多網融合背景下都市圈市域(郊)鐵路網規劃方案評價研究

張麗丹

(福州市發展和改革委員會軌道交通發展中心,福州 350007)

1 研究背景

我國城鎮化進程正處于快速發展期,都市圈作為新型城鎮化建設發展的主體形態,需由多層次、一體化的交通系統作為支撐。近年來,國家相繼出臺《交通強國建設綱要》《國家綜合立體交通網規劃綱要》,要求建設都市圈多層次軌道交通網絡,推進干線鐵路、城際鐵路、市域(郊)鐵路、城市軌道交通“多網融合”。

從功能定位來看,市域(郊)鐵路服務于城市中心城區與周邊新城、城鎮組團間的通勤客流,并支撐中心城市周邊組團的空間發展[1-3],在軌道交通網絡中上承外圍國鐵城際,下聯中心市區內城市軌道,具有聯動紐帶功能,其線網布局規劃直接關系到整體軌道交通網絡的融合發展,并對都市圈及國家城鎮化建設起到至關重要的作用。

市域(郊)鐵路網規劃評價是保障市域(郊)鐵路合理建設、科學發展,更好地實現多網融合的關鍵步驟。目前相關領域既有文獻中,在線網布局規劃評價方面主要以城市軌道交通[4-6]、城際鐵路[7-8]、區域高速鐵路[9]方向等單層次為主,多數采用模糊綜合評價、層次分析法、灰色關聯分析法[10-11]等;在多網融合方面,較多學者將重點放在網絡融合方案分析和評價指標體系研究[12-18]。由于我國市域(郊)鐵路尚處于規劃建設階段,在多網融合這一概念背景下專門針對市域(郊)鐵路線網布局及評價的研究較少。因此,多網融合背景下針對市域(郊)鐵路獨有功能定位和層次銜接關系的規劃布局評價方法值得探索。

2 評估指標體系

2.1 評估指標體系建立

在多網融合背景下,考慮都市圈市域(郊)鐵路網從規劃建設到運營全過程中的不同主體訴求,為綜合反映都市圈市域(郊)鐵路網規劃布局對各主體需求的滿足程度,考慮多網融合程度、都市圈支撐強度、運營服務能力、方案實施可能四個方面,采用多目標分析法建立評價指標體系,并對上述指標體系進行符號化處理,設第i個準則層為Ai,則所屬準則層Ai的第j個指標表示為Bij,具體如表1所示。

表1 市域(郊)鐵路網規劃方案評估指標Tab.1 Indicators for the evaluation of urban (suburban) railroad network planning schemes

2.2 評估指標釋義

為實現最終的量化評估,上述指標在評估過程中需進行量化表示,其中定量指標具有明確計算公式,定性指標具有明確釋義并可做出量化程度區分。各項評價指標的具體含義如表2所示。

表2 市域(郊)鐵路網規劃方案評估指標Tab.2 Indicators for the evaluation of urban (suburban) railroad network planning schemes

3 評估方法

為提高評估指標賦權的合理性,運用層次分析法與信息熵權法的線性組合賦權法,實現主觀與客觀賦權方法相結合來確定權重[22-23]。同時考慮市域(郊)線網規劃評估中方案的有限性、評價指標體系的復雜性及評價結果的可解釋性[24-26],采用TOPSIS方法實現市域(郊)線網規劃評估分析。

3.1 指標權重計算

既有的各類評價賦權方法各有優劣,為盡可能提高評估指標賦權的合理性,運用層次分析法與信息熵權法的線性組合賦權法,實現主觀與客觀賦權方法相結合,從而確定市域(郊)鐵路網規劃方案評估指標的權重。

3.1.1 層次分析法

層次分析法是基于專家經驗對各指標間兩兩比較打分,其利用了數字大小的相對性,數字越大則越重要,從而構造判斷矩陣來綜合測算各指標的最終權重,具體方法如下。

(1)構建指標層的相對重要度判斷矩陣。

指標層各指標在決策者對目標衡量時的重要度不盡相同,各占一定比重。引入數字1～9及其倒數作為標度來量化衡量(表3),定義評價體系中的指標總數為n,則量化得到的判斷矩陣可表示為A=(bij)n×n。

表3 判斷矩陣標度定義Tab.3 Definition of judgment matrix scales

(2)構建指標層的相對重要度判斷矩陣。

將判斷矩陣(bij)n×n按列歸一化處理,定義歸一化后的判斷矩陣為A′=(hij)n×n,具體方法如下

(1)

(2)

(3)

(3)判斷矩陣一致性檢驗。

定義一致性指標為CI,定義判斷矩陣A′的最大化特征值為λmax,一致性指標計算公式見式(5)。進而依據指標數量n查找表4對應的一致性指標平均標準RI。

表4 平均隨機一致性指標RI標準值Tab.4 Average random indicator standard value

進而由式(6)計算一致性比例CR。判斷一致性比例CR是否小于0.1,當CR<0.1時認為判斷矩陣具有一致性,此時的相對權重向量即為層次分析法所得各指標權重,否則需對判斷矩陣適當修正,直至CR<0.1。

(4)

(5)

(6)

3.1.2 信息熵權法

信息熵權法屬于客觀賦值法,在信息論中熵是衡量系統內信息無序程度的指標。依據信息熵原理,若各評估方案在同一指標下方案值的離散波動程度越大,則表示該項指標提供的有效信息量越大,則權重值越高。具體計算過程如下。

(1)方案指標值矩陣標準化。

設有m個參評方案,n個評價指標,則可形成方案指標值的原始矩陣,記為X=(xij)n×m,定義該矩陣標準化后表示為R=(rij)n×m,rij表示在指標i下第j個方案的標準值,rij∈[0,1]。則具體標準方法如下。

對于收益型指標

(7)

對于成本型指標

(8)

(2)計算各指標的信息熵hi。

定義第i個指標的信息熵為hi,計算方法如下

(9)

(10)

式中,當fij=0時,令fijlnfij=0。

(3)計算各指標熵權wi。

定義第i個指標的熵權為wi,計算方法如下

(11)

(12)

3.1.3 基于層次分析法和信息熵權的組合賦權法

(13)

式中,μ∈(0,1)。

3.2 基于TOPSIS 的方案評估方法

TOPSIS方法通過定義目標最優解、最劣解,通過計算決策問題各個評價方案與最優解、最劣解的距離,進而由各方案與理想最優解之間的相對貼合程度來對評價方案進行優劣排序。已知有m個參評方案,n個評價指標,方案指標值的標準化矩陣表示為R=(rij)n×m,運用TOPSIS方法進行方案評估的具體步驟如下。

(1)基于組合賦權法計算各方案指標值形成的加權評估矩陣Z。

Z=(zij)n×m=(wjxij)n×m

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(4)計算各評估方案的相對貼合程度ci。

(19)

進而可依據各評估方案的貼合程度ci對各方案進行排序,貼合程度ci越大,表示評估方案與理想解的相對接近程度越高,評價方案越優。

4 實例應用

福州市位于中國東南沿海,是福建省省會城市,是海峽西岸經濟區、福莆寧同城化的核心城市。據《福州市都市圈發展規劃》,未來都市圈核心區空間結構將呈現“一環兩帶、兩核兩心七組團”發展模式,圖1、圖2分別為福州都市圈及中心城區空間規劃布局示意。

圖1 福州都市圈空間規劃布局Fig.1 Spatial planning layout of Fuzhou metropolitan area

圖2 福州都市圈中心城區空間結構規劃Fig.2 Spatial structure planning of the central city of Fuzhou metropolitan area

以福州都市圈核心區為例,對市域(郊)鐵路網規劃方案進行評估分析。

4.1 福州都市圈軌道交通現狀及批復規劃

目前福州都市圈核心區范圍內的各層次軌道交通現狀及規劃如下。

國鐵干線:既有鐵路包括溫福鐵路、福廈鐵路、合福高鐵、福平鐵路、向莆鐵路、峰福鐵路、福馬鐵路,共計總里程424 km,其中高速鐵路347 km,福廈高鐵福州境內長57 km。

城際鐵路:目前在建福莆寧城際F1線,起自福州火車站,經福州長樂國際機場,終于文嶺站,全長約62 km。據《福州都市圈發展規劃》,規劃年將形成以城際鐵路為核心的城際就業通勤交通體系,打造1小時通勤圈。

市域(郊)鐵路:據福州城市軌道交通線網規劃2021年修編公示方案,福州市域(郊)鐵路規劃S1～S6共6條新建線路,里程總計259 km,分別承擔主城區至福清、連江、永泰、閩清、龍高半島及濱海新城至福清6個方向的客流,與福州國土空間總體格局發展戰略相協調。

城市軌道交通:福州市現已開通運營1號線和2號線,形成主城區“十字型”主骨架,據福州城市軌道交通線網規劃2021年修編公示方案,規劃包括3、4、5、6、7、8、9、10、11、13共計10條線路,共計里程424 km,如圖3所示。

圖3 福州都市圈核心區城市軌道交通規劃Fig.3 Urban rail transportation planning in the core area of Fuzhou metropolitan area

據統計,目前都市圈中心區16%的面積聚集著40%的人口、供應45%的崗位、生成52%的出行。擴張的城市骨架下仍維持單中心、強輻射特征使得都市圈中心城市區交通供需矛盾日益突出。隨著都市圈的建設加快,城市空間拓展、產業布局延伸及城鎮帶建設,通勤、通學、通商性客流需求將快速增長,徑向通勤出行將大幅增長,而溝通外圍組團及其與中心城市的交通基礎設施建設相對較慢。

4.2 福州都市圈市域(郊)鐵路網規劃方案評估

在此背景下,考慮都市圈客流特征,依據市域(郊)鐵路在軌道交通大系統中的功能定位,結合都市圈國土空間布局及產業發展規劃,提出福州都市圈市域(郊)鐵路網規劃方案,并采用本文所述市域(郊)鐵路網規劃方案評估體系及評價方法進行應用。

(1)市域(郊)鐵路網規劃方案

基于中心城區空間拓展方向“東進南下、沿江向海”理念,考慮福州主城區、福清市、濱海新城三大核心組團間的高效聯通,確定福州市域(郊)鐵路網的基本形態為“三核互通、多向輻射”,具體如圖4所示。

圖4 福州市域(郊)鐵路網基本形態Fig.4 The basic shape of the Fuzhou metropolitan (suburban) railroad network

進而依據客流預測結果給出規劃年度各通道線路配置數量,具體如表5所示。

表5 福州都市圈各廊道線路供給規劃Tab.5 Plan of corridor lines in Fuzhou metropolitan area

結合既有線路配置情況,統籌優先利用既有及規劃鐵路、在既有線網局部延伸及補強、考慮需求發展超前謀劃新建市域(郊)線路等幾個原則,規劃各客流通道不同的市域(郊)布局方案,形成3個比選方案如表6所示。

表6 各方案主要指標統計 kmTab.6 Statistics of main indicators of each program

(2)指標計算及方案比選

基于不同規劃方案計算各項評價指標,對于定量指標依據相關部門基礎資料及統計數據計算處理得到,定性指標采用德爾菲法處理得到;進而對得到的初始評價指標矩陣歸一化后,采用組合賦權法實現指標權重計算。市域(郊)鐵路網評估指標體系下,各方案的具體指標數據及權重如表7所示。

表7 福州都市圈市域(郊)鐵路網規劃評價指標及權重Tab.7 Evaluation indexes and weights for the planning of urban (suburban) railroad network

值得關注的是,在軌道交通大系統內,多網融合主要考慮車流組織、客流組織兩個方面的融合銜接;在軌道交通大系統外,主要考慮融合后的系統整體與其他交通方式的協調融合,因此,提出采用“不同層級間線路互通性”“不同層級間銜接換乘時間”“與綜合交通協調性”三個方面的指標進行綜合表征。其中“不同層級間的線路互通性”主要考慮各層級軌道交通一體化銜接車站個數、貫通運營線路長度兩個因素,指標值越大融合程度越高;“不同層級間銜接換乘時間”主要從客流組織角度考慮,換乘時間越短融合程度越高;“與綜合交通協調性”則為市域(郊)規劃方案中重要節點樞紐車站與其余交通方式平均銜接距離,距離越近其協調融合程度越優。

運用本文所述評價方法計算貼近程度并排序,結果如表8所示,可得最優方案為方案1。

表8 福州都市圈市域(郊)鐵路網規劃方案比選結果Tab.8 Results of the planning schemes of the Fuzhou metropolitan area (suburban) railroad network

最優方案中規劃線網密度達529 km/萬km2,5萬以上人口的鎮區級覆蓋率達90%,周邊組團至核心區實現30～45 min通達;網絡覆蓋度空間結構契合度達到0.95,具體方案如表9所示。

表9 福州市域(郊)鐵路網最優布局方案Tab.9 Optimal layout of Fuzhou (suburban) rail network

方案1利用線路總規模達522 km(其中高鐵292 km,普鐵77 km,城際153 km),占區域規劃路網總規模1 149 km的46%,是方案中既有鐵路利用程度最高的方案。

由此可見,充分挖潛福州都市圈既有的杭深鐵路、溫福鐵路、昌福鐵路、峰福鐵路等,利用既有鐵路開行市域(郊)鐵路,一方面可大幅提升既有鐵路利用率,使得鐵路運能得以充分發揮,合理配置資源;另一方面開行以和諧號、復興號等動車組為主的市域(郊)列車,可極大改善旅客的乘車環境、提升乘車體驗,提高旅客出行的便捷性與舒適性。

5 結論

基于都市圈軌道交通網絡化發展的形勢要求,合理架構市域(郊)鐵路網至關重要,需要科學的評價方法體系予以支撐。我國目前市域(郊)鐵路尚處于規劃建設階段,在多網融合這一概念背景下專門針對市域(郊)鐵路線網布局及評價的研究較少。 因此,多網融合背景下針對市域(郊)鐵路獨有功能定位和層次銜接關系的規劃布局評價方法值得探索。

從多網融合程度、都市圈支撐強度、運營服務能力、方案實施可能性四個方面出發,構建一套針對市域(郊)鐵路線網規劃的量化評估指標體系,提出以信息熵權法和AHP的組合賦權法確定指標權重,并以TOPSIS方法實現規劃方案的量化綜合評價分析。最后以福州都市圈多層次軌道交通為例進行應用,結果表明,市域(郊)鐵路網規劃中既有鐵路利用程度較高的方案綜合最優,利用既有鐵路開行市域(郊)鐵路,一方面可充分利用鐵路運能、實現都市圈交通資源合理配置;另一方面可較好融合都市圈各層次軌道交通,更好地服務于都市圈旅客交流。