铁路网规划理论方法存在问题及展望_刘牧涵.pdf

2023年第3期 总第173期2023年第3期 总第173期铁路网规划理论方法存在问题及展望*刘牧涵1，于 剑2，陆 瑶3，徐 通4（1、4 中国铁路经济规划研究院有限公司 助理研究员，北京 100038；2、3 中国铁路经济规划研究院有限公司 副研究员，北京100038）摘 要：铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，铁路网规划研究是铁路建设和发展的重要基础性工作。经过多年实践，我国铁路网布局已形成了一套较为成熟的路网规划理论体系和流程，在十余年来的路网规划工作中发挥了关键作用。然而，随着铁路网发展基础的根本性转变，铁路网规划工作也面临着重大变化，需要进一步丰富完善规划理论体系，以适应未来规划工作需要。在梳理总结铁路网规划既有理论方法的基础上，结合路网发展趋势，提出现有方法存在的问题与面临的挑战，并对规划理论方法进行研究展望，为更好开展铁路网规划工作提供基础。关键词：铁路网规划；理论方法；存在问题；展望文献标识码：A 文章编号：1004-9746（2023）03-0034-05*基金项目：中国铁路经济规划研究院有限公司基金课题“发达路网背景下路网规划方法创新研究”（2020YJJ03）；“十四五 铁路网规划发展研究”（2020QQ11）0引言自2004年开展 中长期铁路网规划 研究以来，我国铁路网布局结合铁路自身特点和基本国情，逐渐形成了一套成熟的路网规划理论体系和流程。2008年和2016年又分别开展了两轮行业中长期规划研究，中长期铁路网规划（2008年调整）和 中长期铁路网规划 相继批复实施，有力地推动了我国铁路建设发展。但随着铁路网的不断完善，发展形势的更高要求、发展重点的逐渐转变，现有方法体系仍然存在进一步丰富完善的空间。1铁路网规划方法综述在近几轮铁路网规划研究中，线网布局研究遵循“点线面”的系统性思路，主要包括节点选择、线网布局、网络优化等步骤（见图1）。图1 我国现阶段铁路网布局规划基本思路Problems and Prospects of Theoretical Methods of Railway Network PlanningLIU Muhan1,YU Jian2,LU Yao3,XU Tong4(1,4 China Railway Economic and Planning Research Institute Co.,Ltd.,Assistant Research Fellow,Beijing 100038,China;2,3 China Railway Economic and Planning Research Institute Co.,Ltd.,Research Associate,Beijing 100038,China)Abstract:Railway is the national economic artery,key infrastructure and major peoples livelihood project.And railway network planning study isan important basic work for railway construction and development.After many years of practice,the layout of Chinas railway network has graduallyformed a more mature theoretical method and process of railway network planning,which has played a key role in railway network planning for morethan ten years.However,with the fundamental transformation of the development basis of railway networks,railway network planning methods are alsofacing significant changes.In order to meet the needs of future planning work,the existing planning theory system needs to be further enriched and improved.Based on sorting and summarizing the theoretical methods of railway network planning,this paper puts forward the problems and challenges ofthe present methods combined with the development trend,and provides the research prospect of the planning theoretical methods to provide a basis forbetter railway network planning.Key words:railway network planning;theoretical methods;problems;prospectsPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning ResearchPlanning Research规划研究341.1 节点选择方法节点选择是铁路网布局的基础。网络节点所在地区政治、经济、社会等方面的特征决定了其在铁路网中的重要程度，而不同重要程度的节点对网络连通的要求也存在差异，布局一般优先考虑重要程度较高的点之间的便捷连通，进而考虑重要节点与相邻次重要节点之间的连通。目前主要采用节点重要度评价方法选择节点并划分层次1。铁路网络节点重要度的计算，需要采用主成分分析法对节点相关经济社会统计数据进行处理，将各节点包含的信息最大程度浓缩于一个新指标中，并将这一新指标作为各节点的重要度。获取节点重要度后，运用聚类分析方法可将节点划分为若干层次和类别。1.2 线网布局方法线网布局是铁路网布局的关键。节点层次划分后，充分考量各层节点的各种属性对网络连通的具体要求，分别构建用于实现不同功能的通路，一般基于多种驱动因素分层铺画出若干铁路规划网络拓扑图，再对图形叠加处理，得到铁路基础网布局方案，这种方法即为分层叠图的铁路线网布局方法。在考虑每种驱动因素具体铺画线网时，普遍采用网络最优树理论、交通区位线理论、线位重要度理论和“光带”覆盖理论2。最优树为带权路径长度最短的树。在铁路网的生成过程中，根据节点重要度及节点间的欧氏距离，计算各节点间的路段重要度，最优树即路段重要度最大的树，按网络最优树理论布设铁路线网，可以得到从中心节点到其他各节点重要度之和最大的布局方案。交通区位线理论的核心是在地理上标识出交通产生可能性最大的线路，铁路规划研究中，认为一次连接三个节点时，通路之间的夹角不应小于120，否则就应两两互连（参见图2）。该方法能够提高节点联通便捷性和线网布设效率。线位重要度理论运用重力模型思想，定量分析网络节点间的联系强度，在具有较强联系的节点间布设铁路。“光带”覆盖理论将铁路线路视为光源，向两侧照射光线形成光带，认为光带覆盖区域为铁路直接吸引范围，用于直观分析被规划线路覆盖的网络节或经济据点，为铁路线网布局方案的形成、优化和评价提供重要参考依据（参见图3）。1.3 网络优化方法网络优化是铁路网布局的重点。由于通过分层叠图法形成的基础网仅反映了可能的路网布局，规划方案的形成还需结合规划年度实现的可能性、项目的必要性和功能作用等对基础网进行优化。目前，网络优化方法主要为基于项目的优化，即以规划项目个体为研究对象，遵循一定的评判标准，以投资总额、建设时机等预设条件为约束，筛选规划项目的优化方法。铁路规划项目优选影响因素较多，通过建立包含网络重要性、能力重要性、经济重要性和政治重要性等四个方面、多个指标的评价指标体系，可对项目进行评价排序，重点采用的方法为专家评价法和综合评价法3（参见图4）。2铁路发展变化趋势2.1 由追求规模速度向更加注重质量效益转变随着铁路网规模的扩大，铁路瓶颈制约的供需图4 铁路规划项目综合评价指标体系铁路规划项目综合重要度网络重要性能力重要性政治重要性经济重要性覆盖节点平均重要度网络通达性路网能力增量项目线路能力利用率单位里程投资额投入产出比集聚效应国防应急扶贫国土开发民族团结图2 基于交通区位线理论的节点连接方法BBACAC120120图3 基于“光带”覆盖理论的铁路直接吸引范围铁路网规划理论方法存在问题及展望刘牧涵，于 剑，陆 瑶，徐 通352023年第3期 总第173期2023年第3期 总第173期矛盾逐渐化解，客货服务需求升级和铁路发展不平衡不充分之间的矛盾日益突出。未来铁路建设将由规模速度型转向质量效益型发展，更加注重高质量的投入产出，以基础设施高质量发展牵引和促进铁路建设、运营等全面高质量发展4。这就要求铁路网规划提出能够精准补齐短板、优化路网结构、提升整体效能的规划项目，形成更加科学的规划方案，从而有效提高供给侧质量。2.2 由构建通道为主向通道与城际、市域（郊）、专支线并举转变截至 2021年底，我国铁路网规模已达到 15万km，其中高铁 4 万 km5，普速铁路网主骨架基本形成，“八纵八横”高铁网加密成型，通道整体能力基本适应经济社会发展需求。未来铁路发展的重点将由路网的扩张逐步转向完善支脉系统、打通微循环转变。目前，城际铁路效能不高、市域（郊）铁路发展相对滞后，“前后一公里”仍不顺畅，随着城镇化发展进程的加快，城际、市域（郊）出行需求将进一步扩大，铁路发展的重心将由干线通道为主向通道、城际、市域（郊）铁路、专支线并举转变。2.3 由重客轻货向客货并重转变目前，我国高速铁路建成规模已超出 2016 版中长期铁路网规划 中提出的2025年目标，而普速铁路的建设则进程缓慢。从未来发展来看，一方面，国家逐步放松对铁路运价的管制，为铁路运价市场化形成和调整机制改革打下了坚实的基础；另一方面，“一带一路”、“双碳”、交通强国等国家战略和政策的实施，对进一步推动铁路货运融入现代物流，推进集装化发展、多式联运发展、专业化发展等提出了新的要求；同时，为解决某些地方在铁路建设中重高速轻普速、重投入轻产出等问题，国家明确提出要优化高速铁路与普速铁路结构，促进客运与货运协调发展6。这些支持政策必将推动铁路货运在新时代迎来新发展。2.4 由独立发展向多方式融合发展转变我国铁路规划建设长期以来都以独立发展为主，与其他运输方式融合不充分。2021年2月印发的 国家综合立体交通网规划纲要 中强调，为加快交通强国建设，在今后的规划建设中需要由各种交通方式相对独立发展向更加注重一体化融合发展转变7。这就要求铁路明确优势范围，在完善功能完备、层次清晰的基础设施网络，满足不同层次运输需求的基础上，加快以铁路车站为核心的综合客运枢纽以及物流中心建设，实现与其他运输方式便捷连接，更好发挥铁路骨干优势，提高综合交通运输效率。3现有铁路网规划方法存在问题3.1 项目布局与运输需求联系不强铁路项目建设的根本目的是更好满足客货运输需求、支撑经济社会发展和实现有效投资最大化，所以项目承担的客货运量是决定项目能否纳入规划的决定性因素之一。但在实际规划工作中，一方面，由于运输需求预测的影响因素多、工作量大、数据获取困难，在规划阶段难以实现对拟规划项目的运输需求进行准确的定量化分析；另一方面，项目承担的运量与路网结构直接相关，在规划方案尚未确定的情况下，难以预测拟规划项目的运输需求。基于以上两点，目前的项目布局方法对运输需求考虑不足，更多从节点重要度、线位重要度等角度进行布局，这就有可能导致规划项目难以准确支撑经济社会发展需要，或出现规划方案遗漏合理项目、规划项目运量支撑不足等问题。3.2 网络结构优化方法有待完善铁路建设成本与路网服务效果呈正相关关系，而路网规划则需要在控制规模和提升服务质量之间寻求平衡，实现网络结构的最优化。目前常用的规划方法重点关注节点的覆盖和与骨干网的衔接，而较少考虑网络自身结构的优劣对服务质量和效率的影响，导致部分节点之间连接效果有待提高。同时，网络最优树和交通区位线等经典理论的核心是用最少的线路实现网络连通，对连通效果考虑不足，在新的发展趋势下同样可能导致部分合理项目的缺失。3.3 运输通道优化方法相对薄弱在未来形势下，铁路网的发展将更加注重质量效益，这就要求对既有基础设施充分挖潜，增强规划项目在路网中的功能。由于以往开展规划研究时路网发展基础较弱，规划以增加覆盖、补强能力为重点考虑因素，对于已实现连通的运输通道难以通过定量化分析提出具有针对性的规划项目。同时，对于同通道内不同类型线路如高铁、城际、普速、市域（郊）之间的替代性、互适性分析方法存在欠缺，统筹考虑不充分，难以满足新时代铁路高质铁路网规划理论方法存在问题及展望刘牧涵，于 剑，陆 瑶，徐 通36量发展要求。3.4 规划方案优化方法亟待加强目前主要通过项目优选实现规划方案的优化，总体思路是建立项目评价指标体系，并对各指标测定打分后得出项目综合排序。一方面，这种方法因部分评判指标数据难以获取或测算难度较大，部分指标性质难以量化等原因，经常需要借助专家经验进行评判，如规划项目对国防、国土开发、国家战略等因素的支撑作用，对路网能力的提升等指标采用专家打分法标定，有时存在主观性较强的问题；另一方面，基于项目的优化方法仅面向规划项目个体，无法反映规划项目之间的关系，也难以准确衡量项目对路网整体效能提升所作的贡献。未来的路网发展将更加追求网络整体质量的提升和效益的发挥，现有的优化方法在客观性、科学性方面仍需加强。4铁路网规划方法展望4.1 理论方法方面4.1.1增强运输需求与规划方案的联系从项目布局的角度来看。受限于运输需求预测的工作量、数据获取可能性以及路网构成的不确定性，目前的规划方法难以在宏观规划层面实现对某一项目需求的定量化研判，也就无法判断拟规划项目是否有足够的运量支撑。针对这一问题，未来可以探索基于经济社会指标的项目运量匡算方法，通过大量数据分析，建立项目与网络节点经济社会指标间的关系。具体来看，将大量既有项目作研究样本，以项目在开通后各年度运量、区域路网构成等为基础，通过最短路分析明确项目在各年度的路网分工，并找到项目承担的运输交流所对应的网络节点，通过数学统计、数据发掘方法等研究各年度运量与上述节点间经济社会指标间的关系，并形成数学模型。采用该数学模型，结合规划研究阶段某一拟规划项目的路网分工和相关节点的经济社会指标，即可匡算出项目大致运量，为规划决策提供量化参考依据。从区域路网优化角度来看。由于路网复杂度不断提高，进行运量分布预测难度显著增加，因此在目前的路网规划实践中，仅在路网构成初步确定后进行一次分布预测，得到各OD小区间的交流量。但很显然，运量分布与路网构成紧密相关，当规划方案优化调整时，运量分布也将同步出现变化，这就导致仅进行一次分布预测无法分析调整后的规划方案对运输需求的满足情况。因此，未来在进行路网优化时，可以探索形成路网构成与运量分布的联动调整机制，进一步强化运量与方案的联系，提高规划方案的合理性。4.1.2建立数学模型进行网络优化在规划方案优化时，主要采用基于项目的优化方法，即对单一项目进行优劣排序。为提高规划方案的科学性和可信度，未来的方案优化需要强化网络分析和定量分析，通过探索建立数学模型进行基于网络的方案优化，即采用最优化理论方法，求取满足约束条件并使目标函数最优的规划项目构成，从而实现对项目集群的优化分析。目前，已有学者提出了基于路网整体的铁路规划项目优化数学模型1，但由于理论性较强、相关参数标定困难等原因，在以往的规划研究工作中并未使用，还需要从应用层面进一步对优化方法进行探索。具体来看，可以将表示项目是否纳入规划的0-1变量作为决策变量，根据发展目标和重点灵活设置目标函数，并根据模型考虑的因素设置约束条件。可以从不同视角建立数学模型进行网络优化，例如用户角度更加关注运输成本，需要将最小化旅行时间、运输费用等作为目标，以规划总规模或投资总规模作为约束条件；而建设者更加关注投资成本和收益，可以将最大化投资收益率为目标，并将客货运输成本控制在一定水平；此外，也可将建立多目标函数实现系统的最优。4.2 研究手段方面4.2.1采用大数据技术强化数据支撑铁路规划研究涉及经济社会、产业布局、城镇化分布、人口流动特征、客货运输需求等各方面因素和海量数据，适宜采用大数据方法开展研究，但在以往规划实践中，由于大数据分析技术发展及其在铁路行业的应用不够成熟，加之数据获取成本较高或信息获取存在壁垒，大数据技术在铁路规划研究中应用尚不深入，是未来探索研究的重点方向之一。从铁路自身来看，铁路系统拥有涵盖工程建设、运输组织、经营管理、客货运量等在内的海量数据；从外部数据来看，包含国家战略和政策、经济社会、地理环境、重点产业布局与产量等与网络节点铁路网规划理论方法存在问题及展望刘牧涵，于 剑，陆 瑶，徐 通372023年第3期 总第173期2023年第3期 总第173期相关的大数据，手机信令、基于位置的服务数据（Location Based Service,LBS）等基于交通出行群体的大数据，以及高速公路OD、营运大巴开行、各类货运公司业务情况等海量综合交通数据等等。根据以上数据，采用数据挖掘分析软件，一是能够挖掘铁路数据与外部数据的相关性与变化规律，研究铁路项目建设或路网结构完善与国家战略实施的关系、与经济社会发展的关系、对产业布局的影响等，为项目布局和规划方案评价提供参考依据；二是通过挖掘交通出行群体数据和综合交通数据中隐含的规律，例如城市对外交流规律、乘客出行喜好、客货运输实际流向，为分析铁路潜在运输需求等奠定基础；三是应用上述海量数据，结合基于GIS的铁路网管理信息平台8等，能够实现运输径路比选分析、铁路网指标测算、项目沿线经济指标分析等，并建立系统全面的量化评价指标，客观科学地进行项目比选9。4.2.2利用计算机手段辅助规划研究在复杂网络条件下，若要进行规划方法的创新和探索，需要辅以大量的数据计算和定量化分析，人工研究单一手段已无法满足精度和时效性要求，必然需要借助计算机实现大规模自动运算。铁路网规划的本质是网络规划，为将实际问题转化为数学问题、便于计算机储存和分析，首先要加快构建既有铁路的标准拓扑网络结构，形成直观清晰、逻辑明确的抽象结构化网络，确保连接关系准确无误。特别是细化铁路枢纽内联络线的设置、各线路在节点上的衔接方向等，并集成线路建成年度、里程、技术标准、运输能力等基本属性数据，为实现大规模运算建立基础条件。借助既有铁路拓扑网，结合运量数据，可以进行准确的路径搜索、运输径路调整、客货流量分配、能力计算分析等重要工作，为路网规划研究提供支撑；加载规划项目后，即可实现对规划方案的路网通达性、能力适应性等各类指标的测算分析，满足不同规划方案优劣对比、网络优化分析等规划研究需要；同时，将路网拓扑结构转化为邻接矩阵，构建最优化数学模型，结合 MATLAB、Gurobi、Cplex 等软件可实现最优化问题求解。5结语我国铁路网规划虽然已在多轮规划中形成了一套较为完整的理论方法体系，对指导铁路科学有序建设提供了坚实支撑，但网络的高质量发展永无止境，铁路网规划理论方法体系仍然需要根据外部环境和铁路自身发展要求不断创新、丰富和完善。采用翔实的基础数据和先进的技术手段进行规模化、网络化、定量化分析将是未来规划方法的必然发展方向，从而将适应内外部条件变化的发展理念转化为科学合理的路网规划方案，为实现铁路网高质量发展和更好支撑经济社会发展提供理论依据。参考文献1 周荣征.中长期铁路网规划布局及优化方法研究D.成都:西南交通大学,2011.2 黄民.铁路网规划理论与实践M.北京:中国铁道出版社有限公司,2021.3 刘文宪.铁路规划项目优选方法研究D.成都:西南交通大学,2013.4 陆东福.奋力推动铁路高质量发展 确保“十四五”开好局 以优异成绩庆祝中国共产党成立100周年Z.北京,2021.5 国家铁路局.2021年铁道统计公报Z.北京,2022.6 国务院办公厅.关于进一步做好铁路规划建设工作的意见Z.北京,2021.7 国务院.国家综合立体交通网规划纲要Z.北京,2021.8 于剑,梁栋,刘昕宇.铁路网管理信息平台规划研究J.铁道经济研究,2020(5):28-32,38.9 中国铁路经济规划研究院有限公司.基于大数据的路网规划项目优选方法研究R.北京:中国铁路经济规划研究院有限公司,2020.（责任编辑：魏艳红）（修回日期：2023-05-05）铁路网规划理论方法存在问题及展望刘牧涵，于 剑，陆 瑶，徐 通38