河谷型城市中低運量軌道交通制式選擇研究

龐登瑀，楊懿軒

(四川省交通運輸發展戰略和規劃科學研究院,成都 610041)

引言

軌道交通在公共交通系統中占據重要的地位,深圳、成都等以地鐵等大運量軌道交通為主的特大城市軌道交通分擔率已超60%,而根據《國務院辦公廳關于進一步加強城市軌道交通規劃建設管理的意見(國辦發[2018]52號)》等文件,大中城市在人口、經濟、客流等方面較難達到申報建設地鐵、輕軌等大運量軌道交通的條件[1-2],以單軌、有軌電車等為代表的中低運量軌道交通將成為大中城市的最佳選擇。我國目前有50%左右的人口居住在山地城市,其中河谷型城市是其占有量最大的類型之一,且大部分屬于大中城市,如西寧、寶雞、西昌等[3-4],但相比于平原地區,河谷型城市在構建軌道交通時會因較強的地理、環境特征等受到更多條件限制。

選擇合理的制式是構建軌道交通的第一步,如何能高效、科學地挑選出某城市適用的軌道交通制式這一問題逐漸受到了國內外學者的關注,主要圍繞不同制式技術特征、制式選擇方法、制式選擇因素等方面開展了相關研究[5-7],但針對河谷型城市的軌道交通研究,特別是中低運量軌道交通制式選擇的研究較少。因此,本文以中低運量軌道交通系統為基礎、河谷型城市為研究對象,分析其在制式選擇時的主要考慮因素,以此建立評價指標體系,構建基于熵權-層次分析法的組合權重模型,并進行實例分析,填補研究空白,為河谷型城市提供快速、科學的中低運量軌道交通制式選擇決策思路。

1 中低運量軌道交通系統概況

1.1 分類及特征

中低運量城市軌道交通是指平均運輸能力在0.5萬～3萬人次/h之間、旅行速度高于常規公交的交通系統[8]。目前已逐步形成由跨座式單軌、懸掛式單軌、自動旅客捷運系統、中低速磁浮列車、現代有軌電車、智能軌道快運列車等多種制式組成的軌道交通系統,上述制式類別的主要技術、常用場景、比較優勢、系統缺點見表1。

表1 中低運量軌道交通分類及主要特征[5,9-11]Tab.1 Classification and main characteristics of medium and low capacity rail transit

1.2 建設情況

目前國內已有近30個城市開通運營中低運量軌道交通,合計運營里程約750 km,約占軌道交通系統運營里程的6%。

由表2可知,中低運量軌道交通制式中,現代有軌電車應用規模最大,已有超18個城市運營該制式系統,里程約500 km;跨座式單軌目前主要應用于重慶、銀川等地,運營里程約150 km;中低速磁浮列車主要應用于北京和長沙,運營里程約30 km;自動旅客捷運系統主要在北京、廣州等機場設置,運營里程約17 km;智軌系統面世推廣時間最晚,但增長速度較快,已在宜賓、株洲等城市得到推廣,運營里程已超過50 km。

2 河谷型城市對中低運量軌道交通制式的主要考慮因素

2.1 河谷型城市概述

我國山地占據了陸地面積的2/3,全國有超300個城市位于山區,而河谷城市是山地城市占據數量最多的一類,他們不僅是城鎮化建設的重要根據地,更是山區經濟的發展核心。河谷型城市是指城市建成區在河谷中形成和發展的城市,一般處于河流的中上游地區,發展空間常受到地形、河流的直接限制[12],城市空間拓展的方向一般沿河流帶狀發展或沿垂直河流的山體上拓展[4]。

我國河谷型城市主要分布在西部地區,包括蘭州、西寧、重慶、天水、寶雞、西昌、攀枝花、延安、永登等城市,居民人口數量從30萬～2 000萬人不等,但主要集中于100萬～500萬人的大中城市之間。

2.2 考慮因素分析

軌道交通是開拓城市發展空間的重要手段,需因地制宜綜合考慮各類因素。與平原地區相比,河谷型城市在經濟發展、地質條件、生態環境等方面的約束更多,對軌道交通制式選擇提出了更高的要求,具體分析如下。

(1)要求更加契合社會經濟發展水平。河谷型城市整體經濟發展水平與前排發達城市還存在一定差距,政府基礎設施建設投資資金有限,項目主體及配套招商引資也較為困難,應盡量選擇綜合造價合理、建設成本適當的制式系統,避免過度超前發展帶來地方財政難以為繼的困境。

(2)要求更加匹配客流發展特征。中低運量軌道交通系統制式較多,不同制式系統適用于不同的客流特征,特別是河谷型城市由于城市空間格局較為特殊,其軌道交通線路建設常沿河流或主干道敷設,與環形、放射型城市相比更容易在早晚高峰時段產生較大的客流量變化[13],同時,不同制式的適用場景也不同,因此在選擇軌道交通制式時,應選擇可承載線路客流量的峰值和變化、符合線路使用功能的軌道交通制式。

(3)要求更加適應地形地質條件。河谷型城市在城市主體發展時,通常會受到河流、山地、丘陵等地形的直接限制(如山體與丘陵的坡度、相對高度、植被條件、地質條件等),致使其地形呈現高低懸殊明顯的特征[14],且道路的非直線系數通常較大[15],在選擇中低運量軌道交通制式時,需充分考慮不同制式系統的轉彎半徑大小和爬坡能力水平,以更好適應復雜的地形地貌環境,支撐城市空間拓展開發。

(4)要求更加凸顯綠色安全底色。目前我國正處于高質量發展的關鍵階段,對綠色、安全建設等均提出了相關要求,河谷型城市的容量和規模有更加明顯限制[16],大氣污染物更不易排放,土地資源更為緊張,也更容易發生坍塌、滑坡、洪澇等次生災害,在選擇中低運量軌道交通制式時,需著重考慮運營時產生能耗[17]和噪聲更低、土地占用面積較小、安全性能更高的制式系統,支撐引領經濟社會高質量發展。

3 基于熵權-層次分析法的組合權重制式選擇模型

中低運量軌道交通制式的選擇本質上屬于綜合決策問題,解決這類問題的常用方法有層次分析法、數據包絡分析等,本文將定性、定量結合,采用層次分析法和熵權法,通過引入主觀偏好系數構建組合權重進行制式選擇[18-19]。

3.1 基本方法介紹

3.1.1 層次分析法

層次分析法是多屬性決策分析模型,計算步驟如下[20]。

Step1.構建由決策目標(目標層)、考慮因素(準則層)、決策對象(方案層)組成的層次結構模型。

Step2.分別對目標層—準則層、準則層—方案層的指標重要程度兩兩比較,利用“1～9標度法”賦予權重,構建判斷矩陣

(1)

式中,n表示有n個因素。

Step4.當所有判斷矩陣通過一致性檢驗以后,對各層次指標權重進行加權綜合,最終得到方案層各指標相對于目標層的權重W。

3.1.2 熵權法

熵權法是通過判斷指標信息熵的大小來賦予權重,若某個指標的熵值越小,說明該指標能提供更多的信息,在評價模型中就更重要,反之,若某個指標的熵值越大,在評價模型中就更不重要。該方法廣泛應用于綜合評價模型,計算方法如下。

Step1.設評價模型中有p個對象,q個評價指標,初始化決策矩陣Z=(Zij)p×p,(i=1,2,…,p;j=1,2,…,q),對數據歸一化處理形成標準化矩陣Y,元素為Yij,則

(2)

Step2.計算指標yj(j=1,2,…,q)的信息熵

(3)

Step3.計算各指標相對于目標層的客觀熵權

(4)

3.1.3 主觀偏好系數

主觀偏好系數主要用于解決需主觀評價方案重要度的問題,常用于兩種及以上模型的綜合評價,設θ為主觀偏好系數,i為需要評價的個數,則

當i=2,

w=θ×w1+(1-θ)×w2

(5)

當i=3,

w=θ1×w1+θ2×w2+(1-θ1-θ2)×w3

(6)

其中,θ取值越大代表對應模型權重越大,具體取值依據模型蘊含信息量、可靠性高低進行主觀賦值。

3.2 基于熵權-層次分析法的組合權重模型計算步驟

模型計算主要有構建評價指標體系,基于層次分析法和熵權法計算方案權重,引入主觀偏好系數計算組合權重等3個步驟,見圖1。

圖1 基于熵權—層次分析法的組合權重模型計算步驟Fig.1 Calculation steps of combination weight model based on entropy weight-analytic hierarchy process method

3.2.1 構建評價指標體系

經研究,共有29個指標被用于多制式軌道交通制式選擇研究(表3),其中客運能力、綜合造價等指標選擇比例為100%,土地占用等指標被選擇比例較小,本文以此作為基礎指標篩選庫。

表3 相關文獻指標選擇比例情況[5,9-10,21]Tab.3 Selection ratio of relevant literature indicators

結合指標應用通用性、河谷地區特征、數據獲取難度和中低運量軌道交通技術特征,提出了由城市適應性、系統經濟性、社會效益性3個層次、16項指標構成的評價指標體系A,具體構成如表4所示,同時設僅保留定量指標的評價指標體系為A′。

表4 評價指標體系構成及各制式情況Tab.4 Composition of evaluation index system and data of various rail transit system

3.2.2 計算各類方案權重

(1)將指標體系A、A′分別用于層次分析法,以此為基礎構建層次結構模型,通過專家打分法賦權得到判斷矩陣,一致性檢驗通過后,分別得到方案權重為WAj(j=1,2,…,m)、WADj(j=1,2,…,m)。

(2)將指標體系A′應用于熵權法,得到方案權重為WSj(j=1,2,…,m)。

3.2.3 計算組合方案權重

引入主觀偏好系數,對3類方案權重進行賦權,計算方案綜合權重。設第一類方案權重為θ1,第二類方案權重為θ2,第三類方案權重為1-θ1-θ2,則方案組合權重

W=θ1×WAj+θ2×WADj+(1-θ1-θ2)×WSj

(7)

4 案例分析

4.1 西昌市及西昌軌道交通1號線基本情況

西昌市位于四川省西南部安寧河谷地區,境內由安寧河南北縱向貫穿全域,全境海拔在1 500 m以上,整體地形以山地為主,城市建成區和主要可開發土地大部分位于河谷平壩區域(占總面積的16.4%),是典型的帶狀河谷型城市。

西昌市目前尚無建成或在建的城市軌道交通,根據西昌市相關綜合交通發展規劃,遠期規劃西昌市軌道交通1號線,長度約15.5 km,覆蓋居民活動中心、醫院、集散樞紐等重要的出行點,路線建成后將支撐引領西昌城市空間向高鐵新城拓展、緩解城區交通擁堵。路線走向如圖2所示。

圖2 西昌市軌道交通1號線路線走向示意Fig.2 Schematic diagram of the route of Xichang Rail Transit Line 1

4.2 具體分析

4.2.1 軌道交通制式初步分析

(1)中低運量軌道交通系統一般適用于常住人口在100萬～300萬之間的城市,2021年西昌市人口為96萬人,結合近10年人口增長率、市內居民出行特征、公交系統客流量等數據,預計到2030年,西昌市人口將超過100萬人,軌道交通1號線客流將達2.3萬人次/d,達到《低運量軌道交通系統工程建設程序指南》[23]等相關文件要求。

(2)在制式要求方面,自動旅客捷運系統常服務于機場,懸掛式單軌目前在國內尚無建成運營的成功案例,不適用于西昌市軌道交通1號線的使用場景和西昌市經濟發展情況,因此排除這兩類制式系統。

4.2.2 算例驗證

(1)利用層次分析法計算權重

Step1:構建層次結構模型。分別基于評價指標體系A、A′構建層次結構模型。以指標體系A為例,將3類、16項指標作為準則層,4類軌道交通制式作為方案層,如圖3所示。

圖3 基于指標體系A的層次結構模型Fig.3 A hierarchical model based on indicator system A

Step2:權重賦予。邀請中鐵四院、涼山州交通運輸局相關專家對層次結構模型賦予指標權重,形成判斷矩陣。

Step3:一致性檢驗。通過計算,所有判斷矩陣均通過一致性檢驗(RI<0.1)。以準則層中的城市適應性為例,判斷矩陣和一致性檢驗如表5所示。

表5 判斷矩陣及一致性檢驗示例Tab.5 Example of judgment matrix and consistency check

Step4:計算方案權重。對各層次指標權重進行加權,結果顯示跨座式單軌、中低速磁浮列車、現代有軌電車、智軌系統的權重分別為WAj=[0.210,0.192,0.215,0.383]T、WADj=[0.253,0.167,0.208,0.372]T。

(2)僅考慮定量指標的熵權法

Step1:通過熵權法對各指標計算處理得到信息熵值、信息效用值和權重,詳細數據見表6。

表6 信息熵值數據Tab.6 Information entropy data

Step2:根據各指標熵權法計算得到的權重,計算得出對跨座式單軌、中低速磁浮列車、現代有軌電車、智軌系統的綜合評價得分,經過歸一化處理,WSj=[0.197,0.184,0.220,0.400]T。

(3)引入主觀偏好系數計算組合權重

評價指標體系A較A′更加完善、蘊含信息更豐富,評價結果相對精準,因此賦予WAj的主觀偏好系數為0.5;評價指標體系A′中全部為定量指標,熵權法可更好體現客觀數據的支撐性,因此賦予WSj主觀偏好系數為0.3;相應賦予WADj主觀偏好系數為0.2;最終計算組合權重W=[0.215,0.184,0.215,0.386]T。

(4)結果

根據基于熵權-層次分析法的組合權重模型計算結果,智軌系統得分最高,是4種中低運量軌道交通制式中最適用于河谷型城市西昌市軌道交通1號線的一種類型。

5 結語

本文以河谷型城市為對象,從城市經濟發展、客流特征、地質條件、生態環境等因素著手,系統論證選擇軌道交通制式系統時的重要考慮因素,提出需重點考慮軌道交通制式的綜合建設成本、使用場景、客流承載水平、爬坡能力以及能耗污染、土地占用、噪聲污染等情況;研究提出適用于河谷型城市選擇中低運量軌道交通制式系統的評價指標體系,引入主觀偏好系數,構建基于熵權-層次分析法的制式選擇模型;以西昌市為例進行實例分析,形成了一套完整可靠的制式選擇決策方法,填補了針對河谷型城市選擇中低運量軌道交通制式的研究領域空白,可為相關部門提供決策支撐。

本文的研究成果為相關領域研究奠定了一定基礎,未來還可進一步拓展中低運量軌道交通制式研究范圍,深化完善評價指標體系構成,針對如盆周山區等更多山地城市開展軌道交通相關研究,支撐非平地地區的經濟社會發展。