鄭西客運專線四電系統集成的安全性分析

劉家美,何正友

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

高速鐵路四電集成是實現高速鐵路的速度及能力目標值的關鍵，需要信號系統、電力牽引供電系統、通信系統、電力供電系統四電系統的協同動作，同時需要協調四電系統集成的標準、技術資源的整合和共享、工程投資的控制和規劃，才能確保高速鐵路四電系統的安全可靠運行。

鄭西客運專線是國家高速鐵路網中“四縱四橫”的其中一橫“徐蘭客運專線”的中段。鄭西客運專線四電系統集成技術標準高，采用了大量的新技術、新工藝，因此在設計、施工、接口管理、運營管理方面還需要消化吸收，但目前對于鄭西客運專線四電系統集成的安全性認識還是處于定性的階段，缺乏系統的理論和標準的指導，對數據庫的建立和調用分析、定量的評價方法還需要完善。

本文總結我國高速鐵路建設四電系統集成安全可靠性措施經驗，在鄭西客運專線四電系統集成安全性分析的過程中，建立了鄭西客運專線四電系統安全性分析因素集、評價集，并利用改進AHP確定各個評價指標的權重向量，建立隸屬度R矩陣，對四電系統進行綜合安全水平模糊綜合評價，并提出了四電系統集成安全性評估及管理的相關建議。

1 鄭西客運專線四電系統集成簡介

鄭西客運專線，東起中原中心鄭州市，向西經洛陽市、三門峽市、渭南市，西止西北門戶西安市，經豫、陜兩省，橫貫中州大地和關中平原東部。全線共設置11個車站，其中辦理始發終到作業的車站有新鄭州、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。

鄭西客運專線牽引供電系統粗略劃分可以包含牽引變電所、接觸網、SCADA系統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的核心，又涉及到外部電源、變壓器接線形式、供電方式、保護配置等方面。外部電源方案為220 kV進線，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 電源側采用線路變壓器組接線，27.5 kV 側采用單母線分段接線。可作如圖1所示的區域劃分。

圖1 牽引變電所主接線

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

圖2 鄭西客運專線電力供電簡化圖

鄭西客運專線通信系統是實現高速鐵路集中調度和統一指揮的重要工具。它包含了傳輸系統、數據通信系統、調度通信系統、專用移動通信系統、綜合視頻監控系統以及通信線路等子系統，專用移動通信系統采用GSM-R數字移動通信制式，為鐵路專用移動通信系統提供語音和數據的傳輸。

鄭西客運專線通信系統是高速鐵路運營的神經系統，負責組織指揮列車運行，包括車站聯鎖子系統、運輸調度子系統、信號集中監控子系統、列控子系統在內的4個子系統。

四電系統安全性是實現高效可靠運營，提供穩定、高效、持續服務的基礎和保證。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險以使其維持在可接受的安全水平的狀態。對于四電系統集成來說，其安全性的評估工作，包括了設計、施工、監理、設備制造、聯調聯試、運行試驗等階段。

2 四電系統集成安全性分析方法

2.1 改進層次分析法

通常所說的分級比例標度為1～9的AHP法，即為傳統AHP法。然而該種方法卻存在一個問題，其標度方法與通常的思維標度有較大的不同。當影響因素S1比S2的重要程度稍大時，二者應用傳統AHP法的權重比值為3∶1，因而應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果的合理性，因其與通常認為的“稍微重要”差距較大。同時由于標度等級的限制，傳統AHP法僅能應用于不超過9個影響因素的系統。此外，傳統AHP法中的關鍵步驟是一致性檢驗，在進行一致性檢驗的過程中，在隨機一致性比率CR小于0.1的時候，需進行判斷矩陣調整。而調整矩陣通常憑借的是經驗估計，當系統影響因素比較復雜、評價指標較多等情況下，會出現調整過程繁瑣、盲目性，時效性差等問題。

2.2 安全評估指標體系

為更好地保證系統評價相對準確，全面反應牽引供電系統運營自動化系統的各個安全因素，在綜合若干單項評價指標的基礎上，形成完整、科學、全面、實際的系統評價指標體系。遵循評價指標體系全面性、科學性、主導性、操作性及可比性等建立原則，將四電系統安全性綜合評價指標體系分為3個層次:第1層次為四電系統綜合安全水平；第2層次包括四電系統外界環境安全水平、系統管理安全水平、設計過程安全水平、施工過程安全水平；第3層次為各類具體的評價指標。系統安全評估指標體系層次結構模型如圖3所示。

圖3 系統安全評估指標體系

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算的目的，所用方法是將各因素的模糊評判矩陣R與權重W相乘，可得到各等級評價指標的隸屬程度。模糊綜合評判用數學公式可表示為B=W°R，上式也稱模糊變換。“°”是模糊算子，當模糊算子取值不同時，即有不同的運算模型。其中比較常用的模糊綜合評判模型為

·rij)(1)

3 鄭西客運專線四電系統集成安全性分析過程

3.1 建立因素集

確定四電系統集成安全評價指標為：U={u1，u2，…，u18}。其中，u1為電力工程專業設計；u2為通信工程專業設計；u3為線路專業設計；u4為供電專業設計；u5為變電專業設計；u6為信號專業設計；u7為前期施工階段安全水平；u8為施工實施階段安全水平；u9為竣工驗收階段安全水平；u10為應急救援演練；u11為安全教育培訓；u12為安全責任制；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為外界自然環境。

3.2 建立評價集

在四電系統安全水平的評價中，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AHP確定各評價指標的權重向量

利用前面所討論的改進AHP法，比較各層指標兩兩因素之間的重要程度，以構造出各判斷矩陣并計算其相應權重見表1～表5。

表1 C1～C6判斷矩陣及其權重

表2 C7～C9判斷矩陣及權重

表4 C16～C18判斷矩陣及權重

表5 B1～B4判斷矩陣及權重

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

最后可以得出一級指標中的4個評價因素的權重集W如下

二級指標中的18個評價因素的組合權重集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

在進行單因素評價的過程中，假設對第i個評價因素ui進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

鄭西客運專線四電系統集成中，影響四電系統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隸屬度確定方法是線性分析法，該方法首先是在一個連續的區間上得到一系列具有分界點作用的值，然后將實際指標值通過線性內插公式的方法進行處理，就得到該指標值對應的隸屬度。因此結合指標特性，可構造隸屬函數如下

3.5 四電系統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論：對于整個四電系統集成來說，“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安全性級別結果為非常安全，符合目前四電系統集成的安全水平現狀。評價結果表明目前的人員配備、設備實施和組織管理能力可以較好地適應四電系統集成后的實際情況。

4 提高四電系統集成安全性的建議

4.1 建設期間進行全壽命周期目標管理

現行高速鐵路四電系統的常規管理方法越來越注重強調順序性和階段的劃分，這從一方面促進管理的規范性的提高，然而由于各個階段管理者根據項目的規劃、調研、設計、建設、運營等階段各自特點，推行不同的項目實施和管理方法，各階段之間因為缺乏統籌考慮，而導致在爭取全局最優的時候出現困難。

因而，將全壽命管理理念推行到高速鐵路四電系統集成建設全過程就顯得尤為重要，這就要求從根本上將傳統的管理模式進行相應轉變，應對施工組織的工期、工序，人員素質、制度管理等方面進行集成控制管理，并設立四電系統集成的責任主體。在進行四電系統集成全壽命周期建設管理的過程中，應結合四電系統所處地域環境的不同和各自的特點，在進度控制過程中要注意對全壽命周期質量影響的考慮。這樣一方面可以極大地降低因設計和建造失誤造成的系統安全隱患，從根本上提高設備和系統的可靠性，另一方面可以通過在項目規劃、設計和設備招投標等決策環節通盤考慮前期建設和后期運行維護需求，以實現項目全壽命周期費用最優為目標，同時尋求一次投入與運行維護費用二者之間的最優組合。進而可以徹底改變割裂兩者關系和片面追求項目一次投資最低的現狀，實現項目全壽命周期各個階段的有機銜接。

4.2 引入四電系統集成預防性維修策略

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進行檢測維修。隨著四電系統集成的不斷發展，先進維修設備引入與工務、電務、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定時間范圍內對設備維護的狀態，考慮預防性維修、群維修和機會維修的策略，對于提高四電系統設備效能以及降低維修費用方面有著重要意義。

預防性維修策略要引入設備的全壽命周期管理，在項目活動開始之前，分析采用項目風險因素進行識別，對風險源及薄弱環節提出對應的保證措施。預防性維修要按設備的生命周期來考慮，逐漸由離線修過渡到狀態修，加強對在線監測的技術的研究，規范測試產品的標準。

4.3 建立四電系統集成安全風險因素集

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

表6 四電系統集成安全風險因素集

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

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