高速鐵路速度目標值的綜合評判

2012-09-06 05:10:30彭宇拓

鐵道運輸與經濟 2012年2期

彭宇拓

（鐵道部黨校科研處，北京 100088）

高速鐵路速度目標值的綜合評判

彭宇拓

（鐵道部黨校科研處，北京 100088）

高速鐵路的速度目標值是高速行車技術的核心指標，是高速鐵路總體設計的決定性參數。根據高速鐵路速度目標值的定義，綜合考慮能耗、時間、環保、競爭優勢、安全和運營成本等主要因素，建立高速鐵路速度目標值選取的評判指標體系，采用模糊數學評判方法，確定評價指標權重，對高速鐵路不同等級速度目標值進行計算評判，并根據分析結果，說明高速鐵路 300 km/h速度等級在理論上是最經濟合理的。

高速鐵路；速度目標值；綜合評價

世界鐵路正在進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、環保、安全、舒適等優越性逐漸獲得我國運輸市場的認可。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，積累安全管理經驗，鐵道部采取了調圖減速措施：原設計最高時速350 km的高速鐵路，列車按時速300 km開行；原設計最高時速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，本文采用模糊數學評判方法，把與速度相關各項因素進行綜合考慮，研究確定高速鐵路的邊際收益速度目標值。

1 高速鐵路速度目標值的定義

高速鐵路速度目標值是高速行車技術的核心指標，是高速鐵路總體設計的決定性參數。高速鐵路屬于輪軌技術范疇，列車輪軌之間的粘著特性是有效發揮牽引、制動性能的防空轉和防滑控制技術的基礎，隨著列車速度的提高，輪軌可利用粘著系數隨之下降，這是一個難以克服的矛盾。因此，高速鐵路速度目標值不是越高越好，應綜合考慮經濟效益、環境保護等，存在高速鐵路的速度收益邊際。

1.1 高速鐵路速度目標值的含義

高速鐵路速度目標值有以下3個含義[1]。

（1）基礎設施設計速度，即土建設計速度。基礎設施設計速度按遠期移動設備能夠達到的速度考慮。高速鐵路基礎設施如橋梁、隧道等，一經建成幾乎無法改變，若基礎設計速度目標值定得過低，勢必影響高速鐵路未來發展。因此，對基礎設施設計速度應留有一定余地。

（2）移動設備最高速度，即高速鐵路的動車組設計速度。結合國內外動車組技術發展水平、我國鐵路動車組外購和自行研制等不同技術路線，以及促進國內動車組制造工業發展等因素綜合確定，該目標值應隨動車組的更新換代而不斷提高。

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

1.2 世界高速鐵路速度目標值的發展趨勢

1983年法國建成巴黎—里昂270 km/h的高速鐵路，20世紀80年代末、90年代初，第二代TGV列車達到了最高運營速度 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年創造了406.9 km/h的列車試驗紀錄，自20世紀80年代以來，新建高速鐵路均實現了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。擁有高速鐵路技術的法國、德國、日本等國家，根據各自的特點，開發形成了不同類型的高速鐵路技術體系，并經過十幾年甚至幾十年的運營檢驗，技術上已經成熟，列車運營速度大都采用300 km/h。

借鑒發達國家高速鐵路發展情況，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，其運營速度目標值均選擇300 km/h，基礎設施速度目標值均預留350 km/h。

2 評判指標體系的建立

高速鐵路的基本運營目標是實現綜合效益最大，包括經濟效益、社會效益和市場效益等。據此，構建我國高速鐵路速度目標值綜合評判指標體系，主要從能耗、時間、環保、競爭優勢、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

在世界能源危機的背景下，交通運輸業應采用最優化能源利用方式，合理消耗各種資源。據UIC（國際鐵盟）的統計，高速鐵路是各種交通方式中最節省能源的。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實際運營統計為基礎，總結高速列車以最高速度運行時所需功率，其經驗公式為[2]：

高速列車運行時基本阻力的經驗計算公式為：

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，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據，如表1所示。

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

2.3 環保

高速鐵路沿線的環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。《鐵道客車內部噪聲限值及測量方法》（GB/T12816—2006）規定動車組在以構造速度運行，所有輔助設備正常使用時，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高速鐵路運營的環保難度。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勢范圍。高速鐵路的優勢距離是指在該距離范圍內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勢距離，如表4所示。

2.5 安全

高速鐵路是一個復雜的系統工程，隨著列車速度的提高，鐵路運輸安全形勢更加嚴峻，特別是隨著速度等級的提高，輪軌粘著系數降低，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的下降更加明顯。因此，高速鐵路的輪軌粘著系數ui能較充分地體現不同速度等級下的安全環境壓力。采用日本新干線高速列車ui與速度的經驗公式為：

依據公式⑶計算的不同速度等級下高速列車的輪軌粘著系數如表4所示。

2.6 運營成本

速度目標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成本和無關成本。有關成本是指與列車運營有關的支出，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關系，因此有關成本與商業運營速度呈正相關關系。而無關成本中，設備的折舊成本和養護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，還增加維護線路水平，尤其是線路不平順的維修工作量。據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的影響，在現階段暫時無法按照一個統一固定的公式計算確定，因此對其指標值的確定，本文采用主觀賦權法。主觀賦權法是由專家根據高速鐵路的運營成本資料，結合個人專業知識，經主觀判斷得到較為合理的指標評價值。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 評價指標權重的確定

采用層次分析法確定評價指標的權重。在高速鐵路速度目標值綜合評判指標體系中，許多指標之間沒有關聯性或關聯性很小，通過客觀分析各指標權重或指標之間的相對權重不現實。對此，運用主觀法確定指標之間的相對權重則較為準確，而且對每兩個指標的相對權重分別進行確定，可使權重的確定更加切實可行。構造判斷矩陣如表5所示。

指標判斷矩陣的一致性指標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值綜合評判指標的權重為：能耗＝0.093，時間＝0.223，環保＝0.056，競爭優勢＝0.303，安全＝0.213，運營成本＝0.112。