高速铁路速度目标值的综合评判

2012-09-06 05:10彭宇拓

铁道运输与经济 2012年2期

关键词：目标值轮轨评判

彭宇拓

（铁道部党校科研处，北京 100088）

高速铁路速度目标值的综合评判

彭宇拓

（铁道部党校科研处，北京 100088）

高速铁路的速度目标值是高速行车技术的核心指标，是高速铁路总体设计的决定性参数。根据高速铁路速度目标值的定义，综合考虑能耗、时间、环保、竞争优势、安全和运营成本等主要因素，建立高速铁路速度目标值选取的评判指标体系，采用模糊数学评判方法，确定评价指标权重，对高速铁路不同等级速度目标值进行计算评判，并根据分析结果，说明高速铁路 300 km/h速度等级在理论上是最经济合理的。

高速铁路；速度目标值；综合评价

世界铁路正在进入一个以高速铁路为特征的新时代。高速铁路以其快速、高效、环保、安全、舒适等优越性逐渐获得我国运输市场的认可。但由于“7·23”甬台温铁路列车追尾脱轨事故的影响，为增加高速铁路安全冗余，积累安全管理经验，铁道部采取了调图减速措施：原设计最高时速350 km的高速铁路，列车按时速300 km开行；原设计最高时速250 km的高速铁路，列车按时速200 km开行；原既有线提速为时速200 km的线路，列车按时速160 km开行。对此，本文采用模糊数学评判方法，把与速度相关各项因素进行综合考虑，研究确定高速铁路的边际收益速度目标值。

1 高速铁路速度目标值的定义

高速铁路速度目标值是高速行车技术的核心指标，是高速铁路总体设计的决定性参数。高速铁路属于轮轨技术范畴，列车轮轨之间的粘着特性是有效发挥牵引、制动性能的防空转和防滑控制技术的基础，随着列车速度的提高，轮轨可利用粘着系数随之下降，这是一个难以克服的矛盾。因此，高速铁路速度目标值不是越高越好，应综合考虑经济效益、环境保护等，存在高速铁路的速度收益边际。

1.1 高速铁路速度目标值的含义

高速铁路速度目标值有以下3个含义[1]。

（1）基础设施设计速度，即土建设计速度。基础设施设计速度按远期移动设备能够达到的速度考虑。高速铁路基础设施如桥梁、隧道等，一经建成几乎无法改变，若基础设计速度目标值定得过低，势必影响高速铁路未来发展。因此，对基础设施设计速度应留有一定余地。

（2）移动设备最高速度，即高速铁路的动车组设计速度。结合国内外动车组技术发展水平、我国铁路动车组外购和自行研制等不同技术路线，以及促进国内动车组制造工业发展等因素综合确定，该目标值应随动车组的更新换代而不断提高。

（3）商业运营速度，即铁路部门实际运营的速度目标值。这是本文研究的高速铁路速度目标值，主要受土建设计速度和动车组设计速度制约，同时考虑旅客承受能力和与其他运输方式的竞争，以及经济效益等因素，随着经济社会的发展存在不同的收益边际。以京沪高速铁路为例，土建设计速度为380 km/h，CRH-380动车组的设计速度也达到380 km/h的速度等级，商业运营速度则采用300 km/h的速度等级。

1.2 世界高速铁路速度目标值的发展趋势

1983年法国建成巴黎—里昂270 km/h的高速铁路，20世纪80年代末、90年代初，第二代TGV列车达到了最高运营速度 300 km/h的新台阶，目前运营的TGV-LGV东欧线的列车速度为320 km/h。德国在 1988年创造了406.9 km/h的列车试验纪录，自20世纪80年代以来，新建高速铁路均实现了250 km/h以上的列车运营速度，其中科隆—法兰克福和因戈尔施塔特—纽伦堡两段高速线路的运营速度为300 km/h。拥有高速铁路技术的法国、德国、日本等国家，根据各自的特点，开发形成了不同类型的高速铁路技术体系，并经过十几年甚至几十年的运营检验，技术上已经成熟，列车运营速度大都采用300 km/h。

借鉴发达国家高速铁路发展情况，其他拟建高速铁路的国家，如韩国、美国、澳大利亚和我国台湾省等，其运营速度目标值均选择300 km/h，基础设施速度目标值均预留350 km/h。

2 评判指标体系的建立

高速铁路的基本运营目标是实现综合效益最大，包括经济效益、社会效益和市场效益等。据此，构建我国高速铁路速度目标值综合评判指标体系，主要从能耗、时间、环保、竞争优势、安全和运营成本等方面研究高速铁路运营边际速度值。

2.1 能耗

在世界能源危机的背景下，交通运输业应采用最优化能源利用方式，合理消耗各种资源。据UIC（国际铁盟）的统计，高速铁路是各种交通方式中最节省能源的。但高速铁路的运营速度对能耗影响较大，高速列车的空气阻力随速度平方而上升。以德国ICE实际运营统计为基础，总结高速列车以最高速度运行时所需功率，其经验公式为[2]：

高速列车运行时基本阻力的经验计算公式为：

式中：Pk为列车所需总功率，kW；Vmax为列车最高运行速度，km/h；W为列车运行阻力，N；k为裕量系数，通常按最高速度增加10%。

2.2 时间

不同速度等级的高速铁路对旅行时间有着质的影响。高速铁路的速度等级越高，旅行时间越短。2011年以来，我国铁路实行了3次不同的列车运行图，从而得到160、200、250、300、350 km/h不同速度等级的运营数据，如表1所示。

根据我国不同等级高速铁路运营数据，同时参照日本新干线和德国ICE的旅行时间，不同速度目标值的旅行时间变化情况如表2所示。

2.3 环保

高速铁路沿线的环保问题也是一项不可忽略的因素，如噪声和震动等。以噪声为例，列车速度提高会使噪声增大，速度每提高10 km/h，噪声水平（主要是轮轨噪声和空气噪声）将提高1 dB。《铁道客车内部噪声限值及测量方法》（GB/T12816—2006）规定动车组在以构造速度运行，所有辅助设备正常使用时，一等车厢噪声值不大于65 dB（A），二等车厢噪声值不大于68 dB（A），车外噪声在20 m以外，也不能超过这一水平。所以，高速铁路抑制噪声问题也十分突出，所需费用约占新建高速线路工程费用的10%。

表1 我国不同高速铁路旅行速度对比表km/h

表2 不同速度目标值的旅行时间变化情况

综合比选，不同速度等级下动车组车外噪声等级能充分体现高速铁路运营的环保难度。表3汇总了欧洲有代表性的高速铁路噪声值[3]。

2.4 竞争优势

表3 欧洲有代表性的高速铁路噪声值 dB

不同的运输方式有其竞争优势范围。高速铁路的优势距离是指在该距离范围内一般旅客选择高速铁路出行最为方便快捷。在计算中，取旅客从驻地到车站或机场的时间分别为公路50 min、高速铁路90 min、航空180 min，公路的平均速度为100 km/h，飞机的巡航速度为500 km/h，由表2中高速铁路的平均旅行速度，按所耗时间相等的条件计算得到铁路的优势距离，如表4所示。

2.5 安全

高速铁路是一个复杂的系统工程，随着列车速度的提高，铁路运输安全形势更加严峻，特别是随着速度等级的提高，轮轨粘着系数降低，路基下沉量和车顶受电弓的离线率会变大，这些都对高速铁路的安全运营产生影响。由于高速列车采用较大的牵引功率、加速能力，以及较轻的轴重，随着列车速度的提高，轮轨可利用粘着系数的下降更加明显。因此，高速铁路的轮轨粘着系数ui能较充分地体现不同速度等级下的安全环境压力。采用日本新干线高速列车ui与速度的经验公式为：

依据公式⑶计算的不同速度等级下高速列车的轮轨粘着系数如表4所示。

2.6 运营成本

速度目标值的选择直接影响列车运营方式和运营成本。运营成本可以分为有关成本和无关成本。有关成本是指与列车运营有关的支出，包括能源消耗及其支出、管理费、人员费用。由于牵引功、阻力功、耗电量与运营速度水平呈正相关关系，因此有关成本与商业运营速度呈正相关关系。而无关成本中，设备的折旧成本和养护维修费用也随着列车速度的提升，会有较大幅度攀升。以路基为例，列车速度的提高会加快线路的破坏速度，从而加速和加剧了线路的不平顺，这不但增加钢轨、路基的维修工作量，还增加维护线路水平，尤其是线路不平顺的维修工作量。据日本东海道新干线的维修情况，列车最大速度由210 km/h提高到260 km/h，需要的维修工作量或维修费大致增加1.5倍。

运营成本对高速铁路运输生产的影响，在现阶段暂时无法按照一个统一固定的公式计算确定，因此对其指标值的确定，本文采用主观赋权法。主观赋权法是由专家根据高速铁路的运营成本资料，结合个人专业知识，经主观判断得到较为合理的指标评价值。对不同速度等级的高速列车运营成本评判值如表4所示。

3 评判计算

3.1 评价指标权重的确定

采用层次分析法确定评价指标的权重。在高速铁路速度目标值综合评判指标体系中，许多指标之间没有关联性或关联性很小，通过客观分析各指标权重或指标之间的相对权重不现实。对此，运用主观法确定指标之间的相对权重则较为准确，而且对每两个指标的相对权重分别进行确定，可使权重的确定更加切实可行。构造判断矩阵如表5所示。

指标判断矩阵的一致性指标CI＝（λ－n） /（n－1）＝0.011 3，则CR＝CI/RI＝0.009＜0.1，符合一致性检验。得到高速铁路速度目标值综合评判指标的权重为：能耗＝0.093，时间＝0.223，环保＝0.056，竞争优势＝0.303，安全＝0.213，运营成本＝0.112。