现代有轨电车功能定位研究

2018-05-31吴琼

铁道标准设计 2018年6期

吴琼

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

有轨电车于19世纪80年代开始在西方诸工业国集中出现，直到20世纪初，该交通方式进入鼎盛时期。至20世纪20年代，随着汽车工业的兴起和飞速发展，老式有轨电车由于噪声、速度、舒适性等方面的缺陷，逐步衰退[1]。

现代有轨电车于20世纪90年代后期率先在法国发展起来。随着在法国、德国、西班牙等多个西欧国家成功建设运营，其以崭新的形象、舒适的服务迅速吸引了国内城市的关注和研究。我国诸多城市如沈阳、上海、天津、南京、广州等均建设有现代有轨电车运营，其余如西安、烟台、东莞等也在积极规划建设有轨电车系统。

有轨电车代表了当前公交优先发展模式下的一种发展趋势，是中低运量交通系统的重要发展方向。由于该方式较小的工程代价和投资规模，且本身具有较好的灵活性和拓展性，现已成为大量地区快速实现轨道化骨干交通体系的重要手段。与此同时，目前全世界有轨电车的使用功能差异性较为明显，在不同地区的功能定位明显不同，在此背景下，作为规划设计的前提，特别是我国正处于现代有轨电车发展起步阶段，对于该制式在具体使用中的功能研究和使用方式研究，具有较强的指导意义。

2 对现代有轨电车的认识

2.1 中低运量的公共交通系统

在现有较为成熟的城市轨道交通体系中，地铁、市郊铁路等制式作为大运量、高集约性的轨道交通模式在大中型城市广泛应用，其每小时单向旅客输送能力一般不小于3万人次；轻轨、单轨系统以其每小时1～3万人次的单向客运量成为中型城市轨道交通的较优选择；而常规公交每小时旅客输送能力一般不超过5 000人次。现代有轨电车的出现，有效填补了中高运量传统轨道交通与常规公交间的运能空白，使城市轨道交通对各类型城市的匹配性得到了进一步的强化：现代有轨电车是一种中低运量的公共交通系统，其每模块定员60～70人，每小时单向客运能力为0.5～1.0万人次，该运量规模对绝大多数中小型城市的居民出行需求具有较强的适应性。需要注意的是，为适应道路建设条件，符合城市道路交叉口的半径要求，减少对路面交通的干扰，现代有轨电车的编组不宜过长，鉴此，该制式的运输能力难以组织到较高的水平。

2.2 道路化的轨道交通体系

现代有轨电车布设于城市道路之上，这一特征决定了该方式可有效适应城市道路的建设标准，兼具轨道交通和道路交通的双重特征：从道路性上看，有轨电车需匹配城市道路较大的坡度条件和较小的曲线半径，使之具有较强的爬坡能力和曲线灵活性，同时由于与道路交通混行，更加便于乘客的乘降与换乘；从其轨道特性上看，由于具有一定的独立系统性，现代有轨电车的平均旅行速度和时间可达性较常规公交仍有一定优势，且运能远大于道路公交系统，综合来看其运输集约性远强于常规道路交通，是地面公交的“升级版”[2]。但应看到的是，混合特性作为一把“双刃剑”，同时制约着有轨电车的使用，具体表现为对路权的选择、交叉口信号优先的配置、对既有道路机动车通行能力的干扰等方面，特别是道路布设要求使其对沿途路面条件要求较高，这就造成有轨电车难以深入覆盖土地开发强度较大的老城区。

2.3 建设投资及周期较为节省

近年来，随着国家社会经济的飞速发展和城镇化水平的快速提高，轨道交通建设已成为各大城市缓解交通困局的重要举措，但从已有统计情况来看，传统轨道交通特别是地铁的建设成本持续攀升，地铁每千米平均造价高达5～10亿元，轻轨亦达到2～5亿元/km。新型有轨电车由于线路布设要求较低，系统独立性不强，其工程造价远低于传统城市轨道交通，同时由于工程规模较小，整体建设周期亦较短，综合来看，现代有轨电车可实现较短周期和较低投资前提下公交系统的轨道化运营。

2.4 使用功能和运营方式灵活性较高

鉴于现代有轨电车兼具轨道特性和道路特性，其在功能实现和运营方式方面均具有较高的灵活性：一则由于可广泛布设于符合设计要求的城市道路上，具有多种路权方式，与地面交通方式多以平交互通[3]，使其可适用于大量交通需求背景，加之自身较强的独立性和集约性，从已有现代有轨电车使用经验看，骨干型、补充型、拓展型、延伸型均可成为该制式的功能实现；二则基于现代有轨电车的道路公交特性，使其较传统城市轨道交通独立运营方式具有更大的选择空间，与传统公交系统运营方式相类似的跨线运营模式可进一步拓展现代有轨电车的服务功能和运输效率。但从实际使用经验和其自身特征看，现代有轨电车无法成为大型城市公共交通骨干系统，主要体现为在地铁稀缺城区的应用[4]，且在不同类型区域背景下，现代有轨电车均有各自的使用功能，较传统城轨体系的功能定位差异较大。

3 现代有轨电车功能定位研究

3.1 现代有轨电车的功能定位类型及其应用

整体上看，现代有轨电车实际应用存在下述3种功能定位类型。

(1)城市公共交通骨干

该类型主要为欧美等国应用，作为城市公交体系的骨干构成，承担城市居民公交出行大部分客流，线路成网且覆盖城市主要客流集散点、交通走廊和重点功能区。典型应用城市为南特、墨尔本、第戎、鲁昂等，我国由于现代有轨电车研究与建设起步较晚，现尚无城市公交骨干应用先例。

(2)城市轨道交通补充

对于骨干城市轨道交通系统无法覆盖的地区，以现代有轨电车方式满足居民出行需求、提供集约化公交服务，该类型作为中高运量城市轨道系统辐射范围内的轨道系统补充，是骨干公交网旅客运输的辅助服务体系，城轨运输体系的毛细血管。这一应用在全世界应用广泛，特别是我国现代有轨电车应用的主要模式，国外如柏林、布拉格，国内如苏州、珠海、广州，规划中的东莞等城市均为此种模式。

(3)城市轨道交通拓展

与补充模式相类似，但主要承担骨干城市轨道交通的对外拓展功能，强调在一些客流规模不支持的交通走廊以现代有轨电车实现城市轨道网的综合覆盖，亦为骨干公交网的辅助体系。这一模式在全世界应用同样广泛，如曼彻斯特、巴黎，国内如北京香山线、上海松江线，规划包头石拐线等城市均采用此类型。

综合来看，现代有轨电车功能应用亦可分为下列两类：其一为城市范围内部分区域及交通走廊的骨干交通构成，一般体现为新区、开发区、旅游区的公交主骨架以及部分运输通道的骨干公交制式，该模式为中高运量城市轨道交通下的公交次骨干系统，轨道交通主干网的延伸、过渡和补充[5]，补充与拓展应用均为这一类型的子分支。其二为部分独立个体城市的骨干公交系统，从现有经验看主要应用于中小城市，是地铁、轻轨等城轨系统在中低运量需求城市的替代。

3.2 现代有轨电车功能定位研究

3.2.1 约束条件研究

城市轨道交通的功能实现与城市经济体量、人口规模、地缘特征、城区面积息息相关，这是因为城市公交体系是以城市土地开发为依托，结合实际经济发展条件，以满足居民日常出行为首要目标；其次，由于不同交通制式在运输能力、运输效率、实施成本方面均有各自特征，对城市运输需求、财政承担能力、土地开发潜力有各自匹配条件。综上，确定影响现代有轨电车功能定位的主要因素为：

(1)人口；

(2)人均GDP；

(3)城市建成区面积；

(4)城市类型。

上述指标均为目标城市远期规划年度[6]。

3.2.2 模型的建立

多元回归分析法是从各种经济现象之间的相互关系出发，通过对与预测对象有联系的现象变动趋势的分析，推算预测对象未来状态数量表现的一种预测方法。利用回归模型进行定量预测是目前最为流行的统计方法之一。本次研究旨在通过对不同城市上述约束条件的回归分析，量化现代有轨电车对城市的适应性指标，最终形成对现代有轨电车应用模式的量化预测体系。

(1)城市类型的确定

约束条件中仅有城市类型为非常规量化指标，该因素受自身政治地位、建设规模、人口数量、经济水平等多方面影响，而不同类型城市在旅客集散、人员吸引方面有较大差距。本次研究通过对不同城市的城市指数计算，以期对城市类型进行初步定量分析，作为最终现代有轨电车功能定位测算模型中重要的测算指标。

考虑到区位因素是城市自身综合发展的重要因素，对城市经济发展水平、人口集聚能力、交通中转需求均会产生直接影响，本次城市类型定量计算拟引入区位熵算法，即由哈盖特(P.Haggett)所提出的专门化率算法，用以衡量某一区域要素的空间分布情况[7]。鉴于城市交通基础设施一般指在一定经济基础上居民出行需求的解决工具，且对项目经济性要求较高，故其整体发展趋势具有较强的市场经济特征。因此，本次沿用区位熵基本算法，即使用城市人口和GDP作为城市类型定量计算的主要因变量；需要指出的是，使用集聚强度的算法可避免由于现代有轨电车既有运营经验主要集中于欧美各国，其人口、经济发展阶段与我国不相匹配导致的数据脱节。具体计算公式为

Qi=Si/Pi

式中Qi——i地区的区位熵；

Si——i地区GDP占全国总量比例；

Pi——i地区人口占全国总量比例。

当Qi指标越高，则可表明所研究地区经济强度越大，经济聚集度越高。鉴于城市轨道交通本身投资和运营成本较高，对所涉及城市财政及经济发展水平要求较高，故而区位熵所体现指标在一定程度具备对城市指数的量化指导意义。

前述世界主要现代有轨电车应用城市区位熵测算如表1所示。

表1 世界主要现代有轨电车应用城市区位熵测算(2015年)

(2)功能定位的量化

功能定位一般指某一交通运输方式在城市综合交通体系中所承担的实际运输效果，是该交通方式在日常人员位移中所体现的价值，这一要素可体现为交通方式在居民出行、土地开发、人员集聚方面所产生的影响量。通过对这一价值的研究，可初步揭示某一交通方式在综合交通体系中影响的强弱，从而表征该方式功能定位的量化指标。

鉴此，对功能定位的量化，即可认为是该交通方式的价值评价。考虑到城市交通对居民出行、土地开发、环境保护、拉动经济等方面均会产生深远的影响，需综合考量某一交通方式自身运输能力、时间可达性、线网分布、带动就业等多方面因素，涉及面广，内容多，对系统评价的各个影响因素需进行定量分析，对各因素具体化[8]。现建立如下价值评价的指标体系，如图1所示。

图1 交通方式价值评价指标体系

在实际测算中，确定功能性、路网性和社会性指标的权重值，分别采用a、b和c标识，则各评价权重向量分别为

a=(a1，a2，a3)；b=(b1，b2，b3)；c=(c1，c2，c3，c4)。

目前，价值评价方法主要包括层次分析法、模糊综合评价法、灰色关联系数法和价值函数法。其中层次分析法主观性较强，结果不易令人信服；模糊综合评价法如面对指标较多的情况时易出现超模糊现象；灰色关联系数法难以确定数理关系的正负特性。综上，本次研究采用价值函数确定某一交通方式的价值评价[9]。其表达式如下

V=a·(a1，a2，a3)(α1，α2，α3)+b·(b1，b2，b3)(β1，β2，β3)+c·(c1，c2，c3，c4)(γ1，γ2，γ3，γ4)

式中V——交通方式价值评价；

a、b、c——功能性、路网性、社会性指标权重；

(α1，α2，α3)——平均旅速、运输能力、运价率指标值；

(β1，β2，β3)——线网密度、线网布局、站点设置指标值；

(γ1，γ2，γ3，γ4)——环保性、拉动GDP、带动就业、土地开发指标值。

考虑到上述指标中同时存在定量指标和定性指标、正向指标和逆向指标，故需对指标进行同趋向性处理；为解决取值范围和量纲差异性，对评价指标进行无量纲化处理[10-12]。

此外，由于本次研究仅为通过客观技术手段尝试实现主观研判课题的量化计算，为简化数据逻辑，加之考虑到实际应用中补充类型和拓展类型难以清晰界定，故模型建立中将补充与扩展应用合并建项。因此，本次研究将某一交通方式综合评价指标V划分为2个取值范围，即为[0，0.8]、[0.8，∞]，具体划分标准详见表2。

表2 交通方式评价层级

使用AHP确定各指标(功能性、路网性、社会性指标)权重。

①构造判断矩阵

两两因素重要性比较：采用1-9标度法对因素相对重要性做出判断，给予量化。AHP设计了范围1-9的比率标度[13]，见表3。

表3 因素比较标度

②求解因素判断矩阵的特征向量及最大特征值

得到相应权重集如表4所示。

表4 权重集汇总

由计算可知，目标层各因素权重分别为：

0.4、0.3、0.3。

各指标层因素权重分别为：

a=(0.4，0.3，0.3)；

b=(0.3，0.4，0.3)；

c=(0.2，0.3，0.2，0.3)。

综上，对前述城市现代有轨电车主要价值指标进行加权法测算如表5所示。

表5 相关城市现代有轨电车价值评价

(3)现代有轨电车定位测算模型的建立

根据既有及拟建现代有轨电车上述约束指标与线网功能统计数据(表6)，采用SPSS软件对人口、人均GDP、城区面积和城市类型单因素与功能定位间数理关系进行多方式拟合，绘制曲线拟合如图2所示。

表6 相关城市现代有轨电车功能应用与约束指标统计数据

注：数据指标源自2015年

图2 人口、人均GDP、城区面积、城市类型与功能定位关系拟合曲线

由拟合结果比选可知，功能定位与城市人口规模、人均GDP、城区面积、城市类型的函数关系分别为：

V=exp(-0.324 997 86+6.494 083 11/P)；

V=exp(-0.279 791 55+1 134.694 683 13/G)；

V=exp(-0.283 465 76+5.769 291 52/A)；

V=exp(-0.344 929 48+0.113 791 98/Qi)。

据此分析，现代有轨电车功能定位和人口规模、人均GDP、城区面积和城市类型均呈指数关系。因此，可假设现代有轨电车与本次研究约束条件为多元指数模型，即

V=exp(a+bP+cG+dA+eQi)

(1)

式中，a、b、c、d、e均为待标定参数。

3.3 模型参数的标定与检验

该模型类型为可线性化的非线性回归模型，将公式(1)两边取对数，得

lnV=a+bP+cG+dA+eQi，令lnV=Vn，可得

Vn=a+bP+cG+dA+eQi，后采用SPSS软件对参数进行标定，得到模型如下

Vn=-1.744+0.000 11P+8.954-7G+7.509-6A-0.76Qi。

4 实例验证分析

4.1 汝州市概况

汝州市位于河南省中西部，因汝河流经市域而得名。市域东与禹州、郏县接壤，西与汝阳搭界，南与宝丰、鲁山相连，北与登封、伊川为邻。汝州城区距郑州124 km，西北距洛阳80 km，东距许昌105 km，东南距平顶山75 km，西南距南阳180 km[14]，焦柳铁路经城区西侧跨汝河而折向东南，207国道从城区北、东侧经过，洛平公路穿越城区中部与207国道相交，已建省道侯饭公路位于城区北侧，洛平漯高速公路位于城区南侧。

目前，焦柳铁路设汝州火车站属客货三等中间站，客运量较小；汝州市至洛阳北郊机场和郑州新郑国际机场驾车时间在1～2 h，综合交通条件优势不明显。未来年度，随着汝登高速、郑万高铁的建设，汝州对外交通联系必将得到极大提升，可形成对接郑州的交通廊道，铁路客运便捷度将大幅提升，汝州交通优势可实现有效体现[15]。

在《河南省新型城镇化规划(2014—2020年)》、《河南省城镇体系规划(2009-2020)》、《中原城市群总体发展规划纲要(2006～2020)》中，汝州市被定义为50～100万人口规模的城市，地区副中心城市，可成为全省区域经济新的战略支点；将承担一定的区域性副中心城市建设分担职能；是郑州中心城市的卫星城、洛-平-漯(洛宁)产业发展带重要节点。根据汝州市总体发展规划，未来汝州将打造为豫西南区域性副中心城市，中原经济区重要的先进制造业基地及综合性现代服务业中心，积极融入以郑州为核心的区域高速公路和铁路运输体系[15]。

4.2 汝州市现代有轨电车应用预测

未来汝州将大力加强各类交通基础设施建设，重点推进骨干道路建设、市域公路和各类客货运场站等改造升级工程，提升交通设施的服务水平，优化交通环境；建立完善的公共交通体系，倡导绿色低碳出行，推动清洁能源和新能源的应用，推进绿色低碳交通体系建设[15]。

将汝州市“十三五”末、2030年人口、人均GDP、城区面积及测算的城市类型指标代入回归模型即公式(2)中，计算结果如表8所示。

表8 预测结果

注：汝州市未来发展控制性指标来源《河南省汝州市城乡总体规划(2015～2030)》

由计算结果可知，2020年前，汝州市现代有轨电车价值函数为0.68，该方式主要承担市区综合交通的补充和拓展功能；至2030年，现代有轨电车价值函数为0.89，这一公交体系将成为市区综合交通主干构成。可以预见，受限于发展年度等因素，“十三五”时期汝州市现代有轨电车整体以建设推进为主；2020～2030年间，有轨电车体系将逐步完成并将最终成为汝州市居民出行骨干组成。