(qū)客流發(fā)生/吸引量 萬人次

根據(jù)既有的小區(qū)劃分以及預測的客流發(fā)生/吸引量，利用式（1）和式（2）可計算出2050年客流出行分布，并對分布數(shù)據(jù)進行校核和修正。通過上述方法計算出的2050年各小區(qū)高峰小時客流發(fā)生/吸引量預測值如表3所示，全天及高峰小時出行期望線如圖4、圖5所示。

表3 2050年各小區(qū)高峰小時客流發(fā)生/吸引量 萬人次/h

由圖4、圖5可知，該城市客流出行需求呈現(xiàn)以下2個特征。

圖4 全天出行期望線

圖5 高峰小時出行期望線

（1）向心性。所有小區(qū)都與老城區(qū)的核心區(qū)區(qū)3和區(qū)4有很大的出行交織量，交通需求以老城區(qū)為中心向其他各小區(qū)放射。

（2）軸向性。該城市呈現(xiàn)3條出行需求量較大的軸線，即區(qū)1-區(qū)4-區(qū)8-區(qū)13的東西軸，以及區(qū)3-區(qū)4-區(qū)5、區(qū)7-區(qū)8-區(qū)10的南北軸。

根據(jù)上述客流預測結(jié)果，選用logit模型預測不同交通運輸方式承擔的客流量及其占比，可得：2050年乘坐城市軌道交通出行的客流占比為15%，年客運量為148 萬人次。各種交通運輸方式在不同時期承擔的出行客流量如圖6所示。

圖6 各種交通運輸方式承擔出行客流量

4 線網(wǎng)規(guī)劃方案研究

4.1 線網(wǎng)規(guī)劃原則

城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃應當全方位審視和考量城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化效應對城市未來發(fā)展的可持續(xù)性影響[7]；注重城市軌道交通線網(wǎng)與城市結(jié)構(gòu)形態(tài)、土地利用規(guī)劃、人口與就業(yè)分布、城市交通發(fā)展戰(zhàn)略、居民出行特征、道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、交通樞紐布局等方面的協(xié)調(diào)[8]；注重線網(wǎng)內(nèi)各線路之間以及與其他交通方式間的有機銜接，增強城市各區(qū)域之間的通達性；選擇客流集中的交通走廊進行城市軌道交通建設(shè)，滿足城市化發(fā)展帶線網(wǎng)布局的需求[9]。

在進行線網(wǎng)規(guī)劃時，應力求實現(xiàn)乘車距離最短、換乘次數(shù)最少的目標，布局換乘系數(shù)最小的線路網(wǎng)絡(luò)，保證規(guī)劃線路與其他線路存在交匯點，使乘客通過一次換乘即可到達目的地；線路交匯形式可采用兩線十字交叉；線網(wǎng)換乘點盡量設(shè)在線路中心位置，發(fā)揮線路間一次換乘的最大優(yōu)勢；建設(shè)環(huán)線，串聯(lián)大型客流集散點，在城市外圍實現(xiàn)短距離換乘。

4.2 “面”“線”“點”分析

城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案可通過對“面”“線”“點”3方面的深入分析加以確定[10]。“面”的分析是指對線網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)形態(tài)和布局進行宏觀把控；“線”的研究是指分析主要客流走廊，核驗選線的合理性[11]；“點”的分析是指對線路沿線機場、客運車站、旅游景點、醫(yī)院、商業(yè)中心等大型客流集散點進行篩選和甄別，以此為基礎(chǔ)確定車站選址和規(guī)模[12]。

4.2.1 “面”的分析

德州市中心城區(qū)受魯冀邊界影響，西北方向發(fā)展受限，未來主要向東南方向拓展，而陵城區(qū)則不斷向西拓展，兩者逐漸融合，城市東西向長度遠大于南北向長度，軸向發(fā)展趨勢明顯。城市軌道交通線網(wǎng)應支撐城市發(fā)展組團中的“一帶”，即東西軸向發(fā)展帶，構(gòu)建東西向主通道，縮短東西時空距離，達到“疏解老城交通，引導新城發(fā)展”的目的。受河流、鐵路等天然屏障阻隔，中心城區(qū)呈現(xiàn)“三心三城”組團式發(fā)展格局，隨著陵城區(qū)的并入以及生態(tài)科技城概念的提出，組團逐步演化為 “四心四城”，發(fā)展格局及功能分區(qū)更加完善，如圖 7 所示。城市軌道交通線網(wǎng)應支持各大組團的發(fā)展，在軸向發(fā)展帶基礎(chǔ)上，構(gòu)建縱橫主通道，形成網(wǎng)格放射狀結(jié)構(gòu)。

圖7 德州市發(fā)展格局示意圖

4.2.2 “線”的分析

城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃應選擇連通性好的主要客流走廊，使線路沿城市主要道路敷設(shè)，這樣既可以充分利用已有道路空間，減少對城市的割裂并有效避免拆遷，同時也符合居民的既有出行習慣，可更好地吸引客流。

德州市中心城區(qū)客流方向主要為東西向和南北向，其中東西向是最主要的。因此，城市軌道交通線網(wǎng)應規(guī)劃為由橫縱主通道組成的網(wǎng)格放射狀線網(wǎng)，并沿主要客流走廊敷設(shè)。東西向可利用的走廊有大學路、天衢路、三八路、東方紅路、東風路、新河路。南北向可利用的走廊有迎賓大街、解放大道、湖濱大街、德興大街、康博大道、廣川大道、晶華大道、中傲大道、經(jīng)五路、站前路等。

4.2.3 “點”的分析

作為城市客運的骨干系統(tǒng)，城市軌道交通必須要串聯(lián)城市大型客流集散點。因此，規(guī)劃時應分析這些客流集散點的規(guī)模等級、建設(shè)順序、相互關(guān)系及可能的變化，以此作為規(guī)劃線網(wǎng)構(gòu)架的基點。德州市的主要客流集散點包括汽車站、火車站等樞紐，銀座、德百、萬達、華聯(lián)、澳德樂等商業(yè)中心，以及政府行政中心、醫(yī)院、學校等機構(gòu)。

4.3 線網(wǎng)規(guī)劃方案提出

通過以上對德州市“面”“線”“點”的分析，提出3套城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案。

（1）方案1。1號線東西向敷設(shè)，串聯(lián)老城區(qū)、河東新區(qū)、高鐵片區(qū)等；2號線貫穿主城區(qū)南北；3號線為東西向第2條通道，連接河東新區(qū)以及高鐵片區(qū)的產(chǎn)業(yè)區(qū)和商貿(mào)區(qū)；4號線連接天衢區(qū)、新華區(qū)、河東新區(qū)，如圖8所示。線路全長100.1 km，設(shè)車站71座。

圖8 方案1示意圖

（2）方案2。1號線東西向敷設(shè)，串聯(lián)老城區(qū)、河東新區(qū)、高鐵片區(qū)；2號線貫穿主城區(qū)南北，連接中心區(qū)和河東新區(qū)；3號線貫穿高鐵片區(qū)南北，同時連接中心區(qū)、河東新區(qū)；4號線連接河東新區(qū)工業(yè)區(qū)、綜合服務區(qū)以及老城區(qū)，如圖9所示。線路全長102.9 km，設(shè)車站74座。

圖9 方案2示意圖

（3）方案3。1號線東西向敷設(shè)，串聯(lián)老城區(qū)、河東新區(qū)、高鐵片區(qū)；2號線貫穿主城區(qū)南北；3號線連接中心區(qū)、河東新區(qū)以及高鐵片區(qū)；4號線連接老城區(qū)、河東新區(qū)綜合服務區(qū)、高鐵片區(qū)產(chǎn)業(yè)區(qū)，如圖10所示。線路全長108.9 km，設(shè)車站72座。

圖10 方案3示意圖

4.4 線網(wǎng)規(guī)劃方案評價

為確保城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的科學性、合理性，需要對上述3個方案進行多方面的綜合評價。本次研究所采用的綜合評價體系包括與城市規(guī)劃布局的適應性、民眾出行便捷程度、社會效益、工程技術(shù)可操作性4項一級指標，上述每個指標又包含多個二級評價指標[14]，如表4所示。

表4 綜合評價指標體系

為有效合理地解決各評價指標間相互影響的問題，本研究結(jié)合城市軌道交通的特點，在上述評價體系基礎(chǔ)之上，采用層次分析法建立多層次、多指標的評價數(shù)學模型：

式（5）中，U為i個（i = 4）一級評價指標的集合；式（6）中，Uij為第i個一級指標包含的第j個二級評價指標，Ui為Uij的集合；式（7）中，L為p個評價等級的集合（其中p = 5，分別為優(yōu)、好、較好、一般、差）；式（8）中，ri為Ui對評價Lj的隸屬度rij的集合；式（9）中，W為評價指標的權(quán)重集合，其中ωi為第i個指標的權(quán)重，且ω1+ ω2+ …ωi= 1；式（10）中，B為綜合指標U的綜合評判等級，R為評價指標對評價等級的隸屬度。單層次下各元素的權(quán)重可采用專家循環(huán)打分的方法確定。

對于綜合評價指標U權(quán)重的確定，應明確判斷矩陣Di=（dij），其中dij表示綜合指標ui是否比uj關(guān)鍵及其關(guān)鍵程度如何，取值為l、3、5、7、9。若二者的關(guān)鍵程度相同，則判定dij= dji= 1；若前者比后者更關(guān)鍵，則判定dij= 5，而dji= 1/5。總之，判斷矩陣存在以下規(guī)律：dij＞0；dij=1/dji；dii= 1。判斷矩陣Di確定后，可求解下列矩陣方程，得到Wi：

式（11）中，λimax為特征向量對應特征值的最大值。然后對得到的結(jié)果進行歸一化處理，進而得到各二級指標的權(quán)重向量。

結(jié)合本文預選方案1，通過對方案與城市建設(shè)規(guī)劃布局的適應性、民眾乘坐便捷程度、社會效益、工程技術(shù)可操作性4個方面進行綜合評價。采用德爾菲法確定一級指標和二級指標的權(quán)重向量，得到與一級指標相關(guān)的單評判矩陣，分別為：

根據(jù)最大隸屬度原則，結(jié)合表5計算結(jié)果，計算得到方案1的最大隸屬度為0.334 36，評價結(jié)果為“優(yōu)”。依次計算方案2和方案3的最大隸屬度分別為0.296 34和0.317 21，評價結(jié)果分別為“一般”和“好”。因此，篩選出方案1為最優(yōu)方案。

表5 預選方案1的指標評價結(jié)果

5 建設(shè)時序的確定

線網(wǎng)建設(shè)不追求一步到位，而是應該整體規(guī)劃、分步實施，首先建設(shè)骨架線路，后期逐步實施輔助線路。骨架線路體現(xiàn)的是城市發(fā)展的主要方向，可滿足土地利用和交通運輸?shù)男枨螅瑢φ麄€城市軌道交通線網(wǎng)的結(jié)構(gòu)起穩(wěn)固作用，可使線網(wǎng)兼有穩(wěn)定性和擴展性；而輔助線可對線網(wǎng)進行加密，擴大城市軌道交通線網(wǎng)的覆蓋范圍，提高其的服務水平[15]。

城市軌道交通線網(wǎng)分期建設(shè)規(guī)模應與各時期區(qū)域交通需求和城鎮(zhèn)綜合實力相適應，必須有重點、有層次地推進，循序漸進地發(fā)展，力求兼顧滿足交通需求和引導城市發(fā)展的功能。對于本城市的城市軌道交通線網(wǎng)建設(shè)，推薦分成3個階段實施。

（1）近期（2030年）：修建軌道交通1號線江五南路—德州東站區(qū)間及2號線，長度36.5 km，建立老城區(qū)南北向聯(lián)系，疏解老城交通。

（2）遠期（2040年）：根據(jù)城市發(fā)展狀況，修建軌道交通1號線德州東站—陵城區(qū)間及3號線，長度43.3 km，初步形成網(wǎng)格框架，有效地支持城市總體規(guī)劃。

（3）遠景（2050年）：修建軌道交通4號線，長度18.5 km，進一步完善城市軌道交通線網(wǎng)。

6 結(jié)語

線網(wǎng)規(guī)劃是城市軌道交通從設(shè)計到建成運營全過程的重要依據(jù)、前提和基礎(chǔ)，規(guī)劃時應當全方位重視和考量網(wǎng)絡(luò)化效應對城市未來發(fā)展的可持續(xù)性影響。本文以德州市為例，在研究其城市空間布局的基礎(chǔ)上，通過預測其城市軌道交通客流量并進行“面”“線”“點”3方面的深入分析，制定3套線網(wǎng)規(guī)劃方案并對其進行綜合評價，篩選出方案1為最優(yōu)方案，最后提出先建核心骨架線、再建輔助線的建設(shè)時序建議。下一步還應結(jié)合城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模中的社會經(jīng)濟分析法，對建設(shè)時序和規(guī)模進行優(yōu)化。