常导高速磁浮交通项目速度目标值探讨_李上尚.pdf

第 1 期研究报告*国家重点研发计划项目(2016YFB1200602)通信作者常导高速磁浮交通项目速度目标值探讨*李上尚1刘万明2(1同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海;2同济大学磁浮交通工程技术研究中心，201804，上海第一作者，硕士研究生)摘要以常导高速磁浮交通系统为基础，提出高速磁浮交通系统速度目标值的分析理论和方法。首先，从系统投入方面分析了速度目标值对土建工程投资和车辆购置费的影响;其次，从运输经济学角度，分析了旅客作为消费者对交通工具的选择行为，探讨了磁浮列车服务水平(速度和票价)、项目长度(出行距离)、旅客时间价值和其他交通竞争者的服务品质等因素对磁浮交通市场份额的影响;最后，基于技术经济学方法，分析了速度目标值对磁浮交通建设项目投资效益的影响，并以项目经济效益最大化为目标，探求速度目标值的最佳决策。以某虚拟项目为案例进行演算，获得该项目的最佳速度目标值为 520 km/h。关键词轨道交通;常导高速磁浮;速度目标值中图分类号U2664;U237DOI:1016037/j1007869x202301035Discussion on Speed Target Value of Normal Con-ducting High-speed Maglev Transport-ation Pro-jectLI Shangshang，LIU WanmingAbstractWith normal conducting high-speed maglev transpor-tation system as basis，the theory and method for analyzing thetarget speed of high-speed maglev transportation system is pro-posed First，the influence of target speed on civil engineering in-vestment and vehicle purchase cost are analyzed from systematicinvestment perspective Then，the behaviors of passengers chooseas consumers in choosing transportation means are analyzedfrom transportation economics angle How factors includingmaglev train service level(speed and fare)，project length(travel distance)，passenger time value and service quality ofother transportation competitors impact the market share of ma-glev transportation is discussed Finally，based on technical e-conomics method，the influence of target speed on the invest-ment benefits of maglev transportation construction project isanalyzed The optimal target speed decision-making strategy ispursued，aiming to maximize the project economic benefits Avirtual project is taken as study case for calculation and the op-timal target speed of the project comes out to be 520 km/hKey wordsrailtransit;normalconductinghigh-speedmaglev;speed target valueFirst-authors addressKey Laboratory of oad and TrafficEngineering of the Ministry of Education，Tongji University，201804，Shanghai，China高速磁浮列车是目前运行速度最高的地面轨道交通工具，其环境兼容性和工程可行性已在世界范围内被认可。速度目标值是交通运输系统规划的核心技术指标，是影响旅客出行方式选择和综合平衡经济及社会发展的重要因素。我国在近期连续 4 个五年计划中均开展了常导高速磁浮交通(以下简称“高速磁浮”)技术的开发，目前已进入建立应用技术体系阶段，因此从技术经济学角度探讨常导高速磁浮交通的速度目标值具有实际应用价值。关于速度目标值，国内外已对高速轮轨系统开展了较多的研究。早在 20 世纪 80 年代，文献 1就从德国社会环境角度研究了高速列车的最佳设计速度和高速铁路的最佳运营速度。文献 2 立足于经济性视角，分别探讨了速度目标值与用户投资等多种关系，并构建了综合投资模型。文献 3对铁路最高运行速度和土建工程的影响关系进行了研究。我国在建设高速铁路网的过程中也有专家学者对高速铁路的速度目标值进行了研究4-7，分别从客流特点、项目功能定位、时间目标值、路网协调匹配和工程投资等方面着手，比选出综合效益最佳的速度目标值方案。而高速磁浮系统作为一种新兴技术，至今尚无长线应用实践，其速度目标值的研究相对较少。3712023 年本文从工程技术、市场分析和运营管理等方面，研究速度目标值与工程投资、列车购置费、运营成本和客运需求之间的关系，以经济效益最大化为目标，计算高速磁浮建设项目的合理速度目标值，为高速磁浮工程项目的速度目标值决策提供借鉴与参考。1成本因素分析轨道交通建设项目中对于速度目标值的决策是一种投入与产出的博弈。在我国高速轨道交通规划以及技术方案选择的过程中，速度目标值对系统成本的影响是备受关注的焦点，提高速度目标值必须以提高项目成本为代价。11土建工程投资在轨道交通系统生命周期费用中，系统建设投资是控制性指标，通常直接被用于描述系统的经济性。土建工程投资是轨道交通系统投资的主要构成部分，通常占系统总造价的 70%以上。不同地形条件下，线路基础设施的设计速度对工程费用的影响程度不同。本文以不同地形(平原地区、丘陵地区和山区)为研究对象，根据不同设计速度确定线路设计参数后再进行试验定线，获得了不同地形条件下设计速度对土建工程费用的影响系数，如表 1 所示。由表 1 可知，工程费用随着设计速度的增加而增加。当设计速度从 200 km/h 提高至500 km/h 时，平原地区的设计速度对工程费用的影响系数增加了 26%，山区的设计速度对工程费用的影响系数增加了 33%，说明在山区地形条件下，速度目标值对工程费用的影响较大。表 1不同地形条件下设计速度对工程费用的影响系数Tab1Influencing coefficients of design speed to engineeringcost under different geographical conditions设计速度/(km/h)不同设计速度对工程费用的影响系数平原地区丘陵地区山区200100100100300109109110400117117118450121123124500126133133注:以速度目标值为 200 km/h 时的影响系数 100 作为基准数据。12列车购置费用随着列车运行速度的提高，空气动力效应和机械振动也有所加剧。车辆的流线质量、机械强度和密封水平需随速度的提高而提高，列车购置费也相应有所提高。各种高速列车(含轮轨与磁浮模式)购置费与设计运营速度的关系为8:Hc(v)=(0004 8v 0431)Hc(300)(1)式中:Hc(v)最高运行速度为 v 时的购置费，元;v 列车最高运行速度，km/h;Hc(300)最高运行速度为 300 km/h 时的购置费，元。2市场因素分析一定的速度目标值对应一定的交通服务水平。如果把交通运输能力作为向公众提供的一种服务产品，则不同的速度目标值将对应不同的服务品质。21服务品质综合评判模型高速磁浮交通项目的客运需求或其在交通走廊所占的市场份额，取决于每个旅客个体对交通工具的选择。旅客决策过程实际上是在对各种交通工具的各种服务特性进行多目标比较和权衡之后形成的。服务品质可以概括为六方面:经济、安全、舒适、方便、快速、准时。如果在城市间有 m 种轨道交通出行方式可供选择，则第 i 种轨道交通出行方式(i=1，2，m)对于旅客的效用 Ui可以表述为:Ui=rikik(2)式中:rik 第 i 种轨道交通出行方式所对应的第 k种服务品质，k=1，2，6;ik 旅客对第 i 种轨道交通出行方式所对应的第 k 种服务品质的偏好程度。旅客对高速轨道交通工具的选择主要取决于旅客对于所节省时间的支付意愿。对于轨道交通分析中经常使用的旅客经济收入因素，实际上也可换算为旅行时间的机会成本，用单位时间的经济价值来体现。此外，因公和因私的出行因素可以反映为旅行时间的生产性和生活性机会成本。因此可用时间价值作为对出行旅客特征的基本描述。另外，当旅客选择轨道交通工具时，对服务属性的权重设定显然受其当次出行距离的影响，短途出行时可能因总时间和总费用差别不大而对方便性、可靠性赋予更大的权重。因此，分析一个轨道交通项目的市场份额应针对其包含的各种距离 OD(起讫点)客流需求进行分析。471第 1 期研究报告将旅客的出行距离和时间价值作为影响旅客偏好程度 的因素，其表达式为:=a1+a2Wt+a3WL(3)式中:Wt 时间价值因素;WL 出行距离因素;a1、a2、a3 待求参数。旅客将在各种轨道交通出行方式中选择效用最大者出行。被选择的轨道交通出行方式的效用可以表述为:U=max Ui()(4)22社会客运量分配及市场份额分析模型客运量在各种轨道交通出行方式间的分配是旅客个体对轨道交通出行方式选择结果的集合。针对具体的某一 OD 段，出行距离即为定值。故对于旅客的特性描述只剩下时间价值因素，时间价值一旦确定，旅客的选择就是唯一的。因此，不同轨道交通出行方式的市场份额取决于旅客群体的时间价值分布，将其设为(w)。以时间价值因素Wt磁1和 Wt磁2表示选择高速磁浮列车旅客的时间价值下限和上限，则此出行方式在具体 OD 段的被选择累计概率(即份额比例)Q磁为:Q磁=Q Wt磁1 Wt Wt磁2()=Wt磁2Wt磁1 w()dw(5)旅客的时间价值分布可以采用抽样调查或根据经济统计资料计算获得。当其服从均值为、方差为 的正态分布时，对于 OD 段全方式客运需求C0，高速磁浮列车的市场份额 M磁可以表示为8:M磁=Q Wt磁1 Wt Wt磁2()C0=C0OWt磁2()C0OWt磁1()(6)式中:OWtz()累积正态分布值，z 为磁 1 或磁 2。23客运市场份额的弹性分析研究高速磁浮交通应用项目的速度目标值，即是规划该轨道交通出行方式在快速性方面的服务品质，因此需要分析高速磁浮交通市场份额的速度弹性。根据式(5)计算可以获得不同出行距离和不同平均时间价值下，高速磁浮交通出行方式所占的市场份额比例。不同的出行距离、时间价值及旅行速度时，高速磁浮交通所占的市场份额如表 2 所示。由表 2 可知:随着出行距离的增加，高速磁浮交通出行方式在长大干线上被选择的概率更大;当出行距离有所增加时，较高的旅行速度可以获得较大的市场占有率。表 2不同的出行距离、时间价值及旅行速度时高速磁浮交通所占的市场份额Tab2Market share of high-speed maglev transportationwith different travel