陈胜波 刘永平 李 阳 陈 希

(1.深圳市城市交通规划设计研究中心有限公司,518021,深圳; 2.北京交通大学交通运输学院,100044,北京∥第一作者，工程师)

独立路权下的有轨电车与快速道路公交运营成本对比分析

陈胜波1,2刘永平1李 阳1陈 希2

(1.深圳市城市交通规划设计研究中心有限公司,518021,深圳; 2.北京交通大学交通运输学院,100044,北京∥第一作者，工程师)

城市在发展中运量交通运输方式时,通常面临有轨电车和快速道路公交的选择问题。基于运营成本的角度分析比选两者的差异性,综合考虑车辆的购置费用、车小时运营费用、车公里运营费用以及与线路相关的固定成本等,分别构建了有轨电车与快速道路公交运营成本计算模型,结合国内外运营的实际数据对模型相关参数进行标定。采用实际案例对比分析了两种运输方式在同一通道上的运营费用支出,对客流量、运营速度等相关参数进行了敏感性分析,得出两种不同交通方式的适用条件,可为城市交通相关规划和运营部门提供决策依据。

有轨电车; 快速道路公交; 运营成本; 对比分析

现代有轨电车和快速道路公交作为中运量的骨干公交方式,在旅行速度、运营便捷及灵活性、路权模式选择等方面都具有一定的共性。因此,在引进中运量骨干公交时常面临这两种交通方式的选择问题。

国外有轨电车和快速道路公交的发展比较早,两者的对比分析也一直是研究的热点问题。文献[1]基于城市交通线路的放射型网络,构建了基于乘客出行成本和企业运营成本最小的费用模型,对有轨电车、地铁和快速道路公交进行了对比研究,提出综合考虑运营企业和乘客两者的利益时,快速道路公交相比其它两种运输方式更具有竞争性。文献[2]设计了最好-最差偏好试验,采用实际调查的方式对澳大利亚6个城市的乘客在有轨电车和快速道路公交的选择偏好进行了统计分析,发现公交出行者群体更加倾向于选择快速道路公交出行,而非公交出行者群体倾向于发展有轨电车。文献[3]提出，单纯地基于有轨电车和快速道路公交各自的特点来分析选择交通方式是不合理的,而应从城市的公交发展目标、通道客流量以及基础设施和运营成本等角度综合考虑。文献[4]统计并分析了多个国家的有轨电车、轻轨和快速道路公交等101条线路的实际客流数据,发现有轨电车和轻轨的平均客流量高于快速道路公交,并且前者沿线的人口和岗位密度要高于后者；提出影响客流的根本原因是公交的服务水平和车辆的运载能力。

国内关于有轨电车与快速道路公交的分析更加注重于定性的比较分析上。其中,文献[5]从运能、运行速度、经济性、节能环保和美观等角度对比分析两种不同的交通方式,并根据我国不同城市的规模特点提出有轨电车的发展模式。文献[6-7]采用定量与定性相结合的方式,研究了现代有轨电车的区域适用性。

可见,国外在有轨电车和快速道路公交的比选分析上较为全面,但由于两种交通方式各有利弊，且研究分析的角度不同,故得出的结论也不尽相同。国内的定性对比分析较多,而定量计算较少。基于此,本文构建了基于运营成本的有轨电车与快速道路公交计算模型,结合国内外相关城市的运营数据,对模型的参数进行标定。以某市的有轨电车试验线为例,分析了两种交通方式在同一通道上运营的成本支出,并对客流量、发车间隔、使用年限等参数进行了敏感度分析比较,得出两种不同交通方式的适用条件,以期为有轨电车相关规划和运营部门提供决策支持。

1 成本计算模型

1.1 成本构成

有轨电车与快速道路公交的总成本都包括固定成本和可变成本(见图1)。固定成本主要是与运营线路相关的建设费用支出,包括线路、车站及信号等专业建设成本，以及车辆的购置成本。可变成本(即运营成本)由车小时成本和车公里成本构成。车小时成本主要是指日常运营过程中的员工工资及线路维护等费用支出。车公里成本主要是指车辆在行驶过程中的供电(燃油)及车辆维护等相关费用的支出。

图1 有轨电车与快速道路公交的成本构成

1.2 运营成本计算模型

1.2.1 有轨电车运营成本计算模型

影响有轨电车运营成本的主要因素包括列车每天的运营时间、编组数量、线路长度、折返时间等。即有轨电车运营费用主要包括车公里行驶费用、车小时行驶费用和车辆维修养护、日常管理等费用。

CL=Cr+Ch+Cm=

式中：

CL——某线有轨电车每天运营成本;

Cr——列车的车公里成本,元;

Ch——列车的车小时成本,元;

Cm——与线路、车站相关的日常固定成本等,元;

T——每天的运营时间,h；

nA——每列车的编组辆数,辆;

t——发车间隔,h;

L——线路的长度,km;

tr——列车运营周转时间,h;

cr——单位车辆的车公里走行费用,元/(车km);

ch——单位车辆的车小时走行费用,元/(车h);

cm——车辆养护、维修以及日常管理费用,元/(车km)。

若按照每年300个工作日(可调整)核算,则某线有轨电车每年的运营总成本为

(2)

假定早高峰时间为3 h,晚高峰时间为3 h,列车每天运营20 h；设列车高峰时段的发车间隔为tp,非高峰时段的发车间隔为2tp,则按照高峰时段折算得出的每天运营时间为:

(3)

即:T=13 h,且t=tp

(4)

式中：

NA——线路上同时运营的列车数，列。

其中，cr、ch和cm等参数根据文献[8]的美国交通统计年鉴数据(见表1)来标定。

由表1可知，费用取其最高值时，单位车辆的车小时走行费用为498.52元/(车h),单位车辆的车公里走行费用为34.78元/(车km),车辆养护、维修及日常管理费用为4 940.65 元/(车km)。此时的有轨电车每天运营成本为：

CL,H=27.12nL/tp+194.42NA+296.43L

(5)

表1 美国部分城市有轨电车相关运营数据统计[8]

当费用取表1的最低值时，单位车辆的车小时走行费用为223.15元/辆，单位车辆的车公里走行费用为8.57元/(车km),车辆养护、维护及日常管理费用为782.78元/km。此时的有轨电车每天运营成本为：

CL,L=6.68nL/tp+87.02NA+46.96L

(6)

当费用取平均值时，单位车辆的车小时走行费用为381.72元/(车h),单位车辆的车公里走行费用为21.33元/(车km),车辆养护、维修及日常管理费用2 698.24 元/(车km)。此时的有轨电车每天运营成本为:

CL=16.63nL/tp+148.87NA+125.89L

(7)

1.2.2 快速道路公交运营成本计算模型

表2为美国主要城市快速道路公交运营部分数据统计。表2中与线路相关的成本年支出指每年单位车辆在高峰小时的运营费用,且一般认为该费用是固定的。因此,快速道路公交的年运营成本为:

(8)

式中：

CB,a——单位车辆在高峰小时运营的年费用;

nB——高峰时快速道路公交成队发车时每一队的车辆数或者是乘客上下车区的个数；

CB,h——单位车辆的车小时走行费用;

CB,r——单位车辆的公里走行费用;

NB——线路上同时运营的道路公交车辆数。

由表2，当费用取其最高值时，单位车辆的车小时走行费用为354.249元/(车h),单位车辆的车公里走行费用为24.822元/(车km),车辆养护、维修及日常管理费用为136 092.6元/(车a)。此时,快速道路公交每年运营费用(单位：万元)为:

表2 美国部分城市快速道路公交运营相关参数统计[8]

CB,H=19.36nBL/tp+151.77NB

(9)

当费用取最低值时,单位车辆的车小时走行费用为247.905元/(车h),单位车辆的车小时走行费用为11.466元/(车km),车辆养护、维修及日常管理费用为72 342.9元/(车a)。此时,快速道路公交每年运营费用(单位：万元)为：

CB,L=8.94nBL/tp+103.92NB

(11)

当费用取平均值时,单位车辆的小时走行费用为291.141元/(车h),单位车辆的车公里走行费用为15.678元/(车km),车辆养护、维护及日常管理费用为104 452.2元/(车a)。此时，快速道路公交每天运营费用(单位:万元)为：

CB,S=12.23nBL/tp+123.99NB

(12)

2 NA与NB的计算

运营成本与NA或NB有关,为了能较为合理地比较有轨电车与快速道路公交的运营成本，需做以下假定:

(1) 有轨电车或快速道路公交都在同一条线路上运营,并且列车或车辆的运行间隔是固定的;

(2) 乘客的出行需求，即单向的高峰小时客流量的已知;

(3) 每位乘客上下车时间相同;

(4) 线路上相邻车站间距相同;

(5) 列车或车辆的进站加速度和出站减速度恒定;

(6) 有轨电车或快速道路公交都采用独立路权模式。

在满足客流需求的条件下,线路所需开行的列车或车辆数主要与列车或车辆的旅行速度和周转时间有关。旅行速度越大,周转时间越短,需要开行的列车或车辆数越少。设nA=nB=n,NA=NB=N,则

(13)

式中，tz为在线路上的周转时间,主要包括列车或车辆在相邻车站的区间旅行时间tc、进出站的起停车附加时间tab、在站停留时间td和在折返站的折返时间tt。

假定线路总长度为L,站间距均为E,区间距离-速度曲线示意图2所示;则有

图2 区间距离-速度曲线示意图

(14)

(15)

tz=2(tc+tab+td+tt)=2m

(16)

式中：

v——列车在区间匀速行驶时的速度;

a——列车出站的加速度;

b——列车进站的减速度;

m——线路上的站点个数;

p——线路高峰小时单向客流量;

tb——每位乘客在车站的上下车时间;

tt——列车折返时间。

当tp和满载率α给定时,在满足客流需求前提下，应使运输供给量Z最小。则

minZ=nCvα

s.t.nCvα≥ptp

αmin≤α≤αmax

(17)

式中：

Cv——车辆的额定载客人数。

由于有轨电车的nA不超过7辆,故取n≤7。

3 算例分析

3.1 相关参数

某试验线全长约11.5 km,设21座站，采用独立路权模式。有轨电车与快速道路公交在不同工况下的相关参数及计算结果见表3和表4。

根据文献[9]，有轨电车线路造价为0.6亿～2.0亿元/km,本文取1.3亿元/km,则有轨电车试验线的建设费用为14.95亿元；快速道路公交线路造价为0.2亿～1.0亿元/km,本文取值0.6亿元/km,则快速道路公交试验线的建设费用为6.9亿元。根据文献[10]现代有轨电车购置费用为2 500～3 000万元/列,本文取2 750万元/列；铰接型快速道路公交购置费按300万元/辆进行核算。根据文献[11]，有轨电车满载率αA宜介于1～2.5之间,快速道路公交满载率αB按照0.83取值。根据文献[8]，计算时取有轨电车的列车最大匀速行驶速度为70 km/h,列车加减速度大小为1.11 m/s2，乘客的上下车时间为1.5 s/人次；取快速道路公交的车辆最大匀速行驶速度为88 km/h,车辆出站加速度为1.11 m/s2，进站减速度为1.33 m/s2，乘客上下车时间为2 s/人次。

3.2 计算结果分析

根据计算结果绘制有轨电车和快速道路公交的运营成本及不同客流量下的年均运营成本(如图3、图4所示)。由图3、图4可看出，随着客流量的增加,有轨电车和快速道路公交的运营成本均有相应增加。客流相同时,快速道路公交的运营成本高于有轨电车,而且随着客流的增加,运营成本增长幅度较大。由图4可以看出,有轨电车的年均运营成本比快速道路公交低,并且前者年均运营成本占后者的25%～45%。

表3 独立路权模式下的有轨电车运营相关参数及计算结果

表4 快速道路公交运营相关参数及计算结果

图5是两种交通方式下的每公里客位运营费用对比。有轨电车每公里客位运营费用为0.16万～0.27万元,而快速道路公交的每公里客位数运营费用为0.59万～0.73万元。该结果与文献[6]对蒙彼利埃市的统计结果基本一致。此外,当高峰小时单向客流量超过约2 000人次/h(日单向客运量超过约26 000人次)时,有轨电车比快速道路公交更具有竞争力。

图6是不同的客流量下两种交通方式的旅行速度对比分析。本案例中,初期发车间隔为8 min,有轨电车最大旅行速度为19.4 km/h;当发车间隔为3 min时,快速道路公交的最大旅行速度为26.4km/h。当客流量超过9 000人次,且发车间隔为3 min时,有轨电车旅行速度为16.3 km/h,高于快速道路公交的14.3 km/h。

图3 两种交通方式运营成本对比

图4 两种交通方式不同客流量下的年均运营成本对比

图5 平均每公里客位数运营费用对比

图6 两种交通方式旅行速度对比

图4、图5是针对初期和近期的客流下,不同运营时间有轨电车与快速道路公交总成本的对比情况。当初期线路单向高峰客流量保持为2 381人次/h时,则在运营9年后有轨电车才能体现出竞争优势;若线路单向高峰客流量保持为近期的4 666人次/h,则在运营3年后有轨电车能体现出其与快速道路公交的竞争优势。随着客流量的增加,有轨电车总投资成本增长幅度小于快速道路公交(见图7、图8) 。

4 结论

本文通过构建相应的成本计算模型,对独立路权下的有轨电车和快速道路公交的运营状况进行了对比分析,并结合实际在某市规划线路上进行计算和测试,得出的结论如下:

(1) 有轨电车的初期投资较大,但在满足相同客流和采用合理发车间隔的情况下,有轨电车的年均运营成本约是快速道路公交的0.25～0.45倍。

(2) 从每公里客位数运营费用而言,当线路高峰小时客流量低于约2 000人次/h时,快速道路公交比有轨电车更具有竞争力;超过2 000人次/h时,采用有轨电车更具有竞争力。此项结论可作为相关交通规划部门的决策参考。

(3) 随着客流的增加,两种交通方式下的旅行速度均有所降低。这是由在站乘客上下车时间的增加导致的。此外,当线路高峰小时的单向客流量超过9 000人次/h时,在同样3 min的发车间隔下,有轨电车平均旅行速度(16.3 km/h)高于快速道路公交(14.3 km/h)。

(4) 若线路高峰小时单向客流量维持在初期的2 381人次/h,则在运营约9年后有轨电车的总成本会低于快速道路公交;若线路高峰小时单向客流量维持在近期的4 666人次/h,在运营约3年后有轨电车的总成本会低于快速道路公交。而有轨电车的使用年限一般可超过25年,快速道路公交不到10年[8]。因此,城市在进行有轨电车的规划时,既要考虑运输需求,同时也要明确有轨电车的发展目标。该目标一方面指有轨电车需要承担的运量目标;另一方面指其在整个综合交通系统中的功能定位,即有轨电车是作为骨干公交长期发展,还是仅作为向轨道大运量系统的过渡选择。

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Operating Cost Comparison and Analysis of Modern Tramway with Independent Right of Way and Bus Rapid Transit System

CHEN Shengbo, LIU Yongping, LI Yang, CHEN Xi

When developing a medium capacity traffic system in a city, the choice of light rail transit or bus rapid transit has to be considered. An operating cost-based comparison is made between the two systems in considering the purchase cost of vehicles, vehicle-hour and vehicle-mile operating cost and other fixed cost about transit lines. An operating-based calculating model is built and relevant parameters are marked in combination with the actual operating data in China and foreign countries. Then, a practical example is used to test the model and calculate the cost, the passenger volume and operating speed of the two systems on the same traffic aisle, applicable conditions of modern tramway and bus rapid transit are obtainen by a sensitivity analysis. This research prvides support for traffic planning and operating department decisions.

tram; bus rapid transit; operating cost; comparison and analysis

Shenzhen Urban Transport Planning,Design & Research Center Co.Ltd,518021,Shenzhen,China

F 570.5:U 482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.026

2015-10-08)