滿朝翰

(中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京 100081)

節(jié)能管理與技術

灰色關聯(lián)分析在鐵路節(jié)能指標影響因素分析中的應用

滿朝翰

(中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京 100081)

本文針對鐵路節(jié)能指標的影響因素分析問題，以單位運輸工作量綜合能耗和能耗總量作為研究對象，針對兩項指標選取了多項影響因素，采用灰色關聯(lián)分析方法對各項影響因素的影響程度進行定量計算，根據(jù)計算結果為鐵路運輸企業(yè)節(jié)能工作的開展提出了一些探討性建議。本文旨在鐵路節(jié)能指標分析研究工作提供了一種準確、科學的計算方法，為鐵路運輸企業(yè)的節(jié)能工作開展提供了理論基礎。

單位運輸工作量綜合能耗；能耗總量；影響因素；灰色關聯(lián)分析

1 概述

鐵路節(jié)能指標是反映鐵路運輸企業(yè)節(jié)能工作水平的技術指標，能夠真實客觀地反映企業(yè)的能源使用效率，是開展節(jié)能管理和技術改造工作的理論基礎[1]，其中單位運輸工作量綜合能耗(以下簡稱“綜合單耗指標”)和能耗總量是反映鐵路運輸企業(yè)節(jié)能工作水平的最重要指標，而這兩項指標均被牽引能耗、非牽引能耗、電氣化率等多項因素所影響，目前節(jié)能管理人員只能對兩項指標的變化情況進行定性的分析和解釋，缺少對各個影響因素的影響程度進行定量分析。

本文以2010—2015年的綜合單耗指標和能耗總量為研究對象，采用灰色關聯(lián)決策方法對二者的各項影響因素的影響程度進行了量化分析，為節(jié)能指標影響因素研究提供新的思路和方法，旨在為節(jié)能工作關鍵環(huán)節(jié)的分析和節(jié)能工作的開展提供指導和依據(jù)。

2 節(jié)能指標影響因素分析

綜合單耗指標為每完成單位運輸工作量(換算周轉量，百萬換算噸公里)實際消耗的能源折算標煤總量[2]，此項指標與能耗總量作為反映鐵路運輸企業(yè)的主要能源消耗情況的重要指標，在一定程度能夠準確的衡量企業(yè)能源利用水平和節(jié)能工作水平。如圖1所示，2010年-2015年國鐵綜合單耗指標和能耗總量數(shù)據(jù)[3-8]均處于下降的趨勢，綜合單耗指標只是在2015年有所上升。相對于2010年，2015年的綜合單耗指標下降了6.5%，能耗總量下降了9.6%，說明“十二五”國鐵整體能效水平逐年提高。

圖1 2010年-2015年綜合單耗指標和能耗總量

綜合單耗指標和能耗總量均涵蓋了企業(yè)的全部運輸生產(chǎn)和生活環(huán)節(jié)，包括了運輸牽引作業(yè)能耗(機車和發(fā)電車能耗)、運輸生產(chǎn)經(jīng)營性作業(yè)能耗(機務、車務、車站、工務、電務、車輛、供電等站段能耗)以及輔營用能(公寓、住宅等生活能耗)，所以影響二者變化的因素較多。

本文選取了多項主要的影響因素指標作為研究對象，能耗總量的影響因素指標包括電力機車電力消耗量、內(nèi)燃機車柴油消耗量、非牽引能耗以及運輸工作量。綜合單耗指標的影響因素指標包括電氣化率、有效運量系數(shù)、機車單位牽引工作量綜合能耗(以下簡稱“機車單耗”)以及非牽引能耗所占比例，如圖2和圖3所示。

圖2 綜合單耗指標影響因素

圖3 能耗總量影響因素

2.1 電氣化率

電氣化率是影響鐵路能效水平的重要因素，由于電力機車的能效水平高于內(nèi)燃機車，電氣化率的提高能夠增加電力機車的使用比例和承擔的工作量，能夠提高機車牽引的能效水平，對綜合單耗指標也有一定的影響。

2.2 有效運量系數(shù)

有效運量系數(shù)為鐵路運輸完成的換算周轉量(萬換算噸公里)與機車完成的牽引工作量(萬總重噸公里)之比。此項指標雖然沒有與能源消耗直接相關，但是有效運量系數(shù)是直接反應運輸效率的指標，運輸效率越高，相應的能源利用率也會越高，對綜合單耗指標產(chǎn)生著一定的影響[9]。

2.3 機車單耗

機車是鐵路運輸企業(yè)最主要的耗能設備，是滿足運輸需求，完成工作量的重要工具。機車單耗是衡量鐵路機車牽引能效水平的重要指標，直接影響鐵路整體能效水平，同時此項指標也受到電力、內(nèi)燃機車能效水平和工作量等因素的直接影響，故本文對此項指標的影響因素也進行研究，其影響因素指標包括內(nèi)燃機車單位牽引工作量能耗、電力機車單位牽引工作量能耗以及電力機車承擔牽引工作量比例，如圖4所示。

圖4 機車單耗影響因素

2.4 非牽引能耗所占比例

非牽引能耗所占比例是反映鐵路運輸企業(yè)能源用途的重要指標，非牽引中的機務、工務、采暖、制冷等環(huán)節(jié)未直接完成客貨運業(yè)務，但要納入能耗總量中，非牽引能耗比例越高，在一定程度上說明能源使用效率越低，所以非牽引能耗占總能耗的比例能夠在一定程度上反映鐵路運輸企業(yè)的能源使用效率。

2.5 電力機車電力消耗量、內(nèi)燃機車柴油消耗量

鐵路運輸企業(yè)的能源種類以電力和燃油為主，電力以牽引用電為主(占用電總量的60%左右)，燃油以牽引用油為主(占燃油總量70%左右)，所以這兩項指標在很大程度上影響著能耗總量。

2.6 運輸工作量

運輸工作量即總換算噸公里，目前鐵路運輸企業(yè)以運輸工作量為計量產(chǎn)出，直接反應鐵路運輸生產(chǎn)成果，而企業(yè)所消耗的各種能源最終目的也是完成運輸工作量，所以運輸工作量的大小對能耗總量產(chǎn)生很大的影響。

3 灰色關聯(lián)分析

灰色系統(tǒng)由鄧聚龍在20世紀80年代創(chuàng)立，是研究不確定性問題的一種方法，其差異信息原理正適合于解決影響因素分析問題中的影響因素較多，相互影響，部分指標相互關聯(lián)的問題[10]。

灰色關聯(lián)是指事物之間的不確定關聯(lián)，是系統(tǒng)因子之間、因子對系統(tǒng)主行為之間的不確定關聯(lián)?；疑P聯(lián)分析的目的是基于行為因子序列的微觀或宏觀幾何接近，以分析和確定因子之間的影響程度或因子對主行為的貢獻測度。

灰色關聯(lián)決策分析的基本思路是根據(jù)事物或因素的序列曲線幾何形狀來判斷其聯(lián)系程度，若兩條曲線的形狀彼此相似，則關聯(lián)度大計算值越接近1；反之，關聯(lián)度就小，計算值越接近0，灰色關聯(lián)分析旨在尋求系統(tǒng)中各子系統(tǒng)(或因素)之間的數(shù)值關系，對于一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢提供了量化的度量，所以灰色關聯(lián)決策非常適合鐵路節(jié)能指標影響因素的定量分析。

3.1 灰色關聯(lián)決策分析計算方法

3.1.1 確定參考數(shù)列和比較數(shù)列

3.1.2 參考數(shù)列和比較數(shù)列的無量綱化處理

由于參考數(shù)列和比較數(shù)列中的各項指標代表的意義不同，計量單位不同，導致各個數(shù)據(jù)之間不便于比較，或在比較時難以得到正確的結果，故此在進行灰色管理決策分析時要對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理[11]，處理方法如下：

(i=1,2,…,n;k=1,2,…K)

式中：

Q——某個參考數(shù)列集合；

Q′(k)——參考數(shù)列集合中經(jīng)過無量綱化處理后數(shù)據(jù)；

P——某個比較數(shù)列集合；

n——每個參考數(shù)列集合中的變量數(shù)量，即影響因素指標數(shù)量；

K——每個變量所包含的元素個數(shù)，即K=6。

根據(jù)上述的方法進行無量綱化處理，計算結果如表1～表3。

表1 綜合單耗指標及影響因素指標無量綱化計算結果

123456a1 05961 00671 00250 97920 96230 9898b10 86970 92190 97601 00961 08801 1347b21 01191 01191 01191 01190 96910 9834b31 04421 02421 01410 98880 93370 9950b40 89510 94830 97691 01681 04871 1142

表2 機車單耗及影響因素指標無量綱化計算結果

123456u1 04421 02421 01410 98880 93370 9950c10 97840 98210 99321 01171 00801 0266c20 99560 97810 99270 99081 00441 0384c30 88330 94830 98291 02761 06121 0969

表3 能耗總量及影響因素指標無量綱化計算結果

123456x1 02021 04081 02931 01750 97060 9216y10 89730 98191 01811 04821 04741 0071y21 30811 18071 07570 95670 81760 6613y30 91540 98961 00811 03721 02041 0295y40 96091 03161 02581 03661 01630 9288

3.1.3 計算灰色關聯(lián)度

本文采用絕對關聯(lián)度計算方法對關聯(lián)度計算，其基本思路就是按照各指標的時間序列曲線的變化勢態(tài)的接近程度來計算關聯(lián)度，接近程度指的是在對應各時段上曲線的斜率的接近程度來判定的，兩個曲線在各時段的斜率相等或相差較少，則二者的關聯(lián)系數(shù)較大，相反則較小。

k=2,3,…,K

關聯(lián)度為

本文采用MATLAB軟件對關聯(lián)度進行計算，計算結果見表4～6。

表4 綜合單耗指標影響因素計算結果

b1b2b3b4a0 93800 97620 97820 9459

表5 機車單耗影響因素計算結果

c1c2c3u0 96480 97200 9414

表6 能耗總量影響因素計算結果

y1y2y3y4x0 96030 90150 95930 9723

3.2 計算結果分析

3.2.1 綜合單耗指標

根據(jù)計算結果，綜合單耗指標的各項影響因素的影響程度排序為：機車單耗>有效運量系數(shù)>非牽引能耗所占比例>電氣化率。

其中機車單耗的各項影響因素的影響程度排序為：電力機車單位牽引工作量能耗>內(nèi)燃機車單位牽引工作量能耗>電力機車牽引工作量比例。

由此可知，機車單位牽引工作量綜合指標對綜合單耗指標的影響程度最大，說明在2010年—2015年間機車牽引能效水平在最大程度上影響著國鐵的整體能效水平，其中以電力機車單位牽引工作量能耗對機車牽引能效水平影響最大。

3.2.2 能耗總量

根據(jù)計算結果，能耗總量的各項影響因素的影響程度排序為：運輸工作量>電力機車電力消耗量>非牽引能耗>內(nèi)燃機車柴油消耗量。

由此可知，國鐵所完成的工作量直接影響著能耗總量，其次為電力機車電力消耗量。

3.2.3 綜合分析

根據(jù)上述結算結果可知，對綜合單耗指標和能耗總量指標影響程度最大的因素是機車牽引環(huán)節(jié)，其中以電力機車能效水平為主。鐵路運輸企業(yè)首先要將節(jié)能工作重心一定程度上向提高電力機車牽引能效水平方向轉移，加快淘汰老舊電力機車，提高司機操縱水平，降低電力機車單位牽引工作量綜合能耗，最大程度上提高鐵路整體能效水平，并在完成工作量的前提下，降低電力機車電力消耗總量，進而控制鐵路運輸企業(yè)的能源消耗總量。

其次要提高有效運量系數(shù)，合理安排空車和重車比例，提高重車所占比例，最大程度上提高有效運量系數(shù)，提高總體運輸效率和能源利用效率。

再次要控制非牽引能耗量，采用新能源和可再生能源技術替代既有燃煤鍋爐，加快推進既有鍋爐并入市政熱力和鍋爐自并網(wǎng)工程，最大程度上降低非牽引能耗比例。

最后還要將提高電氣化率和內(nèi)燃機車能效水平作為節(jié)能工作的主要內(nèi)容，加快電氣化改造進程，使其一定程度上促進綜合單耗指標和能耗總量的降低。

4 結論

本文所使用的灰色關聯(lián)分析方法能夠對影響節(jié)能指標的各項影響因素進行相對定量計算，在一定程度上避免了主觀定性分析所產(chǎn)生的誤差，為鐵路節(jié)能指標分析研究提供了一種科學的方法。

[1] 李軍,崔立明,劉彥峰.鐵路運輸企業(yè)節(jié)能環(huán)保對標指標體系的構建與應用[J].中國鐵路,2014(5):59-62.

[2] 中華人民共和國鐵道部.鐵路運輸企業(yè)能源消耗與節(jié)約統(tǒng)計規(guī)則[Z].北京:中國鐵道出版社, 2006.

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[4] 鐵道部統(tǒng)計中心. 中華人民共和國鐵道部2011年鐵道統(tǒng)計公報[J].中國鐵路，2012(5):9-14.

[5] 鐵道部統(tǒng)計中心. 中華人民共和國鐵道部 2012 年鐵道統(tǒng)計公報[N].人民鐵道,2013-03-13(A02).

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[7] 國家鐵路局.2014年鐵道統(tǒng)計公報[EB/OL].http://www.nra.gov.cn/fwyd/zlzx/hytj/201504/t20150427_13281.htm,2015-04-27/2016-8-1.

[8] 國家鐵路局.2015年鐵道統(tǒng)計公報[EB/OL]. http://www.nra.gov.cn/fwyd/zlzx/hytj/201603/t20160303_21466.htm,2016-03-03/2016-8-1.

[9] 黃茵,謝漢生,滿朝翰.鐵路運輸企業(yè)能效對標管理體系研究—以某鐵路運輸企業(yè)為例[J].中國環(huán)境管理,2013,5(3):88-91.

[10] 劉思峰,黨耀國,方志耕.灰色系統(tǒng)理論及其應用[M].北京:科學出版社,2007.

[11] 孫玉剛.灰色關聯(lián)分析及其應用的研究[D].南京:南京航空航天大學,2007.

Application of Grey Incidence Analysis in Analysising Railway Energy Saving Index of Influencing Factos

MAN Chaohan

(EnergySaving&EnvironmentalProtection&OccupationalSafetyandHealthResearchInstitute,
ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China)

This paper is to study the influence factors of energy saving index to analyze problems, the comprehensive energy consumption per unit transportation workload and energy consumption are the research objects, according to two indicators,this paper select a number of factors,and uses grey correlation analysis method to calculate the influence degree of various factors affecting and sorted，and puts forward some suggestion about the railway transportation energy saving work.This aims to railway energy-saving index analysis research work provides an accurate and scientific calculation method, and provides energy-saving work of the railway transport enterprise to carry out the theoretical basis.

the comprehensive energy consumption per unit transportation workload； energy consumption； influencing factor； grey incidence analysis

2016-08-24；

2016-09-21

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題《鐵路節(jié)能技術研究——鐵路節(jié)能指標分析及對策研究》(編號：2015Z005-B)

滿朝翰(1986—)，男，吉林遼源人，工程師，主要從事節(jié)能環(huán)?？茖W研究工作。

2095-1671(2016)05-0230-05

TK01+<8 class="emphasis_bold">8 文獻標志碼：B8

B