基于引力場模型的城市軌道交通與城市發(fā)展的相關(guān)性

1、基于引力場模型的城市軌道交通與城市開展的相關(guān)性摘 要:城市快速軌道 交通 是一種快速、便捷、大容量的公共交通系統(tǒng),它不僅有效地緩解了城市的交通壓力,同時(shí)城市軌道交通的規(guī)模和線路走向也同城市的空間構(gòu)造 開展 親密相關(guān)。本文在對原有城市引力模型加以修正的根底上引入城市引力場概念,建立了城市軌道交通條件下以交通時(shí)間為根底的城市引力場模型,并對參數(shù)的 影響 因素和變化趨勢進(jìn)展了討論。最后以上海為實(shí)例,按建立城市軌道交通的時(shí)間順序繪制了不同時(shí)期城市引力場分布圖,提醒了城市軌道交通建立與上海開展的親密關(guān)系,指出規(guī)劃中的上海城市軌道交通網(wǎng)對形成“多中心的城市空間構(gòu)造具有積極的促進(jìn)作用。關(guān)鍵詞:城市軌道交通;

2、城市開展;引力場模型;出行時(shí)間城市的開展形態(tài)與城市地理位置、人口分布、交通狀況以及 經(jīng)濟(jì) 開展等諸多因素有關(guān),特別是城市的公共交通體系對大型城市的開展有重要的影響,自從1863年倫敦建成第一條地鐵以來,許多大型城市都修建了興隆的城市軌道交通系統(tǒng),它不僅有效地緩解了城市的交通壓力,同時(shí)對城市的空間構(gòu)造開展也起到了積極的引導(dǎo)作用,這些城市的經(jīng)歷告訴我們在大型城市積極開展城市軌道交通是解決城市交通 問題 的有效途徑。本文在對城市引力模型進(jìn)展修正的根底上,建立了引力場模型并對參數(shù)的影響因素進(jìn)展了 分析 ,通過 研究 城市軌道交通對城市引力場分布的影響,討論了城市軌道交通與城市開展的親密關(guān)系。1 引力場

3、模型的建立1.1 城市開展 理論 1.2 引力模型在城市開展研究中的 應(yīng)用天體物 理學(xué) 家J.Q.Stewart受到Newton萬有引力公式的啟發(fā)提出了引力模型8,W.J.REIlly將其應(yīng)用于城市間零售市場的研究、P.D.Converse針對城市區(qū)域范圍的界定提出了斷點(diǎn)公式9、G.K.Zip又對其進(jìn)展推廣使引力模型成為研究城市空間構(gòu)造變化的有力工具。引力模型通常表示為Iij=GQiQjr-bij(1)式中,Iij為i、j兩城市的引力,rij為兩城市的間隔 ,Qi、Qj為某種社會經(jīng)濟(jì)測度(如人口、GDP等),G為引力系數(shù),b為引力衰減指數(shù)。實(shí)際上,許多研究城市空間構(gòu)造的學(xué)者早就根據(jù)經(jīng)歷認(rèn)識到一

4、般形式引力模型的存在,但對出現(xiàn)這種形式的原因不清楚,陳彥光等從城市地理系統(tǒng)的廣義分形假設(shè)出發(fā),推導(dǎo)出了引力模型的冪函數(shù)形式,使其從一個(gè)經(jīng)歷模型上升為理論模型10。1.3 引力模型的改進(jìn)在引力模型公式(1)中,通常取引力衰減的基數(shù)為兩城市之間的間隔 ,但隨著城市快速軌道交通的建成,居民出行時(shí)間大大縮短,客觀上拓展了城市的邊界,兩點(diǎn)之間空間間隔 已經(jīng)不是影響兩點(diǎn)互相作用的主要因素,在改進(jìn)后的公式中,我們將用兩點(diǎn)之間的出行時(shí)間作為影響兩點(diǎn)作用力的基數(shù)。同時(shí)我們注意到,原有的引力模型主要用來考察不同城市之間或同一城市的不同地區(qū)之間的互相影響程度,其表現(xiàn)形式為兩點(diǎn)之間作用力的大小,我們認(rèn)為該作用力的本質(zhì)

5、在于每個(gè)城市的中心都存在一個(gè)類似萬有引力勢能場的引力勢能場,兩個(gè)城市或地區(qū)之間通過該場互相作用。借鑒萬有引力場我們將該場定義為E=GQ/t(2)E為整個(gè)城市對市內(nèi)某點(diǎn)所具有的引力勢能,G為引力系數(shù),Q為系統(tǒng)的某種社會經(jīng)濟(jì)測度(如人口、GDP等),t為系統(tǒng)中心到該點(diǎn)的出行時(shí)間,為引力衰減指數(shù)。我們可以借助該引力場模型來考察城市開展的趨勢,假設(shè)某地區(qū)位于相對于城市中心的高引力勢能區(qū),那么該地區(qū)與城市的互相影響程度就較大,該區(qū)域就具有較強(qiáng)的開展?jié)摿?另一方面,某一區(qū)域的快速開展也會帶來城市中心位置的轉(zhuǎn)移,改變城市引力場 計(jì)算 時(shí)的中心基準(zhǔn)位置,影響引力場的形狀和分布,進(jìn)一步促成或抑制某些區(qū)域的開展。

6、2 城市快速軌道交通條件下的出行時(shí)間城市快速軌道交通包括市郊鐵路、地鐵、輕軌鐵路(含橡膠輪系統(tǒng))以及中低速磁懸浮等在內(nèi)的新型軌道交通系統(tǒng)。同其它交通方式相比具有以下多個(gè)特點(diǎn):具有獨(dú)立路權(quán),不僅具有更高的平安性,同時(shí)更加準(zhǔn)時(shí)、省時(shí)。一般而言,乘坐軌道交通比其它交通工具節(jié)省三分之一到二分之一的時(shí)間。運(yùn)能大,運(yùn)輸效率高,能有效地緩解城市的交通壓力。有效減低空氣污染,減低城市噪音,改善城市環(huán)境。節(jié)省城市用地。城市快速軌道交通的最大特點(diǎn)是具有獨(dú)立的路權(quán),采用專用的道路交通隔離設(shè)備同其它形式的交通隔分開來,因此速度快,受干擾程度小,運(yùn)營準(zhǔn)時(shí)。在此,城市中心到城市內(nèi)某點(diǎn)的出行時(shí)間可表示為如下的多元線性形式:

7、3 以出行時(shí)間為根底的引力場模型參數(shù)確實(shí)定及影響因素分析在引力場模型中,Q為城市的某種社會經(jīng)濟(jì)測度(如人口、GDP等),它與城市吸引力場強(qiáng)度E成正比,Q越大那么E的影響范圍和力度越大。在模型中對城市引力場分布有重要影響的另外一個(gè)參數(shù)是城市中心位置,出行時(shí)間參數(shù)t指的就是城市中心到該點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間。城市中心位置確實(shí)定可采用重心法獲得:將空間中的一個(gè)城市分為n個(gè)區(qū),假定各區(qū)內(nèi)的人口、經(jīng)濟(jì)分布是均勻的,那么各區(qū)的人口、經(jīng)濟(jì)中心也就是其幾何中心,設(shè)定各區(qū)的人口中心位置為(xi,yi),那么這個(gè)城市人口、經(jīng)濟(jì)的中心為為引力衰減指數(shù),表達(dá)不同城市社會經(jīng)濟(jì)測度的構(gòu)造性特點(diǎn)和布局特征對引力場的影響,嚴(yán)密型城市

8、的衰減指數(shù)較松散型城市的衰減指數(shù)要小。采用式(3)估計(jì)城市中心到城市內(nèi)某點(diǎn)的出行時(shí)間以三個(gè)假設(shè)條件為前提:假設(shè)出行時(shí)間為兩種類型交通路程的多元線性形式;假設(shè)在同等條件下,出行者優(yōu)先選擇快速交通;交通狀況影響系數(shù)反映交通狀況(如道路根底設(shè)施條件、道路擁擠程度)對出行時(shí)間的影響。A0在公式中為常數(shù),它的物理意義可解釋為出行者在各種交通工具間換乘所需要的時(shí)間。一體化綜合交通的設(shè)計(jì)理念要求,在選擇軌道交通的車站位置,特別是設(shè)計(jì)大型換乘樞紐站時(shí),要盡量考慮到方便乘客換乘,其最終目的是實(shí)現(xiàn)“零換乘,因此換乘時(shí)間在整個(gè)出行時(shí)間中所占的比例不會很高,在公式中將其簡化為常數(shù)。它的影響因素是城市軌道交通線路的固有

9、特征以及各種交通工具間的銜接程度,銜接程度越好,該常數(shù)數(shù)值越小。 v1為快速軌道交通路段的最大行駛速度,v2為常規(guī)交通路段的最大行駛速度。對城市快速軌道交通而言,乘客的出行速度最終表現(xiàn)為出行時(shí)間。每位乘客花費(fèi)在軌道交通上的時(shí)間T主要由三部分組成:T=t等+t乘降+t行(5)t等為乘客在站臺的等候時(shí)間,t乘降為乘客上下車的時(shí)間,t行為列車的行駛時(shí)間城市軌道交通系統(tǒng)自動控制程度較高,固定路程的行駛時(shí)間根本不變,影響乘客平均出行時(shí)間的主要因素是列車開行頻率(t等)和列車?？空镜臅r(shí)間(t乘降)。隨著客流量的增加,軌道交通調(diào)度部門為了緩解交通擁擠狀況,會增加開行列車的對數(shù),減少乘客的等候時(shí)間,在該種狀況

10、下,系數(shù)k1會隨交通量的增大而增大;當(dāng)交通量到達(dá)最大交通才能后,隨著客流量的進(jìn)一步增加,乘客上下車擁擠程度增加,乘客上下車時(shí)間t乘降增加,甚至還會延長等候時(shí)間(t等),這些都會導(dǎo)致k1隨交通量的增加而下降。乘客平均出行速度與客流量之間的關(guān)系如圖1所示。4 城市軌道交通對上海城市引力場分布的影響4.1 上海城市軌道交通的開展歷程上海是較早具有城市軌道交通的國內(nèi)城市之一,經(jīng)過十多年的開展已有四條線路投入運(yùn)營,市區(qū)范圍內(nèi)三條線路如圖2所示,表1給出了各線路的根本情況。4.2 引力場分布繪制 方法為方便計(jì)算,先將實(shí)際的線路簡化為互相垂直的十字形模型,經(jīng)過同一地區(qū)的兩條線路合并為一條,交通量以一條線路的

11、1.5倍計(jì)算。根據(jù)上海的實(shí)際情況取軌道交通最大運(yùn)行速度v1為60km/h;市區(qū)內(nèi)常規(guī)交通方式的最大運(yùn)行速度為30km/h.廣義社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Q簡化為1,引力衰減指數(shù)取0.1,引力系數(shù)為1。在MATLAB環(huán)境下,以0.1為步長在60×60的范圍內(nèi)按建立城市軌道交通的時(shí)序繪制不同時(shí)期上海城市引力場分布圖。4.3 不同時(shí)期上海城市引力場分布圖圖3所示為修建快速軌道 交通 線之前的城市引力場分布圖,此時(shí)的城市引力場以人民廣場為圓心向外依次減小,引導(dǎo)城市由內(nèi)向外 開展 ,這一現(xiàn)象根本符合伯吉斯的同心圓模型;圖4為建成地鐵1號線后,城市引力場的形狀,可以看出地鐵的修建從根本上改變了城市引力場的分布

12、,在修建了地鐵的一側(cè),即由火車站至莘莊一線,城市引力場明顯大于其它地區(qū),在該引力場 影響 下火車站人民廣場徐家匯莘莊沿線的房地產(chǎn)等相關(guān)行業(yè)得到快速開展,使莘莊成為上海西南角的商務(wù)、居住中心。圖5是建成地鐵2號線后城市引力場的形狀,該道路的通車大大進(jìn)步了浦東的交通可達(dá)性,使沿線土地迅速升值,有力的促進(jìn)了浦東 經(jīng)濟(jì) 開發(fā)區(qū)的開展。圖6、圖7顯示了軌道交通3號線和地鐵1號線北延伸段建成后的城市引力場分布形態(tài),同圖5相比可以看出這兩段軌道交通線路通車后上海東北方向的城市引力勢能大大增強(qiáng),為該區(qū)域的開展提供了強(qiáng)大的動力,同時(shí)從引力場分布的動態(tài)變化來看,整個(gè)城市呈現(xiàn)條形開展的態(tài)勢,在一定程度上也驗(yàn)證了扇形

13、 理論 所提出的某些觀點(diǎn)。從圖7還可以看出,上海西北區(qū)域的城市引力勢能相對較小,在一定程度上制約了整個(gè)城市的協(xié)調(diào)開展,形成這種場面的因素很多,但一個(gè)重要原因就是該區(qū)域公共交通欠興隆,因此有必要加快該地區(qū)的軌道交通建立。4.4 軌道交通建立促進(jìn)上海城市整體協(xié)調(diào)開展為了滿足經(jīng)濟(jì)迅速開展和建立世界級大城市的要求,創(chuàng)造美妙的城市生活環(huán)境,上海城市整體規(guī)劃提出把中心城區(qū)建立成“多心、敞開式的布局構(gòu)造,即除人民廣場這個(gè)市中心外,還有徐家匯、花木、五角場和真如四個(gè)副中心。與此相適應(yīng),上海遠(yuǎn)景交通規(guī)劃方案到2021年建成由17條線路(共計(jì)870km)組成的城市軌道交通系統(tǒng)。圖8所示為相關(guān)線路建成后,中心城區(qū)的

14、引力分布圖。從圖中可以看出,除人民廣場外,其它四個(gè)地區(qū)也都具有相對集中的軌道交通線路,使該區(qū)域的城市引力場顯著增強(qiáng),積極支持城市中心及四個(gè)副中心的開展(如圖9),同時(shí)經(jīng)過這些中心的軌道交通線路根本覆蓋了中心城內(nèi)主要的活動區(qū)域,增強(qiáng)了城市主、副中心對周邊地區(qū)的輻射,為城市總體布局向“多中心方向開展創(chuàng)造了良好的條件。5 結(jié)論城市空間構(gòu)造的演變是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,其影響因素很多,本文僅僅在交通工程領(lǐng)域,以乘客的出行時(shí)間為根底,通過引力場模型 分析 了快速軌道交通系統(tǒng)對城市開展?jié)摿Φ挠绊?用勢能場的觀點(diǎn) 研究 軌道交通與城市開展之間的互相關(guān)系。文中以上海為實(shí)例,按建立城市軌道交通的時(shí)間順序繪制了不同時(shí)期城市引力場分布圖,提醒了城市軌道交通建立與城市開展的親密關(guān)系,指出通過建立適宜的軌道交通線路,可以引導(dǎo)上海向“多中心的城市空間構(gòu)造開展。參考 文獻(xiàn) :2 陳千,閣國年,王紅.城市模型的開展及其存在的 問題 J.經(jīng)濟(jì)地理,2000,20(5),5962.4 許學(xué)強(qiáng),周一星,寧越敏.城市地 理學(xué) M.北京:高等 教育 出版社,1997:125166.6 王錚.區(qū)域鼓勵的空間行為J. 中國 管理科學(xué),1995,3(2):915.7 KrugmanP.Theself-organizingeconomyM.Cambridge,Ma