獨(dú)立路權(quán)下的有軌電車與快速道路公交運(yùn)營成本對比分析

陳勝波 劉永平 李 陽 陳 希

(1.深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心有限公司,518021,深圳; 2.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,100044,北京∥第一作者，工程師)

獨(dú)立路權(quán)下的有軌電車與快速道路公交運(yùn)營成本對比分析

陳勝波1,2劉永平1李 陽1陳 希2

(1.深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心有限公司,518021,深圳; 2.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,100044,北京∥第一作者，工程師)

城市在發(fā)展中運(yùn)量交通運(yùn)輸方式時,通常面臨有軌電車和快速道路公交的選擇問題?；谶\(yùn)營成本的角度分析比選兩者的差異性,綜合考慮車輛的購置費(fèi)用、車小時運(yùn)營費(fèi)用、車公里運(yùn)營費(fèi)用以及與線路相關(guān)的固定成本等,分別構(gòu)建了有軌電車與快速道路公交運(yùn)營成本計(jì)算模型,結(jié)合國內(nèi)外運(yùn)營的實(shí)際數(shù)據(jù)對模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。采用實(shí)際案例對比分析了兩種運(yùn)輸方式在同一通道上的運(yùn)營費(fèi)用支出,對客流量、運(yùn)營速度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析,得出兩種不同交通方式的適用條件,可為城市交通相關(guān)規(guī)劃和運(yùn)營部門提供決策依據(jù)。

有軌電車; 快速道路公交; 運(yùn)營成本; 對比分析

現(xiàn)代有軌電車和快速道路公交作為中運(yùn)量的骨干公交方式,在旅行速度、運(yùn)營便捷及靈活性、路權(quán)模式選擇等方面都具有一定的共性。因此,在引進(jìn)中運(yùn)量骨干公交時常面臨這兩種交通方式的選擇問題。

國外有軌電車和快速道路公交的發(fā)展比較早,兩者的對比分析也一直是研究的熱點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[1]基于城市交通線路的放射型網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了基于乘客出行成本和企業(yè)運(yùn)營成本最小的費(fèi)用模型,對有軌電車、地鐵和快速道路公交進(jìn)行了對比研究,提出綜合考慮運(yùn)營企業(yè)和乘客兩者的利益時,快速道路公交相比其它兩種運(yùn)輸方式更具有競爭性。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了最好-最差偏好試驗(yàn),采用實(shí)際調(diào)查的方式對澳大利亞6個城市的乘客在有軌電車和快速道路公交的選擇偏好進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)公交出行者群體更加傾向于選擇快速道路公交出行,而非公交出行者群體傾向于發(fā)展有軌電車。文獻(xiàn)[3]提出，單純地基于有軌電車和快速道路公交各自的特點(diǎn)來分析選擇交通方式是不合理的,而應(yīng)從城市的公交發(fā)展目標(biāo)、通道客流量以及基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營成本等角度綜合考慮。文獻(xiàn)[4]統(tǒng)計(jì)并分析了多個國家的有軌電車、輕軌和快速道路公交等101條線路的實(shí)際客流數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)有軌電車和輕軌的平均客流量高于快速道路公交,并且前者沿線的人口和崗位密度要高于后者；提出影響客流的根本原因是公交的服務(wù)水平和車輛的運(yùn)載能力。

國內(nèi)關(guān)于有軌電車與快速道路公交的分析更加注重于定性的比較分析上。其中,文獻(xiàn)[5]從運(yùn)能、運(yùn)行速度、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能環(huán)保和美觀等角度對比分析兩種不同的交通方式,并根據(jù)我國不同城市的規(guī)模特點(diǎn)提出有軌電車的發(fā)展模式。文獻(xiàn)[6-7]采用定量與定性相結(jié)合的方式,研究了現(xiàn)代有軌電車的區(qū)域適用性。

可見,國外在有軌電車和快速道路公交的比選分析上較為全面,但由于兩種交通方式各有利弊，且研究分析的角度不同,故得出的結(jié)論也不盡相同。國內(nèi)的定性對比分析較多,而定量計(jì)算較少?；诖?本文構(gòu)建了基于運(yùn)營成本的有軌電車與快速道路公交計(jì)算模型,結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)城市的運(yùn)營數(shù)據(jù),對模型的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。以某市的有軌電車試驗(yàn)線為例,分析了兩種交通方式在同一通道上運(yùn)營的成本支出,并對客流量、發(fā)車間隔、使用年限等參數(shù)進(jìn)行了敏感度分析比較,得出兩種不同交通方式的適用條件,以期為有軌電車相關(guān)規(guī)劃和運(yùn)營部門提供決策支持。

1 成本計(jì)算模型

1.1 成本構(gòu)成

有軌電車與快速道路公交的總成本都包括固定成本和可變成本(見圖1)。固定成本主要是與運(yùn)營線路相關(guān)的建設(shè)費(fèi)用支出,包括線路、車站及信號等專業(yè)建設(shè)成本，以及車輛的購置成本?？勺兂杀?即運(yùn)營成本)由車小時成本和車公里成本構(gòu)成。車小時成本主要是指日常運(yùn)營過程中的員工工資及線路維護(hù)等費(fèi)用支出。車公里成本主要是指車輛在行駛過程中的供電(燃油)及車輛維護(hù)等相關(guān)費(fèi)用的支出。

圖1 有軌電車與快速道路公交的成本構(gòu)成

1.2 運(yùn)營成本計(jì)算模型

1.2.1 有軌電車運(yùn)營成本計(jì)算模型

影響有軌電車運(yùn)營成本的主要因素包括列車每天的運(yùn)營時間、編組數(shù)量、線路長度、折返時間等。即有軌電車運(yùn)營費(fèi)用主要包括車公里行駛費(fèi)用、車小時行駛費(fèi)用和車輛維修養(yǎng)護(hù)、日常管理等費(fèi)用。

CL=Cr+Ch+Cm=

式中：

CL——某線有軌電車每天運(yùn)營成本;

Cr——列車的車公里成本,元;

Ch——列車的車小時成本,元;

Cm——與線路、車站相關(guān)的日常固定成本等,元;

T——每天的運(yùn)營時間,h；

nA——每列車的編組輛數(shù),輛;

t——發(fā)車間隔,h;

L——線路的長度,km;

tr——列車運(yùn)營周轉(zhuǎn)時間,h;

cr——單位車輛的車公里走行費(fèi)用,元/(車km);

ch——單位車輛的車小時走行費(fèi)用,元/(車h);

cm——車輛養(yǎng)護(hù)、維修以及日常管理費(fèi)用,元/(車km)。

若按照每年300個工作日(可調(diào)整)核算,則某線有軌電車每年的運(yùn)營總成本為

(2)

假定早高峰時間為3 h,晚高峰時間為3 h,列車每天運(yùn)營20 h；設(shè)列車高峰時段的發(fā)車間隔為tp,非高峰時段的發(fā)車間隔為2tp,則按照高峰時段折算得出的每天運(yùn)營時間為:

(3)

即:T=13 h,且t=tp

(4)

式中：

NA——線路上同時運(yùn)營的列車數(shù)，列。

其中，cr、ch和cm等參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[8]的美國交通統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)(見表1)來標(biāo)定。

由表1可知，費(fèi)用取其最高值時，單位車輛的車小時走行費(fèi)用為498.52元/(車h),單位車輛的車公里走行費(fèi)用為34.78元/(車km),車輛養(yǎng)護(hù)、維修及日常管理費(fèi)用為4 940.65 元/(車km)。此時的有軌電車每天運(yùn)營成本為：

CL,H=27.12nL/tp+194.42NA+296.43L

(5)

表1 美國部分城市有軌電車相關(guān)運(yùn)營數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[8]

當(dāng)費(fèi)用取表1的最低值時，單位車輛的車小時走行費(fèi)用為223.15元/輛，單位車輛的車公里走行費(fèi)用為8.57元/(車km),車輛養(yǎng)護(hù)、維護(hù)及日常管理費(fèi)用為782.78元/km。此時的有軌電車每天運(yùn)營成本為：

CL,L=6.68nL/tp+87.02NA+46.96L

(6)

當(dāng)費(fèi)用取平均值時，單位車輛的車小時走行費(fèi)用為381.72元/(車h),單位車輛的車公里走行費(fèi)用為21.33元/(車km),車輛養(yǎng)護(hù)、維修及日常管理費(fèi)用2 698.24 元/(車km)。此時的有軌電車每天運(yùn)營成本為:

CL=16.63nL/tp+148.87NA+125.89L

(7)

1.2.2 快速道路公交運(yùn)營成本計(jì)算模型

表2為美國主要城市快速道路公交運(yùn)營部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。表2中與線路相關(guān)的成本年支出指每年單位車輛在高峰小時的運(yùn)營費(fèi)用,且一般認(rèn)為該費(fèi)用是固定的。因此,快速道路公交的年運(yùn)營成本為:

(8)

式中：

CB,a——單位車輛在高峰小時運(yùn)營的年費(fèi)用;

nB——高峰時快速道路公交成隊(duì)發(fā)車時每一隊(duì)的車輛數(shù)或者是乘客上下車區(qū)的個數(shù)；

CB,h——單位車輛的車小時走行費(fèi)用;

CB,r——單位車輛的公里走行費(fèi)用;

NB——線路上同時運(yùn)營的道路公交車輛數(shù)。

由表2，當(dāng)費(fèi)用取其最高值時，單位車輛的車小時走行費(fèi)用為354.249元/(車h),單位車輛的車公里走行費(fèi)用為24.822元/(車km),車輛養(yǎng)護(hù)、維修及日常管理費(fèi)用為136 092.6元/(車a)。此時,快速道路公交每年運(yùn)營費(fèi)用(單位：萬元)為:

表2 美國部分城市快速道路公交運(yùn)營相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)[8]

CB,H=19.36nBL/tp+151.77NB

(9)

當(dāng)費(fèi)用取最低值時,單位車輛的車小時走行費(fèi)用為247.905元/(車h),單位車輛的車小時走行費(fèi)用為11.466元/(車km),車輛養(yǎng)護(hù)、維修及日常管理費(fèi)用為72 342.9元/(車a)。此時,快速道路公交每年運(yùn)營費(fèi)用(單位：萬元)為：

CB,L=8.94nBL/tp+103.92NB

(11)

當(dāng)費(fèi)用取平均值時,單位車輛的小時走行費(fèi)用為291.141元/(車h),單位車輛的車公里走行費(fèi)用為15.678元/(車km),車輛養(yǎng)護(hù)、維護(hù)及日常管理費(fèi)用為104 452.2元/(車a)。此時，快速道路公交每天運(yùn)營費(fèi)用(單位:萬元)為：

CB,S=12.23nBL/tp+123.99NB

(12)

2 NA與NB的計(jì)算

運(yùn)營成本與NA或NB有關(guān),為了能較為合理地比較有軌電車與快速道路公交的運(yùn)營成本，需做以下假定:

(1) 有軌電車或快速道路公交都在同一條線路上運(yùn)營,并且列車或車輛的運(yùn)行間隔是固定的;

(2) 乘客的出行需求，即單向的高峰小時客流量的已知;

(3) 每位乘客上下車時間相同;

(4) 線路上相鄰車站間距相同;

(5) 列車或車輛的進(jìn)站加速度和出站減速度恒定;

(6) 有軌電車或快速道路公交都采用獨(dú)立路權(quán)模式。

在滿足客流需求的條件下,線路所需開行的列車或車輛數(shù)主要與列車或車輛的旅行速度和周轉(zhuǎn)時間有關(guān)。旅行速度越大,周轉(zhuǎn)時間越短,需要開行的列車或車輛數(shù)越少。設(shè)nA=nB=n,NA=NB=N,則

(13)

式中，tz為在線路上的周轉(zhuǎn)時間,主要包括列車或車輛在相鄰車站的區(qū)間旅行時間tc、進(jìn)出站的起停車附加時間tab、在站停留時間td和在折返站的折返時間tt。

假定線路總長度為L,站間距均為E,區(qū)間距離-速度曲線示意圖2所示;則有

圖2 區(qū)間距離-速度曲線示意圖

(14)

(15)

tz=2(tc+tab+td+tt)=2m

(16)

式中：

v——列車在區(qū)間勻速行駛時的速度;

a——列車出站的加速度;

b——列車進(jìn)站的減速度;

m——線路上的站點(diǎn)個數(shù);

p——線路高峰小時單向客流量;

tb——每位乘客在車站的上下車時間;

tt——列車折返時間。

當(dāng)tp和滿載率α給定時,在滿足客流需求前提下，應(yīng)使運(yùn)輸供給量Z最小。則

minZ=nCvα

s.t.nCvα≥ptp

αmin≤α≤αmax

(17)

式中：

Cv——車輛的額定載客人數(shù)。

由于有軌電車的nA不超過7輛,故取n≤7。

3 算例分析

3.1 相關(guān)參數(shù)

某試驗(yàn)線全長約11.5 km,設(shè)21座站，采用獨(dú)立路權(quán)模式。有軌電車與快速道路公交在不同工況下的相關(guān)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表3和表4。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，有軌電車線路造價(jià)為0.6億～2.0億元/km,本文取1.3億元/km,則有軌電車試驗(yàn)線的建設(shè)費(fèi)用為14.95億元；快速道路公交線路造價(jià)為0.2億～1.0億元/km,本文取值0.6億元/km,則快速道路公交試驗(yàn)線的建設(shè)費(fèi)用為6.9億元。根據(jù)文獻(xiàn)[10]現(xiàn)代有軌電車購置費(fèi)用為2 500～3 000萬元/列,本文取2 750萬元/列；鉸接型快速道路公交購置費(fèi)按300萬元/輛進(jìn)行核算。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，有軌電車滿載率αA宜介于1～2.5之間,快速道路公交滿載率αB按照0.83取值。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，計(jì)算時取有軌電車的列車最大勻速行駛速度為70 km/h,列車加減速度大小為1.11 m/s2，乘客的上下車時間為1.5 s/人次；取快速道路公交的車輛最大勻速行駛速度為88 km/h,車輛出站加速度為1.11 m/s2，進(jìn)站減速度為1.33 m/s2，乘客上下車時間為2 s/人次。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制有軌電車和快速道路公交的運(yùn)營成本及不同客流量下的年均運(yùn)營成本(如圖3、圖4所示)。由圖3、圖4可看出，隨著客流量的增加,有軌電車和快速道路公交的運(yùn)營成本均有相應(yīng)增加。客流相同時,快速道路公交的運(yùn)營成本高于有軌電車,而且隨著客流的增加,運(yùn)營成本增長幅度較大。由圖4可以看出,有軌電車的年均運(yùn)營成本比快速道路公交低,并且前者年均運(yùn)營成本占后者的25%～45%。

表3 獨(dú)立路權(quán)模式下的有軌電車運(yùn)營相關(guān)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

表4 快速道路公交運(yùn)營相關(guān)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

圖5是兩種交通方式下的每公里客位運(yùn)營費(fèi)用對比。有軌電車每公里客位運(yùn)營費(fèi)用為0.16萬～0.27萬元,而快速道路公交的每公里客位數(shù)運(yùn)營費(fèi)用為0.59萬～0.73萬元。該結(jié)果與文獻(xiàn)[6]對蒙彼利埃市的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。此外,當(dāng)高峰小時單向客流量超過約2 000人次/h(日單向客運(yùn)量超過約26 000人次)時,有軌電車比快速道路公交更具有競爭力。

圖6是不同的客流量下兩種交通方式的旅行速度對比分析。本案例中,初期發(fā)車間隔為8 min,有軌電車最大旅行速度為19.4 km/h;當(dāng)發(fā)車間隔為3 min時,快速道路公交的最大旅行速度為26.4km/h。當(dāng)客流量超過9 000人次,且發(fā)車間隔為3 min時,有軌電車旅行速度為16.3 km/h,高于快速道路公交的14.3 km/h。

圖3 兩種交通方式運(yùn)營成本對比

圖4 兩種交通方式不同客流量下的年均運(yùn)營成本對比

圖5 平均每公里客位數(shù)運(yùn)營費(fèi)用對比

圖6 兩種交通方式旅行速度對比

圖4、圖5是針對初期和近期的客流下,不同運(yùn)營時間有軌電車與快速道路公交總成本的對比情況。當(dāng)初期線路單向高峰客流量保持為2 381人次/h時,則在運(yùn)營9年后有軌電車才能體現(xiàn)出競爭優(yōu)勢;若線路單向高峰客流量保持為近期的4 666人次/h,則在運(yùn)營3年后有軌電車能體現(xiàn)出其與快速道路公交的競爭優(yōu)勢。隨著客流量的增加,有軌電車總投資成本增長幅度小于快速道路公交(見圖7、圖8) 。

4 結(jié)論

本文通過構(gòu)建相應(yīng)的成本計(jì)算模型,對獨(dú)立路權(quán)下的有軌電車和快速道路公交的運(yùn)營狀況進(jìn)行了對比分析,并結(jié)合實(shí)際在某市規(guī)劃線路上進(jìn)行計(jì)算和測試,得出的結(jié)論如下:

(1) 有軌電車的初期投資較大,但在滿足相同客流和采用合理發(fā)車間隔的情況下,有軌電車的年均運(yùn)營成本約是快速道路公交的0.25～0.45倍。

(2) 從每公里客位數(shù)運(yùn)營費(fèi)用而言,當(dāng)線路高峰小時客流量低于約2 000人次/h時,快速道路公交比有軌電車更具有競爭力;超過2 000人次/h時,采用有軌電車更具有競爭力。此項(xiàng)結(jié)論可作為相關(guān)交通規(guī)劃部門的決策參考。

(3) 隨著客流的增加,兩種交通方式下的旅行速度均有所降低。這是由在站乘客上下車時間的增加導(dǎo)致的。此外,當(dāng)線路高峰小時的單向客流量超過9 000人次/h時,在同樣3 min的發(fā)車間隔下,有軌電車平均旅行速度(16.3 km/h)高于快速道路公交(14.3 km/h)。

(4) 若線路高峰小時單向客流量維持在初期的2 381人次/h,則在運(yùn)營約9年后有軌電車的總成本會低于快速道路公交;若線路高峰小時單向客流量維持在近期的4 666人次/h,在運(yùn)營約3年后有軌電車的總成本會低于快速道路公交。而有軌電車的使用年限一般可超過25年,快速道路公交不到10年[8]。因此,城市在進(jìn)行有軌電車的規(guī)劃時,既要考慮運(yùn)輸需求,同時也要明確有軌電車的發(fā)展目標(biāo)。該目標(biāo)一方面指有軌電車需要承擔(dān)的運(yùn)量目標(biāo);另一方面指其在整個綜合交通系統(tǒng)中的功能定位,即有軌電車是作為骨干公交長期發(fā)展,還是僅作為向軌道大運(yùn)量系統(tǒng)的過渡選擇。

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Operating Cost Comparison and Analysis of Modern Tramway with Independent Right of Way and Bus Rapid Transit System

CHEN Shengbo, LIU Yongping, LI Yang, CHEN Xi

When developing a medium capacity traffic system in a city, the choice of light rail transit or bus rapid transit has to be considered. An operating cost-based comparison is made between the two systems in considering the purchase cost of vehicles, vehicle-hour and vehicle-mile operating cost and other fixed cost about transit lines. An operating-based calculating model is built and relevant parameters are marked in combination with the actual operating data in China and foreign countries. Then, a practical example is used to test the model and calculate the cost, the passenger volume and operating speed of the two systems on the same traffic aisle, applicable conditions of modern tramway and bus rapid transit are obtainen by a sensitivity analysis. This research prvides support for traffic planning and operating department decisions.

tram; bus rapid transit; operating cost; comparison and analysis

Shenzhen Urban Transport Planning,Design & Research Center Co.Ltd,518021,Shenzhen,China

F 570.5:U 482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.026

2015-10-08)