城市軌道交通網絡規劃理論方法研究進展
摘 要: 在詳細分析、總結國內外城市軌道交通規劃領域的研究成果和存在問題的基礎上, 總結歸了網絡規劃指導思想、規劃原則、規劃的要點、網絡規模、網絡優化、軌道項目的建設排序、客流預測理論和方法, 指出我國城市軌道交通規劃工作已經取得較大的進步和發展, 對規劃的特征和規律有深層認識, 加強了定性定量的分析論證, 使城市軌道交通網絡規劃的合理性日趨提高, 但也存在許多有待進一步發展和完善之處。對我國城市軌道交通網絡規劃理論方法的發展提出了新建議。
關鍵詞: 城市軌道交通; 網絡規劃; 理論方法; 綜述
交通是城市交通的骨干, 是城市有史以來最大的公益性基礎設施, 它的發展直接影響城市的整體布局和功能定位, 對城市的未來將產生深遠的影響。城市軌道交通網絡規劃是交通規劃的重中之重, 應結合城市的社會、經濟及交通需求的發展, 結合城市建設總體規劃和城市客運交通規劃, 提出城市軌道交通路網的規劃方案。
1 國內外研究現狀
1882 年, 索里亞在馬德里的城市改建方案中, 就對軌道交通在城市規劃中的系統布置提出了較為科學的看法。他的“線狀城市” 方案認為城市的形狀應采用線狀, 同時軌道交通應以地下、地面和高架相結合的方式進行規劃、建設。在他設計的城市中, 以一條寬度不小于40 m 的干道作為“ 脊梁骨”, 電氣化鐵路就鋪設在這條干道的軸線上, 一條長50 km 的有軌電車環行線, 離市中心的半徑約7 km , 形成線狀城市的骨干。在索里亞的設計方案中最為大膽的設想是使電車軌距與火車軌距相同, 從而將新線與一個主要的鐵路車站相連, 以便能利用有軌電車線為工廠企業進行貨物運輸。可以看出, 盡管索里亞在1882 年提出的方案是用于馬德里城市交通改建的, 但這些思想至今基本上被沿續了下來。特別是關于城市有軌交通建設可采用地下、地面、高架三種方式結合的方法, 正是目前世界各大城市所普遍采用的[ 1～16 ] 。
從20 世紀60 年代末以來, 我國約有20 多個城市進行了軌道交通項目(預) 可行性研究, 上海、北京、廣州、天津等城市更是進行了軌道交通建設實踐, 取得了一定的成果和經驗。文獻[ 23 ] 為使我國城市軌道交通路網規劃從定性走向定量, 同時作理論上的準備工作, 應用系統分析和網絡圖論的方法對軌道交通路網規劃的關鍵環節如路網合理規模、路網形態、初級路網規劃方法及軟件數據流圖逐一作了探討。概括了路網規劃的主題思想, 對軌道交通規劃前期工作有指導意義; 軌道網基本圖式是軌道網規劃中要分析的首要問題之一, 文獻[ 24 ] 采用圖和網絡流的理論結合軌道交通的特點, 從各種不同的角度對軌道網基本圖式進行研究。探討了軌道網基本圖式的構造方法, 小型路網的基本圖型和形態優化方法。對我國目前的城市軌道交通路網規劃前期工作具有指導意義。文獻[ 25 ] 提出了改進城市快速軌道交通路網規劃的探索性思路: ① 軌道交通路網規劃是定性分析與定量分析的; ② 軌道交通路網結構特性與道路網結構特性有所差異, 有必要加強軌道交通網絡自身的特性; 文獻[ 26 ] 在規劃城市快速軌道交通路網時, 應考慮對城市地下空間利用的因素。日本對于這一問題已經開展了較長時間的研究, 取得了很多成果, 并有一些成功的范例。隨著中國城市人口的繼續膨脹, 城市地下空間的綜合利用遲早會成為一個重要問題。文獻[ 27 ] 在研究國內外大城市軌道交通經驗的基礎上, 提出了“樞紐錨定全網” 的軌道交通網絡優化理論。文獻[ 28 ] 介紹了基于隨機效用理論的非集聚模型的基本公式和基于非集聚模型基本公式MNL 客流預測模型及其參數標定方法, 探討了出行的各階段的選擇肢集合和特性變量的選擇, 最后提出了非集聚模型需要進一步深入研究的幾個問題; 文獻[ 29 ] 首先研究軌道線網規模與線網宏觀結構, 采用回歸分析法以及分類分析法建立軌道線網規模與城市規模及城市結構函數關系, 在分析國外大城市軌道線網結構及城市空間結構結合成功經驗的基礎上, 結合國內七個大城市軌道線網規劃實際, 建立軌道線網宏觀結構。在分析國內外軌道線網客流預測常用方法的缺陷基礎上, 提出了一種基于四階段法改進的客流預測分析框架體系, 并就分層策略性交通方式劃分法和聯合方式劃分的交通分配模型進行了深入研究。針對組團式結構軌道線網布局, 建立了“宏觀定性控制、微觀定量分析、綜合評價決策” 軌道線網規劃布局思路, 提出點2線2面相結合的軌道線網初始方案產生方法, 并以鞍山市的實例證明該方法是切實可行, 最后對軌道線網評價決策的指標體系作了初步探討; 目前, 國內在快速軌道交通路網規劃方面的研究還處于起步階段, 進展很快, 但也存在許多有待進一步發展和完善之處。普遍存在的情況是理論依據不足、城市交通模型不完善、客流調查數據和預測與實際偏差較大、以及路網規模過于龐大。例如, 僅北京、上海、成都、濟南、天津、廣州六城市規劃的快速軌道路網總規模就是亞洲現有地鐵總規模的2 倍～3 倍。這樣大的投資對于中國這樣一個發展中的大國來說, 是難以承受的。即使到21 世紀中葉, 即一般認為的城市快速軌道交通規劃的遠期, 中國人均收入也剛剛達到中等發達國家水平, 資金將仍然是制約經濟發展的重要因素。因此, 加強軌道網絡規劃理論方法的研究與實踐, 是支持城市快速軌道交通發展的必要條件。目前比較成型的城市軌道交通路網規劃方法是“點、線、面要素層次分析法”。該方法強調定性分析與定量分析相結合, 將路網規劃分為“點”“線”“面” 三個層次進行分析, 得到路網規劃預選方案, 然后進行路網結構特征分析和客流測試, 通過對預選方案的補充、調整, 運用評價指標體系對其進行評價, 最終得到推薦方案。該方法在實際應用中收到了比較好的效果。
2 指導思想和原則
城市交通規劃一定要具有科學性和權威性。交通規劃與城市規劃同步編制, 相互反饋; 重視交通規劃相關技術規范、條例、導則的編制; 加快適合我國城市特點的交通規劃技術發展, 在規劃中充分考慮我國社會經濟發展速度快、人口多、土地資源緊張的特征。重視交通發展戰略和發展政策的研究; 有效地利用價格手段調控交通需求; 考慮低成本解決交通問題的方法和研究如何提高現有設施的使用效率等。
城市軌道交通網絡規劃主要內容包括城市總體規劃深化、軌道交通建設必要性分析、客流分析預測、軌道交通線網規劃、軌道交通系統選型、車場與聯絡線規劃、環境保護規劃、建設時機分析和用地控制規劃等。軌道交通網絡規劃是城市總體規劃中的專項規劃, 是宏觀的控制性規劃和指導性的實施規劃, 也是近遠兼顧的長遠性規劃。因此, 按規劃年限可分為近期規劃和遠景規劃。近期規劃與當前城市總體規劃年限一致; 遠景規劃無具體年限, 按城市遠景規劃用地性質、范圍及人口的發展規劃為基礎條件, 使網絡規劃既能適應和支持城市總體規劃, 同時又有適當超前性和滾動性, 引導和推動總體規劃的實施, 使兩者相輔相成。軌道交通網絡規劃的指導思想是: “依據總體規劃、支持總體規劃、超前總體規劃、回歸總體規劃”。在規劃時, 必須遵循以下原則[17～40 ] :
(1) 用最少的軌道交通總里程吸引最大的出行量。
(2) 使最先修建的線路是最急需的線路。
(3) 有利于城市今后的可持續發展。
(4) 充分考慮軌道交通與土地利用的相互影響, 處理好滿足需求與引導發展的關系。
(5) 線路走向應與城市主客流方向一致, 應連接城市主要客流發生吸引源。
(6) 軌道交通作為城市交通的骨干, 應與現有交通工具相配合, 協調發展, 以最大限度地提高其使用效率。
(7) 組建大型換乘中心, 使之成為城市發展的副中心或新區開發的先導和依托點。
(8) 與城市建設計劃和舊城改造計劃相結合, 以保證軌道交通建設計劃實施的可能性和連續性, 工程技術上的經濟性和合理性。
(9) 與城市的地質、地貌和地形相聯系, 以降低軌道交通工程造價。有條件的地方應盡量采用高架或地面形式。從國外經驗看, 有兩種選擇可供參考[1～16 ] :
① 對于人口和經濟活動空間布局相對合理、功能分區比較適中的大城市, 主要需要發揮軌道交通設施的快速通道作用, 應優先在目前的中心區內部或環繞中心區修建, 以利于提高中心區的通行速度, 完善中心區的服務功能。
② 在人口和經濟活動空間布局不合理、功能分區缺乏的城市, 主要需要發揮軌道交通設施在調整空間結構和完善功能分區方面的作用, 應優先在城市中心區與快速發展的新區之間、在中心區與希望發展的邊緣區之間修建, 以盡快調整城市的空間和功能布局。
3 規劃要點
城市軌道交通具有運量大、速度高、安全可靠、和其它交通干擾少等特點, 因而在城市中主要擔負中遠距離的運輸任務, 特別是在市區日益擴大和衛星城鎮不斷開發的現代化大城市顯得十分必要, 城市軌道交通大多修建在客流量較大的主要干道, 而不斷遍及次要街道, 且一旦建成即很難改移, 因此必須以運量較小, 適宜短距離運輸的公共汽車等交通方式作為輔助, 加上公共汽車機動靈活, 可以隨著軌道交通的發展隨時調整線路和服務范圍, 建立一個由地鐵或輕軌路網為骨干的城市綜合交通體系。
市綜合交通規劃基礎上, 根據城市性質、人口規模、交通量預測值等特征, 抓住城市大型客流集散點及主客流方向, 進行定線、聯網, 使路網的確定與城市總體規劃和城市交通規劃相一致, 最后通過一定的法律程序及上級的批準, 使之成為城市軌道交通建設的主要技術依據。
(1) 依據城市形態地理態勢與總體規劃配合協同發展
軌道交通規劃時必須貫徹城市總體規劃的基本戰略及用地發展方向, 透徹了解城市的形態演化過程和趨勢以及地理地形因素的作用。另一方面, 交通形式與土地開發模式是緊密聯系的, 密集的城市結構促進公共交通的發展, 軌道交通車站周圍土地會吸引緊湊的土地使用。
(2) 交通網外形的型式設計和本身的配合
的型式主要是由城市地理形態(河流、山地等) 、現狀城市用地布局和人口流向分布決定, 但主觀決策的成分較多。路網本身的型式能決定整體幾何性運輸能力和客運流向, 典型的型式是放射線和環線。線路越長, 路網層數越多, 吸引量就越大。但成本2效益比不一定好。線路離得太近, 局部路網密度太大, 吸引范圍重疊, 也不能發揮效益。
(3) 吸引交通流量的最大化
的出行盡可能地轉入軌道運輸系統, 降低地面和道路交通流擁擠, 客流量越大運輸效率越高, 公交企業效益越好, 如達不到最低的建設臨界客運量標準, 就會嚴重虧損。吸引客流量的大小和城市人口及密度、開通后的交通管理政策、軌道交通的經營策略和服務質量等有關。
(4) 考慮運營上的配合
① 軌道交通換乘站。路網規劃中設置的換乘站在一條路線的工程設計中, 要考慮兩條以上的線路吸引人流量的規模, 因為鋼筋混凝土構造很難改造。線路終點站設置要盡可能將同一走向的大量出行人口包進線路范圍, 減少換乘。
② 地面公共汽車交通的配合。在軌道交通方式建成或運營以后調整公共汽車的線路走向, 軌道交通無法實現的由地面交通去完成, 實現互補。多線路換乘地點可改建成換乘站。
③ 與對外交通設施貫通配合。軌道交通站直接與火車站、長途客運站、航空港等連在一起。
4 網絡規模
網絡規模就是軌道交通線路總長度的宏觀控制, 為的是尋求合理規模, 防止盲目性; 同時使方案在比較時具有同等量級的可比性。所以網絡合理規模分析是一個重要的質量控制點。線網合理規模主要從“需求” 與“ 可能” 兩方面分析。“ 需求” 是以城市總體規劃提出的人口分布、出行強度和總量分析為基礎, 根據城市交通方式構成及其比例, 分析城市軌道交通需求的規模; 同時以城市形態結構為基礎, 分析網絡合理密度和服務水平需求的規模?！?可能” 是從城市國民生產總值中提取一定比例建立專項建設資金, 分析城市經濟承受能力和工程正常實施進度可能的規模。對于線網規劃的論證, 線網規模取決于城市規模、城市形態以及社會經濟發展水平等諸多因素。
5 網絡優化
城市軌道交通網絡是實現系統功能的載體, 是軌道系統規劃的關鍵。在研究國內外大城市軌道交通經驗的基礎上, 上海提出了“樞紐錨定全網[27 ] ” 的軌道交通網絡優化理論。這種“ 先樞紐后網絡” 的規劃思想的理論依據在于: “用地布局決定客源生成; 客源分布決定樞紐位置; 樞紐布置決定網絡形成; 網絡系統決定交通功能”。即在進行網絡規劃時, 首先應根據交通集散點的分布情況, 確定不同等級和不同類型樞紐的布局, 然后根據樞紐布局調整網絡, 以滿足各集散點之間的交通聯系。
著名地鐵系統的五大地鐵網絡都呈現一個共性, 即多心自由式放射狀。地鐵作為一個系統, 還可區分幾個層次。如日本通行一軌多線制, 即同一軌道上運營多條線路, 各國通行的主線支線組合制, 這些都歸納在自由式的特點中。地鐵網絡設計中的一個特例, 是巴黎快速地鐵(RER) 網絡。巴黎從1938 年起步, 設計規劃了RER 系統, 至今已形成115 km 、65 個車站的規模。它以一線多支、大站快速與穿越市中心三大特征, 形成了一個嶄新的快速地鐵系統, 與巴黎傳統的一軌一線制、小站中速、密布全城的老式地鐵形成鮮明對照。RER 的功能是支持城市擴展, 承擔長距離乘客的快速運輸任務。
6 軌道項目的建設排序
城市軌道交通系統的形成是百年之功, 網絡需一次規劃逐步完善, 但建設只能逐步進行。軌道項目的建設排序就成為一個突出難題。其難處不只是在財政上, 更多的是在對原有規劃的調整上。其結果是建一個項目就調整一次整個網絡。如何對待短期需求與長遠整體的矛盾, 是實際工作中必須回答的。上海80 年代起步的地鐵建設, 一直處于這種困惑中。實際建設的線路沒有一條與原有規劃相符。交通規劃的指導作用究竟如何在巨資建設的軌道交通中體現, 已引起決策者與規劃師的深思。軌道項目排序應與客流變化趨勢一致。巨大投資項目應考慮經濟效益。軌道交通的效益是由客流量決定的。香港地鐵立項十分強調這一原則, 因而形成了世界少有的盈利地鐵系統。日本大阪的地鐵, 大都在20 年左右的時期內完成全線建設。其原因就是追求建設與運營的最佳結合, 以產生最大的經濟效益[12～30 ] 。
建設的次序指線路排序, 一般的共識是先建設貫通市中心的直徑線, 因為從軌道交通線網體系和運輸效率的角度看, 設置貫穿城市中心的路線比較理想, 如“十” 字形的干線, 隨后優先線路一般又定為環線, 使網絡的可達性得到較大改善, 或根據城市地形與布局特點建設主要客流方向的干線, 如香港的港島線、港九線形成的“T” 字形干線。隨后的優先線路一般又定為環線, 使網的流通性、可達性、機動性、覆蓋率等項指標均有較好的改善。如上海的地鐵1 號線、地鐵2 號線和軌道交通明珠線形成的以“ 申” 字型為基礎的軌道交通網絡骨架。在構成“ 直徑+ 環” 網絡之后, 選擇的取向有兩種, 一是彌補環內密度較低的缺陷, 即優化環內服務水平, 是一種加強市中心的策略; 二是強化環外放射功能的取向, 即優化環外客流發展的需要與導向, 是一種強化城市邊緣區與郊區開發的策略。
相比之下, 強化市中心的策略所需投資代價更高, 但對市中心區的地面交通、環境保護、凝聚力更有作用; 強化城市邊緣區的策略更有利于城市的合理布局, 單位投資的產出更高。而這兩方面又是互補性很強的。在經濟欠發達地區的城市, 似乎更適合選擇強化城市邊緣區的策略; 而在經濟發達地區的城市, 則應兼顧兩方面的發展。
建設時機有追隨型、滿足型、主導型的差異[2 ] 。選擇建設時機的關鍵: 一是有良好的超前性規劃, 包括前述的規模依據; 二是第一條線路的建設必須有一定的超前性, 由此形成觀念認識的突破, 資金籌措與運用的實踐, 工程技術難題的解決, 運營管理要素的完善, 對整個網的建設具有很強的導向作用。比較理想的是主導型, 即對城市發展起到積極的良性的導向作用; 其次是滿足型, 即隨城市發展基本達到滿足的水平; 最差的是追隨型, 即始終落后于城市發展對軌道交通的需求。當然, 極差的還有饑渴型, 也就是到了迫不得已之時, 才考慮建設軌道交通(在許多經濟欠發達地區的城市正是如此) 。而這些城市恰恰又是十分需要、十分適合軌道交通系統為之服務的。
軌道交通建設是一項長期、龐大的工程, 在一定的資金、人力、物力等客觀條件下, 分期建設規模和順序應充分考慮與城市經濟、人口發展、土地開發、重點項目建設以及交通需求緊密結合, 還應堅持下述原則:
(1) 線網實施規劃應分步實施, 必須有重點、有層次、先建立核心層, 再向外延伸, 循序發展。
(2) 實施順序要講究實效, 應充分考慮工程和運營的連續性和效益性水平, 未來的線網實施規模, 更應注意需求因素和對城市綜合實力的分析。各條線網規劃的實施, 必須同時考慮車場的配置、列車組織方案以及所需要的配套線路工程;
(3) 應特別強調保證線路能夠做到修建一段、運營一段。國外大城市交通的實踐已證明, 軌道交通在城市公共客運交通的“骨干” 地位需要地面常規公交系統的配合才能實現[ 1～16 ] 。目前國外的一些大城市, 軌道交通一般已承擔60 % 以上的周轉量。軌道交通能否在未來達到50 % 的份額預測指標, 從而實現在城市公交中的主導地位, 關鍵在于能否實現軌道交通與地面公交的合理銜接。因此, 在軌道交通線網規劃完成以后, 應著手抓緊軌道交通與地面常規公交銜接的研究。應分層次地做好綜合樞紐站、大型接駁站、一般換乘站規劃, 才能充分考慮到為吸引、運送、轉換客源所需要的空間, 提供一個較高服務水平的公交客運系統, 使軌道與地面公交能相互銜接, 實現互換。
7 客流預測分析
客流預測是軌道交通投資決策的依據, 也是項目評估的基礎。軌道交通客流需求預測分析是整個軌道交通系統規劃與設計的重要依據。軌道交通規劃的重要依據是客流預測, 而預測客流的前提是城市用地與經濟環境。城市快軌修建的規模應與其遠期客流量相適應, 所以正確進行快軌遠期客流的預測, 對于合理控制快軌建設的投資是十分重要的。如果客流估計過低, 將來無法滿足運營需要, 將會給以后的客流組織造成困難。由于客流預測的復雜性, 一般為偏于安全, 客流預測偏大的可能性是很大的, 這就使快軌修建的規模超過了實際需要, 其結果必然使造價提高。近年來經常遇到客流預測與軌道設計差異甚遠的情況, 這已經成為城市軌道交通規劃的一大難題。城市軌道交通客流預測是近年發展起來的一門預測學。在20 世紀60 年代我國建設地鐵之初, 雖對地鐵客流預測有所研究, 但方法簡單, 尚屬于啟蒙階段。當時以“戰備為主, 兼顧交通” 為建設原則, 對地鐵客流預測尚未放置重要地位, 缺乏系統認識。20 世紀80 年代開始, 因國家改革開放政策, 使地鐵建設原則轉變為“ 交通為主, 兼顧戰備”, 在思想是一個大解放, 在技術上與國外有了充分交流, 從國外引進了客流預測方法及其數學模型, 并隨電子計算機技術發展, 使軌道交通客流預測成為一項專門的學科。
從目前國內外采用的預測方法來看, 大致可以分為趨勢外延法、吸引范圍法和交通規劃“ 四階段” 法等三種形式。前兩種方法僅考慮了預測線路沿線及其吸引范圍內客流的變化趨勢, 沒有考慮軌道交通系統作為整個城市交通骨干建成后, 將導致整個城市客流在城市路網上分布狀態的變化; 第三種方法是以城市居民出行OD 調查為基礎, 按一定的數學模型, 對整個城市客流在路網上的分布進行預測分析, 從中確定軌道交通線路上的客流量。該方法可以分為客流發生預測、客流分布預測、交通方式劃分預測和交通分配四個階段, 具有較嚴格的數學基礎和較高的預測精度。
多年來, 客流預測的數學模型經過我國交通專家的研究開發, 結合各城市的實際情況, 經多年積累資料, 摸索城市客流的特征和規律, 對各項參數和程序進行不斷修正, 已經逐步建立起一套完整的預測方法和計算模型體系; 并還在不斷地積累經驗, 不斷地完善, 使客流預測的可信度也在不斷提高。但在實際運用中要達到較高的可信度, 仍存在較大的難度, 這是值得重視的問題。客流預測的難度主要是難在客流預測的內容和預測條件的復雜性。
文[ 30 ] 使用“四階段” 法預測城市軌道交通客流量所采用的數學模型和預測的基本思想, 針對我國城市交通的實際情況, 研究在混合交通狀態下, 交通分配的平衡模型及其簡化算法; 文[ 31 ] 闡述了客流預測的目的和內容, 分析了客流預測的難度和風險, 提出了可信性評價的要點, 對客流預測提出了波動范圍的要求。采取了面對現實的觀點, 創建了抗風險設計的理念, 對客流預測的風險做了有限性和突破性的分析, 提出了抗風險的適應性和轉移性的措施, 使客流預測的數據與運營能力設計之間具有較大適應彈性。對于軌道交通的運營組織, 采取分期設計很重要, 尤其是應分別確定初、近期和遠期的車輛編組和行車密度, 這有利于個情況, 一是時限差, 二是線別差。需要給出較大抗風險設計; 文[ 32 ] 指出軌道立項客流標準應重的彈性幅度, 絕不能硬套規范。新研究。全世界一百多個地鐵系統百余年的運營結果表明, 正線每公里日均客流二萬人次已屬理想狀
8 小結
因此我國有關規定需作調整, 否則將迫使地方明知故犯, 產經多年來的城市軌道交通規劃研究和實踐, 我生整體性的重大危險。上海地鐵一號線, 途經市中國城市軌道交通研究單位和學者對城市軌道交通規心與若干區中心及大規模居住區, 經過五、六年的劃工作已經取得較大的進步和發展, 對規劃的特征運營已近穩定狀態。其水平不到日均2 萬人次Π公和規律又有深層認識, 加強了定性定量的分析論里。北京地鐵的實測數據也未達到這一水平, 對此證, 使城市軌道交通網絡規劃的合理性日趨提高, 不能不引起高度重視; 文[ 33 ] 對世界百余個地鐵但也存在許多有待進一步發展和完善之處, 需要我系統運營進行了對比, 提出一點看法。指出客流量們積極探索符合我國國情的客流規律, 為路網規劃與很多因素相關, 單獨分析難免出錯。與我國情況奠定堅實的基礎。在線網規劃中, 除客流分析法相似的東京與漢城的指標值得借鑒, 即每公里承擔外, 也應同時吸取其他方法的合理部分, 使網絡規215 萬客流。結合我國軌道預測的實際, 應明確兩劃更臻完善。
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