都市区轨道交通多层次各制式量化选择方法研究

李岩辉,沈增涛,田 飞,刘 剑,尹暑光

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.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 研究背景

目前，我国正在经历着城市化快速发展的过程，出现了很多特大城市、超大城市、城市群，为了有效解决城市化集聚带来的各类问题，很多城市兴建了新区，旨在通过外围组团来疏解人口、承担主城区的部分功能[1]。在该过程中，都市区的人口、就业岗位、产业结构、组团的协同关系也发生着深刻变化[2-3]，从而引起需求特征的变化。都市区内不同分区的城市要素差异引起出行特征的差异，该差异进一步决定了轨道交通线网布局、轨道交通制式选择、建设规划时序选择、线路功能、客流特征等。其中，制式选择是线网规划阶段的重要工作，根据城市要素与需求特征确定各线路的运量等级、速度目标值(全程运行时间)等，进而分析站间距设置、车辆选型、车辆编组、敷设方式、路权形式、线路的平、纵、横参数等指标[4-6]。因此，选择合适的制式是满足出行需求、节省投资、合理利用资源的重要举措[7]。

根据相关文献，影响线路功能、制式选择的主要因素包括：运量等级、线路长度、客运性质、控制全程时间的速度、服务水平等[8-11]。由于城市各区域发展情况千差万别，因地制宜地确定线路的功能、层次、制式是进行下阶段工作的重要前提条件。本研究拟通过城市空间结构、客流走廊、圈层等角度定量确定线网结构与制式，使线路制式的确定以城市为依据，又能支撑城市发展、满足线路本身的技术要求。

2 多制式概述

《国家新型城镇化规划(2014-2020》中提到“以城市群为主体形态，推动大、中、小城市和小城镇协调发展”，通过增强中心城市辐射带动功能，加快发展中小城市；同时随着《国务院办公厅关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见(国办发[2018]52号)》的颁布，对城市轨道交通的申报条件进行了严格限制。以地铁为代表的大运量轨道交通不能完全满足新型城镇化发展的需求，因此，有必要针对不同城市的地域特点、需求特征选取适宜的轨道交通制式。一方面能够匹配城市出行需求，引导城市空间发展；另一方面通过构建不同层次的轨道交通，进一步拓展城市骨架，增加公共交通的服务范围，构建综合交通一体化发展模式[12]。目前，我国城市轨道交通已逐步进入到多制式发展进程中，截止2018年底，我国各城市不同制式轨道交通比例如图1所示[13]。

图1 我国城市轨道交通各制式占比(2018年)

虽然近年来我国轨道交通发展迅速，但以地铁为主的大运量制式仍占到超过3/4，差异化构建网络化多制式协调发展的轨道交通体系已成趋势。发展多层次轨道交通，是都市圈有序、高质量发展的前提和保障；是轨道交通随都市圈发展的必然结果；是降低投资、提高效益的最佳选择。通过对目前主要车辆制式进行调研，针对中心城区、都市区范围所涉及的轨道交通制式，按照大运量、中运量、小运量、市域线进行汇总，各主要技术参数如表1～表4所示。

表1 大运量各车型主要技术参数

表2 中运量各车型主要技术参数

表3 小运量各车型主要技术参数

表4 市域线各制式主要技术参数

3 制式选择思路与方法

本研究所涉及的需求分析，是基于“四阶段法”理论基础上的，分析内容包括都市圈空间分析、交通走廊、圈层划分、节点重要度与连接度等指标。以需求要素为基础，对应轨道各项指标参数，将上述要素定量对照进而确定适宜的层次与制式，其研究框架如图2所示。

图2 研究技术路线

3.1 发生吸引与出行分布

交通发生吸引是需求分析的第一步，由人口、就业岗位、土地性质、社会经济发展水平等因素决定。人口与就业岗位决定了发生吸引量的规模，土地利用性质、经济产业特征决定发生吸引的特征；同时，社会经济发展水平反映在轨道交通的投融资方案、财务评价、国民经济评价等方面，直接决定轨道交通所适宜的制式。进而根据重力模型，可以得出交通分布，作为下一步交通走廊分析的基础。

3.2 城市圈层结构与可达性

都市区的圈层研究从出行可达性的角度出发，该可达性主要为基于交通网络(路网、轨道交通网络)的可达性，通常表示为30，60 min的通勤圈。根据相关标准、文献[14]，单条轨道交通的合理运行时间确定为1 h。而随着我国城市化进程加快，都市区范围越来越大，仅靠地铁A、B型车将无法支撑城市骨架拓展[15-17]。因此，城市圈层的拓展对可达性提出了更高要求，而可达性又要求轨道交通向市域范围延伸，并影响轨道交通的线网密度差异、站间距、平均旅行速度(速度目标值)[18]。

3.3 交通走廊与城市节点布局

线网规划应优先选取主要客流走廊、锚固重要客流集散点[19]。在选取最佳路径时，根据主要客流走廊量级，并考虑各方式出行比例，确定走廊内轨道交通出行比例、确定轨道交通量级；另一方面，轨道交通在满足特定走廊需求特征的同时，需优先连接重要客流集散点。集散点重要程度的衡量指标包括人口规模、经济指标、产业联系程度、城市发展方向与战略等，在结合客流走廊量级的过程中，考虑节点重要度、节点之间距离，选择适宜的制式。该分析的意义在于综合考虑影响制式的指标。例如，对于高峰小时断面同样为2万人次/h的走廊来说，线路长度则成为决定制式的重要因素，20 km左右距离可选择轻轨制式，但60 km的距离就需要市域快线/城际铁路制式。

4 实例分析

根据上述分析思路，以大西安都市区为例，分析各量级制式选择的应用。

4.1 需求分析

根据相关上位规划确定的人口规模、用地性质、产业发展等要素，得出发生吸引(PA)预测结果，见图3。

4.2 出行空间分布特征

根据出行分布结果绘制区域出行期望线如图4所示。

由于客流走廊是对制式起重要支撑作用的载体，将各个相邻之间小区的形心相连构成蛛网，构成的网络即为交通走廊。再将出行OD分配到蛛网上，其结果即为交通走廊(图5)，通过走廊定量分析，可以确定主骨架量级。从图4、图5可以看出，以西安—咸阳—西咸新区为核心的都市区，为出行密集区域；以该区域向外辐射的主要走廊为：西安—鄠邑、西安—兴平、西安—三原、西安—阎良、西安—渭南；其余走廊则为中低运量级别。

图3 规划发生吸引(PA)分布

图4 出行分布预测

图5 交通走廊分析(蛛网分配)

4.3 空间结构与圈层

根据城市人口规模、经济、产业、用地开发强度等指标，计算各个城市的重要度与节点联系程度，公式如下[20]

(1)

(2)

式(1)中，Zi为城市i的重要度；同理，可以计算Zj；Ri为城市i的常住人口；Ra为城市群范围各城市常住人口规模平均值；Gi为城市i的生产总值；Ga为各城市生产总值平均值；Pi为城市i的客运量；Pa为各城市客运量平均值；Qi为城市i的货运量；Qa为各城市货运量平均值；Si为城市i节点度分布，节点度为与该节点相连的节点数目，对于城市群空间结构来说，节点之间的联系可以用高速公路、国省干道、铁路来表示；Sa为各城市节点度平均值；βi为节点城市i的行政地位系数，节点的行政地位越高，该系数的取值越大，为量化该指标，按城市节点等级由高到低的顺序可依次取为2.5，2，1.5和1；γi为节点的其他功能修正系数，若筛选的节点具有特殊性质或功能，则根据影响强度赋予其一个大于1的系数，否则取值为1，例如临潼作为旅游城市、空港新城作为咸阳机场驻地，其影响强度指数大于1；α1，α2，α3，α4，α5为上述5个指标的权重，根据城市要素不同取值不同，在此可取0.2。式(2)中，Hij为城市i，j之间的联系强度；Oij，Dij为城市i，j之间的客流量；Oi，Oj为城市i，j的出发量；Di，Dj为城市i，j的进入量。

式(1)计算的重要度，考虑了社会经济、交通运输、网路结构等各要素，在轨道交通制式选择中，优先采用高运量级连接重要的城市节点，提高资源使用效率。式(2)中Hij体现两城市之间的联系关系紧密程度，为0～1的数值，该值为城市群范围各个城市联系强度的相对值，i，j城市之间的Hij越接近1，说明i，j在城市群内相比于其他城市联系强度越高，在走廊空间有限的情况下，优先选择联系强度高的城市之间进行连接。

4.4 交通走廊量化分析

根据需求特征，并以式(1)、式(2)对节点重要程度、主要客流走廊、节点联系强度进行计算与等级划分，得出结果如表5所示。

4.5 制式选择过程

根据交通需求分析、走廊量化计算结果，将制式选择分为图7所示的几种情形进行探讨。

表5 节点及走廊量化分析

图6 大西安城市空间圈层与走廊

4.5.1 高(大)运量走廊

图7 多层次各制式选择形式

在表5的计算结果中，各组团之间的联系强度最高的为西安主城区—高新区/高新扩区，则首先确定该两个区域之间的制式。通过需求模型分析，该两地之间距离为城市轨道交通骨干线范畴(图6)，且组团量级为10万人次/高峰小时。则初步判定该走廊为高运量走廊，根据表1所列“单向运能”参数，10万人次/h的量级需要2条以上大运量轨道交通，且其制式应为A型车+B型车。目前，主城区—高新区之间有3号、6号线衔接，但3号线为东西方向，而高新区主要发展方向为南北向，仅靠6号线无法满足交通需求，且3号、6号线为B型车。在西安市第三轮轨道交通建设规划中，确定8号线(环线)为A型车，该线路衔接主城区与高新区。同理，在10万量级的走廊中，中心城区—韦曲/常宁，中心城区—沣东新城均需要2条以上大运量轨道交通线路。

4.5.2 大运量与中小运量组合

延续上述案例，由于主城区至高新区主要道路为高新路、太白路，其余道路不具备敷设大运量轨道交通的条件，可支持大运量的交通走廊有限。连接高新区主要道路实际上仅高新路一条，该道路已敷设6号线。因此，可以在高新区内部规划中低运量轨道交通网络，与大运量轨道交通进行衔接，进一步衔接高新区与主城区[22]。

4.5.3 中低运量走廊

内部质量保证体系诊断与改进工作涉及学校办学的方方面面，不可能一蹴而就，课堂教学是学校所有工作的核心，以课堂教学质量预警指标的设计为抓手，建设课程层面的内部质保体系，是落实“诊改”的明确思路和具体方法。学校办学有特色，前提是专业人才培养有特色，具体表现是课堂教学有特色，“诊改”工作要贴上学校标签，也要聚焦到课堂教学过程，课堂教学质量预警系统指标设计结合了专业人才培养的具体要求，融合了师生“教与学”的多元需求，是“诊改”工作特色化的基础。

4.5.4 市域线走廊

如图7(d)情形，由于市域线为连接中心城区与外围较远组团的线路，除满足长距离出行需求外，还有部分线路与大运量走廊重合，以更好地满足市域线直达、快速进城的需求。即区域A、B之间，为主城区内部的大运量走廊，走廊2为大(高)运量走廊，通过敷设大运量轨道交通已基本满足出行需求，而市域线选择走廊1，即扩大了市域线在城市内的延伸范围。区域B、C之间为中低运量走廊，且距离较长，超过普通城市轨道的合理运营长度[23]，可采取市域线的形式。

例如大西安各组团中，主城区—富阎合作区、主城区—兴平、主城区—渭南市区等方向，其距离均在60 km左右，综合考虑运量等级，适宜采取市域线制式。西安地铁10号线，原规划为主城区—阎良，但由于主城区—高陵部分运量级大于高陵—阎良，且距离过长，因此新一轮建设规划将该线路修正为主城区—高陵部分，将阎良与富平进行整合，下一步拟研究主城区—富阎板块的市域快线。主城区至富阎组团之间历经主城区、经开区、泾河工业园、高陵、临潼渭北工业组团、阎良、富平等组团，其中，主城区—经开区部分为图7(d)情形的区域A与区域B，之间有多条大运量轨道交通，除10号线以外，还有2号、4号线；而经开区—高陵、高陵—富阎，即为区域B与区域C的情形，其运量级较低，但距离较远，可选择市域线制式。

整体来看，市域线情形较为复杂，在城区内部，有市区线的功能特征，在城区外围，有市域“点对点”的功能特征，在进行市域线制式选择时，需因地制宜，除分析功能、需求外，还应从时间目标值、行车组织等多方面进行考虑。

此外，轨道交通制式涉及方面众多，除上述需求因素以外仍需考虑其他因素，主要包括以下内容。(1)安全可靠性：技术成熟、设备安全、事故救援能力。(2)技术合理性：支撑城市发展方向、服务水平、各项运营指标、可实施性、路权形式、换乘便捷、报批程序。(3)车辆适应性：线路与线网适应性、功能定位、运营灵活性、适应自然地理特征、与大西安文物遗址保护的适应性、地下水源地与环保要求。(4)工程经济性：工程投资、车辆购置、维护保养费用、运营费用、资源共享。(5)社会效益：国产化率、交通发展战略、舒适度、环保与景观要求。

4.6 制式选择结果与分析

在考虑具体制式车型的过程中，以表1～表4各类制式参数为基础并参考表5的计算结果，考虑大西安城市要素、交通需求特征，最终确定各层次适宜的制式如表6所示。

表6 大西安多层次各制式研究结论

(1)都市圈范围选择市域B型车，符合大西安都市区50～60 km通勤圈的发展需求，能够适应咸阳—西安—渭南以东西向发展为主的空间结构特征。

(2)都市区范围，用地发展连片、人口密集、交通需求量大，选择A、B型车6量编组能够满足该区域出行需求。目前西安市编制完成的线网规划由23条线路组成，其中骨干线功能线路均为大运量级别，选择A、B型车制式。该类制式能够满足中心城区的交通需求，对增加“棋盘式”路网的出行效率、缓解地面交通压力、衔接市区内部与外部的联系具有重要作用。根据客流测试，规划方案客流量占公交出行的50.8%，占总出行量比例的24.0%，充分体现了轨道交通作为公共交通骨干的优势。

(3)考虑关中城市群都市区空间结构、水系、文物遗址、地理地貌等因素，在外围地区宜采用中、低运量制式以适应组团状用地需求，选择单轨、智轨、云巴、有轨电车等制式，作为外围区域的骨干交通，或大运量交通的补充。

5 结论与建议

(1)基于交通需求确定层次与制式分析方法，以组团的形心连线为网络进行分配，通过调研各制式的参数，与客流走廊量级进行匹配。在既有的节点联系度计算方法增加考虑了出行OD因素，相比于以往对制式的功能分析、定性分析，该方法更为精准，为下阶段的线网规划、客流预测工作提供了参考依据。影响轨道交通制式选择的因素较多，除需求量级之外，还包括安全性、技术适应性、可靠性、工程经济、社会效益等因素。

(2)制式选择是为线网规划提供参考，其研究时间节点为规划远期，该需求预测也是基于未来的城市发展情形。因此下一步研究方向拟结合多元大数据(手机信令、出租车GPS、公交与地铁刷卡数据、POI数据)对城市交通模型做进一步校核。

(3)本研究调研收集了大、中、小运量及市域线不同层次各制式的技术指标，各类轨道交通覆盖了各种层次的需求，为多层次各制式轨道交通的构建提供了基础保障。但除地铁之外的其他层次与制式发展经验仍较为欠缺，且行业标准未统一、分类标准不尽完善。多层次多制式轨道交通是公共交通、综合交通协调发展、各方式互补的重要方式，其构建需全面梳理、全面研究、因地制宜。交通理念形成、交通行为的演化与提升需持续推进，政府作为管理主体，占据主导地位，以政府为主导的政策保障是推动综合交通、立体交通、技术国产化的基础。大西安多层次多制式轨道交通的发展同样需要较完善的政策保障。因此，建议未来推进政策性工作优先开展，加强顶层研究，确保轨道交通从需求出发，按规律发展。

(4)发达国家和地区在多层次、多制式轨道交通方面，起步早、发展经验丰富、运营成熟、效果显著，积累了较多的原始数据和成败经验。因此，建议下一步加强对先进地区的考察和研究，并结合西安市情，形成适合大西安轨道交通发展的理念和方法。目前大西安多级轨道网(城际网及国铁网、城市轨道交通网、中低运量轨道交通系统)尚未形成有机整体，难以最大化发挥疏解客流、支撑城市骨架发展的效应。因此，建议下一步重点促进各种管理体制的互通，打破行政壁垒，促进多网融合。