基于时间目标的大都市区轨道交通功能分级研究

杨　明　过秀成　凌小静　毕晓萤

(1. 东南大学交通学院　南京　210000；2. 南京市城市与交通规划设计研究院有限责任公司　南京　210008)



基于时间目标的大都市区轨道交通功能分级研究

杨明1过秀成1凌小静2毕晓萤2

(1. 东南大学交通学院南京210000；2. 南京市城市与交通规划设计研究院有限责任公司南京210008)

为指导大都市区轨道交通线网布局规划，在总结国外成熟大都市区轨道线网体系基本构成、功能层次和技术特性的基础上，通过分析大都市区居民通勤出行时耗特征，明确各空间圈轨道交通服务时间目标，即城市中心区30 min以内，城市外围区45 min以内，郊区1 h以内。以此为主要控制要素确定轨道交通线网功能分级：区域铁路主要服务于都市区对外客流联系需求；市郊轨道服务于大都市区近、郊区居民通勤出行；城市中心区轨道主要服务于城市中心区内部各类出行。

大都市区； 轨道交通；功能分级； 时间目标

1　大都市区的概念及特征

大都市区是指一个大的城市核心区域以及与其有着密切社会经济联系的具有一体化倾向的邻接地域的组合，它是国际上进行城市统计和研究的基本地域单元，是城市化发展到较高阶段时产生的城市空间组织形式[1]。大都市区作为一种功能地域范围，主要由城市中心区和周边与之密切联系的次级功能组团或城镇的外围地域共同组成。按照接受城市中心辐射影响力的强弱，大都市区地域空间结构可以划分为城市中心区、城市外围区和郊区3个层次。城市中心区(半径为15～20 km)是城市化程度最高、功能最集中、人口密度最高的区域;由城市中心区向外，分布有城市外围区(半径为30～40 km)和郊区(半径为50～60 km)，人口与就业岗位密度由内向外逐步衰减[2](见图1)。大都市区这种城镇群体空间的形成一般要求借助区域或城市完善的交通运输体系作为支撑，尤其是以大容量快速轨道交通系统为骨干的综合交通体系。轨道交通作为一种集约化的公共运输方式，在能源、环境等问题日益突出的情况下，运输优势将愈加明显。

图1　典型大都市区空间圈层结构

当前阶段国家提出加快推进新型城镇化建设，一方面加快促进了大都市区的发展进程，另一方面注重提升大都市区的发展内涵，更加强了集约、智能和低碳的城市发展模式。同时，轨道交通作为高效集约的城市客运载体，应该在新型城镇化背景下发挥重要的引导作用。目前我国区域城市轨道交通也进入了快速建设时期，但受相关规范和标准的制约，以及对城市地域范围认知的局限性，既有轨道交通规划研究主要局限于传统的城市行政地域范围，轨道线网规划重在对单层次的城市轨道线网的布局研究。而大都市区往往突破了传统城市行政地域范围，具有空间范围广、结构分层、形成广域通勤交通圈的典型特征，除传统地铁线网之外，高速铁路、城际轨道和市郊轨道等服务于中长距离出行的轨道交通模式均在大都市区各空间层次中发挥重要的客运作用。因此，针对大都市区圈层式、差别化的交通需求特征，明确轨道交通线网构成与功能分级，构建层级明晰、衔接合理的轨道交通线网，对于构建一体化轨道交通线网，充分发挥轨道交通的运输效能，促进大都市区交通运输体系的可持续发展具有重要意义。

表1　国外大都市区空间层次及相应轨道线网层次

表2　国内轨道交通线网体系构成与功能层次

2　成熟大都市区轨道交通线网分级发展经验

2.1国外大都市区轨道交通线网体系构成与分级

国外成熟大都市区的轨道交通经过上百年发展，基本形成了体系完善、层次明晰的轨道交通线网体系。表1同时列举了东京和巴黎、伦敦、莫斯科等国外最具代表性的城市不同空间层次对应的轨道交通线网体系和层次[3-4]。

从表1可以看出，国外成熟大都市区虽然在城市规模、空间结构以及轨道名称定义上略有差异，但轨道交通线网的体系构成和功能层次在本质上基本一致。大都市区轨道交通系统主要由区域铁路、市郊轨道以及城市中心区轨道三大系统构成。城市中心区轨道(地铁、轻轨等)通常为高度城市化的城市中心区提供服务，服务半径集中在15～20 km，平均线路长度不超过40 km，特点为轨道运量大、站点覆盖率高、站距短，旅行速度相对较慢，最高速度为80 km/h；市郊轨道服务于近、远郊区与城市中心区的通勤出行，主要服务半径为50～60 km，其轨道站距较城市中心区轨道站距大、旅行速度较快，最 高 运 行 速度为120～160 km/h；区域铁路(高速铁路、城际轨道)是服务于国土层面或者城际之间的交通联系，结合大都市区用地布局，部分区域铁路兼有服务于大都市区各圈层之间中长距离通勤的联系功能，尤其是郊区与城市中心区之间的联系。

2.2国内轨道交通线网构成与技术特性

国内城市化以及轨道交通建设起步较晚，围绕几个特大城市的都市区空间正在逐步成长，轨道交通线网规划范围也相应扩大，在吸取国际大都市区规划成功经验的基础上初步形成了较为完备的轨道交通线网体系。国内城市轨道交通线网体系主要以城市中心区轨道(地铁、轻轨)为主，部分大城市(如北京、上海和武汉等)建设了少量市郊轨道，具体情况如表2所示。

2.3国内外轨道交通线网体系构成与技术特性比较

由于不同国家和地区对于轨道交通线网层次与功能特性各不相同，为了便于吸收和借鉴国外的先进经验，分别与国内不同层次轨道交通系统进行一一对应，对应关系与功能特性如表3所示。

表3　国内、外轨道交通线网体系对应关系与功能特性

注：○表示有对应关系,—表示没有。

就发展阶段来说，目前我国尚未形成较为成熟的大都市区，城市居民的日常出行仍然集中于城市中心区内部，外围郊区向心通勤出行需求不强，因此许多城市轨道线网规划中对市郊轨道这一层面不够重视。对于成熟的大都市区来说，发达的市郊轨道在大都市区客运交通中承担着非常重要的角色，联系着城市中心区与广阔的外围郊区，具有较高的通勤客流规模。随着国内城市大都市区化的不断推进，城市空间也在不断向外围拓展，外围居民向心通勤出行比例逐步增加，市郊轨道的建设需求将越来越强烈。另外，国外城市轨道交通根据线路运行效率需求，通过调整站距，将城市中心区轨道细化为轨道快线和轨道普线，目前国内城市如深圳、南京等在规划层面已经有所考虑，在规划线网层次中分别配置了快线和加密线，但在国内已建地铁线路中还没有真正的快线和普线之分。

3　大都市区居民通勤出行时耗分析

3.1全区平均通勤出行时耗分析

城市居民的人均日出行时耗具有一定的稳定性，在城市发展早期随着城市规模的扩大，出行时耗相应增加，城市化后期出行时耗趋于稳定[5-6]。理论上，就业者居住地距离城市中心区越远,通勤时耗越长，但就业人口至就业中心的就业比例也会随距离增加而降低，超过接受的通勤出行时间后，居民就会放弃长距离通勤出行。因此，在两方面因素的共同作用下，大都市区各圈层通勤出行时间一般呈现先上升后下降的规律，如图2所示。

图2　东京、名古屋和大阪分圈层平均通勤时间分布

与国外大都市区相比，目前我国城市人口主要集中在城市中心区范围，居民出行时耗约为30 min，具体情况如表4所示。未来随着城市规模的继续拓展，居民出行时耗还将上升。由此可见，人口密集的城市中心区居民平均出行时耗为30～35 min。

表4　我国各城市居民出行平均时耗调查[7-16]

3.2向心通勤出行时耗分析

大都市区向心通勤出行时耗特征一方面反映了城市尺度和居民出行的关系，另一方面也反映出居民通勤出行可忍受的最长时间。以日本东京为例[17]，2005年东京大都市区各圈层每天到达核心区(5～6 km圈层)的平均通勤出行时耗约68.7 min。其中，城市中心区范围内向心通勤出行时耗约30 min；城市外围区(20～40 km 圈层)到达城市中心区的出行时耗为30～45 min；郊区到达城市中心区的出行时耗为45～60 min。东京大都市区向心通勤出行时耗分布如图3所示。

图3　东京大都市区向心通勤出行时耗分布

成熟大都市区各圈层通勤出行时耗分布特征表现为：整体大都市区居民平均通勤出行时耗约45min，外围郊区汇入城市中心区的向心通勤出行时耗不超过 1 h；城市中心区内部居民30 min即可达核心区内就业岗位；城市外围区居民平均30～45 min即可达到城市中心区就业岗位；郊区向心通勤出行时耗不超过1 h，这也是城市居民通勤出行时耗的最大可接受值。

4　基于时间目标的轨道交通线网功能分级

结合国内外城市关于居民通勤出行时耗的分布特征分析，可以初步设定基于轨道交通的大都市区各圈层轨道交通服务需要达到的基本目标：城市中心区范围内居民向心通勤出行(到达5 km圈层的核心区)时间不超过30 min、城市外围区居民向心通勤出行时间不超过45 min、郊区居民向心通勤出行时间不超过1 h。

4.1各圈层轨道交通旅行速度要求

根据典型大都市区圈层结构分析，大都市区空间圈层一般分为城市中心区、城市外围区和郊区，其中城市中心区圈层尺度半径为15～20 km、城市外围区圈层尺度半径为30～40 km、郊区圈层尺度半径为50～60 km，如图4所示；城市中心区边缘至核心区(就业岗位密集区)距离为10～15 km，郊区边缘至核心区距离为25～35 km，郊区距离核心区为45～55 km。

图4　大都市区各空间圈层尺度

结合大都市区圈层尺度和轨道服务时间目标，可以初步确定轨道交通旅行速度需要达到的基本水平是：城市中心区轨道交通服务时间目标不超过30 min，考虑两端平均接驳出行时间约10 min，轨道交通的旅行速度需要达到30～45 km/h；城市外围区轨道交通服务时间目标不超过45 min，考虑两端平均接驳出行时间约15 min，轨道交通的旅行速度需要达到50～70 km/h；郊区轨道交通服务时间目标不超过60 min，考虑两端平均接驳出行时间约15 min，轨道交通的旅行速度需要达到60～75 km/h。

4.2各圈层轨道交通站间距设置要求

在轨道交通基础设施条件和列车形式确定的情况下，旅行速度大小主要受站点间距影响。站间距越大，轨道旅行速度越快。假定列车运行距离为L，列车运行总时间包括列车正常运行时间T车、列车在n个区间内的加减速时间T变速和列车在中间车站的停车时间T停，具体如图5所示，d为轨道交通的站间距。

图5　列车运行全过程构成

假设列车进站减速和出站的加速度均为a，ta为列车进站减速和出站加速的时间之和，sa为列车进站减速和出站加速路段对应的行驶距离之和，最高运行速度为v车，在站停车时间为t，列车经过n个区间进行一次运行的出行总时间(旅行时间)为

T旅=T车+T停+T变速=n(d-sa)/v车+(n-1)t+nta=

(1)

则旅行速度可以表示为

(2)

参考国内城市轨道交通车辆数据[18]，列车在站停靠时间及加速度分别取t=45 s，a=1.0 m/s2，列车的最高运行速度v车分别取80，120和160 km/h进行计算，得到旅行速度如图6所示。

图6　平均站距与旅行速度相关关系分析计算

从图6可以看出，轨道平均站距与旅行速度密切相关，在站距设置较密(0.5～1.5 km)的情况下，最高速度对旅行速度的影响不大；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显。为达到不同空间圈层轨道交通旅行速度的要求，可以采用灵活调整轨道交通站间距的方式来实现。一般来说，城市中心区轨道站点密集，选用列车最高速度为80 km/h；而市郊轨道一般选用列车最高速度为120 km/h 或160 km/h。因此，根据前文目标旅行速度的分析，可以初步确定各空间圈层轨道站间距设置要求。

城市中心区是大都市区城市化最为密集的地区，功能高度集聚，因此轨道服务强调高覆盖率、高可达性，建议轨道平均站距为0.8～1.2 km。城市外围区是与城市中心区通勤联系最为紧密的区域，为保障城市外围区居民快速进入城市中心区，轨道的运行速度相对城市中心区要求更高。城市外围区的轨道交通服务一般由两种模式承担：

1) 城市中心区轨道向外延伸(城市中心区轨道快线)，在这种情况下为了保证城市外围区轨道交通出行服务目标，需要将城市中心区轨道交通平均站距增加，或者在原有线路上设置越行线，这类线路的轨道交通站距一般为1.5～2 km。

2) 向外辐射的市郊轨道，同时服务于近、郊区的市郊轨道，在这种模式下为了保证郊区的向心通勤时间目标，在城市外围区的站距也不宜过小，一般在2～5 km 灵活选择。

郊区用地组团一般围绕中长距离轨道交通站点高强度开发，呈珠状串联，形成独立的外围组团结构。因此，相对城市外围区而言，更长距离的通勤出行需要更为快捷的轨道交通进行服务，轨道交通的站距更大，可以在3～8 km 区间灵活选择；另一方面，规模不高的向心通勤出行需要考虑国家铁路以及城际轨道所承担的作用，以减少建设投资。

4.3轨道交通线网功能分级与技术特性

为满足不同圈层居民通勤出行时间目标，提升网络运输效率，同时实现轨道网络的覆盖水平，结合本文关于轨道线网体系构成、旅行速度和站距设置的研究，建议我国大都市区轨道交通线网分为区域铁路、市郊轨道和城市中心区轨道3个主层级：1)区域铁路主要服务于都市区对外客流联系需求，按服务范围又可以分为国家铁路和城际轨道两个子层级，其中城际轨道兼有服务于郊区与城市中心区联系的功能；2)市郊轨道服务于大都市区近、郊区居民通勤出行；3)城市中心区轨道主要服务于城市中心区内部各类出行，以及区域铁路和市郊轨道的客流分流，根据服务范围和运输效率需求，分为轨道快线和轨道普线两个子层级。轨道线网层次体系与服务范围具体如图7所示，技术特性如表5所示。

图7　都市区轨道交通线网功能层次与主体服务圈层

分类中心城轨道轨道快线轨道普线市郊轨道区域铁路城际铁路国家铁路服务半径/km20左右20以下20～10050～300大于200车站间距/km1.5～20.8～1.21.5～5(结合市郊轨道具体模式确定)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　结语

伴随着我国城市化快速发展，大都市区已成为我国城市化进程中的重要现象。在新的城市空间形式下，轨道交通系统作为其基本功能要素之一,从线网布局规划到运营管理都面临新的要求。笔者借鉴了国内外大都市区相关经验，在分析大都市区居民通勤出行时耗分布规律的基础上，基于轨道交通服务时间目标确定轨道交通旅行速度要求和站距设置要求，综合考虑大都市区圈层差别化的轨道交通覆盖要求，提出了大都市区轨道交通线网基本构成、服务层次、功能分级和技术特性，可为我国大都市区轨道交通线网布局规划提供参考。

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(编辑：郝京红)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

杨明，男，博士研究生，从事轨道交通线网规划研究，yangming1977@qq.com

国家自然科学基金资助项目(51408314)

U239.5

A

1672-6073(2015)01-0082-05