京津冀协同发展背景下河北省铁路网布局优化

陈进杰,林士炎,金 龙,商 霖,朱宏扬,张天伟

(1.石家庄铁道大学交通运输学院,石家庄050043;2.河北省交通安全与控制重点实验室,石家庄050043; 3.河北建投交通投资有限责任公司,石家庄050051;4.国家铁路局装备技术中心,北京100844)



京津冀协同发展背景下河北省铁路网布局优化

陈进杰1,2,林士炎3,金 龙4,商 霖3,朱宏扬1,张天伟1,2

(1.石家庄铁道大学交通运输学院,石家庄050043;2.河北省交通安全与控制重点实验室,石家庄050043; 3.河北建投交通投资有限责任公司,石家庄050051;4.国家铁路局装备技术中心,北京100844)

摘 要:在京津冀协同发展背景下,对河北省铁路网布局进行优化.首先在对影响铁路网布局的京津冀协同发展,过境运输需求等因素分析的基础上,结合既有铁路网情况,形成布局初步方案.其次将研究对象划分成20个交通小区后,对交通生成和交通分布进行预测,得出2020年和2025年20个交通小区之间的客运量和货运量,再经过多次流量分配后得到布局优化方案.最后利用路网密度指标对河北省铁路网布局优化方案进行了评价,结果表明,该方案具有一定的合理性,能够满足未来河北省的经济发展要求.

关键词:铁路网规划;布局优化;京津冀协同发展;四阶段法

京津冀协同发展是一个重大国家战略,其目的是疏解北京非首都功能,通过构建现代化交通网络系统,推进产业升级转移,推动公共服务共建共享等,最终形成京津冀协同发展的新格局.能否利用好这一千载难逢的发展机遇,对于河北经济社会发展极为重要.在协同发展中,“建设高效密集轨道交通网”是京津冀交通一体化的重点任务.轨道交通不仅是协同发展的骨骼系统,也是优化和引导城镇空间布局的重要基础,更是疏解非首都核心功能的基本前提.建设高效密集轨道交通网,对协同发展具有必要性、基础性、保障性和前瞻性,对推动协同发展意义重大,必须优先实施.考虑到轨道交通具有投资巨大、一旦建成很难更改的特点,故轨道交通网规划应该科学、合理,否则不但造成投资浪费,还会错过最佳发展时期,带来无法弥补的损失.

由于铁路在国防、政治、经济发展中具有十分重要的地位,故铁路规划一般都是由政府制定,目前对铁路规划理论方面的研究较少.林柏梁等对路网规划从定量层面构建了优化模型,但是部分参数难以获取,在实际使用时难以实施[1],张天伟等根据铁路具有企业性和公益性的特点,采用定性与定量相结合的方式,使用图示法对铁路网进行了规划,但其算例过于简单[2].周荣征构建了包含铁路网建设投资决策及网络配流问题于一体的优化模型,并探讨求解算法[3].严贺祥考虑铁路五年一规划的滚动机制,构建了兼顾客运专线建设的多阶段铁路货运通道网布局优化模型[4].但文献[3]和文献[4]的重点在配流方法的研究上,而对于布局方案如何产生却很少涉及.本文作者在对影响河北省铁路网布局的京津冀协同发展、过境运输需求等因素进行分析的基础上,结合既有铁路网形成布局初步方案,并根据运输需求预测结果,通过流量分配进行了布局方案优化.研究成果可以为相关部门进行铁路网规划提供借鉴.

1 河北省铁路网布局初步方案形成

进行河北省铁路布局时,首先对影响因素进行分析,然后给出布局思路及布局结果.

1.1 铁路网布局影响因素分析

在京津冀协同发展背景下影响河北省铁路网布局的因素主要有两点,一是京津冀协同发展,二是过境运输需求.

1)京津冀协同发展对河北省铁路网布局影响.

目前京津冀协同发展领导小组已经确定协同发展将以“一核、双城、三轴、四区、多节点”为空间布局.该空间布局分别从点、线和面的层面对京津冀区域进行了划分,其中“一核、双城、多节点”从点的层面概括了区域内京津以及河北省11个设区市;“三轴”从线的层面指出了需要重点发展的产业带和聚集轴,“四区”从面的层面对京津冀区域进行了功能划分,每个区域都有各自明确的定位.

进行河北省铁路网布局时,应选取“一核、双城、三轴、多节点”为依据进行规划.因为“三轴”给出了京津冀协同发展的轴心,且三条轴均相交于北京,而其中之一就是京津,可见,“三轴”更是对“一核、双城”的进一步落实,对“三轴”未能提及和覆盖的其他城市,采用“多节点”进行补充,故“一核、双城、三轴,多节点”可以从点和线实现京津冀区域全覆盖.

2)过境运输需求对河北省铁路网布局影响.

由于地处西部陆地和东部海洋之间的连接地带,故河北省进行铁路网布局时不仅需要考虑区域内运输需求,还需要考虑过境运输需求,尤其是“三西”煤炭与东部港口之间的运输需求.

在具体进行铁路网布局时,根据煤炭产生地、港口所处位置选择合适的线路连接,进行铁路网布局,以便满足过境运输的需求.

1.2 布局过程及布局结果

截止2015年年底,河北省境内铁路营业里程已达7 166 km[5],主要有高速铁路(京沪高铁、石太高铁、京广高铁、津秦高铁)、国家客货干线铁路(京广铁路、京沪铁路、京九铁路、京哈铁路、石太铁路、石德铁路、邯济铁路、张唐铁路等)、煤运通道(大秦铁路、朔黄铁路等)、港口集疏运铁路(迁曹铁路)、地方铁路及专用铁路等组成.

对河北省铁路网进行布局时,在现有铁路网基础上进行,根据京津冀协同发展及过境运输要求,增加相应规划线路.本文将增加的规划线路分为4种类型,分别是高速铁路、客货铁路、货运铁路和城际铁路.

在现有铁路基础上,规划高速铁路为:京原高速铁路、京九高速铁路,即建设与既有铁路平行的高速铁路.规划客货铁路为:张承铁路、承秦铁路、承唐铁路,增加冀北的铁路网密度,加强张、承、唐、秦四市联系,同时为晋煤东运出海提供新通道;规划张保沧铁路,加强三市之间的客运联系,打通张家口、保定与沧州之间的铁路货运通道;规划保大铁路,加强保定同山西大新之间的客货联系,打通保定至天津的客货通道.规划货运铁路为:邢和铁路和港口铁路,邢和铁路与邯黄铁路形成煤运大通道;港口铁路加强港口之间的功能互补作用,带动沿海经济发展.规划城际铁路为:京保城际,京唐城际,完善环京一小时交通圈;规划保石城际,石邢邯城际,石沧城际,邢衡城际,沧衡城际,形成环石一小时交通圈,并加强石家庄周围各市的交通联系;规划津沧城际、唐秦城际,完善沿海一小时交通圈.具体铁路网布局初步方案见图1.

由图1可知,布局初步方案充分考虑了京津冀协同发展中“一核、双城、三轴、多节点”的空间布局和过境运输的需求.但该方案由于未考虑具体客运量和货运量,存在优化空间.

2 河北省铁路运输需求预测

四阶段法是目前进行需求预测的经典方法、在实际工程项目中获得了极其广泛的应用,其主要内容是第一阶段为交通生成、发生于吸引,第二阶段为交通分布,第三阶段为交通方式划分,第四阶段为交通流量分配[6].本文亦采用该方法对运输需求进行预测.首先进行交通小区划分,然后对交通生成及交通分布进行预测.

2.1 交通小区划分

交通小区划分是运输需求预测的首要工作,本文在对河北省铁路网布局时需要考虑河北省内各小区之间的相互联系、京津冀区域与其他地区的联系、“三西”地区与四大港口的联系等因素将全国划分为20个交通小区,具体结果见图2.

在图2中,将河北省11个设区市单独划分成交通小区,天津和北京两个直辖市单独划分成小区.因煤炭运输与河北省有较多联系的内蒙古自治区和山西省单独划分成交通小区,剩余省区市按照东北、西北、中南、东南、华南划分成相应的小区.为方便计算,对20个交通小区按i=1,2,…,20进行编号,其中1代表石家庄交通小区,2代表保定交通小区,…….

2.2 交通生成预测

影响交通生成的因素有很多,本文认为影响客运的因素主要有经济发展水平,居民消费水平,人口数量和城市化程度,旅游业的发展及政策因素.对前四个因素分别选择人口数量,GDP,城镇居民人均消费性支出,城市用水人口数量,国内旅游收入作为量化指标.对于政策因素,采取重要度指标进行衡量.

在进行交通生成预测时采用多元回归分析法[6],计算公式为:

式中:Oki、Dkj分别为预测第k年交通小区i的发生量和交通小区j的吸引量,i,j=1,2,…,20,为交通小区的代号,当k=0时,Oki、Dkj为基础年交通小区i的发生量和交通小区j的吸引量,本文认为基础年为2010年;Oi、Dj为常数项;Zki,n、Zkj,1分别为第k年交通小区i和交通小区j第n项社会经济指标的预测值,n=1,2,…,N,N为影响因素的数量,本文N=6,分别对应人口数量,GDP,城镇居民人均消费性支出,城市用水人口数量,国内旅游收入,重要度共6项指标;gki,n、hkj,n分别为第k年交通小区i和交通小区j第n项社会经济指标的回归系数;Oi、Dj、gki,n、hkj,n都根据O0i、D0j、Z0i,n、Z0j,1利用transCAD获取.O0i、D0j、Z0i,n、Z0j,1的值分别见表1和表2.

表1 2010年各小区客运吸引量与发生量[7]Tab.1 Passenger number of origin and destination between traffic districts in 2010 万人

利用表1和表2的数据,借助于transCAD,对所有i,j,k有:

gki,1=-0.483 587,gki,2=0.029 881,

gki,3=0.018 915,gki,4=1.457 622,

gki,5=0.137 247,gki,6=8250.354,

Oi=-6 982.553,hkj,1=-0.483 715,

hkj,2=0.029 958,hkj,3=0.189 755,

hkj,4=1.459 900,hkj,5=0.134 644,

hkj,6=8 227.710,Dj=-6 971.330.

即对所有小区、所有预测年均采用相同的回归参数.

若求解Oki、Dkj,还需已知Zki,n的值,利用增长率[6]法计算.计算公式为

式中γi,n为交通小区i第n项社会经济指标的增长率,i=1,2,…,20,n=1,2,3,4,5,6,根据基础年之前若干年交通小区i第n项社会经济指标结合公式(3)得出,如γ1,1根据表3结合公式(3)给出.本文中,利用2000-2010年共11年数据,取k=1,可得到2001-2010年任意年较上年增长率,取平均得平均增长率,假定2011-2025年的增长率也是该值,带入式(3)即可求出相应经济指标值,具体见表4.同理可以得到2020年各交通小区经济指标情况,因篇幅所限,本文省略2020年相关数据.

表2 2010年各小区社会经济情况Tab.2 Social economy data of traffic districts in 2010

表3 2000-2010年石家庄社会经济情况Tab.3 Social economy data of Shijiazhuang from 2000 to 2010

表4 2025年各小区社会经济情况Tab.4 Social economy data of traffic districts in 2025

利用式(1)和式(2),结合表4的数据,求解出2025年各小区客运吸引量与发生量见表5.同理,也可以预测出2025年各个小区货运吸引量与发生量.

表5 2025年各小区客运吸引量与发生量Tab.5 Passenger number of origin and destination between traffic districts in 2025万人

2.3 交通分布预测

采用Fratar法[6]进行出行分布预测,其计算公式为

3 河北省铁路网布局方案优化与评价

在交通分布预测基础上,通过交通方式划分,进行流量分配,根据分配情况进行路网布局优化,并对布局优化方案进行评价.

3.1 基于流量分配的铁路网布局方案优化

进行流量分配之前,需要进行交通方式划分,主要交通方式有高速铁路、城际铁路、客货铁路、货运铁路四种.根据专家经验认为有60%客运量选择高速铁路和城际铁路,剩余40%选择客货铁路.货运量中由货运专线连接的OD(比如山西到沧州、山西到秦皇岛等)货运量分配到货运铁路上,剩余分配到客货铁路上.将客运量除以800人转化为旅客列车列数,货运量除以4 000 t转化为货物列车列数.

采用增量分配法[6]进行流量分配,即把转化成列车列数的OD交通量分成若干份,循环分配到铁路网中.根据流量分配结果对铁路网布局初步方案进行优化,优化步骤见图3.

在图3中,采用饱和度对配流结果进行评价,饱和度是指线路利用负荷程度,由线路分配的交通量除以该线路的设计交通量而得.按照图3所示的优化步骤,将2025年的OD交通量利用增量分配法进行第一次分配,根据分配结果可知,既有铁路的饱和度较高,比如京广铁路、京沪铁路、石太铁路等繁忙干线饱和度超过1.0,规划线路饱和度情况见表8.

由表8可知,根据路网分配结果,高速铁路和城际铁路的饱和度普遍较低;需要取消京原高速铁路、邯衡城际、石津城际、石沧城际、邢衡城际、承唐铁路、张承铁路,形成第一次优化布局方案.在该方案基础上,进行第二次流量分配.各规划线路饱和度见表9.

表6 2010年各小区之间OD客运量Tab.6 Passenger number between any two traffic districts in 2010　　万人

表7 2025年各小区之间OD客运量Tab.7 Passenger number between any two traffic districts in 2025　　万人

表8 第一次流量分配后各规划线路饱和度情况Tab.8 Saturability of planning railway lines after first distribution

表9 第二次流量分配后各规划线路饱和度情况Tab.9 Saturability of planning railway lines after second distribution

由表9可知,第二次分配时高速铁路和城际铁路的饱和度有所提高.同时部分繁忙客货混运线路的饱和度降低,整个铁路网的饱和度在1.0左右,基本能够满足远期运输需求,但仍有部分线路饱和度过低.根据第二次流量分配方案,继续对布局方案进行优化,取消京唐城际、唐秦城际、保沧铁路、承秦铁路.

在第二次优化方案基础上进行第三次流量分配,发现除邢和铁路的饱和度为0.325 9以外,其余线路饱和度均在0.5以上,对饱和度表示满意.然后在该路网布局方案基础上,利用2020年数据进行流量分配,发现各条线路的饱和度成比例下降.

根据2020年和2025年预测数据的流量分配结果,认为对2025年的数据经过三次流量分配和2020年数据进行分配后,得到最优布局方案,即在现有线路基础上规划10条线路,分别是京九高铁、京保城际、津沧城际、石保城际、衡沧城际、张保铁路、石邢城际、保大铁路、邢邯城际、邢和铁路.具体见图4.

3.2 河北省铁路网优化方案的路网密度评价

对布局方案进行评价时一般采用路网密度这一指标,该指标一般是一个地区经济发展最直接最有效的反应,它能够直接反应当地居民的消费水平和出行次数,与人口密度、经济发展水平等因素息息相关.铁路网密度是铁路总长度与省区面积之比(km/ 万km2)计算公式为

式中:L为河北省铁路总长度,km;S为河北省总面积,万km2.

根据布局优化方案,认为规划的10条线路在河北省境内大约有900 km,而河北省2015年年底有7 166 km铁路,故L=8 000 km,河北省总面积为S=18.88万km2,代入公式(12)可以求得ρ=423.7.

该指标与2011年的日本(551.4)、法国(547.8)和英国(646.6)铁路网密度相差不大,远远大于我国2011年该指标(106.9)[8],考虑到河北省经济发展情况,认为该路网密度可以满足2025年河北省经济发展要求.

4 结论

1)在京津冀协同发展背景下,对河北省铁路网布局进行优化,根据布局优化方案,河北省将来应规划的铁路线路有与京九铁路平行的京九高速铁路,北京-保定-石家庄-邢台-邯郸城际铁路,天津-沧州城际铁路,衡水-沧州城际铁路,张家口-保定铁路,保定-大新铁路,邢台-和顺铁路.

2)对布局优化方案的路网密度进行了计算,结果为423.7 km/万km2,与日本、法国等发达国家相比,认为该路网密度可以满足河北省未来经济发展要求.

3)本文仅从宏观层面对铁路网局部进行了优化,但具体到铁路网实施层面的铁路选线、车站设置及选址、运营模式等具体微观事宜还需进一步研究.

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Optimization on railway network of Hebei province under the background of coordinated development of Beijing-Tianjin-Hebei

CHEN Jinjie1,2,LIN Shiyan3,JIN Long4,SHANG Lin3,ZHU Hongyang1,ZHANG Tianwei1,2
(1.School of Traffic and Transportation,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China; 2.Key Laboratory of Traffic Safety and Control of Hebei Province,Shijiazhuang 050043,China; 3.HCIG Communication Investment Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050051,China; 4.Equipment Technology Center,National Railway Administration,Beijing 100844,China)

Abstract:Optimization on railway network in Hebei province was done under the background of the coordinated development of Beijing-Tianjin-Hebei(CDBTH).Firstly,based on analysis on the factors such as CDBTH,transport demand across Hebei province which affecting the railway network layout,according to the existing railway network,the preliminary scheme was achieved.Secondly,research object was divided into 20 traffic districts,passenger and freight volumes in 2020 and 2025 of 20 traffic districts were acquired by forecasting on traffic generation and traffic distribution.Then,the optimization scheme was obtained after traffic flow distributions.Lastly,the evaluation on the optimization scheme was done through the index of railway network density.The result shows the optimization scheme is reasonable and can meet the demand of economic development in the future in Hebei province.

Key words:planning of railway network;optimization of layout;coordinated development of Beijing-Tianjin-Hebei;four-stage method

作者简介:陈进杰(1963—),男,河北宁晋人,教授,博士,博士生导师.研究方向为铁路线路规划与设计.email:cjjwxq@126.com.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51278316);河北省自然科学基金资助项目(E2014210152);河北省社会科学基金资助项目(HB15YJ092);河北省高等学校科学技术研究资助项目(ZD2014084)

收稿日期:2015-12-10;修回日期:2016-01-20

DOI:10.11860/j.issn.1673-0291.2016.01.017

文章编号:1673-0291(2016)01-0102-08

中图分类号:U212.1

文献标志码:A