蔣鈞杰，談 飛

(河海大學(xué) 商學(xué)院，江蘇 南京 211100)

城市軌道交通已經(jīng)成為現(xiàn)代城市交通體系的重要組成部分，并且正在逐漸融入我國的各個大中城市。2012年我國城市軌道交通完成1896億元，建成337 km地鐵;2013年投資2200億元，建成290 km。據(jù)行業(yè)內(nèi)估算，到2020年，城市軌道交通運營總里程將達到6000-7000 km。而江蘇省計劃在“十二五”期間完成860億元投資后，“十三五”期間再投資2100億元修建城市軌道交通［1］。

城市軌道交通車輛是指在城市軌道交通線路上可編入列車中運行的單節(jié)車，主要由車體、轉(zhuǎn)向架、牽引制動、空調(diào)通風(fēng)及空氣制動系統(tǒng)等組成，是城市軌道交通工程中的核心組成部分。目前城市軌道交通車輛采購招標比選時，僅僅考慮車輛采購價格，并不包括車輛全壽命周期各個階段發(fā)生的成本，因此做出的決策只是局部最優(yōu)，并不是整體最佳。

LCC(Life Cycle Cost)概念有廣義和狹義之分。產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計和制造過程中由生產(chǎn)者承擔的成本被稱為狹義壽命周期成本，而包括狹義壽命周期成本、消費者買入后產(chǎn)生的使用成本和報廢成本在內(nèi)的總和又被稱為廣義壽命周期成本。廣義LCC體現(xiàn)了產(chǎn)品的生產(chǎn)、流通、交換、消費、報廢等各環(huán)節(jié)，比狹義LCC更加符合經(jīng)濟學(xué)的基本理念，因此在LCC研究中通常使用廣義LCC的概念。

全壽命周期成本在鐵路行業(yè)的應(yīng)用始于1986年，瑞典國家鐵路簽署的X2000高速列車合同是以全壽命周期費用為基礎(chǔ)采購的［2，3］。

Win and Herzberg［4］分析了高速磁浮系統(tǒng)和傳統(tǒng)的輪軌系統(tǒng)的全壽命周期成本，他們計算了在不同的生命周期階段(如規(guī)劃、建設(shè)、實施、運行維護)的費用，表明磁懸浮系統(tǒng)的全壽命周期成本比輪軌系統(tǒng)便宜，盡管初始投資成本較高。

Jun and Kim［5］提出了一種用于計算鐵路車輛壽命周期成本的模型，這個模型主要包括鐵路車輛初始投資、年運行維修費用和壽命期末的處置成本。

在國內(nèi)的城市軌道交通領(lǐng)域中，至今還沒有對車輛全壽命周期成本進行系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，論文試圖建立一個普遍適用的城市軌道交通車輛全壽命周期成本計算模型，為車輛采購招標比選時提供一定的依據(jù)和參考，在滿足城市軌道交通功用、功能及運營要求的前提下，實現(xiàn)車輛全壽命周期成本的最小化。

1 在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

在進行城市軌道交通車輛全壽命周期成本分析前，必須對車輛全壽命周期成本項進行明確的定義。根據(jù)國際電工委員會制定的國際標準International standard 60300，一般產(chǎn)品的全壽命周期的各個階段包括概念和定義階段，設(shè)計開發(fā)階段，制造與安裝階段，運營和維護階段，以及最后的回收處置階段［6］(圖1)。

圖1 一般系統(tǒng)的壽命周期階段

在International standard 60300的基礎(chǔ)上，結(jié)合城市軌道交通車輛的特點，本文將車輛的全壽命周期劃分為采購階段、運營維修階段和報廢回收階段;相應(yīng)地，城市軌道交通車輛的全壽命周期成本可以進一步分解為采購成本、運營能耗成本、維修成本和回收處置成本(圖2)。

圖2 城市軌道交通車輛全壽命周期成本分解

2 全壽命周期成本模型

根據(jù)上文，城市軌道交通車輛全壽命周期成本分為4個部分，即采購成本、運營能耗成本、維修成本和回收處置成本，因此，可以順利推導(dǎo)出城市軌道交通車輛全壽命周期成本的數(shù)學(xué)模型為:

式中，Ck為車輛購置成本;Co為車輛運營能耗成本;Cm為車輛維修養(yǎng)護成本;Cd為車輛回收處置成本。

2.1 城市軌道交通車輛購置成本

城市軌道交通車輛的構(gòu)成分為機械部分與電氣部分，機械部分分為車體、轉(zhuǎn)向架、車鉤及緩沖裝置、制動系統(tǒng)和空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng);電氣系統(tǒng)可以分為電力牽引系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、列車控制和故障診斷系統(tǒng)等。

通過對已建成城市軌道交通線路的分析，可得出城市軌道交通車輛的采購費占工程總造價的10% ～15%(表1)。因此，車輛的采購是城市軌道交通建設(shè)和運營的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

表1 各城市軌道交通車輛費用比較

從表2中可以看出除了廣州5號線使用直線電機外，其他線路都使用A型車輛或B型車輛。其中上海地鐵1、2、3、4號線與廣州地鐵1、2號線采用了A型車輛;北京地鐵和廣州3、4號線主要采用了B型車輛。目前國內(nèi)城市軌道交通車輛的車體材料主要有3類:耐候鋼、不銹鋼、鋁合金。除了北京1、2號線采用耐候鋼車體材料，其他線路均采用了不銹鋼或者鋁合金作為車體材料。采用不銹鋼車體或鋁合金車體是近年來城市軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，輕量化車體會顯著地節(jié)約能源，減少車輛和線路的維修費用，因此耐候鋼車體已經(jīng)逐漸被不銹鋼、鋁合金車體所取代。

表2 各城市城市軌道交通車輛的使用情況

在實際城市軌道交通車輛選型過程中，主要是根據(jù)客流特點慎重選擇A、B、C三種不同車型。具體的選型過程因篇幅有限，不再贅述。

對于車輛的購置成本，假設(shè)在供貨商的投標報價中城市軌道交通車輛的價格為P，則顯而易見:

2.2 城市軌道交通車輛的運營能耗成本

城市軌道交通車輛的運營能耗可以分為兩大類，一是車輛運行消耗的能耗;二是車輛運行以外車輛輔助設(shè)備消耗的能耗，即車輛牽引運動能耗和車輛輔助設(shè)備能耗兩大部分。其中車輛輔助設(shè)備能耗主要是各種動力照明設(shè)備用電:通風(fēng)空調(diào)、自動扶梯、照明、弱電設(shè)備等的耗電［7］。

圖3 城市軌道交通車輛負載分配

通過調(diào)查獲知，一般地鐵車輛的總負載約為733.3 kW左右，車輛牽引運動的功率為660 kW，占車輛總負載的90%;車輛輔助設(shè)備的功率為24 kW(其中照明及通風(fēng)系統(tǒng)約為16.67 kW、控制通信系統(tǒng)約為7.33 kW)，占車輛總負載的10%(其中照明及通風(fēng)系統(tǒng)約占8%、控制通信系統(tǒng)約占2%)。

假設(shè)各類設(shè)備的運行時間及利用率相同，則可以推導(dǎo)出車輛牽引能耗約占車輛運營能耗的90%，車輛輔助設(shè)備能耗約占車輛運營能耗的10%(其中照明及通風(fēng)系統(tǒng)約占車輛運營能耗的8%、控制通信系統(tǒng)約占車輛運營能耗的2%)。

城市軌道交通車輛牽引運行耗電量的計算公式如下:

式中，U為受電弓處網(wǎng)壓，一般軌道交通車輛為750 V或1500 V;Ip為時間間隔內(nèi)的平均有功電流;Ip0為自用有功電流，城市軌道交通列車一般取6～10 A;t為相應(yīng)工況時間。

城市軌道交通車輛的運營能耗成本為:

2.3 城市軌道交通車輛的維修成本

維修是指正確使用人力、物料、技術(shù)、檢維修制度和資金等資源，以確保對設(shè)備或者設(shè)備的某些部分進行維護、調(diào)整、更換或改裝，使其能夠在規(guī)定的性能下運行［8］。

城市軌道交通車輛維修通常分為兩種，一種是預(yù)防性維修，另一種是糾正性維修。糾正性維修是以保證運營的安全可靠為最終目的的臨時故障處理，屬于事后修理;預(yù)防性維修是一種按車輛運行周期進行計劃檢修的車輛檢修制度。按預(yù)防維修的原則，從車輛的技術(shù)水平出發(fā)、綜合考慮車輛各部件的維修周期、壽命周期，確定車輛的修程，并針對車輛的各級修程制訂車輛的檢修規(guī)程及車輛的檢維修工藝文件。當車輛運營到一定的里程數(shù)或者一定時間后，就按照車輛的檢修規(guī)程和車輛部件工藝的要求對車輛及其部件進行檢查、維護、修理［9］。我國國內(nèi)的城市軌道交通的預(yù)防性維修一般細化分為:日檢、雙周檢、雙月檢、定修、架修、大修等，不同的是具體的維修周期和里程數(shù)不一樣。例如，北京地鐵的預(yù)防性維修修程一般分為列檢、月檢、定修、架修、廠修;上海地鐵的預(yù)防性維修修程為列檢、雙周檢、雙月檢、定修、架修、廠修;廣州地鐵的預(yù)防性維修修程劃分為日檢、雙周檢、三月檢、半年檢、一年檢、二年檢、三年檢、架修、大修［10］。具體的維修周期如表3所示。

表3 各城市軌道交通維修修程 104km

車輛的維修成本為車輛預(yù)防性維修成本與車輛糾正性維修成本之和，即

式中，Ccm為車輛糾正性維修成本;Cpm為車輛預(yù)防性維修成本。

在計算車輛糾正性維修成本Ccm之前，為方便說明，先假設(shè)城市軌道交通車輛各部件的故障率服從Weibull分布函數(shù)，相關(guān)參數(shù)如表4所示

表4 城市軌道交通各部件的故障率分布

同樣，在計算車輛預(yù)防性維修成本Cpm之前，為了簡化計算，假定車輛的預(yù)防性維修修程為列檢、月檢、定修，則

式中:Ti是預(yù)防性維修修程的時間間隔，Cpi為第i(1≤i≤m)個預(yù)防性維修修程的平均成本(對維修數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可以得出)。

綜上，城市軌道交通車輛的維修成本為:

2.4 城市軌道交通車輛的回收處置成本

城市軌道交通車輛的回收處置成本主要發(fā)生在車輛壽命周期末，在車輛進行拆卸過程中發(fā)生的人工以及機械費用。

同時，在壽命周期末車輛雖然無法勝任運營要求，但經(jīng)過拆除清理所殘留的一部分零部件、廢舊材料等仍然具備一定價值。本文為了便于計算，將殘值率暫定為5%，但是在實際工作中可以根據(jù)具體情況予以調(diào)整。

城市軌道交通車輛的回收處置成本為車輛的拆卸成本減去車輛的殘值，即

其中Cdp為車輛的拆卸成本。

2.5 城市軌道交通車輛的全壽命周期成本模型

根據(jù)本節(jié)的討論，城市軌道交通車輛的全壽命周期成本模型為:從公式中可以看出，要降低城市軌道交通車輛的全壽命周期成本，就必須從車輛的采購、運營、維修乃至報廢回收各階段綜合考慮，具體措施如下:

(1)車輛國產(chǎn)化以降低采購價格，采用輕量化材料降低車體重量，從而降低運營能耗和全壽命成本。

(2)在停車制動前采取惰行減少動能損失，或者采用反饋制動可以把部分制動能量反饋回電網(wǎng)供其他列車使用，降低能源消耗。

(3)采取靈活的編組方案，提高車輛的滿載率，從而提高牽引能耗的利用效率，有效降低牽引能耗。

3 城市軌道交通車輛全壽命周期成本模型的應(yīng)用

下面運用上文建立的城市軌道交通車輛全壽命周期成本模型對南京地鐵A型車輛進行全壽命周期成本分析。

3.1 南京地鐵A型車輛概述

南京地鐵1號線車輛為法國ALSTOM公司開發(fā)Metropolis系列A型地鐵載客車輛，A型車輛載荷如表5所示。

表5 城市軌道交通A型車輛負荷表

A型車輛授電電源額定DC1500 V(可變化范圍是1000～1800 V)，最高運營速度80 km/h，旅行速度35 km/h，最小行車間隔120 s，停站時間20 s，列車折返時間150 s，每天運營時間18 h。

A型車輛主要設(shè)備如下:

空氣壓縮機:工作電壓為1500+20%－33%VDC，功率為 6.5 kW;

牽引電機:額定輸出功率為190kW;

牽引逆變器:工作電壓為1500+20%－33%VDC，輸入電流為550 A，輸入功率為990 kW;

輔助逆變器:交流輸出功率為45 kw，直流輸出功率為22 kW;

空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備:制冷量為40 kW，空調(diào)壓縮機電機功率為21.5 kW空調(diào)冷凝器風(fēng)扇功率為0.75 kW，空調(diào)通風(fēng)風(fēng)扇(蒸發(fā)器風(fēng)扇)功率為0.61 kW;

車輛照明:照明燈管功率為36W。

3.2 南京地鐵A型車輛的全壽命周期成本

通過座談、現(xiàn)場觀察、與維修人員交流等形式，了解到南京地鐵A型車輛采購費約為700萬元，即Ci=700萬元。

A型車輛電能表上的記錄顯示，每輛車運營100 km平均耗電為250 kWh。而A型車輛的全壽命周期(30年)的運營總里程約為3×106km;南京市的常規(guī)電價約為0.53元/度，可得城市軌道交通A型車輛運營能耗成本Co=0.53×250×3×104=397.5萬元。

對于A型車輛的維修成本，南京地鐵的維修方式主要為預(yù)防性維修。南京地鐵對車輛的檢修分為日檢、雙周檢、三月檢、定修、架修、大修。具體的檢修周期和走行公里見表6。

表6 南京地鐵維修修程

通過地鐵運營公司維修定額計算可得，A型車輛的日檢約為10元，雙周檢為266.67元，三月檢為2833.33元，定修為14166.67元，架修約為3.9萬元，大修約為55萬元，所以A型車輛的維修成本為:

對于A型車輛的回收處置成本，其中拆卸成本Cdp在國內(nèi)尚未有明確的計算方式與數(shù)據(jù)記錄，所以在計算時暫將其忽略，則Cd=－P×5%=－35萬元。

表7 A型車輛全壽命周期成本分析表

從表7中可以看出，A型車輛的單位全壽命周期成本約為4.28元/km，車輛的購置成本占車輛全壽命周期成本的51.68%，所以在車輛選型時，僅僅考慮購置成本無法全面反映不同方案的優(yōu)劣。

4 結(jié)論

城市軌道交通近年來在我國飛速發(fā)展，并且正在逐漸融入我國各個大中城市。目前城市軌道交通車輛采購招標比選時，僅僅考慮車輛采購價格，不計車輛在全壽命周期其它階段內(nèi)的費用。

本文對城市軌道交通車輛全壽命周期的階段進行劃分，將城市軌道交通車輛全壽命周期分為采購階段、運營階段、維修階段和報廢回收階段;并分析了全壽命周期成本的構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了城市軌道交通車輛全壽命周期成本模型。

最后將車輛全壽命周期成本模型應(yīng)用于地鐵A型車輛，對其進行了全壽命周期成本分析得出:A型車輛的單位全壽命周期成本約為4.28元/km，而車輛購置成本占車輛全壽命周期成本的51.68%，運營能耗成本占車輛全壽命周期成本的29.35%，維修成本占車輛全壽命周期成本的16.39%;所以進行城市軌道交通車輛選型時應(yīng)從車輛的全壽命周期出發(fā)，綜合考慮車輛全壽命周期各階段的成本，按照全壽命周期成本最小的原則，選擇最佳投資方案。

［1］咸瑞豐.地鐵車輛招標進入密集期，軌道交通裝備業(yè)迎春天［EB/OL］.［2013-1-20］http://fund.jrj.com.cn/2013/05/24100315334206.shtml.

［2］Stern J.Life Cycle Cost:A Method for Reducing Costs and Improving Railway Vehicles［C］//Proceedings of World Congress Railroad Research. Paris:SNCF，1994:661-666.

［3］Kjellsson U.From X2000 to Crusaris Regina:Development of LCC Technology［C］//Proceedings of World Congress Railroad Research.Paris:SNCF，1999:1-7.

［4］Win M，Herzberg S.Technical-economical System Comparison of High Speed Railway Systems［C］.Berlin:MAGLEV，2004.

［5］Jun H K，Kim J H.Life Cycle Cost Modeling for Railway Vehicle［C］//International Conference on IEEE，Seoul:ICEMS，2007:1989-1994.

［6］IEC 60300-3，International Electrotechnical Commission［S］.

［7］孔令洋，梁青槐，張 巖，等.直線電機輪軌交通系統(tǒng)牽引能耗研究［J］.鐵道學(xué)報，2007，29(6):106-112.

［8］宗守杰.關(guān)于影響南京地鐵車輛維修因素的分析［J］.城市建設(shè)理論研究(電子版)，2012，(22).

［9］李啟俊.南京地鐵車輛維修修程分析和優(yōu)化［D］.南京:南京理工大學(xué)，2011.

［10］陸萬忠.城市軌道交通車輛檢修制度研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2007.