基于全壽命周期費用的城市軌道交通工程設備選擇

基于全壽命周期費用的城市軌道交通工程設備選擇摘要： 城市 軌道交通工程是現(xiàn)代土建、設備一體化的復雜系統(tǒng)工程，以提供大運量、快捷、安全、舒適的城市公共交通服務為目的，設備是主體。城市軌道交通工程設備由車輛、信號等十多個子系統(tǒng)組成，投資大、技術(shù)難、要求高、系統(tǒng)復雜、準備周期長、與運營關(guān)系密切。從軌道交通工程建設投資內(nèi)容劃分，設備投資約占總投資的35%左右，是項目一次性投資的最大組成部分；從軌道交通工程運營角度考慮，設備使用費用占運營費用的大部分。設備的全壽命周期費用由設備投資和設備使用費用組成。要使中國的城市軌道交通工程保持良好的發(fā)展態(tài)勢，既要重視一次性投資控制，更要重視全壽命周期費用的控制，設備選擇的全壽命周期費用控制是其重點。關(guān)鍵詞：全壽命周期 費用 城市 軌道交通 設備一、 城市軌道交通工程設備特點 城市軌道交通工程設備投資大、技術(shù)難、要求高、系統(tǒng)復雜、準備周期長、與運營關(guān)系密切。設備系統(tǒng)主要有車輛、信號、供電、通信、通風空調(diào)、給排水及消防、防災報警、環(huán)境監(jiān)控、自動售檢票、自動扶梯及電梯、車輛基地設備等。設備投資約占項目總投資的35%左右，是項目一次性投資的最大組成部分，設備使用費用也占運營費用的大部分。 車輛作為城市軌道交通的旅客載運工具，必須保證運營安全、正點、快速，提供良好的服務條件，注意與城市景觀、環(huán)境的協(xié)調(diào)。現(xiàn)代城市軌道交通車輛均為電動車組編列運行，采取動車和拖車組合。車輛分別由車體、轉(zhuǎn)向架、牽引緩沖裝置、制動裝置、受流裝置、車輛內(nèi)部設備、車輛電氣系統(tǒng)等部分組成。車輛是城市軌道交通的核心設備，它技術(shù)含量高，接口復雜，生產(chǎn)周期長，投資約占設備系統(tǒng)總投資的46%左右，使用費用也占設備系統(tǒng)使用費用一半左右。 信號系統(tǒng)是保證車輛運行安全和提高線路通過能力的重要設備。現(xiàn)代化的城市軌道交通一般配置列車自動控制系統(tǒng)（簡稱ATC），主要包括列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱ATS）、列車自動保護系統(tǒng)（簡稱ATS）、列車自動運行系統(tǒng)（簡稱ATO）三個子系統(tǒng)。信號系統(tǒng)作為確保列車安全、快速、短間隔運行的中樞神經(jīng)，具有技術(shù)要求高、操作方式復雜、內(nèi)外接口多、非通用非定型等特點，投資約占設備系統(tǒng)總投資的10%左右。 供電系統(tǒng)為城市軌道交通提供必需的能源，安全、經(jīng)濟的供給電力是所有設備正常運行的前提條件。城市軌道交通的供電系統(tǒng)由主變電所、牽引降壓變電所、牽引電網(wǎng)、電纜與接地、動力與照明、供電系統(tǒng)管理自動化等組成，投資約占設備系統(tǒng)總投資的18%左右。 通信系統(tǒng)為城市軌道交通提供交換語音、圖像、數(shù)據(jù)信息的可靠便捷服務，一般由傳輸、公務電話、專用電話、無線通信、閉路電視監(jiān)視、廣播、時鐘、通信電源及接地等組成，投資約占設備系統(tǒng)總投資的6%左右。 通風空調(diào)系統(tǒng)為城市軌道交通提供滿足運營和乘客需求的人工氣候環(huán)境，在地下空間一般分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)，根據(jù)使用場所又分為車站、區(qū)間隧道和設備管理用房空調(diào)系統(tǒng)，一般由冷水機組、通風機組、空調(diào)機組、冷卻塔、水泵、風閥、消聲器及屏蔽門等組成，投資約占設備系統(tǒng)總投資的2%左右，使用費用中的電耗比例較高。 給排水及消防系統(tǒng)是指城市軌道交通中生產(chǎn)、生活、消防使用的給水系統(tǒng)、污水排放系統(tǒng)及水滅火、氣體滅火裝置，投資約占設備系統(tǒng)總投資的2%左右。 防災報警系統(tǒng)（簡稱FAS）是指城市軌道交通中具有防止火災、水淹等災害的自動報警與監(jiān)控裝置，技術(shù)要求高，投資不大，約占設備系統(tǒng)總投資的1%左右。 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱BAS）是指對車站、區(qū)間的通風空調(diào)、給排水、照明、電扶梯等設備進行優(yōu)化控制，實現(xiàn)安全、方便、節(jié)能的現(xiàn)代化管理，它一般包括中央控制、車站控制和就地控制裝置三部分組成，對調(diào)控環(huán)境舒適度和設備運行的節(jié)能有較大意義，投資約占設備系統(tǒng)總投資的1%左右。 自動售檢票系統(tǒng)（簡稱AFC）是現(xiàn)代化城市軌道交通滿足各種運營模式下乘客快速購票進出站的重要設備，一般由中央計算機系統(tǒng)、車站計算機系統(tǒng)、車站終端、票卡等組成，技術(shù)難度大，投資約占設備系統(tǒng)總投資的7%左右。 自動扶梯與電梯是為方便乘客、提高服務水平而設置的提升設備，一般在車站站廳層和出入口設置自動扶梯，為殘疾人及設備運輸設置電梯，投資約占設備系統(tǒng)總投資的3%左右。 車輛基地及維修設備主要是為車輛和各種設備提供停放、保養(yǎng)、修理等服務的，一般包括列車清洗機、固定架車機、數(shù)控不落輪鏇床、內(nèi)燃機車、接觸網(wǎng)作業(yè)車、起重機、空壓機及各種維修工藝設備，品種有幾百種之多，投資約占設備系統(tǒng)總投資的3%左右。 城市軌道交通工程設備有以下特點。一是投資巨大，設備投資約占總投資的35%左右，車輛、信號、供電又占了其中的75%左右；二是技術(shù)先進，各設備系統(tǒng)運用了大量的高新技術(shù)，技術(shù)含量高；三是系統(tǒng)復雜，設備系統(tǒng)由十多個子系統(tǒng)組成，接口繁復，相互之間聯(lián)系制約多；四是國產(chǎn)化要求高，較高的國產(chǎn)化率對降低費用作用明顯；五是缺乏統(tǒng)一的標準，設備必須根據(jù)用戶的特定需求進行選型定型、招標采購，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長，選擇隨意性大；六是設備與運營關(guān)系密切，安全可靠的設備是運營成功的保證；七是設備的功能定位與費用控制緊密相聯(lián)；八是設備的一次投資費用與設備使用費用密不可分，設備的全壽命周期費用研究應得到足夠重視。 二、設備全壽命周期費用分析城市軌道交通工程設備全壽命周期費用包括設備投資和設備使用費用。設備投資包括設備供貨價格、安裝費等，設備使用費包括維修保養(yǎng)、動力燃料、人員工資等。設備的全壽命周期包含物理壽命、折舊壽命、技術(shù)壽命、經(jīng)濟壽命等。我們討論的全壽命周期，更多的是考慮經(jīng)濟壽命，即指設備從開始使用到再繼續(xù)使用在經(jīng)濟上已不合理為止的全部時間。在城市軌道交通工程中，我們可用價值工程為主分析設備選擇的全壽命周期費用問題 。價值工程是著重功能分析，力求以最低的全壽命周期費用，可靠地實現(xiàn)對象的必要功能的有組織的創(chuàng)造性活動。價值工程的基本表達式為V=F/C，在設備全壽命周期價值工程分析中，其中V代表全壽命價值，F(xiàn)代表全壽命功能，C代表全壽命周期費用。 軌道交通工程設備選擇的價值取向應是合理的全壽命功能實現(xiàn)、經(jīng)濟的全壽命周期費用下全壽命價值的提升。其提高價值的基本途徑是：保持功能不變，使實現(xiàn)功能的費用有所下降；保持費用不變，使功能有所提高；雖然費用有所提高，但功能大幅度提高；少量降低功能指標或次要功能，費用有較大降低；既提高功能，又降低費用。 考慮到城市軌道交通設備一次投資的限定性、使用費用的長期性、系統(tǒng)構(gòu)成的復雜性，各系統(tǒng)設備選擇的全壽命價值工程分析要有所區(qū)別，但主要思路應放在確定全壽命周期功能合理與匹配，追求全壽命周期費用降低上。設備選擇與全壽命周期費用分析主要考慮以下方面。 一是分析整個設備系統(tǒng)全壽命周期費用結(jié)構(gòu)和控制重點。要從整個設備系統(tǒng)的項目結(jié)構(gòu)中分析其全壽命費用的構(gòu)成，了解各系統(tǒng)設備全壽命費用的大小，確定整個設備系統(tǒng)全壽命周期費用的比例結(jié)構(gòu)。根據(jù)費用比重分析法（也稱ABC分析法）的原理，結(jié)合城市軌道交通工程設備的特點，整個設備系統(tǒng)10%—20%的設備其費用占總費用的比例很高，可定位為A類，作為重點控制考慮，其余可定位為B類和C類，作為次要和一般控制考慮。某一設備的一次投資費用和使用費用的比例也有很大差異，可考慮將不同設備的建設期或使用期作為費用控制的重點。設備的全壽命周期分為決策、設計、采購、安裝調(diào)試、運營維護等過程，根據(jù)經(jīng)驗，越是項目的前期，費用節(jié)約的可能性越大，越應該成為費用控制的重點。 二是分析各系統(tǒng)設備的功能定位與匹配關(guān)系。尤其是功能定位要全面反映設備滿足城市軌道交通規(guī)定和潛在的需要，這種需要應該包括特性、實用性、可信性、安全性、環(huán)境要求、經(jīng)濟性、美觀性等諸多方面，需要應是合理的，這種滿足應貫穿設備的整個壽命周期，滿足應是適度的。要注意功能的匹配，保持功能結(jié)構(gòu)的合理。要著重對設備基本功能、輔助功能、外觀功能等進行分類、整理、評價、定位，保證設備選擇的功能前提是正確的。 三是分析各系統(tǒng)設備的費用結(jié)構(gòu)和組成。要從各系統(tǒng)設備及單一設備的全壽命周期中分析一次投資和使用費用之間的比例關(guān)系，在功能分析指導下尋找合理的結(jié)合點，確定各系統(tǒng)設備全壽命周期費用的縱向結(jié)構(gòu)。 四是分析各系統(tǒng)設備一次性投資降低的內(nèi)容、方法、手段和措施。要重視招標采購的公開、公平、公正和充分競爭。要充分利用強有力的組織措施、技術(shù)措施、經(jīng)濟措施、合同措施來降低費用。五是分析各系統(tǒng)設備使用費用降低的內(nèi)容、方法、手段和措施等。要研究不同的運營維護和設備維修模式，考慮社會化、專業(yè)化服務對降低費用的作用。 三、基于全壽命周期費用的設備選擇 基于城市軌道交通工程設備特點和全壽命周期費用分析，我們可對城市軌道交通設備選擇作如下考慮。1、車輛 車輛的選擇是全壽命周期費用控制的重中之重。要從車輛選擇的決策階段開始就十分重視這項工作。 車輛的功能定位是關(guān)鍵。車輛功能必須定位于實際客流與一定服務水平的需要。 客流是決定車輛選擇的主要因素。建設城市軌道交通的根本目的是滿足城市日益增長的大客流需要。不同的客流存在，提出了不同的運能需要，決定了不同的車輛選擇方案。遠期單向高峰小時規(guī)劃設計客流是決定車輛運能的根本依據(jù)，也是車輛選擇方案的關(guān)鍵。我們要注意 客流預測的不確定性。由于影響客流及影響客流預測的因素多，客流預測帶有很大的不確定性。預測客流存在的問題主要有：預測年限與城市總體規(guī)劃不一致、基礎數(shù)據(jù)不完善、預測方法的局限、模型參數(shù)標定不確切、預測中對票價因素考慮不夠等。目前采用的“四階段法”預測客流往往偏高。而作為車輛選擇依據(jù)的規(guī)劃設計客流又考慮了不均勻系數(shù)，一般大于預測客流量。規(guī)劃設計客流可能偏高，應成為車輛選擇時重視的一個問題。我們還要注意 客流分布的不均勻性。城市軌道交通初期、近期、遠期客流不同，每日客流很不均勻。初期、近期、遠期客流的增長主要取決于城市規(guī)模的發(fā)展和布局的調(diào)整，每日客流的變化主要取決于沿線客流性質(zhì)。不同城市不同線路不同時期的客流分布不均勻系數(shù)是不同的。不均勻系數(shù)的慎重考慮應成為車輛選擇時重視的另一個問題。服務水平與車輛選擇密切相關(guān)。舒適度、擁擠度及行車間隔是服務水平的重要指標。我國地鐵車輛滿載定員按6人/平方米考慮，這是舒適度的極限值，超載定員按9人/平方米考慮，這也是擁擠度的極限值。法國地鐵車輛滿載定員只按4.4人/平方米考慮。車輛運能是根據(jù)滿載定員計算的。有人提出按適當擁擠的方式考慮車輛運能，如按7人/平方米的超載情況計算，雖有道理，但依據(jù)不足。較好的舒適度能提高服務水平，但必須增加車輛配置或縮短行車間隔。行車間隔決定了乘客的等待時間，縮短行車間隔既能改善服務水平，又是提高車輛運能的重要方法。車輛選擇必須符合實際客流和一定服務水平需要的功能定位。應提供可變的運能滿足可變的客流。要盡可能地探索可變客流的規(guī)律，使客流預測從不確定到比較確定。要通過城市規(guī)劃、交通規(guī)劃、軌道線網(wǎng)規(guī)劃、交通政策引導、票價引導等方法形成合理的客流分布。要從車輛選擇的大小、編組、行車間隔、服務水平等方面探索可變運能的形成。可變的編組、可變的行車間隔能形成可變的運能，但編組 的變化調(diào)節(jié)是非常困難的。編組的選擇涉及到車輛的動拖比以及蓄電池、輔助逆變器、空壓機、受電弓等的配置方案，不同的編組單車成本和運營費用是不同的。不同時期考慮不同編組混編方案將帶來制造、管理、維修、接口等很多困難。 基于上述分析，在滿足客流需要和一定服務水平的前提下，在提供可變的運能滿足可變客流的思路中，車輛選擇應考慮滿載客位移動的全壽命周期費用，其指標可用元/客位移動公里表示。在實際的車輛選擇過程中，首先，應考慮合適車型與技術(shù)指標的選用。要根據(jù)客流特點，慎重選擇A、B、C三種不同車型。要合理確定列車速度等技術(shù)指標，不同的最高速度值，對車輛的技術(shù)標準要求差異很大，對車輛的價格影響也很大。要加快推進車輛的標準化、系列化、模塊化制造技術(shù)，這將促進車輛制造成本的降低。要科學地選擇車輛車體材料，注意鋁合金型材和鋼型材的比較。其次，應考慮合理地確定列車編組。列車編組在滿足客流需要的情況下，種類應盡量統(tǒng)一，動拖比要合適。要充分利用信號系統(tǒng)的功能，研究在縮短列車間隔時間下使用小編組車輛與高密度行車間隔的經(jīng)濟性。第三，創(chuàng)造適度競爭的良好局面，大力推動車輛國產(chǎn)化進程。應放寬國外車輛供貨商進入國內(nèi)市場的條件，鼓勵其推行車輛本地化生產(chǎn)的積極性。國內(nèi)引進和配套企業(yè)要加快對關(guān)鍵技術(shù)的消化與吸收，盡早形成核心生產(chǎn)能力。只有這樣，項目業(yè)主才能通過公開招標選擇到適用經(jīng)濟的城市軌道交通車輛。2、信號 城市軌道交通信號系統(tǒng)是直接服務于運營的設備，在功能上它首先必須保證行車安全，其次是提高運輸效率。在確保安全的前提下，創(chuàng)造縮短行車間隔的條件，對于提高整個設備系統(tǒng)的運輸能力，有著十分重要的作用。信號系統(tǒng)的全壽命周期費用分析， 不只針對信號系統(tǒng)本身，更要考慮整個城市軌道交通系統(tǒng)。近年來，信號技術(shù)發(fā)展迅猛，準移動閉塞、移動閉塞、微機聯(lián)鎖、列車自動監(jiān)控等已成功應用，為安全的保證、運能的提高和減少運營人員提供了條件。因此，在城市軌道交通信號設備選擇時，考慮到安全和縮短行車間隔提高運能的需要，一般應在成熟的設備制式中選擇較為先進的，如基于準移動閉塞或移動閉塞的 列車自動控制系統(tǒng)（簡稱ATC）。這種選擇盡管一次投資稍大，但確保了信號設備的功能，同時又提高了設備的可用性、可靠性和可維護性，降低了設備的使用費用，從全壽命周期費用角度考慮是合理的。3、供電。 城市軌道交通供電系統(tǒng)的功能是向所有用電負荷提供安全、可靠的電能，保證各用電設備的正常運行。供電系統(tǒng)包含十幾類幾十種設備，涉及到國內(nèi)外大部分電力產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，投標價格差別較大。選擇高可靠、高安全、低能耗、低維護、小型化的產(chǎn)品，是降低全壽命周期費用的有效途徑。在變壓器類設備中，應將低空載、低負載損耗、高抗短路的節(jié)能產(chǎn)品作為首選；在開關(guān)類設備中，應考慮氣體絕緣開關(guān)柜和空氣絕緣開關(guān)柜的全壽命周期費用比較，包括對土建成本的影響，可優(yōu)先選擇氣體絕緣開關(guān)柜；在電力監(jiān)控設備中，可突出主要功能，減少附加功能，預留接口功能，以降低一次投資成本；在接觸網(wǎng)器材中，選擇優(yōu)質(zhì)銀銅接觸線比普通銀銅接觸線價格高15%，但換線成本和對運營的影響大幅下降，全壽命周期周期費用是降低的。 4、其它設備系統(tǒng)。通信設備。考慮到通信技術(shù)發(fā)展迅速，應根據(jù)運營的實際需求選擇設備的功能，對遠期的需求，近期可暫不考慮，但必須預留好接口，充分注意系統(tǒng)的可擴展性。通風空調(diào)設備。地下線通風空調(diào)系統(tǒng)形式一般常用閉式系統(tǒng)或屏閉門系統(tǒng)，根據(jù)各地空調(diào)時間的長短，其設備的一次投資、土建面積大小、使用費用各不相同，應作全面的全壽命周期費用比較，慎重選擇不同系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)設備運營能耗占城市軌道交通總能耗的30%-40%左右，設備本身的節(jié)能特性意義重大。根據(jù)有關(guān)地鐵熱環(huán)境研究報告，運營初期、中期的發(fā)熱量約是遠期的50%-70%，如設備按遠期發(fā)熱量一次配置到位，應通過運行臺數(shù)控制、選擇變頻調(diào)速控制設備與優(yōu)化運行模式，盡管一次投資略有增大，但初、中期能耗費用可節(jié)約30%-40%，遠期能耗費用可節(jié)約15%-20%。給排水及消防設備。給排水及消防設備的一次投資費用不大，但其使用費用占全壽命周期費用的比例卻較大，因此，設備選擇的安全性、可靠性、節(jié)能性、少維護性應給予重視。防災報警設備。防災報警設備在正常運營時監(jiān)視災情，采集災情信息，災害發(fā)生時及時將救災設備轉(zhuǎn)入救災模式，必須安全可靠，故系統(tǒng)設備選擇應滿足功能需要，考慮性能好、質(zhì)量高的產(chǎn)品。環(huán)境監(jiān)控設備。環(huán)境監(jiān)控設備作為對車站各類機電設備的智能化控制系統(tǒng)，對改善環(huán)境質(zhì)量和降低其它設備使用費用作用明顯，應本著技術(shù)先進、功能完善、組網(wǎng)靈活、方便運營和節(jié)能降耗的原則選擇，一次投資費用可適當放寬。自動售檢票設備。自動售檢票設備一次投資費用較大，應努力尋求基本需求與服務水準、初期配置與系統(tǒng)擴展、可靠性與可維修性之間的平衡點。在技術(shù)方案上，可優(yōu)先考慮使用IC卡系統(tǒng)，這雖然增加了票卡購置成本，但系統(tǒng)使用費用可降低；可適當控制昂貴的自動售票機的數(shù)量，由半自動售票機分擔部分單程票購票作業(yè)；可考慮少量雙向閘機布置在雙向客流變化較大的站口，體現(xiàn)資源共享；可考慮IC卡應用拓展、票面廣告等增加收入。 自動扶梯及電梯。自動扶梯及電梯屬于通用設備，在設備選擇中主要抓住成熟性、穩(wěn)定性和可維護性。成熟性應體現(xiàn)在設備的成熟結(jié)構(gòu)、梯型、工藝和業(yè)績上。穩(wěn)定性應體現(xiàn)在使用可靠和使用壽命延長上，如扶梯通過對桁架強度的提高、梯級鏈的增加來實現(xiàn)。可維護性應體現(xiàn)在簡化設備的傳動、減少維護保養(yǎng)點上，如考慮無機房電梯與液壓電梯的維護點比較等。 車輛基地及維修設備。車輛基地及維修設備的選擇除直接影響本身的全壽命周期費用外，還影響到其它設備的可靠運營和使用費用。因此，合理維修模式的確定和設備選擇的可靠實用是關(guān)鍵。將市場化維修程度高、競爭充分、反應迅速的維修保養(yǎng)項目在經(jīng)濟比較后盡量推向市場，通過委外維保的方式減少維修設備的投資和運營使用費用。對必要設備一次投資可適當增加，以提高維修質(zhì)量，減少使用費用，如固定架車機、不落輪鏇床、磨軌機的選擇。整體規(guī)劃時應合并同類維修設備，如對機加工、標準化、檢驗等設備的資源共享，既減少了設備投資，又降低了人員使用費用。 綜上所述，僅是基于全壽命周期費用設備選擇的初步考慮，對其進行深化研究，將為城市軌道交通的發(fā)展提供新的思路和推動力。 參考文獻1、孫章，何宗華，徐金祥，《城市軌道交通概論》，中國鐵道出版社，2000。2、毛保華，姜帆，劉遷，《城市軌道交通》,科學出版社，2001年。3、施仲衡等，《降低地鐵造價及工程建設管理等若干問題研究》，北方交通大學、北京城建設計研究總院城市軌道交通研究中心，2003年。注：論文發(fā)表于《城市軌道交通研究》2003,5：26－29

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[1]陳光，男，南京地鐵工程建設指揮部副指揮長，高級工程師。