劉家美,何正友

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 武漢 430063；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 成都 610031)

高速鐵路四電集成是實(shí)現(xiàn)高速鐵路的速度及能力目標(biāo)值的關(guān)鍵，需要信號系統(tǒng)、電力牽引供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電力供電系統(tǒng)四電系統(tǒng)的協(xié)同動作，同時需要協(xié)調(diào)四電系統(tǒng)集成的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)資源的整合和共享、工程投資的控制和規(guī)劃，才能確保高速鐵路四電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

鄭西客運(yùn)專線是國家高速鐵路網(wǎng)中“四縱四橫”的其中一橫“徐蘭客運(yùn)專線”的中段。鄭西客運(yùn)專線四電系統(tǒng)集成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，采用了大量的新技術(shù)、新工藝，因此在設(shè)計、施工、接口管理、運(yùn)營管理方面還需要消化吸收，但目前對于鄭西客運(yùn)專線四電系統(tǒng)集成的安全性認(rèn)識還是處于定性的階段，缺乏系統(tǒng)的理論和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，對數(shù)據(jù)庫的建立和調(diào)用分析、定量的評價方法還需要完善。

本文總結(jié)我國高速鐵路建設(shè)四電系統(tǒng)集成安全可靠性措施經(jīng)驗(yàn)，在鄭西客運(yùn)專線四電系統(tǒng)集成安全性分析的過程中，建立了鄭西客運(yùn)專線四電系統(tǒng)安全性分析因素集、評價集，并利用改進(jìn)AHP確定各個評價指標(biāo)的權(quán)重向量，建立隸屬度R矩陣，對四電系統(tǒng)進(jìn)行綜合安全水平模糊綜合評價，并提出了四電系統(tǒng)集成安全性評估及管理的相關(guān)建議。

1 鄭西客運(yùn)專線四電系統(tǒng)集成簡介

鄭西客運(yùn)專線，東起中原中心鄭州市，向西經(jīng)洛陽市、三門峽市、渭南市，西止西北門戶西安市，經(jīng)豫、陜兩省，橫貫中州大地和關(guān)中平原東部。全線共設(shè)置11個車站，其中辦理始發(fā)終到作業(yè)的車站有新鄭州、西安北2個，中間站有新滎陽、新鞏義、洛陽南、新澠池、新三門峽、新靈寶、新華山、新渭南、新臨潼等9個。

鄭西客運(yùn)專線牽引供電系統(tǒng)粗略劃分可以包含牽引變電所、接觸網(wǎng)、SCADA系統(tǒng)3個部分，涉及到牽引供電和牽引變電兩方面。其中牽引變電所作為電力牽引供電系統(tǒng)的核心，又涉及到外部電源、變壓器接線形式、供電方式、保護(hù)配置等方面。外部電源方案為220 kV進(jìn)線，牽引變電所外部電源接引2 路220 kV電源。牽引變壓器采用220 kV/27.5 kV V/V接線。牽引變電所220 kV 電源側(cè)采用線路變壓器組接線，27.5 kV 側(cè)采用單母線分段接線?？勺魅鐖D1所示的區(qū)域劃分。

圖1 牽引變電所主接線

為了保證給自動閉塞設(shè)備等一級負(fù)荷安全可靠地供電，鄭西客運(yùn)專線電力供電系統(tǒng)多采用雙回路供電方案，專設(shè)了互為備用的一級負(fù)荷貫通線輸電線路和綜合負(fù)荷貫通輸電線路。為簡化考查情形，將區(qū)間負(fù)荷簡化為1個負(fù)荷的情況，如圖2所示。

圖2 鄭西客運(yùn)專線電力供電簡化圖

鄭西客運(yùn)專線通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高速鐵路集中調(diào)度和統(tǒng)一指揮的重要工具。它包含了傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、專用移動通信系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及通信線路等子系統(tǒng)，專用移動通信系統(tǒng)采用GSM-R數(shù)字移動通信制式，為鐵路專用移動通信系統(tǒng)提供語音和數(shù)據(jù)的傳輸。

鄭西客運(yùn)專線通信系統(tǒng)是高速鐵路運(yùn)營的神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)組織指揮列車運(yùn)行，包括車站聯(lián)鎖子系統(tǒng)、運(yùn)輸調(diào)度子系統(tǒng)、信號集中監(jiān)控子系統(tǒng)、列控子系統(tǒng)在內(nèi)的4個子系統(tǒng)。

四電系統(tǒng)安全性是實(shí)現(xiàn)高效可靠運(yùn)營，提供穩(wěn)定、高效、持續(xù)服務(wù)的基礎(chǔ)和保證。所謂安全性，通常是指采取特定的措施，盡可能的限制傷害或損壞的風(fēng)險以使其維持在可接受的安全水平的狀態(tài)。對于四電系統(tǒng)集成來說，其安全性的評估工作，包括了設(shè)計、施工、監(jiān)理、設(shè)備制造、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、運(yùn)行試驗(yàn)等階段。

2 四電系統(tǒng)集成安全性分析方法

2.1 改進(jìn)層次分析法

通常所說的分級比例標(biāo)度為1～9的AHP法，即為傳統(tǒng)AHP法。然而該種方法卻存在一個問題，其標(biāo)度方法與通常的思維標(biāo)度有較大的不同。當(dāng)影響因素S1比S2的重要程度稍大時，二者應(yīng)用傳統(tǒng)AHP法的權(quán)重比值為3∶1，因而應(yīng)用該方法可以理解為S1的重要程度是S2的3倍，這顯然會影響最終評價結(jié)果的合理性，因其與通常認(rèn)為的“稍微重要”差距較大。同時由于標(biāo)度等級的限制，傳統(tǒng)AHP法僅能應(yīng)用于不超過9個影響因素的系統(tǒng)。此外，傳統(tǒng)AHP法中的關(guān)鍵步驟是一致性檢驗(yàn)，在進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的過程中，在隨機(jī)一致性比率CR小于0.1的時候，需進(jìn)行判斷矩陣調(diào)整。而調(diào)整矩陣通常憑借的是經(jīng)驗(yàn)估計，當(dāng)系統(tǒng)影響因素比較復(fù)雜、評價指標(biāo)較多等情況下，會出現(xiàn)調(diào)整過程繁瑣、盲目性，時效性差等問題。

2.2 安全評估指標(biāo)體系

為更好地保證系統(tǒng)評價相對準(zhǔn)確，全面反應(yīng)牽引供電系統(tǒng)運(yùn)營自動化系統(tǒng)的各個安全因素，在綜合若干單項評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，形成完整、科學(xué)、全面、實(shí)際的系統(tǒng)評價指標(biāo)體系。遵循評價指標(biāo)體系全面性、科學(xué)性、主導(dǎo)性、操作性及可比性等建立原則，將四電系統(tǒng)安全性綜合評價指標(biāo)體系分為3個層次:第1層次為四電系統(tǒng)綜合安全水平；第2層次包括四電系統(tǒng)外界環(huán)境安全水平、系統(tǒng)管理安全水平、設(shè)計過程安全水平、施工過程安全水平；第3層次為各類具體的評價指標(biāo)。系統(tǒng)安全評估指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)安全評估指標(biāo)體系

2.3 綜合評價法

將歸屬同一等級的不同因素的隸屬度綜合成一個值是綜合評價運(yùn)算的目的，所用方法是將各因素的模糊評判矩陣R與權(quán)重W相乘，可得到各等級評價指標(biāo)的隸屬程度。模糊綜合評判用數(shù)學(xué)公式可表示為B=W°R，上式也稱模糊變換?！啊恪笔悄：阕樱?dāng)模糊算子取值不同時，即有不同的運(yùn)算模型。其中比較常用的模糊綜合評判模型為

·rij)(1)

3 鄭西客運(yùn)專線四電系統(tǒng)集成安全性分析過程

3.1 建立因素集

確定四電系統(tǒng)集成安全評價指標(biāo)為：U={u1，u2，…，u18}。其中，u1為電力工程專業(yè)設(shè)計；u2為通信工程專業(yè)設(shè)計；u3為線路專業(yè)設(shè)計；u4為供電專業(yè)設(shè)計；u5為變電專業(yè)設(shè)計；u6為信號專業(yè)設(shè)計；u7為前期施工階段安全水平；u8為施工實(shí)施階段安全水平；u9為竣工驗(yàn)收階段安全水平；u10為應(yīng)急救援演練；u11為安全教育培訓(xùn)；u12為安全責(zé)任制；u13為安全法則；u14為安全管理組織；u15為事故處理；u16為外電接口工程狀況；u17為人為破壞；u18為外界自然環(huán)境。

3.2 建立評價集

在四電系統(tǒng)安全水平的評價中，取評價集為：V={v1，v2，v3，v4，v5}。其中，v1為非常安全；v2為很安全；v3為安全；v4為基本安全；v5為不安全。

3.3 利用改進(jìn)AHP確定各評價指標(biāo)的權(quán)重向量

利用前面所討論的改進(jìn)AHP法，比較各層指標(biāo)兩兩因素之間的重要程度，以構(gòu)造出各判斷矩陣并計算其相應(yīng)權(quán)重見表1～表5。

表1 C1～C6判斷矩陣及其權(quán)重

表2 C7～C9判斷矩陣及權(quán)重

表4 C16～C18判斷矩陣及權(quán)重

表5 B1～B4判斷矩陣及權(quán)重

由上面各表可知，通過改進(jìn)AHP法來確定各個指標(biāo)的權(quán)重向量，各判斷矩陣都有很好的一致性，因此上面權(quán)重計算的結(jié)果是可接受的。

最后可以得出一級指標(biāo)中的4個評價因素的權(quán)重集W如下

二級指標(biāo)中的18個評價因素的組合權(quán)重集W如下

0.49 0.181 0.107 0.135 0.143 0.217 0.217

0.215 0.357 0.428]

3.4 建立隸屬度R矩陣

在進(jìn)行單因素評價的過程中，假設(shè)對第i個評價因素ui進(jìn)行評價可以得到一個相對于評價集元素Vj的模糊向量

Ri=(ri1,ri2,…,rin),i=1,2,…,N;j=1,2,…,n;

式中，rij為因素ui具有Vj的程度，0

鄭西客運(yùn)專線四電系統(tǒng)集成中，影響四電系統(tǒng)的安全性的因素組成了模糊綜合評價中的因素集U，對U進(jìn)行評價可以得到5種評價，即：不安全，基本安全，安全，很安全，非常安全，它們組成了評價集V。其中比較常用的定量指標(biāo)隸屬度確定方法是線性分析法，該方法首先是在一個連續(xù)的區(qū)間上得到一系列具有分界點(diǎn)作用的值，然后將實(shí)際指標(biāo)值通過線性內(nèi)插公式的方法進(jìn)行處理，就得到該指標(biāo)值對應(yīng)的隸屬度。因此結(jié)合指標(biāo)特性，可構(gòu)造隸屬函數(shù)如下

3.5 四電系統(tǒng)綜合安全水平模糊綜合評價

(0.452 5 0.299 5 0.129 4 0.090 1 0.028 5)

(1.771 2 1.021 1 0.691 9 0.378 1 0.118 3)

(0.445 0 0.256 5 0.173 8 0.095 0 0.029 7)

因此，通過模糊綜合評價可得到如下結(jié)論：對于整個四電系統(tǒng)集成來說，“不安全”的隸屬度為0.029 7，“基本安全”的隸屬度為0.095 0，“安全”的隸屬度為0.173 8，“很安全”的隸屬度為0.256 5，“非常安全”的隸屬度為0.445 0。

同樣利用最大隸屬度原則，二階綜合評價得到的四電系統(tǒng)安全性級別結(jié)果為非常安全，符合目前四電系統(tǒng)集成的安全水平現(xiàn)狀。評價結(jié)果表明目前的人員配備、設(shè)備實(shí)施和組織管理能力可以較好地適應(yīng)四電系統(tǒng)集成后的實(shí)際情況。

4 提高四電系統(tǒng)集成安全性的建議

4.1 建設(shè)期間進(jìn)行全壽命周期目標(biāo)管理

現(xiàn)行高速鐵路四電系統(tǒng)的常規(guī)管理方法越來越注重強(qiáng)調(diào)順序性和階段的劃分，這從一方面促進(jìn)管理的規(guī)范性的提高，然而由于各個階段管理者根據(jù)項目的規(guī)劃、調(diào)研、設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營等階段各自特點(diǎn)，推行不同的項目實(shí)施和管理方法，各階段之間因?yàn)槿狈y(tǒng)籌考慮，而導(dǎo)致在爭取全局最優(yōu)的時候出現(xiàn)困難。

因而，將全壽命管理理念推行到高速鐵路四電系統(tǒng)集成建設(shè)全過程就顯得尤為重要，這就要求從根本上將傳統(tǒng)的管理模式進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)變，應(yīng)對施工組織的工期、工序，人員素質(zhì)、制度管理等方面進(jìn)行集成控制管理，并設(shè)立四電系統(tǒng)集成的責(zé)任主體。在進(jìn)行四電系統(tǒng)集成全壽命周期建設(shè)管理的過程中，應(yīng)結(jié)合四電系統(tǒng)所處地域環(huán)境的不同和各自的特點(diǎn)，在進(jìn)度控制過程中要注意對全壽命周期質(zhì)量影響的考慮。這樣一方面可以極大地降低因設(shè)計和建造失誤造成的系統(tǒng)安全隱患，從根本上提高設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性，另一方面可以通過在項目規(guī)劃、設(shè)計和設(shè)備招投標(biāo)等決策環(huán)節(jié)通盤考慮前期建設(shè)和后期運(yùn)行維護(hù)需求，以實(shí)現(xiàn)項目全壽命周期費(fèi)用最優(yōu)為目標(biāo)，同時尋求一次投入與運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用二者之間的最優(yōu)組合。進(jìn)而可以徹底改變割裂兩者關(guān)系和片面追求項目一次投資最低的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)項目全壽命周期各個階段的有機(jī)銜接。

4.2 引入四電系統(tǒng)集成預(yù)防性維修策略

目前既有鐵路普遍采用的是周期性檢測維修策略，即在周期性的天窗點(diǎn)進(jìn)行檢測維修。隨著四電系統(tǒng)集成的不斷發(fā)展，先進(jìn)維修設(shè)備引入與工務(wù)、電務(wù)、供電等部門維修活動的綜合化要求單次維修活動的時間增加，改變目前維修人員規(guī)定時間范圍內(nèi)對設(shè)備維護(hù)的狀態(tài)，考慮預(yù)防性維修、群維修和機(jī)會維修的策略，對于提高四電系統(tǒng)設(shè)備效能以及降低維修費(fèi)用方面有著重要意義。

預(yù)防性維修策略要引入設(shè)備的全壽命周期管理，在項目活動開始之前，分析采用項目風(fēng)險因素進(jìn)行識別，對風(fēng)險源及薄弱環(huán)節(jié)提出對應(yīng)的保證措施。預(yù)防性維修要按設(shè)備的生命周期來考慮，逐漸由離線修過渡到狀態(tài)修，加強(qiáng)對在線監(jiān)測的技術(shù)的研究，規(guī)范測試產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 建立四電系統(tǒng)集成安全風(fēng)險因素集

鐵路通信、信號、電氣化(牽引供電、變電、接觸網(wǎng))、電力工程專業(yè)有各自的特點(diǎn)，工程或工序、風(fēng)險事件或因素不同，所對應(yīng)的安全風(fēng)險防范對策與措施、風(fēng)險等級也不同；需要識別找出各專業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)。建立安全風(fēng)險因素集見表6。

表6 四電系統(tǒng)集成安全風(fēng)險因素集

建立四電系統(tǒng)集成安全風(fēng)險因素集目的是通過評價查找各系統(tǒng)或元部件存在的危險、有害因素并確定危險程度，在此基礎(chǔ)上提出合理可行的安全對策措施及建議。

[1] 蔣先國.高速鐵路四電系統(tǒng)集成[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010．

[2] 趙龍.基于改進(jìn)的AHP-模糊綜合評價法的高速公路路線安全性評價研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011．

[3] 丁堅勇，孫建明，張華志.高速鐵路供電系統(tǒng)安全性評估研究[J].鐵道工程學(xué)報，2011(5)：76-80.

[4] 徐悌.滬杭高速鐵路電力供電系統(tǒng)設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(6)：122-124.

[5] 張漢波.鄭西客運(yùn)專線的四電系統(tǒng)集成與創(chuàng)新技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)2010(7):15-18.

[6] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)管理化委員會.GBT 21562—2008，軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10306—2009，鐵路通信、信號、電力、電力牽引供電工程施工安全技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社，2009.

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB 10621—2009，高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社，2009．

[9] 高仁斌，陳維榮，陳小川.客運(yùn)專線牽引供電自動化[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.