基于模糊層次分析法的南昌西站動車組走行線方案研究

金小兵

JIN Xiaobing

（中國土木工程集團有限公司 福州勘察設(shè)計研究院有限公司，福建 福州 350011）

(Fuzhou Research Institute of Survey and Design Co., Ltd., China Civil Engineering Group Co., Ltd., Fuzhou 350011, Fujian, China)

鐵路選線是一個系統(tǒng)工程,設(shè)計規(guī)范[1-3]要求方案比選時綜合考慮鐵路網(wǎng)規(guī)劃、城市規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)布局、符合環(huán)境保護節(jié)約用地、結(jié)合地形水文地質(zhì)條件保障運營、減少征地拆遷、滿足安全要求、滿足國防等要求。在滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、保證通過能力前提下,力求線路順直、降低造價和建設(shè)難度。線路方案比選經(jīng)過多年實踐,已經(jīng)形成一套相對規(guī)范的思路方法,對我國鐵路高速發(fā)展起到了很大的推動作用,但方案比選涉及較多影響因素,過去主要依靠經(jīng)驗判斷,目前開始探索新的研究方法,把方案比選中一些難于直接定量的評價因素轉(zhuǎn)化為三角模糊數(shù),建立選線方案比選模型,將定量指標(biāo)和定性指標(biāo)綜合起來計算得到一個最終權(quán)重值,從而對鐵路選線方案作出合理排序,為鐵路選線設(shè)計決策提供科學(xué)依據(jù)。通過借鑒既有研究[4-11],以南昌西站動車組走行線布局方案為例,首先按照傳統(tǒng)比選方式以功能性、經(jīng)濟性、建設(shè)難度和便利性進(jìn)行方案比選,然后運用模糊層次分析法分層次計算,在最后權(quán)重計算上不再依賴專家打分,而是引入可能度概念,通過標(biāo)準(zhǔn)化以后得到權(quán)重,通過比較權(quán)重大小得到推薦方案,2種比選方法得到一致結(jié)果。

1 概述

南昌樞紐北部銜接京九線(北京西—九龍)、昌九城際鐵路(九江—南昌）,東接浙贛線(杭州—株洲)、向莆線(向塘—莆田)及杭南長客運專線(杭州東—長沙南),西、南部分別銜接浙贛線、杭南長客運專線、京九線,是銜接5條線路、8個行車方向的客貨分線環(huán)型樞紐。樞紐客運系統(tǒng)規(guī)劃為“兩主一輔”：主要客運站為南昌站、南昌西站,輔助客運站為向塘站。南昌西站辦理杭州、長沙、贛州、福州方向的動車組列車的始發(fā)、終到,同時辦理九江至贛州、福州、杭州、長沙方向,福州至長沙方向,贛州至長沙方向,杭州至長沙方向的動車組列車通過作業(yè)。經(jīng)過可研階段評審,確定南昌西站方案為向莆線與杭南長客運專線分場并站布置,向莆車場、杭南長車場動車組列車走行線按方向別引入,向莆車場九江端預(yù)留向莆線至杭南長上、下行聯(lián)絡(luò)線。設(shè)計到發(fā)線28條(含正線4條)、旅客基本站臺2座、中間站臺10座。初步設(shè)計階段進(jìn)行了南昌西動車運用所站址、線路方案研究,動車組走行線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按Ⅱ級正線設(shè)計。南昌樞紐總平面布置示意圖如圖1所示。南昌西站辦理旅客列車對數(shù)如表1所示。

圖1 南昌樞紐總平面布置示意圖Fig.1 Overall layout of Nanchang Hub

表1 南昌西站辦理旅客列車對數(shù)表 對/dTab.1 Train operated at Nanchang West Station

2 南昌西站動車組列車走行線方案

南昌西站動車運用所規(guī)模如下：存車場設(shè)存車線19條,有效長480 m,其中向莆線近期設(shè)存車線11條。動車運用所設(shè)檢查線2條；牽出線1條；洗刷線1條；不落輪鏇線1條；臨修線1條；出入段所線2條。綜合維修工區(qū)設(shè)機走線1條,大機停放線3條,軌道車輛停放線5條,檢修庫線兼材料線1條。杭南長客運專線引入預(yù)留南車場到發(fā)線13條,旅客基本站臺1座,中間站臺5座,預(yù)留動車組列車出入段走行線各1條,存車場存車線8條。南昌西動車運用所位于南昌市新建縣生米鎮(zhèn),地處贛撫沖洪積平原,地形平坦、開闊,地面高程一般15 ～ 25 m。動車段所與存車場有2種布置型式,目前全國動車段所大多與存車場縱列布置,縱列式布置走行順利,但工程投資稍大；橫列式布置優(yōu)點是站坪短、設(shè)備集中、管理方便、地形適應(yīng)性好,缺點是動車組列車出入存車線需要折返走行,運用不便。按照動車運用所與存車場縱列布置,針對南昌西站推薦方案提出向莆線上跨320國道(方案1)、向莆線下穿320國道(方案2)、禮莊山站址(方案3)。

2.1 方案提出

（1）向莆線上跨320國道(方案1)。向莆線動車組列車走行線、杭南長線動車組列車走行線及向莆車場至杭南長車場左聯(lián)絡(luò)線均跨越320國道后,動車運用所入口距車站進(jìn)站端約4.6 km。動車運用所、存車場按縱列式布置,預(yù)留的大修基地、綜合維修工區(qū)位于動車運用所左側(cè)并與之呈并列式布置,向莆線上跨320國道(方案1)示意圖如圖2所示。向莆正線在D1K1448+027上跨320國道(320國道維持現(xiàn)狀不變)后,于D1K1450+280下穿昌樟高速公路后引入南昌西站,車站設(shè)計高程36.31 m；向莆線動車左、右走行線、杭南長線動車左、右走行線及向莆車場至杭南長車場左聯(lián)絡(luò)線均上跨320國道；向莆車場至杭南長車場右聯(lián)絡(luò)線上跨預(yù)留杭南長動車右走行線、向莆線動車右走行線、預(yù)留杭南長正線后銜接杭南長正線,動車運用所位于新建縣望城鎮(zhèn)燕窩村附近。

圖2 向莆線上跨320國道(方案1)示意圖Fig.2 Scheme 1: Xiangpu Line overpassing G320 highway

（2）向莆線下穿320國道(方案2)。該方案車站總平面布置與向莆線上跨320國道方案相同,車站設(shè)計高程仍為36.31 m。向莆正線與320國道交叉處,國道原位抬高約6.0 m,跨向莆正線、杭南長正線、向莆車場動車左、右走行線、杭南長車場動車左、右走行線,立交處設(shè)926 m公路橋通過,國道抬升地段長約1.8 km。向莆線至杭南長聯(lián)絡(luò)線上跨320國道,各方案跨越昌樟高速公路設(shè)計內(nèi)容一致。向莆線下穿320國道(方案2)示意圖如圖3所示。

圖3 向莆線下穿320國道(方案2)示意圖Fig.3 Scheme 2: Xiangpu Line passing under G320 highway

（3）禮莊山站址(方案3)。向莆線動車組列車走行線分別上跨向莆線及杭南長客運專線后,向南走行,設(shè)于新建縣望城鎮(zhèn)禮莊山村附近、昌樟高速公路左側(cè)。動車運用所入口距車站進(jìn)站端約2.4 km。動車運用所、存車場按縱列式布置,預(yù)留的大修基地、綜合維修工區(qū)分別位于動車運用所兩側(cè)并與之呈并列式布置。禮莊山站址(方案3)示意圖如圖4所示。

圖4 禮莊山站址(方案3)示意圖Fig.4 Scheme 3: Lizhuangshan Station location

2.2 方案比選

對上述3個方案進(jìn)行優(yōu)缺點比較,方案優(yōu)缺點比較如表2所示。

表2 方案優(yōu)缺點比較表Tab.2 Advantages and disadvantages of the schemes

綜上,方案1能滿足動車組列車運用能力要求,動車組列車出入段走行距離較短,建設(shè)難度最低,雖然投資較方案3增加約9 035.91萬元,便利性上也稍有不及,但預(yù)留發(fā)展空間充足、適應(yīng)城市規(guī)劃最好,故推薦方案1,即向莆線上跨320國道方案。

3 基于模糊層次分析法的南昌西站動車組走行線方案研究

模糊層次分析法(FAHP)改進(jìn)了傳統(tǒng)層次分析法存在的問題,提高了決策可靠性。傳統(tǒng)層次分析法當(dāng)判斷矩陣的階數(shù)過大時,通常難于構(gòu)造出滿足一致性的矩陣,出現(xiàn)一致性隨機偏離的可能性也越大,必須進(jìn)行一致性檢驗,檢驗不通過時調(diào)整復(fù)雜困難。模糊層次分析法能夠定性定量相結(jié)合處理決策問題,計算簡便。研究的指導(dǎo)思路是鐵路方案比選應(yīng)以功能強大、運營便利為先,其次才考慮經(jīng)濟性和建設(shè)難度,據(jù)此構(gòu)造方案比選準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。南昌西站動車組列車走行線方案層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 南昌西站動車組列車走行線方案層次結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Hierarchical structural diagram of EMU running tracks of Nanchang West Station

利用模糊層次分析法尋求動車組列車走行線最優(yōu)方案,步驟如下。

步驟1：根據(jù)1—9標(biāo)度法通過專家判斷構(gòu)造模糊矩陣。模糊層次評價矩陣如表3所示。

步驟2：確定初始權(quán)重,Dik表示初始權(quán)重,即第k層元素i的綜合模糊值。Dc1初始權(quán)重=(0.179,0.508,1.225),Dc2初始權(quán)重= (0.102,0.239,0.521),Dc3初始權(quán)重= (0.081,0.144,0.314),Dc4初始權(quán)重= (0.068,0.110,0.265)。

表3 模糊層次評價矩陣Tab.3 Hierarchical fuzzy evaluation matrix

步驟3：去模糊化。

定義一：M1(l1,m1,u1)和M2(l2,m2,u2)是三角模糊數(shù),l,u表示M的下界和上界值,m是模糊集M的隸屬度為1時的取值。M1≥M2的可能度用三角模糊函數(shù)定義為

定義二：一個模糊數(shù)大于其他k個模糊數(shù)的可能度,被定義為

V(M≥M1,M2,…,Mk) = min (M≥Mi)i= 1,2,…,k

一個模糊數(shù)大于其他模糊數(shù)的可能度作為這個模糊數(shù)比較之后得到的權(quán)重。D(c1) = min (1,1,1) = 1,D(c2) = min (0.560,1,1) = 0.560,D(c3) =min (0.270,0.689,1) = 0.270,D(c4) = min (0.177,0.557,0.845) = 0.177。

步驟4：標(biāo)準(zhǔn)化以后得到各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重。Wc1= 1 / (1 + 0.560 + 0.270 + 0.177) = 0.498,Wc2=0.560 / (1 + 0.560 + 0.270 + 0.177) = 0.279,Wc3=0.270 /(1 + 0.560 + 0.270 + 0.177) = 0.134,Wc4= 0.177 / (1 +0.560 + 0.270 + 0.177) = 0.088。

各層次計算完畢后求得最終權(quán)重統(tǒng)計如表4所示。

由表4可知,方案1最終權(quán)重得分最高,選擇方案1,即向莆線上跨320國道方案。

表4 最終權(quán)重統(tǒng)計表Tab.4 Final weight statistics

4 結(jié)束語

南昌西站是華中地區(qū)重要的鐵路客運樞紐,也是南昌都市圈發(fā)展的重要啟動點,可以促進(jìn)外圍片區(qū)與主城區(qū)的進(jìn)一步合作交流,推進(jìn)“西進(jìn)”“南延”戰(zhàn)略意圖,提升城市的功能和價值。盡快確定動車組列車走行線方案,對于樞紐按時建成具有重要意義。線路方案比選是一個典型的多目標(biāo)決策問題,許多指標(biāo)具有不確定性,難以定量分析,通過引入模糊層次分析法可以較為方便快捷地確定最優(yōu)方案,提高比選效率,拓展鐵路方案比選決策方法的深廣度。但是,由于實際問題的復(fù)雜性,模糊層次分析法各層次權(quán)重取值區(qū)間及重要性排序會根據(jù)不同項目發(fā)生變化,不僅要考慮其性質(zhì)是否重要,還要兼顧在設(shè)計中實際影響大小,需要在實踐應(yīng)用中及時提煉分析相關(guān)經(jīng)驗和規(guī)律。