作为城市快速轨道交通的一种形式，市郊铁路在解决城市中心区与郊区新城之间的交通问题中显示出了巨大的潜力。市郊铁路是指借用城市内外接合部的闲置铁路资源整条线路或部分运输能力，开行公交化列车，服务于城市公共交通客流的一种城市轨道交通系统。市郊铁路作为城市快速轨道交通的一种形式，主要承担城市中心区到郊区、郊区到郊区、卫星城镇与城市中心区之间的大量的乘客运输任务。市郊铁路网的建设是大城市经济可持续发展战略必不可少的重大决策，市郊铁路应成为城市轨道交通的骨干之一。

通过理论模型和规划模拟相结合的方法，探讨郊区铁路站点数量与乘客出行时间之间的关系，以及郊区铁路不同线路和站点规划对上海整体轨道交通可达性的影响。该研究为解决上海中心城与郊区新城之间通勤交通压力提供了一种具有建设性意义的解决途径，同时为上海未来轨道交通规划提供了一种新的评估方法。

1.站点数量——出行时间模型

对于选择轨道交通作为主要出行方式的乘客而言，从居住地前往目的地的总出行时间主要由两段时间组成：乘客到站和离站时间、在线车行时间。当一条轨交线路站点分布很密时，乘客到、离站时间缩短，但由于行驶中列车停车次数多，旅行速度慢，导致在线车行时间加长；当站点分布很稀疏时，行驶中列车停车次数少，旅行速度快，在线车行时间缩短，但乘客到、离站所花的时间可能反而会超过在线行程部分所节省的时间。由此可见，在站点数量极小和极大之间存在着某一最优站点数，使得乘客的总出行时间最少。

设轨交的服务范围是以轨交线路为中位线、两倍辐射半径为宽的矩形区域，且只考虑乘客通过步行到达车站的情况，计算站点数量与步行期望所需时间之间的关系：

式中 t1——步行期望所需时间（s）；n——中间站点数；I——线路总长度（km）；r——服务半径（km）；vp——步行速度（km/h）。

据经验，人的步行速度一般为4～7 km/h；轨交列车的加速度为0.9 m/s2左右；极限速度在80～120 km/h。假设轨交线路始终站间距（1）为50 km；服务半径（r）为3 km；人的步行速度（Vp）为6 km/h；列车加速度（a）为0.9 m/s2；极限速度（vmax）为120 km/h，分别代入上式，计算结果如图3-5-1所示。

步行期望所需时间与站点数成反比，且变化率呈现出递减的趋势，这意味着轨交站点数量的增加对节省乘客步行时间的效应是逐步递减的。而车行期望所需时间与站点数成线性正反比关系，站点数量越少，节省车行时间越多。这个结论与之前的推论基本吻合。

由图3-5-2可得出结论：在站点数量极小和极大之间确实存在着某一最优站点数，使得总期望出行时间最少，这个结论符合之前的推论。根据计算结果可知，当轨交线路始终站间距（1）为50 km时，分布7个站点（站间距为7～8 km内），总期望出行时间最少。

图3-5-1　步行期望所需时间和车行期望所需时间与站点数之间的关系
Fig.3-5-1　Relationship between number of station and expected spend time of walking and railway

图3-5-2　总期望出行时间和站点数之间的关系
Fig.3-5-2　Relationship between number of station and expected spend time

上述模型结论为城市轨道交通站点数量和站间距的合理设置提供了理论支持，并为新的研究方法的提出提供了借鉴。

2.郊区铁路规划影响评估

在适当利用现有轨交站点和铁路资源的基础上，本研究规划了3条新的郊区铁路路线。第1和2条是与目前轨交4号线相类似的环线：第1条环线位于中环附近，主要连接上海两大机场（浦东国际机场、虹桥机场）、两个城市副中心（五角场、真如）和迪士尼；第2条环线负责连接浦东机场和郊区新城中心（宝山、嘉定、安亭、青浦、松江、金山、奉贤和临港新城）。第3条线路是在第1、2条环线优化的基础所提出的，将迪士尼、张江和五角场这三个重要的旅游、创新和生活中心连接起来，形成了一套完整的郊区铁路网络。

为了研究郊区铁路站点设置对大站之间通行时间和空间可达范围的影响，本研究按照站间距长度的不同将郊区铁路网规划方案划分为4个子方案（图3-5-3和 表3-5-1）。其中，列车的旅行速度的推导公式如下：

式中 v——列车旅行速度（km/h）；d——华均洲间距（km）；t0——经验初始时间参数。0.05 h；Sn——经验初始距离参数，3 km。

表3-5-1　郊区铁路网规划方案详细信息
Table 3-5-1　Details of suburban rail network planning schemes

图3-5-3　郊区铁路网规划方案示意图
Fig.3-5-3　Planning scheme diagram suburban rail network

（1）大站间通行时间估计模型

综合轨交站点的区位、功能和客流量等多方面因素，本研究选取了14个站点作为重点研究对象，通过ArcG1S网络分析中的OD（起点—迄点）成本矩阵计算，得到了每个方案中固定大站之间通行的最短时间成本（图3-5-4～图3-5-6）。这些结果在图中用直线相连接，但是所对应的属性表给出了实际所消耗的时间成本。

计算每个大站在不同方案下的平均通行时间成本，分析结果显示，郊区铁路能节省大站间的通行时间成本，尤其是对距离较偏僻的郊区新城，降低幅度非常明显。这体现了郊区铁路在缓解新城与中心城间通勤交通问题的能力。

计算每个方案大站间的累计平均通行时间成本，分析结果显示，在不添加第3条线路的前提下，随着站间距的缩短，大站间的累计平均通行时间是与之增加的。这个结论与上文中的抽象模型结论是相符合的。由于第3条线路在五角场、张江和迪士尼间建立了直接的通行路线，大大缩短了这3个大站与其他大站间的通行时间。因此，虽然方案US4的平均站间距接近于方案US1，但其大站间的累计平均通行时间成本却较方案US1更低。这也证明了重要站点间的连通性在郊区铁路路线的设计中的重要性。

（2）空间可达性评估模型(www.daowen.com)

作为中心城与郊区间的快速客运交通系统，郊区铁路在大大缩短郊区与中心城通勤时间的同时，也在一定程度上提高了整个区域的空间可达性。本研究通过建立空间可达性评估模型，分别模拟了每个子方案实施后上海城市轨道交通的空间可达范围，并在此基础上进行定量分析。

图3-5-4　大站间通行时间估计模型
Fig.3-5-4　Transit time estimation model between stations

图3-5-5　每个大站的平均通行时间成本
Fig.3-5-5　Average transit time costs of stations

我们将城市划分为1 km× 1 km的网格，并在每个网格的中心安插了一个点代表这个区域内所有的居民（图3-5-7），计算从每个点出发30 min内通过步行和乘坐轨道交通相结合的方式所能到达的空间范围。

根据假设，居民的通行时间主要由两部分时间组成：到站步行时间和在线车行时间。首先，通过计算可得每个格网的中心点和最近轨交站点间的欧氏距离，并通过假设一般步行速度为6 km/h，可推出每个中心点步行至最近轨交站点所花费的时间。如果步行时间超过30 min，即认定该中心点所在格网不在轨交线路网的服务范围内；如果步行时间不足30 min，则剩余时间可视为车行时间。

图3-5-6　大站间的累计平均通行时间成本
Fig.3-5-6　Accumulative average transit time costs between stations

图3-5-7　千米网格和中心点
Fig.3-5-7　Km grid and center point

通过ArcGIS网络分析中的服务域（Service Area）模型，分别对轨交线路网中每个站点的6个服务域面（5 min、10 min、15 min、20 min、25 min和30 min）进行计算。

最后，计算每个中心点30 min内花在车行的时间，根据这个时间找到最近站点所对应的服务域，并将此服务域的面积作为该中心点所在格网通过轨道交通网可达的最大空间范围。针对每个方案，重复运用该模型进行计算，并统一将可达范围分为 高（大 于500 km2）、中（200～500 km2）和 低（小 于200 km2）这三个等级，结果如图3-5-8、图3-5-9所示。

根据模拟的分析结果可得以下结论：

基于相同的郊区铁路网设计方案，轨交系统对提升整个城市空间可达性的影响因素主要取决于站点数量的设置。如表3-5-2所示，随着站点的数量增加，轨交系统的服务范围不断扩大，但由于站间距的缩短，列车的行驶速度放缓，因此可达范围等级高的地区所占比例是递减的。

图3-5-8　US1方案中五角场站的6个服务域面的计算结果
Fig.3-5-8　6 Service area of Wujiaochang station in US1

图3-5-9　30 min内上海不同区域的轨道交通可达性范围等级
Fig.3-5-9　Reachable area level with rail in 30 min

表3-5-2　不同可达范围等级的区域占上海市域面积比例
Table 3-5-2　The ratio between zones of different reachable area level and Shanghai area

方案US4的站点设置方法与US1相似，环线1的平均站间距保持在6 km左右，环线2的平均站间距保持在15 km左右，但与前三个方案相比，新增了一条线路3，总站点数较US1有所增长，因此，轨交系统的总体服务范围占城市总面积的比例达到48.9%，排名位于方案US1和US2之间；另外，由于US4新增线路大大提高了轨交线路内部网络的整体连通性，因此，在可达范围等级为高的区域所占城市总面积比例这项指标上表现出了绝对优势，并超过了方案US1。

（3）结论

将上述两个模型的结果进行归一化处理，并放置在同一个图表中，结果如图3-5-10所示：新增郊区铁路后的上海轨交系统网络，无论在大站间的交通便捷度还是轨交系统的覆盖率上都远远超过目前的轨交系统，收益的区域主要是郊区新城和换乘站点附近。

若基于同一个郊区铁路网的设计，大站间的交通便捷度与轨道交通的服务范围成反比，当轨交站点数量减少时，大站之间的通行时间成本降低，但轨交系统的总体服务范围缩小；而当轨交站点数量增加时，轨交系统能服务更大区域范围内的居民，但由于列车停靠站次数增多，行驶速度放缓，因此大站间的通行时间成本上升。

不同于其他方案，方案US4将城市内几个孤立的重要站点相连，因此其他条件相似的前提下，在大站交通便携度和轨交服务覆盖度这两个方面都表现出更优秀的特点。

图3-5-10　轨道交通大站间便捷度和服务覆盖度之间的关系
Fig.3-5-10　Relationship between convenience and coverage in different planning schemes