基于引力场模型的城市轨道交通与城市发展的相关性.docx
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1、基于引力场模型的城市轨道交通与城市发展的相关性摘 要:城市快速轨道交通是一种快速、便捷、大容量的公共交通系统,它不仅有效地缓解了城市的交通压力,同时城市轨道交通的规模和线路走向也同城市的空间结构发展密切相关。本文在对原有城市引力模型加以修正的基础上引入城市引力场概念,建立了城市轨道交通条件下以交通时间为基础的城市引力场模型,并对参数的影响因素和变化趋势进行了讨论。最后以上海为实例,按建设城市轨道交通的时间顺序绘制了不同时期城市引力场分布图,揭示了城市轨道交通建设与上海发展的密切关系,指出规划中的上海城市轨道交通网对形成“多中心”的城市空间结构具有积极的促进作用。关键词:城市轨道交通;城市发展;
2、引力场模型;出行时间城市的发展形态与城市地理位置、人口分布、交通状况以及经济发展等诸多因素有关,特别是城市的公共交通体系对大型城市的发展有重要的影响,自从1863年伦敦建成第一条地铁以来,许多大型城市都修建了发达的城市轨道交通系统,它不仅有效地缓解了城市的交通压力,同时对城市的空间结构发展也起到了积极的引导作用,这些城市的经验告诉我们在大型城市积极发展城市轨道交通是解决城市交通问题的有效途径。本文在对城市引力模型进行修正的基础上,建立了引力场模型并对参数的影响因素进行了分析,通过研究城市轨道交通对城市引力场分布的影响,探讨了城市轨道交通与城市发展的密切关系。1 引力场模型的建立 城市发展理论
3、随着城市规模的扩大和城市化进程的加快,人们越来越关注城市的发展形态。许多学者对此做了大量研究,如1923年美国社会学家伯吉斯()对芝加哥城市地域进行研究分析,以地租为主要依据提出了城市发展的同心圆模式1,巴布科尔(Babcock)考虑了运输轴的影响,将其修正为轴向同心圆模式;霍伊特()对美国城市的房租进行分析,针对居住用地提出了扇形理论;美国学者哈里斯和乌尔曼(和)认为集聚和扩散两种力量相互作用的最后结果通常是形成复数核心城市结构,由此提出了多核心模式。同心圆、扇形和多核心是城市发展形态的三大古典模式,以后的学者建立了多种数学模型,分别从不同的领域和角度出发探究引起城市发展的内在原因,如赖利(
4、,1929)的牛顿模型、威尔逊(,1967)年提出的最大嫡原理、陈彦光(1999)的引力模型、王铮(2000)的基于布朗运动的口粒子(Population-particle)模型、细胞自组织模型等。 引力模型在城市发展研究中的应用 天体物理学家受到Newton万有引力公式的启发提出了引力模型,将其应用于城市间零售市场的研究、针对城市区域范围的界定提出了断点公式、又对其进行推广使引力模型成为研究城市空间结构变化的有力工具。 引力模型通常表示为 Iij=GQiQjr-bij (1) 式中,Iij为i、j两城市的引力,rij为两城市的距离,Qi、Qj为某种社会经济测度(如人口、GDP等),G为引力系
5、数,b为引力衰减指数。 实际上,许多研究城市空间结构的学者早就根据经验认识到一般形式引力模型的存在,但对出现这种形式的原因不清楚,陈彦光等从城市地理系统的广义分形假设出发,推导出了引力模型的幂函数形式,使其从一个经验模型上升为理论模型10。 引力模型的改进 在引力模型公式(1)中,通常取引力衰减的基数为两城市之间的距离,但随着城市快速轨道交通的建成,居民出行时间大大缩短,客观上拓展了城市的边界,两点之间空间距离已经不是影响两点相互作用的主要因素,在改进后的公式中,我们将用两点之间的出行时间作为影响两点作用力的基数。 同时我们注意到,原有的引力模型主要用来考察不同城市之间或同一城市的不同地区之间
6、的相互影响程度,其表现形式为两点之间作用力的大小,我们认为该作用力的本质在于每个城市的中心都存在一个类似万有引力势能场的引力势能场,两个城市或地区之间通过该场相互作用。借鉴万有引力场我们将该场定义为 E=GQ/t (2) E为整个城市对市内某点所具有的引力势能,G为引力系数,Q为系统的某种社会经济测度(如人口、GDP等),t为系统中心到该点的出行时间,为引力衰减指数。 我们可以借助该引力场模型来考察城市发展的趋势,如果某地区位于相对于城市中心的高引力势能区,则该地区与城市的相互影响程度就较大,该区域就具有较强的发展潜力;另一方面,某一区域的快速发展也会带来城市中心位置的转移,改变城市引力场计算
7、时的中心基准位置,影响引力场的形状和分布,进一步促成或抑制某些区域的发展。 2 城市快速轨道交通条件下的出行时间 城市快速轨道交通包括市郊铁路、地铁、轻轨铁路(含橡胶轮系统)以及中低速磁悬浮等在内的新型轨道交通系统。同其它交通方式相比具有以下多个特点:具有独立路权,不仅具有更高的安全性,同时更加准时、省时。一般而言,乘坐轨道交通比其它交通工具节省三分之一到二分之一的时间。运能大,运输效率高,能有效地缓解城市的交通压力。有效减低空气污染,减低城市噪音,改善城市环境。节省城市用地。 城市快速轨道交通的最大特点是具有独立的路权,采用专用的道路交通隔离设备同其它形式的交通隔离开来,因此速度快,受干扰程
8、度小,运营准时。在此,城市中心到城市内某点的出行时间可表示为如下的多元线性形式: 式中,A0为常数,t为出行时间,L1为快速轨道交通路段的总路程,L2为常规交通路段的总路程,v1为快速轨道交通路段的最大行驶速度,v2为常规交通路段的最大行驶速度,k1为快速轨道交通路段交通状况影响系数,k2为常规交通路段交通状况影响系数。 3 以出行时间为基础的引力场模型参数的确定及影响因素分析 在引力场模型中,Q为城市的某种社会经济测度(如人口、GDP等),它与城市吸引力场强度E成正比,Q越大则E的影响范围和力度越大。在模型中对城市引力场分布有重要影响的另外一个参数是城市中心位置,出行时间参数t指的就是城市中
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