基于案例庫的線路主要技術標準決策方法研究

韓 峰，高玉祥

（蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070）

鐵路主要技術標準是指對鐵路輸送能力、工程造價、運營質量以及選定其他有關技術條件有顯著影響的基本標準和設備類型，技術標準對決定鐵路運輸能力的大小、設計線的工程造價和運營質量有重大影響。

夏明雷對巴開鐵路的牽引種類、限制坡度及牽引質量等關鍵問題進行了研究，提出并實踐了經濟、合理的選擇線路主要技術標準，為類似項目的研究提供參考[1]。劉猛針對復雜艱險山區自然環境復雜的特點，嘗試性提出靈活運用技術標準、采用加力坡度的概念[2]。陳健坤以巴新運煤線為例，研究客貨混運鐵路主要技術標準確定應該注意的問題，提出“強本簡末、強干弱支”的方針[3]。王興華通過研究邯黃鐵路的限制坡度基準，為平原地區的貨運鐵路設計積累經驗[4]。陳永躍把鐵路技術標準綜合優化理論應用于具體線路標準決策上，利用蘭渝鐵路資料分析回歸得到數學模型，給出了蘭渝鐵路可行性研究主要技術標準的建議值[5]。陳小全從客流特征、路網協調、時間目標值要求、工程投資等方面進行分析，確定了京九鐵路350 km/h的速度目標值[6]。這些研究主要集中在重載鐵路技術標準選定、城際鐵路速度目標值研究和鐵路技術標準體系等方面，討論的都是某一條具體線路的技術標準選定方法，將已經修建完成的多條線路技術標準一起進行比較從而得出普適性結論的研究則較少。

鐵路主要技術標準的選擇不僅與工程條件有關，還與線路經過地區的鐵路運輸網有密切關系[7]。張野等對西北地區的鐵路路網密度、人口密度及人均GDP進行相關分析，得出擬合公式后對2020年的路網密度進行適應性分析[8]。鄭毛祥通過梳理江蘇省鐵路發展現狀，結合區域鐵路網布局理論，研究提出了江蘇省中長期鐵路網發展規劃[9]。張開廣針對河南省高速公路建設對城市通達性的影響，在4個時間斷面上研究了高速公路交通網中通達性時空特征及演化規律[10]。線路等級、技術標準的確定都應該結合當地的鐵路網發展現狀，選擇合理的技術標準為經濟建設提供服務。

本文通過分析各種選線設計的典型案例，總結出鐵路技術標準選定的特點和普適性結論，選出影響鐵路技術標準選定的主要因素，并將其劃分為屬性單元，建立基于GIS的主要技術標準信息庫，利用GIS的空間分析、數據管理等功能比選新建線路主要技術標準，使選出的新建線路主要技術標準經濟效益合理，并符合自然環境的可持續發展要求。

1 主要技術標準的影響因素分析

1.1 主要技術標準

客貨共線鐵路主要技術標準及影響因素，如圖所示1。

鐵路主要技術標準可以分為基建標準和裝備類型標準兩大類，基建標準主要有正線數目、限制坡度、最小曲線半徑和到發線有效長度，這類標準與鐵路工程建設密切相關，一旦建成后很難進行改變，按遠期需要選定；裝備類型有牽引種類、牽引質量、機車類型、閉塞方式，隨著科技發展和技術裝備的更新改造，可按實際需要改變，在設計中應該近期、遠期統籌考慮達到節約初期投資的效果。

1.2 影響因素及機理

鐵路服務于經濟社會，對沿線經濟發展、社會進步和文化交流有積極的推動作用，經濟越發達、人流密度越高的地方越需要鐵路這種大型交通運輸工具來實現人員、物資的空間轉移。線路主要技術標準決定其輸送能力的大小，其選定不僅是地形地貌、水文地質等工程因素的單一作用，還有GDP、人口、旅游景點等社會因素的作用，提取出線路主要技術標準的影響因素，如圖2所示。

1.3 屬性單元資料

圖1 客貨共線鐵路主要技術標準及影響因素

圖2 技術標準層次結構

從Goole earth上提取各地區不同年份的鐵路，用Global Mapper軟件轉成shp文件后在ArcGIS中將鐵路網與行政區做疊置，把運行結果與各個行政區做表鏈接，計算出各市（州）的鐵路網密度后采用反距離權重插值法將路網密度空間化。

利用數字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）數據由slope函數提取出坡度，對坡度進行分級[11-12]，以2 km為間距建立基于鐵路的緩沖區，將重分類后的柵格圖形屬性表導出為.dbf文件，通過Excel軟件進行匯總和統計，可計算出每一條研究線路緩沖區內的坡度組成及平均坡度，坡度分類及統計，如表1所示。

表1 坡度組成分類及統計

2 建立基于GIS的既有線技術標準庫

2.1 信息庫建立

針對鐵路選線設計時主要技術標準的特點，將技術標準知識庫分為多個子庫進行存儲，就類型主要分為技術標準設計知識和實例知識兩部分，在每個節點存放了對應知識元的既有規范知識、專家經驗和既有實例3種類型的知識，如圖3所示。

圖3 知識來源與組成

信息庫的建立以已經設計完成的線路主要技術標準及其影響因素為數據源，將統計分析后的線路信息、技術標準信息、屬性單元信息等分別以圖形、文字、表格等形式存儲，把線路和其對應的各種信息在GIS關聯，由于外部信息庫與內部信息有公共字段且為動態鏈接關系，可保證信息庫內容的更新與完善。

2.2 相似方案查找

緩沖區是圍繞地理要素一定寬度的區域，地理要素通常為點、線和面[13]。利用ArcGIS空間分析模塊進行點對區、線對區相交分析，得出基于線路的城市節點分布和線路輻射范圍。由于線路在地理空間的相連性特征，在進行緩沖區分析時，連接處重合的區會自動合并，最后成為一個整體緩沖區。同時可以利用GIS進行分析數據的可視化、對不同緩沖區內的信息進行統計分析，總結其空間分布規律和屬性特征。

模糊檢索根據輸入的關鍵詞，關鍵詞可以有多個或者是一條語句，滿足一個或多個關鍵詞的知識及相應的知識實例全部會被檢索出來，這樣提高了檢索的自由度和信息的查全率，主要技術標準的查詢結果，如圖4所示。

圖4 相鄰線路主要技術標準

例如：找出甘肅省2010年路網密度＞0.002 1 km/km2、附近有天水、GDP較高的區域，其查詢條件表達式可編寫為：

3 工程實例應用

3.1 工程概況

新建的天水至隴南鐵路位于甘肅省隴東南地區，線路大致呈南北走向，北起隴海鐵路天水站，向南經西和縣接入蘭渝鐵路，大約為195 km。

3.2 主要技術標準推薦意見

根據案例庫的查找計算結果，本線擬定主要技術標準的初步推薦意見為：

（1）鐵路等級：Ⅰ級。

（2）正線數目：單線。

（3）最小曲線半徑：一般2 000 m，困難1 200 m。

（4）牽引種類：電力。

（5） 限制坡度 ：11‰。

（6）機車類型：客機HXD1，貨機SS4。

（7）牽引質量：4 000 t。

（8）到發線有效長度：850 m。

（9） 閉塞類型：自動站間閉塞。

對于擬選定的主要技術標準，還應根據線路實際情況進行修改。將影響每一條技術標準的屬性單元進一步劃分為元素，確定每個元素對單元的影響權重，再進行新線與既有線對應技術標準之間相似度的計算，并根據相似度計算結果和實際的工程資料對技術標準的值進行合理的修改。

考慮到本線的作用主要是運輸煤炭資源，還需要根據遠期輸送能力要求來分析，隨著遠期運輸量的增大，牽引質量達到5 000 t, 因此，到發線有效長度預留1 050 m。

3.3 與相鄰線技術標準的判別

根據鐵路的路網協調性原則，擬選定的新線主要技術標準應與相鄰路網協調匹配，這樣便于運輸組織、提高效率，充分利用養護維修設備，形成標注統一的區域路網。

與鄰線進行比較時考慮到線路的服務性，選取的比較單元主要為牽引種類、最小曲線半徑、限制坡度和到發線有效長度。

通過比較新線擬定的主要技術標準與鄰接線路的主要技術標準，根據實際情況可以得出選定的技術標準滿足要求。

4 結束語

（1）根據現有的設計案例資料，分析各因素對線路主要技術標準的影響機理及作用強度，將影響因素劃分為屬性單元并完成屬性單元的入庫規則設計，建立基于GIS 的線路主要技術標準案例庫。

（2）通過實例分析，初步驗證了所提線路主要技術標準決策方法的可行性，但該方法只考慮了影響技術標準的一些最主要因素而忽略了部分次要因素，在后期的研究中還需要進一步完善。