城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案及評價

王慧勇

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308)

0 引言

城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃時首先遇到規(guī)模問題，即該城市應(yīng)修多長的軌道網(wǎng)才能滿足城市交通發(fā)展的需要。目前常用的確定城市軌道交通規(guī)模的方法有交通需求法、回歸分析法和服務(wù)水平法[1-3]，不同方法得到的線網(wǎng)規(guī)模存在較大偏差。軌道交通線網(wǎng)規(guī)模具有相對性，同一城市采用不同制式的軌道得到的線網(wǎng)規(guī)模不同[4-5]。軌道交通項目是城市有史以來最大的公益性基礎(chǔ)投資設(shè)施，需要對交通線網(wǎng)進行科學(xué)規(guī)劃，影響線網(wǎng)規(guī)模的主要因素有：城市人口、城市面積、城市形態(tài)和布局、城市交通需求、城市生產(chǎn)總值和交通發(fā)展戰(zhàn)略等[6-8]。本文提出熵權(quán)綜合計算模型，綜合考慮多種分析方法，得到線網(wǎng)的合理規(guī)模；基于層次分析法建立多目標(biāo)評價指標(biāo)體系，對擬定的3個線網(wǎng)規(guī)劃方案進行定量評價并得出最優(yōu)方案。

1 軌道交通線網(wǎng)合理規(guī)模

軌道交通制式直接影響線網(wǎng)的規(guī)模，某市軌道交通規(guī)劃采用跨坐式單軌系統(tǒng)。在4種實用性較強的分析方法(交通需求法、回歸分析法、線網(wǎng)覆蓋法和建設(shè)能力分析法)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用熵權(quán)模型得到線網(wǎng)的合理規(guī)模。

1.1 線網(wǎng)規(guī)模計算方法

1.1.1 交通需求法

交通需求法是指從供給滿足需求的角度出發(fā)，先預(yù)測規(guī)劃年度全方式出行總量，根據(jù)擬定線路的客運密度確定城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模，其公式[9]為：

式中：L1為交通需求法計算的線網(wǎng)總長度，km；Q為預(yù)測年度城市出行總量，萬人·次/d；α為預(yù)測年度公共交通出行比例；β為軌道交通在公共交通總客流量中分擔(dān)客流的比例；φ為軌道交通換乘系數(shù)；γ為軌道交通線網(wǎng)負(fù)荷強度，萬人·次/(km·d)。

1.1.2 回歸分析法

回歸分析法需要先找出影響城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的主要因素，通過收集和分析不同城市的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對線網(wǎng)規(guī)模及各主要影響因素進行數(shù)據(jù)擬合，從而計算得到軌道交通的合理規(guī)模，其概念模型[10-11]為：

L2=b0Pb1Sb2Gb3kb4，

式中：L2為回歸分析法計算的線網(wǎng)總長度，km；P為城市人口(含常住人口與流動人口)，萬人；S為城市面積，km2；G為城市生產(chǎn)總值，億元；k為軌道交通出行方式占居民出行比例；b0、b1、b2、b3、b4為回歸系數(shù)。

1.1.3 線網(wǎng)覆蓋法

線網(wǎng)覆蓋法主要是通過選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài)，分析不同區(qū)域合理的線網(wǎng)密度和線間距，在意圖服務(wù)的區(qū)域內(nèi)，通過幾何方法計算網(wǎng)絡(luò)規(guī)模[12-13]，其公式為：

式中：L3為線網(wǎng)覆蓋法計算的線網(wǎng)總長度，km；Sl為編號為l的區(qū)域的面積，km2；δl為編號為l的區(qū)域線網(wǎng)理論密度，km/km2。

1.1.4 建設(shè)能力分析法

建設(shè)能力分析法主要考慮城市經(jīng)濟實力和建設(shè)能力對線網(wǎng)規(guī)模的影響，通過對規(guī)劃年份內(nèi)城市國民生產(chǎn)總值、軌道交通投資占累計生產(chǎn)總值比例等因素的預(yù)測，結(jié)合軌道交通的平均建設(shè)成本，測算得到規(guī)劃年份內(nèi)線網(wǎng)規(guī)模[14]，其公式為：

式中：L4為建設(shè)能力法計算的線網(wǎng)總長度，km；t為城市地區(qū)生產(chǎn)總值增長比例；n為規(guī)劃預(yù)測年限；g為軌道交通投資占城市生產(chǎn)總值比例；C為軌道交通平均建設(shè)成本，億元/km。

1.2 基于熵權(quán)的綜合計算模型

由于單一線網(wǎng)規(guī)模計算方法有特定的適用情況，運用熵權(quán)法對各種方法的計算結(jié)果進行賦權(quán)，綜合考慮交通需求法、回歸分析法、線網(wǎng)覆蓋法及城市經(jīng)濟發(fā)展水平，有效避免采用單一方法的解釋性和說服力不足的問題。城市軌道交通線網(wǎng)的合理規(guī)模

L=(L1L2…Li…Lm)(w1w2…wi…wm)T，

(1)

式中：Li為第i種線網(wǎng)規(guī)模計算方法結(jié)果，km；wi為第i種線網(wǎng)規(guī)模計算方法結(jié)果的熵權(quán)。

假設(shè)線網(wǎng)規(guī)模決策辦法有m種，每種方法得到的結(jié)果為xi，i=1,2,……，m,將不同決策辦法結(jié)果進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可得第i種方法計算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化后的比例系數(shù)

(2)

第i種決策辦法的熵

(3)

當(dāng)fi=0時，令filnfi=0，定義第i種線網(wǎng)規(guī)劃計算方法結(jié)果的熵權(quán)

(4)

熵權(quán)系數(shù)代表不同線網(wǎng)規(guī)模計算方法的重要程度，反映該方法的效用價值，直觀體現(xiàn)了不同方法對線網(wǎng)合理規(guī)模形成時的影響程度。

1.3 軌道交通線網(wǎng)合理規(guī)模

結(jié)合某市《城市總體規(guī)劃(2015—2030年)》，運用基于熵權(quán)的綜合計算模型，對2030年某市城市軌道交通線網(wǎng)合理規(guī)模進行分析，部分參數(shù)的取值參考國內(nèi)外類似城市的經(jīng)驗。

1.3.1 交通需求法計算結(jié)果

在20世紀(jì)60年代末到80年代初，人工智能曾有過輝煌的發(fā)展時期。在各領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)需求的驅(qū)動下，人工智能技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展。20世紀(jì)80年代初，人工智能的研究則出現(xiàn)了危機。因為專家系統(tǒng)只能在極有限和狹窄的專業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮作用，極大地限制了人工智能技術(shù)的進一步應(yīng)用與發(fā)展。

預(yù)測某市2030年中心城區(qū)居民常住人口出行率約2.75次/(人·d)左右、流動人口出行率約2.85次/(人·d)左右，按常住人口80萬人、流動人口20萬人計算，取α=0.35，β=0.46，φ=1.38，γ=1.0萬人次/(km·d)，則該市區(qū)范圍內(nèi)遠(yuǎn)期線網(wǎng)規(guī)模應(yīng)為62 km。

1.3.2 回歸分析法計算結(jié)果

通過收集和分析世界上48個不同城市的軌道交通線路長度與城市人口、面積的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到回歸系數(shù)[15-16]：b0=1.839，b1=0.640 13，b2=0.099 66，所以L2=1.839P0.640 1S0.099 7，規(guī)劃2030年某市城市建設(shè)用地達到80 km2，對應(yīng)的線網(wǎng)規(guī)模為55 km。

表1 某市各功能組團面積及線網(wǎng)密度

1.3.3 線網(wǎng)覆蓋法計算結(jié)果

結(jié)合某市的地形特征及城市空間結(jié)構(gòu)特點，參照相近城市的軌道線網(wǎng)密度取值如表1所示,則2030年市區(qū)范圍內(nèi)合理的軌道線網(wǎng)規(guī)模為95 km。

1.3.4 建設(shè)能力分析法計算結(jié)果

2017年該市生產(chǎn)總值1 266.39億元，根據(jù)該市國民經(jīng)濟目標(biāo)，“十三五”期間該市的地區(qū)生產(chǎn)總值年均增長10%；2020—2030年，該市地區(qū)生產(chǎn)總值年均增長9%。到2030年，地區(qū)生產(chǎn)總值將達到4000億元。據(jù)此計算，2017—2030年地區(qū)生產(chǎn)總值累計為33 790億元。

按跨坐式單軌系統(tǒng)每km綜合造價3.0億元匡算，通常取g=1%，則2030年該市財政可承受的軌道線網(wǎng)規(guī)模為113 km。

表2 不同計算方法時的線網(wǎng)規(guī)模參數(shù)

1.3.5 熵權(quán)模型計算結(jié)果

由交通需求法、回歸分析法、線網(wǎng)覆蓋法和建設(shè)能力法的計算結(jié)果及式(1)～(4)可得不同方法計算的熵權(quán)系數(shù)，如表2所示。同時得到2030年該市軌道線網(wǎng)的合理規(guī)模為81 km。

2 軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案

2.1 線網(wǎng)架構(gòu)思路

將影響線網(wǎng)架構(gòu)的眾多因素進行歸納，將分析過程系統(tǒng)化，其規(guī)劃的基本思路如表3所示。

2.2 線網(wǎng)規(guī)劃方案

根據(jù)某市城市總體規(guī)劃中對軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃有影響的城市結(jié)構(gòu)和形態(tài)、土地利用布局、人口與就業(yè)分布等方面的規(guī)劃意圖，結(jié)合城市綜合交通規(guī)劃中對軌道交通線網(wǎng)的規(guī)劃構(gòu)想，按照線網(wǎng)規(guī)劃思路中軌道交通沿城市主要交通走廊敷設(shè)，盡可能多的串聯(lián)主要客流集散點的要求，提出3個該市軌道交通線網(wǎng)方案(圖1～3)，每個方案均由3條交通線組成，以實現(xiàn)新老城區(qū)之間的快速聯(lián)系，達到優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)、引導(dǎo)未來發(fā)展的目標(biāo)，同時滿足現(xiàn)實的交通出行需求，帶動新城的發(fā)展。

表3 軌道交通線網(wǎng)架構(gòu)基本思路

1)方案一

構(gòu)造“環(huán)+放射”型軌道網(wǎng)絡(luò)，全面覆蓋中心城區(qū)。1#線采用主支線運行方式，主線北起軍委三局舊址，南至機場，支線起于蘭家坪，止于河莊坪；2#線為連接中心城區(qū)與市郊區(qū)的放射性線路；3號線為環(huán)線。 軌道交通線網(wǎng)總長度85.2 km。

2)方案二

2條軌道線路以半環(huán)形串聯(lián)新區(qū)，全面覆蓋中心城區(qū)。1#線北起河莊坪，南至機場，是中心城區(qū)南北向主干線；2#線西起軍委三局舊址，東至康家溝，是東西向骨干線；3#線為環(huán)線。軌道交通線網(wǎng)總長度95.5 km，其中1#線和2#線共線約5 km。

3)方案三

3條軌道線路在城市中心區(qū)交織成“目”字形中心網(wǎng)絡(luò)，向外則形成放射狀走廊，可與老城區(qū)“十”字形軌道網(wǎng)絡(luò)銜接換乘。1#線北起軍委三局舊址，南至機場；2#線為環(huán)線；3#線西起河莊坪，東至康家溝。軌道交通線網(wǎng)總長度82.4 km。

圖1 軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案一

圖2 軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案二

圖3 軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案三

3 軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案綜合評價

3.1 評價指標(biāo)體系

根據(jù)以上3種方案，結(jié)合某市城區(qū)特點及未來市區(qū)發(fā)展規(guī)劃，綜合考慮該市未來交通線網(wǎng)的整體布局方案，采用層次分析法進行分析，將評價體系分為目標(biāo)層、分類層和指標(biāo)層3個層次。從評價系統(tǒng)線網(wǎng)結(jié)構(gòu)、客運效果、建設(shè)實施性、社會效益和城市戰(zhàn)略發(fā)展等5大類共16個指標(biāo)(見表4)進行系統(tǒng)評價[17-19]。

表4 某市軌道交通線網(wǎng)評價體系權(quán)重

為使各評價指標(biāo)層及指標(biāo)權(quán)重分配客觀合理，在參考類似城市的軌道網(wǎng)評價指標(biāo)體系權(quán)重的基礎(chǔ)上，采用專家咨詢打分的方法確定系統(tǒng)和指標(biāo)的權(quán)重[20]。根據(jù)分級指標(biāo)權(quán)重和指標(biāo)評分，確定各系統(tǒng)評價得分，以線性加權(quán)和法求出各方案的綜合效用值，選擇具有最大效用值的方案為最優(yōu)線網(wǎng)方案[21]，計算如下。

各系統(tǒng)層評價得分

uz=∑wzj·rzj，

式中：rzj為第z個系統(tǒng)第j個指標(biāo)的評分；wzj為對應(yīng)rzj的指標(biāo)權(quán)重。

各方案的綜合效用

U=∑wz·uz，

式中wz為系統(tǒng)z的權(quán)重。

3.2 線網(wǎng)規(guī)劃方案綜合評價結(jié)果

根據(jù)上述評價指標(biāo)體系對3個線網(wǎng)方案進行綜合評價，得分如表5所示。

表5 線網(wǎng)方案綜合評價

由表5可知，方案一的總評價為0.879，在3個方案中最高。因此，推薦方案一為該市軌道交通線網(wǎng)的規(guī)劃方案。

4 結(jié)語

本文采用熵權(quán)的方法確定某市軌道交通線網(wǎng)的規(guī)模，綜合考慮交通需求法、回歸分析法、線網(wǎng)覆蓋法和建設(shè)能力法，避免了單一方法的局限性，計算結(jié)果更全面、更合理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合某市形態(tài)、城市發(fā)展方向和功能布局，提出3個線網(wǎng)規(guī)劃方案。運用層次分析法構(gòu)建評價指標(biāo)體系，通過專家咨詢打分的方法確定權(quán)重，最后用最大效用值得到了該市軌道交通線網(wǎng)的最優(yōu)方案。本文中建立的熵權(quán)模型和評價模式可為城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃及評價提供參考。