多网融合背景下都市圈市域(郊)铁路网规划方案评价研究

张丽丹

(福州市发展和改革委员会轨道交通发展中心,福州 350007)

1 研究背景

我国城镇化进程正处于快速发展期,都市圈作为新型城镇化建设发展的主体形态,需由多层次、一体化的交通系统作为支撑。近年来,国家相继出台《交通强国建设纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》,要求建设都市圈多层次轨道交通网络,推进干线铁路、城际铁路、市域(郊)铁路、城市轨道交通“多网融合”。

从功能定位来看,市域(郊)铁路服务于城市中心城区与周边新城、城镇组团间的通勤客流,并支撑中心城市周边组团的空间发展[1-3],在轨道交通网络中上承外围国铁城际,下联中心市区内城市轨道,具有联动纽带功能,其线网布局规划直接关系到整体轨道交通网络的融合发展,并对都市圈及国家城镇化建设起到至关重要的作用。

市域(郊)铁路网规划评价是保障市域(郊)铁路合理建设、科学发展,更好地实现多网融合的关键步骤。目前相关领域既有文献中,在线网布局规划评价方面主要以城市轨道交通[4-6]、城际铁路[7-8]、区域高速铁路[9]方向等单层次为主,多数采用模糊综合评价、层次分析法、灰色关联分析法[10-11]等;在多网融合方面,较多学者将重点放在网络融合方案分析和评价指标体系研究[12-18]。由于我国市域(郊)铁路尚处于规划建设阶段,在多网融合这一概念背景下专门针对市域(郊)铁路线网布局及评价的研究较少。因此,多网融合背景下针对市域(郊)铁路独有功能定位和层次衔接关系的规划布局评价方法值得探索。

2 评估指标体系

2.1 评估指标体系建立

在多网融合背景下,考虑都市圈市域(郊)铁路网从规划建设到运营全过程中的不同主体诉求,为综合反映都市圈市域(郊)铁路网规划布局对各主体需求的满足程度,考虑多网融合程度、都市圈支撑强度、运营服务能力、方案实施可能四个方面,采用多目标分析法建立评价指标体系,并对上述指标体系进行符号化处理,设第i个准则层为Ai,则所属准则层Ai的第j个指标表示为Bij,具体如表1所示。

表1 市域(郊)铁路网规划方案评估指标Tab.1 Indicators for the evaluation of urban (suburban) railroad network planning schemes

2.2 评估指标释义

为实现最终的量化评估,上述指标在评估过程中需进行量化表示,其中定量指标具有明确计算公式,定性指标具有明确释义并可做出量化程度区分。各项评价指标的具体含义如表2所示。

表2 市域(郊)铁路网规划方案评估指标Tab.2 Indicators for the evaluation of urban (suburban) railroad network planning schemes

3 评估方法

为提高评估指标赋权的合理性,运用层次分析法与信息熵权法的线性组合赋权法,实现主观与客观赋权方法相结合来确定权重[22-23]。同时考虑市域(郊)线网规划评估中方案的有限性、评价指标体系的复杂性及评价结果的可解释性[24-26],采用TOPSIS方法实现市域(郊)线网规划评估分析。

3.1 指标权重计算

既有的各类评价赋权方法各有优劣,为尽可能提高评估指标赋权的合理性,运用层次分析法与信息熵权法的线性组合赋权法,实现主观与客观赋权方法相结合,从而确定市域(郊)铁路网规划方案评估指标的权重。

3.1.1 层次分析法

层次分析法是基于专家经验对各指标间两两比较打分,其利用了数字大小的相对性,数字越大则越重要,从而构造判断矩阵来综合测算各指标的最终权重,具体方法如下。

(1)构建指标层的相对重要度判断矩阵。

指标层各指标在决策者对目标衡量时的重要度不尽相同,各占一定比重。引入数字1～9及其倒数作为标度来量化衡量(表3),定义评价体系中的指标总数为n,则量化得到的判断矩阵可表示为A=(bij)n×n。

表3 判断矩阵标度定义Tab.3 Definition of judgment matrix scales

(2)构建指标层的相对重要度判断矩阵。

将判断矩阵(bij)n×n按列归一化处理,定义归一化后的判断矩阵为A′=(hij)n×n,具体方法如下

(1)

(2)

(3)

(3)判断矩阵一致性检验。

定义一致性指标为CI,定义判断矩阵A′的最大化特征值为λmax,一致性指标计算公式见式(5)。进而依据指标数量n查找表4对应的一致性指标平均标准RI。

表4 平均随机一致性指标RI标准值Tab.4 Average random indicator standard value

进而由式(6)计算一致性比例CR。判断一致性比例CR是否小于0.1,当CR<0.1时认为判断矩阵具有一致性,此时的相对权重向量即为层次分析法所得各指标权重,否则需对判断矩阵适当修正,直至CR<0.1。

(4)

(5)

(6)

3.1.2 信息熵权法

信息熵权法属于客观赋值法,在信息论中熵是衡量系统内信息无序程度的指标。依据信息熵原理,若各评估方案在同一指标下方案值的离散波动程度越大,则表示该项指标提供的有效信息量越大,则权重值越高。具体计算过程如下。

(1)方案指标值矩阵标准化。

设有m个参评方案,n个评价指标,则可形成方案指标值的原始矩阵,记为X=(xij)n×m,定义该矩阵标准化后表示为R=(rij)n×m,rij表示在指标i下第j个方案的标准值,rij∈[0,1]。则具体标准方法如下。

对于收益型指标

(7)

对于成本型指标

(8)

(2)计算各指标的信息熵hi。

定义第i个指标的信息熵为hi,计算方法如下

(9)

(10)

式中,当fij=0时,令fijlnfij=0。

(3)计算各指标熵权wi。

定义第i个指标的熵权为wi,计算方法如下

(11)

(12)

3.1.3 基于层次分析法和信息熵权的组合赋权法

(13)

式中,μ∈(0,1)。

3.2 基于TOPSIS 的方案评估方法

TOPSIS方法通过定义目标最优解、最劣解,通过计算决策问题各个评价方案与最优解、最劣解的距离,进而由各方案与理想最优解之间的相对贴合程度来对评价方案进行优劣排序。已知有m个参评方案,n个评价指标,方案指标值的标准化矩阵表示为R=(rij)n×m,运用TOPSIS方法进行方案评估的具体步骤如下。

(1)基于组合赋权法计算各方案指标值形成的加权评估矩阵Z。

Z=(zij)n×m=(wjxij)n×m

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(4)计算各评估方案的相对贴合程度ci。

(19)

进而可依据各评估方案的贴合程度ci对各方案进行排序,贴合程度ci越大,表示评估方案与理想解的相对接近程度越高,评价方案越优。

4 实例应用

福州市位于中国东南沿海,是福建省省会城市,是海峡西岸经济区、福莆宁同城化的核心城市。据《福州市都市圈发展规划》,未来都市圈核心区空间结构将呈现“一环两带、两核两心七组团”发展模式,图1、图2分别为福州都市圈及中心城区空间规划布局示意。

图1 福州都市圈空间规划布局Fig.1 Spatial planning layout of Fuzhou metropolitan area

图2 福州都市圈中心城区空间结构规划Fig.2 Spatial structure planning of the central city of Fuzhou metropolitan area

以福州都市圈核心区为例,对市域(郊)铁路网规划方案进行评估分析。

4.1 福州都市圈轨道交通现状及批复规划

目前福州都市圈核心区范围内的各层次轨道交通现状及规划如下。

国铁干线:既有铁路包括温福铁路、福厦铁路、合福高铁、福平铁路、向莆铁路、峰福铁路、福马铁路,共计总里程424 km,其中高速铁路347 km,福厦高铁福州境内长57 km。

城际铁路:目前在建福莆宁城际F1线,起自福州火车站,经福州长乐国际机场,终于文岭站,全长约62 km。据《福州都市圈发展规划》,规划年将形成以城际铁路为核心的城际就业通勤交通体系,打造1小时通勤圈。

市域(郊)铁路:据福州城市轨道交通线网规划2021年修编公示方案,福州市域(郊)铁路规划S1～S6共6条新建线路,里程总计259 km,分别承担主城区至福清、连江、永泰、闽清、龙高半岛及滨海新城至福清6个方向的客流,与福州国土空间总体格局发展战略相协调。

城市轨道交通:福州市现已开通运营1号线和2号线,形成主城区“十字型”主骨架,据福州城市轨道交通线网规划2021年修编公示方案,规划包括3、4、5、6、7、8、9、10、11、13共计10条线路,共计里程424 km,如图3所示。

图3 福州都市圈核心区城市轨道交通规划Fig.3 Urban rail transportation planning in the core area of Fuzhou metropolitan area

据统计,目前都市圈中心区16%的面积聚集着40%的人口、供应45%的岗位、生成52%的出行。扩张的城市骨架下仍维持单中心、强辐射特征使得都市圈中心城市区交通供需矛盾日益突出。随着都市圈的建设加快,城市空间拓展、产业布局延伸及城镇带建设,通勤、通学、通商性客流需求将快速增长,径向通勤出行将大幅增长,而沟通外围组团及其与中心城市的交通基础设施建设相对较慢。

4.2 福州都市圈市域(郊)铁路网规划方案评估

在此背景下,考虑都市圈客流特征,依据市域(郊)铁路在轨道交通大系统中的功能定位,结合都市圈国土空间布局及产业发展规划,提出福州都市圈市域(郊)铁路网规划方案,并采用本文所述市域(郊)铁路网规划方案评估体系及评价方法进行应用。

(1)市域(郊)铁路网规划方案

基于中心城区空间拓展方向“东进南下、沿江向海”理念,考虑福州主城区、福清市、滨海新城三大核心组团间的高效联通,确定福州市域(郊)铁路网的基本形态为“三核互通、多向辐射”,具体如图4所示。

图4 福州市域(郊)铁路网基本形态Fig.4 The basic shape of the Fuzhou metropolitan (suburban) railroad network

进而依据客流预测结果给出规划年度各通道线路配置数量,具体如表5所示。

表5 福州都市圈各廊道线路供给规划Tab.5 Plan of corridor lines in Fuzhou metropolitan area

结合既有线路配置情况,统筹优先利用既有及规划铁路、在既有线网局部延伸及补强、考虑需求发展超前谋划新建市域(郊)线路等几个原则,规划各客流通道不同的市域(郊)布局方案,形成3个比选方案如表6所示。

表6 各方案主要指标统计 kmTab.6 Statistics of main indicators of each program

(2)指标计算及方案比选

基于不同规划方案计算各项评价指标,对于定量指标依据相关部门基础资料及统计数据计算处理得到,定性指标采用德尔菲法处理得到;进而对得到的初始评价指标矩阵归一化后,采用组合赋权法实现指标权重计算。市域(郊)铁路网评估指标体系下,各方案的具体指标数据及权重如表7所示。

表7 福州都市圈市域(郊)铁路网规划评价指标及权重Tab.7 Evaluation indexes and weights for the planning of urban (suburban) railroad network

值得关注的是,在轨道交通大系统内,多网融合主要考虑车流组织、客流组织两个方面的融合衔接;在轨道交通大系统外,主要考虑融合后的系统整体与其他交通方式的协调融合,因此,提出采用“不同层级间线路互通性”“不同层级间衔接换乘时间”“与综合交通协调性”三个方面的指标进行综合表征。其中“不同层级间的线路互通性”主要考虑各层级轨道交通一体化衔接车站个数、贯通运营线路长度两个因素,指标值越大融合程度越高;“不同层级间衔接换乘时间”主要从客流组织角度考虑,换乘时间越短融合程度越高;“与综合交通协调性”则为市域(郊)规划方案中重要节点枢纽车站与其余交通方式平均衔接距离,距离越近其协调融合程度越优。

运用本文所述评价方法计算贴近程度并排序,结果如表8所示,可得最优方案为方案1。

表8 福州都市圈市域(郊)铁路网规划方案比选结果Tab.8 Results of the planning schemes of the Fuzhou metropolitan area (suburban) railroad network

最优方案中规划线网密度达529 km/万km2,5万以上人口的镇区级覆盖率达90%,周边组团至核心区实现30～45 min通达;网络覆盖度空间结构契合度达到0.95,具体方案如表9所示。

表9 福州市域(郊)铁路网最优布局方案Tab.9 Optimal layout of Fuzhou (suburban) rail network

方案1利用线路总规模达522 km(其中高铁292 km,普铁77 km,城际153 km),占区域规划路网总规模1 149 km的46%,是方案中既有铁路利用程度最高的方案。

由此可见,充分挖潜福州都市圈既有的杭深铁路、温福铁路、昌福铁路、峰福铁路等,利用既有铁路开行市域(郊)铁路,一方面可大幅提升既有铁路利用率,使得铁路运能得以充分发挥,合理配置资源;另一方面开行以和谐号、复兴号等动车组为主的市域(郊)列车,可极大改善旅客的乘车环境、提升乘车体验,提高旅客出行的便捷性与舒适性。

5 结论

基于都市圈轨道交通网络化发展的形势要求,合理架构市域(郊)铁路网至关重要,需要科学的评价方法体系予以支撑。我国目前市域(郊)铁路尚处于规划建设阶段,在多网融合这一概念背景下专门针对市域(郊)铁路线网布局及评价的研究较少。 因此,多网融合背景下针对市域(郊)铁路独有功能定位和层次衔接关系的规划布局评价方法值得探索。

从多网融合程度、都市圈支撑强度、运营服务能力、方案实施可能性四个方面出发,构建一套针对市域(郊)铁路线网规划的量化评估指标体系,提出以信息熵权法和AHP的组合赋权法确定指标权重,并以TOPSIS方法实现规划方案的量化综合评价分析。最后以福州都市圈多层次轨道交通为例进行应用,结果表明,市域(郊)铁路网规划中既有铁路利用程度较高的方案综合最优,利用既有铁路开行市域(郊)铁路,一方面可充分利用铁路运能、实现都市圈交通资源合理配置;另一方面可较好融合都市圈各层次轨道交通,更好地服务于都市圈旅客交流。