胡 江 張中安 吳林科 周格仟

(1.深圳市地鐵三號(hào)線投資有限公司 廣東深圳 518000;2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 武漢 430074)

城市軌道交通接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)體系研究

胡 江1張中安1吳林科1周格仟2

(1.深圳市地鐵三號(hào)線投資有限公司 廣東深圳 518000;2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 武漢 430074)

論述接觸網(wǎng)在城市軌道交通中的作用，以及接觸網(wǎng)的不同形式對(duì)城市軌道交通產(chǎn)生的影響。在確定接觸網(wǎng)選用的原則基礎(chǔ)上，建立城市軌道交通接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的角度，對(duì)接觸網(wǎng)的實(shí)用性、可靠性、使用壽命、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、對(duì)車輛影響和可維護(hù)性等方面的技術(shù)性以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以促進(jìn)我國(guó)城市軌道交通健康發(fā)展。

城市軌道交通;接觸網(wǎng);評(píng)價(jià)體系;指標(biāo)

目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的城市軌道交通市場(chǎng)。接觸網(wǎng)系統(tǒng)在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中向電動(dòng)車組提供電能，是唯一的且沒(méi)有備用的供電設(shè)施，其重要性不言而喻。如何選用技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的接觸網(wǎng)形式，越來(lái)越引起投資者和建設(shè)者的關(guān)注。下面從技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)角度出發(fā)，在理論上提出并建立城市軌道交通接觸網(wǎng)的評(píng)價(jià)體系，為城市軌道交通接觸網(wǎng)建設(shè)決策提供參考。

一般來(lái)說(shuō)，接觸網(wǎng)技術(shù)與城市軌道交通運(yùn)行模式和牽引供電電壓制式密切相關(guān)。城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)一般采用直流供電，目前世界各國(guó)城市軌道交通的供電電壓大都在DC 600～1 500 V之間。IEC(國(guó)際電工委員會(huì))制訂的電壓標(biāo)準(zhǔn)為600、750和1 500 V三種，我國(guó)GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》將DC750 V和DC1 500 V列為軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)。接觸網(wǎng)按安裝位置的不同可分為接觸軌和架空接觸網(wǎng)，其中架空接觸網(wǎng)按照懸掛類型分為柔性懸掛和剛性懸掛，分別稱為柔性架空接觸網(wǎng)和剛性架空接觸網(wǎng)。

1 接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究成果

1.1 現(xiàn)有研究成果綜述

目前，國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)表的有關(guān)城市軌道交通接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的成果還比較少，主要集中在對(duì)選擇接觸網(wǎng)類型的比較方面。

1.1.1 針對(duì)特定軌道交通項(xiàng)目的接觸網(wǎng)選擇

在對(duì)廣州地鐵4號(hào)線牽引網(wǎng)形式進(jìn)行選擇時(shí)，初步選定了架空剛性接觸網(wǎng)和下部接觸式接觸軌，再通過(guò)對(duì)主要技術(shù)參數(shù)、機(jī)械耐磨性能和使用壽命、土建投資、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、供電安全性、城市景觀6個(gè)方面，對(duì)兩者進(jìn)行比較分析［1］。在對(duì)西安地鐵2號(hào)線車輛牽引供電制式選擇時(shí)，從線網(wǎng)角度出發(fā)，充分考慮城市特點(diǎn)，按受控因素先后順序進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出了全線采用DC1 500 V架空接觸網(wǎng)的方式［2］。

1.1.2 對(duì)城市軌道交通接觸網(wǎng)類型的比較

有的學(xué)者通過(guò)分析城市軌道交通兩大類牽引供電接觸網(wǎng)的基本要求、不同類型與特點(diǎn)，提出不同城市選擇接觸網(wǎng)形式時(shí)應(yīng)注意處理的關(guān)系和建議［3］。還有的學(xué)者以廣州地鐵柔性、剛性接觸網(wǎng)和接觸軌牽引網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)為例，對(duì)其安全性、經(jīng)濟(jì)性、景觀等進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)為軌道交通牽引網(wǎng)的形式不能只從技術(shù)的角度來(lái)進(jìn)行選擇，而要以社會(huì)責(zé)任(包括適用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等)來(lái)判斷決策［4］。

1.1.3 對(duì)城市軌道交通接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)體系的探討

有學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行了比較深入的研究，根據(jù)整體性、適應(yīng)性、可比性、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、國(guó)產(chǎn)化和全壽命周期等原則，建立了城市軌道交通評(píng)價(jià)體系，該體系通過(guò)外部、內(nèi)部和工程三部分評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)車輛制式、行車速度、供電制式、受流和技術(shù)性能、系統(tǒng)一致性和兼容性、設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度、工程投資經(jīng)濟(jì)性以及工程適應(yīng)性等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［5］。

1.2 現(xiàn)有研究成果評(píng)價(jià)

綜上所述，學(xué)者們?cè)诔鞘熊壍澜煌ń佑|網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方面的研究大致有兩種思路:一是對(duì)城市軌道交通接觸網(wǎng)類型進(jìn)行比較和選擇，通過(guò)分析不同接觸網(wǎng)類型的特點(diǎn)，對(duì)多種指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，在比較城市軌道交通接觸網(wǎng)類型的基礎(chǔ)上，選擇特定的接觸網(wǎng)形式，見(jiàn)文獻(xiàn)［1-4］;二是直接構(gòu)建城市軌道交通接觸網(wǎng)的評(píng)價(jià)體系，見(jiàn)文獻(xiàn)［5］。兩者各具特點(diǎn)，前者側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用，后者側(cè)重于理論研究，然而都有需要改進(jìn)的地方。

1)指標(biāo)體系構(gòu)建比較簡(jiǎn)單，所查閱的文獻(xiàn)都體現(xiàn)出指標(biāo)的大而不精，有些只有一級(jí)指標(biāo)。

2)指標(biāo)體系權(quán)重目前的研究還是個(gè)空白。雖然文獻(xiàn)［5］構(gòu)建了評(píng)價(jià)體系，但卻沒(méi)有對(duì)體系的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的分析，不能直接應(yīng)用。

3)前面論述的研究成果都是對(duì)接觸網(wǎng)的定性分析，而沒(méi)有采用定量分析方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本研究希望在此3點(diǎn)之上取得突破，一方面構(gòu)建更細(xì)部的指標(biāo)，另一方面通過(guò)渠道確定指標(biāo)體系中指標(biāo)的權(quán)重，從而為定量分析接觸網(wǎng)打好基礎(chǔ)。

2 建立接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)體系的原則

目前，我國(guó)城市軌道交通接觸網(wǎng)的形式呈現(xiàn)多樣化，都直接采用或引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，這無(wú)疑對(duì)我國(guó)城市軌道交通技術(shù)的整體發(fā)展有明顯的促進(jìn)作用，但也帶來(lái)了評(píng)價(jià)不同形式的接觸網(wǎng)是否適合一個(gè)特定城市軌道交通項(xiàng)目的判斷問(wèn)題。這一問(wèn)題對(duì)一個(gè)城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)而言更加具有現(xiàn)實(shí)意義，因?yàn)榻佑|網(wǎng)作為城市軌道交通電動(dòng)車組電能的唯一提供者，直接影響軌道交通網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展。從這個(gè)意義上講，建立城市軌道交通接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)體系必須堅(jiān)持以下原則。

2.1 技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理性原則

技術(shù)先進(jìn)是要求不同形式的接觸網(wǎng)在技術(shù)方面保持當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，關(guān)鍵技術(shù)能夠解決接觸網(wǎng)工程建設(shè)中存在的問(wèn)題，滿足車輛運(yùn)行及維護(hù)需要，采用新材料、新工藝等;經(jīng)濟(jì)合理性是在保證接觸網(wǎng)技術(shù)可靠性和先進(jìn)性的基礎(chǔ)上，有效節(jié)約建設(shè)投資，降低運(yùn)營(yíng)成本。技術(shù)上達(dá)到先進(jìn)水平、經(jīng)濟(jì)上保持在合理可接受的范圍，顯然是評(píng)價(jià)不同接觸網(wǎng)形式的一個(gè)基本準(zhǔn)則。

2.2 全壽命周期原則

城市軌道交通運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，接觸網(wǎng)的使用壽命對(duì)軌道交通線路運(yùn)行的影響非常明顯。在軌道交通項(xiàng)目中，不同形式接觸網(wǎng)的全壽命周期有所差異，一般架空接觸網(wǎng)的大修周期要小于接觸軌形式的大修周期，這僅是從接觸網(wǎng)本身而言的。此外，接觸網(wǎng)的全壽命周期還反映在其性價(jià)比、零部件和備品備件的互換性及維護(hù)周期等方面，這些因素對(duì)確定接觸網(wǎng)形式不僅是必要的，也是需要重點(diǎn)考慮的。

2.3 可比較性原則

在軌道交通建設(shè)項(xiàng)目中，有柔性架空接觸網(wǎng)、剛性架空接觸網(wǎng)和接觸軌3種類型的接觸網(wǎng)，其可比較性是指在不同受流方式下對(duì)3種類型的接觸網(wǎng)進(jìn)行比較，這是評(píng)價(jià)和選擇接觸網(wǎng)形式的基礎(chǔ)。

3 城市軌道交通接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)以上原則，將城市軌道交通接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分解為4個(gè)層次，一級(jí)指標(biāo)是技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，二級(jí)指標(biāo)分為技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性2項(xiàng)，三級(jí)指標(biāo)分為9項(xiàng)，四級(jí)指標(biāo)細(xì)化為38項(xiàng)指標(biāo)，如表1所示。根據(jù)指標(biāo)能否直接獲取，可分為硬指標(biāo)和軟指標(biāo)。硬指標(biāo)是指能直接從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中取得數(shù)據(jù)的指標(biāo)，如屬于建設(shè)成本中的接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備投資、配套投資等;軟指標(biāo)是指不能直接取得數(shù)據(jù)的指標(biāo)，往往只能用語(yǔ)言描述，如評(píng)價(jià)實(shí)用性的載流能力、同類工程經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備成熟度等。

3.1 技術(shù)性指標(biāo)

技術(shù)性指標(biāo)，又稱為功能性指標(biāo)，包括實(shí)用性、可靠性、使用壽命、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、對(duì)車輛影響和可維護(hù)性7個(gè)部分。作為城市軌道交通的一個(gè)重要組成部分，接觸網(wǎng)首先應(yīng)滿足相應(yīng)的技術(shù)要求，這是最基本的，不能滿足相應(yīng)的功能，經(jīng)濟(jì)性就無(wú)從談起。城市軌道交通接觸網(wǎng)首先應(yīng)表現(xiàn)出實(shí)用性，表現(xiàn)在正線允許行車速度、載流能力、同類工程經(jīng)驗(yàn)、安裝精度要求、設(shè)備成熟度等方面;一個(gè)不實(shí)用的接觸網(wǎng)形式，不論其經(jīng)濟(jì)性如何，都不能被接受。接觸網(wǎng)的可靠性對(duì)軌道交通的正常運(yùn)行起著非常重要的影響，只有可靠的接觸網(wǎng)，才能提供舒適、高效、準(zhǔn)時(shí)的軌道交通服務(wù)水平，具體表現(xiàn)為供電的可靠性、故障影響范圍、事故搶修對(duì)其他專業(yè)響應(yīng)時(shí)間影響、車輛連續(xù)受流、授流質(zhì)量等方面［7］。其他子指標(biāo)在這里就不一一羅列。

3.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，又稱成本性指標(biāo)。這里所指的成本，是全壽命周期成本［6］，也就是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)制造到交付使用、直到報(bào)廢為止，全過(guò)程的生產(chǎn)費(fèi)用和使用費(fèi)用之和，即C=C生+C使。對(duì)城市軌道交通接觸網(wǎng)而言，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本。在此，建設(shè)成本要考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備投資、配套投資、土建投資以及車輛投資等方面，在得知壽命周期的前提下，可以計(jì)算出凈年值;運(yùn)營(yíng)成本要考慮年運(yùn)營(yíng)成本，包括運(yùn)營(yíng)管理

表1 城市軌道交通接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

費(fèi)用、電能損耗等。

4 接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定

從表1可知，一、二級(jí)指標(biāo)采用的是價(jià)值工程里面的概念，一級(jí)指標(biāo)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性類似于價(jià)值工程中的價(jià)值V，二級(jí)指標(biāo)中的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性分別類似于價(jià)值工程中的功能F和成本C，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考價(jià)值工程中的相關(guān)內(nèi)容［8］。而三、四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重是本文討論的內(nèi)容，這里采用專家打分法。

4.1 確定權(quán)重

在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，權(quán)重起著至關(guān)重要的作用。

無(wú)論該指標(biāo)體系多么完善，或者做出的初步評(píng)價(jià)多么準(zhǔn)確，如果權(quán)重設(shè)定得不合理，就會(huì)影響最終的計(jì)算結(jié)果，從而降低整個(gè)體系的合理性和科學(xué)性。因此，設(shè)定一套科學(xué)合理的權(quán)重體系至關(guān)重要，本研究推薦使用專家打分法來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重。

4.2 確定分值

為了使評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有可操作性，第四級(jí)指標(biāo)安排的分值滿分都是10分。其中，0分意味著不能滿足該項(xiàng)要求，10分意味著完全符合該項(xiàng)要求，得分越高表示符合程度越高。具體打分在于專家們根據(jù)要求來(lái)把握，從尊重客觀事實(shí)出發(fā)，要選擇具有高水平資歷和閱歷的專家。

4.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在指標(biāo)權(quán)重確定的基礎(chǔ)之上，專家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的技術(shù)性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，綜合計(jì)算可以分別得到評(píng)價(jià)對(duì)象的功能性系數(shù)Fi。然后，考慮經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，分別計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象的建設(shè)成本與運(yùn)營(yíng)成本之和的凈年值，進(jìn)而推算出評(píng)價(jià)對(duì)象的成本系數(shù)Ci。由價(jià)值工程V=F/C可知，評(píng)價(jià)對(duì)象Vi值誰(shuí)大誰(shuí)優(yōu)。

5 接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)體系的實(shí)證研究

深圳地鐵9號(hào)線起自深圳灣公園站，止于文錦站(又稱向西站)，全長(zhǎng)25.33 km，共設(shè)22座車站。該線在選擇接觸網(wǎng)類型的過(guò)程中，考慮了3種接觸網(wǎng)懸掛方式的特點(diǎn):柔性架空接觸網(wǎng)適用于地面線路和高架線路，剛性架空接觸網(wǎng)適用于地下線路，接觸軌適用于地上及地下線路。據(jù)此，初步選定剛性架空接觸網(wǎng)與接觸軌，然后再對(duì)這兩種方式按照7項(xiàng)技術(shù)性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)(見(jiàn)表2)，由評(píng)分得出剛性接觸網(wǎng)與接觸軌的功能系數(shù)F。另外，考慮系統(tǒng)全壽命周期成本C，通過(guò)成本數(shù)據(jù)分析得到兩方案的成本系數(shù)(見(jiàn)表3)。

表2 接觸軌與剛性接觸網(wǎng)綜合價(jià)值工程評(píng)分比較

表3 成本系數(shù)計(jì)算

表4 價(jià)值系數(shù)計(jì)算

根據(jù)價(jià)值工程的概念，根據(jù)功能評(píng)價(jià)系數(shù)(Fi)與成本系數(shù)(Ci)，計(jì)算價(jià)值系數(shù)(Vi)=功能評(píng)價(jià)系數(shù)(Fi)/成本系數(shù)(Ci)，其中Vi最大者為最佳方案，計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，V2＞V1，所以利用價(jià)值工程原理進(jìn)行優(yōu)選，深圳市地鐵9號(hào)線DC1500 V接觸網(wǎng)采用接觸軌最優(yōu)。

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)城市軌道交通目前正經(jīng)歷一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為唯一的向電動(dòng)車組提供電能且沒(méi)有備用的供電設(shè)施，在整個(gè)軌道交通牽引供電系統(tǒng)中占有重要地位。筆者提出的城市軌道交通接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)體系可應(yīng)用于接觸網(wǎng)的選型，但是對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定還值得進(jìn)一步研究與深化。

［1］胡懿洲，楊嘯勇.建立城市軌道交通接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)體系的探討［C］//科技、工程與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展——中國(guó)科協(xié)第五屆青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集科學(xué)決策.北京，2004.

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Research on Catenary Evaluation System of Urban Rail Transit

Hu Jiang1Zhang Zhongan1Wu Linke1Zhou Geqian2
(1.Shenzhen Metro Line 3 Investment Co.，Ltd.，Shenzhen 518000;2.School of Civil Engineering＆ Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074)

Abstract:Catenary is an indispensable part of urban rail transit system. Different forms of catenary will exert influence differently on the operation of urban rail transit. The paper explores the establishment of catenary evaluation index system of urban rail traffic based on the principles of catenary selection. Focusing on the aspects of technology and economy of catenary, authors comprehensively evaluated the availability,reliability, service life, safety, environmental adaptability and maintainability of catenary in order to promote the healthy development of China’s urban rail transit.

Key words:urban rail transit; catenary; evaluation system; index

U231.7

A

1672-6073(2013)01-0033-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.01.009

收稿日期:2012-04-06

2012-06-18

作者簡(jiǎn)介:胡江，男，大學(xué)本科，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，總工辦副主任，從事軌道交通方向的研究，xjhujiang@126.com

(編輯:郭 潔)