市域轨道交通线衔接模式评价方法研究

施毓凤，叶霞飞，周 勇

(1.上海交通职业技术学院，上海200433;2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海200092)

随着城市的发展，郊区与市区间的交通需求越来越大，作为连接市区与郊区的市域轨道交通线(以下简称市域线)需要解决其与市区的良好衔接问题［1-2］。由于我国市域线还处于初期发展阶段，有关其分段、贯通模式的专门研究还很少。多数研究仅限于对线路特征和客流特征的定性研究，提出了采用区别于一般贯通模式的建议［3-4］，目前还缺乏客观的评价指标体系和评价模型，很难应用于实际的线路设计中。针对这种现状，笔者对尝试着通过分析市域线衔接模式选择对关键因素的影响程度，建立市域线衔接模式的评价指标体系，对市域线的衔接模式进行定量评价，以期为国内市域线的线路设计提供参考。

1 市域线衔接模式的概念及其特征

从市域线与市区的衔接模式来看，基本上可以分为分段与贯通两种模式。所谓贯通模式，是指市域线在郊区和市区采用同一种轨道交通制式，乘客无需换乘可直接进出市区;而分段模式，是指市域线上存在1个或者多个物理分段点把线路分割成几段，各段采用不同的轨道交通制式，通过这些分段点的乘客必须通过换乘才能进入其他段线路的车站。这两种模式最主要的区别在于市域线进入市区的方式，笔者在此把这两种方式统称为市域线的衔接模式。

2 衔接模式选择对关键因素的影响及其影响程度分析

市域线衔接模式的选择，除了要考虑不同衔接模式的特征与适应性外，还需要考虑衔接模式选择对哪些因素产生影响及其影响程度，以便为市域线衔接模式的评价提供基础。总体来说，不同衔接模式将对市域线的建设成本、运营成本、沿线环境以及乘客出行等因素产生不同程度的影响。需要说明的是，市域线不同衔接模式对这些因素的影响，实际上是由系统制式、运营组织方案和分割点等构成的组合方案产生的。因此，在分析衔接模式对关键因素的影响和影响程度时，需要结合系统制式、运营组织和分割点的特征进行综合考虑。

2.1 建设成本

分段、贯通模式所采用的不同的轨道交通制式和运营组织方案，将对建设成本中的车站土建工程成本、供电系统成本、车辆购置成本等产生影响;同时由于衔接模式的不同导致一些车站规模的变化将引起车站拆迁成本和用地成本的变化，从而对工程建设其他费用产生影响。

2.1.1 车站土建工程成本

不同的衔接模式，将对站台长度、宽度和折返站的折返线长度造成影响。在贯通模式下，如果采用大小交路运行，一般需要考虑折返站的规模和折返线的设计、建造;在分段模式下，分段点前后有可能采用不同的列车编组，因此分段点前后的站台长度有可能不同;同时在分段模式下，必然要考虑分段点车站的设计，为了便于换乘一般采用双向岛式车站，其车站规模要比一般车站大。因此，不同衔接模式下的车站土建工程成本可以表示为:

式中:C车站为车站总造价，万元;为i车站的土建造价指标，万元;li，wi分别代表i车站的长度和宽度，m;为j折返站的折返线造价，万元/m;为j折返站的折返线长度，m。

2.1.2 供电系统成本

在我国，一般的城市轨道交通都采用DC 1 500 V，但是市郊铁路一般是采用AC25 kV。AC25 kV相对于直流制供电减少了牵引变电所、中压环网电缆、接触网导线、杂散电流防护等工程量，具有显著的经济优势［5］。如果在市域线不同区段采用不同的轨道交通制式，其供电制式也有可能不同，因此对线路供电设备成本将产生影响。

式中:C供电为线路供电设备费用，万元;Lk为第k段线路的长度，km;为第k段线路的供电设备单价，万元 /km。

2.1.3 拆迁工程和用地成本

不同的衔接模式结合不同的运营组织，线路上各个车站规模会有所差别，而车站规模的差别除了对车站土建工程产生影响外，也对车站周围的拆迁面积和用地面积产生影响，从而造成不同衔接模式下的车站拆迁工程和用地成本(统称为工程建设其他费用)的差别。式中:C其他为不同衔接模式下的工程建设其他费用，万元分别代表i车站周边的拆迁价格和土地价格，万元分别代表i车站建设产生的拆迁面积和占地面积。

2.1.4 车辆购置费

在分段和贯通情况下，列车编组数量、列车速度、车辆种类等不同将引起运用车辆数量以及车辆购置费用的差别。

式中:C车辆为车辆的总购置费用，万元;nk为第k段线路的车辆购置数，veh为第k段线路所采用的车辆单价，万元 /veh。

根据以上4个方面的分析，与市域线衔接模式相关的建设成本可以表示为:

2.2 运营成本

不同的衔接模式配合不同的运营组织方案，线路的运营成本必然也会受到影响。在分段模式下为适应不同段的客流特征，可以在分段点前后采取不同的运营组织方案。在客流量较高的市区，可采用“大编组高密度”模式，而在市郊段可根据具体客流情况，适当缩小列车编组，即采用“小编组高密度”模式，或其他模式。在贯通模式下，为了满足市区大客流的需要，市域线一般采用大编组运行。通常以年车辆·公里成本来评价运营成本［6］。因此，可以通过计算不同衔接模式下的车辆年走行公里数来衡量运营成本的大小。

式中:C运营为线路的年运营费用，万元 /a;Nk为第k段线路年车辆走行公里数，veh·km/a为第k段线路运营费用单价，万元 /(veh·km)。

2.3 环境影响

在不同的衔接模式与运营组织方案组合下，市域线对沿线的环境影响程度是不同的。从线路制式来看，市郊铁路的噪音、振动要比地铁和轻轨的噪声、振动影响大［7］;同时线路上的行车速度和行车间隔以及列车编组数都将对噪声、振动产生不同程度的影响。而有关不同轨道交通制式和运营特征的噪声、振动影响的计算方法已在文献［8］中有所论述，限于篇幅此处不再重述。

2.4 乘客出行

不同衔接模式对乘客出行的影响可以分为两方面，一方面是对乘客旅行时间的影响，一方面是对乘客出行方便性的影响。

从旅行时间来看，在同样满足客运需求的条件下，采用分段模式，市区段与郊区段可以采用不同的列车编组数量和发车密度，从而减少郊区沿线乘客的候车时间，但将相应增加部分乘客的换乘时间。同时，分段模式下郊区段线路与市区段线路运营交路相对独立，因此郊区段线路可采用与市区段不同制式的高速车型，以节约郊区段乘客的乘车时间。采用贯通模式，可减少部分乘客的换乘时间，但郊区沿线乘客有可能因为发车间隔加大而增加候车时间。

从出行方便性来看，如果采用分段模式，则部分乘客在分段点车站必须通过换乘才能进出市区，必然降低部分乘客出行的直达性;而采用贯通模式，线路上的乘客无需换乘就可以到达目的车站，线路直达性好。

因此，不同的衔接模式对乘客出行中的乘车时间、在车站的候车和换乘耗时都有影响。由于乘车时间、候车时间和换乘耗时等不同的时间给人的感觉是不一样的［6］，为衡量不同衔接模式对乘客出行的影响，需要把不同的时间分别给以权值以转化成同一概念的感觉时间。假设车站客流的平均等候时间为车站发车间隔时间的一半，则衔接模式对乘客出行影响的计算方法如下:

式中:T旅为线路上乘客的总旅行时间，h/d;ti为i车站的平均发车间隔，min;为第j个分段点的平均换乘耗时(取决于分段点的车站换乘设计和分段点的发车间隔)，min;τ候车，τ乘车，τ换乘分别代表候车时间权值、乘车时间权值和换乘时间权值;Li-i'为i车站到i'车站的站间距离，km;Vi-i'为i车站到i'车站的旅行速度，km/h;Qi-i'为在i车站上车到i'车站下车的客流量，人/d;Qi为i车站的上车客流量，人/d;为j分段点的换乘客流量，人 /d。

3 衔接模式的评价方法

3.1 评价指标体系的建立和量化

市域线衔接模式对关键因素的影响是结合系统制式、运营组织和分割点的不同特征而形成。因此，对分段、贯通模式的评价实际上是对一系列的组合方案进行评价。笔者建立了如图1中的市域线衔接模式评价指标体系。评价指标体系从不同的层面上反映衔接模式组合方案与相关因素的关系，同时从出行者、运营者和沿线居民等3方利益出发，体现市域线衔接模式选择是权衡多方利益进行价值判断的冲突分析过程。

图1 市域轨道交通线衔接模式评价指标体系Fig.1 Evaluation index system for connecting mode of RRT

根据以上指标体系，一般可以利用层次分析法、灰度分析法等模糊评价方法对衔接模式进行评价。为了体现市域轨道交通线路“提高效率，降低成本”的设计原则，笔者利用总费用现值方法把各项指标量化为经济指标，对衔接模式进行评价。在评价指标体系中，“建设成本”和“运营成本”指标本身就是经济性评价指标，可以直接计算成现值进行比较。因此，主要是把“旅行时间”“噪声影响”和“振动影响”3个指标进行量化。

3.1.1 服务水平指标的量化——旅行时间成本

在服务水平指标中的“旅行时间”可以通过时间价值转化为旅行时间成本。旅行时间成本可以表示为:

式中:C旅行时间为线路上乘客的总旅行时间成本，万元/a;T旅为线路上乘客的总旅行时间(式(7))，h/d;G为乘客的单位时间价值，元 /h。

3.1.2 环境影响的量化——环境影响成本

轨道交通沿线的噪声、振动要符合有关的控制标准，在分段或者贯通模式下，不同区段线路产生的噪声、振动必须通过采用各种措施把噪声、振动控制在相应的标准限值以内。根据已有的资料显示，不同的减振降噪措施的成本是不同的。因此，环境影响成本可以表示为:

式中:C环境为衔接模式方案中的环境影响成本，万元;c噪声为噪声控制的成本，万元 /［km·dB(A)］;c振动为振动控制的成本，万元 /［km·dB］;Ls为轨道交通沿线的噪声控制标准，dB(A);VLs为轨道交通沿线的振动控制标准，dB;为第k段线路的基础噪声值，dB(A);为第k段线路的基本振级，dB。

3.2 评价模型的构建

假设市域线的建设期为m年，计算周期为t年(包括建设期与运营期)，建设成本中的车站土建成本、工程建设其他费用(拆迁成本和用地成本)作为一次性投资计入整个计算周期;供电设备、车辆和减振降噪设备都有一定的使用年限，在整个计算周期内根据其使用年限适时追加购买;运营成本和旅行时间成本在各个年度的年末产生。把以上所有成本折现到运营第一年年初形成市域线衔接模式的总费用现值评价模型如式(10):

式中:

式中:PVC衔接模式为衔接模式方案的总费用现值，万元;PVC旅行时间，PVC建设，PVC运营，PVC环境分别代表衔接模式方案中乘客旅行时间成本、建设成本、运营成本和环境影响成本的总现值，万元为第 i年线路上乘客的总旅行时间成本［式(8)］，万元;为第i年的运营费用［式(6)］，万元;分别代表计算周期内第n次购买供电设备、车辆和环境控制设备的费用［式(2)、式(4)、式(9)］，万元;m为建设期，a;t为计算周期，a;p为折现率;n供电，n车辆，n环境分别代表供电设备、车辆和环境控制设备在计算周期内的购买次数;t供电、t车辆、t环境，分别代表供电设备、车辆和环境控制设备的平均使用年限，a。

4 案例研究

笔者以上海轨道交通9号线(以下简称9号线)为案例进行市域线衔接模式的设计与评价。9号线是上海市第一条以市域线理念设计的轨道交通线，连接中心城及市郊新城［9］。从客流特征来看，9号线客流存在明显的时空分布不均衡性:客流高峰小时断面位于桂林路站—宜山路站之间，而在七宝站和世纪大道站以外的客流量大幅减少;早晚2个高峰小时的客流占了全日客流的30%左右，而平峰各小时的客流量基本是全日客流量的3%～4%。同时，线路两端之间的直达客流很少，九亭站及以远组团与罗山路—东靖路组团之间的客流交换量仅占全日总客流量的0.1%。

4.1 衔接模式方案的形成

根据9号线的线路特征和客流特征，考虑到衔接模式的功能适应性和客流适应性，借鉴文献［9］对有关运行交路的方案比选研究，笔者以中春路和民生路为分割点形成如表1中的4种衔接模式方案。

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4.2 衔接模式的评价

通过计算得到各指标的总费用现值如表2。计算结果显示，方案4为总费用现值最小的方案，各方案按照总费用现值从小到大的排序为:方案4→方案2→方案3→方案1。同时分段模式都要优于贯通模式。

表2 上海轨道交通9号线衔接模式方案总费用现值计算结果Table 2 PVC of Line 9 of Shanghai Rail Transit /亿元

5 结论

从具体数据来看，采用分段模式虽然会增加某些乘客的换乘时间，但是由于分段后在郊区段通过小编组高密度的运营组织方案减少了大部分乘客的候车时间，因此客流总体的旅行时间并不一定会增加(分段模式中方案3的旅行时间成本小于贯通模式方案1的旅行时间成本)。在分段模式下，由于郊区段线路一般采用郊区铁路制式，同时郊区段可以采用小编组的运营组织方案，因此分段模式的建设成本和运营成本都要比贯通模式节省。然而，在郊区段采用郊区铁路制式会增加沿线的噪声振动影响程度和范围，相应的环境控制成本也会有所增加。从总体成本来看，分段模式都要比贯通模式节约成本。

值得注意的是，市域线采用分段模式，为了尽量减少在分段点通过客流的换乘时间，需要对分段点车站进行优化设计，便于线路双向折返和同站台换乘;另外，对于采用市郊铁路制式的区段，要对其环境影响进行控制，采用一些减振降噪措施减少线路对环境的影响。

目前国内在市域轨道交通线衔接模式方面的研究工作比较缺乏，笔者所提出的市域线衔接模式的评价指标体系还需要结合实践和相关理论进一步完善;同时由于旅行舒适度难以量化，衔接模式中的服务水平指标只考虑了乘客旅行时间成本，如何在市域线衔接模式评价模型中引入乘客旅行舒适性指标等将是下一阶段研究工作的课题。

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