引言

按照《城市公共交通分類標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T114一2007),城市公共交通可以按照大類、中類、小類三個(gè)層次進(jìn)行劃分。按照大類可以分為以下四種:城市道路公共交通(GJ1)、城市軌道交通(GJ2)、城市水上公共交通(GJ3)和城市其他公共交通[1]。城市軌道交通很早就作為公共交通在城市中出現(xiàn)并進(jìn)行使用,占據(jù)著越來越重要的地位,如今已經(jīng)成為城市公共交通的主干線。城市軌道交通具有污染小、能耗小、運(yùn)量大、速度快、效率高、集約化等優(yōu)點(diǎn)。所有的軌道交通或者說公共交通的分類都是依據(jù)車輛自身和行駛線路的條件以及客運(yùn)能力進(jìn)行的,故城市軌道交通(GJ2)分為地鐵系統(tǒng)、單軌系統(tǒng)等七大中類,每個(gè)中類下又分許多小類,其中地鐵、單軌、輕軌比較常見。全壽命周期成本理論擁有系統(tǒng)的先進(jìn)管理理論和控制方法,在保證系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí),又使得全壽命周期成本最低,在城市軌道交通工程項(xiàng)目的開展過程中,必須從全壽命周期成本最低的視角出發(fā),以這種設(shè)計(jì)理念作為指導(dǎo)思想。

本文以接觸網(wǎng)間歇式供電電容儲(chǔ)能車輛即有軌電車為模型,通過提出超級(jí)電容容量的優(yōu)化算法,分析各個(gè)階段的全壽命成本對(duì)于城市軌道交通的影響。城市軌道交通取得巨大發(fā)展能有效緩解城市交通擁堵的現(xiàn)狀,同時(shí)也有利于解決能源緊張、環(huán)境污染等問題:此外,城市軌道交通建設(shè)有助于優(yōu)化城市布局,成為城市良性發(fā)展的助推器。因此,對(duì)城市軌道交通的成本問題進(jìn)行相關(guān)研究有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期階段劃分和成本構(gòu)成

本文圍繞全壽命周期成本理論,根據(jù)超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛壽命周期的不同階段,將超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期成本劃分為四個(gè)組成部分:購置成本、運(yùn)行成本、維修養(yǎng)護(hù)成本和回收處置成本。超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期成本如圖1所示。

由此可以順利推導(dǎo)出超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期成本的數(shù)學(xué)模型為:

式中,Ctota1為車輛全壽命周期成本:Ck為車輛購置成本:Co為車輛運(yùn)行成本:Cm為車輛維修成本與養(yǎng)護(hù)成本的和:Cd為車輛回收處置成本。

1.1采購階段成本

超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的采購階段成本是指在城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目采購過程中的投標(biāo)報(bào)價(jià)價(jià)格。在大多數(shù)情況下,超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的購置成本Ck就是購買車輛時(shí)的價(jià)格P,則Ck滿足公式:

1.2運(yùn)行階段成本

超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的運(yùn)行階段成本是指超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛在運(yùn)行過程中消耗的電能成本,其中車輛的能耗主要分為牽引能耗和輔助變流器能耗,輔助變流器能耗包括空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)能耗、照明系統(tǒng)能耗等,有公式如下:

式中,Q為超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛牽引運(yùn)行過程中的耗電量(kwh):U為供電電壓,一般超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛為750V或1500V:Ip為時(shí)間間隔內(nèi)的平均有功電流:Ipo為自用有功電流,有軌電車一般取6~10A:1為相應(yīng)工況時(shí)間(h)。

通過調(diào)查,大多數(shù)的城市軌道交通車輛的牽引能耗占運(yùn)營能耗的90%,所以城市軌道交通車輛的運(yùn)營能耗成本為:

式中,Pe為電價(jià)。

1.3維修養(yǎng)護(hù)階段成本

超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的維修養(yǎng)護(hù)階段成本可分為兩部分,一部分是車輛已經(jīng)發(fā)生故障時(shí)的維修成本Ccm,另一部分則是預(yù)防車輛發(fā)生故障的維修成本Cpm,即:

對(duì)于超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛,其各部件發(fā)生故障的概率服從威布爾(weibu11)分布函數(shù),相關(guān)參數(shù)如表1所示。

由表1可知,對(duì)于超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的第i(1≤i≤Ⅳ)個(gè)部件,發(fā)生故障的平均間隔時(shí)間為

發(fā)生故障的次數(shù)期望值為

所以第i(1≤i≤Ⅳ)個(gè)部件發(fā)生故障的維修成本為C+m=E(Ⅳ(1))×C+i,C+i為第i(1≤i≤Ⅳ)個(gè)部件發(fā)生故障的平均維修成本。所以,車輛發(fā)生故障時(shí)的維修成本為:

式中,1為城市軌道交通車輛全壽命周期內(nèi)運(yùn)營的總里程(km)。

為了簡化計(jì)算,定期對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛進(jìn)行檢修,則:

式中,7i為預(yù)防城市軌道交通車輛發(fā)生故障的維修時(shí)間間隔:C6i為第i(1≤i≤m)個(gè)預(yù)防城市軌道交通車輛發(fā)生故障的平均維修成本。

綜上,超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的維修成本為:

1.4拆除回收階段成本

超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的殘值是指超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛部分設(shè)備未到壽命周期末,還有待繼續(xù)使用的價(jià)值,表現(xiàn)為超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的殘余價(jià)值。實(shí)際情況中,殘余價(jià)值經(jīng)統(tǒng)計(jì)約占購置成本的85。因此,可將超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的回收處置成本分為拆卸成本C%6減去車輛殘值,即:

1.5超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期成本模型

綜合以上,超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的全壽命周期成本Ctota1由式(1)可以得出:

從式(10)可以看出,可從超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的采購階段、運(yùn)行階段、維修階段以及回收階段去考慮降低超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛的全壽命周期成本,具體可以考慮以下幾個(gè)方面:

(1)對(duì)于有軌電車,可考慮以降低超級(jí)電容容量的方式去降低購置成本。

(2)可以從城市軌道交通的車輛運(yùn)營組織、列車牽引方式、新的制動(dòng)方式的采用等方面去考慮降低列車牽引能耗。

(3)通過改變空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的線路敷設(shè)方式、運(yùn)行模式去降低空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)能耗,采用新的照明系統(tǒng)和新技術(shù)、新設(shè)備降低照明能耗。

(4)做好預(yù)防故障的維護(hù)工作,盡量降低故障率。

2超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期成本模型的應(yīng)用

上文中已經(jīng)建立了超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期成本模型,下面針對(duì)某些特定的有軌電車某型號(hào)車輛,對(duì)有軌電車全壽命周期內(nèi)各階段費(fèi)用數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,其中包括有軌電車基本參數(shù)、研發(fā)及生產(chǎn)費(fèi)用、使用費(fèi)用、維修周期及費(fèi)用、故障費(fèi)用等。估算時(shí),考慮到不同有軌電車的差異對(duì)收集和計(jì)算的數(shù)值做適當(dāng)修正,最后進(jìn)行全壽命周期成本分析。

2.1有軌電車某型號(hào)車輛概述

對(duì)于有軌電車基本參數(shù)的數(shù)據(jù)收集,主要針對(duì)以下三個(gè)方面的信息:有軌電車載客負(fù)荷、有軌電車運(yùn)營參數(shù)、有軌電車車輛設(shè)備。

2.1.1有軌電車載客負(fù)荷

對(duì)于該型號(hào)有軌電車載客量,一般可以分為四種情況:無乘客、滿座載客數(shù)、額定載客數(shù)、超載載客數(shù)。每種情況下的負(fù)載以及電車總重量如表2所示。

2.1.2有軌電車運(yùn)營參數(shù)

該型號(hào)有軌電車運(yùn)營參數(shù)的相關(guān)指標(biāo)如表3所示。

2.1.3有軌電車車輛設(shè)備

由于設(shè)備對(duì)車輛全壽命周期成本也有影響,對(duì)于該型號(hào)有軌電車車輛的主要設(shè)備,收集了超級(jí)電容、牽引電機(jī)、空調(diào)、車輛照明這幾項(xiàng)設(shè)備的相關(guān)參數(shù),如表4所示。

2.2國內(nèi)某型號(hào)有軌電車的全壽命周期成本

(1)通過座談、現(xiàn)場觀察、與維修人員交流等形式了解到,從應(yīng)用角度,有軌電車的購置成本可以分為兩部分:研發(fā)費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用。綜合分析,國內(nèi)某型號(hào)有軌電車的采購費(fèi)約為2000萬元,即Ck=2000萬元。

(2)查看某地有軌電車運(yùn)行時(shí)刻表,并在不同載客量下對(duì)其能耗進(jìn)行測試,根據(jù)電能表記錄可推算出該型號(hào)有軌電車的運(yùn)行能耗為每運(yùn)營100km平均耗電268kwh。而該型號(hào)有軌電車全壽命周期(30年)的運(yùn)營總里程約為3×106km:該地常規(guī)電價(jià)約為0.53元/kwh,可得城市軌道交通某型號(hào)有軌電車運(yùn)營能耗成本為Co=0.53×268×3×104=426.12萬元。

(3)對(duì)于有軌電車的維護(hù)成本,主要考慮預(yù)防車輛發(fā)生故障的維修成本,其關(guān)系如表5所示。

對(duì)于有軌電車的維護(hù)費(fèi)用,可以參照運(yùn)營公司維修定額來進(jìn)行計(jì)算。再參照表5,針對(duì)不同的修程,計(jì)算得到該型號(hào)有軌電車的維修價(jià)格分別為:日檢約10元,雙周檢約266.67元,三月檢約2833.33元,定修約14166.67元,架修約3.9萬元,大修約55萬元[5]。故該型號(hào)有軌電車維修成本為:

(4)針對(duì)其殘值,國內(nèi)針對(duì)該型號(hào)有軌電車的計(jì)算方式和數(shù)據(jù)均沒有明確記載,因此暫且在計(jì)算的時(shí)候忽略不計(jì),即Cd=-P×5%=100萬元。

將上述計(jì)算結(jié)果整理并進(jìn)行計(jì)算,得到表6所示的全壽命周期成本分析表。根據(jù)計(jì)算得到該型號(hào)有軌電車的單位全壽命周期成本約為8.49元/km,其中,購置成本所占比重最大,為78.49%。因此在進(jìn)行車輛選型的時(shí)候,對(duì)其購置成本可以做出相應(yīng)優(yōu)化。

2.3儲(chǔ)能系統(tǒng)成本優(yōu)化策略

本文擬采用遺傳算法優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)成本:優(yōu)化目標(biāo)為:通過優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)使成本最低:選擇算子:賭輪法:交叉算子:單點(diǎn)交叉:變異概率:0.001~0.100:適應(yīng)度函數(shù)為:

式中,nsection為區(qū)間的個(gè)數(shù):Pi為區(qū)間i的車輛續(xù)航情況,如果車輛可以在滿足儲(chǔ)能冗余的情況下行駛過此區(qū)間,則Pi為1,否則為0:Cmin為無網(wǎng)區(qū)最低能耗區(qū)間的能耗需求,車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置必定大于等于此數(shù)值,Cmax為全線的行駛能耗,考慮到接觸網(wǎng)和充電站的存在,車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置必定小于等于此數(shù)值。

當(dāng)函數(shù)f(王)取得最大值時(shí),車輛能夠行駛過所有區(qū)間且儲(chǔ)能裝置的容量最小,即取得車載儲(chǔ)能裝置的最優(yōu)值。遺傳算法的具體流程如圖2所示。

通過采用遺傳算法對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行優(yōu)化,得到了新的超級(jí)電容電壓數(shù)據(jù),如表7所示。

通過優(yōu)化超級(jí)電容容量得到了該型號(hào)有軌電車新的全壽命周期成本分析表,原有超級(jí)電容容值為583F,能量為38kwh,優(yōu)化后超級(jí)電容容值為353F,能量為23kwh,結(jié)合超級(jí)電容的成組方式,能量為25.3kwh,減少了12.7kwh,考慮到超級(jí)電容成本為7萬元/kwh,減少車輛購置成本88.9萬元,優(yōu)化后購置成本為1911.1萬元,如表8所示。

由表8可知,該型號(hào)有軌電車的單位全壽命周期成本在優(yōu)化后降低為8.21元/km,與優(yōu)化前相比降低了3.30%。

3結(jié)語

本文對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期的階段進(jìn)行劃分,將超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期分為采購階段、運(yùn)行階段、維修階段和拆除回收階段:并分析了全壽命周期成本的構(gòu)成,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期成本模型。之后將超級(jí)電容儲(chǔ)能車輛全壽命周期成本模型應(yīng)用于某型有軌電車,提出了優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的算法,從而有效減少了購置成本。所以進(jìn)行城市軌道交通有軌電車車輛選型時(shí)可以選擇優(yōu)化購置成本的策略,按照全壽命周期成本最小的原則,選擇最佳投資方案。