多網(wǎng)融合背景下都市圈市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案評(píng)價(jià)研究

張麗丹

(福州市發(fā)展和改革委員會(huì)軌道交通發(fā)展中心,福州 350007)

1 研究背景

我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程正處于快速發(fā)展期,都市圈作為新型城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展的主體形態(tài),需由多層次、一體化的交通系統(tǒng)作為支撐。近年來(lái),國(guó)家相繼出臺(tái)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》,要求建設(shè)都市圈多層次軌道交通網(wǎng)絡(luò),推進(jìn)干線鐵路、城際鐵路、市域(郊)鐵路、城市軌道交通“多網(wǎng)融合”。

從功能定位來(lái)看,市域(郊)鐵路服務(wù)于城市中心城區(qū)與周邊新城、城鎮(zhèn)組團(tuán)間的通勤客流,并支撐中心城市周邊組團(tuán)的空間發(fā)展[1-3],在軌道交通網(wǎng)絡(luò)中上承外圍國(guó)鐵城際,下聯(lián)中心市區(qū)內(nèi)城市軌道,具有聯(lián)動(dòng)紐帶功能,其線網(wǎng)布局規(guī)劃直接關(guān)系到整體軌道交通網(wǎng)絡(luò)的融合發(fā)展,并對(duì)都市圈及國(guó)家城鎮(zhèn)化建設(shè)起到至關(guān)重要的作用。

市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)是保障市域(郊)鐵路合理建設(shè)、科學(xué)發(fā)展,更好地實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合的關(guān)鍵步驟。目前相關(guān)領(lǐng)域既有文獻(xiàn)中,在線網(wǎng)布局規(guī)劃評(píng)價(jià)方面主要以城市軌道交通[4-6]、城際鐵路[7-8]、區(qū)域高速鐵路[9]方向等單層次為主,多數(shù)采用模糊綜合評(píng)價(jià)、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法[10-11]等;在多網(wǎng)融合方面,較多學(xué)者將重點(diǎn)放在網(wǎng)絡(luò)融合方案分析和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[12-18]。由于我國(guó)市域(郊)鐵路尚處于規(guī)劃建設(shè)階段,在多網(wǎng)融合這一概念背景下專門(mén)針對(duì)市域(郊)鐵路線網(wǎng)布局及評(píng)價(jià)的研究較少。因此,多網(wǎng)融合背景下針對(duì)市域(郊)鐵路獨(dú)有功能定位和層次銜接關(guān)系的規(guī)劃布局評(píng)價(jià)方法值得探索。

2 評(píng)估指標(biāo)體系

2.1 評(píng)估指標(biāo)體系建立

在多網(wǎng)融合背景下,考慮都市圈市域(郊)鐵路網(wǎng)從規(guī)劃建設(shè)到運(yùn)營(yíng)全過(guò)程中的不同主體訴求,為綜合反映都市圈市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃布局對(duì)各主體需求的滿足程度,考慮多網(wǎng)融合程度、都市圈支撐強(qiáng)度、運(yùn)營(yíng)服務(wù)能力、方案實(shí)施可能四個(gè)方面,采用多目標(biāo)分析法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并對(duì)上述指標(biāo)體系進(jìn)行符號(hào)化處理,設(shè)第i個(gè)準(zhǔn)則層為Ai,則所屬準(zhǔn)則層Ai的第j個(gè)指標(biāo)表示為Bij,具體如表1所示。

表1 市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案評(píng)估指標(biāo)Tab.1 Indicators for the evaluation of urban (suburban) railroad network planning schemes

2.2 評(píng)估指標(biāo)釋義

為實(shí)現(xiàn)最終的量化評(píng)估,上述指標(biāo)在評(píng)估過(guò)程中需進(jìn)行量化表示,其中定量指標(biāo)具有明確計(jì)算公式,定性指標(biāo)具有明確釋義并可做出量化程度區(qū)分。各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體含義如表2所示。

表2 市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案評(píng)估指標(biāo)Tab.2 Indicators for the evaluation of urban (suburban) railroad network planning schemes

3 評(píng)估方法

為提高評(píng)估指標(biāo)賦權(quán)的合理性,運(yùn)用層次分析法與信息熵權(quán)法的線性組合賦權(quán)法,實(shí)現(xiàn)主觀與客觀賦權(quán)方法相結(jié)合來(lái)確定權(quán)重[22-23]。同時(shí)考慮市域(郊)線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估中方案的有限性、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的復(fù)雜性及評(píng)價(jià)結(jié)果的可解釋性[24-26],采用TOPSIS方法實(shí)現(xiàn)市域(郊)線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估分析。

3.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

既有的各類評(píng)價(jià)賦權(quán)方法各有優(yōu)劣,為盡可能提高評(píng)估指標(biāo)賦權(quán)的合理性,運(yùn)用層次分析法與信息熵權(quán)法的線性組合賦權(quán)法,實(shí)現(xiàn)主觀與客觀賦權(quán)方法相結(jié)合,從而確定市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重。

3.1.1 層次分析法

層次分析法是基于專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)各指標(biāo)間兩兩比較打分,其利用了數(shù)字大小的相對(duì)性,數(shù)字越大則越重要,從而構(gòu)造判斷矩陣來(lái)綜合測(cè)算各指標(biāo)的最終權(quán)重,具體方法如下。

(1)構(gòu)建指標(biāo)層的相對(duì)重要度判斷矩陣。

指標(biāo)層各指標(biāo)在決策者對(duì)目標(biāo)衡量時(shí)的重要度不盡相同,各占一定比重。引入數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度來(lái)量化衡量(表3),定義評(píng)價(jià)體系中的指標(biāo)總數(shù)為n,則量化得到的判斷矩陣可表示為A=(bij)n×n。

表3 判斷矩陣標(biāo)度定義Tab.3 Definition of judgment matrix scales

(2)構(gòu)建指標(biāo)層的相對(duì)重要度判斷矩陣。

將判斷矩陣(bij)n×n按列歸一化處理,定義歸一化后的判斷矩陣為A′=(hij)n×n,具體方法如下

(1)

(2)

(3)

(3)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。

定義一致性指標(biāo)為CI,定義判斷矩陣A′的最大化特征值為λmax,一致性指標(biāo)計(jì)算公式見(jiàn)式(5)。進(jìn)而依據(jù)指標(biāo)數(shù)量n查找表4對(duì)應(yīng)的一致性指標(biāo)平均標(biāo)準(zhǔn)RI。

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI標(biāo)準(zhǔn)值Tab.4 Average random indicator standard value

進(jìn)而由式(6)計(jì)算一致性比例CR。判斷一致性比例CR是否小于0.1,當(dāng)CR<0.1時(shí)認(rèn)為判斷矩陣具有一致性,此時(shí)的相對(duì)權(quán)重向量即為層次分析法所得各指標(biāo)權(quán)重,否則需對(duì)判斷矩陣適當(dāng)修正,直至CR<0.1。

(4)

(5)

(6)

3.1.2 信息熵權(quán)法

信息熵權(quán)法屬于客觀賦值法,在信息論中熵是衡量系統(tǒng)內(nèi)信息無(wú)序程度的指標(biāo)。依據(jù)信息熵原理,若各評(píng)估方案在同一指標(biāo)下方案值的離散波動(dòng)程度越大,則表示該項(xiàng)指標(biāo)提供的有效信息量越大,則權(quán)重值越高。具體計(jì)算過(guò)程如下。

(1)方案指標(biāo)值矩陣標(biāo)準(zhǔn)化。

設(shè)有m個(gè)參評(píng)方案,n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),則可形成方案指標(biāo)值的原始矩陣,記為X=(xij)n×m,定義該矩陣標(biāo)準(zhǔn)化后表示為R=(rij)n×m,rij表示在指標(biāo)i下第j個(gè)方案的標(biāo)準(zhǔn)值,rij∈[0,1]。則具體標(biāo)準(zhǔn)方法如下。

對(duì)于收益型指標(biāo)

(7)

對(duì)于成本型指標(biāo)

(8)

(2)計(jì)算各指標(biāo)的信息熵hi。

定義第i個(gè)指標(biāo)的信息熵為hi,計(jì)算方法如下

(9)

(10)

式中,當(dāng)fij=0時(shí),令fijlnfij=0。

(3)計(jì)算各指標(biāo)熵權(quán)wi。

定義第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)為wi,計(jì)算方法如下

(11)

(12)

3.1.3 基于層次分析法和信息熵權(quán)的組合賦權(quán)法

(13)

式中,μ∈(0,1)。

3.2 基于TOPSIS 的方案評(píng)估方法

TOPSIS方法通過(guò)定義目標(biāo)最優(yōu)解、最劣解,通過(guò)計(jì)算決策問(wèn)題各個(gè)評(píng)價(jià)方案與最優(yōu)解、最劣解的距離,進(jìn)而由各方案與理想最優(yōu)解之間的相對(duì)貼合程度來(lái)對(duì)評(píng)價(jià)方案進(jìn)行優(yōu)劣排序。已知有m個(gè)參評(píng)方案,n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),方案指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣表示為R=(rij)n×m,運(yùn)用TOPSIS方法進(jìn)行方案評(píng)估的具體步驟如下。

(1)基于組合賦權(quán)法計(jì)算各方案指標(biāo)值形成的加權(quán)評(píng)估矩陣Z。

Z=(zij)n×m=(wjxij)n×m

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(4)計(jì)算各評(píng)估方案的相對(duì)貼合程度ci。

(19)

進(jìn)而可依據(jù)各評(píng)估方案的貼合程度ci對(duì)各方案進(jìn)行排序,貼合程度ci越大,表示評(píng)估方案與理想解的相對(duì)接近程度越高,評(píng)價(jià)方案越優(yōu)。

4 實(shí)例應(yīng)用

福州市位于中國(guó)東南沿海,是福建省省會(huì)城市,是海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)、福莆寧同城化的核心城市。據(jù)《福州市都市圈發(fā)展規(guī)劃》,未來(lái)都市圈核心區(qū)空間結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)“一環(huán)兩帶、兩核兩心七組團(tuán)”發(fā)展模式,圖1、圖2分別為福州都市圈及中心城區(qū)空間規(guī)劃布局示意。

圖1 福州都市圈空間規(guī)劃布局Fig.1 Spatial planning layout of Fuzhou metropolitan area

圖2 福州都市圈中心城區(qū)空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃Fig.2 Spatial structure planning of the central city of Fuzhou metropolitan area

以福州都市圈核心區(qū)為例,對(duì)市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)估分析。

4.1 福州都市圈軌道交通現(xiàn)狀及批復(fù)規(guī)劃

目前福州都市圈核心區(qū)范圍內(nèi)的各層次軌道交通現(xiàn)狀及規(guī)劃如下。

國(guó)鐵干線:既有鐵路包括溫福鐵路、福廈鐵路、合福高鐵、福平鐵路、向莆鐵路、峰福鐵路、福馬鐵路,共計(jì)總里程424 km,其中高速鐵路347 km,福廈高鐵福州境內(nèi)長(zhǎng)57 km。

城際鐵路:目前在建福莆寧城際F1線,起自福州火車站,經(jīng)福州長(zhǎng)樂(lè)國(guó)際機(jī)場(chǎng),終于文嶺站,全長(zhǎng)約62 km。據(jù)《福州都市圈發(fā)展規(guī)劃》,規(guī)劃年將形成以城際鐵路為核心的城際就業(yè)通勤交通體系,打造1小時(shí)通勤圈。

市域(郊)鐵路:據(jù)福州城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃2021年修編公示方案,福州市域(郊)鐵路規(guī)劃S1～S6共6條新建線路,里程總計(jì)259 km,分別承擔(dān)主城區(qū)至福清、連江、永泰、閩清、龍高半島及濱海新城至福清6個(gè)方向的客流,與福州國(guó)土空間總體格局發(fā)展戰(zhàn)略相協(xié)調(diào)。

城市軌道交通:福州市現(xiàn)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)1號(hào)線和2號(hào)線,形成主城區(qū)“十字型”主骨架,據(jù)福州城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃2021年修編公示方案,規(guī)劃包括3、4、5、6、7、8、9、10、11、13共計(jì)10條線路,共計(jì)里程424 km,如圖3所示。

圖3 福州都市圈核心區(qū)城市軌道交通規(guī)劃Fig.3 Urban rail transportation planning in the core area of Fuzhou metropolitan area

據(jù)統(tǒng)計(jì),目前都市圈中心區(qū)16%的面積聚集著40%的人口、供應(yīng)45%的崗位、生成52%的出行。擴(kuò)張的城市骨架下仍維持單中心、強(qiáng)輻射特征使得都市圈中心城市區(qū)交通供需矛盾日益突出。隨著都市圈的建設(shè)加快,城市空間拓展、產(chǎn)業(yè)布局延伸及城鎮(zhèn)帶建設(shè),通勤、通學(xué)、通商性客流需求將快速增長(zhǎng),徑向通勤出行將大幅增長(zhǎng),而溝通外圍組團(tuán)及其與中心城市的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)較慢。

4.2 福州都市圈市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案評(píng)估

在此背景下,考慮都市圈客流特征,依據(jù)市域(郊)鐵路在軌道交通大系統(tǒng)中的功能定位,結(jié)合都市圈國(guó)土空間布局及產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,提出福州都市圈市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案,并采用本文所述市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案評(píng)估體系及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行應(yīng)用。

(1)市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案

基于中心城區(qū)空間拓展方向“東進(jìn)南下、沿江向海”理念,考慮福州主城區(qū)、福清市、濱海新城三大核心組團(tuán)間的高效聯(lián)通,確定福州市域(郊)鐵路網(wǎng)的基本形態(tài)為“三核互通、多向輻射”,具體如圖4所示。

圖4 福州市域(郊)鐵路網(wǎng)基本形態(tài)Fig.4 The basic shape of the Fuzhou metropolitan (suburban) railroad network

進(jìn)而依據(jù)客流預(yù)測(cè)結(jié)果給出規(guī)劃年度各通道線路配置數(shù)量,具體如表5所示。

表5 福州都市圈各廊道線路供給規(guī)劃Tab.5 Plan of corridor lines in Fuzhou metropolitan area

結(jié)合既有線路配置情況,統(tǒng)籌優(yōu)先利用既有及規(guī)劃鐵路、在既有線網(wǎng)局部延伸及補(bǔ)強(qiáng)、考慮需求發(fā)展超前謀劃新建市域(郊)線路等幾個(gè)原則,規(guī)劃各客流通道不同的市域(郊)布局方案,形成3個(gè)比選方案如表6所示。

表6 各方案主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì) kmTab.6 Statistics of main indicators of each program

(2)指標(biāo)計(jì)算及方案比選

基于不同規(guī)劃方案計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)于定量指標(biāo)依據(jù)相關(guān)部門(mén)基礎(chǔ)資料及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算處理得到,定性指標(biāo)采用德?tīng)柗品ㄌ幚淼玫?進(jìn)而對(duì)得到的初始評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣歸一化后,采用組合賦權(quán)法實(shí)現(xiàn)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。市域(郊)鐵路網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系下,各方案的具體指標(biāo)數(shù)據(jù)及權(quán)重如表7所示。

表7 福州都市圈市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重Tab.7 Evaluation indexes and weights for the planning of urban (suburban) railroad network

值得關(guān)注的是,在軌道交通大系統(tǒng)內(nèi),多網(wǎng)融合主要考慮車流組織、客流組織兩個(gè)方面的融合銜接;在軌道交通大系統(tǒng)外,主要考慮融合后的系統(tǒng)整體與其他交通方式的協(xié)調(diào)融合,因此,提出采用“不同層級(jí)間線路互通性”“不同層級(jí)間銜接換乘時(shí)間”“與綜合交通協(xié)調(diào)性”三個(gè)方面的指標(biāo)進(jìn)行綜合表征。其中“不同層級(jí)間的線路互通性”主要考慮各層級(jí)軌道交通一體化銜接車站個(gè)數(shù)、貫通運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度兩個(gè)因素,指標(biāo)值越大融合程度越高;“不同層級(jí)間銜接換乘時(shí)間”主要從客流組織角度考慮,換乘時(shí)間越短融合程度越高;“與綜合交通協(xié)調(diào)性”則為市域(郊)規(guī)劃方案中重要節(jié)點(diǎn)樞紐車站與其余交通方式平均銜接距離,距離越近其協(xié)調(diào)融合程度越優(yōu)。

運(yùn)用本文所述評(píng)價(jià)方法計(jì)算貼近程度并排序,結(jié)果如表8所示,可得最優(yōu)方案為方案1。

表8 福州都市圈市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案比選結(jié)果Tab.8 Results of the planning schemes of the Fuzhou metropolitan area (suburban) railroad network

最優(yōu)方案中規(guī)劃線網(wǎng)密度達(dá)529 km/萬(wàn)km2,5萬(wàn)以上人口的鎮(zhèn)區(qū)級(jí)覆蓋率達(dá)90%,周邊組團(tuán)至核心區(qū)實(shí)現(xiàn)30～45 min通達(dá);網(wǎng)絡(luò)覆蓋度空間結(jié)構(gòu)契合度達(dá)到0.95,具體方案如表9所示。

表9 福州市域(郊)鐵路網(wǎng)最優(yōu)布局方案Tab.9 Optimal layout of Fuzhou (suburban) rail network

方案1利用線路總規(guī)模達(dá)522 km(其中高鐵292 km,普鐵77 km,城際153 km),占區(qū)域規(guī)劃路網(wǎng)總規(guī)模1 149 km的46%,是方案中既有鐵路利用程度最高的方案。

由此可見(jiàn),充分挖潛福州都市圈既有的杭深鐵路、溫福鐵路、昌福鐵路、峰福鐵路等,利用既有鐵路開(kāi)行市域(郊)鐵路,一方面可大幅提升既有鐵路利用率,使得鐵路運(yùn)能得以充分發(fā)揮,合理配置資源;另一方面開(kāi)行以和諧號(hào)、復(fù)興號(hào)等動(dòng)車組為主的市域(郊)列車,可極大改善旅客的乘車環(huán)境、提升乘車體驗(yàn),提高旅客出行的便捷性與舒適性。

5 結(jié)論

基于都市圈軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的形勢(shì)要求,合理架構(gòu)市域(郊)鐵路網(wǎng)至關(guān)重要,需要科學(xué)的評(píng)價(jià)方法體系予以支撐。我國(guó)目前市域(郊)鐵路尚處于規(guī)劃建設(shè)階段,在多網(wǎng)融合這一概念背景下專門(mén)針對(duì)市域(郊)鐵路線網(wǎng)布局及評(píng)價(jià)的研究較少。 因此,多網(wǎng)融合背景下針對(duì)市域(郊)鐵路獨(dú)有功能定位和層次銜接關(guān)系的規(guī)劃布局評(píng)價(jià)方法值得探索。

從多網(wǎng)融合程度、都市圈支撐強(qiáng)度、運(yùn)營(yíng)服務(wù)能力、方案實(shí)施可能性四個(gè)方面出發(fā),構(gòu)建一套針對(duì)市域(郊)鐵路線網(wǎng)規(guī)劃的量化評(píng)估指標(biāo)體系,提出以信息熵權(quán)法和AHP的組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重,并以TOPSIS方法實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案的量化綜合評(píng)價(jià)分析。最后以福州都市圈多層次軌道交通為例進(jìn)行應(yīng)用,結(jié)果表明,市域(郊)鐵路網(wǎng)規(guī)劃中既有鐵路利用程度較高的方案綜合最優(yōu),利用既有鐵路開(kāi)行市域(郊)鐵路,一方面可充分利用鐵路運(yùn)能、實(shí)現(xiàn)都市圈交通資源合理配置;另一方面可較好融合都市圈各層次軌道交通,更好地服務(wù)于都市圈旅客交流。