基于模糊綜合評價的天隴線引入天水地區(qū)接軌方案優(yōu)選研究

馬云志

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 陜西西安 710043)

1 前言

作為鐵路線路設(shè)計的重要對象和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，接軌方案的比選是設(shè)計人員經(jīng)常面對的問題[1]。為獲取最優(yōu)方案，評價重點多從工程投資、運(yùn)營費(fèi)用等定量指標(biāo)的角度出發(fā)，綜合各方案的城市總體規(guī)劃、沿線地質(zhì)條件、客貨運(yùn)輸組織等定性指標(biāo)特性確定最優(yōu)方案[2-6]。可見，線路方案的比選是一個多目標(biāo)、多屬性的復(fù)雜決策問題[7]。對此，一些研究者依靠列表法、綜合分析法等傳統(tǒng)方法確定最優(yōu)接軌方案[8-10]，雖然簡單易行，但也容易因決策者的主觀影響而造成決策失誤。

為提高決策方案的科學(xué)合理性，已有學(xué)者開展了一系列工作。其中，李艷紅、高康等將層次分析法應(yīng)用到選線方案的比選中，經(jīng)過實例驗證均得到了和專家相一致的比選結(jié)果[11-12]，但這種方法也為決策過程帶來了繁重的工作量；邵琳等建立了適用于定性指標(biāo)體系的基于模糊綜合評價法的評價框架，為定性指標(biāo)的量化與比選提供了思路[13]；楊文昕等通過模糊綜合評價法兼容定性與定量指標(biāo)，完成了線路方案的優(yōu)選，但定量指標(biāo)的語言評價處理使其客觀屬性被淡化[14]。

基于既有研究，本文針對接軌方案的評價與比選問題，通過建立綜合評價指標(biāo)體系客觀反映各方案背景情況，借助模糊數(shù)學(xué)理論[15]，進(jìn)一步提出一種兼顧定性與定量指標(biāo)的模糊綜合評價方法。結(jié)合天水至隴南線引入天水地區(qū)接軌方案的工程實例應(yīng)用，驗證其在鐵路接軌方案評價與優(yōu)選中的可行性和有效性。

2 模糊綜合評價理論及應(yīng)用思路概述

模糊綜合評價的基本思想是應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，根據(jù)各影響因素對評價目標(biāo)本身的性質(zhì)或歸屬上的亦此亦彼性，對其歸屬程度進(jìn)行定量表征。

對于多因素的方案評價，首先應(yīng)針對方案評價對象，選出一些主要因素并進(jìn)行單因素評價，評價結(jié)果構(gòu)成模糊評價集R，再考慮諸多因素在綜合評價中的各自份量，即權(quán)重集A，最后計算求得綜合評價結(jié)果B，其計算式見式(1):

式中，A為評價因素權(quán)重集；R為單因素評價集。

根據(jù)綜合評價結(jié)果B，隸屬度最高的方案即為各比選方案中的最優(yōu)方案。

2.1 評價指標(biāo)確定

在接軌方案比選過程中，評價影響因素眾多且相互矛盾，因此應(yīng)結(jié)合比選方案的具體背景情況進(jìn)行深入調(diào)查研究，通過權(quán)威論證確定方案評價指標(biāo)。

2.2 權(quán)重確定

權(quán)重表示各評價因素對系統(tǒng)評價結(jié)果的相對重要程度。在評價過程中，權(quán)重的確定對最終評價結(jié)果具有深遠(yuǎn)影響，是保證評價結(jié)果科學(xué)合理的基礎(chǔ)和前提。在實際決策過程中，可由具有權(quán)威性的學(xué)者或具有代表性的行業(yè)專家進(jìn)行確定。

2.3 隸屬度計算

根據(jù)模糊集理論，各方案在評價指標(biāo)下的優(yōu)劣情況均可通過隸屬度μ(x)表示，即通過一個[0，1]之間的數(shù)字對方案的指標(biāo)屬性進(jìn)行度量，以此反映指標(biāo)優(yōu)劣的隸屬程度，從而實現(xiàn)從“肯定”到“否定”的中間過渡。

對于預(yù)拌混凝土生產(chǎn)廠家來講，在拌制混凝土的過程中，不得因為水泥和外加劑供應(yīng)不及時而臨時更換品種；不得隨意更換混凝土摻合料；不是同一廠家的外加劑不得混在一起攪拌；骨料不得含有大量的泥塊，保證混凝土骨料的質(zhì)量。

2.3.1 定性指標(biāo)隸屬度計算

在定性指標(biāo)的論域[0，1]中，選定語言評價變量集為{好，較好，較差，差}，則各評價等級的隸屬度可通過對應(yīng)的模糊語言進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文采用直域型隸屬函數(shù)，各級模糊語言所對應(yīng)的隸屬度如表1所示。

表1 模糊隸屬度

2.3.2 定量指標(biāo)隸屬度計算

對于指標(biāo)體系中的定量指標(biāo)，本文采用最大、最小隸屬函數(shù)，根據(jù)定量指標(biāo)所屬類別，其隸屬函數(shù)近似為升半梯形、降半梯形分布模式。

對于效益指標(biāo)，升半梯形分布的隸屬函數(shù)μ(x)為:

式中，x為指標(biāo)具體屬性；d1為指標(biāo)屬性x的下界；d2為指標(biāo)屬性x的上界。

對于成本型指標(biāo)，降半梯形分布的隸屬函數(shù)μ(x)為:

2.4 合成算法選擇

模糊綜合評價中的常用算法有兩種，即加權(quán)平均型和主因素突出型。在線路方案比選中，往往需要考慮多種因素，若選用主因素突出型算法，會出現(xiàn)“淹沒”單項因素評價數(shù)據(jù)的問題。因此，為統(tǒng)籌考慮各項評價指標(biāo)，本文選用加權(quán)平均型算法。

3 天隴線天水地區(qū)接軌方案優(yōu)選應(yīng)用

根據(jù)以上思路及本線主要運(yùn)輸任務(wù)，結(jié)合城市總體規(guī)劃，考慮地區(qū)存在的問題和各車站引入條件及對線路走向的影響，天水地區(qū)共研究了三陽川站接軌(AK)、與天平線直通(A1K)及天水站接軌(A2K)三個方案，各接軌方案詳見圖1。下文將通過理論分析與模型計算對天水地區(qū)三種接軌方案展開評價，以驗證本文所述方法的合理性和實用性。

圖1 天水至隴南鐵路引入天水地區(qū)接軌方案示意

3.1 方案簡述

(1)三陽川接軌方案(AK)

本方案總體思路為線路自三陽川站西端分上下行外包隴海正線引出，向西至渭南鎮(zhèn)附近折向南以12.87 km隧道翻越渭河與藉河分水嶺中梁至藉河左岸，順河谷設(shè)站后以3.12 km特大橋跨藉河、連霍高速沿南溝河足坡而上，經(jīng)皂郊、店鎮(zhèn)以10.60 km隧道翻越渭河與西漢水分水嶺至天水鎮(zhèn)設(shè)站，出站繼續(xù)南行，經(jīng)大門鎮(zhèn)后轉(zhuǎn)向東南至比較終點。疏解線自三陽川站引出后以特大橋跨既有隴海鐵路引入本線趙家新莊線路所，疏解線長度4.65 km。該方案線路建筑長度85.65 km，天水站至比較終點運(yùn)營長度104.50 km；橋隧總長61.54 km，其中長度大于10 km隧道2座，橋隧比重71.11%。

(2)天平線直通方案(A1K)

本方案自天平線楊家碾站引出，并行天平線沿牛頭河而下至社棠西側(cè)，以2.93 km特大橋跨隴海線、渭河及寶蘭客專后至莫家寺設(shè)站，出站足坡逆東柯河而上，至街子轉(zhuǎn)向西沿連霍高速公路前行，經(jīng)甘泉、老鴉河后轉(zhuǎn)向南，以11.22 km隧道穿渭河與嘉陵江水系分水嶺至娘娘壩，其后線路繼續(xù)足坡南行經(jīng)大河至比較終點。方案配套修建隴海線天水站至本線莫家寺站間的聯(lián)絡(luò)線13.71 km，并相應(yīng)改建天水直通場。該方案線路建筑長度91.99 km，天水站至比較終點運(yùn)營長度73.88 km；橋隧總長59.99 km，橋隧比重65.22%。

(3)天水站接軌方案(A2K)

該方案總體思路為自天水站西端引出，向西設(shè)2.387 km橋跨渭河后沿耤河北岸前行，至肖家莊折向西南以3.756 km特大橋跨天巉公路、藉河后沿藉河右岸西行，經(jīng)南郭寺后折向西南跨南溝河、連霍高速接入AK方案，其后線路走向與AK方案一致。疏解線自天水站引出后沿既有線向西北前行，經(jīng)葉家莊跨既有隴海線及渭河后轉(zhuǎn)向西南引入本線陽坡里線路所，疏解線長10.01 km。該方案線路建筑長度80.35 km，天水站至比較終點運(yùn)營長度80.35 km；橋隧總長51.78 km，其中長度大于10 km隧道1座，橋隧比重57.31%。

3.2 方案綜合分析

3.2.1 運(yùn)輸組織分析

AK方案主要方向的客貨運(yùn)輸徑路順暢，運(yùn)輸組織簡單，但整體運(yùn)營長度長，且占用隴海通道區(qū)間通過能力；A1K方案本線南北方向主要貨車徑路順暢，運(yùn)輸距離短，但經(jīng)天水地區(qū)客、貨運(yùn)產(chǎn)生折角車流，運(yùn)輸組織復(fù)雜；A2K方案天平線客貨流經(jīng)天水站與本線客貨流方向一致，無折角車流，徑路較短且順暢，對地區(qū)內(nèi)既有隴海線能力影響較小，運(yùn)輸組織簡單，但線路在車站西端疏解較為困難。從運(yùn)輸組織方面比較，AK、A2K方案較好；A1K方案相對較差。

3.2.2 對既有城區(qū)及城市規(guī)劃區(qū)的影響分析

天水市城區(qū)及規(guī)劃區(qū)沿渭河及藉河?xùn)|西向分布，各方案均無法完全繞避城市規(guī)劃區(qū)。AK方案特大橋跨藉河穿城市西郊及規(guī)劃區(qū)西南部長度4.3 km，切割城市西端規(guī)劃區(qū)，但該方案接軌點位于三陽川規(guī)劃新區(qū)內(nèi)，配套規(guī)劃建設(shè)天水鐵路綜合貨場，可有效緩解地區(qū)內(nèi)既有貨運(yùn)站作業(yè)壓力，提升作業(yè)效率，契合城市規(guī)劃發(fā)展方向；A1K方案牛頭河河口特大橋跨渭河處位于城市東郊，線路及天水站聯(lián)絡(luò)線穿過建成區(qū)及規(guī)劃區(qū)，接軌點附近建筑物較密集，線路對城市規(guī)劃區(qū)東端有分割影響；A2K方案自天水站引出，穿過城區(qū)及規(guī)劃區(qū)長度達(dá)11.5 km，直接影響既有線兩側(cè)密集的建筑群，且線路以特大橋需穿過城市規(guī)劃區(qū)中間部位，分割影響嚴(yán)重，實施難度大。從對既有城區(qū)干擾及對規(guī)劃區(qū)分割影響方面比較，AK、A1K方案較好，A2K方案較差。

3.2.3 工程地質(zhì)條件分析

本段渭河、藉河兩岸黃土滑坡、溜坍發(fā)育，分布范圍廣。A1K沿穎川河、東柯河兩岸布線，AK、A2K方案沿南溝河布線，總體條件差別不大。從局部來看，AK、A1K較好地繞避了不良地質(zhì)密集地段，沿線工程地質(zhì)條件相對較好；A2K方案線路通過渭河與藉河交匯處及南郭寺前后經(jīng)過滑坡地段，安全隱患大，工程地質(zhì)條件相對較差。

3.2.4 工程投資分析

AK方案線路建筑長度86.55 km，分別較A1K、A2K方案短5.44 km、3.81 km；AK方案運(yùn)營長度較A1K、A2K方案長30.12 km、23.65 km。AK方案靜態(tài)投資62.30億元，較A1K方案節(jié)省3.11億元，較A2K方案節(jié)省2.93億元。

3.3 評價指標(biāo)確定

基于上述分析，選定運(yùn)輸組織、對城市規(guī)劃的影響、地質(zhì)條件作為定性評價指標(biāo)，選定工程投資作為定量評價指標(biāo)，對各線路方案概況進(jìn)行整理后，匯總方案比選如表2所示。

表2 方案比選

3.4 權(quán)重確定

本文選用專家評分法確定指標(biāo)權(quán)重，經(jīng)權(quán)威專家評審打分后，各指標(biāo)因素的權(quán)重集為:

A=[0.10 0.25 0.35 0.30]

3.5 隸屬度計算

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)方法，對于定性指標(biāo)，依照表1確定各語言評價對應(yīng)的隸屬度值；對于定量指標(biāo)，依照式(3)計算各方案對應(yīng)的隸屬度值。整理并匯總后得到評價因素隸屬度數(shù)值表，如表3所示。

表3 評價因素隸屬度數(shù)值

3.6 綜合評價結(jié)果計算

根據(jù)模糊綜合評價的加權(quán)平均型算法，由式(1)計算綜合評價結(jié)果，有:

由計算結(jié)果可知，方案 AK隸屬度最高，為0.72，因此選擇三陽川站接軌方案(AK)為推薦方案。結(jié)合三陽川接軌方案概況，該方案雖運(yùn)營長度較長，但主要客貨流徑路順暢，運(yùn)輸組織相對簡單，且契合天水市三陽川新區(qū)規(guī)劃，工程投資與地質(zhì)條件較好，因此評價結(jié)果最優(yōu)，這也證明了本文所提出的模糊綜合評價法的實用性和合理性。

4 結(jié)束語

鐵路接軌方案的比選受多種因素綜合影響，是一個復(fù)雜的決策過程。對此，本文提出了一種模糊綜合評價方法，該方法基于模糊數(shù)學(xué)理論，借助語言類模糊數(shù)與半梯形隸屬函數(shù)完成指標(biāo)的量化，實現(xiàn)定性指標(biāo)與定量指標(biāo)的綜合評價。經(jīng)過天隴線引入天水地區(qū)接軌方案的評價應(yīng)用，證明該方法能夠有效處理接軌方案的比選問題，兼具一定的實用性與合理性，對解決同類方案優(yōu)選問題具有較強(qiáng)的實踐指導(dǎo)意義。