我国都市圈发展与中速磁浮应用场景分析

赖晴鹰，刘 军，郭树东，赵 晨

（1 中国铁路经济规划研究院有限公司 助理研究员，北京 100038；2 北京物资学院 教授，北京 101149；3、4 中国铁路经济规划研究院有限公司 正高级工程师、研究员，北京 100038）

我国城市发展促使城市规模扩大，逐步成“都市圈”，中心城区到郊区、城市多中心间的客流增加更为迅速[1]。为满足日益增长的都市圈客流需求，各大城市相继出台了城市交通规划，例如，2022年北京市规划和自然资源委员会组织编制《北京市轨道交通线网规划（2020年—2035年）》中提及，北京市将实现“中心城区内45 min可达，副中心内、主副之间及多点至中心城区30 min以内；一区及跨界组团至主副中心1 h以内”的目标。但是，从交通供给角度上看，用于满足城市群内部大容量、快出行客流群体的交通方式相对较少，无法有效满足出行需求，另一方面也制约了高水平城市群的建设与发展，与国家“十四五”规划中提出的构建都市圈通勤交通网的要求不相适应。因此，发展适合都市圈通勤交通出行的大容量、快速交通工具就成为迫切需要解决的问题。

中速磁浮列车[2-3]（时速200 km）作为一种新型交通方式，具有快速、便捷、绿色、环境适应性强等特点，在满足城市圈内部大容量、高密度、快速通勤客流需求等方面具有独特的优势，对于解决城市化进程带来的客流矛盾具有较大的潜力，能够促使我国城市化过程良性发展。2021年中共中央、国务院在印发的《国家综合立体交通网规划纲要》中提及，加快建设交通强国，需要构建现代化高质量国家综合立体交通网，用于支撑现代化经济体系和社会主义现代化强国建设，中速磁浮列车（速度200 km/h）凭借其特有优势定能在综合立体交通网络发展中起到重要作用。

本文首先探讨了国内外典型城市的城市化发展状况，分析我国城市化进程中轨道交通配置情况与人民出行需求之间的不平衡之处，得出我国大城市发展过程中对于连接城市圈内部高效便捷交通工具的需求。其次，本文通过介绍中速磁浮列车相关特性，并在目标需求为都市圈通勤客流的前提下，在速度、运距、成本以及编组等方面，对比了中速磁浮与其他交通方式，得出中速磁浮交通在服务于都市圈内通勤客流上的比较优势。最后，本文对中速磁浮交通的应用场景、应用区域以及应用挑战等方面提出了几点思考。

1 我国都市圈出行需求及供给特征分析

城市化进程加快了城市中心区稀缺土地所承载的人口与经济活动聚集，导致部分人口开始向城市边沿迁移，以降低居住成本[1]，使得城市居民工作地与居住地距离增大，导致都市圈内部的交通需求总量及结构特征都发生了较大变化。

1.1 典型城市现状分析

随着城市化进程的发展，以中心城市为核心逐步形成了都市圈。都市圈是指由区域内一个或多个中心城市，以及与中心城市有密切社会经济联系的、有一体化倾向的周边中小城市与地区组成的圈层结构[4]。西方发达国家的城市化建设起步较早，都市圈发展较为充分[5-6]。表1分析了北京和西方典型都市圈的规模及人口特征。

由表1可知，北京市中心区人口比率为0.78（注：中心区人口比率=中心区人口数量/都市圈人口数量），明显高于东京、纽约及伦敦等都市群。中心市区所占人口比率过大，将导致中心区土地使用紧张，进而引发房价上升、交通拥堵、环境污染等问题。相对而言，伦敦市中心区人口比率最低，主要原因在于卫星城的出现[6]，使得人口由中心区向四周转移，极大地缓解了中心区压力。

图1显示了2017年北京都市圈及东京都市圈的人口密度分布情况。通对比可以看出，东京都市圈作为一个现代化程度较为成熟的都市圈，人口密度分布较为均匀。然而，北京都市圈的人口主要集中于东城区、西城区、海淀区以及朝阳区，其中东、西两城区的人口密度最高，均超过了20 000人/km2。从都市圈发展趋势可以看出[7]，随着城市化进程的推进，中心城区生存压力逐步增大，将促使部分人口的居住地向城市郊区以及邻近中小城市转移，以降低居住成本。但是，随之而来的是往返居住地与工作地之间的交通成本增加，通勤出行需求迅速增长。

图1 2017年北京都市圈、东京都市圈人口密度分布图

1.2 典型城市通勤半径分析

从上文可知，城市人口的向外扩散，将增加都市圈内部的交通客流需求，其中通勤客流将占据主导地位。我们将以市中心区为中心，使用公共交通工具往返工作地点的区域称为通勤圈。为进一步比较出行便捷程度，本文引入了“每小时通勤距离”的概念，用于衡量城市综合交通体系的便捷程度，其计算方式如下：

由表2可知，2017年北京市郊至城市中心区的通勤距离在四个城市中相对较短，约30.0 km。但是，通过对比每小时通勤距离，可看出北京每小时通勤距离为32.7 km，远低于东京与纽约。图2分别以东京的通勤时间、通勤距离以及每小时通勤距离作为参考点，计算三个指标在其他城市的相对比率。通过对比可得，北京在四个城市中的通勤距离处于最低，但是通勤时间接近于四个城市的平均通勤时间（57 min），呈现出“距离短、用时长”的特点，因而出行便捷程度是四个城市圈中最低的。

表2 典型城市平均通勤情况分析

图2 典型通勤情况对比分析图（以东京为参照点）

表3列举了北京市郊区至中心区的距离情况，从中可知，有8个区至中心区的距离超过了北京每小时通勤距离。其中，最远的延庆区至中心区的距离达到了92 km。因此，当部分通勤人员为节省居住成本而选择居住在北京郊区后，通勤时间将大大增加，从而造成城市运行效率下降。

表3 北京郊区至市中心区距离分析

因此，为方便我国大城市市郊客流往来，缓解城市中心区的土地使用紧张问题，亟需一种高效便捷的交通方式来满足市郊通勤客流，缩短通勤时间，提高城市运转效率。

1.3 典型国外城市交通方式现状

完善的城市综合交通体系是城市发展的基础，就目前而言，西方部分国家的综合交通体系发展较为成熟，而我国大城市综合交通体系还处于建设发展阶段。

1.3.1 东京综合交通体系

由于东京人口密集、土地资源匮乏，因此轨道交通是东京公共交通的核心交通工具。东京地区的轨道交通网络分为地面交通、地上交通两大类，包括了地铁、单轨、轻轨以及高铁等多种形式的轨道交通方式[8]。其中，环状国有铁路为其他轨道交通方式的换乘提供了便利，使得东京市内各主要区域相互连接。

1.3.2 纽约综合交通体系

纽约的交通设施包括公路交通与轨道交通两大系统。以公路系统为主的交通模式使得纽约成为小汽车拥有量最多的大都市之一。截至2015年，城市内部的汽车专用路线总长将近3 000 km。与此同时，中心放射型的轨道交通系统也是城市居民出行的主要交通工具，尤其是终止于市中心的通勤铁路系统，缓解了市郊通勤客流的压力[9]。

1.3.3 伦敦综合交通体系

伦敦的综合交通系统主要包括轨道交通、公共汽车以及水上交通等多种交通方式。其中，26条城市铁路、12条地铁线、3条机场轨道快线以及1条轻轨线构成了伦敦多层次多类型的轨道交通系统，是伦敦公共交通的核心部分。伦敦国家铁路网是其综合交通的重要组成部分，其中有10多个铁路车站布置在市郊地铁环线附近，方便换乘，利于市郊旅客出行[10]。

通过分析三个国外典型城市的综合交通状况，可以得出，都市圈的一体化综合交通具有多元化、层次分明以及轨道交通为主等特征[11]。

1.4 北京交通便捷程度分析

北京的综合交通建设处于我国各大城市前列，截至2017年12月，北京地铁共运营22条地铁线路，覆盖北京11个市辖区，共设车站370座，极大地方便了市内客流的出行。除此之外，北京联通四方的高铁网络，也将周边大中城市高效地连接起来。

尽管如此，与国际城市相比，北京市的整体轨道交通能力依旧存在不足。线网功能层次单一，缺少应对多样性需求的多层次系统[12]。目前市内建成的轨道交通网制式较为单一，且以地铁为主，以北京为中心的高铁线路服务对象为城市间的客流，针对远距离、大运量市郊客流所适用的交通工具相对缺乏。截至2017年，北京的轨道交通运营里程为608.2 km，人均轨道交通里程0.22 km/万人；而东京都市圈轨道交通运营里程超过2 500 km，人均轨道交通里程0.69 km/万人。图3描述了北京、东京各点到城市中心点乘坐公共交通出行时间分布。在北京，随着与中心位置距离增大，其出行花费的时间相较于东京将大幅度增加。当距离中心区超过30 km后，在北京所花费的出行时间比东京多出了41.9 min。在东京，在30 km距离段左右，依然能够保持1 h内可达中心区的原因，是得益于其发达的轨道交通网络。

图3 北京、东京各距离点到城市中心点乘坐公共交通出行时间分布图

总结，本节通过概述三个西方典型城市以及我国首都北京的综合交通体系现状，得出了两个结论：1）随着我国城市化进程加快，城市群（或超大城市）通勤客流需求将明显增加；2）目前我国现有轨道交通体系，在应对都市圈内部通勤客流需求方面存在短板。

2 中速磁浮适应性分析

在中国城市群的发展中，将面对的是中心城区人口逐渐迁移到中心区城外，进而产生大量的通勤交通需求，下面本文将对中速磁浮列车应用于该需求的适用性进行论述。

2.1 中速磁浮介绍

磁浮列车利用电磁力实现车辆悬浮，并采用直线电机牵引列车运动。由于磁浮列车在行驶过程中是悬浮于轨道之上，大大减少了行驶摩擦，降低了轨道的磨损成本，节约了线路维修的费用。根据运行速度不同，可以将磁浮列车划分为中低速、中速与高速三个等级[2]，具体如表4所示。除此之外，磁浮列车还可以根据悬浮机理[13]、导体介质、直线电机形式等方面进行划分[14]，具体如图4示。

图4 磁浮列车分类

表4 磁浮列车速度等级

由中国中车生产制造的中速磁浮列车，采用了EMS悬浮机理、长定子同步直线电机驱动形式，这与上海高速磁浮在悬浮机理、电机形式所采用的方案相同。但与上海磁浮列车的悬浮导向分离控制方案有所不同的是，中速磁浮列车采用悬浮导向一体化的控制方案。由于中速磁浮列车采用长定子直线同步电机，定子设置在导轨上，其长度可以随着导轨的铺设而延伸，使得电机的功率因素和效率相对较高。同时也有利于实现中速磁浮运行图、速度曲线控制、供电控制一体化节能优化的目标[14]。此外，在速度大于100 km/h时，能够采用无接触供电方式对车体进行供电。长沙中低速磁浮列车采用的是短定子直线感应电机，电机定子设置在车辆上，在运行过程中无法实现车与地面无接触运行，限制了列车的速度。中速磁浮的特殊结构，使其具有较强的爬坡能力（最大坡度可达70‰）以及更小的转弯半径（70 m），使得其对于地形的适应性较强。

2.2 都市圈内部通勤客流适应性分析

随着都市圈内部长距离通勤客流的增加，迫切需求具备高密度、大容量、灵活编组等特点的轨道交通方式。不同轨道交通方式具有特定的服务对象以及应用场景，表5以高速铁路、地铁、高速磁浮、中速磁浮以及中低速磁浮交通为对象，分析不同交通方式的特点，并对比分析了各种交通方式运用于都市圈内部通勤客流需求的适应性。

2.2.1 速度及运距

如表5所示，几种轨道交通方式的最高运行速度由高到低依次为：高速磁浮、高铁、中速磁浮、中低速磁浮、地铁。都市圈长距离通勤客流的通勤距离约在30~60 km范围内，以60 km距离作为分析依据，乘坐地铁和中低速磁浮的运行时间将超过0.5 h，而其他三种交通方式则能将运行时间压缩至0.5 h以内。由于都市圈内部的距离长度所限，高铁以及高速磁浮并不能充分发挥其高速度优势，即在运行过程中保持最高速度运行的时间较短，全程加减速时间过长，对于车体伤害较大，且会造成乘客体验不佳。中速磁浮加减速能力强且最高速度适中，在市郊能够较为平稳地运行。因此，在运行特性上，中速磁浮列车的优势较为明显。

表5 不同交通方式特点对比分析

2.2.2 成本

由于高速磁浮以及高铁在运行特性上不太适用于都市圈内部交通，且未有统一成本范围，因此本文主要针对中速磁浮、中低速磁浮、地铁进行对比分析。由表5可知，中速磁浮的造价成本与其他两种方式相差不大，因此从成本角度来说，其他两种交通方式并不占优势。

2.2.3 编组

中速磁浮作为一种小编组列车，在运输组织方面具有极大的灵活性。由于采用了长定子直线电机结构，列车能够实现在任意车站的车辆编组变化，这对于应对高密度、大容量的市郊客流具有极强的适应性。

综上所述，中速磁浮交通在服务大城市郊区到市中心（县区到地级市或省会城市）或都市圈内部的客流需求时，综合速度、运距、成本以及编组等方面情况，与高速铁路、城际铁路、城市轨道交通和高速公路相比，优势较为明显。

3 几点思考

综合轨道交通体系的建设，对于推进我国城市化进程起到了至关重要的作用。 目前，我国都市圈轨道交通的发展呈现功能单一、 低层次化的特点，最明显地体现在缺乏完善的轨道交通体系来服务远距离、大容量的市郊客流。 本文结合中速磁浮的特点，从促进大城市城市化进程良性发展的角度出发， 对中速磁浮这一新型交通工具在应用场景、应用区域以及应用挑战等三个方面进行了思考。

3.1 中速磁浮应用场景

3.1.1 应用于都市圈内部通勤的交通工具

我国的城市化过程使得部分人口从中心区迁移至郊区，但缺乏高效便捷的交通方式来满足都市圈内部客流的需求，长此以往，将极大降低城市的运行效率。 中速磁浮列车的技术及经济特性，能够改善市郊客流的通勤效率，从而加强城市中心区和各卫星城市之间的联系性，促进城市高效运转。 例如，大兴国际机场位于北京和河北省交界处，距市中心约50 km，若采用中速磁浮列车，则能在较低的成本条件下，保证市区旅客高效便捷到达机场。

3.1.2 应用于部分不利于拆迁的老城区

随着社会经济的发展和城市化建设进程的加快，征地拆迁项目不断增多，但是由于某些特殊原因，部分老城区拆迁较为困难，但这些老城区内仍存在客流需求，由此建造合适的交通方式就显得格外重要，例如转弯半径小、灵活性高的交通方式。 目前已有的交通方式中，铁路方面可以达到的最小曲线半径（160 km/h 时）为2 000 m，地铁可以达到的最小曲线半径为250 m， 而中速磁浮交通的转弯半径最小可以达到70 m，远小于铁路和地铁，因此，在部分不利于拆迁的老城区，中速磁浮交通与铁路和地铁相比具有明显的优势。

3.1.3 应用于地形较为复杂的山区城市

我国幅员辽阔，地形复杂多样，山区面积广大。部分山区城市例如重庆， 对交通工具有特定的要求，即爬坡能力的大小。 目前已有的交通方式中，铁路方面可以达到的最大爬坡能力为35‰，地铁的最大爬坡能力为40‰，而中速磁浮交通的爬坡能力为70‰，大于铁路和地铁，因此，在地形复杂的山区城市，中速磁浮交通与铁路、地铁相比具有明显优势。

3.2 中速磁浮应用区域

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》 中提及，“坚持走中国特色新型城镇化道路，深入推进以人为核心的新型城镇化战略，以城市群、都市圈为依托促进大中小城市和小城镇协调联动、 特色化发展，使更多人民群众享有更高品质的城市生活”。 为此，各都市圈的城市化进程也将进一步加快，例如京津冀都市圈、长三角都市圈、珠三角圈、武汉都市圈、长株潭都市圈等，这也将是中速磁浮列车可以发挥其特性的重要应用区域。

3.3 中速磁浮应用挑战

3.3.1 技术需进一步完善

我国是世界上首个提出中速磁浮这一运输方式的国家，实际还未有正式运营的线路，因此对于中速磁浮相关技术研究还处于试验阶段。 目前，采用的研究思路分为以下两种：一种是在现有中低速磁浮的技术基础上完善中速磁浮的相关研究，另一种则是在高速磁浮技术的基础上向中等速度研究。两套方案在实行过程中，需要根据中速磁浮服务场景而做出相应的调整。

3.3.2 与其他交通方式的换乘问题

现有的大多数轨道交通系统属于轮轨系统，无法与磁浮系统相互兼容，因此需要对两者换乘站进行优化与改进，才有可能实现无缝换乘。

3.3.3 对于承载量的精细化控制

中速磁浮列车是“浮”在轨道上的，为保证列车在运行过程中始终保持所需的悬浮高度，需要严格控制载客量， 导致中速磁浮列车在运营过程中，需要更加精细化考虑成本和载客量之间的关系。

4 总结

随着中国城市化进程的加快，导致部分人口向郊区以及周边城市迁移，迫切需要高效便捷交通工具来满足都市圈内部长距离通勤客流的需求。 本文在分析中速磁浮特性的基础上，对比了多种轨道交通方式针对都市圈通勤客流的适用性情况，总结了中速磁浮在服务于都市圈通勤客流的优势。 除此之外，本文对中速磁浮应用情况进行分析，得出其应用场景、应用区域以及应用挑战。

虽然中速磁浮在成本以及部分技术上存在优势，但是其发展仍面临着一些挑战，包括技术不够成熟、与其他交通方式的换乘问题，以及在实际运营过程中需要对承载量精细化控制等。 目前，针对中速磁浮相关技术难题正逐一被攻克，相信中速磁浮商用时代将要到来。