城市轨道交通网络规划理论方法研究进展

摘　要: 在详细分析、总结国内外城市轨道交通规划领域的研究成果和存在问题的基础上, 总结归了网络规划指导思想、规划原则、规划的要点、网络规模、网络优化、轨道项目的建设排序、客流预测理论和方法, 指出我国城市轨道交通规划工作已经取得较大的进步和发展, 对规划的特征和规律有深层认识, 加强了定性定量的分析论证, 使城市轨道交通网络规划的合理性日趋提高, 但也存在许多有待进一步发展和完善之处。对我国城市轨道交通网络规划理论方法的发展提出了新建议。

关键词: 城市轨道交通; 网络规划; 理论方法; 综述

交通是城市交通的骨干, 是城市有史以来最大的公益性基础设施, 它的发展直接影响城市的整体布局和功能定位, 对城市的未来将产生深远的影响。城市轨道交通网络规划是交通规划的重中之重, 应结合城市的社会、经济及交通需求的发展, 结合城市建设总体规划和城市客运交通规划, 提出城市轨道交通路网的规划方案。
1 　国内外研究现状
　　1882 年, 索里亚在马德里的城市改建方案中, 就对轨道交通在城市规划中的系统布置提出了较为科学的看法。他的“线状城市” 方案认为城市的形状应采用线状, 同时轨道交通应以地下、地面和高架相结合的方式进行规划、建设。在他设计的城市中, 以一条宽度不小于40 m 的干道作为“ 脊梁骨”, 电气化铁路就铺设在这条干道的轴线上, 一条长50 km 的有轨电车环行线, 离市中心的半径约7 km , 形成线状城市的骨干。在索里亚的设计方案中最为大胆的设想是使电车轨距与火车轨距相同, 从而将新线与一个主要的铁路车站相连, 以便能利用有轨电车线为工厂企业进行货物运输。可以看出, 尽管索里亚在1882 年提出的方案是用于马德里城市交通改建的, 但这些思想至今基本上被沿续了下来。特别是关于城市有轨交通建设可采用地下、地面、高架三种方式结合的方法, 正是目前世界各大城市所普遍采用的[ 1～16 ] 。
从20 世纪60 年代末以来, 我国约有20 多个城市进行了轨道交通项目(预) 可行性研究, 上海、北京、广州、天津等城市更是进行了轨道交通建设实践, 取得了一定的成果和经验。文献[ 23 ] 为使我国城市轨道交通路网规划从定性走向定量, 同时作理论上的准备工作, 应用系统分析和网络图论的方法对轨道交通路网规划的关键环节如路网合理规模、路网形态、初级路网规划方法及软件数据流图逐一作了探讨。概括了路网规划的主题思想, 对轨道交通规划前期工作有指导意义; 轨道网基本图式是轨道网规划中要分析的首要问题之一, 文献[ 24 ] 采用图和网络流的理论结合轨道交通的特点, 从各种不同的角度对轨道网基本图式进行研究。探讨了轨道网基本图式的构造方法, 小型路网的基本图型和形态优化方法。对我国目前的城市轨道交通路网规划前期工作具有指导意义。文献[ 25 ] 提出了改进城市快速轨道交通路网规划的探索性思路: ① 轨道交通路网规划是定性分析与定量分析的; ② 轨道交通路网结构特性与道路网结构特性有所差异, 有必要加强轨道交通网络自身的特性; 文献[ 26 ] 在规划城市快速轨道交通路网时, 应考虑对城市地下空间利用的因素。日本对于这一问题已经开展了较长时间的研究, 取得了很多成果, 并有一些成功的范例。随着中国城市人口的继续膨胀, 城市地下空间的综合利用迟早会成为一个重要问题。文献[ 27 ] 在研究国内外大城市轨道交通经验的基础上, 提出了“枢纽锚定全网” 的轨道交通网络优化理论。文献[ 28 ] 介绍了基于随机效用理论的非集聚模型的基本公式和基于非集聚模型基本公式mnl 客流预测模型及其参数标定方法, 探讨了出行的各阶段的选择肢集合和特性变量的选择, 最后提出了非集聚模型需要进一步深入研究的几个问题; 文献[ 29 ] 首先研究轨道线网规模与线网宏观结构, 采用回归分析法以及分类分析法建立轨道线网规模与城市规模及城市结构函数关系, 在分析国外大城市轨道线网结构及城市空间结构结合成功经验的基础上, 结合国内七个大城市轨道线网规划实际, 建立轨道线网宏观结构。在分析国内外轨道线网客流预测常用方法的缺陷基础上, 提出了一种基于四阶段法改进的客流预测分析框架体系, 并就分层策略性交通方式划分法和联合方式划分的交通分配模型进行了深入研究。针对组团式结构轨道线网布局, 建立了“宏观定性控制、微观定量分析、综合评价决策” 轨道线网规划布局思路, 提出点2线2面相结合的轨道线网初始方案产生方法, 并以鞍山市的实例证明该方法是切实可行, 最后对轨道线网评价决策的指标体系作了初步探讨; 目前, 国内在快速轨道交通路网规划方面的研究还处于起步阶段, 进展很快, 但也存在许多有待进一步发展和完善之处。普遍存在的情况是理论依据不足、城市交通模型不完善、客流调查数据和预测与实际偏差较大、以及路网规模过于庞大。例如, 仅北京、上海、成都、济南、天津、广州六城市规划的快速轨道路网总规模就是亚洲现有地铁总规模的2 倍～3 倍。这样大的投资对于中国这样一个发展中的大国来说, 是难以承受的。即使到21 世纪中叶, 即一般认为的城市快速轨道交通规划的远期, 中国人均收入也刚刚达到中等发达国家水平, 资金将仍然是制约经济发展的重要因素。因此, 加强轨道网络规划理论方法的研究与实践, 是支持城市快速轨道交通发展的必要条件。目前比较成型的城市轨道交通路网规划方法是“点、线、面要素层次分析法”。该方法强调定性分析与定量分析相结合, 将路网规划分为“点”“线”“面” 三个层次进行分析, 得到路网规划预选方案, 然后进行路网结构特征分析和客流测试, 通过对预选方案的补充、调整, 运用评价指标体系对其进行评价, 最终得到推荐方案。该方法在实际应用中收到了比较好的效果。

2 　指导思想和原则
　　城市交通规划一定要具有科学性和权威性。交通规划与城市规划同步编制, 相互反馈; 重视交通规划相关技术规范、条例、导则的编制; 加快适合我国城市特点的交通规划技术发展, 在规划中充分考虑我国社会经济发展速度快、人口多、土地资源紧张的特征。重视交通发展战略和发展政策的研究; 有效地利用价格手段调控交通需求; 考虑低成本解决交通问题的方法和研究如何提高现有设施的使用效率等。
城市轨道交通网络规划主要内容包括城市总体规划深化、轨道交通建设必要性分析、客流分析预测、轨道交通线网规划、轨道交通系统选型、车场与联络线规划、环境保护规划、建设时机分析和用地控制规划等。轨道交通网络规划是城市总体规划中的专项规划, 是宏观的控制性规划和指导性的实施规划, 也是近远兼顾的长远性规划。因此, 按规划年限可分为近期规划和远景规划。近期规划与当前城市总体规划年限一致; 远景规划无具体年限, 按城市远景规划用地性质、范围及人口的发展规划为基础条件, 使网络规划既能适应和支持城市总体规划, 同时又有适当超前性和滚动性, 引导和推动总体规划的实施, 使两者相辅相成。轨道交通网络规划的指导思想是: “依据总体规划、支持总体规划、超前总体规划、回归总体规划”。在规划时, 必须遵循以下原则[17～40 ] :
(1) 用最少的轨道交通总里程吸引最大的出行量。
(2) 使最先修建的线路是最急需的线路。
(3) 有利于城市今后的可持续发展。
(4) 充分考虑轨道交通与土地利用的相互影响, 处理好满足需求与引导发展的关系。
(5) 线路走向应与城市主客流方向一致, 应连接城市主要客流发生吸引源。
(6) 轨道交通作为城市交通的骨干, 应与现有交通工具相配合, 协调发展, 以最大限度地提高其使用效率。
(7) 组建大型换乘中心, 使之成为城市发展的副中心或新区开发的先导和依托点。
(8) 与城市建设计划和旧城改造计划相结合, 以保证轨道交通建设计划实施的可能性和连续性, 工程技术上的经济性和合理性。
(9) 与城市的地质、地貌和地形相联系, 以降低轨道交通工程造价。有条件的地方应尽量采用高架或地面形式。从国外经验看, 有两种选择可供参考[1～16 ] :
① 对于人口和经济活动空间布局相对合理、功能分区比较适中的大城市, 主要需要发挥轨道交通设施的快速通道作用, 应优先在目前的中心区内部或环绕中心区修建, 以利于提高中心区的通行速度, 完善中心区的服务功能。
② 在人口和经济活动空间布局不合理、功能分区缺乏的城市, 主要需要发挥轨道交通设施在调整空间结构和完善功能分区方面的作用, 应优先在城市中心区与快速发展的新区之间、在中心区与希望发展的边缘区之间修建, 以尽快调整城市的空间和功能布局。

3 　规划要点
　　城市轨道交通具有运量大、速度高、安全可靠、和其它交通干扰少等特点, 因而在城市中主要担负中远距离的运输任务, 特别是在市区日益扩大和卫星城镇不断开发的现代化大城市显得十分必要, 城市轨道交通大多修建在客流量较大的主要干道, 而不断遍及次要街道, 且一旦建成即很难改移, 因此必须以运量较小, 适宜短距离运输的公共汽车等交通方式作为辅助, 加上公共汽车机动灵活, 可以随着轨道交通的发展随时调整线路和服务范围, 建立一个由地铁或轻轨路网为骨干的城市综合交通体系。
市综合交通规划基础上, 根据城市性质、人口规模、交通量预测值等特征, 抓住城市大型客流集散点及主客流方向, 进行定线、联网, 使路网的确定与城市总体规划和城市交通规划相一致, 最后通过一定的法律程序及上级的批准, 使之成为城市轨道交通建设的主要技术依据。
(1) 依据城市形态地理态势与总体规划配合协同发展
轨道交通规划时必须贯彻城市总体规划的基本战略及用地发展方向, 透彻了解城市的形态演化过程和趋势以及地理地形因素的作用。另一方面, 交通形式与土地开发模式是紧密联系的, 密集的城市结构促进公共交通的发展, 轨道交通车站周围土地会吸引紧凑的土地使用。
(2) 交通网外形的型式设计和本身的配合
的型式主要是由城市地理形态(河流、山地等) 、现状城市用地布局和人口流向分布决定, 但主观决策的成分较多。路网本身的型式能决定整体几何性运输能力和客运流向, 典型的型式是放射线和环线。线路越长, 路网层数越多, 吸引量就越大。但成本2效益比不一定好。线路离得太近, 局部路网密度太大, 吸引范围重叠, 也不能发挥效益。
(3) 吸引交通流量的最大化
的出行尽可能地转入轨道运输系统, 降低地面和道路交通流拥挤, 客流量越大运输效率越高, 公交企业效益越好, 如达不到最低的建设临界客运量标准, 就会严重亏损。吸引客流量的大小和城市人口及密度、开通后的交通管理政策、轨道交通的经营策略和服务质量等有关。
(4) 考虑运营上的配合
① 轨道交通换乘站。路网规划中设置的换乘站在一条路线的工程设计中, 要考虑两条以上的线路吸引人流量的规模, 因为钢筋混凝土构造很难改造。线路终点站设置要尽可能将同一走向的大量出行人口包进线路范围, 减少换乘。
② 地面公共汽车交通的配合。在轨道交通方式建成或运营以后调整公共汽车的线路走向, 轨道交通无法实现的由地面交通去完成, 实现互补。多线路换乘地点可改建成换乘站。
③ 与对外交通设施贯通配合。轨道交通站直接与火车站、长途客运站、航空港等连在一起。

4 　网络规模
　　网络规模就是轨道交通线路总长度的宏观控制, 为的是寻求合理规模, 防止盲目性; 同时使方案在比较时具有同等量级的可比性。所以网络合理规模分析是一个重要的质量控制点。线网合理规模主要从“需求” 与“ 可能” 两方面分析。“ 需求” 是以城市总体规划提出的人口分布、出行强度和总量分析为基础, 根据城市交通方式构成及其比例, 分析城市轨道交通需求的规模; 同时以城市形态结构为基础, 分析网络合理密度和服务水平需求的规模。“ 可能” 是从城市国民生产总值中提取一定比例建立专项建设资金, 分析城市经济承受能力和工程正常实施进度可能的规模。对于线网规划的论证, 线网规模取决于城市规模、城市形态以及社会经济发展水平等诸多因素。
5 　网络优化
　　城市轨道交通网络是实现系统功能的载体, 是轨道系统规划的关键。在研究国内外大城市轨道交通经验的基础上, 上海提出了“枢纽锚定全网[27 ] ” 的轨道交通网络优化理论。这种“ 先枢纽后网络” 的规划思想的理论依据在于: “用地布局决定客源生成; 客源分布决定枢纽位置; 枢纽布置决定网络形成; 网络系统决定交通功能”。即在进行网络规划时, 首先应根据交通集散点的分布情况, 确定不同等级和不同类型枢纽的布局, 然后根据枢纽布局调整网络, 以满足各集散点之间的交通联系。
著名地铁系统的五大地铁网络都呈现一个共性, 即多心自由式放射状。地铁作为一个系统, 还可区分几个层次。如日本通行一轨多线制, 即同一轨道上运营多条线路, 各国通行的主线支线组合制, 这些都归纳在自由式的特点中。地铁网络设计中的一个特例, 是巴黎快速地铁(rer) 网络。巴黎从1938 年起步, 设计规划了rer 系统, 至今已形成115 km 、65 个车站的规模。它以一线多支、大站快速与穿越市中心三大特征, 形成了一个崭新的快速地铁系统, 与巴黎传统的一轨一线制、小站中速、密布全城的老式地铁形成鲜明对照。rer 的功能是支持城市扩展, 承担长距离乘客的快速运输任务。
6 　轨道项目的建设排序
　　城市轨道交通系统的形成是百年之功, 网络需一次规划逐步完善, 但建设只能逐步进行。轨道项目的建设排序就成为一个突出难题。其难处不只是在财政上, 更多的是在对原有规划的调整上。其结果是建一个项目就调整一次整个网络。如何对待短期需求与长远整体的矛盾, 是实际工作中必须回答的。上海80 年代起步的地铁建设, 一直处于这种困惑中。实际建设的线路没有一条与原有规划相符。交通规划的指导作用究竟如何在巨资建设的轨道交通中体现, 已引起决策者与规划师的深思。轨道项目排序应与客流变化趋势一致。巨大投资项目应考虑经济效益。轨道交通的效益是由客流量决定的。香港地铁立项十分强调这一原则, 因而形成了世界少有的盈利地铁系统。日本大阪的地铁, 大都在20 年左右的时期内完成全线建设。其原因就是追求建设与运营的最佳结合, 以产生最大的经济效益[12～30 ] 。

建设的次序指线路排序, 一般的共识是先建设贯通市中心的直径线, 因为从轨道交通线网体系和运输效率的角度看, 设置贯穿城市中心的路线比较理想, 如“十” 字形的干线, 随后优先线路一般又定为环线, 使网络的可达性得到较大改善, 或根据城市地形与布局特点建设主要客流方向的干线, 如香港的港岛线、港九线形成的“t” 字形干线。随后的优先线路一般又定为环线, 使网的流通性、可达性、机动性、覆盖率等项指标均有较好的改善。如上海的地铁1 号线、地铁2 号线和轨道交通明珠线形成的以“ 申” 字型为基础的轨道交通网络骨架。在构成“ 直径+ 环” 网络之后, 选择的取向有两种, 一是弥补环内密度较低的缺陷, 即优化环内服务水平, 是一种加强市中心的策略; 二是强化环外放射功能的取向, 即优化环外客流发展的需要与导向, 是一种强化城市边缘区与郊区开发的策略。
相比之下, 强化市中心的策略所需投资代价更高, 但对市中心区的地面交通、环境保护、凝聚力更有作用; 强化城市边缘区的策略更有利于城市的合理布局, 单位投资的产出更高。而这两方面又是互补性很强的。在经济欠发达地区的城市, 似乎更适合选择强化城市边缘区的策略; 而在经济发达地区的城市, 则应兼顾两方面的发展。
建设时机有追随型、满足型、主导型的差异[2 ] 。选择建设时机的关键: 一是有良好的超前性规划, 包括前述的规模依据; 二是第一条线路的建设必须有一定的超前性, 由此形成观念认识的突破, 资金筹措与运用的实践, 工程技术难题的解决, 运营管理要素的完善, 对整个网的建设具有很强的导向作用。比较理想的是主导型, 即对城市发展起到积极的良性的导向作用; 其次是满足型, 即随城市发展基本达到满足的水平; 最差的是追随型, 即始终落后于城市发展对轨道交通的需求。当然, 极差的还有饥渴型, 也就是到了迫不得已之时, 才考虑建设轨道交通(在许多经济欠发达地区的城市正是如此) 。而这些城市恰恰又是十分需要、十分适合轨道交通系统为之服务的。
轨道交通建设是一项长期、庞大的工程, 在一定的资金、人力、物力等客观条件下, 分期建设规模和顺序应充分考虑与城市经济、人口发展、土地开发、重点项目建设以及交通需求紧密结合, 还应坚持下述原则:
(1) 线网实施规划应分步实施, 必须有重点、有层次、先建立核心层, 再向外延伸, 循序发展。
(2) 实施顺序要讲究实效, 应充分考虑工程和运营的连续性和效益性水平, 未来的线网实施规模, 更应注意需求因素和对城市综合实力的分析。各条线网规划的实施, 必须同时考虑车场的配置、列车组织方案以及所需要的配套线路工程;
(3) 应特别强调保证线路能够做到修建一段、运营一段。国外大城市交通的实践已证明, 轨道交通在城市公共客运交通的“骨干” 地位需要地面常规公交系统的配合才能实现[ 1～16 ] 。目前国外的一些大城市, 轨道交通一般已承担60 % 以上的周转量。轨道交通能否在未来达到50 % 的份额预测指标, 从而实现在城市公交中的主导地位, 关键在于能否实现轨道交通与地面公交的合理衔接。因此, 在轨道交通线网规划完成以后, 应着手抓紧轨道交通与地面常规公交衔接的研究。应分层次地做好综合枢纽站、大型接驳站、一般换乘站规划, 才能充分考虑到为吸引、运送、转换客源所需要的空间, 提供一个较高服务水平的公交客运系统, 使轨道与地面公交能相互衔接, 实现互换。
7 　客流预测分析
　　客流预测是轨道交通投资决策的依据, 也是项目评估的基础。轨道交通客流需求预测分析是整个轨道交通系统规划与设计的重要依据。轨道交通规划的重要依据是客流预测, 而预测客流的前提是城市用地与经济环境。城市快轨修建的规模应与其远期客流量相适应, 所以正确进行快轨远期客流的预测, 对于合理控制快轨建设的投资是十分重要的。如果客流估计过低, 将来无法满足运营需要, 将会给以后的客流组织造成困难。由于客流预测的复杂性, 一般为偏于安全, 客流预测偏大的可能性是很大的, 这就使快轨修建的规模超过了实际需要, 其结果必然使造价提高。近年来经常遇到客流预测与轨道设计差异甚远的情况, 这已经成为城市轨道交通规划的一大难题。城市轨道交通客流预测是近年发展起来的一门预测学。在20 世纪60 年代我国建设地铁之初, 虽对地铁客流预测有所研究, 但方法简单, 尚属于启蒙阶段。当时以“战备为主, 兼顾交通” 为建设原则, 对地铁客流预测尚未放置重要地位, 缺乏系统认识。20 世纪80 年代开始, 因国家改革开放政策, 使地铁建设原则转变为“ 交通为主, 兼顾战备”, 在思想是一个大解放, 在技术上与国外有了充分交流, 从国外引进了客流预测方法及其数学模型, 并随电子计算机技术发展, 使轨道交通客流预测成为一项专门的学科。
从目前国内外采用的预测方法来看, 大致可以分为趋势外延法、吸引范围法和交通规划“ 四阶段” 法等三种形式。前两种方法仅考虑了预测线路沿线及其吸引范围内客流的变化趋势, 没有考虑轨道交通系统作为整个城市交通骨干建成后, 将导致整个城市客流在城市路网上分布状态的变化; 第三种方法是以城市居民出行od 调查为基础, 按一定的数学模型, 对整个城市客流在路网上的分布进行预测分析, 从中确定轨道交通线路上的客流量。该方法可以分为客流发生预测、客流分布预测、交通方式划分预测和交通分配四个阶段, 具有较严格的数学基础和较高的预测精度。
多年来, 客流预测的数学模型经过我国交通专家的研究开发, 结合各城市的实际情况, 经多年积累资料, 摸索城市客流的特征和规律, 对各项参数和程序进行不断修正, 已经逐步建立起一套完整的预测方法和计算模型体系; 并还在不断地积累经验, 不断地完善, 使客流预测的可信度也在不断提高。但在实际运用中要达到较高的可信度, 仍存在较大的难度, 这是值得重视的问题。客流预测的难度主要是难在客流预测的内容和预测条件的复杂性。
文[ 30 ] 使用“四阶段” 法预测城市轨道交通客流量所采用的数学模型和预测的基本思想, 针对我国城市交通的实际情况, 研究在混合交通状态下, 交通分配的平衡模型及其简化算法; 文[ 31 ] 阐述了客流预测的目的和内容, 分析了客流预测的难度和风险, 提出了可信性评价的要点, 对客流预测提出了波动范围的要求。采取了面对现实的观点, 创建了抗风险设计的理念, 对客流预测的风险做了有限性和突破性的分析, 提出了抗风险的适应性和转移性的措施, 使客流预测的数据与运营能力设计之间具有较大适应弹性。对于轨道交通的运营组织, 采取分期设计很重要, 尤其是应分别确定初、近期和远期的车辆编组和行车密度, 这有利于个情况, 一是时限差, 二是线别差。需要给出较大抗风险设计; 文[ 32 ] 指出轨道立项客流标准应重的弹性幅度, 绝不能硬套规范。新研究。全世界一百多个地铁系统百余年的运营结果表明, 正线每公里日均客流二万人次已属理想状

8 小结

因此我国有关规定需作调整, 否则将迫使地方明知故犯, 产经多年来的城市轨道交通规划研究和实践, 我生整体性的重大危险。上海地铁一号线, 途经市中国城市轨道交通研究单位和学者对城市轨道交通规心与若干区中心及大规模居住区, 经过五、六年的划工作已经取得较大的进步和发展, 对规划的特征运营已近稳定状态。其水平不到日均2 万人次π公和规律又有深层认识, 加强了定性定量的分析论里。北京地铁的实测数据也未达到这一水平, 对此证, 使城市轨道交通网络规划的合理性日趋提高, 不能不引起高度重视; 文[ 33 ] 对世界百余个地铁但也存在许多有待进一步发展和完善之处, 需要我系统运营进行了对比, 提出一点看法。指出客流量们积极探索符合我国国情的客流规律, 为路网规划与很多因素相关, 单独分析难免出错。与我国情况奠定坚实的基础。在线网规划中, 除客流分析法相似的东京与汉城的指标值得借鉴, 即每公里承担外, 也应同时吸取其他方法的合理部分, 使网络规215 万客流。结合我国轨道预测的实际, 应明确两划更臻完善。

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