城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中減少換乘的多線地鐵設(shè)計(jì)方案

摘要 在城市軌道交通布局中，環(huán)形放射狀網(wǎng)絡(luò)可以改善放射性交通網(wǎng)之間的連通性和可達(dá)性，大幅度提高城市交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。文章以某市軌道交通現(xiàn)狀為研究對象，以減少乘客出行換乘次數(shù)為目標(biāo)，基于現(xiàn)有交通站點(diǎn)和商業(yè)中心，利用交通規(guī)劃軟件TransCAD生成7條供選擇的環(huán)形地鐵線路，并通過最小化乘客換乘次數(shù)（PTN）的目標(biāo)函數(shù)，對7條可供選擇的線路進(jìn)行組合分析，根據(jù)PTN方差和直達(dá)出行百分比確定最優(yōu)解。結(jié)果表明，兩線環(huán)路方案中L5和L6雙線方案在增加直達(dá)需求覆蓋率上提高了70.24%。

關(guān)鍵詞 軌道交通；環(huán)形網(wǎng)絡(luò)；換乘次數(shù)；直達(dá)出行

中圖分類號 TU998 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）05-0034-03

0 引言

地鐵是大城市中具有容量大、快捷、準(zhǔn)時、舒適等優(yōu)點(diǎn)的一種交通系統(tǒng)。與此同時，地鐵的高速建設(shè)和發(fā)展要求地面公交線路網(wǎng)絡(luò)不斷調(diào)整，以與地鐵協(xié)調(diào)配合[1-2]，最大限度地提高運(yùn)行效率。當(dāng)主線構(gòu)成放射狀網(wǎng)絡(luò)時，引入環(huán)形交通線是改善交通網(wǎng)絡(luò)布局的重要因素[3]。環(huán)線位于市中心周圍，與放射線相交，以創(chuàng)造換乘機(jī)會，除了節(jié)省乘客出行和等待時間、提高交通網(wǎng)絡(luò)連通性和可靠性外，環(huán)線還有潛力提高放射主線中心的可達(dá)性[4-5]。該文以某市現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)為研究對象，以減少乘客換乘次數(shù)為目標(biāo)，通過增加環(huán)形地鐵路線對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

該研究選取某市現(xiàn)有的公交和地鐵網(wǎng)絡(luò)為研究對象，地鐵交通網(wǎng)絡(luò)包括3條主干線，總長113.6 km，設(shè)有88個地鐵站，地鐵站的排列方式從1號地鐵線路的1號站開始，到3號地鐵線路的88號站結(jié)束，如圖1所示；共有12條主干公交線路，總長487.7 km，公交線路從4號線開始，到15號線結(jié)束。由于交通網(wǎng)絡(luò)的不平衡或不足，導(dǎo)致交通延誤、高峰時段出行擁擠、交通方式間多次換乘次數(shù)的增加，迫切需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 分析方法

2.1 分析理論

該文將整個公交網(wǎng)絡(luò)公交和地鐵系統(tǒng)的連通性，以數(shù)學(xué)公式概括為所考慮的目標(biāo)函數(shù)。在線路網(wǎng)絡(luò)層面，換乘次數(shù)是根據(jù)線路行程直接或間接覆蓋需求節(jié)點(diǎn)對的數(shù)量進(jìn)行評估，所采用的目標(biāo)函數(shù)試圖最小化現(xiàn)有系統(tǒng)的潛在乘客換乘次數(shù)（PTN），其定義如下：

（1）

式中，——乘客出發(fā)點(diǎn)到終點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)對，包含于集合W；TS0——乘客從出發(fā)地前往目的地使用一種交通方式，沒有換乘站；TS1——乘客從出發(fā)地前往目的地使用兩種交通方式，有一個換乘站；TS2——乘客從出發(fā)地前往目的地使用三種交通方式，有兩個換乘站；TS∞——從出發(fā)地前往目的地，使用三種以上的交通方式；β——一個非負(fù)權(quán)重因子，反映優(yōu)化過程中每個部分的相對重要性。

在如圖1所示的純放射狀地鐵網(wǎng)絡(luò)中，只有沿著穿過中心的徑向線路才能到達(dá)遠(yuǎn)離中央商務(wù)區(qū)（CBD）的目的地，這樣的區(qū)域出行將導(dǎo)致不必要的客流量和市中心的高換乘負(fù)荷。環(huán)形路線可以提供直達(dá)出行和更好的連通性，并降低交通網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。此外，環(huán)形或環(huán)狀交通線路可能會顯著提高網(wǎng)絡(luò)的連通性、直達(dá)性和交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營效率。因此，建議城市采用交通環(huán)線，以鼓勵沿市中心環(huán)形走廊進(jìn)行更高密度、混合用途、以交通為導(dǎo)向的發(fā)展。

采用交通規(guī)劃軟件TransCAD，將研究區(qū)域分解為主要交通分析區(qū)域，以起點(diǎn)/目的地（O/D）矩陣格式創(chuàng)建出行模式，然后選擇可用作車站的最佳位置，以選出最佳的公交網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高該市地鐵和公交網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能。擬議的環(huán)線設(shè)計(jì)方案包括三個階段：首先利用TransCAD軟件評估現(xiàn)有的交通網(wǎng)絡(luò)；其次，根據(jù)環(huán)線半徑，以分層的方式提出環(huán)線方案；最后，基于PTN目標(biāo)函數(shù)，使用枚舉法選擇地鐵線路的最優(yōu)解決方案。

2.2 環(huán)線地鐵方案

TransCAD軟件集地理信息系統(tǒng)和宏觀交通模擬平臺為一體，可用于任何地理規(guī)?；蚣?xì)節(jié)水平的所有交通方式，并有專門的工具和程序創(chuàng)建和使用交通網(wǎng)絡(luò)[6]。該研究使用TransCAD軟件構(gòu)建現(xiàn)有的交通網(wǎng)絡(luò)，并提出新路線，根據(jù)案例研究中現(xiàn)有車站和CBD中心的坐標(biāo)，在設(shè)定環(huán)線地鐵半徑和現(xiàn)有相對應(yīng)車站的基礎(chǔ)上，提出了該市7條可供選擇的環(huán)形地鐵線路，線路布局如圖2所示；然后，使用PTN目標(biāo)函數(shù)對7條新的環(huán)形地鐵線路進(jìn)行對比分析，以選擇可提高交通網(wǎng)絡(luò)連通性、可覆蓋多地鐵線路的最佳方案。

3 分析結(jié)果和討論

在該節(jié)中，描述多種類型的多地鐵線路對PTN方差分布和直達(dá)需求覆蓋的影響?？傮w而言，所有類型的地鐵環(huán)線均改善了起點(diǎn)/目的地矩陣覆蓋的當(dāng)前現(xiàn)狀，然后進(jìn)一步確定最佳的線路組合。TransCAD軟件將每個分析單元定義為（TS0、TS1、TS2和TS∞），然后計(jì)算各個單元類別的總和，但是預(yù)期的目標(biāo)函數(shù)是多目標(biāo)函數(shù)，它使用覆蓋類型的加權(quán)求和。β值的權(quán)重是根據(jù)PTN方差和直達(dá)需求覆蓋率的分布確定比例，根據(jù)該研究對象，采用表1所示的一組β權(quán)重值確定每個方案的最佳路徑。

為了更好地理解多地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，β策略評估了該市中交通網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)。例如，策略1涉及增加交通網(wǎng)絡(luò)（即公交車、地鐵或混合交通）中的直達(dá)行程（需要換乘少于兩次的行程），根據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算；而第二個策略則試圖最小化需要兩次或兩次以上換乘的行程，采用式（3）進(jìn)行分析。從另一個意義上講，PTN方差位于指定范圍內(nèi)，標(biāo)記為PTN1和PTN2。此外，如表2所示，列舉了雙線建設(shè)對該市交通網(wǎng)絡(luò)換乘分布的影響，結(jié)果部分僅列出了表現(xiàn)良好的部分解決方案。

（2）

（3）

如圖3所示，根據(jù)不同的策略評估了不同的兩線方案對PTN方差的構(gòu)建效果，橫軸表示雙線建設(shè)時的方案，縱軸表示每個β策略對應(yīng)的PTN方差百分比。對于最佳的PTN，L5和L6雙線方案比其他線路更占優(yōu)勢，PTN2值總體減少34.6%，而PTN1值總體增加25.3%。如圖4所示，L5和L6雙線方案在增加直達(dá)需求覆蓋率方面具有70.2%的優(yōu)勢。因此，建議在現(xiàn)有的三條地鐵線路中增加此方案線路，環(huán)線半徑范圍為線路L5距離CBD中心6.5～7.5 km，而線路L6距離CBD中心7.5～8.5 km。

在決定增加地鐵線路實(shí)施時，成本是優(yōu)先考慮的重點(diǎn)之一，運(yùn)營和建設(shè)成本可能會因當(dāng)?shù)貤l件而存在顯著差異。成本分析是地鐵線路設(shè)計(jì)的初步任務(wù)，通常使用參數(shù)方法進(jìn)行初始成本估算，即地鐵線路長度參數(shù)是決定所有成本方面的最重要因素。圖5繪制了所有生成案例的成本效益分析，其中對于每個線路組合形成的案例采用預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)評估整個線路成本，得出由第1條和第3條環(huán)線組成的第13號案例達(dá)到了最佳比，每10億元的直達(dá)需求覆蓋率增加了3.9%。

根據(jù)擬議的環(huán)形地鐵線路設(shè)計(jì)方案，環(huán)形線路位于市中心周圍，與放射線路相交，以創(chuàng)造換乘機(jī)會，因此它們支持綜合的多路徑交通網(wǎng)絡(luò)。環(huán)形線路覆蓋了服務(wù)不完善的地區(qū)，此外，環(huán)形線路相對于放射線路允許大量換乘。雖然放射線路主要將CBD和交通走廊沿線的主要景點(diǎn)或就業(yè)中心與住宅區(qū)連接起來，但環(huán)形線路有多條交叉的放射線路，將提供更多的換乘機(jī)會。與直通線路相比，環(huán)形線路的換乘率更高，上下車乘客人數(shù)也更多。

4 結(jié)論

該文以某市為研究對象，基于現(xiàn)有的公共交通網(wǎng)絡(luò)，采用TransCAD軟件形成了以CBD為中心的7條環(huán)線，利用PTN目標(biāo)函數(shù)分析了13種組合方案。經(jīng)過方案比較分析得出：兩線環(huán)路方案中L5和L6雙線方案在增加直達(dá)需求覆蓋率上提高了70.2%，所以選擇合適的環(huán)形地鐵線路可以提高公共交通網(wǎng)絡(luò)的連通性和直接性，從而提高公交網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]李金武.鐵路專用線設(shè)計(jì)相關(guān)問題分析[J].城市建設(shè)理論研究（電子版）， 2018（18）：100+171.

[2]王杰，符慧丹，孟存喜，等.既有鐵路線路改建設(shè)計(jì)優(yōu)化模型與方法[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報， 2023（11）：4117-4127.

[3]朱遠(yuǎn)祺，屈云超，劉浩，等.環(huán)形放射狀路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交通擁堵特性[J].山東科學(xué)， 2019（5）：124-130.

[4]劉雨.干路環(huán)形交叉口的交通優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].交通與運(yùn)輸， 2020（4）：42-45.

[5]劉俊瀟.國內(nèi)城市軌道交通環(huán)線特征分析[J].交通與運(yùn)輸， 2023（S1）：136-140.

[6]樊嘉聰，高億洋，吳昊.城市公共交通可達(dá)性評價方法研究——以珠海市為例[J].城市交通， 2021（6）：102-106+52.