基于全寿命周期理论的城市轨道交通配线设计方法研究

李 娜

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

目前中国城市轨道交通正处在快速发展时期。在城市轨道交通建设规模方面，截至2015年3月，全国17个城市的地铁运营总里程达到2 534.88 km；根据我国北京、上海、天津、广州、深圳、武汉、南京、重庆、长春、哈尔滨、沈阳、杭州、西安、成都、苏州等15个城市近期建设规划，15个城市共规划线路61条，长1 700 km，总投资超过6 000亿元的情况来看，我国城市轨道交通都正经历着一个前所未有的快速发展时期[1]。

0 引言

作为一项投资大、建设周期长、线路走向不可变及车站地理位置固定的百年工程，城市轨道交通的设计工作就显得尤为重要，一个优秀的设计应当是综合考虑了建设和运营两阶段的功能和费用后，最终提出最优化的方案。而在国内目前的设计当中，满足功能成为设计的主要任务，对于后期的运营、维修和养护没有足够的重视，导致了在整个运营周期中，工程后期费用巨大；同时为运营人员的工作带来了很多不便。

根据实地调研北京某地铁车站，观察到该车站配线设计的主要问题为后期运营中尖轨的更换。常规运营中，当发车间隔为4 min时，尖轨每8个月需要更换一次，而在北京某车站，尖轨的更换为每4个月一次，同时钢轨磨损十分严重（见图1、图2）。出现这类问题的原因是，设计人员将折返线置于曲线地段，导致钢轨磨损十分严重。

图1 未磨损钢轨

图1 已磨损钢轨

全寿命周期理论（Life Cycle Cost），早在 20世纪60年代出现在美国军界，主要用于军队航母、激光制导导弹、先进战斗机等高科技武器的管理上。全寿命周期的理念将规划、建设、运营等不同阶段的成本统筹考虑，考虑了从规划设计到报废的整个寿命周期，避免了短期成本行为，考虑所有会发生的费用，在合适的可用率和全部费用之间寻求平衡，找出LCC最小的方案。从20世纪70年代开始，全寿命周期管理理念开始应用于交通运输行业。但是在地铁设计中，目前的全寿命周期研究相关工作仍处于理论研究中[2]。在实际的地铁设计中，设计大部分仍处于仅仅重视建设费用比选的阶段。因此，基于全寿命周期的轨道交通设计配线设计方法研究十分必要。下文中将运用全寿命周期理论对于两个车站折返线设计方案进行具体研究。

1 实例分析

目前地铁折返的主要形式有站前折返和站后折返。对于其功能上的优缺点，已经有许多学者进行了分析。

图3 站后折返

站后折返特点：占地面积大，列车空驶距离长，但行车组织灵活，折返能力留有较大余地。

图4 站前折返

站前折返特点：占地面积小，列车空驶距离短，但折返能力和行车组织不灵活。

基于全寿命周期的理论，对于两种配线形式的对比需要涵盖建设期、运用期和养护维修全周期的费用。综合已有的地铁某车站设计资料，对于两种配线形式分别进行了经济评价。

经济评价基于以下假设：

a）资金折现率为10%。

b）评估方案是采用的计算期为10年。

c）计算不考虑通货膨胀的影响。

d）一般车站的建设期设为3年，也就是车站的初期建设费用将在前3年付清，假设每年支付1/3。

e）所有用地花费均在第一年开始时付清。

f）所有站台长度均为197 m。

综合设计资料以及目前已投入运营的部分车站运营和维修养护的相关资料，对于两种方案进行经济评估。

地铁在全寿命周期中，主要的费用包括：初期建设费用、占地费用与运营中购置车辆费用、养护费用与雇佣司机费用。对于不同的发车间隔，需要的车辆数和司机数量是不同的。对于相同发车间隔，不同的配线布置形式的建设费用、占地费用与运营费用是不同的。因此，需要对于每种情况分别进行计算，对所得的数据进行数量上对比，从而推荐出最优的配线布置方案。具体数据见表1和表2。

表1 方案A：站后折返方案 千万元

在评估中，选定计算周期为10年，为了使得比选结果具有可比性，将所有的费用都转化为净现值。使用的公式[3-4]为：

表1与表2中列车仅为费用的年值，在实际比较中，需要将相关费用转换为净年值。占地费用为第一年支付，初期建设费用分3年付清，第四年开始运营，需要车底的费用、运营费用和额外雇佣司机的费用。以方案A，发车间隔120 s时的费用为例，将费用年值转化为净年值。

第一年费用为占地费用+1/3初期建设费用，即3.18+2.92/3=4.15千万元。

第二年、第三年为1/3建设费用，即 2.92/3=0.973千万元。

第四年至第十年费用为运营费用+车辆费用+额外雇佣司机费用，即6.28+3.85+0.08=10.21千万元。

取折现率为10%，得到费用的净现值为42.5千万元。

按照上文中的方法，将两个车站费用转换为NPV（净年值），进行全寿命周期的经济评价得到表3。

表3 方案经济比选 千万元

2 结论

a）基于以上全寿命周期的经济评价结果，可知当车站要求的发车间隔为90 s时，只有站前折返可以满足设计要求。

b）当发车间隔为 120 s、180 s及 240 s时，站后折返为更优化方案。

c）当发车间隔为600 s时，站前折返为推荐方案。

d）本文仅集中讨论了两种配线设计方案，对于更多的配线设计方案没有进行具体的评价。同时，对于本文中的两种方法的经济评价源自目前现存车站运营数据的收集，实际使用该方法时还需要结合不同地区的运营情况具体分析。