基于AHP-模糊綜合評價法的興泉鐵路寧化至泉州段線路方案對比研究

楊文昕,余 磊,周 錟,文 章

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 3.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

興國至泉州鐵路寧化至泉州段位于閩西南地區，線路西起福建省三明市寧化，經清流、明溪、三明、永安、大田進入泉州市，并通過德化、永春、安溪和南安等市縣，終至福建省泉州市。

興國至泉州鐵路是東南沿海泉州港通往內陸縱深主要集疏運通道，同時是蒙華鐵路重要的下海大通道，興國端與擬建蒙華鐵路和既有京九鐵路相連，并經在建和擬建贛衡、懷邵衡、滬昆、渝懷和湘桂等鐵路，可分別通往華中、內蒙、西南、西北地區；中部在永安與鷹廈鐵路相連，形成泉州、華中、西南地區至三明地區的便捷通道；東端與既有福廈鐵路以及眾多的港口支線有機銜接，共同形成海西經濟區鐵路網。

1.1 地形地貌

線路起于三明寧化，翻越玳瑁山、戴云山等山脈，途經寧都盆地、石城盆地及永安盆地，跨越東溪(寧化)、沙溪(永安)、晉江東溪(南安)、洛陽江等江河，終于泉州惠安。線路經過構造剝蝕中低山、構造剝蝕低山丘陵及濱海平原、臺地區3個地貌單元。

葛洲至安溪段地形特征為構造剝蝕中低山區，自然坡度較陡峭，溝谷縱橫，切割較深，以“V”形谷為主，線路穿越了戴云山山脈，經過的主要經濟據點為大田縣、德化縣、永春縣。

1.2 方案的提出

線路方案比選段位于三明市所屬范圍，沿線的自然資源比較豐富，但交通基礎設施相對薄弱，資源利用不充分。三明市是福建省最重要的煤炭基地。已探明工業儲量為4.9×108t，占全省儲量49%；其中永安儲量為2.515×108t，占全市儲量的51.33%。三明市已探明的鉛礦床共有19處，儲量為40.25×104t，占全省儲量的32%，分布于大田縣、將樂縣、清流縣和三明市區。區域環境敏感區包括大田縣一頂尖森林公園、大田大仙峰省級自然保護區、安溪清水巖省級風景名勝區以及多個水源保護區。區間內有一處斷裂帶，對線路方案影響較大[1]。

結合沿線經濟據點分布、地形、地質、采空區、環保敏感點等條件，本段線路走向方案研究了經大田—德化—永春縣方案(以下簡稱方案I)、和平溪—桂洋鄉取直方案(以下簡稱方案Ⅱ)、陳祠—湖頭鎮取直方案(以下簡稱方案Ⅲ)3個方案[2-5]，詳見圖1。

圖1 葛洲至安溪段方案示意

1.3 方案概述

(1)大田—德化—永春縣方案(方案Ⅰ)

本方案自方案比較起點引出后，穿南屏山隧道至溪尾村，又穿筆架山隧道至小湖村，出站后下穿泉三高速公路，于大田縣城北部距縣政府約1.1 km處設大田站，出站后線路沿東南向前行，經上洋、洋田村，穿戴云山隧道，于蓋德鎮南側設德化站(此站址距縣城約5 km)，出站線路折向南而行，經馬跳、美林至永春縣城西側達埔鄉設永春站，線路繼續南行進至方案比較終點。該方案正線建筑長度114.22 km，橋隧總長104.139 km，橋隧比91.17%。

(2)和平溪—桂洋鄉取直方案(方案Ⅱ)

本方案自方案比較起點引出后，穿南屏山隧道至溪尾村，穿龍母山隧道，于高洲村附近設大田站(此站址距縣城約11 km)，出站后穿屏山隧道、濟陽隧道，于桂洋鎮西南側設站，后接大田—德化—永春縣方案至方案比較終點。該方案線路長度85.99 km，橋隧總長83.200 m，橋隧比96.76%。

(3)陳祠—湖頭鎮取直方案(方案Ⅲ)

本方案自方案比較起點引出后，穿吾祠隧道沿東南向前行，先后經陳祠鎮、湖頭鎮、金谷鄉后至方案比較終點。該方案正線建筑長度93.76 km，橋隧總長89.06 km，橋隧比94.99%。

該方案所經地區地質構造復雜，基本沿永安-晉江斷裂帶行進，受斷裂帶的影響，斷裂帶影響范圍內巖體風化強烈，巖體破碎，強度低，工程穩定性差，特別是軟質巖地段，故對路基高邊坡、隧道的圍巖完整性和穩定性影響較大，隧道多以較差～差的圍巖為主，存在大量的不良地質現象，工程地質條件復雜，工程風險大。

此外，此方案完全遠離了大田縣、德化縣及永春縣，沿線只經過了幾個鄉鎮，未經過縣級經濟據點，對沿線經濟發展帶動不大，綜合考慮此方案的不良地質情況以及三明市城市總體規劃，舍棄該方案。

2 運用AHP-模糊綜合評價的方法進行方案比選

2.1 AHP-模糊綜合評價法簡述

鐵路線路方案比選是復雜的多目標決策問題。它涉及因素眾多，既有工程量、工程費等技術經濟方面的定量指標，又有環境影響、社會意義等定性指標，傳統的評價方法是在追求換算工程運營費最省的基礎上，結合對各方案的技術條件、環境影響和社會作用等定性指標的分析，得出最佳方案，但這種方法無法將定量指標和定性指標統一起來進行評價，從而確定出一個較優方案[6]。

AHP-模糊綜合評價法綜合了層次分析法與模糊綜合評價法，即決策者首先應用層次分析法建立能夠包含和計量全部可以定量測定的和只能定性研究的重要因素的模型，并輔以專家打分的方法(德爾菲法)來確定各指標的權重，然后采用多層次模糊綜合評價法對線路方案進行綜合評價[7-10]。其技術路線如圖2所示。

圖2 AHP-模糊綜合評價法框架

2.2 建立層次結構模型

根據對該線路比選段各方案的了解和初步分析，發現影響該線路方案取舍的關鍵在于既要滿足技術可行性，又要盡量降低經濟成本。因此，將技術和經濟相關的指標分別納入技術子系統和經濟子系統；考慮到近年來國家對環境的重視，應盡量降低工程施工對環境的影響，故構造環境子系統參與評價；社會子系統的構成主要是為了評估各線路方案對沿線地區經濟的帶動，以及對地方、對國家的意義，使該線路的社會影響達到最優。參考文獻[11-12]，并在眾多指標中選取典型指標征詢專家意見，以此建立線路方案評價層次結構模型的目標層(A)、準則層(B)和指標層(C)。如圖3所示。

圖3 層次結構模型

2.3 方案Ⅰ和方案Ⅱ在各準則層上的比較

(1)在技術準則層上的比較

從地質地形方面分析，方案Ⅰ和方案Ⅱ地質條件基本相似，巖性以砂泥巖、花崗巖、凝灰熔巖為主，穿含煤地層，主要工程地質問題為侵入巖蝕變帶、瓦斯，部分段落為順層，對工程影響較大[1]。

另外，從方案Ⅰ和方案Ⅱ的相關數據比較(表1)可以看出，方案Ⅱ較方案I線路縮短20.46 km，橋隧總長減少15.08 km(橋梁總長減少5.568 km，隧道總長減少9.509 km)，投資共減少12.969億元。且方案I主要工程數量更大，拆遷工程數量更大。因此綜合技術準則層，方案Ⅱ較優。

(2)在經濟準則層上的比較

方案I沿線經過了大田、德化、永春3個縣級經濟據點，并充分結合城市發展規劃和地方意見，在縣城附近設站，便于旅客出行及貨物運輸，能很好地帶動沿線地方經濟發展；方案Ⅱ的大田站站位和德化站站位距離縣城分別約11 km和20 km，與城市發展規劃不符，旅客出行不便，貨物運輸距離長，不利于客貨運輸及帶動沿線經濟發展。從上述內容來看，方案Ⅰ更優。但從工程投資、運營費用及拆遷費用方面來看，方案I消耗較大，方案Ⅱ更優。

(3)在環境準則層上的比較

在環境準則層上，由于兩個方案相距較近，受地質地形的影響基本相同。但由于方案Ⅱ線路穿越了大田一頂尖森林公園約1.7 km，且線路緊貼大田大仙峰省級自然保護區，因此從線路破壞沿線環境的程度上來看，方案Ⅱ比方案Ⅰ略大一些。

表1 方案Ⅰ、方案Ⅱ相關工程量比較

(4)在社會準則層上的比較

方案Ⅰ沿線大田、德化、永春等縣的煤炭、花崗巖、石灰石等礦產資源豐富，且三地均為原中央蘇區縣，經濟綜合實力較弱且發展緩慢。該方案對支撐沿線資源開發和老區的經濟發展意義重大，能起到促進沿線資源開發，加快革命老區經濟發展的重要作用。

2.4 各項指標權重計算

采用層次分析法對各項指標進行權重計算。由在鐵路線路方面具有豐富工作經驗的專家對各項指標進行絕對評價，再基于1-9標度法將絕對評價數據進行兩兩比較，構造判斷矩陣，經過一致性檢驗和歸一化處理后得到權重[13-15]。其求解模型如圖4所示。

圖4 指標層權重求解模型

為滿足兩兩對比的評判之間存在一致性，各矩陣的非零最大特征根λmax需滿足

(1)

其中，獲取平均隨機一致性指標RI值的方法是，通過隨機方法分別對n=1～10階各構造500多個樣本矩陣，并計算其一致性指標CI值，然后獲得平均值[16]。參考以往文獻可得表2。

表2 平均隨機一致性標度RI

對準則層元素的權重進行決策和計算，其判斷矩陣如表3所示。

表3 準則層元素判斷矩陣u

λmax=4.122 1，CR=0.045 8<0.1，符合一致性檢驗。

歸一化權重為

同理，可對各準則層子指標的權重進行決策和計算，得技術、經濟、環境、社會子系統歸一化權重分別為

其結果均符合一致性檢驗。

2.5 確定單因素評價矩陣

將評價材料分發給5位專家，在對方案進行打分評價時，采用備擇集

V={1，2，3，4，5}={很差，較差，一般，較好，很好}

由5位專家為每個特定指標提供評分[7]。整理兩種方案各子系統指標的單因素評價得分，是贊成指標為第k種評價的票數。

令

(2)

表4 各因素評價

2.6 兩方案的模糊綜合評價

(1)一級模糊綜合評判

(3)

(2)二級模糊綜合評判

(4)

(3)清晰化處理

采用公式(5)對上述所得值進行清晰化處理

(5)

通過清晰化處理得到的數值分別為兩個方案的模糊綜合評價的最終得分，其值域為[1，5]，分值越高的方案即為綜合考慮技術、經濟、環境和社會四方面因素情況下的較優方案。計算得兩方案的模糊綜合評價結果為

BI=3.478>BII=2.983

即方案Ⅰ更優。

2.7 評價結論

方案Ⅰ與方案Ⅱ的優缺點都很明顯，通過AHP-模糊綜合評價的結果，直觀地反映出方案Ⅰ與方案Ⅱ的可行性都較好，但方案Ⅰ更優。方案Ⅰ雖然線路長度長，投資相對較大，但是該方案經過了大田、德化、永春縣，符合地方發展需求，能很好地帶動沿線地方經濟發展，客貨流吸引范圍更大，修建意義更大，且該方案地質條件好，工程風險小。因此采用方案Ⅰ作為推薦方案。

3 結語

興泉鐵路寧化至泉州段線路比選段的影響因素眾多，合理確定各因素對線路的影響程度并比選確定推薦線路方案，關系到興國至泉州鐵路能否按期實施、盡早發揮其效能。

(1)對于比選段的不同線路方案，在線路宏觀走向研究的基礎上，運用AHP-模糊綜合評價的方法，通過技術、經濟、環境和社會4個子系統，對線路長度、工程投資、工程地質地形條件、線路帶動地方經濟發展等多個方面進行比較分析，經綜合計算比選后，提出了大田—德化—永春縣方案作為推薦方案的建議。

(2)根據興泉鐵路的特點，將影響線路方案的因素分為技術、經濟、環境、社會4類，并選取了其中比較典型的16個指標，建立了鐵路線路方案決策的層次分析結構模型。由于各指標對線路方案的影響程度不同，所以利用層次分析法分別對4個子系統及其下指標進行了權重計算。該方法的特點是思路清晰，步驟簡單，且各因素間的關系明了，但存在較大的隨意性，構建的多層次結構模型以及對多位專家的意見，綜合有效地降低了該方法的弊端。

(3)在所計算出的各因素權重的基礎上，運用模糊綜合評價的理論，對各比選方案進行多層次模糊計算，得出最終評價數值，以此反映方案的優劣。該評價方法避免了定性分析的主觀性和定量分析對數據的苛刻要求，將影響興泉鐵路線路比選段的各影響因素統一起來進行評價，使比選方案的評價結果能夠得到更直觀的呈現，也為該實際工程的建設提供了較有意義的參考依據。