基于全壽命周期理論的城市軌道交通配線設(shè)計(jì)方法研究

李 娜

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

目前中國(guó)城市軌道交通正處在快速發(fā)展時(shí)期。在城市軌道交通建設(shè)規(guī)模方面，截至2015年3月，全國(guó)17個(gè)城市的地鐵運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)到2 534.88 km；根據(jù)我國(guó)北京、上海、天津、廣州、深圳、武漢、南京、重慶、長(zhǎng)春、哈爾濱、沈陽、杭州、西安、成都、蘇州等15個(gè)城市近期建設(shè)規(guī)劃，15個(gè)城市共規(guī)劃線路61條，長(zhǎng)1 700 km，總投資超過6 000億元的情況來看，我國(guó)城市軌道交通都正經(jīng)歷著一個(gè)前所未有的快速發(fā)展時(shí)期[1]。

0 引言

作為一項(xiàng)投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、線路走向不可變及車站地理位置固定的百年工程，城市軌道交通的設(shè)計(jì)工作就顯得尤為重要，一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是綜合考慮了建設(shè)和運(yùn)營(yíng)兩階段的功能和費(fèi)用后，最終提出最優(yōu)化的方案。而在國(guó)內(nèi)目前的設(shè)計(jì)當(dāng)中，滿足功能成為設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，對(duì)于后期的運(yùn)營(yíng)、維修和養(yǎng)護(hù)沒有足夠的重視，導(dǎo)致了在整個(gè)運(yùn)營(yíng)周期中，工程后期費(fèi)用巨大；同時(shí)為運(yùn)營(yíng)人員的工作帶來了很多不便。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研北京某地鐵車站，觀察到該車站配線設(shè)計(jì)的主要問題為后期運(yùn)營(yíng)中尖軌的更換。常規(guī)運(yùn)營(yíng)中，當(dāng)發(fā)車間隔為4 min時(shí)，尖軌每8個(gè)月需要更換一次，而在北京某車站，尖軌的更換為每4個(gè)月一次，同時(shí)鋼軌磨損十分嚴(yán)重（見圖1、圖2）。出現(xiàn)這類問題的原因是，設(shè)計(jì)人員將折返線置于曲線地段，導(dǎo)致鋼軌磨損十分嚴(yán)重。

圖1 未磨損鋼軌

圖1 已磨損鋼軌

全壽命周期理論（Life Cycle Cost），早在 20世紀(jì)60年代出現(xiàn)在美國(guó)軍界，主要用于軍隊(duì)航母、激光制導(dǎo)導(dǎo)彈、先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)等高科技武器的管理上。全壽命周期的理念將規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等不同階段的成本統(tǒng)籌考慮，考慮了從規(guī)劃設(shè)計(jì)到報(bào)廢的整個(gè)壽命周期，避免了短期成本行為，考慮所有會(huì)發(fā)生的費(fèi)用，在合適的可用率和全部費(fèi)用之間尋求平衡，找出LCC最小的方案。從20世紀(jì)70年代開始，全壽命周期管理理念開始應(yīng)用于交通運(yùn)輸行業(yè)。但是在地鐵設(shè)計(jì)中，目前的全壽命周期研究相關(guān)工作仍處于理論研究中[2]。在實(shí)際的地鐵設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)大部分仍處于僅僅重視建設(shè)費(fèi)用比選的階段。因此，基于全壽命周期的軌道交通設(shè)計(jì)配線設(shè)計(jì)方法研究十分必要。下文中將運(yùn)用全壽命周期理論對(duì)于兩個(gè)車站折返線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行具體研究。

1 實(shí)例分析

目前地鐵折返的主要形式有站前折返和站后折返。對(duì)于其功能上的優(yōu)缺點(diǎn)，已經(jīng)有許多學(xué)者進(jìn)行了分析。

圖3 站后折返

站后折返特點(diǎn)：占地面積大，列車空駛距離長(zhǎng)，但行車組織靈活，折返能力留有較大余地。

圖4 站前折返

站前折返特點(diǎn)：占地面積小，列車空駛距離短，但折返能力和行車組織不靈活。

基于全壽命周期的理論，對(duì)于兩種配線形式的對(duì)比需要涵蓋建設(shè)期、運(yùn)用期和養(yǎng)護(hù)維修全周期的費(fèi)用。綜合已有的地鐵某車站設(shè)計(jì)資料，對(duì)于兩種配線形式分別進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)基于以下假設(shè)：

a）資金折現(xiàn)率為10%。

b）評(píng)估方案是采用的計(jì)算期為10年。

c）計(jì)算不考慮通貨膨脹的影響。

d）一般車站的建設(shè)期設(shè)為3年，也就是車站的初期建設(shè)費(fèi)用將在前3年付清，假設(shè)每年支付1/3。

e）所有用地花費(fèi)均在第一年開始時(shí)付清。

f）所有站臺(tái)長(zhǎng)度均為197 m。

綜合設(shè)計(jì)資料以及目前已投入運(yùn)營(yíng)的部分車站運(yùn)營(yíng)和維修養(yǎng)護(hù)的相關(guān)資料，對(duì)于兩種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)估。

地鐵在全壽命周期中，主要的費(fèi)用包括：初期建設(shè)費(fèi)用、占地費(fèi)用與運(yùn)營(yíng)中購置車輛費(fèi)用、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用與雇傭司機(jī)費(fèi)用。對(duì)于不同的發(fā)車間隔，需要的車輛數(shù)和司機(jī)數(shù)量是不同的。對(duì)于相同發(fā)車間隔，不同的配線布置形式的建設(shè)費(fèi)用、占地費(fèi)用與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用是不同的。因此，需要對(duì)于每種情況分別進(jìn)行計(jì)算，對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)量上對(duì)比，從而推薦出最優(yōu)的配線布置方案。具體數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 方案A：站后折返方案 千萬元

在評(píng)估中，選定計(jì)算周期為10年，為了使得比選結(jié)果具有可比性，將所有的費(fèi)用都轉(zhuǎn)化為凈現(xiàn)值。使用的公式[3-4]為：

表1與表2中列車僅為費(fèi)用的年值，在實(shí)際比較中，需要將相關(guān)費(fèi)用轉(zhuǎn)換為凈年值。占地費(fèi)用為第一年支付，初期建設(shè)費(fèi)用分3年付清，第四年開始運(yùn)營(yíng)，需要車底的費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和額外雇傭司機(jī)的費(fèi)用。以方案A，發(fā)車間隔120 s時(shí)的費(fèi)用為例，將費(fèi)用年值轉(zhuǎn)化為凈年值。

第一年費(fèi)用為占地費(fèi)用+1/3初期建設(shè)費(fèi)用，即3.18+2.92/3=4.15千萬元。

第二年、第三年為1/3建設(shè)費(fèi)用，即 2.92/3=0.973千萬元。

第四年至第十年費(fèi)用為運(yùn)營(yíng)費(fèi)用+車輛費(fèi)用+額外雇傭司機(jī)費(fèi)用，即6.28+3.85+0.08=10.21千萬元。

取折現(xiàn)率為10%，得到費(fèi)用的凈現(xiàn)值為42.5千萬元。

按照上文中的方法，將兩個(gè)車站費(fèi)用轉(zhuǎn)換為NPV（凈年值），進(jìn)行全壽命周期的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)得到表3。

表3 方案經(jīng)濟(jì)比選 千萬元

2 結(jié)論

a）基于以上全壽命周期的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果，可知當(dāng)車站要求的發(fā)車間隔為90 s時(shí)，只有站前折返可以滿足設(shè)計(jì)要求。

b）當(dāng)發(fā)車間隔為 120 s、180 s及 240 s時(shí)，站后折返為更優(yōu)化方案。

c）當(dāng)發(fā)車間隔為600 s時(shí)，站前折返為推薦方案。

d）本文僅集中討論了兩種配線設(shè)計(jì)方案，對(duì)于更多的配線設(shè)計(jì)方案沒有進(jìn)行具體的評(píng)價(jià)。同時(shí)，對(duì)于本文中的兩種方法的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)源自目前現(xiàn)存車站運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的收集，實(shí)際使用該方法時(shí)還需要結(jié)合不同地區(qū)的運(yùn)營(yíng)情況具體分析。