基于未確知測度的車輛基地選址規劃評價

王衛東，顏文，高華

(1.中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢，430063)

為了保證城市軌道交通系統的正常運營，城市軌道交通車輛基地作為“后勤基地”成為軌道交通系統中的重要組成部分[1]。GB 50157—2013“地鐵設計規范”明確指出車輛基地的選址在城市規劃、運營條件以及工程建設等方面應符合的基本要求[2]，充分凸顯車輛基地選址在軌道交通系統中的重要性。科學合理的車輛基地選址方案不僅能夠有效合理地利用各類資源，節約建設成本，而且能提高軌道交通路網的運營效率，從而取得良好的經濟效益。我國某些車輛基地由于在前期規劃階段考慮因素不成熟導致選址不當，出現了建設成本高、工程數量大、環境污染嚴重、既有市政設施改移量大以及后期運營效率低等弊端[3]，對城市建設、運營和管理等方面帶來負面影響，因此，研究車輛基地選址規劃對城市總體規劃、綜合公共交通規劃以及城市環境有重要意義。目前，國內外學者和工程技術人員對車輛基地選址規劃影響因素及其方案評價方法進行了大量研究，如：尚漾波等[4]以費用現值法為基礎，建立了一套由建設成本和運營成本構成的車輛基地規劃布局方案的定量評價指標體系和相應的評價方法；繆東[5]分析了影響車輛基地選址方案的主要因素，提出了由電力改遷、河溝改移、市政道路接駁以及填挖方等指標組成的指標體系；尚漾波等[6]通過分析國內外城市軌道交通車輛段的數據，研究導致我國車輛基地規模偏大的原因，并建議盡快確立相應的評價指標體系。但上述研究仍存在一些不足：提出的基于建設成本和運營成本的指標體系結構未充分考慮功能定位、工程可實施性以及城市規劃等因素對選址方案的影響，指標體系有待完善；未完全確定各評價指標的權重；評價方法趨于主觀，沒有將主客觀因素結合分析進行計算。在評價模型方面，王光遠[7]提出了一種不同于灰色理論和模糊理論的不確定性方法即未確知數學理論，在軍事、環境以及投資等領域得到了廣泛應用。劉開第等[8]在未確知測度空間基礎上，將未確知測度評價模型應用于城市環境質量評價方面，并與模糊綜合評判、灰色聚類分析、物元分析、BP人工神經網絡等評價方法進行比較論證，結果表明未確知測度評價模型更加嚴謹、合理、分辨率高；彭康等[9]將未確知測度評價模型應用于尾礦庫潰壩風險分級預測中；何美麗等[10]將未確知測度評價模型應用于隧道坍方的風險預測評估中；欒婷婷等[11]將未確知測度評價模型用于排土場滑坡危險性等級評判；楊磊等[12]將未確知測度評價模型用于軌道交通沿線公交線網評價。目前，該模型更多用于城市交通效率評價、城市環境評價以及風險性和安全性評估等方面，在城市軌道交通選址方案的決策評價方面應用較少。為此，本文作者在前人研究工作的基礎上，運用信息熵[13-16]和未確知測度理論[7-12,17-18]方法，對影響車輛基地選址的各種因素在技術經濟和建設運營層面進行分析和論證，建立車輛基地選址規劃等級評價和排序模型，完善在車輛基地選址規劃研究中對指標體系建立、賦權方法和評價方法等方面的不足，使評價結果更具客觀性，從而為城市軌道交通車輛基地選址方案的比選提供理論依據和技術支持。

1 評價指標體系的建立

1.1 評價指標的篩選

以“城市軌道交通車輛基地工程技術標準(征求意見稿)和GB/T 50546—2018“城市軌道交通線網規劃編制標準”為基礎，現場調研了北京、廣州、武漢、長沙、西安、寧波等城市20余個車輛基地的實際建設和運營等情況，根據系統性、實用性、定性與定量相結合以及同階段4個原則，結合客觀指標篩選方法[19-21]，采用現場和文獻調研法以及專家咨詢法，建立包含功能定位、規劃符合性、工程可實施性和經濟性4方面的車輛基地選址規劃評價體系，該體系由13項指標組成。結合相關研究和調研的20余個車輛基地現狀特點及各指標值范圍，從而分析得到評價指標分級標準，見表1。

表1 車輛基地選址規劃評價指標及分級標準Table1 Evaluation indexes and classification standard of vehicle base location planning

1.2 評價指標的定義

1.2.1 功能定位指標

1)資源共享功能。車輛基地在線網中的功能定位可以從是否具有資源共享[1]的功能角度考慮，對于具有資源共享的車輛基地選址方案，考察該車輛基地資源共享的程度是否合理，集約不夠或者過度集中都是不合理的，即車輛基地資源共享應有一個合理的“度”[1]，同時也要考慮當車輛基地資源不共享時的合理性。

2)基地停車數。因對軌道交通線網的建設時序及用地控制等因素考慮不周，導致車輛基地設計規模偏小，不滿足運營要求；或因設計偏于保守及研究不充分等導致規模偏大[6]。因此，基地規模在建設和運營等方面凸顯重要。

本研究中，由于車輛基地選址屬于前期規劃階段，可根據車輛基地的最大可停車數確定基地規模是否滿足運營要求，以車輛基地最大停車數來定量評價。

1.2.2 城市發展規劃協調性指標

1)用地范圍符合性。確定土地利用范圍是從城市發展全局和長遠的利益出發，以區域內全部土地為對象，對土地利用、開發、整治、保護等方面進行統籌安排和范圍劃分。

依據GB 50157—2003“地鐵設計規范”要求，車輛基地的選址應符合城市總體規劃，且要在城市用地的紅線范圍內。

2)對選址用地的調整。根據城市總體規劃的需要，城市規劃管理部門會依據地塊的具體用途，將城市用地按照用地性質分為居住用地、公共管理用地、商業用地、工業用地、交通用地以及農林用地等。

選址用地若為建設用地，則用地性質與規劃一致，調整較小；若為非建設用地，則需進行較大調整，根據原用地性質評價。

3)對城市環境和歷史景觀的影響。對城市環境和歷史景觀的影響主要指車輛基地的建設是否會對周圍的水環境、空氣、聲環境、污染物排放以及環境敏感區產生不利影響。環境敏感區包括文物保護區、自然保護區以及軍事基地保護區等，按照環境影響程度和保護等級來評價，保護等級越高、影響越大，評價越低。

1.2.3 工程可實施性指標

1)單位面積土石方數量。地表起伏直接關系到軌道交通工程的造價、施工難度和運營效益。在地表起伏較小的平原區域選址，有利于車輛基地建設和運營；在地表起伏較大的丘陵山地區域選址，不利于車輛基地建設和運營，容易發生地質災害。因此，車輛基地的選址與地形密切相關，地形條件決定了工程的土石體積，可以根據單位面積土石的填挖體積進行定量評價。

2)工程地質單位面積處理費用。車輛基地選址范圍內的工程地質水文情況決定場地是否要地基處理。因此，在前期選址時，應對當地的地質條件進行周密勘探和考察論證。

可按照適宜建設和處理后可建設進行評價分級，單位面積處理費用越高，評價等級越低。

3)交通運輸條件。交通運輸條件是指車輛基地與市政道路的接駁情況，既有或規劃城市道路是否有切割，還應考慮車輛基地對外的各種運輸作業是否方便、順暢。與市政道路銜接較好、方便對外運輸作業的方案，評價越高。

4)市政管線單位面積改移量。市政管線的改移主要指給排水管道、天然氣管道以及通訊線路等從選址基地內穿過或對基地后期建設運營有影響的各類市政管線。由于車輛基地占地面積大，難免會切斷既有市政管線，將直接影響軌道交通工程的投資和建設進度，可根據車輛基地選址范圍內的管線資料，從擬建選址區域單位面積管線改移量來分級評價。

1.2.4 工程經濟性指標

1)單位列位用地面積。車輛基地股道數量多、各類車庫占地面積大，直接影響著車輛基地的投資，因此，作為工程經濟性指標進行評價。

車輛基地的用地面積不僅包括檢修庫、運用庫、停車庫等各類車庫的用地面積，而且包括咽喉區、出入段線、試車線聯絡線、洗車線等各類線路的用地面積，在本研究中，可根據單位列位所需用地面積進行定量評價。

2)單位面積工程投資。工程投資費用包括土建成本和征地拆遷成本[4]，本研究中，車輛基地的土建成本可以根據車輛基地的庫房建筑面積確定建筑單位面積成本，根據車輛基地的鋪軌量確定鋪軌單位成本。

在用地緊張的市區、市郊，車輛基地建設會有大量征地、遷改成本，可依據拆遷類型、拆遷面積確定單位面積征地拆遷成本進行定量計算。按照擬定選址區域單位面積的工程投資費用進行定量評價。

3)出入場線接軌條件。由于出入場線的接軌方案將直接影響軌道交通的后期運營和行車組織等經濟性指標，因此，在車輛基地選址時應考慮出入場線的接軌條件，即與軌道交通正線車站的距離、線路路由等。在本研究中，以車輛往返基地空走距離作為衡量標準，對行車效率指標進行定量評價。

4)單位面積上蓋開發價值。在城市軌道交通車輛基地選址時既要節約土地使用面積，還要最大限度地實現車輛基地上蓋的商業開發價值。一般車輛基地與物業、廣場等整合為同一建筑群，聯系密切，相互促進。利用車輛基地發展物業，開發價值提升迅速，投資回報快，可大幅度降低投資成本。節約城市用地和不分隔城市整體地塊均是車輛基地上蓋開發帶來的經濟效益，同時還會促進城市規劃的整體性和協調性發展。

車輛基地的商業開發價值可以從土地開發的角度來描述，根據開發之后的區域性質，按照居住區、商業區、工業區排序，以單位面積開發價值定量評價。

1.3 評價指標定性與定量分級

對資源共享功能、用地范圍符合性、選址用地的調整、對城市環境和歷史景觀的影響及交通運輸條件用半定量化方法進行取值，分級用定性語言描述。在確定評價等級時，根據各城市軌道交通設計單位和運營單位的專家意見、運營的車輛基地現場調查結果和“城市軌道交通車輛基地工程技術標準”，將其分為5個評價等級(表1)。表1中，括號內數據為定性指標量化值。

對基地停車數、單位面積土石體積、工程地質單位面積處理費用、市政管線單位面積改移量、單位列位用地面積、單位面積工程投資、出入場線接軌條件和單位面積上蓋開發價值用實際值進行分級。對13個評價指標進行分級及取值，綜合評判集為{C1,C2,C3,C4,C5}，即Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ級，分別表示評價等級好、較好、中等、較差和差(表1)。

2 未確知測度模型

本研究運用信息熵理論和未確知測度理論建立未確知測度評價模型，對城市軌道交通車輛基地選址方案進行決策評價，其評價流程如圖1所示。

圖1 車輛基地選址方案的未確知測度評價流程Fig.1 Unascertained measure evaluation process for location scheme of vehicle base

設車輛基地選址決策方案有n個待評價方案，對于每一個評價方案有m個評價指標，同時假設待評價方案有p個評價等級，則u=uijk(xij∈Ck)表示實測值xij屬于第k個評價等級Ck的程度(其中，i=1,2,…,n，為評價方案數；j=1,2,…,m，為評價指標數；k=1,2,…,p，為評價等級數；xij為第i評價方案第j個評價指標Ij的指標)。當u滿足“非負有界性”“歸一性”和“可加性”時，稱u為未確知測度。

2.1 單指標測度

根據未確知測度的定義構建單指標測度函數，測度函數表達式的形式有很多種，一般常采用直線、二次曲線和指數曲線等。以上幾種函數表達形式都建立在“非負、歸一、可加”的原則上，本文采用應用最廣泛、計算最簡單的直線型未確知測度函數，如圖2所示，其中x為指標屬性觀測值區間上的點，在區間上對應的未確知測度函數表達式為

圖2 直線型未確知測度函數Fig.2 Straight-line unascertained measure function

則各指標未確知測度值uijk構成的單指標測度矩陣(uijk)m×p為

該矩陣的第j個行向量為xij的單指標測度評價向量。

2.2 基于熵理論確定各指標權重

車輛基地的選址方案比選是一個多層次、多目標的復雜結構系統，各指標權重的確定非常重要。確定指標權重的方法大多為德爾菲法、Saatys權重法以及模糊綜合評價法等，運用這種主觀賦權方法評價具有較大的主觀臆斷性和片面性，從而影響了結果的準確性。

為了避免主觀賦權法的不足，消除各指標權重計算時的人為干擾，本研究引入熵值理論，根據具體指標值計算確定指標權重，評價結果更加符合實際要求。

2.3 多指標綜合測度評價向量

運用信息熵理論通過式(3)和(4)計算獲得各指標權重后，即可得到評價方案的多指標綜合未確知測度其中，則多指標綜合未確知測度評價矩陣為

稱第i行向量為xi的多指標綜合測度評價向量。

2.4 評價等級排序模型

設λ為置信度(1>λ≥0.5，通常取為0.6或0.7)，當C1>C2>…>CP時，若有

則認為評價對象xi屬于第k0個評價等級Ck0（式中，l為評價方案所處的評價等級序號）。

當多個評價方案處于同一個評價等級時，需要對優選方案的優越程度進行排序，從而得到最優方案。由于C1>C2>…>CP，在對xi的等級重要度排序時，設Cl的分值為nl，有nl>nl+1，且稱為未確知重要度向量，按qxi的大小對評價對象xi重要度進行排序，對應的未確知重要度越大，方案越優。

3 選址評價方案的未確知測度模型

3.1 車輛基地選址方案實例介紹

本研究依托寧波市軌道交通寧波至奉化線的奉化車輛基地為研究對象，該車輛基地承擔本線配屬列車停放、洗車、鏇輪、周月檢、定臨修等任務。車輛基地設停車列檢線13條，預留2條，鏇輪線1條，臨修線1條，定修線2條，雙周/3月檢線2條，靜調和吹掃線各1條。

在滿足城市總體規劃和線網規劃的前提下，設計了2個擬建車輛基地場址，均從本線終點站金海路站南端接軌，位于東環路東側，規劃明化路以南、規劃寶化路以北地塊，具體位置如圖3所示。

圖3 車輛基地選址方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of vehiclebase location planning

3.1.1 選址方案1基本情況

選址方案1由金海路站接軌向南引入該地塊，呈南北向布置，面積約5×105m2，可停車45列。該地塊與正線地理位置相對較好，有利于出入場線以及車輛基地內各類線路的布置。該地塊現狀為農田，基本無拆遷，需填土體積約18萬m3。但需改移既有15m寬河道約320m，且靠近東環路東側110 kV高壓線路，需保證平面距離要求；出入場線長約1012.9m，出入場線較短，路基工程較少。

3.1.2 選址方案2基本情況

選址方案2由金海路站接軌向東南引入該地塊，呈東西向布置，面積約4×105m2，可停車40列。該地塊與正線地理位置關系相對較好，出入場線的布置也較方便。地塊現狀為農田，存在100 m2拆遷量，需填土體積約22萬m3。但因方案2呈東西向布置，需上跨1條約8m寬既有河道，應設涵洞；出入場線長約1 226.5m，其他與方案1差別較小。

3.2 單指標測度函數的構建

根據單指標測度函數的定義、性質以及表1中評價指標及分級標準，構建車輛基地選址規劃評價指標體系的各指標直線型測度函數u，如圖4所示，從而得到各評價指標的測度。

3.3 單指標測度評價矩陣的計算

根據寧波市軌道交通寧波至奉化線的奉化車輛基地2個擬建場址設計方案以及實地調查結果，得到2個車輛基地選址方案的各評價指標，如表2所示。

根據表2中取值以及構建的單指標測度函數，計算得到2個選址方案的單指標測度評價矩陣(u1)13×5和(u2)13×5。

圖4 各單指標測度函數Fig.4 Unascertained measurement functions of different single indexes

表2 車輛基地選址方案等級評價指標Table2 Grade evaluation index for location scheme of vehicle base

3.4 多指標測度向量的計算

計算多指標測度評價矩陣，運用式(3)和(4)計算確定車輛基地選址方案的評價指標權重ω=根據求出的單指標測度矩陣及式(5)得出奉化車輛基地2個選址方案的多指標測度為：

3.5 置信度識別和評價等級排序

根據多指標測度向量的計算結果和置信度評價準則式(6)，取置信度λ=0.6，分別求得2個選址方案的k0，從而確定奉化車輛基地2個選址方案分別所處的評價等級。對于選址方案1，(k0)1=0.444+0.308=0.752>0.600，表示選址方案1的評價等級為Ⅱ級，即處于“較好”層次；對于選址方案2，(k0)2=0.601>0.600，表示選址方案2的評價等級為Ⅰ級，即處于“好”層次。

3.6 評價結果分析

將評價結果與寧波至奉化城際鐵路工程規劃選址論證結果進行對比分析，2個選址方案在征地、地質條件等方面差別較小，在土石體積、市政管線改移量、工程造價、對周邊規劃影響以及出入場線接軌條件等方面差別較大，經設計院論證研究推薦選址方案2。本文通過運用未確知測度模型對選址方案進行等級評價，評價結果如表3所示。從表3可見：該車輛基地選址比選方案的未確知測度模型評價結果與實際論證結果保持一致，從而說明本文建立的選址方案評價模型具有一定的可行性和有效性。

表3 未確知測度模型評價結果Table3 Evaluation results of unascertained measure model

可見，將未確知測度理論模型應用于城市軌道交通車輛基地的選址規劃方案比選決策評價中，評價結果直觀清晰、準確可靠，具有較高的實用價值。

4 結論

1)針對城市軌道交通車輛基地選址問題，通過研究影響選址方案決策的各種因素，選取功能定位、規劃符合性、工程可實施性和經濟性這4個總體指標組成多目標多層次的綜合評價指標體系，具體指標可根據案例實際情況在指標體系中進行進一步取舍。建立基于熵權法的車輛基地選址方案評價未確知測度模型，為車輛基地選址方案的比選提供借鑒和參考。

2)在選址方案評價過程中，采用信息熵理論確定指標權重，運用置信度評價準則對選址方案進行等級排序評價，保證了模型評價結果的可信度。利用未確知測度模型對寧波市軌道交通寧波至奉化線的奉化車輛基地選址方案進行評價，評價結果與實際結果一致，且評價結果更具客觀性。該方法可操作性強，信息利用率高，具有很好的實踐意義，為軌道交通車輛基地的選址決策提供了一條新途徑。

3)車輛基地選址決策的準確度和可信度取決于指標體系的系統性和實用性，因此，對影響車輛基地選址因素的分析和論證是決策選址方案的核心內容，也影響評價方法和評價模型的選取。下一步研究主要是有針對性地調整并進一步優化車輛基地選址規劃評價指標體系，實現對選址決策方案評價的最優化，為方案比選提供科學依據和技術支持。