市域軌道交通線(xiàn)銜接模式評(píng)價(jià)方法研究

施毓鳳，葉霞飛，周 勇

(1.上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海200433;2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

隨著城市的發(fā)展，郊區(qū)與市區(qū)間的交通需求越來(lái)越大，作為連接市區(qū)與郊區(qū)的市域軌道交通線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)市域線(xiàn))需要解決其與市區(qū)的良好銜接問(wèn)題［1-2］。由于我國(guó)市域線(xiàn)還處于初期發(fā)展階段，有關(guān)其分段、貫通模式的專(zhuān)門(mén)研究還很少。多數(shù)研究?jī)H限于對(duì)線(xiàn)路特征和客流特征的定性研究，提出了采用區(qū)別于一般貫通模式的建議［3-4］，目前還缺乏客觀(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型，很難應(yīng)用于實(shí)際的線(xiàn)路設(shè)計(jì)中。針對(duì)這種現(xiàn)狀，筆者對(duì)嘗試著通過(guò)分析市域線(xiàn)銜接模式選擇對(duì)關(guān)鍵因素的影響程度，建立市域線(xiàn)銜接模式的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)市域線(xiàn)的銜接模式進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以期為國(guó)內(nèi)市域線(xiàn)的線(xiàn)路設(shè)計(jì)提供參考。

1 市域線(xiàn)銜接模式的概念及其特征

從市域線(xiàn)與市區(qū)的銜接模式來(lái)看，基本上可以分為分段與貫通兩種模式。所謂貫通模式，是指市域線(xiàn)在郊區(qū)和市區(qū)采用同一種軌道交通制式，乘客無(wú)需換乘可直接進(jìn)出市區(qū);而分段模式，是指市域線(xiàn)上存在1個(gè)或者多個(gè)物理分段點(diǎn)把線(xiàn)路分割成幾段，各段采用不同的軌道交通制式，通過(guò)這些分段點(diǎn)的乘客必須通過(guò)換乘才能進(jìn)入其他段線(xiàn)路的車(chē)站。這兩種模式最主要的區(qū)別在于市域線(xiàn)進(jìn)入市區(qū)的方式，筆者在此把這兩種方式統(tǒng)稱(chēng)為市域線(xiàn)的銜接模式。

2 銜接模式選擇對(duì)關(guān)鍵因素的影響及其影響程度分析

市域線(xiàn)銜接模式的選擇，除了要考慮不同銜接模式的特征與適應(yīng)性外，還需要考慮銜接模式選擇對(duì)哪些因素產(chǎn)生影響及其影響程度，以便為市域線(xiàn)銜接模式的評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)?？傮w來(lái)說(shuō)，不同銜接模式將對(duì)市域線(xiàn)的建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本、沿線(xiàn)環(huán)境以及乘客出行等因素產(chǎn)生不同程度的影響。需要說(shuō)明的是，市域線(xiàn)不同銜接模式對(duì)這些因素的影響，實(shí)際上是由系統(tǒng)制式、運(yùn)營(yíng)組織方案和分割點(diǎn)等構(gòu)成的組合方案產(chǎn)生的。因此，在分析銜接模式對(duì)關(guān)鍵因素的影響和影響程度時(shí)，需要結(jié)合系統(tǒng)制式、運(yùn)營(yíng)組織和分割點(diǎn)的特征進(jìn)行綜合考慮。

2.1 建設(shè)成本

分段、貫通模式所采用的不同的軌道交通制式和運(yùn)營(yíng)組織方案，將對(duì)建設(shè)成本中的車(chē)站土建工程成本、供電系統(tǒng)成本、車(chē)輛購(gòu)置成本等產(chǎn)生影響;同時(shí)由于銜接模式的不同導(dǎo)致一些車(chē)站規(guī)模的變化將引起車(chē)站拆遷成本和用地成本的變化，從而對(duì)工程建設(shè)其他費(fèi)用產(chǎn)生影響。

2.1.1 車(chē)站土建工程成本

不同的銜接模式，將對(duì)站臺(tái)長(zhǎng)度、寬度和折返站的折返線(xiàn)長(zhǎng)度造成影響。在貫通模式下，如果采用大小交路運(yùn)行，一般需要考慮折返站的規(guī)模和折返線(xiàn)的設(shè)計(jì)、建造;在分段模式下，分段點(diǎn)前后有可能采用不同的列車(chē)編組，因此分段點(diǎn)前后的站臺(tái)長(zhǎng)度有可能不同;同時(shí)在分段模式下，必然要考慮分段點(diǎn)車(chē)站的設(shè)計(jì)，為了便于換乘一般采用雙向島式車(chē)站，其車(chē)站規(guī)模要比一般車(chē)站大。因此，不同銜接模式下的車(chē)站土建工程成本可以表示為:

式中:C車(chē)站為車(chē)站總造價(jià)，萬(wàn)元;為i車(chē)站的土建造價(jià)指標(biāo)，萬(wàn)元;li，wi分別代表i車(chē)站的長(zhǎng)度和寬度，m;為j折返站的折返線(xiàn)造價(jià)，萬(wàn)元/m;為j折返站的折返線(xiàn)長(zhǎng)度，m。

2.1.2 供電系統(tǒng)成本

在我國(guó)，一般的城市軌道交通都采用DC 1 500 V，但是市郊鐵路一般是采用AC25 kV。AC25 kV相對(duì)于直流制供電減少了牽引變電所、中壓環(huán)網(wǎng)電纜、接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)、雜散電流防護(hù)等工程量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)［5］。如果在市域線(xiàn)不同區(qū)段采用不同的軌道交通制式，其供電制式也有可能不同，因此對(duì)線(xiàn)路供電設(shè)備成本將產(chǎn)生影響。

式中:C供電為線(xiàn)路供電設(shè)備費(fèi)用，萬(wàn)元;Lk為第k段線(xiàn)路的長(zhǎng)度，km;為第k段線(xiàn)路的供電設(shè)備單價(jià)，萬(wàn)元 /km。

2.1.3 拆遷工程和用地成本

不同的銜接模式結(jié)合不同的運(yùn)營(yíng)組織，線(xiàn)路上各個(gè)車(chē)站規(guī)模會(huì)有所差別，而車(chē)站規(guī)模的差別除了對(duì)車(chē)站土建工程產(chǎn)生影響外，也對(duì)車(chē)站周?chē)牟疬w面積和用地面積產(chǎn)生影響，從而造成不同銜接模式下的車(chē)站拆遷工程和用地成本(統(tǒng)稱(chēng)為工程建設(shè)其他費(fèi)用)的差別。式中:C其他為不同銜接模式下的工程建設(shè)其他費(fèi)用，萬(wàn)元分別代表i車(chē)站周邊的拆遷價(jià)格和土地價(jià)格，萬(wàn)元分別代表i車(chē)站建設(shè)產(chǎn)生的拆遷面積和占地面積。

2.1.4 車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)

在分段和貫通情況下，列車(chē)編組數(shù)量、列車(chē)速度、車(chē)輛種類(lèi)等不同將引起運(yùn)用車(chē)輛數(shù)量以及車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)用的差別。

式中:C車(chē)輛為車(chē)輛的總購(gòu)置費(fèi)用，萬(wàn)元;nk為第k段線(xiàn)路的車(chē)輛購(gòu)置數(shù)，veh為第k段線(xiàn)路所采用的車(chē)輛單價(jià)，萬(wàn)元 /veh。

根據(jù)以上4個(gè)方面的分析，與市域線(xiàn)銜接模式相關(guān)的建設(shè)成本可以表示為:

2.2 運(yùn)營(yíng)成本

不同的銜接模式配合不同的運(yùn)營(yíng)組織方案，線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)成本必然也會(huì)受到影響。在分段模式下為適應(yīng)不同段的客流特征，可以在分段點(diǎn)前后采取不同的運(yùn)營(yíng)組織方案。在客流量較高的市區(qū)，可采用“大編組高密度”模式，而在市郊段可根據(jù)具體客流情況，適當(dāng)縮小列車(chē)編組，即采用“小編組高密度”模式，或其他模式。在貫通模式下，為了滿(mǎn)足市區(qū)大客流的需要，市域線(xiàn)一般采用大編組運(yùn)行。通常以年車(chē)輛·公里成本來(lái)評(píng)價(jià)運(yùn)營(yíng)成本［6］。因此，可以通過(guò)計(jì)算不同銜接模式下的車(chē)輛年走行公里數(shù)來(lái)衡量運(yùn)營(yíng)成本的大小。

式中:C運(yùn)營(yíng)為線(xiàn)路的年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，萬(wàn)元 /a;Nk為第k段線(xiàn)路年車(chē)輛走行公里數(shù)，veh·km/a為第k段線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)費(fèi)用單價(jià)，萬(wàn)元 /(veh·km)。

2.3 環(huán)境影響

在不同的銜接模式與運(yùn)營(yíng)組織方案組合下，市域線(xiàn)對(duì)沿線(xiàn)的環(huán)境影響程度是不同的。從線(xiàn)路制式來(lái)看，市郊鐵路的噪音、振動(dòng)要比地鐵和輕軌的噪聲、振動(dòng)影響大［7］;同時(shí)線(xiàn)路上的行車(chē)速度和行車(chē)間隔以及列車(chē)編組數(shù)都將對(duì)噪聲、振動(dòng)產(chǎn)生不同程度的影響。而有關(guān)不同軌道交通制式和運(yùn)營(yíng)特征的噪聲、振動(dòng)影響的計(jì)算方法已在文獻(xiàn)［8］中有所論述，限于篇幅此處不再重述。

2.4 乘客出行

不同銜接模式對(duì)乘客出行的影響可以分為兩方面，一方面是對(duì)乘客旅行時(shí)間的影響，一方面是對(duì)乘客出行方便性的影響。

從旅行時(shí)間來(lái)看，在同樣滿(mǎn)足客運(yùn)需求的條件下，采用分段模式，市區(qū)段與郊區(qū)段可以采用不同的列車(chē)編組數(shù)量和發(fā)車(chē)密度，從而減少郊區(qū)沿線(xiàn)乘客的候車(chē)時(shí)間，但將相應(yīng)增加部分乘客的換乘時(shí)間。同時(shí)，分段模式下郊區(qū)段線(xiàn)路與市區(qū)段線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)交路相對(duì)獨(dú)立，因此郊區(qū)段線(xiàn)路可采用與市區(qū)段不同制式的高速車(chē)型，以節(jié)約郊區(qū)段乘客的乘車(chē)時(shí)間。采用貫通模式，可減少部分乘客的換乘時(shí)間，但郊區(qū)沿線(xiàn)乘客有可能因?yàn)榘l(fā)車(chē)間隔加大而增加候車(chē)時(shí)間。

從出行方便性來(lái)看，如果采用分段模式，則部分乘客在分段點(diǎn)車(chē)站必須通過(guò)換乘才能進(jìn)出市區(qū)，必然降低部分乘客出行的直達(dá)性;而采用貫通模式，線(xiàn)路上的乘客無(wú)需換乘就可以到達(dá)目的車(chē)站，線(xiàn)路直達(dá)性好。

因此，不同的銜接模式對(duì)乘客出行中的乘車(chē)時(shí)間、在車(chē)站的候車(chē)和換乘耗時(shí)都有影響。由于乘車(chē)時(shí)間、候車(chē)時(shí)間和換乘耗時(shí)等不同的時(shí)間給人的感覺(jué)是不一樣的［6］，為衡量不同銜接模式對(duì)乘客出行的影響，需要把不同的時(shí)間分別給以權(quán)值以轉(zhuǎn)化成同一概念的感覺(jué)時(shí)間。假設(shè)車(chē)站客流的平均等候時(shí)間為車(chē)站發(fā)車(chē)間隔時(shí)間的一半，則銜接模式對(duì)乘客出行影響的計(jì)算方法如下:

式中:T旅為線(xiàn)路上乘客的總旅行時(shí)間，h/d;ti為i車(chē)站的平均發(fā)車(chē)間隔，min;為第j個(gè)分段點(diǎn)的平均換乘耗時(shí)(取決于分段點(diǎn)的車(chē)站換乘設(shè)計(jì)和分段點(diǎn)的發(fā)車(chē)間隔)，min;τ候車(chē)，τ乘車(chē)，τ換乘分別代表候車(chē)時(shí)間權(quán)值、乘車(chē)時(shí)間權(quán)值和換乘時(shí)間權(quán)值;Li-i'為i車(chē)站到i'車(chē)站的站間距離，km;Vi-i'為i車(chē)站到i'車(chē)站的旅行速度，km/h;Qi-i'為在i車(chē)站上車(chē)到i'車(chē)站下車(chē)的客流量，人/d;Qi為i車(chē)站的上車(chē)客流量，人/d;為j分段點(diǎn)的換乘客流量，人 /d。

3 銜接模式的評(píng)價(jià)方法

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立和量化

市域線(xiàn)銜接模式對(duì)關(guān)鍵因素的影響是結(jié)合系統(tǒng)制式、運(yùn)營(yíng)組織和分割點(diǎn)的不同特征而形成。因此，對(duì)分段、貫通模式的評(píng)價(jià)實(shí)際上是對(duì)一系列的組合方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。筆者建立了如圖1中的市域線(xiàn)銜接模式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系從不同的層面上反映銜接模式組合方案與相關(guān)因素的關(guān)系，同時(shí)從出行者、運(yùn)營(yíng)者和沿線(xiàn)居民等3方利益出發(fā)，體現(xiàn)市域線(xiàn)銜接模式選擇是權(quán)衡多方利益進(jìn)行價(jià)值判斷的沖突分析過(guò)程。

圖1 市域軌道交通線(xiàn)銜接模式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system for connecting mode of RRT

根據(jù)以上指標(biāo)體系，一般可以利用層次分析法、灰度分析法等模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)銜接模式進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了體現(xiàn)市域軌道交通線(xiàn)路“提高效率，降低成本”的設(shè)計(jì)原則，筆者利用總費(fèi)用現(xiàn)值方法把各項(xiàng)指標(biāo)量化為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)銜接模式進(jìn)行評(píng)價(jià)。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，“建設(shè)成本”和“運(yùn)營(yíng)成本”指標(biāo)本身就是經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以直接計(jì)算成現(xiàn)值進(jìn)行比較。因此，主要是把“旅行時(shí)間”“噪聲影響”和“振動(dòng)影響”3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化。

3.1.1 服務(wù)水平指標(biāo)的量化——旅行時(shí)間成本

在服務(wù)水平指標(biāo)中的“旅行時(shí)間”可以通過(guò)時(shí)間價(jià)值轉(zhuǎn)化為旅行時(shí)間成本。旅行時(shí)間成本可以表示為:

式中:C旅行時(shí)間為線(xiàn)路上乘客的總旅行時(shí)間成本，萬(wàn)元/a;T旅為線(xiàn)路上乘客的總旅行時(shí)間(式(7))，h/d;G為乘客的單位時(shí)間價(jià)值，元 /h。

3.1.2 環(huán)境影響的量化——環(huán)境影響成本

軌道交通沿線(xiàn)的噪聲、振動(dòng)要符合有關(guān)的控制標(biāo)準(zhǔn)，在分段或者貫通模式下，不同區(qū)段線(xiàn)路產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)必須通過(guò)采用各種措施把噪聲、振動(dòng)控制在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值以?xún)?nèi)。根據(jù)已有的資料顯示，不同的減振降噪措施的成本是不同的。因此，環(huán)境影響成本可以表示為:

式中:C環(huán)境為銜接模式方案中的環(huán)境影響成本，萬(wàn)元;c噪聲為噪聲控制的成本，萬(wàn)元 /［km·dB(A)］;c振動(dòng)為振動(dòng)控制的成本，萬(wàn)元 /［km·dB］;Ls為軌道交通沿線(xiàn)的噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)，dB(A);VLs為軌道交通沿線(xiàn)的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，dB;為第k段線(xiàn)路的基礎(chǔ)噪聲值，dB(A);為第k段線(xiàn)路的基本振級(jí)，dB。

3.2 評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

假設(shè)市域線(xiàn)的建設(shè)期為m年，計(jì)算周期為t年(包括建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期)，建設(shè)成本中的車(chē)站土建成本、工程建設(shè)其他費(fèi)用(拆遷成本和用地成本)作為一次性投資計(jì)入整個(gè)計(jì)算周期;供電設(shè)備、車(chē)輛和減振降噪設(shè)備都有一定的使用年限，在整個(gè)計(jì)算周期內(nèi)根據(jù)其使用年限適時(shí)追加購(gòu)買(mǎi);運(yùn)營(yíng)成本和旅行時(shí)間成本在各個(gè)年度的年末產(chǎn)生。把以上所有成本折現(xiàn)到運(yùn)營(yíng)第一年年初形成市域線(xiàn)銜接模式的總費(fèi)用現(xiàn)值評(píng)價(jià)模型如式(10):

式中:

式中:PVC銜接模式為銜接模式方案的總費(fèi)用現(xiàn)值，萬(wàn)元;PVC旅行時(shí)間，PVC建設(shè)，PVC運(yùn)營(yíng)，PVC環(huán)境分別代表銜接模式方案中乘客旅行時(shí)間成本、建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本和環(huán)境影響成本的總現(xiàn)值，萬(wàn)元為第 i年線(xiàn)路上乘客的總旅行時(shí)間成本［式(8)］，萬(wàn)元;為第i年的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用［式(6)］，萬(wàn)元;分別代表計(jì)算周期內(nèi)第n次購(gòu)買(mǎi)供電設(shè)備、車(chē)輛和環(huán)境控制設(shè)備的費(fèi)用［式(2)、式(4)、式(9)］，萬(wàn)元;m為建設(shè)期，a;t為計(jì)算周期，a;p為折現(xiàn)率;n供電，n車(chē)輛，n環(huán)境分別代表供電設(shè)備、車(chē)輛和環(huán)境控制設(shè)備在計(jì)算周期內(nèi)的購(gòu)買(mǎi)次數(shù);t供電、t車(chē)輛、t環(huán)境，分別代表供電設(shè)備、車(chē)輛和環(huán)境控制設(shè)備的平均使用年限，a。

4 案例研究

筆者以上海軌道交通9號(hào)線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)9號(hào)線(xiàn))為案例進(jìn)行市域線(xiàn)銜接模式的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)。9號(hào)線(xiàn)是上海市第一條以市域線(xiàn)理念設(shè)計(jì)的軌道交通線(xiàn)，連接中心城及市郊新城［9］。從客流特征來(lái)看，9號(hào)線(xiàn)客流存在明顯的時(shí)空分布不均衡性:客流高峰小時(shí)斷面位于桂林路站—宜山路站之間，而在七寶站和世紀(jì)大道站以外的客流量大幅減少;早晚2個(gè)高峰小時(shí)的客流占了全日客流的30%左右，而平峰各小時(shí)的客流量基本是全日客流量的3%～4%。同時(shí)，線(xiàn)路兩端之間的直達(dá)客流很少，九亭站及以遠(yuǎn)組團(tuán)與羅山路—東靖路組團(tuán)之間的客流交換量?jī)H占全日總客流量的0.1%。

4.1 銜接模式方案的形成

根據(jù)9號(hào)線(xiàn)的線(xiàn)路特征和客流特征，考慮到銜接模式的功能適應(yīng)性和客流適應(yīng)性，借鑒文獻(xiàn)［9］對(duì)有關(guān)運(yùn)行交路的方案比選研究，筆者以中春路和民生路為分割點(diǎn)形成如表1中的4種銜接模式方案。

?

4.2 銜接模式的評(píng)價(jià)

通過(guò)計(jì)算得到各指標(biāo)的總費(fèi)用現(xiàn)值如表2。計(jì)算結(jié)果顯示，方案4為總費(fèi)用現(xiàn)值最小的方案，各方案按照總費(fèi)用現(xiàn)值從小到大的排序?yàn)?方案4→方案2→方案3→方案1。同時(shí)分段模式都要優(yōu)于貫通模式。

表2 上海軌道交通9號(hào)線(xiàn)銜接模式方案總費(fèi)用現(xiàn)值計(jì)算結(jié)果Table 2 PVC of Line 9 of Shanghai Rail Transit /億元

5 結(jié)論

從具體數(shù)據(jù)來(lái)看，采用分段模式雖然會(huì)增加某些乘客的換乘時(shí)間，但是由于分段后在郊區(qū)段通過(guò)小編組高密度的運(yùn)營(yíng)組織方案減少了大部分乘客的候車(chē)時(shí)間，因此客流總體的旅行時(shí)間并不一定會(huì)增加(分段模式中方案3的旅行時(shí)間成本小于貫通模式方案1的旅行時(shí)間成本)。在分段模式下，由于郊區(qū)段線(xiàn)路一般采用郊區(qū)鐵路制式，同時(shí)郊區(qū)段可以采用小編組的運(yùn)營(yíng)組織方案，因此分段模式的建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本都要比貫通模式節(jié)省。然而，在郊區(qū)段采用郊區(qū)鐵路制式會(huì)增加沿線(xiàn)的噪聲振動(dòng)影響程度和范圍，相應(yīng)的環(huán)境控制成本也會(huì)有所增加。從總體成本來(lái)看，分段模式都要比貫通模式節(jié)約成本。

值得注意的是，市域線(xiàn)采用分段模式，為了盡量減少在分段點(diǎn)通過(guò)客流的換乘時(shí)間，需要對(duì)分段點(diǎn)車(chē)站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，便于線(xiàn)路雙向折返和同站臺(tái)換乘;另外，對(duì)于采用市郊鐵路制式的區(qū)段，要對(duì)其環(huán)境影響進(jìn)行控制，采用一些減振降噪措施減少線(xiàn)路對(duì)環(huán)境的影響。

目前國(guó)內(nèi)在市域軌道交通線(xiàn)銜接模式方面的研究工作比較缺乏，筆者所提出的市域線(xiàn)銜接模式的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系還需要結(jié)合實(shí)踐和相關(guān)理論進(jìn)一步完善;同時(shí)由于旅行舒適度難以量化，銜接模式中的服務(wù)水平指標(biāo)只考慮了乘客旅行時(shí)間成本，如何在市域線(xiàn)銜接模式評(píng)價(jià)模型中引入乘客旅行舒適性指標(biāo)等將是下一階段研究工作的課題。

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