基于AHP-模糊综合评价法的兴泉铁路宁化至泉州段线路方案对比研究

杨文昕,余 磊,周 锬,文 章

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031； 3.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

兴国至泉州铁路宁化至泉州段位于闽西南地区，线路西起福建省三明市宁化，经清流、明溪、三明、永安、大田进入泉州市，并通过德化、永春、安溪和南安等市县，终至福建省泉州市。

兴国至泉州铁路是东南沿海泉州港通往内陆纵深主要集疏运通道，同时是蒙华铁路重要的下海大通道，兴国端与拟建蒙华铁路和既有京九铁路相连，并经在建和拟建赣衡、怀邵衡、沪昆、渝怀和湘桂等铁路，可分别通往华中、内蒙、西南、西北地区；中部在永安与鹰厦铁路相连，形成泉州、华中、西南地区至三明地区的便捷通道；东端与既有福厦铁路以及众多的港口支线有机衔接，共同形成海西经济区铁路网。

1.1 地形地貌

线路起于三明宁化，翻越玳瑁山、戴云山等山脉，途经宁都盆地、石城盆地及永安盆地，跨越东溪(宁化)、沙溪(永安)、晋江东溪(南安)、洛阳江等江河，终于泉州惠安。线路经过构造剥蚀中低山、构造剥蚀低山丘陵及滨海平原、台地区3个地貌单元。

葛洲至安溪段地形特征为构造剥蚀中低山区，自然坡度较陡峭，沟谷纵横，切割较深，以“V”形谷为主，线路穿越了戴云山山脉，经过的主要经济据点为大田县、德化县、永春县。

1.2 方案的提出

线路方案比选段位于三明市所属范围，沿线的自然资源比较丰富，但交通基础设施相对薄弱，资源利用不充分。三明市是福建省最重要的煤炭基地。已探明工业储量为4.9×108t，占全省储量49%；其中永安储量为2.515×108t，占全市储量的51.33%。三明市已探明的铅矿床共有19处，储量为40.25×104t，占全省储量的32%，分布于大田县、将乐县、清流县和三明市区。区域环境敏感区包括大田县一顶尖森林公园、大田大仙峰省级自然保护区、安溪清水岩省级风景名胜区以及多个水源保护区。区间内有一处断裂带，对线路方案影响较大[1]。

结合沿线经济据点分布、地形、地质、采空区、环保敏感点等条件，本段线路走向方案研究了经大田—德化—永春县方案(以下简称方案I)、和平溪—桂洋乡取直方案(以下简称方案Ⅱ)、陈祠—湖头镇取直方案(以下简称方案Ⅲ)3个方案[2-5]，详见图1。

图1 葛洲至安溪段方案示意

1.3 方案概述

(1)大田—德化—永春县方案(方案Ⅰ)

本方案自方案比较起点引出后，穿南屏山隧道至溪尾村，又穿笔架山隧道至小湖村，出站后下穿泉三高速公路，于大田县城北部距县政府约1.1 km处设大田站，出站后线路沿东南向前行，经上洋、洋田村，穿戴云山隧道，于盖德镇南侧设德化站(此站址距县城约5 km)，出站线路折向南而行，经马跳、美林至永春县城西侧达埔乡设永春站，线路继续南行进至方案比较终点。该方案正线建筑长度114.22 km，桥隧总长104.139 km，桥隧比91.17%。

(2)和平溪—桂洋乡取直方案(方案Ⅱ)

本方案自方案比较起点引出后，穿南屏山隧道至溪尾村，穿龙母山隧道，于高洲村附近设大田站(此站址距县城约11 km)，出站后穿屏山隧道、济阳隧道，于桂洋镇西南侧设站，后接大田—德化—永春县方案至方案比较终点。该方案线路长度85.99 km，桥隧总长83.200 m，桥隧比96.76%。

(3)陈祠—湖头镇取直方案(方案Ⅲ)

本方案自方案比较起点引出后，穿吾祠隧道沿东南向前行，先后经陈祠镇、湖头镇、金谷乡后至方案比较终点。该方案正线建筑长度93.76 km，桥隧总长89.06 km，桥隧比94.99%。

该方案所经地区地质构造复杂，基本沿永安-晋江断裂带行进，受断裂带的影响，断裂带影响范围内岩体风化强烈，岩体破碎，强度低，工程稳定性差，特别是软质岩地段，故对路基高边坡、隧道的围岩完整性和稳定性影响较大，隧道多以较差～差的围岩为主，存在大量的不良地质现象，工程地质条件复杂，工程风险大。

此外，此方案完全远离了大田县、德化县及永春县，沿线只经过了几个乡镇，未经过县级经济据点，对沿线经济发展带动不大，综合考虑此方案的不良地质情况以及三明市城市总体规划，舍弃该方案。

2 运用AHP-模糊综合评价的方法进行方案比选

2.1 AHP-模糊综合评价法简述

铁路线路方案比选是复杂的多目标决策问题。它涉及因素众多，既有工程量、工程费等技术经济方面的定量指标，又有环境影响、社会意义等定性指标，传统的评价方法是在追求换算工程运营费最省的基础上，结合对各方案的技术条件、环境影响和社会作用等定性指标的分析，得出最佳方案，但这种方法无法将定量指标和定性指标统一起来进行评价，从而确定出一个较优方案[6]。

AHP-模糊综合评价法综合了层次分析法与模糊综合评价法，即决策者首先应用层次分析法建立能够包含和计量全部可以定量测定的和只能定性研究的重要因素的模型，并辅以专家打分的方法(德尔菲法)来确定各指标的权重，然后采用多层次模糊综合评价法对线路方案进行综合评价[7-10]。其技术路线如图2所示。

图2 AHP-模糊综合评价法框架

2.2 建立层次结构模型

根据对该线路比选段各方案的了解和初步分析，发现影响该线路方案取舍的关键在于既要满足技术可行性，又要尽量降低经济成本。因此，将技术和经济相关的指标分别纳入技术子系统和经济子系统；考虑到近年来国家对环境的重视，应尽量降低工程施工对环境的影响，故构造环境子系统参与评价；社会子系统的构成主要是为了评估各线路方案对沿线地区经济的带动，以及对地方、对国家的意义，使该线路的社会影响达到最优。参考文献[11-12]，并在众多指标中选取典型指标征询专家意见，以此建立线路方案评价层次结构模型的目标层(A)、准则层(B)和指标层(C)。如图3所示。

图3 层次结构模型

2.3 方案Ⅰ和方案Ⅱ在各准则层上的比较

(1)在技术准则层上的比较

从地质地形方面分析，方案Ⅰ和方案Ⅱ地质条件基本相似，岩性以砂泥岩、花岗岩、凝灰熔岩为主，穿含煤地层，主要工程地质问题为侵入岩蚀变带、瓦斯，部分段落为顺层，对工程影响较大[1]。

另外，从方案Ⅰ和方案Ⅱ的相关数据比较(表1)可以看出，方案Ⅱ较方案I线路缩短20.46 km，桥隧总长减少15.08 km(桥梁总长减少5.568 km，隧道总长减少9.509 km)，投资共减少12.969亿元。且方案I主要工程数量更大，拆迁工程数量更大。因此综合技术准则层，方案Ⅱ较优。

(2)在经济准则层上的比较

方案I沿线经过了大田、德化、永春3个县级经济据点，并充分结合城市发展规划和地方意见，在县城附近设站，便于旅客出行及货物运输，能很好地带动沿线地方经济发展；方案Ⅱ的大田站站位和德化站站位距离县城分别约11 km和20 km，与城市发展规划不符，旅客出行不便，货物运输距离长，不利于客货运输及带动沿线经济发展。从上述内容来看，方案Ⅰ更优。但从工程投资、运营费用及拆迁费用方面来看，方案I消耗较大，方案Ⅱ更优。

(3)在环境准则层上的比较

在环境准则层上，由于两个方案相距较近，受地质地形的影响基本相同。但由于方案Ⅱ线路穿越了大田一顶尖森林公园约1.7 km，且线路紧贴大田大仙峰省级自然保护区，因此从线路破坏沿线环境的程度上来看，方案Ⅱ比方案Ⅰ略大一些。

表1 方案Ⅰ、方案Ⅱ相关工程量比较

(4)在社会准则层上的比较

方案Ⅰ沿线大田、德化、永春等县的煤炭、花岗岩、石灰石等矿产资源丰富，且三地均为原中央苏区县，经济综合实力较弱且发展缓慢。该方案对支撑沿线资源开发和老区的经济发展意义重大，能起到促进沿线资源开发，加快革命老区经济发展的重要作用。

2.4 各项指标权重计算

采用层次分析法对各项指标进行权重计算。由在铁路线路方面具有丰富工作经验的专家对各项指标进行绝对评价，再基于1-9标度法将绝对评价数据进行两两比较，构造判断矩阵，经过一致性检验和归一化处理后得到权重[13-15]。其求解模型如图4所示。

图4 指标层权重求解模型

为满足两两对比的评判之间存在一致性，各矩阵的非零最大特征根λmax需满足

(1)

其中，获取平均随机一致性指标RI值的方法是，通过随机方法分别对n=1～10阶各构造500多个样本矩阵，并计算其一致性指标CI值，然后获得平均值[16]。参考以往文献可得表2。

表2 平均随机一致性标度RI

对准则层元素的权重进行决策和计算，其判断矩阵如表3所示。

表3 准则层元素判断矩阵u

λmax=4.122 1，CR=0.045 8<0.1，符合一致性检验。

归一化权重为

同理，可对各准则层子指标的权重进行决策和计算，得技术、经济、环境、社会子系统归一化权重分别为

其结果均符合一致性检验。

2.5 确定单因素评价矩阵

将评价材料分发给5位专家，在对方案进行打分评价时，采用备择集

V={1，2，3，4，5}={很差，较差，一般，较好，很好}

由5位专家为每个特定指标提供评分[7]。整理两种方案各子系统指标的单因素评价得分，是赞成指标为第k种评价的票数。

令

(2)

表4 各因素评价

2.6 两方案的模糊综合评价

(1)一级模糊综合评判

(3)

(2)二级模糊综合评判

(4)

(3)清晰化处理

采用公式(5)对上述所得值进行清晰化处理

(5)

通过清晰化处理得到的数值分别为两个方案的模糊综合评价的最终得分，其值域为[1，5]，分值越高的方案即为综合考虑技术、经济、环境和社会四方面因素情况下的较优方案。计算得两方案的模糊综合评价结果为

BI=3.478>BII=2.983

即方案Ⅰ更优。

2.7 评价结论

方案Ⅰ与方案Ⅱ的优缺点都很明显，通过AHP-模糊综合评价的结果，直观地反映出方案Ⅰ与方案Ⅱ的可行性都较好，但方案Ⅰ更优。方案Ⅰ虽然线路长度长，投资相对较大，但是该方案经过了大田、德化、永春县，符合地方发展需求，能很好地带动沿线地方经济发展，客货流吸引范围更大，修建意义更大，且该方案地质条件好，工程风险小。因此采用方案Ⅰ作为推荐方案。

3 结语

兴泉铁路宁化至泉州段线路比选段的影响因素众多，合理确定各因素对线路的影响程度并比选确定推荐线路方案，关系到兴国至泉州铁路能否按期实施、尽早发挥其效能。

(1)对于比选段的不同线路方案，在线路宏观走向研究的基础上，运用AHP-模糊综合评价的方法，通过技术、经济、环境和社会4个子系统，对线路长度、工程投资、工程地质地形条件、线路带动地方经济发展等多个方面进行比较分析，经综合计算比选后，提出了大田—德化—永春县方案作为推荐方案的建议。

(2)根据兴泉铁路的特点，将影响线路方案的因素分为技术、经济、环境、社会4类，并选取了其中比较典型的16个指标，建立了铁路线路方案决策的层次分析结构模型。由于各指标对线路方案的影响程度不同，所以利用层次分析法分别对4个子系统及其下指标进行了权重计算。该方法的特点是思路清晰，步骤简单，且各因素间的关系明了，但存在较大的随意性，构建的多层次结构模型以及对多位专家的意见，综合有效地降低了该方法的弊端。

(3)在所计算出的各因素权重的基础上，运用模糊综合评价的理论，对各比选方案进行多层次模糊计算，得出最终评价数值，以此反映方案的优劣。该评价方法避免了定性分析的主观性和定量分析对数据的苛刻要求，将影响兴泉铁路线路比选段的各影响因素统一起来进行评价，使比选方案的评价结果能够得到更直观的呈现，也为该实际工程的建设提供了较有意义的参考依据。