基于廣義費(fèi)用的地鐵施工區(qū)通行成本模型

盧 沖，鄭長江*，馬庚華，李 銳

(1. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

隨著城市的逐漸發(fā)展，發(fā)展較快的城市必將涌入大量的人口。為滿足人們的出行需求，越來越多的城市開始了地鐵的建設(shè)，通常這些城市的地鐵是在現(xiàn)有的城市道路線的基礎(chǔ)上建設(shè)的。因此，在地鐵建設(shè)過程中，必然會導(dǎo)致所在的道路無法發(fā)揮其正常的功能。但是在建設(shè)地鐵的過程中，幾乎沒有將因?yàn)槭┕そo社會通行帶來的經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算入地鐵的成本之中，也沒有一個(gè)合理的占道施工組織規(guī)劃，為最大限度的減少在地鐵的建設(shè)過程中產(chǎn)生的延誤等損耗以及保證周邊地區(qū)交通運(yùn)行安全，必須對該路段的交通進(jìn)行成本分析，以便得出由于施工影響的通行成本上升。

城市的地鐵建設(shè)通常建設(shè)期相對較長，建設(shè)期會在二到三年，在建設(shè)期內(nèi)會大量的占用大量的道路資源。給周圍的居民、商戶帶來極大的不便。如何減少施工過程中對交通流的干擾以及保障通行安全極為重要。因此，必須對于地鐵施工區(qū)的有關(guān)損耗有一定的研究以便對該區(qū)域的更好的進(jìn)行交通組織。

本文以廣義模型為基礎(chǔ)，綜合考慮在地鐵施工時(shí)，由于占道產(chǎn)生的能耗費(fèi)用、時(shí)間費(fèi)用以及事故費(fèi)用，分析各項(xiàng)損耗費(fèi)用的來源和影響因素，基于以上費(fèi)用建立地鐵施工區(qū)通行費(fèi)用成本計(jì)算模型。

1 施工區(qū)通行國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國對于交通流的研究起步很晚，而對于施工區(qū)的交通流通行特性的研究也較少，并且主要集中于高速公路施工區(qū)和城市道路施工區(qū)，然而，對于不同的具體的施工方向特別是地鐵施工并沒有作具體的分析和研究。

1.1 高速公路施工區(qū)的研究

由于高速公路對于速度的要求以及在安全性方面的關(guān)注，現(xiàn)有的對于高速公路施工區(qū)的研究主要集中于車速和基于通行安全的交通組織等方面。

大連海事大學(xué)的吳彪[1]等人通過現(xiàn)場試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)等方法提出了施工區(qū)車速差異分析的方法，得出施工區(qū)不同交通控制區(qū)域車速具有顯著的差異性。長安大學(xué)的馬壯林[2]等人從交通安全等三個(gè)方面進(jìn)行了高速公路施工區(qū)交通組織設(shè)計(jì)，提出了不同情況下的施工區(qū)交通組織候選方案。德克薩斯州交通運(yùn)輸研究所的RICHARD[3]等人通過收集賓夕法尼亞高速公路117個(gè)工作點(diǎn)的數(shù)據(jù)并利用回歸模型提出了高速公路工作區(qū)影響區(qū)域的設(shè)計(jì)和車流量控制的方式。

1.2 城市占道施工的研究

城市道路車流密度大，并且在我國，混合車流現(xiàn)象嚴(yán)重，交通特性更加復(fù)雜，這方面的研究更多的是關(guān)注于交通組織以及影響。

華東交通大學(xué)的查偉雄[4]使用余弦函數(shù)法與線性派發(fā)法對城市占道施工區(qū)公交線路調(diào)整方案進(jìn)行研究；重慶交通大學(xué)的劉偉[5]等人構(gòu)建節(jié)點(diǎn)間路徑行程時(shí)間動(dòng)態(tài)可靠度函數(shù)，引入多元Logit概率分布模型，結(jié)合剩余通行能力敏感度，建立了車流均衡誘導(dǎo)模型；重慶市合川區(qū)市政設(shè)施管理處鄧敏[6]等人分析了城市施工占道項(xiàng)目的現(xiàn)狀，對占道施工項(xiàng)目進(jìn)行等級劃分，對各個(gè)項(xiàng)目的影響程度進(jìn)行分析，規(guī)定了交通影響范圍方法。中佛羅里達(dá)大學(xué)的MORGAN[7]等人基于城市道路駕駛員的模擬對兩個(gè)不同城市道路施工工作區(qū)的配置響應(yīng)進(jìn)行評估，結(jié)果表明，減少錐度長度增加了駕駛員和工作區(qū)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 地鐵施工區(qū)的研究

地鐵施工區(qū)屬于城市占道施工的一種，但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)針對地鐵施工區(qū)的研究較少且主要集中在占道施工的交通優(yōu)化，并且優(yōu)化方法體現(xiàn)在大的方向上和理論上。

河海大學(xué)的陸棒[8]等人通過分析交叉口地鐵占道施工對交叉口通行能力的影響，提出了采用單進(jìn)口的放行方式代替原有對稱放行的方式來彌補(bǔ)車道數(shù)不足的方法，提高了地鐵施工區(qū)交叉口通行能力。深圳市市政工程咨詢中心有限公司楊科[9]通過對地鐵沿線片區(qū)路網(wǎng)進(jìn)行交通疏解，有效地降低地鐵施工期間對城市交通的影響，保證片區(qū)居民的正常出行。并且結(jié)合某地鐵工程，對地鐵施工交通疏解設(shè)計(jì)的原則和方法進(jìn)行探討。

國外對于地鐵施工區(qū)的交通研究較少，主要是研究地鐵施工建設(shè)的安全問題，并沒有對于當(dāng)前典型的國內(nèi)的地鐵施工區(qū)周圍的交通通行問題作出分析和研究，在這里不做贅述。

2 地鐵施工區(qū)交通特性分析

2.1 地鐵施工區(qū)交通通行區(qū)段

現(xiàn)有的文件規(guī)程里沒有對城市施工段有具體的區(qū)段劃分，但是可以參考《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程(JTG H30-2004)》對于高速公路作業(yè)區(qū)的定義來得到類似的城市占道施工尤其是地鐵施工區(qū)交通通行區(qū)段的定義。作業(yè)規(guī)程把公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)的工作區(qū)分成了以下六個(gè)區(qū)域：警告區(qū)、緩沖區(qū)、上游過渡區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)和終止區(qū)，并且該規(guī)程還根據(jù)我國的具體情況，規(guī)定了各個(gè)區(qū)域的最短距離，分別為1 600、90、50、30和30 m。其中，警告區(qū)即車輛即將到達(dá)施工區(qū)時(shí)，通過警告標(biāo)識或者施工障礙物提示道路使用者前方正在施工，緩沖區(qū)則是車輛發(fā)現(xiàn)前方施工需要變道而預(yù)留的變道區(qū)域，上游過渡區(qū)用于車輛變道之后進(jìn)行車速等方面的調(diào)整準(zhǔn)備通過施工區(qū)段，下游過渡區(qū)即車輛通過施工區(qū)段以后變道回歸正常行駛，終止區(qū)則為整個(gè)施工區(qū)段的終點(diǎn)位置。

地鐵施工區(qū)占用車道的情況主要有兩種，一種是施工區(qū)位于道路中央，另外一種位于道路兩側(cè)[8]，城市地鐵施工具有占用雙向車道的情況，通常在雙向六車道的道路上，施工會占用中間四個(gè)車道，由于對稱性，與高速公路施工區(qū)段不同，雙向都應(yīng)該劃分通行區(qū)域，只留下雙向最外側(cè)的一條車輛用作通行，具體劃分如圖1、2所示：

圖1 地鐵施工區(qū)位于中央的影響范圍圖Fig.1 The influence zone of the subway construction area located in the

圖2 地鐵施工區(qū)位于兩側(cè)的影響范圍圖Fig.2 The influence zone of the subway construction area on both sides

2.2 施工區(qū)交通特征分析

2.2.1施工區(qū)交通通行情況分析

以雙向六車道道路為例，通常修建地鐵會占用雙向4個(gè)車道，留下兩個(gè)方向的單車道，在進(jìn)入施工區(qū)時(shí)，因?yàn)榈缆返母淖?，需要產(chǎn)生至少一次變道，必然會產(chǎn)生交通流瓶頸，在這個(gè)瓶頸中會產(chǎn)生大量的交通擁堵、車輛交織等行為，特別是對于非機(jī)動(dòng)車道十分窄的區(qū)段來說，會產(chǎn)生機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車、行人之間的沖突，由此會有很大的交通隱患。

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，交通量換算采用小客車為標(biāo)準(zhǔn)車型，分為4種類型，考慮到城市道路上通行的車輛的不同以及簡化研究和計(jì)算的考慮，本文不考慮數(shù)量較少的大型貨車等重型車，僅僅把車型分為小型車和中型車。

具體的換算方式如表1所示：

表1 折算系數(shù)表Tab.1 The conversion coefficient table

2.2.2施工區(qū)通行費(fèi)用分析

本文目的在于建立通行成本模型，故而首先應(yīng)分析通行該區(qū)域時(shí)所需要的各項(xiàng)費(fèi)用。首先，在通過這段區(qū)域時(shí)，車速會降低到20 km/h以下甚至更低，從而產(chǎn)生更多的燃油消耗，頻繁的停車更會帶來比平常多的污染排放，由此帶來的社會成本進(jìn)一步增加。因此，必須考慮通行產(chǎn)生的能耗費(fèi)用；其次，占道施工降低了該路段的通行能力，道路通行不暢，延誤增大，通過該路段需要更多的時(shí)間，由此產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，還會造成一定的社會問題，通行不暢帶來的堵塞還會導(dǎo)致諸如路怒癥等社會現(xiàn)象的發(fā)生；再者，原本行駛在該道路上的公交線路，必須改線行駛或者暫停線路，同時(shí)，部分社會車輛不能忍受道路的堵塞等問題，自主選擇換線行駛，這就給附近道路帶來通行壓力，增加了一系列費(fèi)用；最后，如果發(fā)生交通事故，則必然會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)的損失，這也是必須要考慮的內(nèi)容。綜上所述，本文需要考慮三大費(fèi)用因素，分別為能耗費(fèi)用成本模型、時(shí)間費(fèi)用成本模型以及事故安全成本模型。

3 基于廣義費(fèi)用的通行成本模型

3.1 建立模型

本文所考慮的三種費(fèi)用是同時(shí)存在的，因此考慮到權(quán)重時(shí)，各種費(fèi)用應(yīng)該均等考慮，那么當(dāng)有車輛通過該區(qū)域時(shí)，所產(chǎn)生的通行費(fèi)用應(yīng)該是：

C=CR+CT+CA

(1)

CR：能耗費(fèi)用費(fèi)用；

CT：時(shí)間成本費(fèi)用；

CA：事故安全成本費(fèi)用。

3.2 能耗費(fèi)用成本模型

燃油消耗的增加主要是車輛減速低速緩慢行駛的情況下產(chǎn)生的，車輛在即將駛?cè)胧┕^(qū)的過程中，首先受到警告區(qū)中設(shè)施的提醒，車輛準(zhǔn)備減速通過或者選擇改線行駛。選擇通過的車輛隨后在緩沖區(qū)開始降速并且變道駛?cè)肷嫌芜^渡區(qū)，以較慢的速度排隊(duì)進(jìn)入工作區(qū)，在工作區(qū)緩慢小心行駛，可以認(rèn)為是勻速通過工作區(qū)，待行駛過工作區(qū)以后，變道并且加速回歸正常行駛。由于城市的車輛總體車速較低，因此可以在很短的距離下執(zhí)行減速動(dòng)作，這段變速所帶來的油耗很少可以忽略不計(jì)，總體而言，可以認(rèn)為，車輛自警告區(qū)開始就以較低的速度行駛穿過整個(gè)區(qū)域。那么，通行穿過該區(qū)域的能耗費(fèi)用[10]可以認(rèn)為是：

(2)

cr：燃油的單價(jià)

fi(a)：不同車型燃油消耗與速度的關(guān)系函數(shù)

l：施工區(qū)段的長度

選擇改線行駛的車輛為了達(dá)到目的地，通常會選擇最近的一條線路進(jìn)行通行。道路使用者在發(fā)現(xiàn)前方有地鐵施工路段時(shí)，會根據(jù)當(dāng)前的道路狀況以及自己的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。如果前方施工區(qū)段的發(fā)生較嚴(yán)重的堵塞、延誤很大或者自身對于時(shí)間的要求十分的緊迫，此時(shí)道路使用者便會在臨近的交叉口選擇變道換線行駛至目的地，在這個(gè)過程中便會產(chǎn)生由于改線行駛導(dǎo)致的能耗費(fèi)用，其中包括改線的公交車輛的能耗費(fèi)用。改線行駛產(chǎn)生的費(fèi)用便是由于更長的通行距離產(chǎn)生的。因此，結(jié)合改線行駛的車輛的能耗費(fèi)用，總費(fèi)用應(yīng)為：

(3)

CR總：單位小時(shí)內(nèi)，機(jī)動(dòng)車通行或改線產(chǎn)生的總體能耗費(fèi)用；

Qs：選擇通過施工區(qū)的車流量；

pi：不同車型車流量所占比；

ai：車型換算系數(shù)；

ls：施工區(qū)段總長度；

Qz：施工前，該道路的平均車流量；

lg：改線行駛所要通行的距離；

3.3 時(shí)間成本模型

時(shí)間成本主要是由延誤導(dǎo)致的成本，一方面，施工占用道路，車輛減速通過，比平常需要消耗更多的時(shí)間，另一方面選擇改線行駛的車輛繞行到達(dá)目的地也必然要花費(fèi)更多的時(shí)間。這段時(shí)間道路使用者所能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值就可以認(rèn)為是通過這段施工區(qū)的時(shí)間成本。該成本與通行于施工前車道的車輛有關(guān)，對于一般小汽車而言，時(shí)間成本在于其勞動(dòng)力成本，小汽車乘員所能在這段時(shí)間創(chuàng)造的價(jià)值，比如趕著工作的上班族或者出租車；對于貨車而言，時(shí)間成本主要在于運(yùn)輸這份貨物的成本，能否按時(shí)將貨物送達(dá)等。對于行駛于該路線的公交車而言，時(shí)間成本主要是由于施工改線產(chǎn)生的，改線增加了行程，原本乘坐于該路線的乘客需要耗費(fèi)更多的時(shí)間到達(dá)目的地，這部分的時(shí)間成本由乘客來承擔(dān)。為了量化上述的勞動(dòng)力成本，我們可以使用施工區(qū)所在地區(qū)的人均可支配收入來得到我們的單位時(shí)間勞動(dòng)力成本，即人均可支配收入以每天工作八小時(shí)計(jì)，除去節(jié)假日所得的單位時(shí)間勞動(dòng)力成本。綜合上述三種主要的車型，我們可以把模型建立為以下的模式：

(4)

CT：表示單位時(shí)間的資金成本；

G：所在地區(qū)的人均可支配收入；

Tw：所在地區(qū)年法定工作時(shí)間；

Qs1：改線行駛小型車的流量；

n：改線行駛的公交車輛的平均乘客數(shù)；

Qs2：改線行駛中公交車輛的流量；

3.4 事故安全成本模型

在地鐵施工的過程中，由于車流具有了不確定性，受突然變道、空間減小等影響，車輛容易發(fā)生碰撞，輕則產(chǎn)生車輛損壞等問題，重則產(chǎn)生重大的人員傷亡事故。同時(shí)，如果發(fā)生交通事故，勢必使施工區(qū)段道路資源更加緊張，甚至直接堵塞施工區(qū)段，這樣就使通行的時(shí)間成本進(jìn)一步增加，并且其他車輛不得不改線行駛，增加了周邊道路的壓力。在此，只考慮直接發(fā)生于施工路段的交通事故，并且考慮由事故引發(fā)的能耗成本和時(shí)間成本。對于直接的交通事故而言，可以將事故分為兩種，一種是發(fā)生了人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，另外一種是只發(fā)生財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)《道路交通安全法實(shí)施條例》，發(fā)生事故時(shí)產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失主要由傷亡賠償和財(cái)產(chǎn)損失構(gòu)成，由于地鐵施工時(shí)只有雙向單車道，當(dāng)發(fā)生諸如追尾等交通事故時(shí)，會將僅有的車道堵塞，在處理交通事故的過程中，這個(gè)車道將會無法被使用，那么原本選擇通行于施工區(qū)段的車輛將不得不選擇改線行駛，由此，這批車輛的能耗費(fèi)用和時(shí)間費(fèi)用發(fā)生于改線行駛的道路中。

一般來說，改線的能耗費(fèi)用和時(shí)間費(fèi)用將會大于通行于施工區(qū)段的費(fèi)用，這多出來的部分則是由事故產(chǎn)生的。重慶交通大學(xué)的向紅艷[11]按照城鎮(zhèn)居民死亡事故賠償標(biāo)準(zhǔn)，建立了事故費(fèi)用模型。但是在城市中應(yīng)該進(jìn)一步考慮由于改線產(chǎn)生的費(fèi)用。綜合以上所考慮的因素，建立模型如下：

CA=N×Qs×(cd+t×CT+Qs×Cr′)

(5)

N：地鐵施工路段的事故率[12]；

cd：單人死亡賠償金；

t：事故發(fā)生占用道路的時(shí)間；

CT′：全部車輛改線行駛的單位時(shí)間資金成本；

CR′：全部車輛改線行駛的燃油成本。

3.5 模型整合

綜合燃油成本、時(shí)間成本以及事故成本，在整個(gè)路段修建地鐵的過程中，受其占道影響而產(chǎn)生的通行成本應(yīng)該滿足以下模型：

C=T×(CR+CT+CA)

(6)

T：地鐵施工工期。

同時(shí)，在地鐵施工之前所產(chǎn)生的正常的通行成本也很容易得到：

(7)

4 實(shí)例應(yīng)用

南京草場門大街的龍江到南藝二師路段，該路段雙向六車道，車道寬3.5 m，受到地鐵施工的影響，內(nèi)側(cè)的雙向四車道被占用，僅僅保留兩側(cè)的道路供機(jī)動(dòng)車行駛。本路段的地鐵施工從2015年4月前后開始，施工時(shí)間約為一年，施工區(qū)的長度約為1 600 m，車輛改線行駛主要是通過江東北路進(jìn)行繞行，這樣，到達(dá)相同的目的地所行經(jīng)的改線行駛長度3 800 m。車流量調(diào)查結(jié)果如表3所示：

表3 施工前后計(jì)算數(shù)據(jù)表Tab.3 Calculation data sheet before and after construction

注：——施工前數(shù)據(jù)不存在

(8)

查閱相關(guān)資料得知，2015年，南京的人均可支配收入為46 104元，全年工作日一共250天，工作時(shí)間一共為2 000 h，則可以認(rèn)為，單位時(shí)間成本為23元/h。所在地的單人死亡賠償金約為48.81萬。油價(jià)約為5.34元/L，事故率1.5%。綜合以上信息，在該路段一年的施工期內(nèi)，所產(chǎn)生的通行成本使用本文得出的模型進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過計(jì)算，與原本的通行成本進(jìn)行對比，求得增加的通行成本為1 320萬，而該段的建設(shè)成本約為1.6億元，占比8%，在考慮建設(shè)該段地鐵路線的可行性時(shí)，應(yīng)該計(jì)算增加的通行成本。

5 結(jié)束語

本文認(rèn)為在建設(shè)地鐵過程中，增加的通行成本可以計(jì)算入建設(shè)地鐵的總成本之中。

(1)基于廣義費(fèi)用的基本原理，把車輛通行于該施工段時(shí)的所有可能的通行成本全部考慮在內(nèi)，以燃油費(fèi)用、時(shí)間費(fèi)用和事故費(fèi)用為基礎(chǔ)，并考慮改線情況下的增加費(fèi)用，計(jì)算得到由于地鐵施工增加的通行成本，作為城市建設(shè)地鐵設(shè)施可行性研究的參考。

(2)本文充分考慮了各種通行費(fèi)用，并且給予各自相同的權(quán)重，從而得出可行的通行成本計(jì)算模型。在選取南京一處經(jīng)典的兩側(cè)施工的地鐵施工區(qū)作為研究對象并將調(diào)查數(shù)據(jù)代入模型公式之后發(fā)現(xiàn)，由于地鐵施工增加的通行成本占建設(shè)費(fèi)用的比例較大，約為8%，應(yīng)該將其計(jì)算入地鐵建設(shè)成本。

(3)本文雖然盡力考慮改線的情況下的一些費(fèi)用情況，但是未能考慮到在改線行駛時(shí)，周邊道路通行壓力增加從而導(dǎo)致的例如延誤增加，堵塞嚴(yán)重的問題，這部分的通行費(fèi)用未加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目紤]，需要下一步的深入研究，從而進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有模型，使該模型更加準(zhǔn)確。