郑西客运专线四电系统集成的安全性分析

2013-01-16刘家美何正友

铁道标准设计 2013年12期

刘家美,何正友

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司, 武汉 430063；2.西南交通大学电气工程学院, 成都 610031)

高速铁路四电集成是实现高速铁路的速度及能力目标值的关键，需要信号系统、电力牵引供电系统、通信系统、电力供电系统四电系统的协同动作，同时需要协调四电系统集成的标准、技术资源的整合和共享、工程投资的控制和规划，才能确保高速铁路四电系统的安全可靠运行。

郑西客运专线是国家高速铁路网中“四纵四横”的其中一横“徐兰客运专线”的中段。郑西客运专线四电系统集成技术标准高，采用了大量的新技术、新工艺，因此在设计、施工、接口管理、运营管理方面还需要消化吸收，但目前对于郑西客运专线四电系统集成的安全性认识还是处于定性的阶段，缺乏系统的理论和标准的指导，对数据库的建立和调用分析、定量的评价方法还需要完善。

本文总结我国高速铁路建设四电系统集成安全可靠性措施经验，在郑西客运专线四电系统集成安全性分析的过程中，建立了郑西客运专线四电系统安全性分析因素集、评价集，并利用改进AHP确定各个评价指标的权重向量，建立隶属度R矩阵，对四电系统进行综合安全水平模糊综合评价，并提出了四电系统集成安全性评估及管理的相关建议。

1 郑西客运专线四电系统集成简介

郑西客运专线，东起中原中心郑州市，向西经洛阳市、三门峡市、渭南市，西止西北门户西安市，经豫、陕两省，横贯中州大地和关中平原东部。全线共设置11个车站，其中办理始发终到作业的车站有新郑州、西安北2个，中间站有新荥阳、新巩义、洛阳南、新渑池、新三门峡、新灵宝、新华山、新渭南、新临潼等9个。

郑西客运专线牵引供电系统粗略划分可以包含牵引变电所、接触网、SCADA系统3个部分，涉及到牵引供电和牵引变电两方面。其中牵引变电所作为电力牵引供电系统的核心，又涉及到外部电源、变压器接线形式、供电方式、保护配置等方面。外部电源方案为220 kV进线，牵引变电所外部电源接引2 路220 kV电源。牵引变压器采用220 kV/27.5 kV V/V接线。牵引变电所220 kV 电源侧采用线路变压器组接线，27.5 kV 侧采用单母线分段接线。可作如图1所示的区域划分。

图1 牵引变电所主接线

为了保证给自动闭塞设备等一级负荷安全可靠地供电，郑西客运专线电力供电系统多采用双回路供电方案，专设了互为备用的一级负荷贯通线输电线路和综合负荷贯通输电线路。为简化考查情形，将区间负荷简化为1个负荷的情况，如图2所示。

图2 郑西客运专线电力供电简化图

郑西客运专线通信系统是实现高速铁路集中调度和统一指挥的重要工具。它包含了传输系统、数据通信系统、调度通信系统、专用移动通信系统、综合视频监控系统以及通信线路等子系统，专用移动通信系统采用GSM-R数字移动通信制式，为铁路专用移动通信系统提供语音和数据的传输。

郑西客运专线通信系统是高速铁路运营的神经系统，负责组织指挥列车运行，包括车站联锁子系统、运输调度子系统、信号集中监控子系统、列控子系统在内的4个子系统。

四电系统安全性是实现高效可靠运营，提供稳定、高效、持续服务的基础和保证。所谓安全性，通常是指采取特定的措施，尽可能的限制伤害或损坏的风险以使其维持在可接受的安全水平的状态。对于四电系统集成来说，其安全性的评估工作，包括了设计、施工、监理、设备制造、联调联试、运行试验等阶段。

2 四电系统集成安全性分析方法

2.1 改进层次分析法

通常所说的分级比例标度为1～9的AHP法，即为传统AHP法。然而该种方法却存在一个问题，其标度方法与通常的思维标度有较大的不同。当影响因素S1比S2的重要程度稍大时，二者应用传统AHP法的权重比值为3∶1，因而应用该方法可以理解为S1的重要程度是S2的3倍，这显然会影响最终评价结果的合理性，因其与通常认为的“稍微重要”差距较大。同时由于标度等级的限制，传统AHP法仅能应用于不超过9个影响因素的系统。此外，传统AHP法中的关键步骤是一致性检验，在进行一致性检验的过程中，在随机一致性比率CR小于0.1的时候，需进行判断矩阵调整。而调整矩阵通常凭借的是经验估计，当系统影响因素比较复杂、评价指标较多等情况下，会出现调整过程繁琐、盲目性，时效性差等问题。

2.2 安全评估指标体系

为更好地保证系统评价相对准确，全面反应牵引供电系统运营自动化系统的各个安全因素，在综合若干单项评价指标的基础上，形成完整、科学、全面、实际的系统评价指标体系。遵循评价指标体系全面性、科学性、主导性、操作性及可比性等建立原则，将四电系统安全性综合评价指标体系分为3个层次:第1层次为四电系统综合安全水平；第2层次包括四电系统外界环境安全水平、系统管理安全水平、设计过程安全水平、施工过程安全水平；第3层次为各类具体的评价指标。系统安全评估指标体系层次结构模型如图3所示。

图3 系统安全评估指标体系

2.3 综合评价法

将归属同一等级的不同因素的隶属度综合成一个值是综合评价运算的目的，所用方法是将各因素的模糊评判矩阵R与权重W相乘，可得到各等级评价指标的隶属程度。模糊综合评判用数学公式可表示为B=W°R，上式也称模糊变换。“°”是模糊算子，当模糊算子取值不同时，即有不同的运算模型。其中比较常用的模糊综合评判模型为

·rij)(1)

3 郑西客运专线四电系统集成安全性分析过程

3.1 建立因素集

确定四电系统集成安全评价指标为：U={u1，u2，…，u18}。其中，u1为电力工程专业设计；u2为通信工程专业设计；u3为线路专业设计；u4为供电专业设计；u5为变电专业设计；u6为信号专业设计；u7为前期施工阶段安全水平；u8为施工实施阶段安全水平；u9为竣工验收阶段安全水平；u10为应急救援演练；u11为安全教育培训；u12为安全责任制；u13为安全法则；u14为安全管理组织；u15为事故处理；u16为外电接口工程状况；u17为人为破坏；u18为外界自然环境。

3.2 建立评价集

在四电系统安全水平的评价中，取评价集为：V={v1，v2，v3，v4，v5}。其中，v1为非常安全；v2为很安全；v3为安全；v4为基本安全；v5为不安全。

3.3 利用改进AHP确定各评价指标的权重向量

利用前面所讨论的改进AHP法，比较各层指标两两因素之间的重要程度，以构造出各判断矩阵并计算其相应权重见表1～表5。

表1 C1～C6判断矩阵及其权重

表2 C7～C9判断矩阵及权重

表4 C16～C18判断矩阵及权重

表5 B1～B4判断矩阵及权重

由上面各表可知，通过改进AHP法来确定各个指标的权重向量，各判断矩阵都有很好的一致性，因此上面权重计算的结果是可接受的。

最后可以得出一级指标中的4个评价因素的权重集W如下

二级指标中的18个评价因素的组合权重集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 建立隶属度R矩阵

在进行单因素评价的过程中，假设对第i个评价因素ui进行评价可以得到一个相对于评价集元素Vj的模糊向量

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

式中，rij为因素ui具有Vj的程度，0

郑西客运专线四电系统集成中，影响四电系统的安全性的因素组成了模糊综合评价中的因素集U，对U进行评价可以得到5种评价，即：不安全，基本安全，安全，很安全，非常安全，它们组成了评价集V。其中比较常用的定量指标隶属度确定方法是线性分析法，该方法首先是在一个连续的区间上得到一系列具有分界点作用的值，然后将实际指标值通过线性内插公式的方法进行处理，就得到该指标值对应的隶属度。因此结合指标特性，可构造隶属函数如下

3.5 四电系统综合安全水平模糊综合评价

(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，通过模糊综合评价可得到如下结论：对于整个四电系统集成来说，“不安全”的隶属度为0.029 7，“基本安全”的隶属度为0.095 0，“安全”的隶属度为0.173 8，“很安全”的隶属度为0.256 5，“非常安全”的隶属度为0.445 0。

同样利用最大隶属度原则，二阶综合评价得到的四电系统安全性级别结果为非常安全，符合目前四电系统集成的安全水平现状。评价结果表明目前的人员配备、设备实施和组织管理能力可以较好地适应四电系统集成后的实际情况。

4 提高四电系统集成安全性的建议

4.1 建设期间进行全寿命周期目标管理

现行高速铁路四电系统的常规管理方法越来越注重强调顺序性和阶段的划分，这从一方面促进管理的规范性的提高，然而由于各个阶段管理者根据项目的规划、调研、设计、建设、运营等阶段各自特点，推行不同的项目实施和管理方法，各阶段之间因为缺乏统筹考虑，而导致在争取全局最优的时候出现困难。

因而，将全寿命管理理念推行到高速铁路四电系统集成建设全过程就显得尤为重要，这就要求从根本上将传统的管理模式进行相应转变，应对施工组织的工期、工序，人员素质、制度管理等方面进行集成控制管理，并设立四电系统集成的责任主体。在进行四电系统集成全寿命周期建设管理的过程中，应结合四电系统所处地域环境的不同和各自的特点，在进度控制过程中要注意对全寿命周期质量影响的考虑。这样一方面可以极大地降低因设计和建造失误造成的系统安全隐患，从根本上提高设备和系统的可靠性，另一方面可以通过在项目规划、设计和设备招投标等决策环节通盘考虑前期建设和后期运行维护需求，以实现项目全寿命周期费用最优为目标，同时寻求一次投入与运行维护费用二者之间的最优组合。进而可以彻底改变割裂两者关系和片面追求项目一次投资最低的现状，实现项目全寿命周期各个阶段的有机衔接。

4.2 引入四电系统集成预防性维修策略

目前既有铁路普遍采用的是周期性检测维修策略，即在周期性的天窗点进行检测维修。随着四电系统集成的不断发展，先进维修设备引入与工务、电务、供电等部门维修活动的综合化要求单次维修活动的时间增加，改变目前维修人员规定时间范围内对设备维护的状态，考虑预防性维修、群维修和机会维修的策略，对于提高四电系统设备效能以及降低维修费用方面有着重要意义。

预防性维修策略要引入设备的全寿命周期管理，在项目活动开始之前，分析采用项目风险因素进行识别，对风险源及薄弱环节提出对应的保证措施。预防性维修要按设备的生命周期来考虑，逐渐由离线修过渡到状态修，加强对在线监测的技术的研究，规范测试产品的标准。