王智鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

科學(xué)客觀的鐵路線路功能定位，對(duì)于線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程建設(shè)、運(yùn)營組織以及管理模式等各方面至關(guān)重要，既有研究對(duì)于線路功能定位采用定性分析方法，其基本思路是從路網(wǎng)至通道再至線路的分析模式，受制于定性分析方法主觀性較多的約束，功能定位分析結(jié)果差異較大，對(duì)于局部路網(wǎng)的變化響應(yīng)較為滯后，對(duì)于線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的適時(shí)調(diào)整難以及時(shí)反饋，不適于當(dāng)下路網(wǎng)頻繁變化、功能定位可靠性要求持續(xù)提高的新形勢(shì)。如劉揚(yáng)[1]基于沿線社會(huì)經(jīng)濟(jì)及交通系統(tǒng)分析，結(jié)合區(qū)域路網(wǎng)構(gòu)成及相關(guān)線路功能定位，定性論證鄭濟(jì)鐵路路網(wǎng)中功能；解振全[2]綜合線路分工、路網(wǎng)功能及相鄰線路差異性，定位江蘇沿江城際鐵路在路網(wǎng)中作用和功能；韓聰穎等[3]基于京滬高鐵、滬寧城際概況分析，從相關(guān)線路速度目標(biāo)值、站點(diǎn)設(shè)置、硬件設(shè)施特點(diǎn)等方面論證京滬高鐵以及滬寧城際功能定位；王婉瑩[4]從綜合交通運(yùn)輸體系視角出發(fā)，通過各交通方式關(guān)系及系統(tǒng)分工，研究論證城際鐵路功能定位。綜合分析，定量定性組合型以及定量型鐵路線路功能定位方法為當(dāng)前研究空白，其研究對(duì)鐵路項(xiàng)目科學(xué)決策、適時(shí)建設(shè)具有至關(guān)重要的作用。

1 寶漢鐵路概況

寶雞至漢中鐵路(簡稱寶漢鐵路)北端自寶雞樞紐引出，向南穿越秦嶺山區(qū)經(jīng)留壩縣抵至陜南漢中市，線路全長約184 km，是一條客貨兼顧的區(qū)域路網(wǎng)性干線鐵路，直接服務(wù)寶雞、漢中兩市700多萬人口，以其獨(dú)特的通道區(qū)位優(yōu)勢(shì)，架構(gòu)陜甘寧至川渝地區(qū)高效、便捷的路網(wǎng)新通道。作為《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(征求意見稿)》中項(xiàng)目，對(duì)完善鐵路網(wǎng)布局，促進(jìn)陜川渝經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展，發(fā)揮陜西能源產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)等具有重大意義。

寶漢鐵路的建設(shè)，對(duì)于帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、交通發(fā)展等方面具有重要的推動(dòng)作用，是實(shí)施《長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》，對(duì)接長江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊規(guī)劃，促進(jìn)跨區(qū)域合作協(xié)調(diào)發(fā)展；完善區(qū)域鐵路網(wǎng)布局，增加川東北地區(qū)北出通道能力，構(gòu)建川陜新通道寶雞—漢中—巴中—南充鐵路；響應(yīng)“一帶一路”倡議，強(qiáng)化區(qū)域綜合交通體系，將寶雞打造成全國性綜合交通樞紐；擴(kuò)大關(guān)中平原城市群區(qū)域輻射能力，促進(jìn)城市群城際鐵路網(wǎng)建設(shè)；促進(jìn)區(qū)域資源開發(fā)，實(shí)現(xiàn)陜川渝地區(qū)優(yōu)勢(shì)資源互補(bǔ)，促進(jìn)秦巴山區(qū)、六盤山區(qū)及川陜革命老區(qū)等經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展，響應(yīng)國家精準(zhǔn)扶貧戰(zhàn)略；加速沿線城鎮(zhèn)化進(jìn)程，大力推動(dòng)紅色旅游業(yè)發(fā)展，打造陜甘寧川地區(qū)中心城市的共同需要[5]。

2 區(qū)域鐵路網(wǎng)概況

2.1 區(qū)域鐵路網(wǎng)現(xiàn)狀

研究區(qū)域(陜西省)既有鐵路網(wǎng)分為高速鐵路和普速鐵路兩個(gè)層級(jí)，高速鐵路主要包括鄭西、大西、西寶、寶蘭、西成高鐵，陜西省“米字形”高鐵網(wǎng)中“X形”初始路網(wǎng)形成；普通干線鐵路形成以隴海、包西作為東西與南北向主軸，以西安為核心的“兩縱五橫三樞紐”骨架網(wǎng)，“兩縱”指包西—西康(寧西)、寶中—寶成線，“五橫”有神朔、太中銀、黃韓侯、隴海及陽安—襄渝線，“三樞紐”指西安、寶雞、安康鐵路樞紐；支線普速鐵路主要有咸銅線、西戶線等。

除既有鐵路外，區(qū)域在建鐵路有銀西高鐵、西延高鐵、蒙華煤運(yùn)通道、陽安鐵路增建二線等多條線路；另有閻良至三原至咸陽機(jī)場、西安至韓城、西安至戶縣至周至至法門寺、咸陽機(jī)場至法門寺等多條關(guān)中城市群城際鐵路在建。

2.2 區(qū)域鐵路網(wǎng)規(guī)劃

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》[6]，我國將構(gòu)建形成“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)，研究區(qū)域規(guī)劃主要有西渝、西十、延榆、包榆、綏太等高速鐵路；規(guī)劃建設(shè)支撐和引領(lǐng)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展、有效連接大中城市與中心城鎮(zhèn)、服務(wù)通勤功能的城市群城際客運(yùn)鐵路，關(guān)中城市群建成城際鐵路骨架網(wǎng)，呼包鄂榆城市群建成城際鐵路骨干通道；普速鐵路網(wǎng)實(shí)現(xiàn)覆蓋廣泛、內(nèi)聯(lián)外通、通邊達(dá)海，研究區(qū)域規(guī)劃主要有神瓦、寶中二線、慶陽至黃陵、安康至張家界、漢巴南等普速鐵路。

根據(jù)《陜西省“十三五”及中長期鐵路發(fā)展規(guī)劃》[7]，區(qū)域?qū)?shí)施“三網(wǎng)兩體系一提高”戰(zhàn)略，即快捷的“米字形”高鐵網(wǎng)、更為完善的干線鐵路網(wǎng)、方便順暢的城際鐵路網(wǎng)、大容量能源通道體系、樞紐輻射體系、運(yùn)輸能力大幅提高。

根據(jù)《關(guān)中城市群城際鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2018—2035年)》[8]，將構(gòu)建“米字形”高鐵網(wǎng)為基礎(chǔ)、通道聯(lián)絡(luò)線為補(bǔ)充的“一核雙環(huán)六輻射”城際鐵路網(wǎng)，“一核”為大西安國際性綜合交通樞紐，“雙環(huán)”為大西安城際環(huán)線與關(guān)中旅游環(huán)線，“六輻射”為隴海發(fā)展軸、京昆發(fā)展帶、福銀發(fā)展帶、陜北地區(qū)、陜南地區(qū)、周邊地區(qū)等輻射。

上述規(guī)劃實(shí)施后，研究區(qū)域鐵路網(wǎng)將形成對(duì)外通道四通八達(dá)，路網(wǎng)覆蓋縱深通達(dá)大部分縣及主要城鎮(zhèn)，功能完善、布局合理的發(fā)達(dá)鐵路網(wǎng)系統(tǒng)，研究區(qū)域時(shí)空可達(dá)性大幅增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)西安都市圈主要城市間1 h互通；關(guān)中城市群節(jié)點(diǎn)城市間2 h內(nèi)通達(dá)；蘭州、銀川、太原、成都、重慶、武漢等城市3 h通達(dá)；西寧、呼和浩特、北京、長沙、南昌、南京等城市5 h通達(dá)；廣州、烏魯木齊等城市9 h內(nèi)通達(dá)。

3 區(qū)域鐵路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特征分析

3.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

為研究寶漢鐵路對(duì)區(qū)域鐵路網(wǎng)客貨服務(wù)的連通性提升，以中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，選取相關(guān)路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)44個(gè)，以節(jié)點(diǎn)間旅客交流旅行時(shí)間或節(jié)點(diǎn)間運(yùn)輸距離為權(quán)重，應(yīng)用Space L法構(gòu)造區(qū)域鐵路網(wǎng)客、貨運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，分別如圖1、圖2所示。

圖1 客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

圖2 貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

3.2 網(wǎng)絡(luò)特征分析

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)特征描述

根據(jù)區(qū)域鐵路網(wǎng)特性，選取網(wǎng)絡(luò)直徑、平均距離、邊介數(shù)、網(wǎng)絡(luò)效率等加權(quán)特征參數(shù)，以及非加權(quán)特征參數(shù)集聚系數(shù)等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測度分析，生成加權(quán)網(wǎng)絡(luò)最小生成樹[9]，具體方法如下。

(1)網(wǎng)絡(luò)直徑和平均距離

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的全部節(jié)點(diǎn)對(duì)之間測地線最大值和平均值[10，11]，計(jì)算方法分別如公式(1)、(2)

(1)

(2)

式中，D為網(wǎng)絡(luò)直徑；L為網(wǎng)絡(luò)平均距離；i、j為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)編號(hào)；N為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；dij為節(jié)點(diǎn)vi、vj間測地線距離，即節(jié)點(diǎn)vi、vj間最短路徑長度，為加權(quán)值，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)為客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該距離表示兩點(diǎn)間最短旅客交流時(shí)間；為貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該距離表示最短貨運(yùn)徑路長度。

(2)邊介數(shù)

網(wǎng)絡(luò)的全部最短路徑中途經(jīng)某條邊的數(shù)量比例[12]，計(jì)算方法如公式(3)

(3)

式中，Bij為邊eij的介數(shù)；Nlm為節(jié)點(diǎn)vl、vm之間的最短路徑數(shù)；Nlm(eij)為節(jié)點(diǎn)vl、vm之間的最短路徑途經(jīng)邊eij的條數(shù)。

(3)網(wǎng)絡(luò)效率

網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)對(duì)之間距離取倒數(shù)總平均值稱之為網(wǎng)絡(luò)效率[13]，當(dāng)節(jié)點(diǎn)對(duì)間無路徑時(shí)效率為0，且節(jié)點(diǎn)對(duì)間距離越短，網(wǎng)絡(luò)效率就越高，計(jì)算方法如公式(4)

(4)

式中，E為網(wǎng)絡(luò)效率。

(4)集聚系數(shù)

集聚系數(shù)描述的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)情況，用以描述大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)存在的一個(gè)共同結(jié)構(gòu)性質(zhì)——集聚性[14]，節(jié)點(diǎn)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的集聚系數(shù)計(jì)算方法分別如公式(5)、公式(6)

ci=2Mi/[ki(ki-1)]

(5)

(6)

式中，ci為節(jié)點(diǎn)vi的集聚系數(shù)；Mi為節(jié)點(diǎn)vi實(shí)際存在的邊數(shù)；ki為節(jié)點(diǎn)vi的度；C為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的集聚系數(shù)。

(5)最小生成樹

對(duì)于加權(quán)連通圖T，設(shè)定H是圖T的其中一棵生成樹，H的每條邊所賦權(quán)值總和稱為H的權(quán)，則加權(quán)連通圖T具有的最小權(quán)值的生成樹稱為圖T的最小生成樹，且該最小生成樹是唯一的[15]。

3.2.2 特征值測算及分析

應(yīng)用Pajek軟件與R軟件相結(jié)合[16-17]，針對(duì)區(qū)域鐵路網(wǎng)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停怨?jié)點(diǎn)間旅客交流旅行時(shí)間或節(jié)點(diǎn)間運(yùn)輸距離為權(quán)重，分別計(jì)算區(qū)域鐵路旅客運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)、貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)，并生成網(wǎng)絡(luò)最小生成樹。

(1)旅客運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)

首先，設(shè)定寶漢鐵路速度目標(biāo)值160，200，250 km/h以及無本項(xiàng)目4種情形，網(wǎng)絡(luò)特征值計(jì)算結(jié)果如表1所示，生成的旅客運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)最小生成樹不含寶漢鐵路。

根據(jù)表1，隨著速度目標(biāo)值的提升，旅客運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)平均距離持續(xù)下降，網(wǎng)絡(luò)效率不斷提升，寶漢鐵路邊介數(shù)逐漸提高，在網(wǎng)絡(luò)中的重要性愈發(fā)重要；且與無寶漢鐵路相比，寶漢鐵路建設(shè)使網(wǎng)絡(luò)平均距離、網(wǎng)絡(luò)效率、集聚系數(shù)得以共同優(yōu)化。因此，寶漢鐵路具有路網(wǎng)功能提升作用，且其速度目標(biāo)值等級(jí)越高，提升作用越強(qiáng)。

表1 區(qū)域鐵路旅客運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)

其次，分別以160，200，250 km/h三種等級(jí)為速度目標(biāo)值，生成各節(jié)點(diǎn)對(duì)間最短路徑，且由于低速度等級(jí)最短路徑覆蓋寶漢鐵路的節(jié)點(diǎn)對(duì)，速度提升時(shí)仍將覆蓋寶漢鐵路，因此，劃分為160，200，250 km/h共同覆蓋節(jié)點(diǎn)對(duì)，200 km/h增加覆蓋節(jié)點(diǎn)對(duì)以及250 km/h增加覆蓋節(jié)點(diǎn)對(duì)三種情形，反映伴隨速度目標(biāo)值提升使得寶漢鐵路被節(jié)點(diǎn)對(duì)最短路徑覆蓋增加情況，伴隨速度目標(biāo)值提升，寶漢鐵路吸引范圍逐步擴(kuò)大，具體如表2所示。

表2 不同等級(jí)速度目標(biāo)值下最短路徑覆蓋寶漢鐵路節(jié)點(diǎn)對(duì)分布

(2)貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)

首先，設(shè)定有、無本項(xiàng)目兩種情形，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)特征值，計(jì)算結(jié)果顯示，與無寶漢鐵路相比寶漢鐵路建設(shè)使網(wǎng)絡(luò)平均距離、網(wǎng)絡(luò)效率、集聚系數(shù)得以共同提升，寶漢鐵路具有路網(wǎng)功能提升作用，具體如表3所示；同時(shí)，生成的貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)最小生成樹包含寶漢鐵路，寶漢鐵路對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連通性加強(qiáng)具有重要的作用。

表3 區(qū)域鐵路貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)

其次，通過生成各節(jié)點(diǎn)對(duì)間最短路徑，確定最短路徑覆蓋寶漢鐵路節(jié)點(diǎn)對(duì)情況如表4所示。

表4 最短路徑覆蓋寶漢鐵路節(jié)點(diǎn)對(duì)分布

4 寶漢鐵路功能定位

4.1 需求預(yù)測

以寶漢鐵路所在區(qū)域鐵路網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合生成的客、貨運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)最短路徑覆蓋寶漢鐵路節(jié)點(diǎn)對(duì)分布情況，分別采用“四階段法”[18-19]以及產(chǎn)運(yùn)銷平衡法[20-21]預(yù)測寶漢鐵路客貨需求，以寶雞至漢中為下行方向，預(yù)測結(jié)果如表5所示。

表5 寶漢鐵路客、貨運(yùn)量預(yù)測結(jié)果

4.2 功能定位

根據(jù)表1及表2，速度目標(biāo)值提升對(duì)于寶漢鐵路的網(wǎng)絡(luò)功能及服務(wù)范圍優(yōu)化效果相對(duì)較低，且由于寶漢鐵路地處秦嶺山區(qū)，速度目標(biāo)值的提升對(duì)工程造價(jià)影響較大，速度提升性價(jià)比較低；另根據(jù)寶雞至漢中鐵路建設(shè)方案專題研究中對(duì)項(xiàng)目建設(shè)條件、工程投資、區(qū)位優(yōu)勢(shì)等的綜合論證，因此，寶漢鐵路推薦速度目標(biāo)值為160 km/h，從而結(jié)合區(qū)域鐵路客、貨運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)及最短路徑覆蓋寶漢鐵路節(jié)點(diǎn)對(duì)分布、客貨需求預(yù)測結(jié)果，綜合分析寶漢鐵路功能定位如下。

(1)路網(wǎng)層面：寶漢鐵路北接寶中、隴海鐵路，南聯(lián)陽安、漢巴南以及巴達(dá)鐵路，可快速連通寧陜及隴東地區(qū)與川渝地區(qū)，是寧陜及隴東地區(qū)與川渝地區(qū)南北縱向新通道的骨架干線。且通過網(wǎng)絡(luò)特征分析，對(duì)于旅客運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，寶漢鐵路使路網(wǎng)平均距離、網(wǎng)絡(luò)效率、集聚系數(shù)得以共同優(yōu)化，具有路網(wǎng)功能提升作用，且其速度目標(biāo)值等級(jí)越高，提升作用越強(qiáng)；對(duì)于貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，寶漢鐵路是區(qū)域貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)最小生成樹構(gòu)成，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連通性加強(qiáng)具有重要作用。

(2)通道層面：寶漢鐵路北承寶中鐵路，通過包蘭鐵路通道、西小召至甘其毛都鐵路可直通臨河至磨憨縱向新通道起點(diǎn)臨河(甘其毛都)；南接漢巴南鐵路，通過渝黔、貴陽至南寧等鐵路直達(dá)磨憨(河口)，是綜合運(yùn)輸“十縱十橫”大通道臨河至磨憨縱向通道中段的重要組成部分。通過網(wǎng)絡(luò)特征分析，隨著速度目標(biāo)值的提升，寶漢鐵路邊介數(shù)逐漸提高，寶漢鐵路在網(wǎng)絡(luò)中的重要性愈發(fā)重要，通道功能愈發(fā)明顯。

(3)客運(yùn)層面：根據(jù)速度目標(biāo)值160 km/h條件下旅客運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)最短路徑覆蓋寶漢鐵路節(jié)點(diǎn)對(duì)分布表，寶漢鐵路主要承擔(dān)陜西西部、甘肅隴海線東部地區(qū)與陜南、四川、西藏以及云南地區(qū)，隴中及河西地區(qū)、青海、新疆與陜南、川東北地區(qū)的旅客交流。

(4)貨運(yùn)層面：根據(jù)鐵路貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)最短路徑覆蓋寶漢鐵路節(jié)點(diǎn)對(duì)分布表，寶漢鐵路主要承擔(dān)陜西西部、甘肅隴海線東部地區(qū)、隴東與陜南、川東北以及湖北，川東與陜西西部、隴東、寧夏，陜南、川東北與隴東、寧夏、蒙西、陜北、關(guān)中、晉冀魯豫地區(qū)、京津及東北地區(qū)，以及陜南與隴中、河西地區(qū)、青海、新疆地區(qū)貨物交流。

綜上所述，寶漢鐵路功能定位為：我國“十縱十橫”綜合運(yùn)輸大通道中臨河至磨憨縱向新通道中段的重要組成部分，是寧陜及隴東地區(qū)與川渝地區(qū)間南北縱向新通道的骨架干線，可有效提升區(qū)域鐵路網(wǎng)連通性及網(wǎng)絡(luò)功能，是一條以貨為主、客貨共線的區(qū)域路網(wǎng)干線鐵路。

5 結(jié)論

功能定位與鐵路項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)營管理密切相關(guān)，定量化功能定位方法可有效避免項(xiàng)目定位偏差所引起的路網(wǎng)功能不足、運(yùn)營效益差等運(yùn)輸困境。通過以寶漢鐵路為具體研究對(duì)象，構(gòu)建區(qū)域鐵路網(wǎng)客貨運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，采用?fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法，基于“有無對(duì)比”思想及等級(jí)化線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合應(yīng)用Pajek軟件與R軟件，進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)測度分析，從路網(wǎng)、通道、客運(yùn)、貨運(yùn)四個(gè)層面對(duì)寶漢鐵路功能進(jìn)行定量化綜合確定，最終，將寶漢鐵路功能定位為：我國“十縱十橫”綜合運(yùn)輸大通道中臨河至磨憨縱向新通道中段的重要組成部分，是寧陜及隴東地區(qū)與川渝地區(qū)間南北縱向新通道的骨架干線，可有效提升區(qū)域鐵路網(wǎng)連通性及網(wǎng)絡(luò)功能，是一條以貨為主、客貨共線的區(qū)域路網(wǎng)干線鐵路。