基于广义费用的地铁施工区通行成本模型

卢 冲，郑长江*，马庚华，李 锐

(1. 河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

随着城市的逐渐发展，发展较快的城市必将涌入大量的人口。为满足人们的出行需求，越来越多的城市开始了地铁的建设，通常这些城市的地铁是在现有的城市道路线的基础上建设的。因此，在地铁建设过程中，必然会导致所在的道路无法发挥其正常的功能。但是在建设地铁的过程中，几乎没有将因为施工给社会通行带来的经济损失计算入地铁的成本之中，也没有一个合理的占道施工组织规划，为最大限度的减少在地铁的建设过程中产生的延误等损耗以及保证周边地区交通运行安全，必须对该路段的交通进行成本分析，以便得出由于施工影响的通行成本上升。

城市的地铁建设通常建设期相对较长，建设期会在二到三年，在建设期内会大量的占用大量的道路资源。给周围的居民、商户带来极大的不便。如何减少施工过程中对交通流的干扰以及保障通行安全极为重要。因此，必须对于地铁施工区的有关损耗有一定的研究以便对该区域的更好的进行交通组织。

本文以广义模型为基础，综合考虑在地铁施工时，由于占道产生的能耗费用、时间费用以及事故费用，分析各项损耗费用的来源和影响因素，基于以上费用建立地铁施工区通行费用成本计算模型。

1 施工区通行国内外研究现状

我国对于交通流的研究起步很晚，而对于施工区的交通流通行特性的研究也较少，并且主要集中于高速公路施工区和城市道路施工区，然而，对于不同的具体的施工方向特别是地铁施工并没有作具体的分析和研究。

1.1 高速公路施工区的研究

由于高速公路对于速度的要求以及在安全性方面的关注，现有的对于高速公路施工区的研究主要集中于车速和基于通行安全的交通组织等方面。

大连海事大学的吴彪[1]等人通过现场试验和统计等方法提出了施工区车速差异分析的方法，得出施工区不同交通控制区域车速具有显著的差异性。长安大学的马壮林[2]等人从交通安全等三个方面进行了高速公路施工区交通组织设计，提出了不同情况下的施工区交通组织候选方案。德克萨斯州交通运输研究所的RICHARD[3]等人通过收集宾夕法尼亚高速公路117个工作点的数据并利用回归模型提出了高速公路工作区影响区域的设计和车流量控制的方式。

1.2 城市占道施工的研究

城市道路车流密度大，并且在我国，混合车流现象严重，交通特性更加复杂，这方面的研究更多的是关注于交通组织以及影响。

华东交通大学的查伟雄[4]使用余弦函数法与线性派发法对城市占道施工区公交线路调整方案进行研究；重庆交通大学的刘伟[5]等人构建节点间路径行程时间动态可靠度函数，引入多元Logit概率分布模型，结合剩余通行能力敏感度，建立了车流均衡诱导模型；重庆市合川区市政设施管理处邓敏[6]等人分析了城市施工占道项目的现状，对占道施工项目进行等级划分，对各个项目的影响程度进行分析，规定了交通影响范围方法。中佛罗里达大学的MORGAN[7]等人基于城市道路驾驶员的模拟对两个不同城市道路施工工作区的配置响应进行评估，结果表明，减少锥度长度增加了驾驶员和工作区人员的安全风险。

1.3 地铁施工区的研究

地铁施工区属于城市占道施工的一种，但是，现有文献针对地铁施工区的研究较少且主要集中在占道施工的交通优化，并且优化方法体现在大的方向上和理论上。

河海大学的陆棒[8]等人通过分析交叉口地铁占道施工对交叉口通行能力的影响，提出了采用单进口的放行方式代替原有对称放行的方式来弥补车道数不足的方法，提高了地铁施工区交叉口通行能力。深圳市市政工程咨询中心有限公司杨科[9]通过对地铁沿线片区路网进行交通疏解，有效地降低地铁施工期间对城市交通的影响，保证片区居民的正常出行。并且结合某地铁工程，对地铁施工交通疏解设计的原则和方法进行探讨。

国外对于地铁施工区的交通研究较少，主要是研究地铁施工建设的安全问题，并没有对于当前典型的国内的地铁施工区周围的交通通行问题作出分析和研究，在这里不做赘述。

2 地铁施工区交通特性分析

2.1 地铁施工区交通通行区段

现有的文件规程里没有对城市施工段有具体的区段划分，但是可以参考《公路养护安全作业规程(JTG H30-2004)》对于高速公路作业区的定义来得到类似的城市占道施工尤其是地铁施工区交通通行区段的定义。作业规程把公路养护维修作业的工作区分成了以下六个区域：警告区、缓冲区、上游过渡区、工作区、下游过渡区和终止区，并且该规程还根据我国的具体情况，规定了各个区域的最短距离，分别为1 600、90、50、30和30 m。其中，警告区即车辆即将到达施工区时，通过警告标识或者施工障碍物提示道路使用者前方正在施工，缓冲区则是车辆发现前方施工需要变道而预留的变道区域，上游过渡区用于车辆变道之后进行车速等方面的调整准备通过施工区段，下游过渡区即车辆通过施工区段以后变道回归正常行驶，终止区则为整个施工区段的终点位置。

地铁施工区占用车道的情况主要有两种，一种是施工区位于道路中央，另外一种位于道路两侧[8]，城市地铁施工具有占用双向车道的情况，通常在双向六车道的道路上，施工会占用中间四个车道，由于对称性，与高速公路施工区段不同，双向都应该划分通行区域，只留下双向最外侧的一条车辆用作通行，具体划分如图1、2所示：

图1 地铁施工区位于中央的影响范围图Fig.1 The influence zone of the subway construction area located in the

图2 地铁施工区位于两侧的影响范围图Fig.2 The influence zone of the subway construction area on both sides

2.2 施工区交通特征分析

2.2.1施工区交通通行情况分析

以双向六车道道路为例，通常修建地铁会占用双向4个车道，留下两个方向的单车道，在进入施工区时，因为道路的改变，需要产生至少一次变道，必然会产生交通流瓶颈，在这个瓶颈中会产生大量的交通拥堵、车辆交织等行为，特别是对于非机动车道十分窄的区段来说，会产生机动车与非机动车、行人之间的冲突，由此会有很大的交通隐患。

根据《公路工程技术标准》，交通量换算采用小客车为标准车型，分为4种类型，考虑到城市道路上通行的车辆的不同以及简化研究和计算的考虑，本文不考虑数量较少的大型货车等重型车，仅仅把车型分为小型车和中型车。

具体的换算方式如表1所示：

表1 折算系数表Tab.1 The conversion coefficient table

2.2.2施工区通行费用分析

本文目的在于建立通行成本模型，故而首先应分析通行该区域时所需要的各项费用。首先，在通过这段区域时，车速会降低到20 km/h以下甚至更低，从而产生更多的燃油消耗，频繁的停车更会带来比平常多的污染排放，由此带来的社会成本进一步增加。因此，必须考虑通行产生的能耗费用；其次，占道施工降低了该路段的通行能力，道路通行不畅，延误增大，通过该路段需要更多的时间，由此产生一定的经济损失，同时，还会造成一定的社会问题，通行不畅带来的堵塞还会导致诸如路怒症等社会现象的发生；再者，原本行驶在该道路上的公交线路，必须改线行驶或者暂停线路，同时，部分社会车辆不能忍受道路的堵塞等问题，自主选择换线行驶，这就给附近道路带来通行压力，增加了一系列费用；最后，如果发生交通事故，则必然会导致经济财产的损失，这也是必须要考虑的内容。综上所述，本文需要考虑三大费用因素，分别为能耗费用成本模型、时间费用成本模型以及事故安全成本模型。

3 基于广义费用的通行成本模型

3.1 建立模型

本文所考虑的三种费用是同时存在的，因此考虑到权重时，各种费用应该均等考虑，那么当有车辆通过该区域时，所产生的通行费用应该是：

C=CR+CT+CA

(1)

CR：能耗费用费用；

CT：时间成本费用；

CA：事故安全成本费用。

3.2 能耗费用成本模型

燃油消耗的增加主要是车辆减速低速缓慢行驶的情况下产生的，车辆在即将驶入施工区的过程中，首先受到警告区中设施的提醒，车辆准备减速通过或者选择改线行驶。选择通过的车辆随后在缓冲区开始降速并且变道驶入上游过渡区，以较慢的速度排队进入工作区，在工作区缓慢小心行驶，可以认为是匀速通过工作区，待行驶过工作区以后，变道并且加速回归正常行驶。由于城市的车辆总体车速较低，因此可以在很短的距离下执行减速动作，这段变速所带来的油耗很少可以忽略不计，总体而言，可以认为，车辆自警告区开始就以较低的速度行驶穿过整个区域。那么，通行穿过该区域的能耗费用[10]可以认为是：

(2)

cr：燃油的单价

fi(a)：不同车型燃油消耗与速度的关系函数

l：施工区段的长度

选择改线行驶的车辆为了达到目的地，通常会选择最近的一条线路进行通行。道路使用者在发现前方有地铁施工路段时，会根据当前的道路状况以及自己的实际情况进行选择。如果前方施工区段的发生较严重的堵塞、延误很大或者自身对于时间的要求十分的紧迫，此时道路使用者便会在临近的交叉口选择变道换线行驶至目的地，在这个过程中便会产生由于改线行驶导致的能耗费用，其中包括改线的公交车辆的能耗费用。改线行驶产生的费用便是由于更长的通行距离产生的。因此，结合改线行驶的车辆的能耗费用，总费用应为：

(3)

CR总：单位小时内，机动车通行或改线产生的总体能耗费用；

Qs：选择通过施工区的车流量；

pi：不同车型车流量所占比；

ai：车型换算系数；

ls：施工区段总长度；

Qz：施工前，该道路的平均车流量；

lg：改线行驶所要通行的距离；

3.3 时间成本模型

时间成本主要是由延误导致的成本，一方面，施工占用道路，车辆减速通过，比平常需要消耗更多的时间，另一方面选择改线行驶的车辆绕行到达目的地也必然要花费更多的时间。这段时间道路使用者所能产生的经济价值就可以认为是通过这段施工区的时间成本。该成本与通行于施工前车道的车辆有关，对于一般小汽车而言，时间成本在于其劳动力成本，小汽车乘员所能在这段时间创造的价值，比如赶着工作的上班族或者出租车；对于货车而言，时间成本主要在于运输这份货物的成本，能否按时将货物送达等。对于行驶于该路线的公交车而言，时间成本主要是由于施工改线产生的，改线增加了行程，原本乘坐于该路线的乘客需要耗费更多的时间到达目的地，这部分的时间成本由乘客来承担。为了量化上述的劳动力成本，我们可以使用施工区所在地区的人均可支配收入来得到我们的单位时间劳动力成本，即人均可支配收入以每天工作八小时计，除去节假日所得的单位时间劳动力成本。综合上述三种主要的车型，我们可以把模型建立为以下的模式：

(4)

CT：表示单位时间的资金成本；

G：所在地区的人均可支配收入；

Tw：所在地区年法定工作时间；

Qs1：改线行驶小型车的流量；

n：改线行驶的公交车辆的平均乘客数；

Qs2：改线行驶中公交车辆的流量；

3.4 事故安全成本模型

在地铁施工的过程中，由于车流具有了不确定性，受突然变道、空间减小等影响，车辆容易发生碰撞，轻则产生车辆损坏等问题，重则产生重大的人员伤亡事故。同时，如果发生交通事故，势必使施工区段道路资源更加紧张，甚至直接堵塞施工区段，这样就使通行的时间成本进一步增加，并且其他车辆不得不改线行驶，增加了周边道路的压力。在此，只考虑直接发生于施工路段的交通事故，并且考虑由事故引发的能耗成本和时间成本。对于直接的交通事故而言，可以将事故分为两种，一种是发生了人员的伤亡和财产损失，另外一种是只发生财产损失。根据《道路交通安全法实施条例》，发生事故时产生的直接经济损失主要由伤亡赔偿和财产损失构成，由于地铁施工时只有双向单车道，当发生诸如追尾等交通事故时，会将仅有的车道堵塞，在处理交通事故的过程中，这个车道将会无法被使用，那么原本选择通行于施工区段的车辆将不得不选择改线行驶，由此，这批车辆的能耗费用和时间费用发生于改线行驶的道路中。

一般来说，改线的能耗费用和时间费用将会大于通行于施工区段的费用，这多出来的部分则是由事故产生的。重庆交通大学的向红艳[11]按照城镇居民死亡事故赔偿标准，建立了事故费用模型。但是在城市中应该进一步考虑由于改线产生的费用。综合以上所考虑的因素，建立模型如下：

CA=N×Qs×(cd+t×CT+Qs×Cr′)

(5)

N：地铁施工路段的事故率[12]；

cd：单人死亡赔偿金；

t：事故发生占用道路的时间；

CT′：全部车辆改线行驶的单位时间资金成本；

CR′：全部车辆改线行驶的燃油成本。

3.5 模型整合

综合燃油成本、时间成本以及事故成本，在整个路段修建地铁的过程中，受其占道影响而产生的通行成本应该满足以下模型：

C=T×(CR+CT+CA)

(6)

T：地铁施工工期。

同时，在地铁施工之前所产生的正常的通行成本也很容易得到：

(7)

4 实例应用

南京草场门大街的龙江到南艺二师路段，该路段双向六车道，车道宽3.5 m，受到地铁施工的影响，内侧的双向四车道被占用，仅仅保留两侧的道路供机动车行驶。本路段的地铁施工从2015年4月前后开始，施工时间约为一年，施工区的长度约为1 600 m，车辆改线行驶主要是通过江东北路进行绕行，这样，到达相同的目的地所行经的改线行驶长度3 800 m。车流量调查结果如表3所示：

表3 施工前后计算数据表Tab.3 Calculation data sheet before and after construction

注：——施工前数据不存在

(8)

查阅相关资料得知，2015年，南京的人均可支配收入为46 104元，全年工作日一共250天，工作时间一共为2 000 h，则可以认为，单位时间成本为23元/h。所在地的单人死亡赔偿金约为48.81万。油价约为5.34元/L，事故率1.5%。综合以上信息，在该路段一年的施工期内，所产生的通行成本使用本文得出的模型进行计算。

经过计算，与原本的通行成本进行对比，求得增加的通行成本为1 320万，而该段的建设成本约为1.6亿元，占比8%，在考虑建设该段地铁路线的可行性时，应该计算增加的通行成本。

5 结束语

本文认为在建设地铁过程中，增加的通行成本可以计算入建设地铁的总成本之中。

(1)基于广义费用的基本原理，把车辆通行于该施工段时的所有可能的通行成本全部考虑在内，以燃油费用、时间费用和事故费用为基础，并考虑改线情况下的增加费用，计算得到由于地铁施工增加的通行成本，作为城市建设地铁设施可行性研究的参考。

(2)本文充分考虑了各种通行费用，并且给予各自相同的权重，从而得出可行的通行成本计算模型。在选取南京一处经典的两侧施工的地铁施工区作为研究对象并将调查数据代入模型公式之后发现，由于地铁施工增加的通行成本占建设费用的比例较大，约为8%，应该将其计算入地铁建设成本。

(3)本文虽然尽力考虑改线的情况下的一些费用情况，但是未能考虑到在改线行驶时，周边道路通行压力增加从而导致的例如延误增加，堵塞严重的问题，这部分的通行费用未加严谨的考虑，需要下一步的深入研究，从而进一步优化现有模型，使该模型更加准确。