楊　明　過秀成　凌小靜　畢曉螢

(1. 東南大學交通學院　南京　210000；2. 南京市城市與交通規(guī)劃設計研究院有限責任公司　南京　210008)

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基于時間目標的大都市區(qū)軌道交通功能分級研究

楊明1過秀成1凌小靜2畢曉螢2

(1. 東南大學交通學院南京210000；2. 南京市城市與交通規(guī)劃設計研究院有限責任公司南京210008)

為指導大都市區(qū)軌道交通線網布局規(guī)劃，在總結國外成熟大都市區(qū)軌道線網體系基本構成、功能層次和技術特性的基礎上，通過分析大都市區(qū)居民通勤出行時耗特征，明確各空間圈軌道交通服務時間目標，即城市中心區(qū)30 min以內，城市外圍區(qū)45 min以內，郊區(qū)1 h以內。以此為主要控制要素確定軌道交通線網功能分級：區(qū)域鐵路主要服務于都市區(qū)對外客流聯系需求；市郊軌道服務于大都市區(qū)近、郊區(qū)居民通勤出行；城市中心區(qū)軌道主要服務于城市中心區(qū)內部各類出行。

大都市區(qū)； 軌道交通；功能分級； 時間目標

1　大都市區(qū)的概念及特征

大都市區(qū)是指一個大的城市核心區(qū)域以及與其有著密切社會經濟聯系的具有一體化傾向的鄰接地域的組合，它是國際上進行城市統計和研究的基本地域單元，是城市化發(fā)展到較高階段時產生的城市空間組織形式[1]。大都市區(qū)作為一種功能地域范圍，主要由城市中心區(qū)和周邊與之密切聯系的次級功能組團或城鎮(zhèn)的外圍地域共同組成。按照接受城市中心輻射影響力的強弱，大都市區(qū)地域空間結構可以劃分為城市中心區(qū)、城市外圍區(qū)和郊區(qū)3個層次。城市中心區(qū)(半徑為15～20 km)是城市化程度最高、功能最集中、人口密度最高的區(qū)域;由城市中心區(qū)向外，分布有城市外圍區(qū)(半徑為30～40 km)和郊區(qū)(半徑為50～60 km)，人口與就業(yè)崗位密度由內向外逐步衰減[2](見圖1)。大都市區(qū)這種城鎮(zhèn)群體空間的形成一般要求借助區(qū)域或城市完善的交通運輸體系作為支撐，尤其是以大容量快速軌道交通系統為骨干的綜合交通體系。軌道交通作為一種集約化的公共運輸方式，在能源、環(huán)境等問題日益突出的情況下，運輸優(yōu)勢將愈加明顯。

圖1　典型大都市區(qū)空間圈層結構

當前階段國家提出加快推進新型城鎮(zhèn)化建設，一方面加快促進了大都市區(qū)的發(fā)展進程，另一方面注重提升大都市區(qū)的發(fā)展內涵，更加強了集約、智能和低碳的城市發(fā)展模式。同時，軌道交通作為高效集約的城市客運載體，應該在新型城鎮(zhèn)化背景下發(fā)揮重要的引導作用。目前我國區(qū)域城市軌道交通也進入了快速建設時期，但受相關規(guī)范和標準的制約，以及對城市地域范圍認知的局限性，既有軌道交通規(guī)劃研究主要局限于傳統的城市行政地域范圍，軌道線網規(guī)劃重在對單層次的城市軌道線網的布局研究。而大都市區(qū)往往突破了傳統城市行政地域范圍，具有空間范圍廣、結構分層、形成廣域通勤交通圈的典型特征，除傳統地鐵線網之外，高速鐵路、城際軌道和市郊軌道等服務于中長距離出行的軌道交通模式均在大都市區(qū)各空間層次中發(fā)揮重要的客運作用。因此，針對大都市區(qū)圈層式、差別化的交通需求特征，明確軌道交通線網構成與功能分級，構建層級明晰、銜接合理的軌道交通線網，對于構建一體化軌道交通線網，充分發(fā)揮軌道交通的運輸效能，促進大都市區(qū)交通運輸體系的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

表1　國外大都市區(qū)空間層次及相應軌道線網層次

表2　國內軌道交通線網體系構成與功能層次

2　成熟大都市區(qū)軌道交通線網分級發(fā)展經驗

2.1國外大都市區(qū)軌道交通線網體系構成與分級

國外成熟大都市區(qū)的軌道交通經過上百年發(fā)展，基本形成了體系完善、層次明晰的軌道交通線網體系。表1同時列舉了東京和巴黎、倫敦、莫斯科等國外最具代表性的城市不同空間層次對應的軌道交通線網體系和層次[3-4]。

從表1可以看出，國外成熟大都市區(qū)雖然在城市規(guī)模、空間結構以及軌道名稱定義上略有差異，但軌道交通線網的體系構成和功能層次在本質上基本一致。大都市區(qū)軌道交通系統主要由區(qū)域鐵路、市郊軌道以及城市中心區(qū)軌道三大系統構成。城市中心區(qū)軌道(地鐵、輕軌等)通常為高度城市化的城市中心區(qū)提供服務，服務半徑集中在15～20 km，平均線路長度不超過40 km，特點為軌道運量大、站點覆蓋率高、站距短，旅行速度相對較慢，最高速度為80 km/h；市郊軌道服務于近、遠郊區(qū)與城市中心區(qū)的通勤出行，主要服務半徑為50～60 km，其軌道站距較城市中心區(qū)軌道站距大、旅行速度較快，最 高 運 行 速度為120～160 km/h；區(qū)域鐵路(高速鐵路、城際軌道)是服務于國土層面或者城際之間的交通聯系，結合大都市區(qū)用地布局，部分區(qū)域鐵路兼有服務于大都市區(qū)各圈層之間中長距離通勤的聯系功能，尤其是郊區(qū)與城市中心區(qū)之間的聯系。

2.2國內軌道交通線網構成與技術特性

國內城市化以及軌道交通建設起步較晚，圍繞幾個特大城市的都市區(qū)空間正在逐步成長，軌道交通線網規(guī)劃范圍也相應擴大，在吸取國際大都市區(qū)規(guī)劃成功經驗的基礎上初步形成了較為完備的軌道交通線網體系。國內城市軌道交通線網體系主要以城市中心區(qū)軌道(地鐵、輕軌)為主，部分大城市(如北京、上海和武漢等)建設了少量市郊軌道，具體情況如表2所示。

2.3國內外軌道交通線網體系構成與技術特性比較

由于不同國家和地區(qū)對于軌道交通線網層次與功能特性各不相同，為了便于吸收和借鑒國外的先進經驗，分別與國內不同層次軌道交通系統進行一一對應，對應關系與功能特性如表3所示。

表3　國內、外軌道交通線網體系對應關系與功能特性

注：○表示有對應關系,—表示沒有。

就發(fā)展階段來說，目前我國尚未形成較為成熟的大都市區(qū)，城市居民的日常出行仍然集中于城市中心區(qū)內部，外圍郊區(qū)向心通勤出行需求不強，因此許多城市軌道線網規(guī)劃中對市郊軌道這一層面不夠重視。對于成熟的大都市區(qū)來說，發(fā)達的市郊軌道在大都市區(qū)客運交通中承擔著非常重要的角色，聯系著城市中心區(qū)與廣闊的外圍郊區(qū)，具有較高的通勤客流規(guī)模。隨著國內城市大都市區(qū)化的不斷推進，城市空間也在不斷向外圍拓展，外圍居民向心通勤出行比例逐步增加，市郊軌道的建設需求將越來越強烈。另外，國外城市軌道交通根據線路運行效率需求，通過調整站距，將城市中心區(qū)軌道細化為軌道快線和軌道普線，目前國內城市如深圳、南京等在規(guī)劃層面已經有所考慮，在規(guī)劃線網層次中分別配置了快線和加密線，但在國內已建地鐵線路中還沒有真正的快線和普線之分。

3　大都市區(qū)居民通勤出行時耗分析

3.1全區(qū)平均通勤出行時耗分析

城市居民的人均日出行時耗具有一定的穩(wěn)定性，在城市發(fā)展早期隨著城市規(guī)模的擴大，出行時耗相應增加，城市化后期出行時耗趨于穩(wěn)定[5-6]。理論上，就業(yè)者居住地距離城市中心區(qū)越遠,通勤時耗越長，但就業(yè)人口至就業(yè)中心的就業(yè)比例也會隨距離增加而降低，超過接受的通勤出行時間后，居民就會放棄長距離通勤出行。因此，在兩方面因素的共同作用下，大都市區(qū)各圈層通勤出行時間一般呈現先上升后下降的規(guī)律，如圖2所示。

圖2　東京、名古屋和大阪分圈層平均通勤時間分布

與國外大都市區(qū)相比，目前我國城市人口主要集中在城市中心區(qū)范圍，居民出行時耗約為30 min，具體情況如表4所示。未來隨著城市規(guī)模的繼續(xù)拓展，居民出行時耗還將上升。由此可見，人口密集的城市中心區(qū)居民平均出行時耗為30～35 min。

表4　我國各城市居民出行平均時耗調查[7-16]

3.2向心通勤出行時耗分析

大都市區(qū)向心通勤出行時耗特征一方面反映了城市尺度和居民出行的關系，另一方面也反映出居民通勤出行可忍受的最長時間。以日本東京為例[17]，2005年東京大都市區(qū)各圈層每天到達核心區(qū)(5～6 km圈層)的平均通勤出行時耗約68.7 min。其中，城市中心區(qū)范圍內向心通勤出行時耗約30 min；城市外圍區(qū)(20～40 km 圈層)到達城市中心區(qū)的出行時耗為30～45 min；郊區(qū)到達城市中心區(qū)的出行時耗為45～60 min。東京大都市區(qū)向心通勤出行時耗分布如圖3所示。

圖3　東京大都市區(qū)向心通勤出行時耗分布

成熟大都市區(qū)各圈層通勤出行時耗分布特征表現為：整體大都市區(qū)居民平均通勤出行時耗約45min，外圍郊區(qū)匯入城市中心區(qū)的向心通勤出行時耗不超過 1 h；城市中心區(qū)內部居民30 min即可達核心區(qū)內就業(yè)崗位；城市外圍區(qū)居民平均30～45 min即可達到城市中心區(qū)就業(yè)崗位；郊區(qū)向心通勤出行時耗不超過1 h，這也是城市居民通勤出行時耗的最大可接受值。

4　基于時間目標的軌道交通線網功能分級

結合國內外城市關于居民通勤出行時耗的分布特征分析，可以初步設定基于軌道交通的大都市區(qū)各圈層軌道交通服務需要達到的基本目標：城市中心區(qū)范圍內居民向心通勤出行(到達5 km圈層的核心區(qū))時間不超過30 min、城市外圍區(qū)居民向心通勤出行時間不超過45 min、郊區(qū)居民向心通勤出行時間不超過1 h。

4.1各圈層軌道交通旅行速度要求

根據典型大都市區(qū)圈層結構分析，大都市區(qū)空間圈層一般分為城市中心區(qū)、城市外圍區(qū)和郊區(qū)，其中城市中心區(qū)圈層尺度半徑為15～20 km、城市外圍區(qū)圈層尺度半徑為30～40 km、郊區(qū)圈層尺度半徑為50～60 km，如圖4所示；城市中心區(qū)邊緣至核心區(qū)(就業(yè)崗位密集區(qū))距離為10～15 km，郊區(qū)邊緣至核心區(qū)距離為25～35 km，郊區(qū)距離核心區(qū)為45～55 km。

圖4　大都市區(qū)各空間圈層尺度

結合大都市區(qū)圈層尺度和軌道服務時間目標，可以初步確定軌道交通旅行速度需要達到的基本水平是：城市中心區(qū)軌道交通服務時間目標不超過30 min，考慮兩端平均接駁出行時間約10 min，軌道交通的旅行速度需要達到30～45 km/h；城市外圍區(qū)軌道交通服務時間目標不超過45 min，考慮兩端平均接駁出行時間約15 min，軌道交通的旅行速度需要達到50～70 km/h；郊區(qū)軌道交通服務時間目標不超過60 min，考慮兩端平均接駁出行時間約15 min，軌道交通的旅行速度需要達到60～75 km/h。

4.2各圈層軌道交通站間距設置要求

在軌道交通基礎設施條件和列車形式確定的情況下，旅行速度大小主要受站點間距影響。站間距越大，軌道旅行速度越快。假定列車運行距離為L，列車運行總時間包括列車正常運行時間T車、列車在n個區(qū)間內的加減速時間T變速和列車在中間車站的停車時間T停，具體如圖5所示，d為軌道交通的站間距。

圖5　列車運行全過程構成

假設列車進站減速和出站的加速度均為a，ta為列車進站減速和出站加速的時間之和，sa為列車進站減速和出站加速路段對應的行駛距離之和，最高運行速度為v車，在站停車時間為t，列車經過n個區(qū)間進行一次運行的出行總時間(旅行時間)為

T旅=T車+T停+T變速=n(d-sa)/v車+(n-1)t+nta=

(1)

則旅行速度可以表示為

(2)

參考國內城市軌道交通車輛數據[18]，列車在站停靠時間及加速度分別取t=45 s，a=1.0 m/s2，列車的最高運行速度v車分別取80，120和160 km/h進行計算，得到旅行速度如圖6所示。

圖6　平均站距與旅行速度相關關系分析計算

從圖6可以看出，軌道平均站距與旅行速度密切相關，在站距設置較密(0.5～1.5 km)的情況下，最高速度對旅行速度的影響不大；站距增大以后(2～5 km)，最高速度得以提升，旅行速度提升效果非常明顯。為達到不同空間圈層軌道交通旅行速度的要求，可以采用靈活調整軌道交通站間距的方式來實現。一般來說，城市中心區(qū)軌道站點密集，選用列車最高速度為80 km/h；而市郊軌道一般選用列車最高速度為120 km/h 或160 km/h。因此，根據前文目標旅行速度的分析，可以初步確定各空間圈層軌道站間距設置要求。

城市中心區(qū)是大都市區(qū)城市化最為密集的地區(qū)，功能高度集聚，因此軌道服務強調高覆蓋率、高可達性，建議軌道平均站距為0.8～1.2 km。城市外圍區(qū)是與城市中心區(qū)通勤聯系最為緊密的區(qū)域，為保障城市外圍區(qū)居民快速進入城市中心區(qū)，軌道的運行速度相對城市中心區(qū)要求更高。城市外圍區(qū)的軌道交通服務一般由兩種模式承擔：

1) 城市中心區(qū)軌道向外延伸(城市中心區(qū)軌道快線)，在這種情況下為了保證城市外圍區(qū)軌道交通出行服務目標，需要將城市中心區(qū)軌道交通平均站距增加，或者在原有線路上設置越行線，這類線路的軌道交通站距一般為1.5～2 km。

2) 向外輻射的市郊軌道，同時服務于近、郊區(qū)的市郊軌道，在這種模式下為了保證郊區(qū)的向心通勤時間目標，在城市外圍區(qū)的站距也不宜過小，一般在2～5 km 靈活選擇。

郊區(qū)用地組團一般圍繞中長距離軌道交通站點高強度開發(fā)，呈珠狀串聯，形成獨立的外圍組團結構。因此，相對城市外圍區(qū)而言，更長距離的通勤出行需要更為快捷的軌道交通進行服務，軌道交通的站距更大，可以在3～8 km 區(qū)間靈活選擇；另一方面，規(guī)模不高的向心通勤出行需要考慮國家鐵路以及城際軌道所承擔的作用，以減少建設投資。

4.3軌道交通線網功能分級與技術特性

為滿足不同圈層居民通勤出行時間目標，提升網絡運輸效率，同時實現軌道網絡的覆蓋水平，結合本文關于軌道線網體系構成、旅行速度和站距設置的研究，建議我國大都市區(qū)軌道交通線網分為區(qū)域鐵路、市郊軌道和城市中心區(qū)軌道3個主層級：1)區(qū)域鐵路主要服務于都市區(qū)對外客流聯系需求，按服務范圍又可以分為國家鐵路和城際軌道兩個子層級，其中城際軌道兼有服務于郊區(qū)與城市中心區(qū)聯系的功能；2)市郊軌道服務于大都市區(qū)近、郊區(qū)居民通勤出行；3)城市中心區(qū)軌道主要服務于城市中心區(qū)內部各類出行，以及區(qū)域鐵路和市郊軌道的客流分流，根據服務范圍和運輸效率需求，分為軌道快線和軌道普線兩個子層級。軌道線網層次體系與服務范圍具體如圖7所示，技術特性如表5所示。

圖7　都市區(qū)軌道交通線網功能層次與主體服務圈層

分類中心城軌道軌道快線軌道普線市郊軌道區(qū)域鐵路城際鐵路國家鐵路服務半徑/km20左右20以下20～10050～300大于200車站間距/km1.5～20.8～1.21.5～5(結合市郊軌道具體模式確定)10～2050旅行速度/(km/h)35～4025～3545～60160～250120～350最高速度/(km/h)80～10070～80120～160250350

5　結語

伴隨著我國城市化快速發(fā)展，大都市區(qū)已成為我國城市化進程中的重要現象。在新的城市空間形式下，軌道交通系統作為其基本功能要素之一,從線網布局規(guī)劃到運營管理都面臨新的要求。筆者借鑒了國內外大都市區(qū)相關經驗，在分析大都市區(qū)居民通勤出行時耗分布規(guī)律的基礎上，基于軌道交通服務時間目標確定軌道交通旅行速度要求和站距設置要求，綜合考慮大都市區(qū)圈層差別化的軌道交通覆蓋要求，提出了大都市區(qū)軌道交通線網基本構成、服務層次、功能分級和技術特性，可為我國大都市區(qū)軌道交通線網布局規(guī)劃提供參考。

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(編輯：郝京紅)Research on the Hierarchical Division of Rail Transit Network in Metropolitan Area Based on Time Goal

Yang Ming1Guo Xiucheng1Ling Xiaojing2Bi Xiaoying2

(1. School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210000; 2. Nanjing Institute of City &Transport Planning Co., Ltd., Nanjing 210008)

In order to guide the rail transit network planning of metropolitan area (MA), we firstly summarized the components, functional levels and technical characteristics of rail transit network systems in mature foreign metropolitan areas. Then, we studied the characteristics of commuting trip duration of the residents and ascertain the time goals of the rail transit service at different zones. The maximum commuting time for residents living in the center of the city is 30 minutes, that for residents travelling from the fringe area to the center is 45 minutes, and that for residents travelling from the countryside to the center is 60 minutes. Finally, taking the time goal as the control factor, we proposed the functional classification of the rail transit network system. Regional railway is serving commuting flow travelling between the center of the city and suburban areas. Suburban railway is serving commuting needs of residents living in the fringe area and countryside. Urban railway is serving commuting flow within the city center.

metropolitan area (MA); rail transit; hierarchical division; time goal

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.019

2014-03-19

2014-06-24

楊明，男，博士研究生，從事軌道交通線網規(guī)劃研究，yangming1977@qq.com

國家自然科學基金資助項目(51408314)

U239.5

A

1672-6073(2015)01-0082-05