基于全寿命周期费用的城市轨道交通工程设备选择摘要： 城市 轨道交通工程是现代土建、设备一体化的复杂系统工程，以提供大运量、快捷、安全、舒适的城市公共交通服务为目的，设备是主体。城市轨道交通工程设备由车辆、信号等十多个子系统组成，投资大、技术难、要求高、系统复杂、准备周期长、与运营关系密切。从轨道交通工程建设投资内容划分，设备投资约占总投资的35%左右，是项目一次性投资的最大组成部分；从轨道交通工程运营角度考虑，设备使用费用占运营费用的大部分。设备的全寿命周期费用由设备投资和设备使用费用组成。要使中国的城市轨道交通工程保持良好的发展态势，既要重视一次性投资控制，更要重视全寿命周期费用的控制，设备选择的全寿命周期费用控制是其重点。关键词：全寿命周期 费用 城市 轨道交通 设备一、 城市轨道交通工程设备特点 城市轨道交通工程设备投资大、技术难、要求高、系统复杂、准备周期长、与运营关系密切。设备系统主要有车辆、信号、供电、通信、通风空调、给排水及消防、防灾报警、环境监控、自动售检票、自动扶梯及电梯、车辆基地设备等。设备投资约占项目总投资的35%左右，是项目一次性投资的最大组成部分，设备使用费用也占运营费用的大部分。 车辆作为城市轨道交通的旅客载运工具，必须保证运营安全、正点、快速，提供良好的服务条件，注意与城市景观、环境的协调。现代城市轨道交通车辆均为电动车组编列运行，采取动车和拖车组合。车辆分别由车体、转向架、牵引缓冲装置、制动装置、受流装置、车辆内部设备、车辆电气系统等部分组成。车辆是城市轨道交通的核心设备，它技术含量高，接口复杂，生产周期长，投资约占设备系统总投资的46%左右，使用费用也占设备系统使用费用一半左右。 信号系统是保证车辆运行安全和提高线路通过能力的重要设备。现代化的城市轨道交通一般配置列车自动控制系统（简称ATC），主要包括列车自动监控系统（简称ATS）、列车自动保护系统（简称ATS）、列车自动运行系统（简称ATO）三个子系统。信号系统作为确保列车安全、快速、短间隔运行的中枢神经，具有技术要求高、操作方式复杂、内外接口多、非通用非定型等特点，投资约占设备系统总投资的10%左右。 供电系统为城市轨道交通提供必需的能源，安全、经济的供给电力是所有设备正常运行的前提条件。城市轨道交通的供电系统由主变电所、牵引降压变电所、牵引电网、电缆与接地、动力与照明、供电系统管理自动化等组成，投资约占设备系统总投资的18%左右。 通信系统为城市轨道交通提供交换语音、图像、数据信息的可靠便捷服务，一般由传输、公务电话、专用电话、无线通信、闭路电视监视、广播、时钟、通信电源及接地等组成，投资约占设备系统总投资的6%左右。 通风空调系统为城市轨道交通提供满足运营和乘客需求的人工气候环境，在地下空间一般分为开式系统、闭式系统和屏蔽门系统，根据使用场所又分为车站、区间隧道和设备管理用房空调系统，一般由冷水机组、通风机组、空调机组、冷却塔、水泵、风阀、消声器及屏蔽门等组成，投资约占设备系统总投资的2%左右，使用费用中的电耗比例较高。 给排水及消防系统是指城市轨道交通中生产、生活、消防使用的给水系统、污水排放系统及水灭火、气体灭火装置，投资约占设备系统总投资的2%左右。 防灾报警系统（简称FAS）是指城市轨道交通中具有防止火灾、水淹等灾害的自动报警与监控装置，技术要求高，投资不大，约占设备系统总投资的1%左右。 环境监控系统（简称BAS）是指对车站、区间的通风空调、给排水、照明、电扶梯等设备进行优化控制，实现安全、方便、节能的现代化管理，它一般包括中央控制、车站控制和就地控制装置三部分组成，对调控环境舒适度和设备运行的节能有较大意义，投资约占设备系统总投资的1%左右。 自动售检票系统（简称AFC）是现代化城市轨道交通满足各种运营模式下乘客快速购票进出站的重要设备，一般由中央计算机系统、车站计算机系统、车站终端、票卡等组成，技术难度大，投资约占设备系统总投资的7%左右。 自动扶梯与电梯是为方便乘客、提高服务水平而设置的提升设备，一般在车站站厅层和出入口设置自动扶梯，为残疾人及设备运输设置电梯，投资约占设备系统总投资的3%左右。 车辆基地及维修设备主要是为车辆和各种设备提供停放、保养、修理等服务的，一般包括列车清洗机、固定架车机、数控不落轮镟床、内燃机车、接触网作业车、起重机、空压机及各种维修工艺设备，品种有几百种之多，投资约占设备系统总投资的3%左右。 城市轨道交通工程设备有以下特点。一是投资巨大，设备投资约占总投资的35%左右，车辆、信号、供电又占了其中的75%左右；二是技术先进，各设备系统运用了大量的高新技术，技术含量高；三是系统复杂，设备系统由十多个子系统组成，接口繁复，相互之间联系制约多；四是国产化要求高，较高的国产化率对降低费用作用明显；五是缺乏统一的标准，设备必须根据用户的特定需求进行选型定型、招标采购，产品生产周期长，选择随意性大；六是设备与运营关系密切，安全可靠的设备是运营成功的保证；七是设备的功能定位与费用控制紧密相联；八是设备的一次投资费用与设备使用费用密不可分，设备的全寿命周期费用研究应得到足够重视。 二、设备全寿命周期费用分析城市轨道交通工程设备全寿命周期费用包括设备投资和设备使用费用。设备投资包括设备供货价格、安装费等，设备使用费包括维修保养、动力燃料、人员工资等。设备的全寿命周期包含物理寿命、折旧寿命、技术寿命、经济寿命等。我们讨论的全寿命周期，更多的是考虑经济寿命，即指设备从开始使用到再继续使用在经济上已不合理为止的全部时间。在城市轨道交通工程中，我们可用价值工程为主分析设备选择的全寿命周期费用问题 。价值工程是着重功能分析，力求以最低的全寿命周期费用，可靠地实现对象的必要功能的有组织的创造性活动。价值工程的基本表达式为V=F/C，在设备全寿命周期价值工程分析中，其中V代表全寿命价值，F代表全寿命功能，C代表全寿命周期费用。 轨道交通工程设备选择的价值取向应是合理的全寿命功能实现、经济的全寿命周期费用下全寿命价值的提升。其提高价值的基本途径是：保持功能不变，使实现功能的费用有所下降；保持费用不变，使功能有所提高；虽然费用有所提高，但功能大幅度提高；少量降低功能指标或次要功能，费用有较大降低；既提高功能，又降低费用。 考虑到城市轨道交通设备一次投资的限定性、使用费用的长期性、系统构成的复杂性，各系统设备选择的全寿命价值工程分析要有所区别，但主要思路应放在确定全寿命周期功能合理与匹配，追求全寿命周期费用降低上。设备选择与全寿命周期费用分析主要考虑以下方面。 一是分析整个设备系统全寿命周期费用结构和控制重点。要从整个设备系统的项目结构中分析其全寿命费用的构成，了解各系统设备全寿命费用的大小，确定整个设备系统全寿命周期费用的比例结构。根据费用比重分析法（也称ABC分析法）的原理，结合城市轨道交通工程设备的特点，整个设备系统10%—20%的设备其费用占总费用的比例很高，可定位为A类，作为重点控制考虑，其余可定位为B类和C类，作为次要和一般控制考虑。某一设备的一次投资费用和使用费用的比例也有很大差异，可考虑将不同设备的建设期或使用期作为费用控制的重点。设备的全寿命周期分为决策、设计、采购、安装调试、运营维护等过程，根据经验，越是项目的前期，费用节约的可能性越大，越应该成为费用控制的重点。 二是分析各系统设备的功能定位与匹配关系。尤其是功能定位要全面反映设备满足城市轨道交通规定和潜在的需要，这种需要应该包括特性、实用性、可信性、安全性、环境要求、经济性、美观性等诸多方面，需要应是合理的，这种满足应贯穿设备的整个寿命周期，满足应是适度的。要注意功能的匹配，保持功能结构的合理。要着重对设备基本功能、辅助功能、外观功能等进行分类、整理、评价、定位，保证设备选择的功能前提是正确的。 三是分析各系统设备的费用结构和组成。要从各系统设备及单一设备的全寿命周期中分析一次投资和使用费用之间的比例关系，在功能分析指导下寻找合理的结合点，确定各系统设备全寿命周期费用的纵向结构。 四是分析各系统设备一次性投资降低的内容、方法、手段和措施。要重视招标采购的公开、公平、公正和充分竞争。要充分利用强有力的组织措施、技术措施、经济措施、合同措施来降低费用。五是分析各系统设备使用费用降低的内容、方法、手段和措施等。要研究不同的运营维护和设备维修模式，考虑社会化、专业化服务对降低费用的作用。 三、基于全寿命周期费用的设备选择 基于城市轨道交通工程设备特点和全寿命周期费用分析，我们可对城市轨道交通设备选择作如下考虑。1、车辆 车辆的选择是全寿命周期费用控制的重中之重。要从车辆选择的决策阶段开始就十分重视这项工作。 车辆的功能定位是关键。车辆功能必须定位于实际客流与一定服务水平的需要。 客流是决定车辆选择的主要因素。建设城市轨道交通的根本目的是满足城市日益增长的大客流需要。不同的客流存在，提出了不同的运能需要，决定了不同的车辆选择方案。远期单向高峰小时规划设计客流是决定车辆运能的根本依据，也是车辆选择方案的关键。我们要注意 客流预测的不确定性。由于影响客流及影响客流预测的因素多，客流预测带有很大的不确定性。预测客流存在的问题主要有：预测年限与城市总体规划不一致、基础数据不完善、预测方法的局限、模型参数标定不确切、预测中对票价因素考虑不够等。目前采用的“四阶段法”预测客流往往偏高。而作为车辆选择依据的规划设计客流又考虑了不均匀系数，一般大于预测客流量。规划设计客流可能偏高，应成为车辆选择时重视的一个问题。我们还要注意 客流分布的不均匀性。城市轨道交通初期、近期、远期客流不同，每日客流很不均匀。初期、近期、远期客流的增长主要取决于城市规模的发展和布局的调整，每日客流的变化主要取决于沿线客流性质。不同城市不同线路不同时期的客流分布不均匀系数是不同的。不均匀系数的慎重考虑应成为车辆选择时重视的另一个问题。服务水平与车辆选择密切相关。舒适度、拥挤度及行车间隔是服务水平的重要指标。我国地铁车辆满载定员按6人/平方米考虑，这是舒适度的极限值，超载定员按9人/平方米考虑，这也是拥挤度的极限值。法国地铁车辆满载定员只按4.4人/平方米考虑。车辆运能是根据满载定员计算的。有人提出按适当拥挤的方式考虑车辆运能，如按7人/平方米的超载情况计算，虽有道理，但依据不足。较好的舒适度能提高服务水平，但必须增加车辆配置或缩短行车间隔。行车间隔决定了乘客的等待时间，缩短行车间隔既能改善服务水平，又是提高车辆运能的重要方法。车辆选择必须符合实际客流和一定服务水平需要的功能定位。应提供可变的运能满足可变的客流。要尽可能地探索可变客流的规律，使客流预测从不确定到比较确定。要通过城市规划、交通规划、轨道线网规划、交通政策引导、票价引导等方法形成合理的客流分布。要从车辆选择的大小、编组、行车间隔、服务水平等方面探索可变运能的形成。可变的编组、可变的行车间隔能形成可变的运能，但编组 的变化调节是非常困难的。编组的选择涉及到车辆的动拖比以及蓄电池、辅助逆变器、空压机、受电弓等的配置方案，不同的编组单车成本和运营费用是不同的。不同时期考虑不同编组混编方案将带来制造、管理、维修、接口等很多困难。 基于上述分析，在满足客流需要和一定服务水平的前提下，在提供可变的运能满足可变客流的思路中，车辆选择应考虑满载客位移动的全寿命周期费用，其指标可用元/客位移动公里表示。在实际的车辆选择过程中，首先，应考虑合适车型与技术指标的选用。要根据客流特点，慎重选择A、B、C三种不同车型。要合理确定列车速度等技术指标，不同的最高速度值，对车辆的技术标准要求差异很大，对车辆的价格影响也很大。要加快推进车辆的标准化、系列化、模块化制造技术，这将促进车辆制造成本的降低。要科学地选择车辆车体材料，注意铝合金型材和钢型材的比较。其次，应考虑合理地确定列车编组。列车编组在满足客流需要的情况下，种类应尽量统一，动拖比要合适。要充分利用信号系统的功能，研究在缩短列车间隔时间下使用小编组车辆与高密度行车间隔的经济性。第三，创造适度竞争的良好局面，大力推动车辆国产化进程。应放宽国外车辆供货商进入国内市场的条件，鼓励其推行车辆本地化生产的积极性。国内引进和配套企业要加快对关键技术的消化与吸收，尽早形成核心生产能力。只有这样，项目业主才能通过公开招标选择到适用经济的城市轨道交通车辆。2、信号 城市轨道交通信号系统是直接服务于运营的设备，在功能上它首先必须保证行车安全，其次是提高运输效率。在确保安全的前提下，创造缩短行车间隔的条件，对于提高整个设备系统的运输能力，有着十分重要的作用。信号系统的全寿命周期费用分析， 不只针对信号系统本身，更要考虑整个城市轨道交通系统。近年来，信号技术发展迅猛，准移动闭塞、移动闭塞、微机联锁、列车自动监控等已成功应用，为安全的保证、运能的提高和减少运营人员提供了条件。因此，在城市轨道交通信号设备选择时，考虑到安全和缩短行车间隔提高运能的需要，一般应在成熟的设备制式中选择较为先进的，如基于准移动闭塞或移动闭塞的 列车自动控制系统（简称ATC）。这种选择尽管一次投资稍大，但确保了信号设备的功能，同时又提高了设备的可用性、可靠性和可维护性，降低了设备的使用费用，从全寿命周期费用角度考虑是合理的。3、供电。 城市轨道交通供电系统的功能是向所有用电负荷提供安全、可靠的电能，保证各用电设备的正常运行。供电系统包含十几类几十种设备，涉及到国内外大部分电力产品，产品质量参差不齐，投标价格差别较大。选择高可靠、高安全、低能耗、低维护、小型化的产品，是降低全寿命周期费用的有效途径。在变压器类设备中，应将低空载、低负载损耗、高抗短路的节能产品作为首选；在开关类设备中，应考虑气体绝缘开关柜和空气绝缘开关柜的全寿命周期费用比较，包括对土建成本的影响，可优先选择气体绝缘开关柜；在电力监控设备中，可突出主要功能，减少附加功能，预留接口功能，以降低一次投资成本；在接触网器材中，选择优质银铜接触线比普通银铜接触线价格高15%，但换线成本和对运营的影响大幅下降，全寿命周期周期费用是降低的。 4、其它设备系统。通信设备。考虑到通信技术发展迅速，应根据运营的实际需求选择设备的功能，对远期的需求，近期可暂不考虑，但必须预留好接口，充分注意系统的可扩展性。通风空调设备。地下线通风空调系统形式一般常用闭式系统或屏闭门系统，根据各地空调时间的长短，其设备的一次投资、土建面积大小、使用费用各不相同，应作全面的全寿命周期费用比较，慎重选择不同系统。空调系统设备运营能耗占城市轨道交通总能耗的30%-40%左右，设备本身的节能特性意义重大。根据有关地铁热环境研究报告，运营初期、中期的发热量约是远期的50%-70%，如设备按远期发热量一次配置到位，应通过运行台数控制、选择变频调速控制设备与优化运行模式，尽管一次投资略有增大，但初、中期能耗费用可节约30%-40%，远期能耗费用可节约15%-20%。给排水及消防设备。给排水及消防设备的一次投资费用不大，但其使用费用占全寿命周期费用的比例却较大，因此，设备选择的安全性、可靠性、节能性、少维护性应给予重视。防灾报警设备。防灾报警设备在正常运营时监视灾情，采集灾情信息，灾害发生时及时将救灾设备转入救灾模式，必须安全可靠，故系统设备选择应满足功能需要，考虑性能好、质量高的产品。环境监控设备。环境监控设备作为对车站各类机电设备的智能化控制系统，对改善环境质量和降低其它设备使用费用作用明显，应本着技术先进、功能完善、组网灵活、方便运营和节能降耗的原则选择，一次投资费用可适当放宽。自动售检票设备。自动售检票设备一次投资费用较大，应努力寻求基本需求与服务水准、初期配置与系统扩展、可靠性与可维修性之间的平衡点。在技术方案上，可优先考虑使用IC卡系统，这虽然增加了票卡购置成本，但系统使用费用可降低；可适当控制昂贵的自动售票机的数量，由半自动售票机分担部分单程票购票作业；可考虑少量双向闸机布置在双向客流变化较大的站口，体现资源共享；可考虑IC卡应用拓展、票面广告等增加收入。 自动扶梯及电梯。自动扶梯及电梯属于通用设备，在设备选择中主要抓住成熟性、稳定性和可维护性。成熟性应体现在设备的成熟结构、梯型、工艺和业绩上。稳定性应体现在使用可靠和使用寿命延长上，如扶梯通过对桁架强度的提高、梯级链的增加来实现。可维护性应体现在简化设备的传动、减少维护保养点上，如考虑无机房电梯与液压电梯的维护点比较等。 车辆基地及维修设备。车辆基地及维修设备的选择除直接影响本身的全寿命周期费用外，还影响到其它设备的可靠运营和使用费用。因此，合理维修模式的确定和设备选择的可靠实用是关键。将市场化维修程度高、竞争充分、反应迅速的维修保养项目在经济比较后尽量推向市场，通过委外维保的方式减少维修设备的投资和运营使用费用。对必要设备一次投资可适当增加，以提高维修质量，减少使用费用，如固定架车机、不落轮镟床、磨轨机的选择。整体规划时应合并同类维修设备，如对机加工、标准化、检验等设备的资源共享，既减少了设备投资，又降低了人员使用费用。 综上所述，仅是基于全寿命周期费用设备选择的初步考虑，对其进行深化研究，将为城市轨道交通的发展提供新的思路和推动力。 参考文献1、孙章，何宗华，徐金祥，《城市轨道交通概论》，中国铁道出版社，2000。2、毛保华，姜帆，刘迁，《城市轨道交通》,科学出版社，2001年。3、施仲衡等，《降低地铁造价及工程建设管理等若干问题研究》，北方交通大学、北京城建设计研究总院城市轨道交通研究中心，2003年。注：论文发表于《城市轨道交通研究》2003,5：26－29
[1]陈光，男，南京地铁工程建设指挥部副指挥长，高级工程师。
