彭宇拓

（鐵道部黨校 科研處，北京 100088）

高速鐵路速度目標(biāo)值的綜合評判

彭宇拓

（鐵道部黨校 科研處，北京 100088）

高速鐵路的速度目標(biāo)值是高速行車技術(shù)的核心指標(biāo)，是高速鐵路總體設(shè)計的決定性參數(shù)。根據(jù)高速鐵路速度目標(biāo)值的定義，綜合考慮能耗、時間、環(huán)保、競爭優(yōu)勢、安全和運營成本等主要因素，建立高速鐵路速度目標(biāo)值選取的評判指標(biāo)體系，采用模糊數(shù)學(xué)評判方法，確定評價指標(biāo)權(quán)重，對高速鐵路不同等級速度目標(biāo)值進(jìn)行計算評判，并根據(jù)分析結(jié)果，說明高速鐵路 300 km/h速度等級在理論上是最經(jīng)濟(jì)合理的。

高速鐵路；速度目標(biāo)值；綜合評價

世界鐵路正在進(jìn)入一個以高速鐵路為特征的新時代。高速鐵路以其快速、高效、環(huán)保、安全、舒適等優(yōu)越性逐漸獲得我國運輸市場的認(rèn)可。但由于“7·23”甬臺溫鐵路列車追尾脫軌事故的影響，為增加高速鐵路安全冗余，積累安全管理經(jīng)驗，鐵道部采取了調(diào)圖減速措施：原設(shè)計最高時速350 km的高速鐵路，列車按時速300 km開行；原設(shè)計最高時速250 km的高速鐵路，列車按時速200 km開行；原既有線提速為時速200 km的線路，列車按時速160 km開行。對此，本文采用模糊數(shù)學(xué)評判方法，把與速度相關(guān)各項因素進(jìn)行綜合考慮，研究確定高速鐵路的邊際收益速度目標(biāo)值。

1 高速鐵路速度目標(biāo)值的定義

高速鐵路速度目標(biāo)值是高速行車技術(shù)的核心指標(biāo)，是高速鐵路總體設(shè)計的決定性參數(shù)。高速鐵路屬于輪軌技術(shù)范疇，列車輪軌之間的粘著特性是有效發(fā)揮牽引、制動性能的防空轉(zhuǎn)和防滑控制技術(shù)的基礎(chǔ)，隨著列車速度的提高，輪軌可利用粘著系數(shù)隨之下降，這是一個難以克服的矛盾。因此，高速鐵路速度目標(biāo)值不是越高越好，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)等，存在高速鐵路的速度收益邊際。

1.1 高速鐵路速度目標(biāo)值的含義

高速鐵路速度目標(biāo)值有以下3個含義[1]。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計速度，即土建設(shè)計速度。基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計速度按遠(yuǎn)期移動設(shè)備能夠達(dá)到的速度考慮。高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施如橋梁、隧道等，一經(jīng)建成幾乎無法改變，若基礎(chǔ)設(shè)計速度目標(biāo)值定得過低，勢必影響高速鐵路未來發(fā)展。因此，對基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計速度應(yīng)留有一定余地。

（2）移動設(shè)備最高速度，即高速鐵路的動車組設(shè)計速度。結(jié)合國內(nèi)外動車組技術(shù)發(fā)展水平、我國鐵路動車組外購和自行研制等不同技術(shù)路線，以及促進(jìn)國內(nèi)動車組制造工業(yè)發(fā)展等因素綜合確定，該目標(biāo)值應(yīng)隨動車組的更新?lián)Q代而不斷提高。

（3）商業(yè)運營速度，即鐵路部門實際運營的速度目標(biāo)值。這是本文研究的高速鐵路速度目標(biāo)值，主要受土建設(shè)計速度和動車組設(shè)計速度制約，同時考慮旅客承受能力和與其他運輸方式的競爭，以及經(jīng)濟(jì)效益等因素，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展存在不同的收益邊際。以京滬高速鐵路為例，土建設(shè)計速度為380 km/h，CRH-380動車組的設(shè)計速度也達(dá)到380 km/h的速度等級，商業(yè)運營速度則采用300 km/h的速度等級。

1.2 世界高速鐵路速度目標(biāo)值的發(fā)展趨勢

1983年法國建成巴黎—里昂270 km/h的高速鐵路，20世紀(jì)80年代末、90年代初，第二代TGV列車達(dá)到了最高運營速度 300 km/h的新臺階，目前運營的TGV-LGV東歐線的列車速度為320 km/h。德國在 1988年創(chuàng)造了406.9 km/h的列車試驗紀(jì)錄，自20世紀(jì)80年代以來，新建高速鐵路均實現(xiàn)了250 km/h以上的列車運營速度，其中科隆—法蘭克福和因戈爾施塔特—紐倫堡兩段高速線路的運營速度為300 km/h。擁有高速鐵路技術(shù)的法國、德國、日本等國家，根據(jù)各自的特點，開發(fā)形成了不同類型的高速鐵路技術(shù)體系，并經(jīng)過十幾年甚至幾十年的運營檢驗，技術(shù)上已經(jīng)成熟，列車運營速度大都采用300 km/h。

借鑒發(fā)達(dá)國家高速鐵路發(fā)展情況，其他擬建高速鐵路的國家，如韓國、美國、澳大利亞和我國臺灣省等，其運營速度目標(biāo)值均選擇300 km/h，基礎(chǔ)設(shè)施速度目標(biāo)值均預(yù)留350 km/h。

2 評判指標(biāo)體系的建立

高速鐵路的基本運營目標(biāo)是實現(xiàn)綜合效益最大，包括經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和市場效益等。據(jù)此，構(gòu)建我國高速鐵路速度目標(biāo)值綜合評判指標(biāo)體系，主要從能耗、時間、環(huán)保、競爭優(yōu)勢、安全和運營成本等方面研究高速鐵路運營邊際速度值。

2.1 能耗

在世界能源危機(jī)的背景下，交通運輸業(yè)應(yīng)采用最優(yōu)化能源利用方式，合理消耗各種資源。據(jù)UIC（國際鐵盟）的統(tǒng)計，高速鐵路是各種交通方式中最節(jié)省能源的。但高速鐵路的運營速度對能耗影響較大，高速列車的空氣阻力隨速度平方而上升。以德國ICE實際運營統(tǒng)計為基礎(chǔ)，總結(jié)高速列車以最高速度運行時所需功率，其經(jīng)驗公式為[2]：

高速列車運行時基本阻力的經(jīng)驗計算公式為：

式中：Pk為列車所需總功率，kW；Vmax為列車最高運行速度，km/h；W為列車運行阻力，N；k為裕量系數(shù)，通常按最高速度增加10%。

2.2 時間

不同速度等級的高速鐵路對旅行時間有著質(zhì)的影響。高速鐵路的速度等級越高，旅行時間越短。2011年以來，我國鐵路實行了3次不同的列車運行圖，從而得到160、200、250、300、350 km/h不同速度等級的運營數(shù)據(jù)，如表1所示。

根據(jù)我國不同等級高速鐵路運營數(shù)據(jù)，同時參照日本新干線和德國ICE的旅行時間，不同速度目標(biāo)值的旅行時間變化情況如表2所示。

2.3 環(huán)保

高速鐵路沿線的環(huán)保問題也是一項不可忽略的因素，如噪聲和震動等。以噪聲為例，列車速度提高會使噪聲增大，速度每提高10 km/h，噪聲水平（主要是輪軌噪聲和空氣噪聲）將提高1 dB?！惰F道客車內(nèi)部噪聲限值及測量方法》（GB/T12816—2006）規(guī)定動車組在以構(gòu)造速度運行，所有輔助設(shè)備正常使用時，一等車廂噪聲值不大于65 dB（A），二等車廂噪聲值不大于68 dB（A），車外噪聲在20 m以外，也不能超過這一水平。所以，高速鐵路抑制噪聲問題也十分突出，所需費用約占新建高速線路工程費用的10%。

表1 我國不同高速鐵路旅行速度對比表km/h

表2 不同速度目標(biāo)值的旅行時間變化情況

綜合比選，不同速度等級下動車組車外噪聲等級能充分體現(xiàn)高速鐵路運營的環(huán)保難度。表3匯總了歐洲有代表性的高速鐵路噪聲值[3]。

2.4 競爭優(yōu)勢

表3 歐洲有代表性的高速鐵路噪聲值 dB

不同的運輸方式有其競爭優(yōu)勢范圍。高速鐵路的優(yōu)勢距離是指在該距離范圍內(nèi)一般旅客選擇高速鐵路出行最為方便快捷。在計算中，取旅客從駐地到車站或機(jī)場的時間分別為公路50 min、高速鐵路90 min、航空180 min，公路的平均速度為100 km/h，飛機(jī)的巡航速度為500 km/h，由表2中高速鐵路的平均旅行速度，按所耗時間相等的條件計算得到鐵路的優(yōu)勢距離，如表4所示。

2.5 安全

高速鐵路是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，隨著列車速度的提高，鐵路運輸安全形勢更加嚴(yán)峻，特別是隨著速度等級的提高，輪軌粘著系數(shù)降低，路基下沉量和車頂受電弓的離線率會變大，這些都對高速鐵路的安全運營產(chǎn)生影響。由于高速列車采用較大的牽引功率、加速能力，以及較輕的軸重，隨著列車速度的提高，輪軌可利用粘著系數(shù)的下降更加明顯。因此，高速鐵路的輪軌粘著系數(shù)ui能較充分地體現(xiàn)不同速度等級下的安全環(huán)境壓力。采用日本新干線高速列車ui與速度的經(jīng)驗公式為：

依據(jù)公式⑶計算的不同速度等級下高速列車的輪軌粘著系數(shù)如表4所示。

2.6 運營成本

速度目標(biāo)值的選擇直接影響列車運營方式和運營成本。運營成本可以分為有關(guān)成本和無關(guān)成本。有關(guān)成本是指與列車運營有關(guān)的支出，包括能源消耗及其支出、管理費、人員費用。由于牽引功、阻力功、耗電量與運營速度水平呈正相關(guān)關(guān)系，因此有關(guān)成本與商業(yè)運營速度呈正相關(guān)關(guān)系。而無關(guān)成本中，設(shè)備的折舊成本和養(yǎng)護(hù)維修費用也隨著列車速度的提升，會有較大幅度攀升。以路基為例，列車速度的提高會加快線路的破壞速度，從而加速和加劇了線路的不平順，這不但增加鋼軌、路基的維修工作量，還增加維護(hù)線路水平，尤其是線路不平順的維修工作量。據(jù)日本東海道新干線的維修情況，列車最大速度由210 km/h提高到260 km/h，需要的維修工作量或維修費大致增加1.5倍。

運營成本對高速鐵路運輸生產(chǎn)的影響，在現(xiàn)階段暫時無法按照一個統(tǒng)一固定的公式計算確定，因此對其指標(biāo)值的確定，本文采用主觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法是由專家根據(jù)高速鐵路的運營成本資料，結(jié)合個人專業(yè)知識，經(jīng)主觀判斷得到較為合理的指標(biāo)評價值。對不同速度等級的高速列車運營成本評判值如表4所示。

3 評判計算

3.1 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

采用層次分析法確定評價指標(biāo)的權(quán)重。在高速鐵路速度目標(biāo)值綜合評判指標(biāo)體系中，許多指標(biāo)之間沒有關(guān)聯(lián)性或關(guān)聯(lián)性很小，通過客觀分析各指標(biāo)權(quán)重或指標(biāo)之間的相對權(quán)重不現(xiàn)實。對此，運用主觀法確定指標(biāo)之間的相對權(quán)重則較為準(zhǔn)確，而且對每兩個指標(biāo)的相對權(quán)重分別進(jìn)行確定，可使權(quán)重的確定更加切實可行。構(gòu)造判斷矩陣如表5所示。

指標(biāo)判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI＝（λ－n） /（n－1）＝0.011 3，則CR＝CI/RI＝0.009＜0.1，符合一致性檢驗。得到高速鐵路速度目標(biāo)值綜合評判指標(biāo)的權(quán)重為：能耗＝0.093，時間＝0.223，環(huán)保＝0.056，競爭優(yōu)勢＝0.303，安全＝0.213，運營成本＝0.112。

3.2 不同等級高速鐵路速度目標(biāo)值的計算評判

可用于評判分析的各指標(biāo)值如表6所示。

對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。具體方法為：maxzj為第j項指標(biāo)的最大值，minzj為第j項指標(biāo)的最小值。則：

經(jīng)過無量綱化處理后，的數(shù)值范圍在[1，10]。對各指標(biāo)無量綱化處理的結(jié)果如表7所示。

采用模糊綜合評價方法，依據(jù)表7中的數(shù)值對不同速度等級的高速鐵路方案進(jìn)行評選，按照B＝A⊙R進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表8所示。

由表8可知，300 km/h速度等級的高速鐵路方案得分最高為5.55，表示為最優(yōu)解。

表5 指標(biāo)判斷矩陣

表6 高速鐵路不同速度等級的決策目標(biāo)取值

表7 各指標(biāo)無量綱化處理結(jié)果

表8 高速鐵路不同速度等級方案的計算結(jié)果

4 結(jié)論

綜上所述，高速鐵路速度目標(biāo)值的選擇是一個十分復(fù)雜的問題，根據(jù)本文對高速鐵路速度目標(biāo)值的計算評判，可以說明以下問題。

（1）高速鐵路300 km/h速度等級在理論上是最經(jīng)濟(jì)合理的。

（2）共線運營成本比較高，加上運能的耗費和對現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的改造費用，建議高速鐵路僅運行高速動車組為優(yōu)，普速列車上線并不經(jīng)濟(jì)合理。

（3）對于250 km/h等級的高速鐵路線路，在200 km/h和250 km/h的運營速度等級中，250 km/h的速度目標(biāo)值更優(yōu)。

（4）對于350 km/h等級的高速鐵路線路，在300 km/h和350 km/h的運營速度等級中，300 km/h速度目標(biāo)值更優(yōu)。

以上結(jié)論只是在一個較大尺度上的綜合評判，和我國目前高速鐵路執(zhí)行的運營最高速度等級有相同之處，也有相異的地方，僅供相關(guān)研究者參考之用。根據(jù)我國國情，高速鐵路最高速度目標(biāo)值以多大為宜，應(yīng)結(jié)合各條線路的實際條件通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

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[1] 趙 非. 京滬高速鐵路速度目標(biāo)值的選擇[J]. 中國鐵路，1997(2)：38-40.

[2] 鄧域才. 鐵路規(guī)劃與機(jī)助設(shè)計[M]. 北京：中國鐵道出版社，1996.

[3] 森藤良夫. 高速鐵路的車外噪音[J]. 鐵道建筑，1993(9)：17-18.

1003-1421(2012)02-0046-05

U292.4+3；U238

B

2011-10-25

林 欣