河谷型城市中低運(yùn)量軌道交通制式選擇研究

龐登瑀，楊懿軒

(四川省交通運(yùn)輸發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃科學(xué)研究院,成都 610041)

引言

軌道交通在公共交通系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位,深圳、成都等以地鐵等大運(yùn)量軌道交通為主的特大城市軌道交通分擔(dān)率已超60%,而根據(jù)《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的意見(jiàn)(國(guó)辦發(fā)[2018]52號(hào))》等文件,大中城市在人口、經(jīng)濟(jì)、客流等方面較難達(dá)到申報(bào)建設(shè)地鐵、輕軌等大運(yùn)量軌道交通的條件[1-2],以單軌、有軌電車等為代表的中低運(yùn)量軌道交通將成為大中城市的最佳選擇。我國(guó)目前有50%左右的人口居住在山地城市,其中河谷型城市是其占有量最大的類型之一,且大部分屬于大中城市,如西寧、寶雞、西昌等[3-4],但相比于平原地區(qū),河谷型城市在構(gòu)建軌道交通時(shí)會(huì)因較強(qiáng)的地理、環(huán)境特征等受到更多條件限制。

選擇合理的制式是構(gòu)建軌道交通的第一步,如何能高效、科學(xué)地挑選出某城市適用的軌道交通制式這一問(wèn)題逐漸受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,主要圍繞不同制式技術(shù)特征、制式選擇方法、制式選擇因素等方面開(kāi)展了相關(guān)研究[5-7],但針對(duì)河谷型城市的軌道交通研究,特別是中低運(yùn)量軌道交通制式選擇的研究較少。因此,本文以中低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)為基礎(chǔ)、河谷型城市為研究對(duì)象,分析其在制式選擇時(shí)的主要考慮因素,以此建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,構(gòu)建基于熵權(quán)-層次分析法的組合權(quán)重模型,并進(jìn)行實(shí)例分析,填補(bǔ)研究空白,為河谷型城市提供快速、科學(xué)的中低運(yùn)量軌道交通制式選擇決策思路。

1 中低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)概況

1.1 分類及特征

中低運(yùn)量城市軌道交通是指平均運(yùn)輸能力在0.5萬(wàn)～3萬(wàn)人次/h之間、旅行速度高于常規(guī)公交的交通系統(tǒng)[8]。目前已逐步形成由跨座式單軌、懸掛式單軌、自動(dòng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)、中低速磁浮列車、現(xiàn)代有軌電車、智能軌道快運(yùn)列車等多種制式組成的軌道交通系統(tǒng),上述制式類別的主要技術(shù)、常用場(chǎng)景、比較優(yōu)勢(shì)、系統(tǒng)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 中低運(yùn)量軌道交通分類及主要特征[5,9-11]Tab.1 Classification and main characteristics of medium and low capacity rail transit

1.2 建設(shè)情況

目前國(guó)內(nèi)已有近30個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)中低運(yùn)量軌道交通,合計(jì)運(yùn)營(yíng)里程約750 km,約占軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)里程的6%。

由表2可知,中低運(yùn)量軌道交通制式中,現(xiàn)代有軌電車應(yīng)用規(guī)模最大,已有超18個(gè)城市運(yùn)營(yíng)該制式系統(tǒng),里程約500 km;跨座式單軌目前主要應(yīng)用于重慶、銀川等地,運(yùn)營(yíng)里程約150 km;中低速磁浮列車主要應(yīng)用于北京和長(zhǎng)沙,運(yùn)營(yíng)里程約30 km;自動(dòng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)主要在北京、廣州等機(jī)場(chǎng)設(shè)置,運(yùn)營(yíng)里程約17 km;智軌系統(tǒng)面世推廣時(shí)間最晚,但增長(zhǎng)速度較快,已在宜賓、株洲等城市得到推廣,運(yùn)營(yíng)里程已超過(guò)50 km。

2 河谷型城市對(duì)中低運(yùn)量軌道交通制式的主要考慮因素

2.1 河谷型城市概述

我國(guó)山地占據(jù)了陸地面積的2/3,全國(guó)有超300個(gè)城市位于山區(qū),而河谷城市是山地城市占據(jù)數(shù)量最多的一類,他們不僅是城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要根據(jù)地,更是山區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展核心。河谷型城市是指城市建成區(qū)在河谷中形成和發(fā)展的城市,一般處于河流的中上游地區(qū),發(fā)展空間常受到地形、河流的直接限制[12],城市空間拓展的方向一般沿河流帶狀發(fā)展或沿垂直河流的山體上拓展[4]。

我國(guó)河谷型城市主要分布在西部地區(qū),包括蘭州、西寧、重慶、天水、寶雞、西昌、攀枝花、延安、永登等城市,居民人口數(shù)量從30萬(wàn)～2 000萬(wàn)人不等,但主要集中于100萬(wàn)～500萬(wàn)人的大中城市之間。

2.2 考慮因素分析

軌道交通是開(kāi)拓城市發(fā)展空間的重要手段,需因地制宜綜合考慮各類因素。與平原地區(qū)相比,河谷型城市在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境等方面的約束更多,對(duì)軌道交通制式選擇提出了更高的要求,具體分析如下。

(1)要求更加契合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。河谷型城市整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與前排發(fā)達(dá)城市還存在一定差距,政府基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資資金有限,項(xiàng)目主體及配套招商引資也較為困難,應(yīng)盡量選擇綜合造價(jià)合理、建設(shè)成本適當(dāng)?shù)闹剖较到y(tǒng),避免過(guò)度超前發(fā)展帶來(lái)地方財(cái)政難以為繼的困境。

(2)要求更加匹配客流發(fā)展特征。中低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)制式較多,不同制式系統(tǒng)適用于不同的客流特征,特別是河谷型城市由于城市空間格局較為特殊,其軌道交通線路建設(shè)常沿河流或主干道敷設(shè),與環(huán)形、放射型城市相比更容易在早晚高峰時(shí)段產(chǎn)生較大的客流量變化[13],同時(shí),不同制式的適用場(chǎng)景也不同,因此在選擇軌道交通制式時(shí),應(yīng)選擇可承載線路客流量的峰值和變化、符合線路使用功能的軌道交通制式。

(3)要求更加適應(yīng)地形地質(zhì)條件。河谷型城市在城市主體發(fā)展時(shí),通常會(huì)受到河流、山地、丘陵等地形的直接限制(如山體與丘陵的坡度、相對(duì)高度、植被條件、地質(zhì)條件等),致使其地形呈現(xiàn)高低懸殊明顯的特征[14],且道路的非直線系數(shù)通常較大[15],在選擇中低運(yùn)量軌道交通制式時(shí),需充分考慮不同制式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎半徑大小和爬坡能力水平,以更好適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌環(huán)境,支撐城市空間拓展開(kāi)發(fā)。

(4)要求更加凸顯綠色安全底色。目前我國(guó)正處于高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵階段,對(duì)綠色、安全建設(shè)等均提出了相關(guān)要求,河谷型城市的容量和規(guī)模有更加明顯限制[16],大氣污染物更不易排放,土地資源更為緊張,也更容易發(fā)生坍塌、滑坡、洪澇等次生災(zāi)害,在選擇中低運(yùn)量軌道交通制式時(shí),需著重考慮運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生能耗[17]和噪聲更低、土地占用面積較小、安全性能更高的制式系統(tǒng),支撐引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。

3 基于熵權(quán)-層次分析法的組合權(quán)重制式選擇模型

中低運(yùn)量軌道交通制式的選擇本質(zhì)上屬于綜合決策問(wèn)題,解決這類問(wèn)題的常用方法有層次分析法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析等,本文將定性、定量結(jié)合,采用層次分析法和熵權(quán)法,通過(guò)引入主觀偏好系數(shù)構(gòu)建組合權(quán)重進(jìn)行制式選擇[18-19]。

3.1 基本方法介紹

3.1.1 層次分析法

層次分析法是多屬性決策分析模型,計(jì)算步驟如下[20]。

Step1.構(gòu)建由決策目標(biāo)(目標(biāo)層)、考慮因素(準(zhǔn)則層)、決策對(duì)象(方案層)組成的層次結(jié)構(gòu)模型。

Step2.分別對(duì)目標(biāo)層—準(zhǔn)則層、準(zhǔn)則層—方案層的指標(biāo)重要程度兩兩比較,利用“1～9標(biāo)度法”賦予權(quán)重,構(gòu)建判斷矩陣

(1)

式中,n表示有n個(gè)因素。

Step4.當(dāng)所有判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)以后,對(duì)各層次指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)綜合,最終得到方案層各指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重W。

3.1.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是通過(guò)判斷指標(biāo)信息熵的大小來(lái)賦予權(quán)重,若某個(gè)指標(biāo)的熵值越小,說(shuō)明該指標(biāo)能提供更多的信息,在評(píng)價(jià)模型中就更重要,反之,若某個(gè)指標(biāo)的熵值越大,在評(píng)價(jià)模型中就更不重要。該方法廣泛應(yīng)用于綜合評(píng)價(jià)模型,計(jì)算方法如下。

Step1.設(shè)評(píng)價(jià)模型中有p個(gè)對(duì)象,q個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),初始化決策矩陣Z=(Zij)p×p,(i=1,2,…,p;j=1,2,…,q),對(duì)數(shù)據(jù)歸一化處理形成標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y,元素為Yij,則

(2)

Step2.計(jì)算指標(biāo)yj(j=1,2,…,q)的信息熵

(3)

Step3.計(jì)算各指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的客觀熵權(quán)

(4)

3.1.3 主觀偏好系數(shù)

主觀偏好系數(shù)主要用于解決需主觀評(píng)價(jià)方案重要度的問(wèn)題,常用于兩種及以上模型的綜合評(píng)價(jià),設(shè)θ為主觀偏好系數(shù),i為需要評(píng)價(jià)的個(gè)數(shù),則

當(dāng)i=2,

w=θ×w1+(1-θ)×w2

(5)

當(dāng)i=3,

w=θ1×w1+θ2×w2+(1-θ1-θ2)×w3

(6)

其中,θ取值越大代表對(duì)應(yīng)模型權(quán)重越大,具體取值依據(jù)模型蘊(yùn)含信息量、可靠性高低進(jìn)行主觀賦值。

3.2 基于熵權(quán)-層次分析法的組合權(quán)重模型計(jì)算步驟

模型計(jì)算主要有構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,基于層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算方案權(quán)重,引入主觀偏好系數(shù)計(jì)算組合權(quán)重等3個(gè)步驟,見(jiàn)圖1。

圖1 基于熵權(quán)—層次分析法的組合權(quán)重模型計(jì)算步驟Fig.1 Calculation steps of combination weight model based on entropy weight-analytic hierarchy process method

3.2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

經(jīng)研究,共有29個(gè)指標(biāo)被用于多制式軌道交通制式選擇研究(表3),其中客運(yùn)能力、綜合造價(jià)等指標(biāo)選擇比例為100%,土地占用等指標(biāo)被選擇比例較小,本文以此作為基礎(chǔ)指標(biāo)篩選庫(kù)。

表3 相關(guān)文獻(xiàn)指標(biāo)選擇比例情況[5,9-10,21]Tab.3 Selection ratio of relevant literature indicators

結(jié)合指標(biāo)應(yīng)用通用性、河谷地區(qū)特征、數(shù)據(jù)獲取難度和中低運(yùn)量軌道交通技術(shù)特征,提出了由城市適應(yīng)性、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)效益性3個(gè)層次、16項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系A(chǔ),具體構(gòu)成如表4所示,同時(shí)設(shè)僅保留定量指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為A′。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)成及各制式情況Tab.4 Composition of evaluation index system and data of various rail transit system

3.2.2 計(jì)算各類方案權(quán)重

(1)將指標(biāo)體系A(chǔ)、A′分別用于層次分析法,以此為基礎(chǔ)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型,通過(guò)專家打分法賦權(quán)得到判斷矩陣,一致性檢驗(yàn)通過(guò)后,分別得到方案權(quán)重為WAj(j=1,2,…,m)、WADj(j=1,2,…,m)。

(2)將指標(biāo)體系A(chǔ)′應(yīng)用于熵權(quán)法,得到方案權(quán)重為WSj(j=1,2,…,m)。

3.2.3 計(jì)算組合方案權(quán)重

引入主觀偏好系數(shù),對(duì)3類方案權(quán)重進(jìn)行賦權(quán),計(jì)算方案綜合權(quán)重。設(shè)第一類方案權(quán)重為θ1,第二類方案權(quán)重為θ2,第三類方案權(quán)重為1-θ1-θ2,則方案組合權(quán)重

W=θ1×WAj+θ2×WADj+(1-θ1-θ2)×WSj

(7)

4 案例分析

4.1 西昌市及西昌軌道交通1號(hào)線基本情況

西昌市位于四川省西南部安寧河谷地區(qū),境內(nèi)由安寧河南北縱向貫穿全域,全境海拔在1 500 m以上,整體地形以山地為主,城市建成區(qū)和主要可開(kāi)發(fā)土地大部分位于河谷平壩區(qū)域(占總面積的16.4%),是典型的帶狀河谷型城市。

西昌市目前尚無(wú)建成或在建的城市軌道交通,根據(jù)西昌市相關(guān)綜合交通發(fā)展規(guī)劃,遠(yuǎn)期規(guī)劃西昌市軌道交通1號(hào)線,長(zhǎng)度約15.5 km,覆蓋居民活動(dòng)中心、醫(yī)院、集散樞紐等重要的出行點(diǎn),路線建成后將支撐引領(lǐng)西昌城市空間向高鐵新城拓展、緩解城區(qū)交通擁堵。路線走向如圖2所示。

圖2 西昌市軌道交通1號(hào)線路線走向示意Fig.2 Schematic diagram of the route of Xichang Rail Transit Line 1

4.2 具體分析

4.2.1 軌道交通制式初步分析

(1)中低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)一般適用于常住人口在100萬(wàn)～300萬(wàn)之間的城市,2021年西昌市人口為96萬(wàn)人,結(jié)合近10年人口增長(zhǎng)率、市內(nèi)居民出行特征、公交系統(tǒng)客流量等數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)到2030年,西昌市人口將超過(guò)100萬(wàn)人,軌道交通1號(hào)線客流將達(dá)2.3萬(wàn)人次/d,達(dá)到《低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)工程建設(shè)程序指南》[23]等相關(guān)文件要求。

(2)在制式要求方面,自動(dòng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)常服務(wù)于機(jī)場(chǎng),懸掛式單軌目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)建成運(yùn)營(yíng)的成功案例,不適用于西昌市軌道交通1號(hào)線的使用場(chǎng)景和西昌市經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況,因此排除這兩類制式系統(tǒng)。

4.2.2 算例驗(yàn)證

(1)利用層次分析法計(jì)算權(quán)重

Step1:構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。分別基于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系A(chǔ)、A′構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。以指標(biāo)體系A(chǔ)為例,將3類、16項(xiàng)指標(biāo)作為準(zhǔn)則層,4類軌道交通制式作為方案層,如圖3所示。

圖3 基于指標(biāo)體系A(chǔ)的層次結(jié)構(gòu)模型Fig.3 A hierarchical model based on indicator system A

Step2:權(quán)重賦予。邀請(qǐng)中鐵四院、涼山州交通運(yùn)輸局相關(guān)專家對(duì)層次結(jié)構(gòu)模型賦予指標(biāo)權(quán)重,形成判斷矩陣。

Step3:一致性檢驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算,所有判斷矩陣均通過(guò)一致性檢驗(yàn)(RI<0.1)。以準(zhǔn)則層中的城市適應(yīng)性為例,判斷矩陣和一致性檢驗(yàn)如表5所示。

表5 判斷矩陣及一致性檢驗(yàn)示例Tab.5 Example of judgment matrix and consistency check

Step4:計(jì)算方案權(quán)重。對(duì)各層次指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行加權(quán),結(jié)果顯示跨座式單軌、中低速磁浮列車、現(xiàn)代有軌電車、智軌系統(tǒng)的權(quán)重分別為WAj=[0.210,0.192,0.215,0.383]T、WADj=[0.253,0.167,0.208,0.372]T。

(2)僅考慮定量指標(biāo)的熵權(quán)法

Step1:通過(guò)熵權(quán)法對(duì)各指標(biāo)計(jì)算處理得到信息熵值、信息效用值和權(quán)重,詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 信息熵值數(shù)據(jù)Tab.6 Information entropy data

Step2:根據(jù)各指標(biāo)熵權(quán)法計(jì)算得到的權(quán)重,計(jì)算得出對(duì)跨座式單軌、中低速磁浮列車、現(xiàn)代有軌電車、智軌系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)得分,經(jīng)過(guò)歸一化處理,WSj=[0.197,0.184,0.220,0.400]T。

(3)引入主觀偏好系數(shù)計(jì)算組合權(quán)重

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系A(chǔ)較A′更加完善、蘊(yùn)含信息更豐富,評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)精準(zhǔn),因此賦予WAj的主觀偏好系數(shù)為0.5;評(píng)價(jià)指標(biāo)體系A(chǔ)′中全部為定量指標(biāo),熵權(quán)法可更好體現(xiàn)客觀數(shù)據(jù)的支撐性,因此賦予WSj主觀偏好系數(shù)為0.3;相應(yīng)賦予WADj主觀偏好系數(shù)為0.2;最終計(jì)算組合權(quán)重W=[0.215,0.184,0.215,0.386]T。

(4)結(jié)果

根據(jù)基于熵權(quán)-層次分析法的組合權(quán)重模型計(jì)算結(jié)果,智軌系統(tǒng)得分最高,是4種中低運(yùn)量軌道交通制式中最適用于河谷型城市西昌市軌道交通1號(hào)線的一種類型。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以河谷型城市為對(duì)象,從城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、客流特征、地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境等因素著手,系統(tǒng)論證選擇軌道交通制式系統(tǒng)時(shí)的重要考慮因素,提出需重點(diǎn)考慮軌道交通制式的綜合建設(shè)成本、使用場(chǎng)景、客流承載水平、爬坡能力以及能耗污染、土地占用、噪聲污染等情況;研究提出適用于河谷型城市選擇中低運(yùn)量軌道交通制式系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,引入主觀偏好系數(shù),構(gòu)建基于熵權(quán)-層次分析法的制式選擇模型;以西昌市為例進(jìn)行實(shí)例分析,形成了一套完整可靠的制式選擇決策方法,填補(bǔ)了針對(duì)河谷型城市選擇中低運(yùn)量軌道交通制式的研究領(lǐng)域空白,可為相關(guān)部門提供決策支撐。

本文的研究成果為相關(guān)領(lǐng)域研究奠定了一定基礎(chǔ),未來(lái)還可進(jìn)一步拓展中低運(yùn)量軌道交通制式研究范圍,深化完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)成,針對(duì)如盆周山區(qū)等更多山地城市開(kāi)展軌道交通相關(guān)研究,支撐非平地地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。