CN105225004A - 城市群城际铁路线网的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市群城际铁路线网的构建方法。现有的路网构建方法未考虑区域的分类特征对线网规划的影响以及城际铁路线网的层次性，定性判断结果居多。本发明选择主要的路网节点；选取反映节点重要性的关键指标构建重要度模型，计算节点的重要度，并以此为依据采用聚类分析法对节点进行层次划分；计算节点之间连接线路的重要度，筛选出满足综合联系约束的节点对，并按照建设紧迫度的大小依次进行连线，得到初始架构方案；网络完善与优化后建立线网架构模型。本发明采用定性分析与定量计算相结合的方法系统分析城际铁路线网架构的关键影响因素，实现主要影响因素的量化处理，提高了构建结果的科学准确性。

Description

城市群城际铁路线网的构建方法

技术领域

本发明属于轨道交通规划技术领域，具体涉及一种城市群城际铁路线网的构建方法。

背景技术

城市群城际铁路线网构建，是指在城市群空间范围内构建层次性的城际线路，连接分散的空间节点，并根据地理区位特征合理选择线路走向，即设法用逻辑的供给线去沟通点和面上的运输需求，实现运输供需在空间上的平衡。城际铁路线网结构应该协调于城市群的空间分布特征，并与城市群总体发展规划、综合交通规划合理衔接，呈现出网络性、独立性、交互性等特征，因此需要适宜的构建方法予以技术支撑。现有的路网构建方法较多，皆选取影响线网布局的关键要素为主线进行，但未考虑区域的分类特征对线网规划的影响以及城际铁路线网的层次性特点，以定性判断结果居多；而城市群是结构特征鲜明的实体，对路网规划提出新要求，需要从理论上探索有效的、定量判断的构建方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市群城际铁路线网的构建方法，提高城际铁路线网确定的合理性和适应性。

本发明所采用的技术方案是：

城市群城际铁路线网的构建方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：节点选择与层次划分：

根据节点的发育程度、枢纽性质、政治地位的综合因素选择主要的路网节点；

选取反映节点重要性的关键指标构建重要度模型，计算节点的重要度，并以此为依据采用聚类分析法对节点进行层次划分；

步骤二：线路连接及调整：

（1）在得到各节点重要度的基础上，根据节点之间的空间距离距离，计算节点之间连接线路的重要度，定量化衡量各层次规划线路的重要性，进一步确定所有待连接节点对之间的线路建设紧迫度，按照从大到小的顺序依次排序；

（2）设定不同等级节点之间的综合联系阀值，筛选出满足综合联系约束的节点对，并按照建设紧迫度的大小依次进行连线，确定交通走廊的数量及空间走向，确定符合城市群空间发展战略的线网布局形态，得到初始架构方案；

步骤三：网络完善与优化：

根据主要交通走廊的分布特征以及既有线路的布局特征，对规划线路的空间走向进行合理调整，与既有通道有效衔接；

步骤四：构建城市群城际铁路线网架构模型：

以线路规划建设的紧迫度最大作为线路连接判断的目标，线网连通度满足要求为目标约束，考虑节点之间连接约束的限制条件建立线网架构模型，建立架构模型如下：

步骤一中，节点重要度的计算由以下步骤实现：

（1）根据路网节点发展的主要推动要素，选取反映节点相对重要性的关键指标，具体包括人口规模、经济总量、客货运量、行政等级、枢纽性质；

（2）根据各指标对节点地位的综合影响强度，建立节点重要度计算模型：

式中:

Z_i-第i个节点的综合重要度；

R_ij-第i个节点第j个可以量化的指标（经济、人口、可货运量）；

-城市群内各节点第j个指标的均值；

α_j-第j个指标的权重；

β_i-第i个节点的行政等级系数，具体按直辖市、副省级市、地级市以及县级市四个等级划分，等级越高、取值越大；

λ_i-第i个节点的功能定位系数，若节点具有枢纽节点性质、国防性质、资源性影响其功能定位的重要性质，则赋予其取值大于1的修正系数，否则取值为1。

步骤一中，采用聚类分析法划分节点层次由以下步骤实现：

（1）聚类分析法，即K-均值聚类分析方法，将n个数据对象给出K个划分，通过迭代把节点划分到不同的集合中，使集合内部节点之间的相似度很大，而集合之间对象的相似度很小；相似度根据一个集合内部节点对象间的平均距离计算得到；

（2）输入城市群内各节点的重要度值，根据城市群规模确定划分层次的数量，计算各节点重要度之间的距离，并将距离小的节点划分到一个层次，确定各层次的节点构成。

步骤二（1）中，线路重要度的计算由以下步骤实现：

线路重要度计算如下：

式中：

IP_ij-节点i与节点j之间的线路重要度；

Z_i、Z_j-分别为节点i与节点j的重要度；

l_ij-节点i与节点j之间的空间距离，km；

考虑影响线路规划的其它定性因素，如开发线路、资源型线路，对线路重要度进行修正，得到表征线路重要性的综合重要度：

式中:

k_ij-线路功能定位的修正系数，当线路的规划主要决定于其特殊性质判定时，取值大于1，否则取值为1。

步骤三中，线路空间走向的调整包括以下步骤：

（1）提取同一方向上的节点，若某个方向上的线路由多个路段连接而成，则将各个节点依次连接成边，去掉重复边；

（2）若节点对之间存在多条线路，在能力富余的前提下，以尽可能多的覆盖中间节点为原则进行归并，即判断线路之间的极坐标角之差，若其小于规定阀值，则认为两条线路功能、走向一致，进行归并。

本发明具有以下优点：

1、采用定性分析与定量计算相结合的方法系统分析城际铁路线网架构的关键影响因素，实现主要影响因素的量化处理，提高构建结果的科学准确性；

2、对线网架构要素进行系统分析，综合节点的发育程度指标以及功能定位指标建立节点重要度计算模型，确定节点选择及层次划分标准；根据节点之间的交流强度、线路功能定位设计线路连接机制，并根据线路重要度确定规划连接顺序，有效量化设计线路的相对重要性，实现节点到线路的合理过渡；

3、分析线路连接的主要目标以及线网规划的目标约束，综合城市群空间结构特征以及路网演化规律构建线网架构模型，并根据城市群的地理区位特征、通道布局现状调整线路的布局走向，实现线网结构与城市群空间结构的协同演化。

附图说明

图1是城市群城际铁路线网架构流程图；

图2是关中城市群城际铁路线网架构过程示意图；

图3是关中城市群城际铁路线网架构方案示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明针对城市群的空间特征，分析城际铁路线网构建的关键要素，在线网构建目标和约束条件的指导及约束下构建线网架构模型，并结合线网演化规律设计架构流程，对节点的选择及分类、线路的连接及分层、网络的优化及调整进行系统设计，以此得到适用于城市群空间特征的线网架构方案，而且能够根据城市群的分类特征进行调整，为城市群城际铁路线网构建提供有力的定量计算支持。

本发明涉及的城市群城际铁路线网的构建方法，分析路网结构的构成要素，包括具有可识别性的点、线、面区位要素，共同构成区域路网的空间相互作用系统；研究线网演化的一般流程，即按照节点等级将其依次加入到路网中，继而根据节点之间的关联强度建立连接关系而形成线路，直至不满足约束条件得到初始网络，最后根据区域的空间区位特征、现状路网布局形态进行调整优化，确定线网架构的基本模式为：节点选择、线路连接、网络优化。

本发明具体由以下步骤实现：

步骤一：节点选择与层次划分：

根据节点的发育程度、枢纽性质、政治地位的综合因素选择主要的路网节点；

选取反映节点重要性的关键指标构建重要度模型，计算节点的重要度，并以此为依据采用聚类分析法对节点进行层次划分。

节点重要度的计算由以下步骤实现：

（1）根据路网节点发展的主要推动要素，选取反映节点相对重要性的关键指标，具体包括人口规模、经济总量、客货运量、行政等级、枢纽性质；

（2）根据各指标对节点地位的综合影响强度，建立节点重要度计算模型：

式中:

Z_i-第个节点的综合重要度；

R_ij-第i个节点第j个可以量化的指标（经济、人口、可货运量）；

-城市群内各节点第j个指标的均值；

α_j-第j个指标的权重；

β_i-第i个节点的行政等级系数，具体按直辖市、副省级市、地级市以及县级市四个等级划分，等级越高、取值越大；

λ_i-第i个节点的功能定位系数，若节点具有枢纽节点性质、国防性质、资源性影响其功能定位的重要性质，则赋予其取值大于1的修正系数，否则取值为1。

采用聚类分析法划分节点层次由以下步骤实现：

（1）聚类分析法，即K-均值聚类分析方法，将n个数据对象给出K个划分，通过迭代把节点划分到不同的集合中，使集合内部节点之间的相似度很大，而集合之间对象的相似度很小；相似度根据一个集合内部节点对象间的平均距离计算得到；

（2）输入城市群内各节点的重要度值，根据城市群规模确定划分层次的数量，计算各节点重要度之间的距离，并将距离小的节点划分到一个层次，确定各层次的节点构成。

步骤二：线路连接及调整：

（1）在得到各节点重要度的基础上，根据节点之间的空间距离距离，计算节点之间连接线路的重要度，定量化衡量各层次规划线路的重要性，进一步确定所有待连接节点对之间的线路建设紧迫度，按照从大到小的顺序依次排序。

线路重要度的计算由以下步骤实现：

线路重要度计算如下：

式中：

IP_ij-节点i与节点j之间的线路重要度；

Z_i、Z_j-分别为节点i与节点j的重要度；

l_ij-节点i与节点j之间的空间距离，km；

考虑影响线路规划的其它定性因素，如开发线路、资源型线路，对线路重要度进行修正，得到表征线路重要性的综合重要度：

式中:

k_ij-线路功能定位的修正系数，当线路的规划主要决定于其特殊性质判定时，取值大于1，否则取值为1。

（2）设定不同等级节点之间的综合联系阀值，筛选出满足综合联系约束的节点对，并按照建设紧迫度的大小依次进行连线，确定交通走廊的数量及空间走向，确定符合城市群空间发展战略的线网布局形态，得到初始架构方案。

根据城市群的空间结构特征、空间发展策略以及交通走廊的构成、功能定位，综合定性分析以及定量计算的方法判断主要交通走廊的数量及空间走向，包括：

（1）采用宏观分析法，根据城市群各OD对之间的运输需求分布特征分析主要的客流方向，并结合城市群空间发展轴以及产业带布局，初步确定客运交通走廊的数量和布局走向；

（2）以定性分析结果为基础，采用“交通区位线法”、“出行期望经路图法”、“两部聚类法”综合分析城市群客运交通走廊，并通过分析客流集散区的就业岗位数与劳动力缺口，最终确定城市群城际铁路线网合理的布局走向。

线网布局形态包括：

（1）城市群的空间形态可以划分为单中心放射型、双中心延长型、多中心混合型、交通走廊型以及复合型几种；其空间演化模式包括点—轴演化、全局演化、全局+局域演化几种；

（2）总结既有的路网布局形态包括放射+环状、主轴+辅轴、主轴+放射、网络化布局几种结构，结合城市群的空间分布特征进行合理选择。其中，单中心放射型城市群主要采用放射+环状的布局形态，双中心延长型城市群一般采取主轴+辅轴的布局模式，多中心混合型城市群采用主轴+放射的形态结构，交通走廊型城市群主要是轴向布局模式，而复合型城市群的布局模式多样化，涵盖放射+环线、主轴+辅轴、轴+环等多种布局形态；

（3）根据城市群内核心节点的分布特征以及选定的布局形态，粗略确定城际铁路线网的物理框架。

步骤三：网络完善与优化：

根据主要交通走廊的分布特征以及既有线路的布局特征，对规划线路的空间走向进行合理调整，与既有通道有效衔接.

线路空间走向的调整包括以下步骤：

（1）提取同一方向上的节点，若某个方向上的线路由多个路段连接而成，则将各个节点依次连接成边，去掉重复边；

（2）若节点对之间存在多条线路，在能力富余的前提下，以尽可能多的覆盖中间节点为原则进行归并，即判断线路之间的极坐标角之差，若其小于规定阀值，则认为两条线路功能、走向一致，进行归并。

步骤四：构建城市群城际铁路线网架构模型：

以线路规划建设的紧迫度最大作为线路连接判断的目标，线网连通度满足要求为目标约束，考虑节点之间连接约束的限制条件建立线网架构模型，建立架构模型如下：

具体包括：

（1）连接变量设计。线网架构即是判断城市群内节点之间连接关系的过程，以0-1决策变量x_ij表示节点间的连接关系，取值为1时，表示节点i与节点j之间连通，取0则表示未连通；

（2）优化目标选取。城市群内的节点数量多，需求分布较为离散。在一定的约束条件限制下，不能在所有节点之间均规划连接线路，而应该优先保证重要线路的规划，优先覆盖主要方向上的客流需求。选取反映线路综合功能的线路重要度及线路服务水平，构成线路建设紧迫度，以其作为优化目标。

式中:

JP_ij-节点i与节点j之间的线路建设紧迫度，

、-为线路综合重要度以及线路服务水平所占的权重；

—所有节点对之间线路重要度的平均值；

O_ij-节点间线路上的运输需求；

C_ij-线路供给能力的大小；

（3）约束条件判断：

1）线网连通度的目标约束：

连通度是衡量路网技术性能的重要指标，规划线网应该有效满足城市之间的联系需求，线网连通度达到与城市群结构匹配的目标值。同时，由于考虑因素繁复、判断过程复杂，城市群城际铁路线网架构难以得到最优的布局方案，而是在综合各方面影响因素的基础上确定的合理的布局方案，因此将规划线网连通度满足目标值作为判断方案合理性的依据。

式中:

C-线网连通度；

L_ij-节点i与节点j之间的线路规模；

K-线路的非直线系数；

A-城市群的空间面积；

N-城市群内的节点总数；

C_N-线网连通度的规划目标值;

2）综合联系值约束:

城际铁路线路的规划建设存在条件限制，一方面运输需求是主要推动因素，当节点之间的运输需求量达到标准时，才考虑线路的规划；另一方面城市之间存在较强的经济联系，间接推动线路的规划建设。因此综合节点之间的经济吸引强度和运输需求量确定综合联系值，作为节点之间线路规划的判断依据，并且不同等级节点之间的标准取值不同。

式中：

T_ij-由节点之间的需求量和经济吸引强度确定的综合联系值；

G_ij-节点之间的经济吸引强度；

α_i、β_i-需求量及经济吸引强度的影响权重；

、-需求量及经济吸引强度的平均值；

f_i-其它节点与节点i之间综合联系值的最低标准值；

3）节点的连通性约束：

从网络构建的角度出发，考虑路网的连通性及完整性，不应该出现孤立的节点，因此最终确定的方案应该保证每个节点至少有一条线路连接。

以关中城市群为例进行分析，设计其线网架构方案，按以下步骤进行实施：

（1）结合城市群的综合发展情况，选取12个节点作为路网中的关键节点。覆盖宝鸡、西安、渭南等节点的东西走向的陇海通道成为主要的交通走廊，成为线网结构的支撑。基于对城市群空间结构的分析，其主要呈层次性的放射状分布，因此线网布局形态以放射状为主。根据城市群的发育程度以及对城际铁路线网规划的需求，确定线网连通度的规划目标值为1.

（2）根据节点重要度的计算公式，确定各节点的重要度，并将其划分为三个层级，西安为一级节点，宝鸡、咸阳、渭南三个城市为二级节点，其与城市为三级节点；

（3）根据节点间的线路重要度以及各路段的服务水平，计算各节点对间线路的建设紧迫度，为线路规划连接顺序判定提供依据；

（4）按照节点的等级依次将节点先后纳入到路网中，并根据节点间综合联系值的约束构建连接线路，若一个节点与多个节点可以连接，则按照线路建设紧迫度的大小依次进行判断，得到初始架构方案。在线路连接过程中将功能相似、走向相同的线路进行有效合并，对方案进行进一步的调整。

考虑关中城市群内各等级节点之间的差距较大，不同节点之间的联系强度也存在较大差异性，因此各等级节点间连接标准的设定也不同，具体设置如下：一级节点与二级节点之间的联系值标准为5；二级节点之间的联系值标准为1；一级节点与三级节点间的联系值标准为2；二级节点与三级节点间的联系值标准为0.8；三级节点之间的联系值标准为0.3。

1）一级节点进入路网中的连接关系判断

关中城市群内只有西安一个一级节点，不存在一级节点之间的连接，因此将其作为与其它节点间连接的基础节点。

2）二级节点进入路网中的连接关系判断

按照节点重要度的大小将二级节点依次纳入路网中，此时存在一级节点与二级节点之间、二级节点之间的线路连接，在约束条件下，依次按照节点对之间的紧迫度大小建立连接，线网连接情况如图2所示。

关中城市群内的二级节点较少，且主要沿既有的陇海线分布，其中宝鸡—西安、咸阳—渭南间均存在较大的联系，但是咸阳与西安之间的距离较近，一定程度上可看做是一个节点，因此考虑平行线路的功能以及空间走向，在既有线路分布特征的基础上调整布局走向，构成线网中的一条主轴。

3）三级节点进入路网中的连接关系判断

相对来说，三级节点的数量较多，节点之间的关系判断也更加复杂，存在一级节点与三级节点之间、二级节点与三级节点之间以及三级节点之间的线路连接，依次确定其与各级节点之间的线路连接，并结合节点间的空间关系判断线路的空间走向，确定线网连接示意图如图3所示。

由图3可知，节点之间连接关系确定后形成的线网结构已经趋于完善，呈现出“核心区域集中、边缘区域分散”的特征，其中，围绕核心节点形成的核心区域内节点之间的连接关系比较复杂，而位于城市群边缘的各个节点仅与联系紧密的一级或二级节点之间连接。线网结构整体上呈放射状分布，几个影响较大的节点构成不同层次的中心，形成的线网结构能够有效覆盖到主要的节点。

4）布局方案完善。从以上布局方案图可知，所有节点之间均有线路连接，不存在孤立的节点；进一步计算线网连通度为1.1539，满足目标约束。同时，根据关中城市群的空间发展规划，以上架构方案有效覆盖了城市群发展规划中的主要轴线，因此确定线网架构方案图如图3所示。

关中城市群的城际铁路线网架构方案以客流特征为基础，并在城市群空间结构的基础上呈放射状的分布特征，中心城市西安与其它方向上的城市间均保持紧密的联系，充分发挥核心城市的经济带动作用，特别是建立了与发展偏落后的北部地区之间的联系，能有效提升其综合发展水平。

特别地，案例中选取的节点数量有限，随着更多节点的进入与连接，线网的规模会进一步扩大，但不影响骨干线网的布局特征。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.城市群城际铁路线网的构建方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：节点选择与层次划分：

根据节点的发育程度、枢纽性质、政治地位的综合因素选择主要的路网节点；

选取反映节点重要性的关键指标构建重要度模型，计算节点的重要度，并以此为依据采用聚类分析法对节点进行层次划分；

步骤二：线路连接及调整：

（1）在得到各节点重要度的基础上，根据节点之间的空间距离距离，计算节点之间连接线路的重要度，定量化衡量各层次规划线路的重要性，进一步确定所有待连接节点对之间的线路建设紧迫度，按照从大到小的顺序依次排序；

（2）设定不同等级节点之间的综合联系阀值，筛选出满足综合联系约束的节点对，并按照建设紧迫度的大小依次进行连线，确定交通走廊的数量及空间走向，确定符合城市群空间发展战略的线网布局形态，得到初始架构方案；

步骤三：网络完善与优化：

根据主要交通走廊的分布特征以及既有线路的布局特征，对规划线路的空间走向进行合理调整，与既有通道有效衔接；

步骤四：构建城市群城际铁路线网架构模型：

以线路规划建设的紧迫度最大作为线路连接判断的目标，线网连通度满足要求为目标约束，考虑节点之间连接约束的限制条件建立线网架构模型，建立架构模型如下：

。

2.根据权利要求1所述的城市群城际铁路线网的构建方法，其特征在于：

步骤一中，节点重要度的计算由以下步骤实现：

（1）根据路网节点发展的主要推动要素，选取反映节点相对重要性的关键指标，具体包括人口规模、经济总量、客货运量、行政等级、枢纽性质；

（2）根据各指标对节点地位的综合影响强度，建立节点重要度计算模型：

式中:

Z_i-第个节点的综合重要度；

R_ij-第i个节点第j个可以量化的指标（经济、人口、可货运量）；

-城市群内各节点第j个指标的均值；

α_j-第j个指标的权重；

β_i-第i个节点的行政等级系数，具体按直辖市、副省级市、地级市以及县级市四个等级划分，等级越高、取值越大；

λ_i-第i个节点的功能定位系数，若节点具有枢纽节点性质、国防性质、资源性影响其功能定位的重要性质，则赋予其取值大于1的修正系数，否则取值为1。

3.根据权利要求2所述的城市群城际铁路线网的构建方法，其特征在于：

步骤一中，采用聚类分析法划分节点层次由以下步骤实现：

（1）聚类分析法，即K-均值聚类分析方法，将n个数据对象给出K个划分，通过迭代把节点划分到不同的集合中，使集合内部节点之间的相似度很大，而集合之间对象的相似度很小；相似度根据一个集合内部节点对象间的平均距离计算得到；

（2）输入城市群内各节点的重要度值，根据城市群规模确定划分层次的数量，计算各节点重要度之间的距离，并将距离小的节点划分到一个层次，确定各层次的节点构成。

4.根据权利要求3所述的城市群城际铁路线网的构建方法，其特征在于：

步骤二（1）中，线路重要度的计算由以下步骤实现：

线路重要度计算如下：

式中：

IP_ij-节点i与节点j之间的线路重要度；

Z_i、Z_j-分别为节点i与节点j的重要度；

l_ij-节点i与节点j之间的空间距离，km；

考虑影响线路规划的其它定性因素，如开发线路、资源型线路，对线路重要度进行修正，得到表征线路重要性的综合重要度：

式中:

k_ij-线路功能定位的修正系数，当线路的规划主要决定于其特殊性质判定时，取值大于1，否则取值为1。

5.根据权利要求4所述的城市群城际铁路线网的构建方法，其特征在于：

步骤三中，线路空间走向的调整包括以下步骤：

（1）提取同一方向上的节点，若某个方向上的线路由多个路段连接而成，则将各个节点依次连接成边，去掉重复边；

（2）若节点对之间存在多条线路，在能力富余的前提下，以尽可能多的覆盖中间节点为原则进行归并，即判断线路之间的极坐标角之差，若其小于规定阀值，则认为两条线路功能、走向一致，进行归并。