西藏地區(qū)鐵路中小站區(qū)能源供給方式綜合評價研究

李雨濃，鮑學英

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人民對生態(tài)環(huán)境的保護越發(fā)重視。而西藏地區(qū)鐵路線路多途徑高寒地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，很多中小站區(qū)位于偏僻山區(qū)且配套設(shè)施覆蓋不足。為了保障站區(qū)的正常照明、供暖、制熱等需求往往需要投入大量的財力、物力和人力。在此過程當中，還會伴隨著不同程度的水環(huán)境污染、土壤污染、固廢排放等對生態(tài)環(huán)境的破壞。因此，在保障站區(qū)實際能源需求的前提下，尋求合理利用西藏地區(qū)鐵路沿線大量的清潔能源資源不僅在一定程度上降低了站區(qū)能源供給成本，而且減少了站區(qū)運行過程當中對生態(tài)環(huán)境的污染，對建立可持續(xù)發(fā)展的綠色鐵路有著重要意義。目前，西藏地區(qū)合理使用清潔能源資源已引起相關(guān)專家學者的關(guān)注。朱國平[1]以西藏地區(qū)的地理位置為出發(fā)點，介紹了現(xiàn)今西藏地區(qū)可利用的清潔能源有水能、太陽能、地熱能、風能等清潔能源資源，分析了西藏清潔能源開發(fā)利用的必要性。郅海杰[2]從各區(qū)域可利用的清潔能源種類入手，分別分析了西藏高寒地區(qū)可利用的清潔能源種類，因地制宜、綜合利用清潔能源資源從而達到能源高效實用的目的。王小丹等[3]通過生態(tài)環(huán)境的改觀闡明了西藏高寒地區(qū)利用清潔能源的必要性和優(yōu)越性。文獻[4]指出西藏地區(qū)蘊藏著豐富的地熱資源，且主要集中在青藏鐵路沿線，包括那曲、當雄、羊八井、羊易等地?，F(xiàn)今應當盡快利用好西藏高寒地區(qū)地熱資源，以解決高寒地區(qū)能源供給的需要。另一方面，國家鐵路局也發(fā)布了《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T 10429—2014)其中也對鐵路站區(qū)使用清潔能源做出了相關(guān)的評價標準。鑒于目前鐵路領(lǐng)域?qū)κ褂们鍧嵞茉聪嚓P(guān)理論相對較少的情況。本文借鑒建筑領(lǐng)域?qū)τ谇鍧嵞茉醋鳛榻ㄖ锬茉垂┙o方式相對成熟的評價體系及理論成果，結(jié)合綠色鐵路客運站的有關(guān)特點及相關(guān)評價標準，研究西藏地區(qū)鐵路中小站區(qū)清潔能源供給方式綜合效果，為此類站區(qū)選取高效、適用性強的清潔能源供給方式提供參考。由于西藏地區(qū)鐵路站區(qū)所處地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、可利用清潔能源的程度不同，因此清潔能源供給方式作為站區(qū)能源來源或輔助能源的適用度在不同站區(qū)的評價標準也不同。針對此種情況本文構(gòu)建清潔能源供給方式綜合評價模型，通過將G1 法和改進DEA 模型[5?6]相結(jié)合形成評價指標的綜合權(quán)重，依據(jù)得出的效率指數(shù)來衡量各清潔能源供給方式對站區(qū)的適用程度。

1 評價指標因素識別

對于各清潔能源供給方式在西藏地區(qū)鐵路中小站區(qū)的適用程度，本文從以下3個方面對清潔能源供給方式進行綜合分析。

從清潔能源供給方式自身角度來看，選取的清潔能源供給方式是否能夠滿足站區(qū)的實際需求、是否有已使用過此種能源作為站區(qū)能源來源或作為輔助能源的成功案例亦或者此種供能方式已有相對成熟的使用方法，以及選用清潔能源作為供能方式后經(jīng)濟成本的增加是否超出預算投資可承擔的范圍，該供能方式是否對施工方有特殊的技術(shù)要求。

從成本的角度看，站區(qū)需考慮何種清潔能源適用于實際使用，還需分析如何實現(xiàn)以此種清潔能源作為能源供給方式或為站區(qū)的輔助能源來源，以及實現(xiàn)清潔能源供給方式所增加的人材機費用、管理成本、技術(shù)實施風險、使用清潔能源供給方式所獲得的額外收益等。

施工單位的技術(shù)支撐能力，是指根據(jù)現(xiàn)階段施工方對于選取的清潔能源供給方式自身現(xiàn)有的對其施工技術(shù)掌握程度、施工人員狀況、組織管理水平、施工條件等確定是否有人力、經(jīng)濟條件，為站區(qū)選取清潔能源作為能源供給方式提供施工技術(shù)方面的保障。因此，施工單位應依據(jù)清潔能源的相關(guān)施工技術(shù)特點、自身對于清潔能源施工技術(shù)的掌握程度及站區(qū)當?shù)卣畬τ谑褂们鍧嵞茉吹墓膭钫叩?，選擇適當?shù)那鍧嵞茉垂┙o方式。

2 清潔能源供給方式綜合評價指標體系

通過前文所提對相關(guān)影響因素的識別，參考《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T 10429—2014)，可將清潔能源供給方式綜合評價分為技術(shù)、經(jīng)濟、社會、環(huán)境和其他5個方面。為提高清潔能源供給方式綜合評價的準確性，還需對評價指標進行細致化分析和提取。同時，在細化過程中也需注意按層次關(guān)系對各個評價指標進行篩選排查，避免不同層次間的指標重復出現(xiàn)。以此為建立評價指標體系的原則，構(gòu)建滿足需求的清潔能源供給方式綜合評價指標體系，見表1。

表1 滿足需求的清潔能源供給方式綜合評價指標體系Table 1 Comprehensive evaluation index system of clean energy supply mode meeting demand

3 西藏地區(qū)一般可選擇的清潔能源

本文參考現(xiàn)有文獻資料，同時借鑒修建青藏鐵路工程時實際的工程經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)國家鐵路局2014 年所發(fā)布的《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T 10429—2014)中對鐵路客運站區(qū)使用清潔能源做為能源供給方式的評價標準，分析西藏地區(qū)鐵路站區(qū)一般可以加以利用的清潔能源種類為太陽能、風能、地熱能和水能。在對相關(guān)從業(yè)專家以問卷調(diào)查的方式得到綜合評分的基礎(chǔ)上，將4 類清潔能源所特有的技術(shù)需求、所需機械設(shè)備、管理組織措施、對自然條件的要求等環(huán)節(jié)進行細化，以此構(gòu)建了清潔能源自身性能綜合評價指標體系。

1) 太陽能：西藏地區(qū)是世界上太陽能資源最豐富的地區(qū)之一。本文根據(jù)《光伏發(fā)電站安全規(guī)程》(GB/T 35694—2017)的相關(guān)規(guī)定，針對西藏地區(qū)獨特的生態(tài)環(huán)境、氣候特點提取相應的評價指標。

2) 風能：西藏超高海拔地區(qū)風能資源尤其豐富，根據(jù)現(xiàn)有取得的西藏地區(qū)測風塔數(shù)據(jù)，適合風力發(fā)電的地區(qū)覆蓋拉薩市、昌都市、山南市、日喀則市、那曲地區(qū)以及阿里地區(qū)。本文根據(jù)《風電場風能資源測量方法》(GB/T 18709—2002)、《風能發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電場可利用率》(GB/T 38174—2019)，對風能并網(wǎng)發(fā)電作為中小站區(qū)輔助能源來源建立并細化相應的評價指標。

3) 地熱能：西藏地區(qū)蘊藏著極其豐富的地熱資源,地熱資源位居全國第一。依據(jù)《淺層地熱能利用通用技術(shù)要求》(GB/T 38678—2020)以及《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T 10429—2014)中對鐵路客運站使用地熱泵作為能源供給方式的評價標準，構(gòu)建相應的評價指標。

4) 水能：西藏自治區(qū)內(nèi)水資源十分豐富，是我國水能資源最豐富的地區(qū)之一。本文在分析西藏地區(qū)現(xiàn)有水能發(fā)電情況的基礎(chǔ)上，構(gòu)建對于水能的評價指標。

綜合以上分析，建立清潔能源自身性能綜合評價指標體系，見表2。

表2 清潔能源自身性能評價指標體系Table 2 Clean energy self-performance evaluation index system

在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于G1法和改進DEA的西藏地區(qū)鐵路中小站區(qū)能源供給方式綜合評價模型，計算有效決策單元的效率指數(shù)。

4 G1法和改進DEA基本理論

G1 法即序關(guān)系分析法，是在AHP 法的基礎(chǔ)上簡化賦權(quán)過程的一種主觀賦權(quán)方法，本文選取的改進DEA 模型為一種客觀賦權(quán)方法?？捎行П苊赓x權(quán)過程中因太過客觀而導致的多組評價指標權(quán)重重疊和不切實際的情況。通過主觀偏好系數(shù)，合理的融合G1法與改進DEA 模型從而構(gòu)建綜合賦權(quán)法確定評價指標的綜合權(quán)重。

4.1 基于G1法的指標權(quán)重的確定

G1 法[7]即為指標間逐個比較判斷重要性的一種主觀賦權(quán)方法。在充分體現(xiàn)決策者偏好的基礎(chǔ)上該方法無需構(gòu)建判斷矩陣也無需一致性檢驗，通過簡化賦權(quán)過程更加方便直觀的確定評價指標的權(quán)重。步驟如下：

步驟1 指標間理性排序

若清潔能源供給方式綜合評價指標間滿足如下關(guān)系：Xi>Xj(i,j=1,2,3,…,n)則稱Xi的重要程度高于Xj。

步驟2 評價指標相對重要性判斷

步驟3 權(quán)重系數(shù)的計算

根據(jù)rk的定義進行求積，計算如下，

計算第n個評價指標的權(quán)重，即

4.2 改進的DEA模型

為避免傳統(tǒng)DEA 法[8?10]中可能出現(xiàn)的多組指標權(quán)重重疊的問題，選取一種改進的DEA[11?12]方法進行公共權(quán)重的確定。

4.2.1 定義有效決策單元

通過分析西藏地區(qū)的自然環(huán)境及可加以利用的清潔能源種類，最終選取4種清潔能源，即太陽能、地熱能、風能、水能組成4 個決策單元DMUq(q=1,2,…,4)。從5 個方面對中小站區(qū)能源供給方式進行分析，即每個有效決策單元的輸入指標、輸出指標數(shù)量滿足v+u=5的關(guān)系式。

有效決策單元DMUq的輸入和輸出向量分別記為Xq和Yq，則，

式中：xs,qyt,q分別為有效決策單元DMUq的s個輸入指標值，s=1,2,…,v；第t個輸出指標值，t=1,2,…,u。

則有輸入、輸出指標權(quán)重向量分別為K和G，

構(gòu)造虛擬最優(yōu)、最劣決策單元DMUm+1和DMUm+2，其中m為決策單元的總數(shù)。

最優(yōu)決策單元DMUm+1的輸入和輸出指標值分別記為Xm+1和Ym+1

式中：輸入和輸出指標值分別為實際決策單元中對應評價指標的最大、最小值，則，

同理，可得DMUm+2的輸入、輸出的指標值，即

4.2.2 確定公共權(quán)重

在傳統(tǒng)DEA 模型的基礎(chǔ)上，增加對于最優(yōu)決策單元DMUm+1的約束條件hm+1=1，以實現(xiàn)最劣決策單元DMUm+2的指數(shù)最小為目的，則有，

意為在使得最優(yōu)決策單元DMUm+1的效率指數(shù)最優(yōu)的情況下，達到最劣決策單元DMUm+2的效率指數(shù)最小的目標。以此得到的解，為評價指標的公共權(quán)重。

整體模型即為，

在建立模型之前，對評價指標的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到

4.3 基于G1法和改進DEA的綜合評判模型

參考《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T 10429—2014)及《建筑工程綠色施工評價標準》(GB/T 50640—2010)引入主觀偏好系數(shù)θ，一方面體現(xiàn)2種賦權(quán)方法的優(yōu)越性，另一方面合理融合2種方法形成指標的綜合權(quán)重W′[13]，從而更加準確得出評價結(jié)果。計算公式如下：

式中：W為G1 法指標權(quán)重；W*為改進的DEA 模型指標權(quán)重。

4.4 清潔能源效率指數(shù)的確定

清潔能源供給方式對于中小站區(qū)的適用度通過對應的效率指數(shù)來確定，指數(shù)越大的能源供給方式越適用于該站區(qū)[14]，其計算公式如下：

5 評價過程

本文針對構(gòu)建的評價指標體系，將每種清潔能源供給方式看做為一個決策單元，通過對決策單元縱向分析得出要實現(xiàn)每一種清潔能源供給方式所需考核哪些指標。同時，在同一時間段對于同一站區(qū)選取4種清潔能源進行橫向比較，從而得出能源供給方式的優(yōu)劣排序。

6 實例應用

依據(jù)中國鐵路總公司發(fā)布的《鐵路旅客運輸服務(wù)質(zhì)量規(guī)范》鐵總運([2014]?178)中對客運站的等級劃分，即對中小站區(qū)的定義為三等、四等、五等級別客運站。在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)選取地處高海拔地區(qū)且具備使用多種清潔能源基礎(chǔ)的那曲客運站(三等站)作為評價對象。選取前文所提的西藏地區(qū)鐵路站區(qū)一般可使用的4 種清潔能源，即太陽能、地熱能、風能、水能記為清潔能源A，B，C，D運用本文所提到的方法對那曲站進行能源供給方式的綜合評價，以此為例說明該方法的實用性。

邀請相關(guān)從業(yè)專家及擁有修建青藏鐵路客運站工程經(jīng)驗的施工方人員共25 位，以發(fā)放調(diào)查問卷的形式得到基于表1 及表2 的評價結(jié)果。具體打分規(guī)則按照百分制進行打分，最終得分取其平均值。本次評價共發(fā)放25 份問卷，收回問卷25 份。通過有效性分析后得出4種清潔能源供給方式綜合評價指標集見表3、平均評分見表4。

表3 清潔能源供給方式指標評價標準集Table 3 Set of evaluation criteria for clean energy supply methods

表4 清潔能源供給方式指標評價指標得分Table 4 Index scores of indicators for clean energy supply

6.1 基于G1法的指標權(quán)重的確定

依據(jù)本文構(gòu)建的評價指標體系，通過對前文所提專家問卷的分析和整理。得出指標間的相對重要度排序為：X2>X1>X4>X5>X3,即根據(jù)指標間的相對重要程度，近似給 出r2=1.2,r3=1.4,r4=1.6,r5=1.6?？?得r2r3r4r5=4.300 8,r3r4r5=3.584 0，r4r5=2.240 0，r5=1.600 0。又可得出，r2r3r4r5+r3r4r5+r4r5+r5=11.724 8。

6.2 基于改進DEA法的公共權(quán)重的確定

將清潔能源供給方式在施工技術(shù)、社會效益和其他方面的評價記為投入評價，即：v1，v2和v3，作為輸入指標的投入評價其值越小越好；而清潔能源供給方式在經(jīng)濟、環(huán)境方面的評價為收益評價，記為u1和u2，作為輸出指標的收益評價其值越大越好。構(gòu)造2 個虛擬決策單元即2 個虛擬的清潔能源E5和E6，記為DMU5和DMU6，分別作為最優(yōu)、最劣決策單元。易得DMU5的輸入向量為X5=[69 76 57]T，輸出向量Y5=[93 88]T；DMU6的輸入向量X6=[91 80 80]T,輸出向量Y6=[68 74]T。

對2組新向量進行數(shù)據(jù)歸一化處理，形成新的矩陣E。

以矩陣E為準，根據(jù)前文所提改進DEA 模型的定義，所構(gòu)建的模型為；

6.3 綜合權(quán)重的確定

依據(jù)前文所提的相關(guān)標準，選取偏好系數(shù)為θ=0.6。根據(jù)式(17)可得出綜合權(quán)重為：

6.4 清潔能源供給方式效率指數(shù)的確定

通過得到的各個評價指標的綜合權(quán)重，根據(jù)式(18)得出4種清潔能源效率指數(shù)的優(yōu)劣排序：

同理可得h2，h3，h4效率指數(shù)分別為0.940 7，0.811 1和0.828 9。

根據(jù)計算結(jié)果易得h1的效率指數(shù)最大，代表清潔能源A 即太陽能是最為適用于那曲站區(qū)的清潔能源供給方式。評價結(jié)果也與實際那曲站區(qū)選用太陽能[15]作為站區(qū)能源供給方式相吻合。

7 結(jié)論

1) 從技術(shù)、經(jīng)濟、社會、環(huán)境和其他5 個方面，構(gòu)建西藏地區(qū)鐵路中小站區(qū)能源供給方式綜合評價體系。為地處高海拔山區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱、配套設(shè)施覆蓋不足的西藏鐵路中小站區(qū)積極利用所處地區(qū)豐富的清潔能源資源提供一種新途徑。

2)通過引入主觀偏好系數(shù)，將G1 法與改進的DEA 模型相結(jié)合。在充分體現(xiàn)決策者主觀偏好的基礎(chǔ)上，使評價結(jié)果更加實際、客觀。以此為基礎(chǔ)，計算各清潔能源供給方式的效率指數(shù)，從而進行適用度的優(yōu)劣排序，為西藏地區(qū)鐵路中小站區(qū)優(yōu)選清潔能源供給方式提供了一種新的方法和思路。