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城市群高速鐵路線網規(guī)劃評價指標體系研究

2019-03-22 06:54:08夏宇譚衢霖李然蔡小培
中國鐵路 2019年2期
關鍵詞:鐵路線線網高速鐵路

夏宇,譚衢霖,2,李然,蔡小培

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院,北京 100044;2.北京交通大學 線路工程空間信息技術研究所,北京 100044)

隨著經濟全球化的發(fā)展,城市群已成為城鎮(zhèn)發(fā)展的主流趨勢。大力發(fā)展城市群高速鐵路是解決交通問題的重要途徑,也是城市群一體化進程的必然結果。因此,建立一套合理的評價指標體系,對城市群高速鐵路線網規(guī)劃進行評價和指導具有重要意義。

1 評價指標選取原則

目前,我國對城市群鐵路線網規(guī)劃的評價指標有數十種,但一些指標比較片面或存在重疊問題,選取不同的指標會得出不同的評價結果。因此,為使評價結果盡可能客觀全面,選擇科學合理的鐵路線網評價指標十分重要。具體評價指標選擇原則如下:

(1)系統(tǒng)性和全面性原則。城市群高速鐵路線網規(guī)劃評價是一個多指標、多層次的復雜決策問題,應從線網結構合理性、運營效果、工程建設實施性及適應與引導城市群發(fā)展等角度選取指標,系統(tǒng)全面地反映線網規(guī)劃的內在本質。

(2)可比性原則。城市群高速鐵路線網規(guī)劃評價指標體系不但要適用同一城市群不同方案的比較,還要適用不同城市群不同方案的比較。

(3)與規(guī)劃目標一致性原則。城市群高速鐵路線網規(guī)劃目標是線網規(guī)劃評價的行動指南,選取的評價指標應力求與線網規(guī)劃目標一致。

(4)非相容性原則。在滿足全面性與系統(tǒng)性原則的同時,各指標間也應滿足獨立性,即非相容性。重疊的指標不僅會增加操作難度,也會引起權重累積,造成偏差,最終影響評價結果。

(5)針對性原則。由于我國地域廣、人口多、城市群發(fā)展程度不同,造成城市群發(fā)展形態(tài)存在差異,城市群發(fā)展各具特點。因此,指標選取宜適應城市群發(fā)展的特點,針對城市群發(fā)展情況和已有路網特點,綜合考慮城市群發(fā)展形態(tài)差異,在保持整體框架一致的前提下做出局部范圍內適應性調整,以體現針對性原則。

2 評價指標選取方法

圖1 目標層次分析法結構圖

由于城市群高速鐵路線網規(guī)劃評價系統(tǒng)結構復雜、涉及面廣、評價指標多,因此評價指標的選取既要考慮全面性也要考慮獨立性原則。目前常用方法有德爾菲法(Delphi)、因果法、目標層次分析法和復合法。其中,目標層次分析法是系統(tǒng)性分析方法,不割斷各因素對結果的影響,適用于對無結構特性的系統(tǒng)以及多目標、多準則、多時期等系統(tǒng)進行評價;把定性方法與定量方法有機結合,對復雜系統(tǒng)進行分解,將思維過程數學化、系統(tǒng)化,能把多目標、多準則且又難以全部量化處理的決策問題化為多層次單目標問題;層次分明,指標圍繞目標并具有擴充性。目標層次分析法首先確定目標層,進而向下展開為準則層,隨后為指標層,最后為方案層(見圖1)。

3 評價指標體系

在城市群高速鐵路線網規(guī)劃評價過程中,所有步驟都是圍繞規(guī)劃目標展開,因此,首先需要明確規(guī)劃目標。線網規(guī)劃目標一般包括布局合理性、功能完善性、覆蓋程度、層次分明度、高效便捷、內外連通性、經濟性,以提高運輸能力,減少運營成本,增加運輸利潤,降低工程項目實施難度,帶動城市群發(fā)展。將該目標分解為不同的組成因素,根據指標選取原則確定指標選取內容,采用目標層次分析法按照各組成因素間的相互關聯影響以及隸屬關系,將組成因素按不同層次聚集組合,形成一個多層次的分析結構模型,建立評價體系架構,從而將問題歸結為方案層相對于目標層的相對重要權值的確定或相對優(yōu)劣次序的排定。以此為目標建立準則層:線網結構合理、運營效果好、工程建設實施性強和適應與引導城市群發(fā)展。線網結構合理性選取區(qū)域主要包括城市覆蓋率、線網節(jié)點連通度、線網面積覆蓋率、線網綜合密度、換乘節(jié)點數以及路網銜接性6個指標;運營效果方面選取線網負荷強度和客流斷面不均勻系數2個指標;工程建設實施性選取線網平均造價和分期建設計劃的合理性2個指標;適應與引導城市群發(fā)展選取與區(qū)域、城鎮(zhèn)經濟發(fā)展規(guī)劃的協調性,與城市群其他交通規(guī)劃網的協調性以及與城市群區(qū)域環(huán)境和風貌的協調性3個指標。

各類指標可分為定量指標和定性指標。對于定量指標,基于地理信息系統(tǒng)(GIS)建立城市群高速鐵路線網地理空間數據集,通過矢量提取、緩沖區(qū)分析、疊加分析、空間量算、統(tǒng)計分析等功能對其進行計算;對于定性指標,由專家評分確定。城市群高速鐵路線網規(guī)劃評價指標體系見表1。

表1 城市群高速鐵路線網規(guī)劃評價指標體系

4 評價指標分析

4.1 線網結構合理性

4.1.1 區(qū)域主要城市覆蓋率

城市群鐵路線網對城市群節(jié)點的覆蓋率越高,吸引客流的范圍就越廣,線網帶來的效益便更為顯著。因此,選定一個可以反映高速鐵路線網規(guī)劃與城市群城市位置匹配程度的指標至關重要,這個指標便是主要城市覆蓋率,用于反映高速鐵路線網規(guī)劃與城市發(fā)展布局的協調程度。該指標的定義為:高速鐵路線網規(guī)劃覆蓋主要城市換算個數與城市群區(qū)域內主要城市換算個數的百分比。該指標為定量指標且是效益型指標,其值越大表明線網對節(jié)點的適配性越強,計算公式為:

式中:η為區(qū)域主要城市覆蓋率;N為城市群區(qū)域內主要城市換算個數;n為高速鐵路線網規(guī)劃覆蓋主要城市換算個數。

式(1)中使用的是城市換算個數而非城市數,由于在城市群中每個城市的等級不同,城市節(jié)點為高速鐵路線網帶來的效益也不一樣,因此需要對城市群內的城市按照重要程度分類,計算城市節(jié)點加權當量值,計算公式為[1]:

式中:Zi為第i個城市節(jié)點加權當量值;kij為第i個城市節(jié)點的第j個指標值;為第j個指標值的平均值;aj為第j個指標的權重;n為指標數量。

城市節(jié)點加權當量值可以在GIS中獲得:首先,建立線網規(guī)劃與城市節(jié)點矢量地理數據庫;其次,在圖層屬性表中使用字段計算器功能算出加權當量值;最后,通過圖層屬性表中的統(tǒng)計、匯總功能得出結果。

4.1.2 線網節(jié)點連通度

城市群高速鐵路線網結構布局越合理,其運營成本越低,獲得的收益越高。評價城市群高速鐵路線網結構布局是否合理,反映高速鐵路直達水平的評價指標是線網節(jié)點連通度[2]?;诤唵螏缀螛嬓偷木€網節(jié)點連通度C1是線網節(jié)點間路線數n1與線網節(jié)點數n2之比,公式為:

基于復雜網絡拓撲結構的線網節(jié)點連通度C2公式為:

式中:L為線網規(guī)劃線路總長度,km;ξ為線網規(guī)劃非直線系數,線網規(guī)劃節(jié)點間線路長度與直線距離的比值,取1.1~1.3;L/ξ為以直線形式連接規(guī)劃網絡時直線的總長度,km;A為城市群區(qū)域面積,km2;N為城市群節(jié)點數量。

將線網節(jié)點連通度用于評判城市群高速鐵路線網結構布局是否合理存在局限性,因為未考慮節(jié)點城市的重要程度。例如,某線網規(guī)劃方案示意見圖2,由圖2可知,方案A與方案B具有相同的線網結構,通過式(3)和式(4)計算出的連通度結果一致。說明二者線網結構布局的合理程度一樣。但如果節(jié)點1為特大城市,6為中等城市,顯然方案A比方案B更為合理。

圖2 某線網規(guī)劃方案示意圖

因此,線網節(jié)點連通度應該考慮城市的重要程度,提出以下計算方法:

式中:Ci為第i個城市節(jié)點的連通度;Zi為第i個城市節(jié)點加權當量值;Cij為第i個城市節(jié)點到第j個城市節(jié)點的連通度。

城市群高速鐵路線網節(jié)點連通度是線網中所有節(jié)點連通度的平均值,即:

線網節(jié)點連通度為效益型指標,當C為1.00時,節(jié)點間為兩路相通,連通性很差;C為2.00時,節(jié)點間為四路相通,連通性較好;C為3.00時,節(jié)點間為六路相通,連通性良好;C為3.22時,連通度達到理想狀態(tài),此時路網布局表示為三角形網狀,節(jié)點間多為六路連通。

線網節(jié)點連通度可在GIS中獲得:首先,建立高速鐵路線網規(guī)劃與城市節(jié)點矢量地理數據庫;其次,在圖層屬性表中添加并編輯加權當量值;最后,通過圖層屬性表中的字段計算器功能編碼相應的計算公式并得出結果。

4.1.3 線網面積覆蓋率

線網面積覆蓋率為城市群高速鐵路線網服務面積與城市群區(qū)域面積之比,可以表示線網對客流的吸引能力,也在某種程度上反映高速鐵路交通的可達性。該指標是定量指標也是效益型指標,其值越大代表吸引客流的能力越大,可達性越好。該指標定義為線路沿線每側750 m范圍的服務面積與城市群區(qū)域面積之比,計算公式如下:

式中:F為線網面積覆蓋率;S為城市群高速鐵路線網服務面積,km2;A為城市群區(qū)域面積,km2。

線網面積覆蓋率可在GIS中獲得,城市群區(qū)域面積通過建立相應的矢量地理數據庫,查詢相應的面積屬性值獲得。城市群高速鐵路線網服務面積:首先,建立線網規(guī)劃圖層;其次,使用緩沖區(qū)分析技術獲取雙側750 m緩沖區(qū);最后,通過查詢線網規(guī)劃緩沖區(qū)的矢量地理數據庫的圖層屬性表獲得。

4.1.4 線網綜合密度

高速鐵路線網密度是表征城市群城市受高速鐵路交通影響的一項客觀定量指標,其值越大體現城市群的高速鐵路建設規(guī)模越大,高速鐵路線網的服務能力和總容量越大,出行者乘坐鐵路出行越方便[3]。根據分擔對象不同,線網密度分為線網面積密度ρ1、線網人口密度ρ2、線網經濟密度ρ3,相應公式如下:

式中:A為城市群區(qū)域總面積,km2;P為城市群內人口總量,萬人;G為城市群生產總值(GDP),億元。

上述3個指標僅能從某種角度反映高速鐵路線網狀況,其值分別受到城市群區(qū)域總面積、城市群人口總量、城市群生產總值影響,因此將面積、人口、經濟綜合考慮到線網密度中,線網綜合密度指標可表示為:

根據建立的城市群矢量數據庫,可以在GIS中查詢到各項指標的具體數值,按照式(11)計算即可得到線網綜合密度指標值。

4.1.5 換乘節(jié)點數

換乘節(jié)點數為軌道交通網絡交叉點的數量,用來反映靜態(tài)軌道交通網絡提供換乘的靈活性[4]。該指標為定量指標且是效益型指標,其值越大越表明換乘靈活性越高。

在GIS中建立換乘節(jié)點要素地理數據集,根據高速鐵路線網規(guī)劃方案將換乘節(jié)點數字化,通過圖層屬性表獲得各方案的換乘節(jié)點數。

4.1.6 路網銜接性

路網銜接性表現為多種交通方式(高速鐵路、普速鐵路、城市軌道交通)之間的銜接換乘對城市群發(fā)展的綜合效應[5]。在設計方案中,路網銜接性的好壞直接決定旅客出行是否方便。路網銜接性好的方案對于高速鐵路的良好運轉尤為重要。高速鐵路路網銜接性包含高速鐵路與普速鐵路、高速鐵路與城市軌道交通之間的銜接方法、換乘方式、運營模式。

4.2 運營效果

4.2.1 線網負荷強度

線網負荷強度的定義為高速鐵路線網日客運量與線網總長之比[6],反映高速鐵路線網單位長度承擔的客流量,也在一定程度上反映高速鐵路的經濟效益,用來評價高速鐵路線網的運營效率和經濟性。該指標為定量指標,也是適中型指標。線網負荷強度低,通常是線網運量低,密度高,會提高旅客的舒適性和方便程度,服務水平高;反之,線網負荷強度高,通常是線網運量高,密度低,其服務水平相對較低,但提高了運輸效率,經濟效益較好。因此該指標反映線網運營效果的服務性與經濟性,計算方法如下:

式中:q為線網負荷強度,萬人次/(d·km);Q為高速鐵路日均客運量,萬人次/d。

國外城市群快速鐵路的線網負荷強度一般為2.5萬~4.0萬人次/(d·km),對于經濟比較發(fā)達的地區(qū),城市密集,人口密度較高時,建議線網負荷強度較國外略高,取3.0萬~ 4.0萬人次/(d·km)。該指標可以在GIS軟件中計算得出。

4.2.2 客流斷面不均勻系數

該指標為城市群高速鐵路線網各線路客流斷面最大值與平均值之比的平均值,用來反映城市群線網承擔客流的均衡程度,為定量成本型指標,評價城市群線網的客運效率和運營效率。該指標越小,說明線網所承擔的客流越均衡,其計算方法如下:

式中:P為線網客流斷面不均勻系數;Qi為第i條線路全日雙向最大斷面客流量;Ki為第i條線路全日雙向平均客流量;n為線網中線路條數。

在GIS中,將“最大斷面客流量”和“客流量的平均值”添加到線路圖層屬性表中,運用函數計算器按照式(13)計算出線網客流斷面不均勻系數。

4.3 工程建設實施性

4.3.1 線網平均造價

該指標是指修建每公里線路所需要的總費用。工程建設總費用包括設備費用與土建費用:設備費用是相關設備的購置費以及構成固定資產相關工具的購置費;土建費用是指材料與人工等費用,所占份額最大。線路條件不同會造成線路工程的投資費用不同,而且差額較大。例如,高架或地下線路工程費用比地面線路的工程費用高3~5倍。因此工程建設費用在一定程度上反映城市群高速鐵路線網建設實施的難易程度[7]。

由于城市群高速鐵路工程建設費用與線路的長度有關,為橫向對比不同線網規(guī)劃方案,需排除因線路長度造成的影響,因此使用線網平均造價指標。該指標是定量成本型指標,如果值較小說明線網方案可實施性強。計算公式為:

式中:W為線網平均造價;M為城市群高速鐵路線網規(guī)劃方案工程建設總費用。

4.3.2 分期建設計劃的合理性

城市群高速鐵路線網的建設涉及政策規(guī)劃、經濟條件、技術支撐、工程條件、城市規(guī)劃等多方面因素,是涉及因素繁多、工程量大、工期長的大型工程項目,因此規(guī)劃方案必須要分期、有序地實施,以適應客運量需求及城市發(fā)展需求[8]。首先,方案的漸序實施應將城市群的核心帶連通起來,滿足城市群經濟發(fā)展需求以及日益增長的客流量需求;其次,加強大城市的輻射力度,形成大城市帶動小城市,核心城市帶動周邊城市的發(fā)展形式,形成輻射狀經濟帶;最后,完善高速鐵路線網,提高高速鐵路網絡的整體經濟效益,修建補充輔助線路。分期建設計劃的合理性指標為定性指標,通常由相關專家依據經驗對線網規(guī)劃方案進行主觀評估。

4.4 適應與引導城市群發(fā)展

4.4.1 與區(qū)域城鎮(zhèn)、經濟發(fā)展規(guī)劃的協調性

城市群中若干大城市和特大城市在地域上集中分布,并且集聚形成大型城市集團作為大都市聯合體,具有多核心、多層次特性。城市群高速鐵路線網規(guī)劃應適應區(qū)域城鎮(zhèn)布局、經濟發(fā)展的需要,促進城市群中大城市與大城市、小城鎮(zhèn)與小城鎮(zhèn)的橫向經濟聯合,推動城市群經濟合作,提升城市群的整體實力[9]。該指標為定性指標。

4.4.2 與城市群其他交通規(guī)劃網的協調性

高速鐵路線網要與城市群內其他交通網相協調,與公路、水運、空運等交通網協調銜接。高速鐵路和城市群內其他交通方式都各自具備其特有的功能,多種交通方式之間的銜接換乘必將直接影響城市綜合運輸效率。因此應充分發(fā)揮各種運輸方式的技術優(yōu)勢和功能,協調發(fā)展,提高城市群綜合交通樞紐運營效率。該指標為定性指標。

4.4.3 與城市群區(qū)域環(huán)境和風貌的協調性

高速鐵路建設過程中,不可避免地對沿線地區(qū)造成一定程度的環(huán)境影響和生態(tài)破壞,合理協調好高速鐵路線網建設與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展之間的關系,成為影響城市群高速鐵路發(fā)展的重要因素。因此,城市群區(qū)域線網規(guī)劃建設時,應盡可能節(jié)約資源、保護環(huán)境、不破壞名勝古跡等敏感地區(qū)。該指標為定性指標。

5 結束語

隨著經濟全球化的發(fā)展,城市群已成為城鎮(zhèn)發(fā)展的主流趨勢,大力發(fā)展城市群高速鐵路是解決交通問題的重要途徑,也是城市群一體化進程的必然結果。不同發(fā)展階段、發(fā)展水平的城市群,高速鐵路線網產生的“改善交通、支持和引導城市群發(fā)展”作用側重點不同,線網規(guī)劃目標和原則也不同,相應評價指標體系也不同。結合城市群發(fā)展程度和高速鐵路線網規(guī)劃特性,建立基于GIS的城市群高速鐵路線網規(guī)劃評價指標體系,對城市群高速鐵路線網規(guī)劃進行評價和指導具有一定的借鑒意義。

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