李巖輝
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043)
軌道交通作為城市綜合交通體系的骨干,報(bào)批和建設(shè)周期長、投資巨大、涉及專業(yè)領(lǐng)域眾多,包含規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營等多個(gè)階段。其前期研究工作主要包括線網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)規(guī)劃、預(yù)可行性研究、可行性研究等,旨在確定軌道交通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、線路方案、線路功能、線站位、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等宏觀內(nèi)容,是后期設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營等工作順利推進(jìn)的保證。前期研究的思路是從城市群規(guī)劃、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、城市國土空間規(guī)劃、綜合交通規(guī)劃等上位依據(jù)入手,在確定城市主要發(fā)展軸線、交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、出行需求分布特征的基礎(chǔ)上,對線網(wǎng)-線路-車站進(jìn)行逐層次分析,最終確定適宜的前期方案。這是一個(gè)從宏觀到微觀、從整體到局部、從主要到次要逐步深入的過程。鑒于前期研究階段受限于各類邊界條件,研究工作的首要關(guān)注點(diǎn)是“網(wǎng)絡(luò)合理、布局均衡、線路貫通、方案可控”,在初步設(shè)計(jì)之后,隨著掌握資料的不斷豐富、邊界條件的逐步穩(wěn)定,才會(huì)進(jìn)一步考慮優(yōu)化、實(shí)施等細(xì)部問題。若前期方案不合理,最后累積到實(shí)施方案,可能會(huì)出現(xiàn)“顛覆性”問題,導(dǎo)致較大規(guī)模返工。因此,在軌道交通項(xiàng)目進(jìn)入實(shí)施階段之前,有必要通過多角度、多方式的量化分析得到相對準(zhǔn)確、合理的前期方案[1]。
近年來,隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,軌道交通前期研究工作也得到更多技術(shù)手段的支持,逐步向數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型,具體體現(xiàn)如下。
(1)前期分析參數(shù)化。利用數(shù)據(jù)庫技術(shù),結(jié)合分布式計(jì)算、并行計(jì)算、云計(jì)算等增強(qiáng)算力的方法,能夠適應(yīng)多源、大規(guī)模數(shù)據(jù)分析場景。通過將大數(shù)據(jù)技術(shù)與地理信息系統(tǒng)(GIS)、前端開發(fā)、數(shù)字孿生等平臺(tái)相融合,可實(shí)現(xiàn)對城市群、都市圈等較大范圍的定量化分析,反映城市群、都市圈內(nèi)不同范圍的需求特征,克服傳統(tǒng)定性分析方法不確定性強(qiáng)、精度低等缺點(diǎn),為軌道交通前期方案制定提供可靠的依據(jù)。此外,為分析規(guī)劃層面的指標(biāo)體系,可引入需求預(yù)測、空間模型等技術(shù),利用城市信息模型(CIM)、空間計(jì)量學(xué)、GIS等相關(guān)模型對城市未來發(fā)展方向、線路功能、客流需求等進(jìn)行預(yù)測,以提升分析精度。
(2)數(shù)據(jù)分析可視化。軌道交通前期研究相關(guān)數(shù)據(jù)包括手機(jī)信令、公交/地鐵刷卡、全球定位系統(tǒng)(GPS)、應(yīng)用程序編程接口(API)等多類數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量可達(dá)到GB~TB級別,需要采用SQL、Python甚至分布式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、交通網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜、監(jiān)測設(shè)備日新月異的今天,可利用模型集計(jì)及基于用戶界面(UI)的可視化平臺(tái)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,再應(yīng)用到實(shí)際分析中,以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)更好的理解、掌握及對其價(jià)值更充分的發(fā)掘。
(3)研究平臺(tái)集成化。以項(xiàng)目實(shí)際需求為導(dǎo)向,在數(shù)據(jù)平臺(tái)上集成社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口崗位、城市發(fā)展、綜合交通、人群畫像等數(shù)據(jù),并通過多源數(shù)據(jù)進(jìn)行校核,盡可能體現(xiàn)不同層次城市空間、軌道交通線網(wǎng)的全面特征[2],從“面-線-點(diǎn)”(即線網(wǎng)-線路-車站)不同層次反映線路功能、速度、服務(wù)水平的差異。
本文以廈門市為主要研究范圍(拓展到漳州市、泉州市的部分區(qū)域),針對軌道交通前期研究涉及的主要工作,采用地理分析、空間計(jì)量模型、時(shí)空大數(shù)據(jù)分析等數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行量化研究,從“面”的宏觀層次,分析軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃與城市空間結(jié)構(gòu)的相關(guān)性,探討數(shù)字化技術(shù)在軌道交通規(guī)劃中的應(yīng)用,以整個(gè)城市為研究尺度量化確定城市出行范圍(即交通可達(dá)性)、建成區(qū)用地邊界、出行空間結(jié)構(gòu),為線網(wǎng)規(guī)模、服務(wù)水平、線網(wǎng)架構(gòu)、功能層次的決策與優(yōu)化提供依據(jù)[3]。
(1)城市空間布局是決定軌道交通層次及結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。在城市由中心城區(qū)發(fā)展至都市圈、城市群的過程中,城市空間呈現(xiàn)出不同的時(shí)空分布特征。不同的城市空間需要相應(yīng)的軌道交通與之匹配[4],如圖1所示:①在中心城區(qū)范圍,用地連片、高密度、高強(qiáng)度發(fā)展,人口、就業(yè)崗位密集,出行總量大,出行分布集中度高,需要規(guī)劃大運(yùn)量城市軌道交通系統(tǒng),并提高其線站位密度及對沿線用地的覆蓋率,加強(qiáng)與周邊用地的融合及與其他交通方式的一體化銜接,以滿足中心城區(qū)的出行需求;②在都市圈范圍,中心城區(qū)的部分功能逐步向外圍疏解,形成外圍組團(tuán)、新城,其客流以通勤為主,根據(jù)交通強(qiáng)國戰(zhàn)略提出的都市圈1 h通勤目標(biāo),需要規(guī)劃城市軌道交通快線、市域(郊)鐵路等,以實(shí)現(xiàn)外圍組團(tuán)與中心城區(qū)以及各組團(tuán)相互之間的聯(lián)系;③在城市群(即多個(gè)城市通過資源要素、生產(chǎn)生活的合理配置而形成的協(xié)同發(fā)展區(qū)域)范圍,城市之間的時(shí)空距離進(jìn)一步擴(kuò)大,需要城際鐵路、國鐵干線將其銜接,以實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國戰(zhàn)略提出的城市群2 h通達(dá)目標(biāo)。
圖1 不同城市空間對應(yīng)的軌道交通示意圖
(2)通過識(shí)別城市用地發(fā)展的方向及趨勢,為軌道交通線網(wǎng)布局提供依據(jù)。軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃年限包含遠(yuǎn)期、遠(yuǎn)景,這超出了城市國土空間規(guī)劃年限,因此在軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃時(shí)要充分考慮城市未來發(fā)展彈性與可能性,盡量支撐城市總體規(guī)劃的實(shí)施,做好預(yù)留。通過識(shí)別用地發(fā)展方向,可將用地增長相對緩慢的成熟區(qū)域作為線網(wǎng)近期重點(diǎn)加密區(qū)域,用地增長迅速的潛力區(qū)域作為未來線網(wǎng)延伸的方向。
(3)通過城市空間分析,確定軌道交通各線路建設(shè)的優(yōu)先級排序。軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃作為對未來綜合交通網(wǎng)絡(luò)的謀劃,規(guī)模通常較大,且分期實(shí)施。隨著國家軌道交通建設(shè)規(guī)劃報(bào)批政策的日趨嚴(yán)格,尤其是《國務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的意見》(國辦發(fā)[2018]52號)[5]及《“十四五”城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)實(shí)施方案》(發(fā)改基礎(chǔ)[2021]1302號)[6]發(fā)布以來,軌道交通發(fā)展更加強(qiáng)調(diào)科學(xué)、合理、高質(zhì)量。通過城市空間分析可識(shí)別城市中人口密集、發(fā)展成熟、迫切需要建設(shè)軌道交通的區(qū)域,從而為線路建設(shè)的優(yōu)先級排序提供依據(jù)[7]。
綜上所述,對城市空間、范圍、邊界進(jìn)行全面分析,是確定軌道交通層次、制式、線網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)和依據(jù)[8]。
軌道交通前期研究的內(nèi)容是依據(jù)城市發(fā)展現(xiàn)狀與國土空間規(guī)劃,通過城市圈層及空間結(jié)構(gòu)分析,確定線網(wǎng)服務(wù)范圍、功能層次、路由走向、延伸方向等,從而指導(dǎo)線網(wǎng)規(guī)劃。其研究思路如圖2所示。
圖2 基于城市空間分析的軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃思路
結(jié)合上述研究思路,本研究將針對不同分析內(nèi)容,采用多種數(shù)據(jù)模型及分析方法進(jìn)行建模,具體如下。
(1)城市空間數(shù)據(jù)分析。其包括城市圈層范圍分析和城市空間結(jié)構(gòu)分析2部分。前者用于確定軌道交通線網(wǎng)規(guī)模、線網(wǎng)可達(dá)性目標(biāo)及各線路功能,后者用于確定軌道交通線網(wǎng)結(jié)構(gòu)。常用的數(shù)據(jù)模型及分析方法包括:基于多層次交通網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性分析、空間句法整合度模型、集聚度分析、空間自相關(guān)分析等。
(2)靜態(tài)指標(biāo)分析。其包括經(jīng)濟(jì)、人口、財(cái)政收入分析,以及就業(yè)崗位、需求特征、用地指標(biāo)分析。前者用于匡算軌道交通線網(wǎng)規(guī)模、確定其層次及制式,后者用于確定軌道交通建設(shè)需求及線站位方案。常用的數(shù)據(jù)模型及分析方法包括:社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)面板數(shù)據(jù)、人口與就業(yè)崗位空間分布分析、各片區(qū)用地性質(zhì)及聚類分析等。
(3)出行分布特征分析。出行分布特征分析包括對出行總量及分方式出行量、發(fā)生/吸引分布、出行時(shí)間分布、出行起訖點(diǎn)(OD)分布等內(nèi)容的分析。出行總量及分方式出行量分析用于匡算軌道交通線網(wǎng)規(guī)模、客流規(guī)模;發(fā)生/吸引分布及出行時(shí)間分布分析用于確定客流早晚高峰不均衡性和乘降量特征;出行OD分布分析用于確定主要客流方向、走廊特征、出行距離。常用的數(shù)據(jù)模型及分析方法包括:基于全面出行調(diào)查的城市交通數(shù)據(jù)庫、交通預(yù)測模型、多源大數(shù)據(jù)集計(jì)分析、基于蛛網(wǎng)分配的走廊分析等。
本文以廈門市為例,將整個(gè)城市作為研究尺度進(jìn)行數(shù)字化城市空間分析,量化確定城市出行范圍(即交通可達(dá)性)、建成區(qū)用地邊界、出行空間結(jié)構(gòu),為軌道交通線網(wǎng)規(guī)模、服務(wù)水平、線網(wǎng)架構(gòu)、功能層次的決策與優(yōu)化提供依據(jù)。
城市出行范圍通常按照距離或時(shí)間等量劃分為若干同心圓圈層。對于廈門市而言,以廈門本島中心的江頭立交為圓心、以10 km為單位劃分出行圈層,10 km范圍覆蓋全島,20 km范圍覆蓋環(huán)灣區(qū)域,30 km范圍覆蓋市郊及漳州市、泉州市的部分區(qū)域,如圖3所示。但普通的“同心圓”出行圈層劃分無法體現(xiàn)實(shí)際交通網(wǎng)絡(luò)的各向差異及運(yùn)行特征,因此需在原始圈層劃分的基礎(chǔ)上加載交通網(wǎng)絡(luò)屬性、交通運(yùn)行特征、交通態(tài)勢等數(shù)據(jù),開展城市交通可達(dá)性分析,以求反映交通網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)特征[9]。
圖3 廈門市同心圓出行圈層劃分示意圖
為此,本研究確立了模擬真實(shí)交通網(wǎng)絡(luò)特征、反映實(shí)際交通運(yùn)營狀況的交通可達(dá)性分析思路,如圖4所示。通過對如圖4a所示的原始圖進(jìn)行交通網(wǎng)絡(luò)屬性加載,分別形成基于軌道交通線網(wǎng)(圖4b)和基于道路網(wǎng)絡(luò)(圖4d)的雙層結(jié)構(gòu)。由于軌道交通的運(yùn)營時(shí)刻、發(fā)車間隔相對固定,且不受交通狀況影響,其出行可達(dá)性與其線網(wǎng)延伸方向、線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)吻合(圖4c);而道路交通運(yùn)行速度受道路擁堵狀況的影響較大,其可達(dá)性一方面與道路等級、設(shè)計(jì)速度有關(guān),另一方面也受制于道路實(shí)際行駛速度(圖4e)。
圖4 考慮交通網(wǎng)絡(luò)屬性及交通態(tài)勢的交通可達(dá)性分析思路
根據(jù)上述思路,為對比不同交通網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性差異,仍以廈門市本島中心的江頭立交為圓心劃分出行圈層,并為其加載交通網(wǎng)絡(luò)屬性、交通運(yùn)行特征、交通態(tài)勢等數(shù)據(jù),分別研究廈門市軌道交通和道路交通的可達(dá)性。軌道交通可達(dá)性研究以最新版廈門市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃為基礎(chǔ),根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃確定的普線、復(fù)合快線、快線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行速度參數(shù)設(shè)置;道路可達(dá)性研究以綜合交通規(guī)劃道路網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),利用高德API(應(yīng)用程序編程接口)平臺(tái)獲取早晚高峰交通態(tài)勢數(shù)據(jù)并將其加載到道路網(wǎng)絡(luò)中,以反映道路交通運(yùn)行的真實(shí)情況。通過模型運(yùn)算,得到軌道交通及道路交通的可達(dá)性結(jié)果如圖5、圖 6所示。
圖5 廈門市軌道交通可達(dá)性(單位:min)
由圖5、圖6可知,軌道交通15 min可覆蓋本島全境,30 min可覆蓋環(huán)灣區(qū)域及海滄區(qū)、同安區(qū)、杏林區(qū)等部分區(qū)域,45 min可基本覆蓋廈門市大部分建成區(qū);道路交通由于受制于島內(nèi)道路實(shí)際速度、城市空間及道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等因素,30 min可覆蓋本島,60~80 min可覆蓋廈門市全域。通過柵格面積計(jì)算,軌道交通30 min、60 min出行范圍分別是道路交通在對應(yīng)時(shí)間內(nèi)出行范圍的163%、145%,這充分體現(xiàn)了軌道交通成網(wǎng)后在早晚高峰時(shí)段的運(yùn)輸效率優(yōu)勢,以及4號、9號線作為復(fù)合快線的必要性。此外,該分析結(jié)果還反映了道路交通增加跨海通道的意義,從新建翔安大橋、海滄隧道后跨海交通時(shí)間明顯縮短可以看出,增加跨海通道能夠有效緩解跨海交通壓力。
圖6 廈門市道路交通可達(dá)性(單位:min)
可達(dá)性分析是確定各類交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率、服務(wù)水平、覆蓋范圍的有效指標(biāo),通過加載交通態(tài)勢等相關(guān)數(shù)據(jù),能夠比較交通網(wǎng)絡(luò)輻射范圍與城市規(guī)劃所確定圈層之間、交通網(wǎng)絡(luò)實(shí)際速度與相關(guān)規(guī)劃所規(guī)定速度目標(biāo)值之間的差異,并據(jù)此進(jìn)行交通網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、加密、補(bǔ)強(qiáng)。
軌道交通是重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施,對城市的空間布局和發(fā)展模式具有深遠(yuǎn)影響,而隨著城市空間結(jié)構(gòu)的變化、建設(shè)用地的拓展,軌道交通線網(wǎng)布局也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。為此,需要對較長一段時(shí)間內(nèi)城市建成區(qū)用地邊界進(jìn)行識(shí)別,了解城市建成區(qū)范圍的變化趨勢,從而準(zhǔn)確識(shí)別城市發(fā)展規(guī)律。在考慮數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)可獲取性及準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,本研究采用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行城市建成區(qū)用地邊界分析[10-11]。常用遙感波段及技術(shù)指標(biāo)如表1所示。通過不同波段組合可識(shí)別不同用地類型。常用波段組合與用地特征的對應(yīng)關(guān)系如下:波段432組合識(shí)別一般用地、波段764組合識(shí)別城市、波段564組合識(shí)別陸地與水體、波段652組合識(shí)別農(nóng)作物、波段632組合識(shí)別地標(biāo)景觀與特征、波段571組合識(shí)別植被和水體等。由于遙感數(shù)據(jù)的特殊性,其處理方式與普通的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)有所不同?;谶b感數(shù)據(jù)的城市建成區(qū)用地邊界分析思路如圖7所示。
表1 常用遙感波段及技術(shù)指標(biāo)
圖7 基于遙感數(shù)據(jù)的城市建成區(qū)用地邊界分析思路
通過分析1990年—2020年遙感數(shù)據(jù),可得出廈門市建成區(qū)用地邊界在這30年中的發(fā)展趨勢,如圖8所示:1990年以前,廈門市主要用地集中在島內(nèi)、杏林區(qū)、同安區(qū)等區(qū)域;自1988年國務(wù)院批準(zhǔn)廈門市為計(jì)劃單列市以后,廈門市的發(fā)展開始進(jìn)入快車道,建成區(qū)用地邊界不斷擴(kuò)張,中心城區(qū)范圍逐漸覆蓋廈門市全域,并與泉州市、漳州市連為一體。從上述趨勢可以看出,廈門本島內(nèi)發(fā)展趨于飽和,同安灣、翔安區(qū)等區(qū)域發(fā)展較快,是未來發(fā)展的潛力區(qū)域。因此,軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)優(yōu)先滿足發(fā)展成熟的島內(nèi)等區(qū)域,然后再考慮對潛力區(qū)域予以輻射、補(bǔ)充、加密[12]。
圖8 1990年—2020年廈門市建成區(qū)用地邊界變化示意圖
除城市出行范圍及建成區(qū)用地邊界分析之外,還應(yīng)針對軌道交通服務(wù)客體,從交通需求角度研究出行分布,通過分析時(shí)空出行數(shù)據(jù),確定出行空間結(jié)構(gòu)、乘客主要流向,掌握軌道交通線網(wǎng)供需關(guān)系,以進(jìn)一步優(yōu)化線網(wǎng)規(guī)劃、線路路由方案。
通過對廈門市2022年某工作日的用戶手機(jī)信令數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出全市出行分布如圖9所示。為進(jìn)一步給線網(wǎng)規(guī)劃提供決策依據(jù),可將定量數(shù)據(jù)結(jié)果回歸到定性分析,通過對出行特征的集計(jì)分析,得出廈門市主要客流點(diǎn)之間的空間聯(lián)系結(jié)構(gòu),如圖10所示。通過上述分析可知,本島作為廈門市傳統(tǒng)發(fā)展核心,其區(qū)位優(yōu)勢將繼續(xù)保持,環(huán)灣區(qū)域(海滄區(qū)-杏林區(qū)-集美區(qū)-同安灣-翔安區(qū)-新機(jī)場)構(gòu)成的發(fā)展帶將形成多個(gè)新興增長極。軌道交通應(yīng)滿足“本島加密、多向輻射、串聯(lián)環(huán)灣、快慢分明”的要求,以適應(yīng)不同片區(qū)的出行特征,提供差異化服務(wù)[13]。
圖9 廈門市出行分布圖
圖10 廈門市主要客流點(diǎn)之間的空間聯(lián)系結(jié)構(gòu)
(1)本研究從“面”的宏觀層次,量化分析線網(wǎng)規(guī)劃與城市空間結(jié)構(gòu)的相關(guān)性,探討數(shù)字化技術(shù)在軌道交通規(guī)劃中的應(yīng)用,以期為軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃提供方向、框架、結(jié)構(gòu)、功能等方面的分析指引及優(yōu)化思路。
(2)與軌道交通相關(guān)的城市空間分析涉及領(lǐng)域眾多,包括城市出行范圍、建成區(qū)用地邊界、出行空間結(jié)構(gòu)等方面。通過城市出行范圍分析,能夠?qū)④壍澜煌ǖ目蛇_(dá)性、速度目標(biāo)與國土空間規(guī)劃確定的相關(guān)目標(biāo)進(jìn)行對比,從而實(shí)現(xiàn)對線網(wǎng)布局、線路速度標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化;通過城市建成區(qū)用地邊界分析,可量化識(shí)別城市發(fā)展方向、未來用地拓展較快區(qū)域、用地增長規(guī)律性特征,據(jù)此判斷軌道交通線網(wǎng)與用地的匹配性、設(shè)施設(shè)置的均衡性與短板;通過出行空間結(jié)構(gòu)分析,可確定主要的出行發(fā)生/吸引片區(qū)、大區(qū)域出行空間特征,據(jù)此確定軌道交通線網(wǎng)架構(gòu)、客流量級、線路制式與標(biāo)準(zhǔn)。
(3)隨著空間多源大數(shù)據(jù)分析、數(shù)字孿生、人工智能技術(shù)的發(fā)展,線網(wǎng)規(guī)劃逐漸將城市視為整體系統(tǒng)進(jìn)行研究并尋求綜合性、統(tǒng)籌性的解決方案,在關(guān)注城市發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,采用“定量+定性”的方法對城市遠(yuǎn)期發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測,以實(shí)現(xiàn)軌道交通規(guī)劃建設(shè)的優(yōu)化、合理決策。今后的研究可著眼于開發(fā)物理空間與數(shù)字空間協(xié)同的城市交通智能化系統(tǒng),構(gòu)建適用于不同尺度研究范圍的全要素?cái)?shù)智化管理平臺(tái),為下一步的設(shè)施資源優(yōu)化配置及高效運(yùn)營管理提供工具與方案,以實(shí)現(xiàn)軌道交通數(shù)智化規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營。