基于全壽命周期理論的城市軌道交通配線設計方法研究

李 娜

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

目前中國城市軌道交通正處在快速發展時期。在城市軌道交通建設規模方面，截至2015年3月，全國17個城市的地鐵運營總里程達到2 534.88 km；根據我國北京、上海、天津、廣州、深圳、武漢、南京、重慶、長春、哈爾濱、沈陽、杭州、西安、成都、蘇州等15個城市近期建設規劃，15個城市共規劃線路61條，長1 700 km，總投資超過6 000億元的情況來看，我國城市軌道交通都正經歷著一個前所未有的快速發展時期[1]。

0 引言

作為一項投資大、建設周期長、線路走向不可變及車站地理位置固定的百年工程，城市軌道交通的設計工作就顯得尤為重要，一個優秀的設計應當是綜合考慮了建設和運營兩階段的功能和費用后，最終提出最優化的方案。而在國內目前的設計當中，滿足功能成為設計的主要任務，對于后期的運營、維修和養護沒有足夠的重視，導致了在整個運營周期中，工程后期費用巨大；同時為運營人員的工作帶來了很多不便。

根據實地調研北京某地鐵車站，觀察到該車站配線設計的主要問題為后期運營中尖軌的更換。常規運營中，當發車間隔為4 min時，尖軌每8個月需要更換一次，而在北京某車站，尖軌的更換為每4個月一次，同時鋼軌磨損十分嚴重（見圖1、圖2）。出現這類問題的原因是，設計人員將折返線置于曲線地段，導致鋼軌磨損十分嚴重。

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60年代出現在美國軍界，主要用于軍隊航母、激光制導導彈、先進戰斗機等高科技武器的管理上。全壽命周期的理念將規劃、建設、運營等不同階段的成本統籌考慮，考慮了從規劃設計到報廢的整個壽命周期，避免了短期成本行為，考慮所有會發生的費用，在合適的可用率和全部費用之間尋求平衡，找出LCC最小的方案。從20世紀70年代開始，全壽命周期管理理念開始應用于交通運輸行業。但是在地鐵設計中，目前的全壽命周期研究相關工作仍處于理論研究中[2]。在實際的地鐵設計中，設計大部分仍處于僅僅重視建設費用比選的階段。因此，基于全壽命周期的軌道交通設計配線設計方法研究十分必要。下文中將運用全壽命周期理論對于兩個車站折返線設計方案進行具體研究。

1 實例分析

目前地鐵折返的主要形式有站前折返和站后折返。對于其功能上的優缺點，已經有許多學者進行了分析。

圖3 站后折返

站后折返特點：占地面積大，列車空駛距離長，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：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，對于兩種配線形式的對比需要涵蓋建設期、運用期和養護維修全周期的費用。綜合已有的地鐵某車站設計資料，對于兩種配線形式分別進行了經濟評價。

經濟評價基于以下假設：

a）資金折現率為10%。

b）評估方案是采用的計算期為10年。

c）計算不考慮通貨膨脹的影響。

d）一般車站的建設期設為3年，也就是車站的初期建設費用將在前3年付清，假設每年支付1/3。

e）所有用地花費均在第一年開始時付清。

f）所有站臺長度均為197 m。

綜合設計資料以及目前已投入運營的部分車站運營和維修養護的相關資料，對于兩種方案進行經濟評估。

地鐵在全壽命周期中，主要的費用包括：初期建設費用、占地費用與運營中購置車輛費用、養護費用與雇傭司機費用。對于不同的發車間隔，需要的車輛數和司機數量是不同的。對于相同發車間隔，不同的配線布置形式的建設費用、占地費用與運營費用是不同的。因此，需要對于每種情況分別進行計算，對所得的數據進行數量上對比，從而推薦出最優的配線布置方案。具體數據見表1和表2。

表1 方案A：站后折返方案 千萬元

在評估中，選定計算周期為10年，為了使得比選結果具有可比性，將所有的費用都轉化為凈現值。使用的公式[3-4]為：

表1與表2中列車僅為費用的年值，在實際比較中，需要將相關費用轉換為凈年值。占地費用為第一年支付，初期建設費用分3年付清，第四年開始運營，需要車底的費用、運營費用和額外雇傭司機的費用。以方案A，發車間隔120 s時的費用為例，將費用年值轉化為凈年值。

第一年費用為占地費用+1/3初期建設費用，即3.18+2.92/3=4.15千萬元。

第二年、第三年為1/3建設費用，即 2.92/3=0.973千萬元。

第四年至第十年費用為運營費用+車輛費用+額外雇傭司機費用，即6.28+3.85+0.08=10.21千萬元。

取折現率為10%，得到費用的凈現值為42.5千萬元。

按照上文中的方法，將兩個車站費用轉換為NPV（凈年值），進行全壽命周期的經濟評價得到表3。

表3 方案經濟比選 千萬元

2 結論

a）基于以上全壽命周期的經濟評價結果，可知當車站要求的發車間隔為90 s時，只有站前折返可以滿足設計要求。

b）當發車間隔為 120 s、180 s及 240 s時，站后折返為更優化方案。

c）當發車間隔為600 s時，站前折返為推薦方案。

d）本文僅集中討論了兩種配線設計方案，對于更多的配線設計方案沒有進行具體的評價。同時，對于本文中的兩種方法的經濟評價源自目前現存車站運營數據的收集，實際使用該方法時還需要結合不同地區的運營情況具體分析。