城市轨道交通线路评价研究

2015-11-12胡松

城市轨道交通 2015年1期

城市轨道交通线路评价研究

本文在现有线路评价研究基础上，建立城市轨道交通线路评价体系，应用数据包络分析模型，结合案例，对线路综合效能进行分析评价。根据DEA方法指标特性，通过计算分析，探寻各线路效能提升的限制因素和改进方向，用于辅助决策管理。

城市轨道交通；线路评价；DEA方法

近10年来，我国城市轨道交通建设步入了快速发展阶段，城市轨道交通运营规模不断增大。截止到2014年底，我国城市轨道交通运营总里程达到3173公里，较2013年末增加427公里。城市轨道交通线网由线路构成，线路作为城市轨道交通路网的基础组成，不仅关系到工程项目的经济效益和社会效益，还影响路网和城市交通结构的合理性。因此，对城市轨道交通线路研究不仅有利于优化线路方案，发挥运输功能，还能提升城市路网的合理性，促进城市经济发展。

判别线路优劣的重要途径就是综合评价，全面、合理、客观地对线路进行分析评价，反映线路效能。目前已经有不少研究可以借鉴，有从项目后评价角度对线路评价内容进行研究［1］，有在综合考虑投入和收益的基础上，城市轨道交通线路最优长度的研究［2，3］，有城市轨道交通建设线路的比选研究［4，5］。本文将在以上研究的基础上建立并归纳城市轨道交通线路评价体系，进行综合评价。

城市轨道交通线路评价指标体系

评价指标体系

表1　城市轨道交通线路评价指标

评价指标体系是进行综合评价的基础，所建立的指标体系必须能反映方案的综合特性，同时要具有可操作性。城市轨道交通线路评价的目标是提高轨道交通出行的可达性和服务水平，节约社会成本，对线路的合理化运营提出改进措施。为了避免规模造成的差异性，提高指标对比性，反应线路效能，在指标选取过程中，优先选用单位指标。

目前对城市轨道交通综合评价的研究上，线路评价主要内容为轨道系统的规模和结构、对城市的改善作用、建设和投资、运营效果［4，5］几个方面，本文对线路的评价主要在于线路建成后的效能上。城市轨道交通运营效果可以分为客运、服务、运行、能耗、财务几个方面，同时，城市轨道交通的外部效益也是城市轨道交通建设决策的重要内容，不可忽略。因此，将本次评价指标体系确认为基础指标、客运指标、运行指标、服务指标、能耗指标、财务指标以及外部效益七个方面，从而确定指标。在具体指标的选取上，结合我国城市轨道交通特点，初步筛选确定的城市轨道交通线路评价指标体系如下表1所示。

评价方法选择

数据包络分析方法（Data Envelopment Analysis，DEA）是评价具有多输入多输出的决策单元之间相对效率的数学规划方法，不需要事先给定评价指标的权重，避免传统评价方法人为确定权重的主观性，不必确定输入与输出的关系表达式，具有很强的客观性。众所周知，对于每个城市轨道交通线路，是典型的具有多种投入多种输出的生产系统。因此，在城市轨道交通高速发展的情况下，从综合效能的角度对城市轨道交通进行研究，能明确如何合理发展城市轨道交通和充分利用城市轨道交通资源。这样的评价研究对城市轨道交通规划、建设和运营具有一定的理论和现实意义。

城市轨道交通线路的DEA模型

DEA方法的基本原理

DEA方法的基本思路是：每一个评价对象即为一个DMU，众多DMU构成了被评价群体；通过对投入产出的综合分析，以DMU的各个投入产出指标的权重为变量，利用线性规划技术进行评价运算；将DMU与构造的DMU组合进行对比，若存在投入产出比更优的组合，则该DMU相对无效。并还能据此判断该DMU非有效的原因与程度。

DEA评价方法的主要步骤包括评价目标确定、决策单元选择、输入输出指标体系建立、模型建立与求解、综合评价分析等，具体流程如图1。

DEA评价模型

运用DEA方法对方案进行分析和评价时，可将每个备选方案看作一个决策单元（DMU）。假设有n个研究对象，即选取了n个DMU，每个DMU都有i个输入和k个输出，每个DMU的输入和输出可以用向量表示：

寻找各DMU的一种线性组合，在至少保证DMUj0产出量的前提下，求其最小输入量，并检查已输入量是否比原输入量更小，建立相应模型：

实际应用中，通常采用具有非阿基米德无穷小及松弛变量的模型进行计算，其具体模型如下：

对具有非阿基米德无穷小量的CCR对偶输入模型，可以根据以下规则判断DEA有效性：

城市轨道交通线路DEA分析与评价

在DEA评价中，不需要将指标数据标准化，直接采用城市轨道交通的统计数据，避免数据标准化过程中的信息流失，解决了当前轨道交通评价定量化不足的问题；也不需要人为确定指标权重，避免了在评价过程中主观因素对评价结果的影响。并且，DEA评价指标中输入输出指标是广义的，并不严格定义为投入产出，只要符合投入产出优劣判别标准即可。DEA方法能够评价决策单元的综合技术效率，并判断非有效的原因和程度，城市轨道交通的综合评价作为多指标评价体系，显然十分适用于DEA方法，并可以得到客观、合理的评价结果。

运用DEA方法进行城市轨道交通线路评价时，可将每一个线路作为一个决策单元（DMU），在确定输入输出指标的基础上，通过定量指标综合评价轨道交通效能，通过对模型评价结果的分析，对非有效的线路非有效原因，针对性的提出改进意见。

输入输出指标

在输入输出指标选取时，我们考虑所选取的指标尽量能够涵盖线路客运、运行、服务、能耗、财务以及外部效益等多个方面。同时，为适应DEA评价时投入产出比小则优的特点，将城市轨道交通评价指标依据优劣判别条件分别归为输入输出指标，小而优的为输入指标，大而优的为输出指标。

表1中指标间具有一定的关联性，并且指标数量较多，根据指标区分度、指标数据可获得性对表1指标进行筛选。结合指标数据的可获得性，在能够较为全面的反映城市轨道交通线路效能的前提下，简化指标体系，提高评价体系的可操作性，如下表2所示。

针对确定的输入输出指标，明确指标的内容。

（一）输入指标

1.可靠度

可靠度=5min以上延误次数/运营列公里。即统计期内，5min以上延误次数与全部列车总行车里程之比。可靠度指标从事故发生频率的角度来衡量地铁的可靠性表现，而不考虑事故造成延误的长短（只要延误超过5分钟就计算在内）。

2.单位运营成本

单位运营成本=运营成本/线路客运量，即平均到每个乘客人次上花费的运营成本。这个指标能够很大程度上体现地铁的投入产出效益，也能体现线路在成本控制方面的成效。结合票款收入数据，能够体现地铁客运服务的利润情况。

3.单位能耗

单位能耗=总能耗/线路客流量，地铁运送单位乘客所产生的能耗，即总能量消耗和总客流的比值。本指标从客流量产出的角度考察能耗效率。基于客流的情况及乘客的需求来反映线路的能耗水平。

（二）输出指标

1.负荷强度

负荷强度=线路日均客运量/线路运营程度。统计期内，单位运营长度上平均的载客量。负荷强度一方面体现了线路资源利用的有效性，即单位线路资源所承载的乘客数，其值越大说明线路资源的利用效率越高；另一方面体现了轨道交通的发展策略及服务水平，如高负荷、低密度及低负荷、高密度的发展策略服务水平也各不相同。对于我国城市而言，轨道交通是城市公共交通的骨干，更加强调资源利用的有效性。

2.满载率

满载率=客运量/标准化运能。即统计期内，路网各线路列车的平均满载情况。满载率是列车的平均载客率，反映的是实际运能与地铁运营商可提供的潜在最大运能之间的比值，体现了运营企业提供运能的充足程度。同时，满载率也是反应列车制式选择合理性的指标，只有选择适当的线路制式，才能具有满意的列车满载率，而不是将运能空置。

3.日均节约乘客时间

指乘客选乘城市轨道交通而不乘地面公交车辆所节省的出行时间。

其中，F地铁表示线路年均载客量；

L平均表示线路平均运距；

V地铁，V公交表示地铁和公交的平均速度。

城市轨道交通相较于地面交通的优势在于其更加方便、快捷、舒适，这也是城市轨道交通对周边客流的吸引力所在。本指标从城市轨道相较于地面交通节约的乘客时间来反应城市轨道交通运营效果。

表2　城市轨道交通线路输入输出指标

表3　决策单元投入产出原始数据表

案例分析

数据计算

以A市城市轨道交通6条线路为例，根据上文确定的输入输出指标，对收集到的数据进行处理，得到数据包络分析的原始数据。如下表3所示。

综合技术有效性分析

根据表3可以看出：线路2、线路5的解中，且松弛变量，，根据DEA评价原理可知，这几个决策单元是相对有效的。而线路1、线路3、线路4、线路6的解中，为非DEA有效。也就是说，线路2、线路5目前的综合效能较为优秀，而线路1、线路3、线路4、线路6则存在改进的余地。

无效原因分析

非DEA有效的四个线路∑λ均大于1，表示规模收益递减，说明无效线路并不能通过单纯的规模倍增而获得更好的效能，而是应当通过技术改进和管理水平的提高来提高综合效率。而各个线路的情况不一，需要改进的方面也有所不同，那么，就需要确定目前对该无效线路提升线路运营效能的限制和瓶颈，从而有针对性的突破。

以线路1为例，指标中最小值对应的可靠度和负荷强度是制约该轨道交通线路达到DEA有效的最大因素。则其短期内改进的重点可以放在运行可靠度提升上，通过加强养护、维修，加强线路、车辆状态的监控，加强管理车站人流等措施，降低车辆延误次数。远期改进的目标可以放在吸引客流，增加线路负荷强度上。

整体看，可靠度、单位运营成本、负荷强度是线路无效性影响最大的指标。表明非有效线路的管理水平和技术水平有待提升，对现有资源的利用率不足，需要挖掘潜力，提升线路效能。

改进方案分析

对所有非有效线路进行松弛变量计算，得到如表6所示的指标调整建议表，表中建议值为非有效方案的改进目标。

以线路1为研究对象，由于本文建立CCR模型是基于投入的CCR模型，因此，根据有效性的经济意义以及DEA方法的原理，构造一个新的DMU，使得其DEA有效。也就是说，对线路1的指标重新组合，使得其更加有效。根据计算结果，构造过程如下：

根据松弛变量的计算结果，即可确定改进的方向。因为客流特征类的不利指标调整难度较大，可以优先改进可靠度、单位运营成本、单位能耗等指标。通过加强检修和管理，提升线路可靠度，通过合理配置人员、提升物资管理水平等措施，提高线路效能。虽然上述调整方案在现实中采用具有一定的困难，不过可以将此作为改进的目标，通过管理和技术改进，实现可靠度的提升，降低运营成本和单位能耗，吸引更多客流。

表5　无效原因分析表

结论及建议

本文结合城市轨道交通线路评价特点，建立了城市轨道交通线路评价指标体系。指标选取以基础指标和单位指标为主，增强了指标的客观性和对比性，较好的反应了线路综合效能，避免了规模造成的差异。

运用数据包络方法对城市轨道交通线路进行综合评价和分析，不需要将各评价指标标准化，提高了评价分析结果的客观性和可靠性。且能够针对各线路的具体情况，在线路综合效率相对非有效情况下，分析限制因素和调整方向，给线路改进提供方向。分析表明，造成城市轨道交通线路相对无效的原因主要在于单位运营成本、单位能耗、负荷强度等。

尤其是城市轨道交通作为大型准公益性基础设施，以政府财政补贴维持运营，同时还能以城市轨道交通建设拉动内需，促进城市经济发展，在当前以线路运营长度为重要评价指标，城市轨道交通建设规模不断增大的情况下，都是影响线路效能的因素。因此，在源头上，应当改变目前以线路运营里程为主的评价观念，多考虑线路运营效能，才能促使线路运营效率的整体提升。

根据非有效线路的原因分析，提升城市轨道交通运营管理水平和技术水平，加强服务意识是提高城市轨道交通线路效能的措施，改进方案分析可以作为效率提高的一个参考。针对分析结果，提出以下几点建议：

1.改进方案可以作为非有效线路改进的参考，在实际中，可以设立近远期目标，逐步调整，循序渐进。在调整的措施上仍需系统、深入研究，本文只针对线路效能的提升，提出改进方向。

2.结合对6个指标多阶段的DEA分析，可以发现，可靠度、单位运营成本及负荷强度的总体效率较低。因此，在今后很长一段时间内，控制列车故障率和运营成本，提升城市轨道交通线路对周边客流的吸引能力是提高系统效率的关键。

3.在控制列车故障率和运营成本方面，非有效的线路可以向相对先进的线路学习，寻找差距，有针对性的改善、调整。但列车故障率和运营成本均包含较多影响因素和子项，从整体上较难把握。例如，运营成本可以大致分为能耗支出成本、物耗支出成本、人员支出成本及其他支出成本，且各项成本又均可细分。因此，在学习改进中，可采用基准分析的方式，对各个子项的绩效表现进行对比，发现限制因素，从而提升线路效能。

4.城市轨道交通线路的走向、车站设置、规模都是短期内无法改变的，因此，在提升客流吸引力方面，应当着重于提高服务质量和加强与地面交通方式的衔接。可以在站点周边适当修建停车场，采用“停车+换乘（P+R）”模式，吸引私家车乘客；增设公共自行车自助租赁点，扩大城市轨道交通对周边客流的吸引范围。