基于仿真計算的淮安有軌電車1號線運營效益評估*

李君羨 沈宙彪 滕 靖 范宇杰

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室, 201804，上海；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，200125，上海∥第一作者，高級工程師)

近年來，我國有軌電車發(fā)展迅速，但目前的諸多已建項目未達(dá)到規(guī)劃效果。表1為2019年蘇州、準(zhǔn)安的有軌電車項目預(yù)測客流與實際客流的情況。

表1 2019年蘇州、淮安有軌電車的預(yù)測客流與實際客流對比

有軌電車效益評估工作集中于項目前期，多為公交系統(tǒng)選型評估[1-2]、選線方案評估[2]、基于預(yù)測數(shù)據(jù)的局部交通效率影響評估[3]及安全性評估[4]等，且涉及維度較為單一[5]，缺乏基于實際數(shù)據(jù)對有軌電車全部影響范圍進(jìn)行多因素綜合評估的系統(tǒng)理論。而通過仿真可以較低代價得到有軌電車各運營階段數(shù)據(jù)支持評價。但建模過程中如采用參數(shù)存在偏差，可能導(dǎo)致模型與真實不符，因此需階段性開展實地調(diào)研，獲取局部數(shù)據(jù)以標(biāo)定和校準(zhǔn)仿真模型，提高結(jié)果可信度。

1 效益評估方法

1.1 初始建模

初步劃定有軌電車各站點影響范圍，在內(nèi)部精細(xì)劃分交通小區(qū)，確保各小區(qū)有唯一對應(yīng)站點；在遵守小區(qū)劃分基本規(guī)則的前提下，逐步增加劃分面積，以降低分析復(fù)雜性；有軌電車線路建模應(yīng)體現(xiàn)其與市政道路的關(guān)系及站點區(qū)位；初步調(diào)整共線市政道路通行能力，體現(xiàn)不同橫斷面設(shè)計中有軌電車的影響，并進(jìn)行交通分配。

1.2 模型校準(zhǔn)與對比模型搭建

將初始分配結(jié)果與實地調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，以校準(zhǔn)模型，具體做法如下：

1)將現(xiàn)狀年實際調(diào)研的部分流量數(shù)據(jù)與有軌電車在該處斷面流量疊加得到斷面交通總流量，經(jīng)流量反推校正初始OD(起訖點)矩陣并查找偏差因素。多輪迭代后控制分配流量誤差，如果該誤差小于一定門限值，則認(rèn)為結(jié)果穩(wěn)定。

2)調(diào)研有軌電車部分?jǐn)嗝婵土髁浚源藢φ諜z查規(guī)劃中對有軌電車分擔(dān)率的估計偏差，并在各站點間分別調(diào)整。

3)收集局部節(jié)點延誤、有軌電車部分站間行程時間等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)用于階段計算結(jié)果對比，以校準(zhǔn)模型。

經(jīng)校準(zhǔn)的模型為現(xiàn)狀模型。以該模型OD矩陣為準(zhǔn)，根據(jù)有軌電車實施前的交通工程、信號控制和公交分擔(dān)情況更新阻抗矩陣和出行結(jié)構(gòu)參數(shù)，重新分配得到不實施有軌電車條件下的模型，并將其作為對比模型。

對比上述兩個模型的交通分配結(jié)果，標(biāo)記有軌電車實施前后流量有顯著差別的路段，重新圈定有軌電車影響范圍。

1.3 模型效用

在現(xiàn)狀模型基礎(chǔ)上，考慮各區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口增長趨勢和出行結(jié)構(gòu)變化等因素，調(diào)整參數(shù)后再次仿真。由仿真結(jié)果可知近景年有軌電車載運量變化、周邊影響及實施效益。

如遠(yuǎn)景年不可測因素增加，且距模型校準(zhǔn)基年時間長，則模型的可靠性無法保證，僅可用作趨勢分析。以后如需進(jìn)行評估，需階段性收集實際數(shù)據(jù)，持續(xù)更新模型方可推進(jìn)。

2 有軌電車綜合效益評估體系

2.1 時間節(jié)約效益

進(jìn)出站及在站滯留時間增加了有軌電車行程延誤，但因站間距較大而影響有限；有軌電車分擔(dān)了一定交通壓力，因此社會交通量下降，路段行程速度將得以提升；配合優(yōu)先管控策略實施，有軌電車常可減少所在通道的社會車輛延誤，但對相交道路的通行效率有消極作用。上述效用綜合體現(xiàn)為有軌電車的時間節(jié)約效益。

TB和TA分別為有軌電車開通前后高峰小時社會車輛沿有軌電車路線出行的總行程時間(分上下行)，有：

(1)

式中：

k——取值A(chǔ)或B，分別表示有軌電車實施后和實施前；

m——有軌電車設(shè)站數(shù)量；

li，vi，ni，Vi——分別為第i個站間路段的行程距離、路段小汽車高峰小時的平均速度、交叉口數(shù)量和高峰小時社會車輛的交通量；

dij——第i個站間第j個交叉口的高峰小時車均延誤時間；

σ——考慮社會交通車型組成計算的高峰小時平均合乘系數(shù)。

有軌電車高峰小時的總行程時間Tt(分上下行)為：

(2)

式中：

vt,i——高峰小時第i個站間路段有軌電車的平均速度；

Vt,i——有軌電車高峰小時斷面客流量；

pi——考慮第i個站間路段兩端站點的減速與在站滯留的平均時間。

有軌電車也將對非有軌電車沿線路段造成影響，高峰小時這部分總行程時間差值ΔTO為：

(3)

式中：

q——模型中受有軌電車影響的路段數(shù)量；

tB,p，tA,p——高峰小時第p個路段在有軌電車開通前、后的行程時間；

VB,p,VA,p——高峰小時第p個路段在有軌電機開通前、后的客流量。

綜上，單條有軌電車線路實施前后其高峰小時(分上下行)節(jié)約總時間Et[6]：

Et=(TB-TA-Tt+ΔTO)λ

(4)

式中：

λ——項目所在城市的個人單位時間價值，λ=pGDP/(250 d×8 h)。其中：pGDP為某城市年人均國民生產(chǎn)總值(單位：元/人)；一年工作日為250 d，每個工作日工作時間為8 h。

2.2 能源節(jié)約效益

有軌電車能源利用率高，且其能有效分擔(dān)交通壓力，也可減少區(qū)域內(nèi)小汽車出行能耗。其開通前后的各種交通方式的能源消耗總量差值可體現(xiàn)其能源節(jié)約效益。

汽車燃油消耗受道路交通狀況影響存在一個經(jīng)濟(jì)油耗飽和度，飽和度小于該值時車輛自由行駛但有頻繁的加減速過程，油耗相對高；飽和度大于該值時車流延誤大幅增加，油耗上升[7]。汽車燃油消耗F計算公式為：

F=a(Q/C)2+b(Q/C)+c

(5)

式中：

Q——各站間路段汽車流量；

C——路段車道汽車實際通行能力；

a，b，c——擬合參數(shù)，按表2[8]取值。

表2 汽車油耗模型回歸參數(shù)值

有軌電車車輛運行能耗占總能耗的50%～70%。實際計算中，確定有軌電車每公里平均用電量時需考慮其選型及維護(hù)情況。

綜上，單條有軌電車線路開通前后高峰小時運行(分上下行)的能源節(jié)約效益Ef為：

Ef=(FB-FA)ηf-Ftηe

(6)

式中：

FB,FA——分別為高峰小時有軌電車開通前、后影響范圍內(nèi)社會交通油耗；

Ft——有軌電車的耗電量；

ηf，ηe——分別為城市燃油價格和電力價格。

2.3 環(huán)境保護(hù)效益

有軌電車對環(huán)境保護(hù)有正面作用，滿足同樣出行需求時，其有害尾氣和固體污染物排放量減少。我國常用排放因子方法[8]計算尾氣排放量，不同車型各種污染物排放量與行程速度間存在二次擬合關(guān)系：

(7)

式中：

Pmn——m類車每公里行駛里程產(chǎn)生的第n類污染物總量；

Amn，Bmn，Cmn——回歸參數(shù)，按表3[9]取值。

表3 汽車產(chǎn)生污染物模型回歸參數(shù)取值表

vm——m類車輛行程速度。

綜上，可針對不同站點間和影響范圍內(nèi)其他路段的交通流量、交通組成及行程速度求解有軌電車的環(huán)保效益。

2.4 運能提升效益

為減少有軌電車對社會交通的影響，通常采取如下措施：

1)不占用社會車道，拓寬或壓縮分隔帶拓寬道路，在路中或路側(cè)布置有軌電車軌道。此時有軌電車對所在道路運能近似于“凈提升”，同時由于引入優(yōu)先措施，其沿線道路延誤將進(jìn)一步減小，但與其相交路段通行能力將下降，可能導(dǎo)致局部擁堵。

2)對無條件實施措施1的路段，社會車輛采用單向行駛方案，有軌電車的實施將直接影響路段通行能力。此時有軌電車的運能提升效益需結(jié)合線路方案，并綜合同向、相交社會道路飽和度變化綜合評估。

2.5 周邊土地增值效益

多項研究通過特征價格模型計算大容量公交站點影響范圍內(nèi)住宅價格變化，發(fā)現(xiàn)其漲幅受站點客流量、是否換乘站和站點區(qū)位等多因素影響[10]，且該影響有時間效應(yīng)[11]。

我國香港，美國圣地亞哥、舊金山等城市的數(shù)據(jù)顯示，大容量公交站點輻射范圍內(nèi)的商業(yè)和辦公用地價值均呈上升趨勢，部分商業(yè)地產(chǎn)價格上浮達(dá)338%。現(xiàn)有文獻(xiàn)針對有軌電車站點周邊地產(chǎn)價值的研究較少，參考文獻(xiàn)[10-11]數(shù)據(jù)可初步判定站點輻射范圍內(nèi)用地將升值，上升空間隨城市發(fā)展特征和站點區(qū)位不同存在差別。因此，評估時可考慮此因素，分階段考察站點周邊土地價值變動規(guī)律，為后續(xù)其他線路規(guī)劃建設(shè)提供參考。

3 淮安現(xiàn)代有軌電車1號線效益評估

3.1 項目概況

淮安現(xiàn)代有軌電車號線(以下簡稱“1號線”)于2015年通車運營。在2018年底運營初期結(jié)束之際，以仿真為主要手段開展綜合效益后評估。實地調(diào)研了1號線沿線6個交叉口流量，并在早晚高峰跟車調(diào)研1號線各站間斷面流量及上下客情況，用于校準(zhǔn)仿真模型。

3.2 建模過程

按淮安城市組團(tuán)和居住片區(qū)劃分，考慮遠(yuǎn)期軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、行政區(qū)劃邊界和用地同質(zhì)性因素，將淮安中心城區(qū)劃分為91個內(nèi)部小區(qū)和5個外部小區(qū)。初步建模后根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)，完成現(xiàn)狀模型和對比模型。由兩者對比可知，1號線明顯影響的市政道路分布于45個小區(qū)。以這些小區(qū)作為影響范圍開展評價。

3.3 基礎(chǔ)仿真結(jié)果

將該線北向南(下行)方向途經(jīng)的23個車站依次編號為1～23，計算站間距和累積站間距。基于仿真結(jié)果的有軌電車實施前后的道路通行情況見表4。高峰時段1號線站間平均速度見表5。

表4 基于仿真結(jié)果的有軌電車實施前后的道路通行情況

表5 高峰時段1號線站間平均速度

從模型中分離出1號線影響范圍內(nèi)所有非有軌電車沿線路段統(tǒng)一編號計算這些路段的通行情況，結(jié)果見表6。根據(jù)表4～6的結(jié)果，計算1號線運行參數(shù)及其開通前后對沿線市政道路和其他路段的影響，結(jié)果如表7所示。

表6 1號線影響范圍內(nèi)非有軌電車沿線路段通行情況

表7 1號線實施前后對市政道路影響情況

3.4 效益評估

3.4.1 時間節(jié)約效益

基于表4計算，由式(3)可得1號線實施后站間總節(jié)約行程時間。1號線有效提升了社會交通效率，大部分站點間行程時間減少。沿線市政道路高峰小時上下行分別節(jié)約總行程時間為6 471 min和278 min；影響范圍內(nèi)其他路段交通效率變化不一致，與有軌電車線路相交路段通行效率明顯下降，負(fù)面效應(yīng)較大，但綜合仍為正向作用；非有軌電車沿線市政道路總節(jié)約行程時間為1 384 min。淮安市2018年GDP為3 601億元，常住人口為492.5萬人，以此作為參數(shù)，由式(4)可得高峰小時可節(jié)約時間成本為49 884元。以每年500個高峰小時計，1號線每年高峰小時節(jié)約時間總成本為2 477.7萬元。

3.4.2 能源效益

基于表4和表5，由式(5)可得：1號線開通后高峰小時上下行總油耗分別從3 679 L和1 779 L降至1 953 L和1 088 L；影響范圍內(nèi)其他路段社會車輛油耗總和從10 422 L降至8 670 L。但其中與有軌電車線路相交道路社會車輛的油耗呈上升趨勢。

1號線運行初期用電約為2.2 kWh/km，全程20.07 km，高峰小時發(fā)車間隔不超過15 min，高峰小時上下行用電量均可按270 kWh計算。參考江蘇省油價7.56元/L、電價0.854 1元/(kW/h)，由式(6)可得高峰小時1號線沿線上下行能耗分別節(jié)約14 366元和6 535元，其他路段高峰小時節(jié)約總能耗合計為30 329元。以每年500個高峰小時計算，高峰小時1號線每年節(jié)約能源成本為1 516萬元；沿線出行高峰小時上下行方向油耗成本降幅為0.16元/(人·h)和0.06元/(人·h)。

3.4.3 環(huán)保效益

基于表4和表5，由式(7)可得：1號線分別減少高峰小時沿途社會車輛CO、氮氧化物和固體顆粒物排放量為5.32 t/h、0.005 t/h和139 t/h；高峰小時上下行沿線污染物排放量分別從7.31 t和4.25 t降至3.86 t和2.33 t，其他路段高峰小時污染物排放量從11.01 t降至9.97 t。以每年500個高峰小時計，1號線通車后高峰小時每年減少污染物排放量3 205 t。

3.4.4 運能提升效益

根據(jù)1號線選線及沿途社會交通組織情況，1號線周邊雙向通行路段無須調(diào)整為單行。除和平路、交通路需由雙四車道調(diào)整為雙二車道導(dǎo)致其通行能力下降之外，其他市政道路運能均得到提升。1號線列車為5模塊編制，列車定員為300人，單車最大運能為7 200人/h，考慮各站間路段斷面設(shè)計及合乘系數(shù)，折算有軌電車對市政道路的運能提升比例如表8所示。

表8 1號線沿線道路運能提升情況

與有軌電車線路主要相交道路在實施有軌電車后服務(wù)水平變化情況如表9。

表9 與有軌電車線路主要相交道路高峰小時飽和度變化情況

1號線通車后，交通路、和平路運能下降，沿線其他路段的運能則有大幅提升。與之相交路段的飽和度上升明顯。由此可見，盡管在有軌電車影響范圍內(nèi)各項效益均有所提升，但受有軌電車優(yōu)先策略影響，與其相交路段通行效率下降明顯，部分服務(wù)水平甚至下降兩級，前文所述時間成本、能源和污染物排放等效益在這部分路段均顯示為負(fù)值，各項效益分布不均勻。

3.4.5 其他效益

1)提升周邊土地價值。1號線設(shè)站選擇考慮了未來城市商務(wù)和行政中心布局，這些地方將聚集大量客流。以深圳路站為例，POI(興趣點)數(shù)據(jù)顯示，目前其1 km影響半徑內(nèi)有12個住宅小區(qū)、24個辦公集中區(qū)及500余個商鋪(圖1)，周邊土地升值空間較大。

2)緩解遠(yuǎn)期通道擁堵。根據(jù)規(guī)劃，至2030年，淮安將新開通3條軌道交通線路和3條有軌電車線路，共同構(gòu)成公共交通骨干網(wǎng)。按照《淮安市城市總體規(guī)劃(2008—2030年)》中對用地情況及出行結(jié)構(gòu)的預(yù)測，對不開通任何軌道交通或有軌電車線路、僅開通軌道交通線路以及同時開通所有線路這3種情況下的路網(wǎng)整體服務(wù)水平進(jìn)行了趨勢預(yù)測：第1種情況下，淮安部分主要通道飽和度達(dá)到0.6以上，核心區(qū)域東部出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶拢坏?種情況下，有軌道交通線路經(jīng)過的路段及其周邊與其相交道路的流量出現(xiàn)下降，但情況1下的擁堵點仍然存在；情況3考慮了有軌電車線路的作用，因其靠近擁堵點有設(shè)站，有效緩解了片區(qū)擁堵問題，該區(qū)域道路飽和度普遍下降0.1～0.2。

此外，仿真結(jié)果顯示，規(guī)劃階段對1號線客流量等各項指標(biāo)的預(yù)測值均偏大。此現(xiàn)象在其他有軌電車項目的城市中也較常見，多為對沿線交通吸引量或公交分擔(dān)率估計過高所致。在其他線路建設(shè)前期，需參考已建成線路的后評估資料，重新調(diào)整各項規(guī)劃參數(shù)校正估值，以期獲得更準(zhǔn)確的估計結(jié)果。

4 結(jié)語

1)有軌電車運營效果評估應(yīng)綜合線路本身和社會車輛運行情況，從多維度展開。以仿真配合實際數(shù)據(jù)校準(zhǔn)并配合已有計算方法，對有軌電車項目的時間、能源節(jié)約，環(huán)保和運能提升等方面效益進(jìn)行綜合評估是可行的。

2)后評估應(yīng)隨線路開通時間推移，階段性開展實地調(diào)研，持續(xù)修正模型，以保障模型效用。

3)大容量公交系統(tǒng)規(guī)劃階段常因資料不完備、不可預(yù)測因素多導(dǎo)致參數(shù)誤差較大，應(yīng)積極對已建有軌電車線路展開后評估，反饋校正規(guī)劃參數(shù)，為后續(xù)線路建設(shè)提供參考。