城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃評價指標體系研究

夏宇，譚衢霖，2，李然，蔡小培

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京交通大學 線路工程空間信息技術研究所，北京 100044）

隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，城市群已成為城鎮(zhèn)發(fā)展的主流趨勢。大力發(fā)展城市群高速鐵路是解決交通問題的重要途徑，也是城市群一體化進程的必然結(jié)果。因此，建立一套合理的評價指標體系，對城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃進行評價和指導具有重要意義。

1 評價指標選取原則

目前，我國對城市群鐵路線網(wǎng)規(guī)劃的評價指標有數(shù)十種，但一些指標比較片面或存在重疊問題，選取不同的指標會得出不同的評價結(jié)果。因此，為使評價結(jié)果盡可能客觀全面，選擇科學合理的鐵路線網(wǎng)評價指標十分重要。具體評價指標選擇原則如下：

（1）系統(tǒng)性和全面性原則。城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃評價是一個多指標、多層次的復雜決策問題，應從線網(wǎng)結(jié)構合理性、運營效果、工程建設實施性及適應與引導城市群發(fā)展等角度選取指標，系統(tǒng)全面地反映線網(wǎng)規(guī)劃的內(nèi)在本質(zhì)。

（2）可比性原則。城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃評價指標體系不但要適用同一城市群不同方案的比較，還要適用不同城市群不同方案的比較。

（3）與規(guī)劃目標一致性原則。城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃目標是線網(wǎng)規(guī)劃評價的行動指南，選取的評價指標應力求與線網(wǎng)規(guī)劃目標一致。

（4）非相容性原則。在滿足全面性與系統(tǒng)性原則的同時，各指標間也應滿足獨立性，即非相容性。重疊的指標不僅會增加操作難度，也會引起權重累積，造成偏差，最終影響評價結(jié)果。

（5）針對性原則。由于我國地域廣、人口多、城市群發(fā)展程度不同，造成城市群發(fā)展形態(tài)存在差異，城市群發(fā)展各具特點。因此，指標選取宜適應城市群發(fā)展的特點，針對城市群發(fā)展情況和已有路網(wǎng)特點，綜合考慮城市群發(fā)展形態(tài)差異，在保持整體框架一致的前提下做出局部范圍內(nèi)適應性調(diào)整，以體現(xiàn)針對性原則。

2 評價指標選取方法

圖1 目標層次分析法結(jié)構圖

由于城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃評價系統(tǒng)結(jié)構復雜、涉及面廣、評價指標多，因此評價指標的選取既要考慮全面性也要考慮獨立性原則。目前常用方法有德爾菲法（Delphi）、因果法、目標層次分析法和復合法。其中，目標層次分析法是系統(tǒng)性分析方法，不割斷各因素對結(jié)果的影響，適用于對無結(jié)構特性的系統(tǒng)以及多目標、多準則、多時期等系統(tǒng)進行評價；把定性方法與定量方法有機結(jié)合，對復雜系統(tǒng)進行分解，將思維過程數(shù)學化、系統(tǒng)化，能把多目標、多準則且又難以全部量化處理的決策問題化為多層次單目標問題；層次分明，指標圍繞目標并具有擴充性。目標層次分析法首先確定目標層，進而向下展開為準則層，隨后為指標層，最后為方案層（見圖1）。

3 評價指標體系

在城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃評價過程中，所有步驟都是圍繞規(guī)劃目標展開，因此，首先需要明確規(guī)劃目標。線網(wǎng)規(guī)劃目標一般包括布局合理性、功能完善性、覆蓋程度、層次分明度、高效便捷、內(nèi)外連通性、經(jīng)濟性，以提高運輸能力，減少運營成本，增加運輸利潤，降低工程項目實施難度，帶動城市群發(fā)展。將該目標分解為不同的組成因素，根據(jù)指標選取原則確定指標選取內(nèi)容，采用目標層次分析法按照各組成因素間的相互關聯(lián)影響以及隸屬關系，將組成因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析結(jié)構模型，建立評價體系架構，從而將問題歸結(jié)為方案層相對于目標層的相對重要權值的確定或相對優(yōu)劣次序的排定。以此為目標建立準則層：線網(wǎng)結(jié)構合理、運營效果好、工程建設實施性強和適應與引導城市群發(fā)展。線網(wǎng)結(jié)構合理性選取區(qū)域主要包括城市覆蓋率、線網(wǎng)節(jié)點連通度、線網(wǎng)面積覆蓋率、線網(wǎng)綜合密度、換乘節(jié)點數(shù)以及路網(wǎng)銜接性6個指標；運營效果方面選取線網(wǎng)負荷強度和客流斷面不均勻系數(shù)2個指標；工程建設實施性選取線網(wǎng)平均造價和分期建設計劃的合理性2個指標；適應與引導城市群發(fā)展選取與區(qū)域、城鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的協(xié)調(diào)性，與城市群其他交通規(guī)劃網(wǎng)的協(xié)調(diào)性以及與城市群區(qū)域環(huán)境和風貌的協(xié)調(diào)性3個指標。

各類指標可分為定量指標和定性指標。對于定量指標，基于地理信息系統(tǒng)（GIS）建立城市群高速鐵路線網(wǎng)地理空間數(shù)據(jù)集，通過矢量提取、緩沖區(qū)分析、疊加分析、空間量算、統(tǒng)計分析等功能對其進行計算；對于定性指標，由專家評分確定。城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃評價指標體系見表1。

表1 城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃評價指標體系

4 評價指標分析

4.1 線網(wǎng)結(jié)構合理性

4.1.1 區(qū)域主要城市覆蓋率

城市群鐵路線網(wǎng)對城市群節(jié)點的覆蓋率越高，吸引客流的范圍就越廣，線網(wǎng)帶來的效益便更為顯著。因此，選定一個可以反映高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃與城市群城市位置匹配程度的指標至關重要，這個指標便是主要城市覆蓋率，用于反映高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃與城市發(fā)展布局的協(xié)調(diào)程度。該指標的定義為：高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃覆蓋主要城市換算個數(shù)與城市群區(qū)域內(nèi)主要城市換算個數(shù)的百分比。該指標為定量指標且是效益型指標，其值越大表明線網(wǎng)對節(jié)點的適配性越強，計算公式為：

式中：η為區(qū)域主要城市覆蓋率；N為城市群區(qū)域內(nèi)主要城市換算個數(shù)；n為高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃覆蓋主要城市換算個數(shù)。

式（1）中使用的是城市換算個數(shù)而非城市數(shù)，由于在城市群中每個城市的等級不同，城市節(jié)點為高速鐵路線網(wǎng)帶來的效益也不一樣，因此需要對城市群內(nèi)的城市按照重要程度分類，計算城市節(jié)點加權當量值，計算公式為[1]：

式中：Zi為第i個城市節(jié)點加權當量值；kij為第i個城市節(jié)點的第j個指標值；為第j個指標值的平均值；aj為第j個指標的權重；n為指標數(shù)量。

城市節(jié)點加權當量值可以在GIS中獲得：首先，建立線網(wǎng)規(guī)劃與城市節(jié)點矢量地理數(shù)據(jù)庫；其次，在圖層屬性表中使用字段計算器功能算出加權當量值；最后，通過圖層屬性表中的統(tǒng)計、匯總功能得出結(jié)果。

4.1.2 線網(wǎng)節(jié)點連通度

城市群高速鐵路線網(wǎng)結(jié)構布局越合理，其運營成本越低，獲得的收益越高。評價城市群高速鐵路線網(wǎng)結(jié)構布局是否合理，反映高速鐵路直達水平的評價指標是線網(wǎng)節(jié)點連通度[2]?；诤唵螏缀螛嬓偷木€網(wǎng)節(jié)點連通度C1是線網(wǎng)節(jié)點間路線數(shù)n1與線網(wǎng)節(jié)點數(shù)n2之比，公式為：

基于復雜網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的線網(wǎng)節(jié)點連通度C2公式為：

式中：L為線網(wǎng)規(guī)劃線路總長度，km；ξ為線網(wǎng)規(guī)劃非直線系數(shù)，線網(wǎng)規(guī)劃節(jié)點間線路長度與直線距離的比值，取1.1～1.3；L/ξ為以直線形式連接規(guī)劃網(wǎng)絡時直線的總長度，km；A為城市群區(qū)域面積，km2；N為城市群節(jié)點數(shù)量。

將線網(wǎng)節(jié)點連通度用于評判城市群高速鐵路線網(wǎng)結(jié)構布局是否合理存在局限性，因為未考慮節(jié)點城市的重要程度。例如，某線網(wǎng)規(guī)劃方案示意見圖2，由圖2可知，方案A與方案B具有相同的線網(wǎng)結(jié)構，通過式（3）和式（4）計算出的連通度結(jié)果一致。說明二者線網(wǎng)結(jié)構布局的合理程度一樣。但如果節(jié)點1為特大城市，6為中等城市，顯然方案A比方案B更為合理。

圖2 某線網(wǎng)規(guī)劃方案示意圖

因此，線網(wǎng)節(jié)點連通度應該考慮城市的重要程度，提出以下計算方法：

式中：Ci為第i個城市節(jié)點的連通度；Zi為第i個城市節(jié)點加權當量值；Cij為第i個城市節(jié)點到第j個城市節(jié)點的連通度。

城市群高速鐵路線網(wǎng)節(jié)點連通度是線網(wǎng)中所有節(jié)點連通度的平均值，即：

線網(wǎng)節(jié)點連通度為效益型指標，當C為1.00時，節(jié)點間為兩路相通，連通性很差；C為2.00時，節(jié)點間為四路相通，連通性較好；C為3.00時，節(jié)點間為六路相通，連通性良好；C為3.22時，連通度達到理想狀態(tài)，此時路網(wǎng)布局表示為三角形網(wǎng)狀，節(jié)點間多為六路連通。

線網(wǎng)節(jié)點連通度可在GIS中獲得：首先，建立高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃與城市節(jié)點矢量地理數(shù)據(jù)庫；其次，在圖層屬性表中添加并編輯加權當量值；最后，通過圖層屬性表中的字段計算器功能編碼相應的計算公式并得出結(jié)果。

4.1.3 線網(wǎng)面積覆蓋率

線網(wǎng)面積覆蓋率為城市群高速鐵路線網(wǎng)服務面積與城市群區(qū)域面積之比，可以表示線網(wǎng)對客流的吸引能力，也在某種程度上反映高速鐵路交通的可達性。該指標是定量指標也是效益型指標，其值越大代表吸引客流的能力越大，可達性越好。該指標定義為線路沿線每側(cè)750 m范圍的服務面積與城市群區(qū)域面積之比，計算公式如下：

式中：F為線網(wǎng)面積覆蓋率；S為城市群高速鐵路線網(wǎng)服務面積，km2；A為城市群區(qū)域面積，km2。

線網(wǎng)面積覆蓋率可在GIS中獲得，城市群區(qū)域面積通過建立相應的矢量地理數(shù)據(jù)庫，查詢相應的面積屬性值獲得。城市群高速鐵路線網(wǎng)服務面積：首先，建立線網(wǎng)規(guī)劃圖層；其次，使用緩沖區(qū)分析技術獲取雙側(cè)750 m緩沖區(qū)；最后，通過查詢線網(wǎng)規(guī)劃緩沖區(qū)的矢量地理數(shù)據(jù)庫的圖層屬性表獲得。

4.1.4 線網(wǎng)綜合密度

高速鐵路線網(wǎng)密度是表征城市群城市受高速鐵路交通影響的一項客觀定量指標，其值越大體現(xiàn)城市群的高速鐵路建設規(guī)模越大，高速鐵路線網(wǎng)的服務能力和總?cè)萘吭酱螅鲂姓叱俗F路出行越方便[3]。根據(jù)分擔對象不同，線網(wǎng)密度分為線網(wǎng)面積密度ρ1、線網(wǎng)人口密度ρ2、線網(wǎng)經(jīng)濟密度ρ3，相應公式如下：

式中：A為城市群區(qū)域總面積，km2；P為城市群內(nèi)人口總量，萬人；G為城市群生產(chǎn)總值（GDP），億元。

上述3個指標僅能從某種角度反映高速鐵路線網(wǎng)狀況，其值分別受到城市群區(qū)域總面積、城市群人口總量、城市群生產(chǎn)總值影響，因此將面積、人口、經(jīng)濟綜合考慮到線網(wǎng)密度中，線網(wǎng)綜合密度指標可表示為：

根據(jù)建立的城市群矢量數(shù)據(jù)庫，可以在GIS中查詢到各項指標的具體數(shù)值，按照式（11）計算即可得到線網(wǎng)綜合密度指標值。

4.1.5 換乘節(jié)點數(shù)

換乘節(jié)點數(shù)為軌道交通網(wǎng)絡交叉點的數(shù)量，用來反映靜態(tài)軌道交通網(wǎng)絡提供換乘的靈活性[4]。該指標為定量指標且是效益型指標，其值越大越表明換乘靈活性越高。

在GIS中建立換乘節(jié)點要素地理數(shù)據(jù)集，根據(jù)高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃方案將換乘節(jié)點數(shù)字化，通過圖層屬性表獲得各方案的換乘節(jié)點數(shù)。

4.1.6 路網(wǎng)銜接性

路網(wǎng)銜接性表現(xiàn)為多種交通方式（高速鐵路、普速鐵路、城市軌道交通）之間的銜接換乘對城市群發(fā)展的綜合效應[5]。在設計方案中，路網(wǎng)銜接性的好壞直接決定旅客出行是否方便。路網(wǎng)銜接性好的方案對于高速鐵路的良好運轉(zhuǎn)尤為重要。高速鐵路路網(wǎng)銜接性包含高速鐵路與普速鐵路、高速鐵路與城市軌道交通之間的銜接方法、換乘方式、運營模式。

4.2 運營效果

4.2.1 線網(wǎng)負荷強度

線網(wǎng)負荷強度的定義為高速鐵路線網(wǎng)日客運量與線網(wǎng)總長之比[6]，反映高速鐵路線網(wǎng)單位長度承擔的客流量，也在一定程度上反映高速鐵路的經(jīng)濟效益，用來評價高速鐵路線網(wǎng)的運營效率和經(jīng)濟性。該指標為定量指標，也是適中型指標。線網(wǎng)負荷強度低，通常是線網(wǎng)運量低，密度高，會提高旅客的舒適性和方便程度，服務水平高；反之，線網(wǎng)負荷強度高，通常是線網(wǎng)運量高，密度低，其服務水平相對較低，但提高了運輸效率，經(jīng)濟效益較好。因此該指標反映線網(wǎng)運營效果的服務性與經(jīng)濟性，計算方法如下：

式中：q為線網(wǎng)負荷強度，萬人次/（d·km）；Q為高速鐵路日均客運量，萬人次/d。

國外城市群快速鐵路的線網(wǎng)負荷強度一般為2.5萬～4.0萬人次/（d·km），對于經(jīng)濟比較發(fā)達的地區(qū)，城市密集，人口密度較高時，建議線網(wǎng)負荷強度較國外略高，取3.0萬～ 4.0萬人次/（d·km）。該指標可以在GIS軟件中計算得出。

4.2.2 客流斷面不均勻系數(shù)

該指標為城市群高速鐵路線網(wǎng)各線路客流斷面最大值與平均值之比的平均值，用來反映城市群線網(wǎng)承擔客流的均衡程度，為定量成本型指標，評價城市群線網(wǎng)的客運效率和運營效率。該指標越小，說明線網(wǎng)所承擔的客流越均衡，其計算方法如下：

式中：P為線網(wǎng)客流斷面不均勻系數(shù)；Qi為第i條線路全日雙向最大斷面客流量；Ki為第i條線路全日雙向平均客流量；n為線網(wǎng)中線路條數(shù)。

在GIS中，將“最大斷面客流量”和“客流量的平均值”添加到線路圖層屬性表中，運用函數(shù)計算器按照式（13）計算出線網(wǎng)客流斷面不均勻系數(shù)。

4.3 工程建設實施性

4.3.1 線網(wǎng)平均造價

該指標是指修建每公里線路所需要的總費用。工程建設總費用包括設備費用與土建費用：設備費用是相關設備的購置費以及構成固定資產(chǎn)相關工具的購置費；土建費用是指材料與人工等費用，所占份額最大。線路條件不同會造成線路工程的投資費用不同，而且差額較大。例如，高架或地下線路工程費用比地面線路的工程費用高3～5倍。因此工程建設費用在一定程度上反映城市群高速鐵路線網(wǎng)建設實施的難易程度[7]。

由于城市群高速鐵路工程建設費用與線路的長度有關，為橫向?qū)Ρ炔煌€網(wǎng)規(guī)劃方案，需排除因線路長度造成的影響，因此使用線網(wǎng)平均造價指標。該指標是定量成本型指標，如果值較小說明線網(wǎng)方案可實施性強。計算公式為：

式中：W為線網(wǎng)平均造價；M為城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃方案工程建設總費用。

4.3.2 分期建設計劃的合理性

城市群高速鐵路線網(wǎng)的建設涉及政策規(guī)劃、經(jīng)濟條件、技術支撐、工程條件、城市規(guī)劃等多方面因素，是涉及因素繁多、工程量大、工期長的大型工程項目，因此規(guī)劃方案必須要分期、有序地實施，以適應客運量需求及城市發(fā)展需求[8]。首先，方案的漸序?qū)嵤獙⒊鞘腥旱暮诵膸нB通起來，滿足城市群經(jīng)濟發(fā)展需求以及日益增長的客流量需求；其次，加強大城市的輻射力度，形成大城市帶動小城市，核心城市帶動周邊城市的發(fā)展形式，形成輻射狀經(jīng)濟帶；最后，完善高速鐵路線網(wǎng)，提高高速鐵路網(wǎng)絡的整體經(jīng)濟效益，修建補充輔助線路。分期建設計劃的合理性指標為定性指標，通常由相關專家依據(jù)經(jīng)驗對線網(wǎng)規(guī)劃方案進行主觀評估。

4.4 適應與引導城市群發(fā)展

4.4.1 與區(qū)域城鎮(zhèn)、經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的協(xié)調(diào)性

城市群中若干大城市和特大城市在地域上集中分布，并且集聚形成大型城市集團作為大都市聯(lián)合體，具有多核心、多層次特性。城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃應適應區(qū)域城鎮(zhèn)布局、經(jīng)濟發(fā)展的需要，促進城市群中大城市與大城市、小城鎮(zhèn)與小城鎮(zhèn)的橫向經(jīng)濟聯(lián)合，推動城市群經(jīng)濟合作，提升城市群的整體實力[9]。該指標為定性指標。

4.4.2 與城市群其他交通規(guī)劃網(wǎng)的協(xié)調(diào)性

高速鐵路線網(wǎng)要與城市群內(nèi)其他交通網(wǎng)相協(xié)調(diào)，與公路、水運、空運等交通網(wǎng)協(xié)調(diào)銜接。高速鐵路和城市群內(nèi)其他交通方式都各自具備其特有的功能，多種交通方式之間的銜接換乘必將直接影響城市綜合運輸效率。因此應充分發(fā)揮各種運輸方式的技術優(yōu)勢和功能，協(xié)調(diào)發(fā)展，提高城市群綜合交通樞紐運營效率。該指標為定性指標。

4.4.3 與城市群區(qū)域環(huán)境和風貌的協(xié)調(diào)性

高速鐵路建設過程中，不可避免地對沿線地區(qū)造成一定程度的環(huán)境影響和生態(tài)破壞，合理協(xié)調(diào)好高速鐵路線網(wǎng)建設與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展之間的關系，成為影響城市群高速鐵路發(fā)展的重要因素。因此，城市群區(qū)域線網(wǎng)規(guī)劃建設時，應盡可能節(jié)約資源、保護環(huán)境、不破壞名勝古跡等敏感地區(qū)。該指標為定性指標。

5 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，城市群已成為城鎮(zhèn)發(fā)展的主流趨勢，大力發(fā)展城市群高速鐵路是解決交通問題的重要途徑，也是城市群一體化進程的必然結(jié)果。不同發(fā)展階段、發(fā)展水平的城市群，高速鐵路線網(wǎng)產(chǎn)生的“改善交通、支持和引導城市群發(fā)展”作用側(cè)重點不同，線網(wǎng)規(guī)劃目標和原則也不同，相應評價指標體系也不同。結(jié)合城市群發(fā)展程度和高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃特性，建立基于GIS的城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃評價指標體系，對城市群高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃進行評價和指導具有一定的借鑒意義。