都市圈综合轨道交通线网规划布局研究

吕 颖

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 都市圈综合轨道交通系统构成

都市圈的特征界定与分析是进行轨道交通线网规划布局的基础，不同发育程度、不同空间形态的都市圈内轨道交通系统的规模、结构表现出一定的差异性。

1.1 都市圈界定

都市圈是在城市化进程中形成的特殊空间形态，涵盖多个城市、辐射大量人口、聚合多种产业，是经济要素不断流动与集散的综合作用，也是区域经济实力与竞争力体现的关键单元[1-3]。都市圈是在特定的地域范围内，以城市主城作为发展核心，以一系列不同性质、规模、等级的发展新区、城镇等为主体，共同组成在空间上位置相近，在功能上紧密联系、相互依存的具有圈层式地域结构和经济一体化趋势的地域空间组织，通过以经济为发展引擎带动城市间的经济联系。在我国都市圈培育的过程中，国外发达都市圈提供了较好的借鉴作用[4-5]。

1.2 都市圈轨道交通系统构成

国外都市圈发展进程中，充分考虑交通布局的影响与作用，统筹规划布局[6-9]，实现空间合理演化。结合国内外发展实践，考虑综合轨道交通所服务的都市圈的空间结构、土地规划、需求分布等多方面因素，结合都市圈的圈层特征确定轨道交通系统的构成。根据都市圈空间结构的分布特征，都市圈内部具体可分为以中心城市为核心的第一圈层，由近郊城镇、发展新区、外围组团及技术开发区组成的第二圈层；对外包括隶属于同一城市群或省域的第一对外联系圈，以及与省外其他中长距离的第二对外联系圈。相应地，轨道交通系统构成可划分为城市轨道交通、市域铁路、城际铁路、干线铁路等几个层级，分别服务于不同圈层内的旅客出行需求及城镇空间演化[10-12]。具体二者的相互关系表示如图1所示。

图1 都市圈圈层与轨道交通层级关系

1.3 都市圈轨道交通系统框架设计

基于整体与局部相结合、一体化与层级化相结合的规划原则，首先明确高等级轨道交通层次功能布局要求，逐步推演下一层级功能布局方案，经过综合协调，形成综合轨道交通功能布局总体方案，在此基础上对客流水平、线网规模、空间架构、枢纽布局等进行细化研究，形成综合轨道交通线网规划方案[13-14]。都市圈综合轨道交通系统框架设计流程如图2所示。

图2 都市圈综合轨道交通系统框架设计流程

2 都市圈综合轨道交通线网规划布局

轨道交通线网布局是复杂的系统工程，影响因素繁多、涵盖内容广泛，包括线网规模测算、空间布局方法等内容，其中线网规模反映与都市圈经济社会发展水平相适应的总量水平，也是线网空间布局的前提条件之一，在研究空间布局方案时应予以合理判断。

2.1 既有线网规划布局方法

轨道交通线网布局研究过程中相继形成重要度布局法、交通走廊布局法、主要集散点连线法、出行向量法、网络形态分析法等多种方法，可分别适用于不同层次、不同规模下的轨道交通线网布局[15-17]。考虑综合轨道交通系统内旅客出行需求的多样化、差异化特征，构建以旅客出行时间最小为目标的线网布局模型进行空间架构。

2.2 基于旅客出行时间最小的规划模型

2.2.1 规划目标

相较于单一的轨道交通系统，合理满足多层次、复杂化的出行需求确定线网规划方案的主要目标，统筹考虑都市圈范围内的旅客出行特征，以综合轨道交通线网旅客出行总时间最小作为主要规划目标，表示如下

(1)

式中OD(u，v)(v≠u)——OD对u和v之间的客流；

λ(u，v)——OD(u，v)(v≠u)在其路径上所消耗的时间；

OD( )——起点与终点间的交通分布函数；

其中，路径消耗时间λ(u，v)包括换乘时间和在途时间，即

(2)

式中luv——区段(u，v)的长度，km；

vR——轨道交通旅行速度，根据轨道交通制式确定；

因此，优化目标函数以演变为

(3)

2.2.2 约束条件

考虑都市圈内出行者分布不均，而且对轨道交通覆盖范围、出行时间需求广泛，而供给者从投资、运营管理等考虑要求距离最短，从而决定了最长和最短规模，因此为避免线路长度过长或者过短带来的一系列问题，以轨道交通线路有效长度为模型约束，具体如下

(4)

式中，lk为路段k的有效长度;ηk为0，1决策变量，表示路段在路网中是否连接;LRmin、LRmax分别为轨道交通线网总长度的最小值和最大值。

以上所提线路总长度也即线网合理规模的确定，是在相应投资限制下确定的满足多样化、多层次出行需求的线网总量。以都市圈综合轨道交通线网一体化发展为顶层框架，基于多层级、多模式轨道交通等匹配合理、功能完整的优化目标，以分层确定分级、分级测算规模、级配实现融合为测算流程，构建基于层级优化的都市圈综合轨道交通线网规模测算模型。其计算公式为

(5)

式中L总——综合轨道交通线网总量；

L′、L″、L‴——各层次轨道交通线网规模；

L重——各层次线网之间的重叠部分；

lt——核心区的环线规模。

主要测算流程涵盖以下主要步骤：①应用分形理论及空间结构模型划分都市圈网络圈层；②基于耦合协调理论匹配轨道交通系统类型与圈层功能实现需求，确定轨道交通层次以及系统构成集；③考虑财政压力适度和都市圈轨道交通超前发展需要，分层级测算都市圈轨道交通线网合理规模；④应用非集计模型划分各轨道交通系统服务功能，合理确定各层级轨道交通线网规模；⑤以功能重叠部分和系统衔接部分为测算重点，筛补漏重、融合点线、畅通圈层，考虑总量约束测算都市圈综合轨道交通线网规模的合理区间。

3 大西安都市圈综合轨道交通线网布局方案

大西安是指以西安市为核心，包括西咸新区、规划新城在内的空间范围。目前，区域内的干线铁路网、城际铁路网以及城市轨道交通线网规划相继形成，通过对发展现状及发展规划的系统分析，总结大西安范围内的轨道交通尚存在以下问题：①各层次线网规划重叠、线路走向重复，线网布局不均衡，市域线路与市域功能缺失；②既有线路能力未得以有效利用，运能浪费严重；③管理体系混乱、管理模式不统一，资源配置失衡；④各级轨道交通割裂严重，难以充分满足各层次运输需求。因此，运用规划模型生成轨道交通线网方案，进一步针对既有规划存在的主要问题，提出合理的功能优化补强方案。

3.1 优化思路

运用上述规划思路建立模型，考虑规模总量约束以及旅客出行时间目标导向，生成综合轨道交通线网的布局方案。进一步针对各层次轨道交通功能重叠交叉的问题，提出通过资源的整合利用进一步优化路网布局。一方面，挖潜国铁、城际网中部分线路的富裕或闲置能力开行市域列车；另一方面，利用城市轨道交通线网中的部分线路通道，优化或调整组合为市域快线，构建承担城市近郊通勤运输功能的市域线网，充分补强既有轨道交通线网中的市域功能，在此过程上，对各层级轨道交通走向重复、功能重叠的线路同步整合优化、完善布局结构[18-20]。

3.2 优化布局方案

3.2.1 布局方案生成

从综合轨道交通融合发展实际出发，充分考虑不同层次的旅客出行需求特征，构建基于出行时间成本最小的优化布局模型，对大西安轨道交通线网适当优化。经基于客流强度的初步测算以及供需主体对出行时间、运营长度的诉求，判断确定都市圈合理的线网规模区间为[1 800，2 500] km，也即线网布局时的约束区间；进一步，基于对各层次轨道交通服务范围、客流出行强度的分析，确定各层次轨道交通线网规模在都市圈范围内的占比，估算其中国铁及城际的总规模约为940 km，城市轨道交通线网1 010 km，环线规模210 km，同时扣除重叠规模150 km，确定综合轨道交通线网规模总量约2 010 km。鉴于实际线路走向还存在一定的展线系数，此处主要考虑以节点之间的航空线距离进行换算。

在此基础上，考虑各层轨道交通平均旅行速度、旅客换乘时间等因素，以城市中心及最外圈层主要城镇节点为对象，测算周边城镇与城市中心以及各节点之间的平均两点间的出行时间约为1.5 h。

形成方案如图3所示。

3.2.2 方案说明

在规划方案生成的基础上，考虑不同层级线路之间的功能交叉等因素，合理分析现状线路的功能及能力运用情况，进行功能层次的进一步优化。

(1)国铁与城际铁路市域功能分析

通过对路网布局分析及相关线路能力测算，考虑不同方向的市域客流需求，研究提出分别利用国铁、城际铁路开行市域列车方案如表1所示。

(2)城市轨道交通线路市域功能分析

根据大西安空间结构、线路所处空间位置、交通需求等因素，将规划城市轨道交通线网中的线路划分为都市区骨干线、都市区区域线、都市区市域线3个层次，其中市域层的功能主要服务于城市中心与郊区卫星城的市域客流。确定线网层次如表2所示。

表2 轨道交通线网层次结构优化方案

(3)轨道交通线网市域功能补强方案

基于上述分析，确定线网市域功能的补强方案如表3所示。

表3 轨道交通线网市域功能补强方案

综上，综合运用定性研判与定量分析相结合的方法，按照从物理网布局到功能层优化的层次生成大西安综合轨道交通线网的布局优化方案，有助于更好地发挥综合轨道交通系统功能，实现资源的合理配置与路网效益最优。

4 结论

综合轨道交通线网融合发展是适应新时期都市圈建设与综合交通运输体系构建的必然选择，在综合轨道交通框架体系下，应着力从系统优化、效能提升的角度对各层次线网进行优化整合、合理布局，以切实做到高效配置资源、提升路网综合效率。对综合轨道交通线网规划的框架设计、线网规模、规划布局等进行了重点研究，提出了相应的方法；同时针对大西安都市圈综合轨道交通线网中存在的问题，重点对市域功能补强与线网优化进行研究，提出优化方案。但是，研究重点从需求的角度进行分析，忽略了供给系统的功能输出，同时缺少综合枢纽布局的研究，还有待进一步深化。