考慮多利益主體的電力與通信共享鐵塔綜合效益評估

李凌云，席小娟，齊道坤，李旭陽

（國網河南省電力公司經濟技術研究院，河南省 鄭州市 450000）

0 引言

電力與通信共享鐵塔（以下簡稱“共享鐵塔”）是指在電力鐵塔上加裝通信設備，將光纜、移動天線等通信設施附著在輸電鐵塔本體上，從而實現(xiàn)電力和通信基礎設施資源共享，是共享經濟的典范[1-3]。共享鐵塔借助電力鐵塔加載通信設施，能夠有效緩解通信鐵塔基站重復建設占用土地資源的情況，同時由于電力鐵塔分布密集，在電力鐵塔上加載通信設施能夠有效推動第五代移動通信（5G）等通信網絡快速全面覆蓋，最終實現(xiàn)電網公司和鐵塔、通信公司資源共享和互利共贏[4]。2018年4月24日，國家電網有限公司與中國鐵塔股份有限公司簽訂了戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，已在重慶、湖北、福建三省（市）電力公司開展試點共享合作，中國南方電網有限責任公司也已啟動共享鐵塔應用[5]。構建包含多主體的綜合效益評價方法，提高共享鐵塔的技術經濟價值，對共享鐵塔未來發(fā)展至關重要。

目前，對共享鐵塔的研究多聚焦于通信設施連接和安裝、防雷接地、電磁環(huán)境干擾等關鍵技術方面，對綜合效益的研究較少。文獻[6-7]對共享鐵塔通信設施的具體安裝位置、通信連接方式、鐵塔荷載計算、布置通信機房等進行了探討，為共享鐵塔如何具體應用在工程實踐中提供了參考。文獻[8]聚焦電磁干擾，探討了通信基站天線安裝方式對鐵塔在線監(jiān)測設備的影響。文獻[9-10]均構建了基于經濟效益分析的測算模型，計算了共享鐵塔的凈現(xiàn)值、投資回收期、投資收益率，適用于工程領域經濟效益的具體測算。

關于綜合評價方法和理論的研究相對成熟。文獻[11]從技術、經濟及環(huán)保等方面構建江水源熱泵供能系統(tǒng)指標體系，采用層次分析法-熵權法構建動態(tài)模糊綜合評價模型進行評價。文獻[12]提出了基于解釋結構模型及層次分析法的工業(yè)型城市能源轉型的綜合評價體系。文獻[13]綜合考慮能值可持續(xù)指數(shù)、發(fā)電效率、全生命周期成本3個維度指標，基于灰色關聯(lián)分析法構建了計及能值的中國電力能源系統(tǒng)可持續(xù)性綜合評價體系。文獻[14]從經濟、技術、社會和環(huán)境等方面構建了電動汽車綜合效益評價指標體系，采用區(qū)間數(shù)形式表示的模糊層次分析法對電動汽車的綜合效益進行評價。文獻[15]從電網負荷、配網設備、網架結構和電壓質量等方面構建了配電網經濟運行評價指標體系，運用基于區(qū)間數(shù)的模糊綜合評價方法對城市配電網經濟運行進行評價?？梢?，綜合評價相關理論和方法已廣泛應用于能源系統(tǒng)各類對象的評價。

共享鐵塔產生的綜合效益究竟如何，有哪些指標可以具體體現(xiàn)其所產生的綜合效益，是當前亟待研究的熱點問題。本文首先從共享鐵塔利益主體出發(fā)，對共享鐵塔的綜合效益進行識別并構建評價指標體系，然后結合定性和定量分析，引入區(qū)間數(shù)表征專家判斷信息的模糊性，建立基于區(qū)間數(shù)的共享鐵塔綜合效益評價模型，并對關鍵效益進行量化分析，為共享鐵塔未來發(fā)展提供借鑒。

1 共享鐵塔綜合效益識別及其評價指標體系

1.1 共享鐵塔潛力分析

大規(guī)模建設5G通信設施必須以眾多的鐵塔資源作為基礎支撐，但是由鐵塔公司單獨建設通信基站，或者依靠高鐵、高速資源建立通信基站面臨諸多困難，比如通信基站征地難、配套電力供應困難以及后期運維難度大、費用高等問題。另一方面，隨著人民生活水平的日益提高，偏遠鄉(xiāng)村地區(qū)對5G信號的需求不斷增加，如果鐵塔公司可以使用已有的“社會塔”（如電力鐵塔）資源，將其融合為可以傳遞5G信號的“通信塔”，這樣不僅會降低鐵塔公司建造通信塔的成本，更在一定程度上減輕了鐵塔公司在偏遠地區(qū)單獨組網的壓力。與通信鐵塔資源相比，電力鐵塔資源具有分布區(qū)域廣泛、數(shù)量龐大的特點，而且通信鐵塔和電力鐵塔存在重疊的空間布局。將通信設施安裝架設在電力鐵塔上可有效提高土地資源利用率，降低通信鐵塔建設成本，對于高速鐵路、公路、偏遠農村等場景中的宏站替代和城市中心區(qū)、街道定向等場景的微站建設以及通信站選址困難等問題提供了很好的解決方案，共享價值較大。電力與通信鐵塔在高度、分布位置等方面具有較高的契合度，且電網公司的鐵塔數(shù)量龐大，能很好地滿足鐵塔公司5G建設的需求，共享鐵塔發(fā)展?jié)摿^大。

1.2 共享鐵塔綜合效益識別

共享鐵塔的主要利益主體有三方，分別是電網公司、鐵塔公司和政府。如圖1所示，電網公司作為共享鐵塔的建設方，提供鐵塔資源；鐵塔公司為共享鐵塔的承租方，租用電力鐵塔并支付租金；政府主要發(fā)揮撮合兩方進行資源共享的作用，同時實現(xiàn)一定的環(huán)境和社會效益。下面從電網公司、鐵塔公司和政府不同利益主體方面來對共享鐵塔綜合效益進行識別[16-17]。

1.2.1 電網公司

電網公司在共享鐵塔的過程中，主要負責鐵塔的建設。鐵塔的建設主要取決于輸電線路的規(guī)劃，通過共享建成的輸電鐵塔，電網公司可以盤活固定資產，提高自身資產的收益。具體效益體現(xiàn)為：

1）激活存量資源，獲取租金收益。

電網公司擁有大量的鐵塔及變電站資源，但這些資產對于電網公司來說只是固定資產，用以保障電力輸送，難以直接產生收益。通過將鐵塔共享給通信公司，可以大大提高資產的利用率，激活存量資源的價值，通過收取租金等方式獲得經濟利益。

2）減少通信鐵塔拆遷費用。

當高壓輸電線路經過的路徑上有已建的通信鐵塔時，需要對已有的通信鐵塔進行拆除，電網公司需要向鐵塔公司賠償大量的拆遷費用。但通過共享鐵塔，可以大大減少拆遷費用，因為通信鐵塔拆除后不需要再建新塔，只需要把原有的基站與天線設備轉移到新建輸電線路的鐵塔上即可替代原有的通信鐵塔，減少了鐵塔公司的損失，也降低了電網公司拆遷賠款的費用。

3）有利于推動能源互聯(lián)網建設。

能源互聯(lián)網建設需要將電網與通信網更緊密地結合在一起，強化互聯(lián)互通，共享鐵塔可為電網公司自建通信網絡提供支撐，既可以利用通信運營商的通信網絡進行設備互聯(lián)，也可以通過共享鐵塔實踐通信設備與輸電線路的兼容性，為未來自行建設通信網絡積累經驗。

1.2.2 鐵塔公司

鐵塔公司主要以向通信公司提供通信鐵塔租賃服務而獲取利潤，通過共享鐵塔，減少了自身新建通信鐵塔的成本，大大降低了自身投資的資金壓力，同時也縮短了鐵塔的建設周期。具體效益體現(xiàn)為：

1）減少鐵塔建設投資。

新建一座地面通信塔塔體及基礎平均造價約14.2萬元，占地30 m2，且還需要按年支付一定金額的租金。而通過鐵塔資源共享的方式，可以大大降低鐵塔公司在通信鐵塔建設方面的投資，降低公司運營成本和融資壓力。

2）減少占地費用。

鐵塔公司以往建設的通信鐵塔除了鐵塔本身的建設成本外，還需要支付鐵塔的占地租賃費用，通常是按年支付。通過與電力鐵塔共享，可以省去該費用，實現(xiàn)一定的經濟效益。

3）縮短基站建設周期。

利用已有的電力鐵塔桿體進行基站建設，無需地勘、引電，只需新增天線支架、水泥平臺及配套設備，整站建設時間最短僅需3 d，能快速滿足運營商新建需求。據(jù)中國鐵塔股份有限公司統(tǒng)計，平均每個站可縮短建設周期約60 d。

1.2.3 政府

政府是共享鐵塔建設的推動者。通過推動共享鐵塔的建設，可以實現(xiàn)減少能源消耗、減少占地、降低污染排放、避免重復投資、促進產業(yè)發(fā)展和就業(yè)的目標，提高了整個社會的資源利用效率。具體效益體現(xiàn)為：

1）帶來顯著的環(huán)境效益。

鐵塔的生產與施工會造成一定的污染，包括噪聲污染、溫室氣體排放、污染氣體排放等。共享鐵塔可以避免重復施工，節(jié)約資源的同時減少溫室氣體和污染氣體排放，也避免了機械施工對周邊環(huán)境的噪聲污染，減少了施工過程中對植被土壤的破壞。

2）促進地區(qū)經濟協(xié)調發(fā)展。

隨著社會經濟的發(fā)展，除了人口密度較高的城市外，在人口較少的地區(qū)同樣需要通信網絡的覆蓋。電網公司的鐵塔遍布全國，在各種地形和區(qū)域都建有一定數(shù)量的電力鐵塔，在一些偏遠或人煙稀少的地區(qū)，通信鐵塔建設較為困難，可以共享已有的輸電線路鐵塔，在鐵塔上加裝通信天線與基站，解決這些地區(qū)的信號覆蓋問題，具有較高的社會效益。

3）避免資源浪費。

電力鐵塔的功能單一，僅有傳輸電能的作用，通信鐵塔也只有傳播通信信號的作用，但以上兩種鐵塔的高度、位置、結構強度等都具有較高的相似度，共同建設共享不僅減少了土地資源的浪費，同時也減少了鐵塔大規(guī)模建設造成的鋼鐵資源和能源的浪費。

1.3 共享鐵塔綜合效益評價指標體系

共享鐵塔綜合效益評價指標體系的建立，除了應滿足全面性、客觀性、典型性及可操作性等傳統(tǒng)指標設計原則之外，還應當能夠反映共享鐵塔的建設和運營對參與主體各方面利益的影響。基于此，建立多主體共享鐵塔綜合評價指標體系。根據(jù)上述對共享鐵塔綜合效益的分析，得到了共享鐵塔綜合效益評價指標體系，分為主體層和指標層兩個層級，主體層包含電網公司、鐵塔公司和政府三個主體，指標層共包含12個指標，以定量指標為主，定性指標為輔，各指標間相互獨立，如表1所示。

表1 共享鐵塔綜合效益評價指標體系Table 1 Evaluation index of the comprehensive benefits of shared towers for power and communication

續(xù)表

對表1各指標分析如下：

1）激活存量資源，獲取租金收益。該指標為定量指標，指電網公司將電力鐵塔租賃給鐵塔公司，鐵塔公司向電網公司按年支付租金所獲得的收入，約為1萬元/基[18]。

2）減少通信鐵塔拆遷費用。該指標為定量指標，指未開展共享鐵塔情況下電網公司為保障輸電線路運行安全將通信鐵塔拆遷發(fā)生的費用。

3）有利于推動能源互聯(lián)網建設。該指標為定性指標，指共享鐵塔推動電網公司能源互聯(lián)網建設的作用。

4）減少鐵塔建設投資。該指標為定量指標，指通過將基站安裝在電網公司的輸電鐵塔上，鐵塔公司可以減少自有鐵塔建設，所減少的鐵塔建設成本。以30 m三管塔為例，塔桅改造、機房、動力配套、外市電引入總造價約11萬元，而新建塔相應造價約22萬元，鐵塔公司節(jié)約投資11萬元/基。

5）減少占地費用。該指標為定量指標，指鐵塔公司不需要自建鐵塔的情況下，可以減少的通信鐵塔占地租賃成本，即通信鐵塔占地年租金。

6）縮短基站建設周期。該指標為定量指標，指通過不同建設方式建成通信鐵塔的時間。從進度來看，共享鐵塔可以使通信基站的建設周期大為縮短，共享用電力塔無需地勘、引電，只需新增天線支架、水泥平臺及配套設備，整站建設時間最短僅需3 d，能快速滿足運營商新建需求。

7）帶來顯著的環(huán)境效益。該指標為定量指標，主要是指CO2、SOx、NOx等溫室氣體或污染物的減排效益。共享鐵塔避免了重復施工，大大降低了施工過程中帶來的污染排放，可以用各種方案在施工與建設中溫室氣體和污染氣體的排放水平表示。

8）促進地區(qū)經濟協(xié)調發(fā)展。該指標為定性指標，指不同方案對地區(qū)經濟發(fā)展的影響。共享鐵塔在5G建設、經濟欠發(fā)達地區(qū)信號覆蓋等方面具有一定作用，從而推動地區(qū)經濟協(xié)調全面發(fā)展。

9）避免資源浪費。該指標為定量指標，指共享鐵塔方案較常規(guī)方案減少的鋼材、線材等資源消耗，以鋼材、線材量表示。

2 基于區(qū)間數(shù)的共享鐵塔綜合效益評價模型

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種常見的評價方法，通常采用1～9標度構造判斷矩陣，用特征根法計算得出權重向量[19]。但是，隨著AHP理論的發(fā)展和實際應用的需要，越來越多的學者把模糊思想和方法引入到層次分析中，采用0.1～0.9標度構造互補判斷矩陣，通過可能度轉換公式把互補判斷矩陣變成互補一致性判斷矩陣，并利用行和歸一化方法求出權重向量[20]。由于判斷的不確定性，在采用0.1～0.9標度進行兩兩比較時可能無法得到確定的數(shù)值，需要引入[0,1]區(qū)間數(shù)形式。

本文以模糊綜合評價法為基礎，首先構建因素集和評語集，再計算權重向量和模糊評判矩陣，將模糊評判矩陣與因素權集進行模糊運算并歸一化，最后得到模糊評價結果。在計算權重向量時，運用了區(qū)間數(shù)互補判斷矩陣和可能度轉換公式，較傳統(tǒng)層次分析法省去了對判斷矩陣一致性檢驗的過程，彌補其計算冗雜的缺點，同時由于引入區(qū)間數(shù)，能夠較好地表示專家對信息判斷和認識的模糊性，使得評價結果更為接近真實情況。

基于區(qū)間數(shù)的共享鐵塔綜合效益評價分析流程如圖2所示。

2.1 構建因素集和評語集

構建因素集時，設第一層因素集U，包含n個因素，表示為U ={u1,u2,u3, … , un}，第二層因素集中，第i個因素包含m個子因素，表示為Ui={ui1, ui2, ui3,… , uim}。構建評語集時，需要對每個指標都進行等級評定，假設等級共有s個，那么評語集便可以表示為V ={v1,v2,v3,… , vs}。

2.2 計算權重向量

1）構建區(qū)間數(shù)互補判斷矩陣。

專家根據(jù)0.1～0.9九標度法的要求，對需要評價的指標兩兩之間進行比較，便可構建區(qū)間數(shù)互補判斷矩陣A，即

式中：

0.1～0.9九標度法是常用的構建互補判斷矩陣的方法[21-23]，標度值如表2所示。

表2 0.1～0.9九標度法及其含義Table 2 0.1～0.9 nine-scale method and its meaning

2）計算區(qū)間數(shù)表示的權重向量。

對互補判斷矩陣A的行進行求和計算，然后歸一化，得到以區(qū)間數(shù)形式表示的權重向量，即

式中：

3）構建可能度矩陣。

根據(jù)可能度公式兩兩比較以區(qū)間數(shù)表示的權重向量，計算得到可能度矩陣P，即

4）計算權重向量。

對可能度矩陣P的行求和，然后歸一化，計算獲得權重向量，即

式中：

2.3 做單因素評判，確定模糊評判矩陣

綜合分析單個指標隸屬于評語集的程度，構建評判矩陣Ri：

對評判矩陣的行求和，其值為1，即

2.4 多層次模糊綜合評價

1）一級模糊綜合評價。

第二層評價指標計算得到的權重矩陣乘以單因素模糊評價矩陣，即

式中：符號?為合成運算中的取大取小算子。

2）二級模糊綜合評價。

3 案例研究

本文以某省電力公司共享鐵塔典型工程為例進行研究，采用基于區(qū)間數(shù)的模糊綜合評價法對其進行綜合效益評價。

該典型工程為220 kV線路工程，平地地形，路徑長度40 km，直線塔采用酒杯型鐵塔，耐張塔采用干字形鐵塔，靜態(tài)投資3399萬元，其中桿塔與基礎工程投資1312萬元，共計117基塔，輸電鐵塔加掛通信設備。本文分析共享鐵塔建設情景較非共享鐵塔建設情景帶來的綜合效益。

3.1 構建因素集和評語集

由上文可知，評價對象為共享鐵塔典型工程的綜合效益。第一層因素集包含3個因素，表示為U={u1,u2,u3}={電網公司，鐵塔公司，政府}。第二層因素集中，電網公司子因素集表示為U1={u11,u12,u13}={激活存量資源、獲取租金收益，減少通信鐵塔拆遷費用，有利于推動能源互聯(lián)網建設}；鐵塔公司子因素集表示為U2={u21,u22,u23}={減少鐵塔建設投資，減少占地費用，縮短基站建設周期}；政府子因素集表示為U3={u31,u32,u33}={帶來顯著的環(huán)境效益，促進地區(qū)經濟協(xié)調發(fā)展，避免資源浪費}；評語集分為5個等級，表示為V={v1,v2,v3,v4,v5}={很好，較好，一般，較差，很差}。

3.2 計算權重集

根據(jù)0.1～0.9九標度法要求，對評價指標兩兩之間進行比較，得到區(qū)間數(shù)互補判斷矩陣。電網公司、鐵塔公司和政府的區(qū)間數(shù)互補判斷矩陣為

根據(jù)式 （3）—（4）計算得到電網公司、鐵塔公司和政府以區(qū)間數(shù)形式表示的權重向量為

根據(jù)式（5）—（6）計算得到電網公司、鐵塔公司和政府可能度矩陣為

再根據(jù)式（7）—（8）計算得到電網公司、鐵塔公司和政府的權重向量為

3.3 確定總模糊評判矩陣

基于共享鐵塔綜合效益的因素集和評語集，專家進行打分，得出電網公司、鐵塔公司和政府的模糊評判矩陣為

3.4 多層次模糊綜合評價

作二級模糊綜合評價，兩兩比較電網公司、鐵塔公司、政府三方面綜合效益，得到一級指標權重=（0.334,0.416,0.250）。

Q=（0.37,0.28,0.17,0.11,0.08）

根據(jù)最大隸屬度原則可知，共享鐵塔綜合效益等級為最高級“很好”，即共享鐵塔綜合效益可觀。

進一步地，通過計算各評價指標的權重，可以判斷共享鐵塔綜合效益體現(xiàn)的主要方面，各指標的權重如表3所示。

表3 共享鐵塔綜合效益評價表Table 3 Evaluation of the comprehensive benefits of shared towers for power and communication

從表2可以看出，在9個評價指標中，總權重較高的是減少鐵塔建設投資，激活存量資源、獲取租金收益，帶來顯著的環(huán)境效益等指標，說明電力與通信共享鐵塔的綜合效益主要體現(xiàn)在這幾個方面，是影響共享鐵塔未來發(fā)展的關鍵因素。

選取前兩個關鍵效益進行量化分析，減少鐵塔建設投資為11萬元/基，年租金收益為1萬元/基，租賃期限15 a，折現(xiàn)率8%，則租賃期內該共享鐵塔典型工程將實現(xiàn)效益2976萬元，具有較好的經濟效益。

4 結語

共享鐵塔的根本目的是實現(xiàn)電網公司和鐵塔公司資源共享和互利共贏。共享鐵塔作為“共享經濟”的典范，已得到電網公司和鐵塔公司的高度關注和大力推動，能夠有效推動能源互聯(lián)網企業(yè)建設。本文從電網公司、鐵塔公司和政府三方面多主體角度構建了共享鐵塔綜合效益評價指標體系，提出基于區(qū)間數(shù)的模糊綜合評價方法用于評估共享鐵塔的綜合效益，主要結論如下。

1）共享鐵塔的利益主體分為三方，分別是電網公司、鐵塔公司和政府，通過共享鐵塔，電網公司、鐵塔公司都能獲得較好的技術和經濟效益，電網公司盤活了資產，鐵塔公司節(jié)省了投資，同時政府還可獲得節(jié)能減排、減少占地、促進經濟等方面的社會效益。

2）從不同利益主體的角度出發(fā)總結出影響共享鐵塔未來發(fā)展的指標，包括減少鐵塔建設投資，激活存量資源、獲取租金收益，帶來顯著的環(huán)境效益指標等，這些是影響共享鐵塔長遠發(fā)展的關鍵因素。典型工程測算得到效益2976萬元，證明了共享鐵塔具有較好的經濟效益。

3）以模糊綜合評價法為基礎，引入區(qū)間數(shù)表征專家判斷信息的模糊性，使評價更為合理。評價結果表明共享鐵塔綜合效益可觀，結果與實際相符，從而驗證了評價指標的合理性以及基于區(qū)間數(shù)的評價模型的有效性。

本文量化分析僅限于關鍵的減少鐵塔建設投資和租金收益等指標，未來可結合更多的實際共享鐵塔項目，對其他量化指標細化測算，進一步明確共享鐵塔綜合效益。