李巖輝,沈增濤,田 飛,劉 劍,尹暑光

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.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

目前，我國正在經(jīng)歷著城市化快速發(fā)展的過程，出現(xiàn)了很多特大城市、超大城市、城市群，為了有效解決城市化集聚帶來的各類問題，很多城市興建了新區(qū)，旨在通過外圍組團來疏解人口、承擔主城區(qū)的部分功能[1]。在該過程中，都市區(qū)的人口、就業(yè)崗位、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、組團的協(xié)同關系也發(fā)生著深刻變化[2-3]，從而引起需求特征的變化。都市區(qū)內(nèi)不同分區(qū)的城市要素差異引起出行特征的差異，該差異進一步?jīng)Q定了軌道交通線網(wǎng)布局、軌道交通制式選擇、建設規(guī)劃時序選擇、線路功能、客流特征等。其中，制式選擇是線網(wǎng)規(guī)劃階段的重要工作，根據(jù)城市要素與需求特征確定各線路的運量等級、速度目標值(全程運行時間)等，進而分析站間距設置、車輛選型、車輛編組、敷設方式、路權(quán)形式、線路的平、縱、橫參數(shù)等指標[4-6]。因此，選擇合適的制式是滿足出行需求、節(jié)省投資、合理利用資源的重要舉措[7]。

根據(jù)相關文獻，影響線路功能、制式選擇的主要因素包括：運量等級、線路長度、客運性質(zhì)、控制全程時間的速度、服務水平等[8-11]。由于城市各區(qū)域發(fā)展情況千差萬別，因地制宜地確定線路的功能、層次、制式是進行下階段工作的重要前提條件。本研究擬通過城市空間結(jié)構(gòu)、客流走廊、圈層等角度定量確定線網(wǎng)結(jié)構(gòu)與制式，使線路制式的確定以城市為依據(jù)，又能支撐城市發(fā)展、滿足線路本身的技術要求。

2 多制式概述

《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020》中提到“以城市群為主體形態(tài)，推動大、中、小城市和小城鎮(zhèn)協(xié)調(diào)發(fā)展”，通過增強中心城市輻射帶動功能，加快發(fā)展中小城市；同時隨著《國務院辦公廳關于進一步加強城市軌道交通規(guī)劃建設管理的意見(國辦發(fā)[2018]52號)》的頒布，對城市軌道交通的申報條件進行了嚴格限制。以地鐵為代表的大運量軌道交通不能完全滿足新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的需求，因此，有必要針對不同城市的地域特點、需求特征選取適宜的軌道交通制式。一方面能夠匹配城市出行需求，引導城市空間發(fā)展；另一方面通過構(gòu)建不同層次的軌道交通，進一步拓展城市骨架，增加公共交通的服務范圍，構(gòu)建綜合交通一體化發(fā)展模式[12]。目前，我國城市軌道交通已逐步進入到多制式發(fā)展進程中，截止2018年底，我國各城市不同制式軌道交通比例如圖1所示[13]。

圖1 我國城市軌道交通各制式占比(2018年)

雖然近年來我國軌道交通發(fā)展迅速，但以地鐵為主的大運量制式仍占到超過3/4，差異化構(gòu)建網(wǎng)絡化多制式協(xié)調(diào)發(fā)展的軌道交通體系已成趨勢。發(fā)展多層次軌道交通，是都市圈有序、高質(zhì)量發(fā)展的前提和保障；是軌道交通隨都市圈發(fā)展的必然結(jié)果；是降低投資、提高效益的最佳選擇。通過對目前主要車輛制式進行調(diào)研，針對中心城區(qū)、都市區(qū)范圍所涉及的軌道交通制式，按照大運量、中運量、小運量、市域線進行匯總，各主要技術參數(shù)如表1～表4所示。

表1 大運量各車型主要技術參數(shù)

表2 中運量各車型主要技術參數(shù)

表3 小運量各車型主要技術參數(shù)

表4 市域線各制式主要技術參數(shù)

3 制式選擇思路與方法

本研究所涉及的需求分析，是基于“四階段法”理論基礎上的，分析內(nèi)容包括都市圈空間分析、交通走廊、圈層劃分、節(jié)點重要度與連接度等指標。以需求要素為基礎，對應軌道各項指標參數(shù)，將上述要素定量對照進而確定適宜的層次與制式，其研究框架如圖2所示。

圖2 研究技術路線

3.1 發(fā)生吸引與出行分布

交通發(fā)生吸引是需求分析的第一步，由人口、就業(yè)崗位、土地性質(zhì)、社會經(jīng)濟發(fā)展水平等因素決定。人口與就業(yè)崗位決定了發(fā)生吸引量的規(guī)模，土地利用性質(zhì)、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)特征決定發(fā)生吸引的特征；同時，社會經(jīng)濟發(fā)展水平反映在軌道交通的投融資方案、財務評價、國民經(jīng)濟評價等方面，直接決定軌道交通所適宜的制式。進而根據(jù)重力模型，可以得出交通分布，作為下一步交通走廊分析的基礎。

3.2 城市圈層結(jié)構(gòu)與可達性

都市區(qū)的圈層研究從出行可達性的角度出發(fā)，該可達性主要為基于交通網(wǎng)絡(路網(wǎng)、軌道交通網(wǎng)絡)的可達性，通常表示為30，60 min的通勤圈。根據(jù)相關標準、文獻[14]，單條軌道交通的合理運行時間確定為1 h。而隨著我國城市化進程加快，都市區(qū)范圍越來越大，僅靠地鐵A、B型車將無法支撐城市骨架拓展[15-17]。因此，城市圈層的拓展對可達性提出了更高要求，而可達性又要求軌道交通向市域范圍延伸，并影響軌道交通的線網(wǎng)密度差異、站間距、平均旅行速度(速度目標值)[18]。

3.3 交通走廊與城市節(jié)點布局

線網(wǎng)規(guī)劃應優(yōu)先選取主要客流走廊、錨固重要客流集散點[19]。在選取最佳路徑時，根據(jù)主要客流走廊量級，并考慮各方式出行比例，確定走廊內(nèi)軌道交通出行比例、確定軌道交通量級；另一方面，軌道交通在滿足特定走廊需求特征的同時，需優(yōu)先連接重要客流集散點。集散點重要程度的衡量指標包括人口規(guī)模、經(jīng)濟指標、產(chǎn)業(yè)聯(lián)系程度、城市發(fā)展方向與戰(zhàn)略等，在結(jié)合客流走廊量級的過程中，考慮節(jié)點重要度、節(jié)點之間距離，選擇適宜的制式。該分析的意義在于綜合考慮影響制式的指標。例如，對于高峰小時斷面同樣為2萬人次/h的走廊來說，線路長度則成為決定制式的重要因素，20 km左右距離可選擇輕軌制式，但60 km的距離就需要市域快線/城際鐵路制式。

4 實例分析

根據(jù)上述分析思路，以大西安都市區(qū)為例，分析各量級制式選擇的應用。

4.1 需求分析

根據(jù)相關上位規(guī)劃確定的人口規(guī)模、用地性質(zhì)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等要素，得出發(fā)生吸引(PA)預測結(jié)果，見圖3。

4.2 出行空間分布特征

根據(jù)出行分布結(jié)果繪制區(qū)域出行期望線如圖4所示。

由于客流走廊是對制式起重要支撐作用的載體，將各個相鄰之間小區(qū)的形心相連構(gòu)成蛛網(wǎng)，構(gòu)成的網(wǎng)絡即為交通走廊。再將出行OD分配到蛛網(wǎng)上，其結(jié)果即為交通走廊(圖5)，通過走廊定量分析，可以確定主骨架量級。從圖4、圖5可以看出，以西安—咸陽—西咸新區(qū)為核心的都市區(qū)，為出行密集區(qū)域；以該區(qū)域向外輻射的主要走廊為：西安—鄠邑、西安—興平、西安—三原、西安—閻良、西安—渭南；其余走廊則為中低運量級別。

圖3 規(guī)劃發(fā)生吸引(PA)分布

圖4 出行分布預測

圖5 交通走廊分析(蛛網(wǎng)分配)

4.3 空間結(jié)構(gòu)與圈層

根據(jù)城市人口規(guī)模、經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)、用地開發(fā)強度等指標，計算各個城市的重要度與節(jié)點聯(lián)系程度，公式如下[20]

(1)

(2)

式(1)中，Zi為城市i的重要度；同理，可以計算Zj；Ri為城市i的常住人口；Ra為城市群范圍各城市常住人口規(guī)模平均值；Gi為城市i的生產(chǎn)總值；Ga為各城市生產(chǎn)總值平均值；Pi為城市i的客運量；Pa為各城市客運量平均值；Qi為城市i的貨運量；Qa為各城市貨運量平均值；Si為城市i節(jié)點度分布，節(jié)點度為與該節(jié)點相連的節(jié)點數(shù)目，對于城市群空間結(jié)構(gòu)來說，節(jié)點之間的聯(lián)系可以用高速公路、國省干道、鐵路來表示；Sa為各城市節(jié)點度平均值；βi為節(jié)點城市i的行政地位系數(shù)，節(jié)點的行政地位越高，該系數(shù)的取值越大，為量化該指標，按城市節(jié)點等級由高到低的順序可依次取為2.5，2，1.5和1；γi為節(jié)點的其他功能修正系數(shù)，若篩選的節(jié)點具有特殊性質(zhì)或功能，則根據(jù)影響強度賦予其一個大于1的系數(shù)，否則取值為1，例如臨潼作為旅游城市、空港新城作為咸陽機場駐地，其影響強度指數(shù)大于1；α1，α2，α3，α4，α5為上述5個指標的權(quán)重，根據(jù)城市要素不同取值不同，在此可取0.2。式(2)中，Hij為城市i，j之間的聯(lián)系強度；Oij，Dij為城市i，j之間的客流量；Oi，Oj為城市i，j的出發(fā)量；Di，Dj為城市i，j的進入量。

式(1)計算的重要度，考慮了社會經(jīng)濟、交通運輸、網(wǎng)路結(jié)構(gòu)等各要素，在軌道交通制式選擇中，優(yōu)先采用高運量級連接重要的城市節(jié)點，提高資源使用效率。式(2)中Hij體現(xiàn)兩城市之間的聯(lián)系關系緊密程度，為0～1的數(shù)值，該值為城市群范圍各個城市聯(lián)系強度的相對值，i，j城市之間的Hij越接近1，說明i，j在城市群內(nèi)相比于其他城市聯(lián)系強度越高，在走廊空間有限的情況下，優(yōu)先選擇聯(lián)系強度高的城市之間進行連接。

4.4 交通走廊量化分析

根據(jù)需求特征，并以式(1)、式(2)對節(jié)點重要程度、主要客流走廊、節(jié)點聯(lián)系強度進行計算與等級劃分，得出結(jié)果如表5所示。

4.5 制式選擇過程

根據(jù)交通需求分析、走廊量化計算結(jié)果，將制式選擇分為圖7所示的幾種情形進行探討。

表5 節(jié)點及走廊量化分析

圖6 大西安城市空間圈層與走廊

4.5.1 高(大)運量走廊

圖7 多層次各制式選擇形式

在表5的計算結(jié)果中，各組團之間的聯(lián)系強度最高的為西安主城區(qū)—高新區(qū)/高新擴區(qū)，則首先確定該兩個區(qū)域之間的制式。通過需求模型分析，該兩地之間距離為城市軌道交通骨干線范疇(圖6)，且組團量級為10萬人次/高峰小時。則初步判定該走廊為高運量走廊，根據(jù)表1所列“單向運能”參數(shù)，10萬人次/h的量級需要2條以上大運量軌道交通，且其制式應為A型車+B型車。目前，主城區(qū)—高新區(qū)之間有3號、6號線銜接，但3號線為東西方向，而高新區(qū)主要發(fā)展方向為南北向，僅靠6號線無法滿足交通需求，且3號、6號線為B型車。在西安市第三輪軌道交通建設規(guī)劃中，確定8號線(環(huán)線)為A型車，該線路銜接主城區(qū)與高新區(qū)。同理，在10萬量級的走廊中，中心城區(qū)—韋曲/常寧，中心城區(qū)—灃東新城均需要2條以上大運量軌道交通線路。

4.5.2 大運量與中小運量組合

延續(xù)上述案例，由于主城區(qū)至高新區(qū)主要道路為高新路、太白路，其余道路不具備敷設大運量軌道交通的條件，可支持大運量的交通走廊有限。連接高新區(qū)主要道路實際上僅高新路一條，該道路已敷設6號線。因此，可以在高新區(qū)內(nèi)部規(guī)劃中低運量軌道交通網(wǎng)絡，與大運量軌道交通進行銜接，進一步銜接高新區(qū)與主城區(qū)[22]。

4.5.3 中低運量走廊

內(nèi)部質(zhì)量保證體系診斷與改進工作涉及學校辦學的方方面面，不可能一蹴而就，課堂教學是學校所有工作的核心，以課堂教學質(zhì)量預警指標的設計為抓手，建設課程層面的內(nèi)部質(zhì)保體系，是落實“診改”的明確思路和具體方法。學校辦學有特色，前提是專業(yè)人才培養(yǎng)有特色，具體表現(xiàn)是課堂教學有特色，“診改”工作要貼上學校標簽，也要聚焦到課堂教學過程，課堂教學質(zhì)量預警系統(tǒng)指標設計結(jié)合了專業(yè)人才培養(yǎng)的具體要求，融合了師生“教與學”的多元需求，是“診改”工作特色化的基礎。

4.5.4 市域線走廊

如圖7(d)情形，由于市域線為連接中心城區(qū)與外圍較遠組團的線路，除滿足長距離出行需求外，還有部分線路與大運量走廊重合，以更好地滿足市域線直達、快速進城的需求。即區(qū)域A、B之間，為主城區(qū)內(nèi)部的大運量走廊，走廊2為大(高)運量走廊，通過敷設大運量軌道交通已基本滿足出行需求，而市域線選擇走廊1，即擴大了市域線在城市內(nèi)的延伸范圍。區(qū)域B、C之間為中低運量走廊，且距離較長，超過普通城市軌道的合理運營長度[23]，可采取市域線的形式。

例如大西安各組團中，主城區(qū)—富閻合作區(qū)、主城區(qū)—興平、主城區(qū)—渭南市區(qū)等方向，其距離均在60 km左右，綜合考慮運量等級，適宜采取市域線制式。西安地鐵10號線，原規(guī)劃為主城區(qū)—閻良，但由于主城區(qū)—高陵部分運量級大于高陵—閻良，且距離過長，因此新一輪建設規(guī)劃將該線路修正為主城區(qū)—高陵部分，將閻良與富平進行整合，下一步擬研究主城區(qū)—富閻板塊的市域快線。主城區(qū)至富閻組團之間歷經(jīng)主城區(qū)、經(jīng)開區(qū)、涇河工業(yè)園、高陵、臨潼渭北工業(yè)組團、閻良、富平等組團，其中，主城區(qū)—經(jīng)開區(qū)部分為圖7(d)情形的區(qū)域A與區(qū)域B，之間有多條大運量軌道交通，除10號線以外，還有2號、4號線；而經(jīng)開區(qū)—高陵、高陵—富閻，即為區(qū)域B與區(qū)域C的情形，其運量級較低，但距離較遠，可選擇市域線制式。

整體來看，市域線情形較為復雜，在城區(qū)內(nèi)部，有市區(qū)線的功能特征，在城區(qū)外圍，有市域“點對點”的功能特征，在進行市域線制式選擇時，需因地制宜，除分析功能、需求外，還應從時間目標值、行車組織等多方面進行考慮。

此外，軌道交通制式涉及方面眾多，除上述需求因素以外仍需考慮其他因素，主要包括以下內(nèi)容。(1)安全可靠性：技術成熟、設備安全、事故救援能力。(2)技術合理性：支撐城市發(fā)展方向、服務水平、各項運營指標、可實施性、路權(quán)形式、換乘便捷、報批程序。(3)車輛適應性：線路與線網(wǎng)適應性、功能定位、運營靈活性、適應自然地理特征、與大西安文物遺址保護的適應性、地下水源地與環(huán)保要求。(4)工程經(jīng)濟性：工程投資、車輛購置、維護保養(yǎng)費用、運營費用、資源共享。(5)社會效益：國產(chǎn)化率、交通發(fā)展戰(zhàn)略、舒適度、環(huán)保與景觀要求。

4.6 制式選擇結(jié)果與分析

在考慮具體制式車型的過程中，以表1～表4各類制式參數(shù)為基礎并參考表5的計算結(jié)果，考慮大西安城市要素、交通需求特征，最終確定各層次適宜的制式如表6所示。

表6 大西安多層次各制式研究結(jié)論

(1)都市圈范圍選擇市域B型車，符合大西安都市區(qū)50～60 km通勤圈的發(fā)展需求，能夠適應咸陽—西安—渭南以東西向發(fā)展為主的空間結(jié)構(gòu)特征。

(2)都市區(qū)范圍，用地發(fā)展連片、人口密集、交通需求量大，選擇A、B型車6量編組能夠滿足該區(qū)域出行需求。目前西安市編制完成的線網(wǎng)規(guī)劃由23條線路組成，其中骨干線功能線路均為大運量級別，選擇A、B型車制式。該類制式能夠滿足中心城區(qū)的交通需求，對增加“棋盤式”路網(wǎng)的出行效率、緩解地面交通壓力、銜接市區(qū)內(nèi)部與外部的聯(lián)系具有重要作用。根據(jù)客流測試，規(guī)劃方案客流量占公交出行的50.8%，占總出行量比例的24.0%，充分體現(xiàn)了軌道交通作為公共交通骨干的優(yōu)勢。

(3)考慮關中城市群都市區(qū)空間結(jié)構(gòu)、水系、文物遺址、地理地貌等因素，在外圍地區(qū)宜采用中、低運量制式以適應組團狀用地需求，選擇單軌、智軌、云巴、有軌電車等制式，作為外圍區(qū)域的骨干交通，或大運量交通的補充。

5 結(jié)論與建議

(1)基于交通需求確定層次與制式分析方法，以組團的形心連線為網(wǎng)絡進行分配，通過調(diào)研各制式的參數(shù)，與客流走廊量級進行匹配。在既有的節(jié)點聯(lián)系度計算方法增加考慮了出行OD因素，相比于以往對制式的功能分析、定性分析，該方法更為精準，為下階段的線網(wǎng)規(guī)劃、客流預測工作提供了參考依據(jù)。影響軌道交通制式選擇的因素較多，除需求量級之外，還包括安全性、技術適應性、可靠性、工程經(jīng)濟、社會效益等因素。

(2)制式選擇是為線網(wǎng)規(guī)劃提供參考，其研究時間節(jié)點為規(guī)劃遠期，該需求預測也是基于未來的城市發(fā)展情形。因此下一步研究方向擬結(jié)合多元大數(shù)據(jù)(手機信令、出租車GPS、公交與地鐵刷卡數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù))對城市交通模型做進一步校核。

(3)本研究調(diào)研收集了大、中、小運量及市域線不同層次各制式的技術指標，各類軌道交通覆蓋了各種層次的需求，為多層次各制式軌道交通的構(gòu)建提供了基礎保障。但除地鐵之外的其他層次與制式發(fā)展經(jīng)驗仍較為欠缺，且行業(yè)標準未統(tǒng)一、分類標準不盡完善。多層次多制式軌道交通是公共交通、綜合交通協(xié)調(diào)發(fā)展、各方式互補的重要方式，其構(gòu)建需全面梳理、全面研究、因地制宜。交通理念形成、交通行為的演化與提升需持續(xù)推進，政府作為管理主體，占據(jù)主導地位，以政府為主導的政策保障是推動綜合交通、立體交通、技術國產(chǎn)化的基礎。大西安多層次多制式軌道交通的發(fā)展同樣需要較完善的政策保障。因此，建議未來推進政策性工作優(yōu)先開展，加強頂層研究，確保軌道交通從需求出發(fā)，按規(guī)律發(fā)展。

(4)發(fā)達國家和地區(qū)在多層次、多制式軌道交通方面，起步早、發(fā)展經(jīng)驗豐富、運營成熟、效果顯著，積累了較多的原始數(shù)據(jù)和成敗經(jīng)驗。因此，建議下一步加強對先進地區(qū)的考察和研究，并結(jié)合西安市情，形成適合大西安軌道交通發(fā)展的理念和方法。目前大西安多級軌道網(wǎng)(城際網(wǎng)及國鐵網(wǎng)、城市軌道交通網(wǎng)、中低運量軌道交通系統(tǒng))尚未形成有機整體，難以最大化發(fā)揮疏解客流、支撐城市骨架發(fā)展的效應。因此，建議下一步重點促進各種管理體制的互通，打破行政壁壘，促進多網(wǎng)融合。