160～200km-h市域快轨功能与需求特点研究

160～200km/h市域快轨功能与需求特点研究

李岩辉，杨博竣(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043；2.南阳理工学院，河南南阳473004)1研究背景市域轨道交通是支撑都市圈均衡协调发展、拓展中心城区与外围组团联系的重要载体。随着我国城市化进程的稳步提升，涌现了诸多特大城市、超大城市。近年来，国家各部委颁发了多个大力支持都市圈、市域轨道发展的政策文件，特别是“一带一路”“粤港澳大湾区”“长江经济带”“黄河流域生态保护和高质量发展”等国家重大战略对宏观区域发展提出了新的目标，从发展新型城镇化、全国主体功能区布局、推进城市群与都市圈建设等方面提出全面、建设性的指导意见。在区域一体化融合发展的背景下，对综合交通系统也提出了更高要求[1]。为促进区域协调发展，轨道交通的覆盖广度、密度和深度不断提升，在原有核心区基础上构建了更大范围的区域轨道网络骨架，覆盖范围扩展至都市圈、城市群[2-3]。国内多个超大城市已有市域快轨运营，运营速度以100～160km/h为主。市域快轨作为改善都市圈空间结构、满足大范围出行需求的有效途径之一，通过连接中心城区和外围区域并与多条轨道交通换乘，极大程度提高了出行范围、城市效能[4-6]。随着我国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段，交通运输发展也在发生着深刻变化，要求交通运输应满足人民日益增长的美好生活需要。在“交通强国”战略中提出“全国123出行交通圈”目标后，部分城市在“都市区1小时通勤”的基础上，结合自身发展情况，提出45min甚至30min的都市圈出行目标。该目标对市域快轨的设计标准、运营管理、网络效益提出了更高要求。近年来，雄安R1线、郑州K2线分别根据京津冀城市群、郑州都市圈空间特征与需求，率先采用了最高设计时速200km标准的市域快轨，分区、分段研究市域线特征，根据线路功能确定其适宜的目标值，并单独编制了暂行规定。在该背景下，中国城市轨道交通协会正在组织编制统一的市域快轨(160～200km/h)技术规范，结合笔者参与该规范的编制、研讨过程，系统分析市域快轨(160～200km/h)的功能、需求特征、适用性等问题。2功能定位2.1既有规范梳理2017年以来，住建部、国家铁路局、相关协会等部门组织编制并颁布了多部市域(郊)铁路相关标准，如表1所示。表1近年来主要市域快轨相关标准编制及颁布汇总根据各规范的内容，市域快轨的功能定位可从服务范围、客流功能、时间目标、速度目标4个方面进行归纳，具体如表2所示。表2市域快轨功能定位归纳总结2.2功能定位“宏观-中观-微观”分析思路由以上既有规范总结可以看出，都市圈的发展达到一定程度，即连片建成区的规模、中心区与外围区域联系达到一定强度时，才衍生出市域间长距离出行需求。根据2021年第七次全国人口普查结果，粤港澳、长三角、成渝等城市群对人口的吸引优势更加明显，城市建成区范围越来越大，同时又有都市圈1h的通勤时间要求，因此，对市域快轨的速度要求逐渐提高，在既有120～160km/h的市域快轨技术标准基础上，进一步考虑都市圈空间、服务范围、走廊特征、车站接驳等方面，建立“宏观-中观-微观”的分析体系(表3)，分别从城市空间与圈层、走廊、车站服务范围3个角度，构建市域快轨功能分析的整体架构体系。表3市域快轨功能研究思路与层次2.2.1宏观-城市圈层与结构(1)服务范围由于速度160～200km/h的列车平均旅速更高，市中心至外围的可达范围相应提高，并通过与多条城市轨道换乘，实现高效的内通外联目标。在图1所示的城市圈层服务范围中，市域快轨主要服务范围是都市圈，对于160～200km/h的市域快轨来说，其覆盖半径可达100km，能够服务部分城际之间的客流。图1中心城区、都市圈、城市群服务范围(2)多层次轨道网络结构性分析随着城市结构的变化、综合立体交通网的发展，“多层次”“多网融合”成为促进都市圈一体化的重要举措，根据图1的城市空间结构，确定不同层次轨道交通服务范围如图2所示。图2多层次轨道与城市空间融合关系各层次轨道技术标准、运营特征、工程条件、敷设方式差异较大，应因地制宜，并结合需求特征、走廊条件、空间距离、沿线人口与就业岗位分布、国土空间规划、城市群/都市圈空间结构等因素综合确定。根据上述宏观功能定位，确定各层次轨道适宜辐射范围如图3所示。对于160～200km/h市域快轨的实际旅速，其辐射范围可达100km，与城际铁路功能有一定重合，并通过与城市轨道衔接，达到内通外联的目标[7]。图3多层次轨道对应服务范围2.2.2中观-市域走廊功能(1)考虑既有铁路利用的可行性在我国中长期铁路网规划的“八纵八横”铁路骨架网里，有部分设计速度为200～250km/h的国铁线路。为提升服务标准，目前已经在部分既有通道上建设或规划设计速度350km/h的高速铁路，新建线路运营后，原国铁线路的运能将得到释放。由于原标准的国铁线路与160～200km/h的市域快轨标准较为匹配，可利用其富余运能开行市域列车[8-9]。以沿海厦漳泉—汕潮揭通道为例(图4)，既有厦深铁路设计速度为250km/h，为提升沿海通道服务水平，时速350km标准的福厦漳高铁、汕汕高铁已经在建，漳汕高铁正在规划并计划于“十四五”期间开工，待新建线路运营后，则可利用原厦深铁路富余运能开行公交化市域(郊)列车，与新建高铁实现“快+慢”的复合功能通道，通过在既有线路上适当增加铁路乘降所，扩大覆盖范围，实现挖潜扩能，以更少的成本解决市域出行需求、带动沿线发展。图4利用既有线富余运能开行市域列车案例(厦深铁路与漳汕高铁)(2)市域快轨与其他同走廊轨道的关系由于市域快轨连接了中心城区与外围组团，在市区内承担部分城市轨道交通功能，但是在外围则又与城际铁路功能重合，对其互联互通、包容性提出了较高要求。在“多网融合”的角度下，市域快轨与各层次轨道交通关系梳理如下。①国铁干线国铁为都市圈与城际、省际交流的通道，承担省域的商务、旅游、探亲客流，以及部分城际客流。对于160～200km/h的市域快轨来说，其覆盖范围可达到100km，相比于国铁的大站快车、铁路枢纽进入中心城区、点对点的特征，市域快轨更多是对沿线组团、区县、新城的覆盖，带动沿线发展，提供差异化服务。②城际铁路既有TB10623—2014《城际铁路设计规范》明确城际铁路设计速度标准为120～200km/h，站间距为5～20km。随着运营、车辆技术的发展，城际铁路速度标准可提高至250km/h，具备与国铁互联互通的条件。从技术标准角度看，随着城市范围逐渐扩大，市域快轨与城际铁路有功能上的重合[10]。结合客流特征，城际铁路以城市间的商务客流为主，而市域线以市域范围的通勤、生活性客流为主。城际铁路作为国铁的局部加密线路，多个城市群之间的城际铁路可以联系成网、互联互通，即图2所示的城市群范围；而市域铁路更多以某一个核心城市为中心向外辐射，可根据需求进行互联互通，即图2所示的都市圈范围，向城市群范围适当延伸。③城市轨道城市轨道速度目标值一般为80～120km/h，主要在中心城区布设，超长线路可延伸至都市圈范围。参考图2所示的多层次轨道网布局，市域快轨在中心城区范围内与多条城市轨道换乘，并向外放射。因此，城市轨道起到接驳、加密、疏散客流的作用。此外，城轨与市域快线功能不同，部分区段可考虑共廊道、多点换乘，例如成都市轨道交通1号线与18号线；同时，为提高网络化运营效益，可在有条件的线路开行双流制列车，使市域快轨与城市轨道贯通运营[11]。④中低运量轨道中低运量轨道为大运量地铁制式的加密功能线路，可在中心城区地铁未覆盖区域、外围区域、新城敷设中低运量轨道，特别是智轨、有轨电车制式，通过与市域轨道车站衔接，提高车站服务能力，适应市域车站辐射范围的接驳需求。(3)速度目标值①分区研究，外快内慢市域快轨优先解决中心城区与外围区域、都市圈整体的长距离出行需求，因此，市域快轨必然要引入中心城区，且与城市轨道形成多点换乘的布局，并形成相对独立的片区，如图5所示。图5市域快轨速度目标值分析由于城市轨道站间距短、线网布局较密，中心城区部分的市域快轨站间距较小，平均旅速也将受到影响。因此，对于该标准下的市域快轨来说，速度目标值应按区域分类分析，根据城市空间结构、需求差异确定不同区间的速度目标值，实现“外快内慢”的目标。在市区内，线路承担的是收集客流、城市轨道交通的部分功能；而到了城区外围，才真正起到辐射、延伸的功能，满足长距离运输需求，结合图5所示的服务范围，在外围新城、县城、组团，宜设置1～2处车站，并通过中低运量轨道、常规公交、慢行交通进行接驳[12]。②多中心、多网融合的考虑在交通强国战略规划的“123交通出行圈”目标中，提出都市圈“门到门”1小时通勤圈，通常1小时通勤圈范围，包括中心城区、新城、组团，以及各层次轨道交通网，通过梳理国内多个城市的市域线布局特点，整理出图6所示的空间布局。图6市域快轨速度目标值分析对于速度160～200km/h的市域快轨来说，在都市圈至城市群范围与国铁有部分重合。在图6所示的布局中，国铁线路串联中心城区的铁路枢纽1、枢纽2，再抵达外围的铁路枢纽3；市域线连接中心城区的片区B与外围组团。受站间距、速度目标值因素影响，国铁点到点的时间快于市域线，以我国目前各都市圈的规模，高铁已能够满足1小时出行圈目标。对于市域线来说，其主要功能是支持沿线发展并收集客流，可根据客流预测结果分析列车运营计划，因地制宜设置越行、快慢车，提高市域列车时间目标。因此，在多层次网络布局下，市域快轨相比于国铁起到加密、支撑沿线发展、与地铁换乘并疏散客流的作用，应根据速度目标值、沿线用地发展设置合适的站间距，并设置合适的越行站与快慢车运营计划。若为达到1h或30min目标值而盲目提速、减少车站，既未达到国铁车站进入市区、快速的目标，也损失了沿线的客流。(4)服务水平市域快轨设计标准越高，其服务范围越大，在大范围的组团、对外枢纽间，商务、旅游客流比例提高，同时由于市域快轨的互联互通、跨线运营优势，其实际运营线路长度可超过规划的单条线路长度，类似国铁的运营模式，运营时间可根据运营计划确定。因此，该部分客流对舒适度、行李空间要求更高，160～200km/h市域快轨站立标准也应适当提高，宜采用3～4人/m2的站立标准，对于具有机场线功能的市域快轨在部分车厢可提高至2人/m2，并增加座椅数量、设置横排座椅、增设行李架，并可考虑设置卫生间。2.2.3微观-车站服务范围按站间距与设计速度适应关系、达速比，该速度目标值下的站间距宜采用8～15km，对应的车站半径服务范围则超过5km，该距离远大于一般城市轨道交通车站服务范围(图7)。地铁线路服务的800m范围内，一般为数个地块构成的CBD或片区中心。而5～10km的范围则可包含一个新城、县城规模的区域，并有多个CBD或片区中心。同时，该范围超过慢行交通的适宜出行范围，车站则需要通过常规公交、小汽车等机动化交通进行接驳，通过多层级、多方式的综合交通网实现拓展车站服务范围的目标[13]。图7各层次轨道车站服务范围2.2.4小结上述几个方面，是160～200km/h市域快轨功能定位差异化分析的重点，能够反映其快速通达需求、服务水平要求、线网辐射范围、车站覆盖范围特征，并在多网融合的背景下对各层次轨道竞合关系进行梳理。3需求特征分析市域快轨与城市轨道交通的客流特征有较大差异，其服务客流特征兼有城市轨道与城际铁路特征[14-15]，既服务外围组团、远郊长距离的通勤客流，也兼顾城市群范围的商务、旅游、探亲客流，在前置条件分析、客流模型、客流结果、敏感性分析等方面均应建立符合自身特点的预测体系。3.1分析思路结合上述功能分析，市域快轨160～200km/h的需求特征分析思路框架如图8所示。图8市域快轨需求分析思路框架3.2前置条件分析3.2.1城市空间结构城市轨道交通服务中心城区，其城市结构为连片发展；而市域快轨服务范围为都市圈、城市群(图1～图3)，其需求特征与连片用地有较大差异，应明确城市发展轴线、主要客流廊道与线路功能的匹配性，该方向是否为承担快速出行功能，沿线组团分布、组团规模、空间距离能否支撑市域快轨线站位布局。3.2.2综合交通体系该标准下的市域快轨功能及服务范围必然与国铁、城际铁路有部分重合，目前我国大部分都市圈引入铁路枢纽较为完善，基本能够服务外围新区与远郊组团；此外，国家“八纵八横”高铁网、“79118”高速公路网基本完备，城市对外主要发展轴线上均已布设多种交通方式。在上述前提下布局市域快轨的要点为：差异化服务，提供加密、服务沿线组团、与其余轨道线路互联互通等功能，综合考虑市域线与高铁、城际、高速多方式的竞合关系[16]。3.3建模基础3.3.1交通小区交通小区是建立需求模型的基础，城市轨道客流预测的交通小区是在综合交通网、用地性质、自然因素的基础上，以城市轨道的线站位布局特点进行划分。而市域快轨客流预测过程中，应重点以大范围的通道分析为主，并针对市域快轨的站间距、服务范围对原交通小区进行适当调整与归并，既能反映市域快轨的交通特征，也能减少非必要的建模工作量，如图9所示。图9市域快轨交通小区划分原则中心城区部分，在原小区基础上结合车站分布进行合并形成中区；非建设用地可统一合并为一个小区；重要客流集散点，包括铁路枢纽、航空枢纽、旅游景区等，按一个小区绘制；外围组团可根据城市规划范围、车站布局进行小区绘制。3.3.2交通网络建立市域快轨与其他交通网络关系如图2、图6所示，一方面在中心城区、外围组团，应建立城市轨道交通、中低运量轨道交通构成的轨道网，以及组团内部的接驳网络；同时，在中心区与外围区域之间，建立多方式的交通走廊模型及参数。在确定市域快轨参数的同时，应引入同通道内国铁、城际铁路的参数，包括候车时间、换乘时间、票价、行程时间、发车间隔等，以区分其差异化服务特征。道路系统在既有城市道路网基础上，除了设计时速、通行时间、通行能力、阻抗参数以外，对于市域同一通道的高速公路，结合其收费情况，应增加费用参数。3.4预测模型特征由上述功能分析可知，市域快轨服务范围更大，除服务城区通勤、上下学客流以外，还服务远郊的长距离通勤、商务、旅游客流。市域范围通道上不同需求特征、交通方式决定了该通道的交通分布为“市区+通道”的特征[17]，该特征是分析市域通道的关键，通过将中心城区、外围组团以及通道组合为一个整体，从大区域、综合交通的角度考虑OD分布，其思路如图10所示。在市域线服务范围，中心区A与外围组团B/C通过通道连接，A、B、C分别有k、n、m个交通小区，如图10(a)所示，各大区内部的出行分别由a11～akk、b11～bnn、c11～cmm表示，大区之间的出行用Q表示，如图10(b)所示。图10“市区+通道”交通分布考虑市域线相比于城市轨道具备的通道、走廊、长距离特征，为明确主要功能，其预测模型应按“市区+通道”的组合模式进行分析[18]。通过该模型分析能够更好地区分市域快轨与城市轨道用地连片区、国铁点对点服务特征的区别。在图10(b)所体现的OD矩阵中，中心城区、组团内部可以参照图9的原则适当细化，以反映市区与城市轨道换乘并收集客流精度为宜进行归并；而在市域层面，则应重点测算大区之间的通道量Q，以反映走廊特征为主，弱化小区之间的交换量。由上述“市区+通道”组合模型可以看出，市域快轨客流分析应综合考虑城市轨道、国铁特征。160～200km/h设计标准的市域快轨速度优势较其他城市轨道交通更为明显，特别是对于市区到外围点对点的需求，通过设置越行站开行大站快车，确保市域快轨的准时性、速度优势进一步体现。与国铁线站位布局特征类似，市域快轨的站间距决定了车站一体化衔接的重要性，而部分新城、组团可能仅设置1处市域车站，其接驳设施则需解决整个区域的出行，接驳效率对出行效率、网络完整性影响较大。预测模型应结合综合交通网络并纳入车站的等候时间、换乘便捷性、接驳广义费用等因素，准确反映市域线特征。3.5结果分析轨道交通客流预测结果包括线网、线路、车站、换乘量等指标，本研究主要探讨市域快轨相关问题。3.5.1线网层面市域快轨作为都市圈轨道交通网络的重要层次，其客流预测与城市轨道为一张网，预测年限、成果深度要求均应与城市轨道客流预测成果深度保持一致。3.5.2线路层面线路层面的指标较多，是能体现市域快轨特征的重要环节，重点指标特征如下。(1)客流量级。由于市域快轨部分位于城区、部分位于郊区，结合目前国内已运营市域轨道客流情况，其整体量级小于城市轨道交通。在城区部分，客流断面较高，但仅有部分线路位于城区，其断面无法累积到较高的量级，市区部分的出行通过与其余城市轨道换乘完成。由于市域部分出行距离长，导致市域线的周转量、客流密度较高。(2)断面特征。作为连接外围组团、加密功能线路，并参考目前国内外市域线客流情况，其最高断面相比于市区骨干线低。由于市域线的收集客流、潮汐特征、需求方向性等特征，其客流断面由外围至城区逐渐累加，与常规的“纺锤形”呈现一定差异。(3)大区交换量。线路客流指标中为体现组团、片区级别之间的大范围客流特征，通常将全线几十个车站归并为数个群组，进而确定大区交换量。对于市域线来说，其大区交换量更为重要，可进一步明确中心城区与外围区域的需求关系。(4)时间分布。中心城区的用地分布较为均衡，而市域线承担内外联系的通勤功能决定其早晚高峰小时系数更高，可达20%～30%[19]。由于市域外围、远郊的乘客需按时在城区上班，其出发时间更早，因此，市域快轨外围车站的早高峰时间也应略早于城市轨道。结合图10所示的市域郊沿线组团特征，组团相比于城市轨道更具多样性，客流组成中探亲、旅游、休闲客流比例高，平峰时期、周末、节假日客流较多[20]。(5)运距与乘距。市域快轨连接多个外围组团，其起迄点也一般布设在客流集散点附近，参照国内外市域线客流特征，其平均运距占全线长度一半以上[19]。同时，多数旅客乘坐市域线进入城区仍需换乘其他轨道交通，因此，旅客乘距会进一步提高，以图10为例进行说明，运距主要体现为大区之间交换量Q，乘距既包括Q也包括换乘进入市区后的内部出行部分。3.5.3车站层面(1)重要节点。对于外围末端车站、交通枢纽、旅游景点、大型活动场馆等车站，应重点分析其客流总量、时间分布、高峰时间偏差、大客流冲击等问题，以真实反映客流特征，并为下一步运营组织、车站管理提供依据。(2)换乘客流。市域线与城市轨道的有效衔接，是体现市域线效率的重要环节，特别是对于外围区域大量通勤客流集中在少数车站换乘的情况，应着重研究各换乘站主要换乘方向、高峰小时大客流特征。此外，对于换乘客流、主要换乘方向的研究，可为市域线与其他线路互联互通提供数据支撑。(3)交通衔接客流。如前所述，市域线在外围车站数量有限、车站服务范围更广，在初步设计阶段，应对各车站的衔接方式进行深入研究，特别是机动化的交通方式接驳比例与规模，是确定一体化设施规模的基础。3.5.4敏感性分析从目前国内市域线客流情况看，大部分客流不甚理想，有必要进行敏感性及客流后评估研究。根据上述功能定位的研究，影响市域线客流主要因素为：都市圈规划中城市轴线发展情况、外围规划用地的发展、通道内各方式竞争、市域线票价、外围车站的一体化交通衔接完善程度等。4结论与相关问题讨论(1)本文结合市域快轨(160～200km/h)规范编制过程中的重点问题进行了深入研究，建立“宏观-中观-微观”的理论体系论述了市域快轨功能要点；以功能定位为基础，研究了市域快轨需求分析建模过程及预测结果特征，为下一步市域快轨服务水平提升、建设必要性与