市域(郊)鐵路與其他軌道交通融合模式及選擇決策方法研究

趙書毅，姬燕男 ，楊 林，李得偉

（1. 北京交通大學交通運輸學院，北京 100044；2. 軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043；3. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043）

1 研究背景

隨著城市化進程的加快，越來越多的城市群和都市圈涌現，在其內部往往包括干線鐵路、城際鐵路、市域(郊)鐵路、城市軌道交通等多種軌道交通制式，這些軌道交通發展迅速，但目前在我國仍然以獨立運營為主。2021年3月13日，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》[1]正式公布，提出“以城際鐵路和市域(郊)鐵路等軌道交通為骨干，推動市內市外交通有效銜接和軌道交通‘四網融合’，提高都市圈基礎設施貫通性、連接性”。實現各制式軌道交通的充分融合，有利于降低城市群和都市圈內乘客出行成本，提高乘客出行質量，從供給側角度優化交通運輸網絡，指導和改善城市群都市圈空間布局，促進其可持續發展。

當前相關學者從不同角度對軌道交通“四網融合”運營進行研究，并取得了一定成果。實施路徑方面：陶志祥應用空間、供給、需求理論，探究了從網絡、通道、樞紐和運營管理四個角度實現“四網融合”的方法路徑[2]；凌小靜等提出了“以劃分級別和區域的形式構建一體化網絡，通過多樣的運營組織模式和統一票制等方式提升軌道交通的服務質量”的發展路徑[3]；宋元勝等提出四網融合應按照線路、車輛、旅客、票務、安全、資源共享的邏輯順序進行研究[4]。發展策略方面：一些學者在政策標準、投融資、規劃建設和運營管理等方面提出了發展策略和建議[5-10]。周天星等還提出從基礎設施和運營服務兩個角度實現資源共享[11]。綜上，現有研究對“四網融合”模式基本達成了共識，但對于融合模式的總結仍然不夠全面。其次，缺少具體且定量的研究，對具體情況下“采用何種融合模式”“為何采用這種融合模式”等問題無法做出回答。為此，筆者體系化地提出融合的可選模式并建立選擇決策方法，以我國當前發展比較薄弱的市域(郊)鐵路為紐帶，有效指導其向上與國鐵，向下與城軌的融合發展。

2 “四網融合”模式

我國軌道交通按照功能和服務圈層不同，可分為干線鐵路(高速鐵路和普速鐵路)、城際鐵路、市域(郊)鐵路、城市軌道交通4類，各制式的特征如表1所示。

表1 “四網”特征 Table 1 Characteristics of the four networks of rail transit

“高速鐵路+城際鐵路+城市軌道交通”是當前我國主要的軌道交通模式。為促進市域(郊)鐵路發展，推進“四網融合”，筆者在總結四網特征的基礎上提出“四網融合”模式，各層級的關系及內容如圖1所示。

圖1 “四網融合”模式 Figure 1 Integration mode of the four network

2.1 法規政策和標準層面的融合

當前我國缺少“四網融合”方面的相關頂層設計標準、規范和政策，導致不同部門之間的協調配合較為困難。出臺相關法規政策可以鼓勵跨部門合作、明確各部門權責關系、打破體制壁壘，減少資源浪費。以市域(郊)鐵路為例，國家鐵路局、鐵道學會及部分地方部門都發布了各自的標準和設計規范，不同規范之間存在差別，造成了一定程度的混亂。需要對市域(郊)鐵路不同的標準進行規范，盡量實現與其他軌道交通制式設計規范的統一或兼容，以實現軌道交通的統一化、規范化。

2.2 服務融合

服務融合包括安檢互認、票務互通和資源共享。

2.2.1 安檢互認

重復安檢是軌道交通同站換乘過程中的主要耗時環節，實現安檢互認可從3個方面進行：

1) 體制機制方面：發揮上級管理部門的作用，從更高的層面牽頭商討解決方案，例如加強各種軌道交通安檢部門的溝通、建立多式安檢信息共享中心；

2) 標準規范方面：當前市域(郊)鐵路與國鐵和城軌的安檢規定在細則方面仍然存在區別，需要盡快制定出統一的安檢標準或給出安檢標準存在細微差別時的解決辦法；

3) 技術層面：發展無接觸安檢、智能化安檢等新的安檢技術。

2.2.2 票務互通

實現票務互通從票制互通和收入清分互通兩方面進行：

1) 市域(郊)鐵路與國鐵、城軌的票制互通需要做到一票通行，提高乘客出行的便捷性；

2) 建立票務一體化平臺，實現國鐵票務系統、城際、市域和城軌清分中心的互聯互通。

2.2.3 資源共享

資源共享是從城市群和都市圈的多層次軌道交通系統層面統籌考慮，將不同線路具有共性的空間、設備設施甚至客流信息等資源進行共享，更好地節省成本、提高效率。資源共享模式可分為3個層面：

1) 空間共享：指合并市域(郊)鐵路與其他軌道交通的相同服務屬性的設備占地需求和設施建設用地需求；

2) 設施設備共享：指設置同制式、多制式車輛檢修臺位。此外，還可以共享某些通用部件的檢修能力、人員和技術等；

3) 信息共享：將客流、開行方案等信息在各運營主體部門間共享，以便運輸部門在供給側進行調整，提高軌道交通服務水平。

2.3 技術融合

技術融合包括同站換乘和過軌運營。

2.3.1 同站換乘

同站換乘包括兩種模式。

1) 單點換乘。單點換乘是指將市域(郊)鐵路引入城市中心區，與其他軌道交通線路形成一個換乘站點的換乘模式。該模式的工程投資較少且運輸組織相對簡單，但不利于乘客快速便捷通勤。

2) 多點換乘。多點換乘是指將市域(郊)鐵路引入城市中心區，與其他軌道交通線路形成兩個及以上換乘站點的換乘模式。該模式下乘客的換乘選擇更加豐富，適用于客流量較大、換乘方向較多的情況。

2.3.2 過軌運營

過軌運營是指在相互銜接的兩條或多條軌道交通線路上，列車從一條線路跨越到隸屬于其他運營實體的另一條線路上繼續運行的運輸組織方式。過軌運營包括單向過軌運營和雙向過軌運營兩種模式[12]。

各融合模式之間的關系如下：法律政策和標準是第一層級，即若要實現“四網融合”，首先必須推進落實；服務融合是第二層級，推進安檢互認、票務互通和資源共享可以很大程度促進不同軌道交通之間的聯系；技術融合是第三層級，屬于不同軌道交通之間物理層面的融合。

3 技術融合模式選擇決策方法

筆者探討的融合模式選擇，是在法規政策具備的情況下，進一步對服務融合模式和技術融合模式進行分析。對于服務融合模式，應盡量創造條件實現安檢互認、票務互通和資源共享，以提高軌道交通網絡的服務水平，因此不存在服務融合模式的選擇問題。對于技術融合模式，筆者提出兩階段決策方法，即首先考慮技術可行性和客流適應性兩大硬性指標，然后對服務水平、管理水平、成本效益等主觀指標進行綜合評價，如圖2所示。

圖2 技術融合模式兩階段決策方法 Figure 2 Two-stage decision-making method of the technology integration mode

3.1 第一階段決策

3.1.1 技術可行性

對于換乘模式，主要需要做好客流組織工作，車輛、信號等方面的統一不是必須的，但應結合實際情況預留后續實現兼容的可能性。對于過軌模式則需要考慮線路、車輛以及供電制式、通信信號系統之間的兼容性。

1) 線路。一是軌距：市域(郊)鐵路、國鐵干線、城際和城軌線路都采用1 435 mm標準軌距，因此在軌距方面具備過軌運營條件。二是限界：若組織過軌運營，市域(郊)鐵路車輛必須能夠滿足過軌線路的限界要求。

對于新建線路，需提前考慮不同制式軌道交通的限界要求。當市域(郊)鐵路與國鐵過軌運營時，可參照《城際鐵路設計規范》TB10623—2014[13]進行計算；當市域(郊)鐵路與地鐵過軌運營時，可參照《地鐵限界標準》CJJ/T 96—2018[14]進行計算。另外，車輛限界應根據車輛技術參數、最大行車速度、軌道參數、接觸網(接觸軌)參數以及各種磨耗值計算確定。對于已有線路，國外一般采用單向過軌的方法來解決不同限界標準線路的過軌運營問題。

綜上，如果過軌運營線路的限界滿足不同軌道交通制式的限界要求，則在線路方面具備過軌運營條件。

2) 車輛。從以下方面判斷車輛是否具備過軌運營條件[15]：

一是過軌車輛是否同時滿足兩條線路的限界要求；二是過軌車輛是否可以兼容兩條線路的牽引供電制式；三是過軌車輛的車門位置以及站臺屏蔽門控制系統是否可以兼容兩條線路；

如果車輛設備可以相互兼容，則認為在車輛方面具備過軌運營條件。

3) 牽引供電系統。目前市域(郊)鐵路車輛的牽引供電制式有AC 25 kV和DC1 500 V兩種，與國鐵過軌運營時，應選擇AC 25 kV，與城軌過軌運營時，應選擇DC1 500V。此外，特定情況下可以采用雙制式供電列車，以適應不同線路的牽引供電制式。

因此在牽引供電系統方面，市域(郊)鐵路與國鐵或城軌具備過軌運營條件。

4) 通信信號系統。各制式軌道交通采用的通信信號系統如表2所示。《市域(郊)鐵路設計規范》TB10624—2020[16]規定市域列車運行控制可采用CTCS列控系統，也可采用CBTC列控系統。

表2 不同制式軌道交通信號系統制式 Table 2 Signal system of different rail transit systems

為了實現信號系統兼容可以考慮以下措施：

一是采用由同一廠商制造、制式相同的信號系統。二是在市域(郊)鐵路列車上安裝不同的車載設備，一套用于自身路段，另一套用于過軌區段；或者在過軌區段安裝適用于不同車載設備的地面設備，保證過軌列車能順利運行。

三是市域(郊)鐵路與國鐵或城軌采用基于統一規范的信號互聯互通設備，各設備廠家開放接口協議，產品開發、工程實際、測試驗證等均遵從統一的標準規范。如重慶軌道交通已實現了不同供應商CBTC系統間的互聯互通[19]。

因此，在通信信號系統方面，市域(郊)鐵路與國鐵或城軌具備過軌運營條件。

3.1.2 客流適應性

1) 換乘客流比例要求。當市域(郊)鐵路與其銜接線路客流斷面水平差異不大(市域最大斷面客流占相鄰線最大斷面客流的50%以上)，且有較多乘客換乘(市域跨線客流交換量占市域總客流的50%以上)時，市域(郊)鐵路可以與相鄰線路組織過軌運營[16]。

2) 最低服務水平的客流數量要求。為了避免乘客候車時間過長的情況，列車的開行對數不能過少(每小時的列車開行對數不少于4對[16])。因此，過軌客流需滿足最低服務水平客流量，計算公式如下：

式中，P為最低服務水平客流量；a為每小時最小開行對數；b為列車編組數；p為車輛定員；β為列車滿載率。

綜上所述，當過軌客流量同時滿足上述兩個要求時，市域(郊)鐵路與國鐵或城軌在客流方面具備過軌運營條件。

3.2 第二階段決策

3.2.1 評價指標體系構建

筆者應用目標層次分類法，將融合模式的評價指標體系構建為“目標層—準則層—指標層”的三層結構，如圖3所示，準則層分別從不同角度出發確定：服務水平是從消費者的角度出發；管理水平是從運營管理者的角度出發；成本效益是從規劃建設者的角度出發。

圖3 融合模式的評價指標體系 Figure 3 Evaluation index system of the integration mode

評價指標體系涉及到定性與定量指標，相關定性描述或定量計算如下。

旅行時間為定量指標，乘客旅行時間是反映融合方案優劣的重要指標[20]。

出行便捷性為定性指標，出行過程的直達性越強、換乘次數越少，則出行便捷性越強。實現安檢互認和票務互通可以提高出行便捷性。

運營管理難度為定性指標，過軌運營模式和同站換乘模式的運營管理難度不同。

列車延誤風險為定性指標，過軌運營時，由于過軌列車與本線列車的相互影響，增大了列車的延誤風險，發生延誤后的恢復也變得更加困難。

建設成本為定量指標，建設成本主要由車站建設成本和車輛購置成本組成[21]。

運營成本為定量指標，運營成本主要由員工工資、車輛和設備檢修成本、運營支出及其他費用組成。

運營收入為定量指標，包括票款收入和其他收入。

3.2.2 “層次分析-熵權-灰色關聯度”評價模型

技術融合模式的進一步選擇決策，屬于多因素指標決策評價問題。由于存在較多的定性指標，因此使用灰色關聯度法進行選擇決策。確定評價指標權重的方法包括主觀賦權法和客觀賦權法兩大類。層次分析法屬于主觀賦權法，其對決策者的要求較高且評價結果容易產生誤差。熵權法屬于客觀賦權法，所得結果不受決策者主觀影響，但會忽略指標本身的重要程度和指標之間的影響，容易出現評價決策與預想情況有較大出入的情況。為平衡兩個方法的優缺點，采用層次分析法與熵權法相結合的綜合評價方法，盡可能使指標權重科學準確。

1) 評價指標歸一化。對于各評價指標，應首先分別確定其相對值或實際值，然后進行無量綱歸一化處理，實現由相對值或實際值到評價值的轉化。

①定性指標量化。定性指標區別于定量指標，無法直接得到準確的實際值。為此，應用模糊統計的方法，確定各定性指標之間的相對隸屬度，將其作為定性指標的量值(見表3)。

表3 定性指標量化 Table 3 Quantification of qualitative indicators

② 定量指標無量綱化。定量指標可直接計算出量值，但可能存在不同定量指標之間量綱不統一的情況。為此需要進行無量綱化處理。定量指標分為成本型指標(C1、C5和C6)和效益型指標(C7)，采用下述兩種不同的無量綱化方法將其處理成為[0，1]區間內的值：

式中，n為評價指標個數，m為融合方案個數，下同，i=1,2,3,4,…,m；j=1,2,3,4,…,n。

將上述處理得到的評價指標合并，形成融合模式評價模型的評價矩陣R：

2) 評價指標權重。綜合使用層次分析法與熵權法，前者確定評價指標的主觀權重，后者確定評價指標的客觀權重，從而得到組合權重。

①層次分析法確定主觀權重。按照如下步驟進行：建立層次結構指標體系；通過專家打分法得到判斷矩陣；求解判斷矩陣特征根及特征向量并計算總排序權重；一致性檢驗。

②熵權法確定客觀權重。通過計算評價矩陣中各指標的熵值，并經過一系列變換，即可得到客觀權重值。

基于評價矩陣R，得到熵值矩陣P為：

式中，為保證0≤Hj≤1，令e=1/lnm；約定當pij=0時，lnpij=0。

因此，對于指標Cj，利用熵權法確定客觀權重為：

③確定組合權重。采用線性加權求和的方法計算組合權重：

3) 基于加權灰色關聯度的評價方法。

①建立加權灰色關聯模型：

式中，B=｛bi,i=1,2,…,m｝，為m個融合模式的結果矩陣；W=｛ωj,j=1,2,…,n｝，為n個評價指標的組合權重向量；G=｛ζij,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n｝為灰色關聯系數矩陣，ζij為方案i的第j個指標與第j個最優指標的關聯系數。

②構建灰色關聯系數矩陣。假設理想方案(一般設為1)的評價矩陣為R0=（r01,r02,…,r0n），則評價方案中指標rij與理想方案中指標r0j間的灰色關聯系數為：

式中，ρ為分辨系數，0≤ρ≤1，通常取ρ=0.5。

通過上式計算，可以得到灰色關聯系數矩陣為：

③模型結果計算。根據式(12)，得到待評價方案與理想方案的加權灰色關聯度bi：

式中，bi表示待評價方案與理想方案的關聯程度，其值越接近1，說明待評價方案越接近理想方案。將所有待評價方案的加權灰色關聯度進行比較，數值最大者為最優方案。

4 案例分析

4.1 線路概況

西寧—青海湖—茶卡(察汗諾)鐵路是一條以城際、旅游功能為主的新建市域鐵路，其東端通過蘭青鐵路引入西寧樞紐，西端通過茶卡支線電氣化改造與青藏鐵路西格段相連，共同形成環繞青海湖的環線鐵路。筆者主要研究西寧—青海湖—茶卡(察汗諾)鐵路(以下簡稱西青茶鐵路)與既有青藏鐵路西格段(以下簡稱西格段)在旅游旺季技術融合模式的選擇，線路示意如圖4所示。

圖4 線路示意圖 Figure 4 Schematic of lines

4.2 第一階段決策

案例的兩條線路有兩種技術融合方案。

方案一：多點換乘。西青茶線分別在西寧站和察汗諾站單點接入西格段，相互獨立建設并運營。

方案二：單向過軌運營。西青茶線在西寧站和察汗諾站與西格段接軌，西青茶線列車可通過過軌站駛入西格段線路。

4.2.1 技術可行性

1) 線路。兩條線路均采用1 435 mm標準軌距。西青茶鐵路的建筑限界按照《城際鐵路設計規范》(TB10623—2014)[13]進行設計，具備過軌運營條件。

2) 車輛。西青茶鐵路將采用CRH系列國鐵動車組(茶卡支線將采用HXD1C型機車)，西格段當前采用HXD1C型機車，具備過軌運營條件。

3) 牽引供電系統。西青茶鐵路與西格段均采用AC 25 kV交流制牽引供電制式，具備過軌運營條件。

4) 通信信號系統。西青茶鐵路全線采用符合《調度集中系統技術條件》(TB/T3471—2016)[22]的調度集中系統(CTC)，與青藏公司調度中心相關既有設備配套。西寧西至茶卡北的部分按照CTCS-2級列控系統設計，茶卡支線與西格段均為CTCS-0級列控系統。為了滿足過軌運營需求，可以在茶卡北站股道停車以人工方式完成CTCS-2→CTCS-0模式切換，從而使得在通信信號系統方面具備過軌運營條件。

4.2.2 客流適應性

1) 換乘客流比例要求。西青茶鐵路2030年的預測最大斷面客流量為494萬人次，而西格段2030年的預測客流量為420萬人次，兩線路的客流斷面水平差異不大，并且有較大的跨線客流，加之青藏鐵路西格段能力富余(能力利用率39%)，因此認為滿足換乘客流比例要求。

2) 最低服務水平的客流數量要求。由列車開行方案，西青茶鐵路的每小時最小開行對數為2，如果以長編組16節定員按1 000～1 200人/列的CRH動車組進行推算，若開行過軌列車，則至少提供2 000人/h的運能，推算高峰小時過軌客流不少于1 600人，滿足要求。

綜上所述，筆者認為西青茶線滿足過軌運營的客流適應性條件。下面運用“層次分析-熵權-灰色關聯度”評價模型來進行進一步決策。

4.3 第二階段決策

4.3.1 評價指標值確定

在7個評價指標中，有3個定性指標，4個定量指標，分別將定性與定量指標進行量化、無量綱化處理。

對于定性指標，通過專家咨詢及模糊標度法確定量值，并把量值作為評價值，結果見表4。

表4 定性指標評價值 Table 4 Evaluation value of qualitative indicators

對于定量指標，部分數據通過咨詢專家和查閱文獻獲得。

1) 旅行時間成本：如表5所示。

表5 旅行時間成本評價值 Table 5 Evaluation value of travel time cost

2) 建設成本：對于方案二，為避免大量動車組列車在察漢諾站折角運行，需修建茶卡支線至西格段聯絡線(約5.6 km)，建設成本預估為5.4億元，除此之外的全線建設成本預估為266.2億元。

3) 運營成本和運營收入，見表6。

表6 運營成本及收入估計值 Table 6 Estimated value of operating cost and revenue 億元

將上述數據進行無量綱化處理后，得到定量指標評價值，如表7所示。

表7 定量指標評價值 Table 7 Evaluation value of quantitative indicators

將指標評價值合并，得到評價矩陣R

4.3.2 評價指標權重計算

主觀權重通過層次分析法得到，以自上而下的順序對指標進行兩兩比較，得到最終的主觀權重。計算結果見表8。

表8 評價指標主觀權重 Table 8 Subjective weight of evaluation index

應用熵權法對評價矩陣R進行處理，即可得到各指標層相當于準則層的客觀權重ω*

當α=0.486、β=0.514時，綜合權重主觀、客觀偏差最小，更為客觀合理[23]。可得組合權重ω：

4.3.3 求解結果

設理想方案為各指標評價值均為1的方案，即R0=(1，1，1，1，1，1，1)，求得灰色關聯系數矩陣G為：

由結果矩陣可知，方案二的加權灰色關聯度b2=0.834 5更接近1，說明方案二更接近最優方案，故西青茶鐵路應采用過軌運營模式與西格段融合。

5 結語

本文提出了“四網融合”模式，建立了市域(郊)鐵路與其他軌道交通技術融合模式選擇的兩階段決策方法，并結合實際案例進行了驗證。市域(郊)鐵路是我國軌道交通發展的新趨勢，未來需要在理念、發展模式及體制等方面繼續探討。由于“四網融合”問題的復雜性、系統性，未來還需要對安檢互認、票務互通、資源共享等的實現方法進行深入討論，并結合具體城市群和都市圈的特點，進一步深化研究。