基于LCC分析的全自動運行技術應用效果實例研究

付宇 曹曉巖 王山山

摘 要：近年來全自動運行技術在我國城市軌道交通行業(yè)得到了迅速推廣與廣泛應用。文章基于全生命周期成本（LCC）分析，結合其技術特點，分析了全自動運行技術與傳統(tǒng)技術的差異，以濟南地鐵實際運營線路為例，對全自動運行技術在不同條件下節(jié)約人力成本投入的效果進行了驗證和定量分析，得出了在短編組、小站間距條件下全自動運行技術具有更優(yōu)適用性的結論。

關鍵詞：城市軌道交通；全自動運行技術；全生命周期成本（LCC）；人力成本

中圖分類號：F49；TM73文獻標志碼：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.08.025

Abstract： In recent years， AUGT （short for automated urban guided transport） has been rapidly promoted and widely applied in China. Based on LCC （short for life cycle cost） ， this paper analyzes the differences between the AUGT and the traditional technology， combined with technical characteristics. This paper takes Jinan rail transit as an example to verify and quantitatively analyze the effect of the AUGT on saving labor cost under different conditions， and comes to the conclusion that AUGT has more advantages in short grouping or short station spacing.

Key words： urban rail transit; automated urban guided transport（AUGT）; life cycle cost （LCC）; labor cost

我國城市軌道交通歷經(jīng)50余年的建設和發(fā)展，取得了無數(shù)輝煌的成就。截止2022年底，全國共53個城市開通了290條城市軌道交通線路，運營總里程達9 584公里[1]，客運總量和運營總里程均居于世界首位。伴隨著我國城市軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，近年來全自動運行技術在行業(yè)內推廣迅速，其節(jié)約人力成本投入的優(yōu)勢尤其受投資者青睞。

1 ? ?全自動運行技術的特點

城市軌道交通工程全自動運行系統(tǒng)具有以下突出特點。

1.1 ? ?全自動運行列車智能化和RAMS水平進一步提高

全自動運行（GoA4等級）列車具備無司機在車上值守的自動運行能力，可實現(xiàn)無人駕駛。其可靠性、可用性、可維護性和安全性（RAMS，即Reliability，Availability，Maintainability，Safety）相較于傳統(tǒng)的GoA2等級列車均有了一定程度的提升，具備故障自動診斷與修復功能。

1.2 ? ?全自動運行系統(tǒng)自動化水平明顯提高

GoA4等級的信號系統(tǒng)不僅能對列車的運行速度進行自動控制，而且可以實現(xiàn)自動化的列車調度工作，自主地操控列車出庫上線、下線回庫等行為。在傳統(tǒng)線路中，這些工作均需要調度員人工觸發(fā)。

1.3 ? ?全自動運行系統(tǒng)信息化水平進一步提高

傳統(tǒng)線路的弱電系統(tǒng)功能權限界限劃分清晰，信號、綜合監(jiān)控等系統(tǒng)無法進行大量信息交互，其各項功能的實現(xiàn)均需依靠專職的信號調度員、電力調度員、環(huán)境調度員人工操作。在全自動運行系統(tǒng)中，信息化水平明顯提高，各系統(tǒng)可直接進行信息交互，大大提高了信息交互效率和準確率。

1.4 ? ?全自動運行系統(tǒng)外部接口保持不變

全自動運行列車的技術升級主要集中在車載自動化設備和網(wǎng)絡系統(tǒng)中。列車基本架構與傳統(tǒng)GoA2等級的列車完全一致，對軌道、接觸網(wǎng)等外部系統(tǒng)的接口保持不變。信號等弱電系統(tǒng)技術升級主要集中在軟件程序和機房設備中，設備安裝外部方式均與傳統(tǒng)工程項目一致，對橋隧、房建等外部系統(tǒng)接口保持不變。

2 ? ?全生命周期成本（LCC）理論與基本模型

全生命周期成本（LCC）理論，在IEC 60300標準中被定義為：事物在存在的整個時間周期內產(chǎn)生的全部成本之和[2]。研究和管理全生命周期成本的主要意義在于協(xié)助決策者在任何可能的時間點、任何可能的備選方案中選擇最優(yōu)方案。在全生命周期中，可以根據(jù)其分析結果結合成本、時間、性能、可靠性或其他考慮因素來評估已選方案執(zhí)行的效果；也可以根據(jù)分析結果在設計階段來評估備選方案的優(yōu)劣；當備選方案數(shù)量較少或無備選方案時，全生命周期成本的分析還可以為開發(fā)利用階段的預算評估提供重要數(shù)據(jù)支撐。

全生命周期成本分析方法如圖1所示。

全生命周期成本研究中建立了多種基本數(shù)學模型，其中較為常見且應用最為廣泛的是求和模型，該模型主要適用于研究對象周期劃分較為明確，子成本間交叉影響較少的情況。求和模型的基本公式為：

城市軌道交通工程屬于較為典型的一類建設工程，根據(jù)IEC 60300標準，將其全生命周期劃分為以下階段[2]：決策設計階段；建設實施階段，指的是工程項目初步設計結束至線路試運營開通的時間階段；運營維護階段，指的是工程項目試運營開通至運營服務永久終止的時間階段，運營維護階段在城市軌道交通工程全生命周期中占比最大，是全生命周期成本研究的重要階段；報廢回收階段。

有研究指出，一些較為復雜的產(chǎn)品或工程，其全生命周期內成本分布大致為：決策設計階段占10%，建設實施階段占30%，運營維護階段占60%[3]。因此對建設實施階段和運營維護階段成本的研究顯得尤為重要。

3 ? ?全自動運行技術與傳統(tǒng)技術成本差異項模型

按以上全生命周期階段劃分，分別對各個階段成本影響因素進行分析，梳理受全自動運行技術影響項，建立全自動運行技術成本差異項的模型，模型結構如圖2所示。

引入資金現(xiàn)值的概念，將上述模型轉化為方程式，如下所示：

其中：LCC表示受全自動運行技術影響的全生命周期成本；

SCt、TCt、HCt、WCt、RCt分別表示第t年的弱電系統(tǒng)采購成本、列車采購成本、人力成本、設備維護成本和設備重置成本；

T1表示城市軌道交通工程建設實施階段時間；

T2表示城市軌道交通工程運營維護階段時間；

r表示城市軌道交通工程折現(xiàn)率，通常取4%～10%[4]。

4 ? ?濟南地鐵全自動運行技術實例研究

濟南市地質條件特殊，地下水系發(fā)達，2015年一期工程建設規(guī)劃正式獲得國家發(fā)改委批復并于同年開始動工。濟南地鐵1、3、2號線先后于2019年4月、2019年12月和2021年3月正式開通運營。其中濟南地鐵1號線、3號線采用GoA2等級傳統(tǒng)半自動運行技術，具備ATO功能，但仍需要司機進行駕駛操作。2號線采用GoA4等級全自動運行技術，具備無人值守的自動運行能力，可在無司機、無工作人員執(zhí)乘的條件下自動完成客運服務，但現(xiàn)階段為安全起見仍采用司機值守的運營模式。除此之外，三條線路的建設時間相近、線路條件相似、運營模式相同、規(guī)劃制式均為B2型列車，可為全自動運行技術應用效果橫向比較的變量控制提供較為便利的條件。

4.1 ? ?不同編組形式下的適用性

濟南地鐵1號線列車采用4輛編組形式，2、3號線列車采用6輛編組形式。具體列車及司機配屬如表1所示。

根據(jù)全生命周期成本數(shù)學模型，第t年人力成本現(xiàn)值的計算公式為：

其中：S表示生產(chǎn)崗位平均年度工資；n表示人員配屬數(shù)量；k表示生產(chǎn)崗位平均薪酬年增長率，查詢濟南當?shù)仄骄べY數(shù)據(jù)取k=0.07。

假設線路運營壽命為60年，經(jīng)計算全生命周期司機人力成本投入現(xiàn)值大小關系為：GoA4等級6編組＜GoA2等級6編組＜GoA2等級4編組。具體數(shù)值如表2所示。

分析其原因，可能是濟南地鐵1號線采用4節(jié)編組列車，相較于2、3號線列車的6節(jié)編組形式，均攤司機等人力成本的能力較差。

全自動運行技術的成本優(yōu)勢之一在于大幅度降低司機人力成本投入，因此可推斷：全自動運行技術對于編組形式較短的線路具有更優(yōu)適用性。

4.2 ? ?不同站間距下的適用性

濟南地鐵1、2、3號線線路總長，平均站間距及信號檢修人員配屬數(shù)量如表3所示。

根據(jù)人力成本現(xiàn)值計算公式，假設線路運營壽命為60年，經(jīng)測算全生命周期信號檢修人員人力成本投入現(xiàn)值大小關系為：2號線＜1號線＜3號線。具體數(shù)值如表4所示。

分析其原因，可能是濟南地鐵1、3號線均為傳統(tǒng)的GoA2等級線路，3號線站間距較小，車站密度較大，車站區(qū)域的信號系統(tǒng)檢修維護工作量大于區(qū)間內的工作量，因此站間距較小的線路分攤信號系統(tǒng)檢修人力成本的能力較差。

全自動運行技術的優(yōu)勢之一在于大幅降低信號系統(tǒng)檢修人力成本投入，因此可推斷：全自動運行技術對于平均站間距較短的線路具有更優(yōu)適用性。

5 ? ?結 ? ?論

通過對濟南地鐵1、2、3號線進行實例分析，我們不難看出，全自動運行技術可明顯降低司機等人力成本的投入，是其核心優(yōu)勢之一。在列車編組形式較短，或平均站間距較小的情況下，全自動運行技術具有更優(yōu)的適用性，可更大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢作用。因此，與編組相對較長和平均站間距相對較大的市域鐵路、高速鐵路相比，市內制式地鐵更有應用全自動運行技術的必要性。

參考文獻：

[1] 中國政府網(wǎng)．2022年城市軌道交通運營數(shù)據(jù)速報[EB/OL]．（2023-01-20）[2023-03-13]. http：//www.gov.cn/xinwen/2023-01/

20/content_5738226.htm.

[2] 阮鐮，章國棟．工程系統(tǒng)的規(guī)劃與設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1991.

[3] 國家發(fā)展改革委建設部．建設項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)（第3版）[M]．北京：中國計劃出版社，2006.