基于案例库的线路主要技术标准决策方法研究

韩 峰，高玉祥

（兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070）

铁路主要技术标准是指对铁路输送能力、工程造价、运营质量以及选定其他有关技术条件有显著影响的基本标准和设备类型，技术标准对决定铁路运输能力的大小、设计线的工程造价和运营质量有重大影响。

夏明雷对巴开铁路的牵引种类、限制坡度及牵引质量等关键问题进行了研究，提出并实践了经济、合理的选择线路主要技术标准，为类似项目的研究提供参考[1]。刘猛针对复杂艰险山区自然环境复杂的特点，尝试性提出灵活运用技术标准、采用加力坡度的概念[2]。陈健坤以巴新运煤线为例，研究客货混运铁路主要技术标准确定应该注意的问题，提出“强本简末、强干弱支”的方针[3]。王兴华通过研究邯黄铁路的限制坡度基准，为平原地区的货运铁路设计积累经验[4]。陈永跃把铁路技术标准综合优化理论应用于具体线路标准决策上，利用兰渝铁路资料分析回归得到数学模型，给出了兰渝铁路可行性研究主要技术标准的建议值[5]。陈小全从客流特征、路网协调、时间目标值要求、工程投资等方面进行分析，确定了京九铁路350 km/h的速度目标值[6]。这些研究主要集中在重载铁路技术标准选定、城际铁路速度目标值研究和铁路技术标准体系等方面，讨论的都是某一条具体线路的技术标准选定方法，将已经修建完成的多条线路技术标准一起进行比较从而得出普适性结论的研究则较少。

铁路主要技术标准的选择不仅与工程条件有关，还与线路经过地区的铁路运输网有密切关系[7]。张野等对西北地区的铁路路网密度、人口密度及人均GDP进行相关分析，得出拟合公式后对2020年的路网密度进行适应性分析[8]。郑毛祥通过梳理江苏省铁路发展现状，结合区域铁路网布局理论，研究提出了江苏省中长期铁路网发展规划[9]。张开广针对河南省高速公路建设对城市通达性的影响，在4个时间断面上研究了高速公路交通网中通达性时空特征及演化规律[10]。线路等级、技术标准的确定都应该结合当地的铁路网发展现状，选择合理的技术标准为经济建设提供服务。

本文通过分析各种选线设计的典型案例，总结出铁路技术标准选定的特点和普适性结论，选出影响铁路技术标准选定的主要因素，并将其划分为属性单元，建立基于GIS的主要技术标准信息库，利用GIS的空间分析、数据管理等功能比选新建线路主要技术标准，使选出的新建线路主要技术标准经济效益合理，并符合自然环境的可持续发展要求。

1 主要技术标准的影响因素分析

1.1 主要技术标准

客货共线铁路主要技术标准及影响因素，如图所示1。

铁路主要技术标准可以分为基建标准和装备类型标准两大类，基建标准主要有正线数目、限制坡度、最小曲线半径和到发线有效长度，这类标准与铁路工程建设密切相关，一旦建成后很难进行改变，按远期需要选定；装备类型有牵引种类、牵引质量、机车类型、闭塞方式，随着科技发展和技术装备的更新改造，可按实际需要改变，在设计中应该近期、远期统筹考虑达到节约初期投资的效果。

1.2 影响因素及机理

铁路服务于经济社会，对沿线经济发展、社会进步和文化交流有积极的推动作用，经济越发达、人流密度越高的地方越需要铁路这种大型交通运输工具来实现人员、物资的空间转移。线路主要技术标准决定其输送能力的大小，其选定不仅是地形地貌、水文地质等工程因素的单一作用，还有GDP、人口、旅游景点等社会因素的作用，提取出线路主要技术标准的影响因素，如图2所示。

1.3 属性单元资料

图1 客货共线铁路主要技术标准及影响因素

图2 技术标准层次结构

从Goole earth上提取各地区不同年份的铁路，用Global Mapper软件转成shp文件后在ArcGIS中将铁路网与行政区做叠置，把运行结果与各个行政区做表链接，计算出各市（州）的铁路网密度后采用反距离权重插值法将路网密度空间化。

利用数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）数据由slope函数提取出坡度，对坡度进行分级[11-12]，以2 km为间距建立基于铁路的缓冲区，将重分类后的栅格图形属性表导出为.dbf文件，通过Excel软件进行汇总和统计，可计算出每一条研究线路缓冲区内的坡度组成及平均坡度，坡度分类及统计，如表1所示。

表1 坡度组成分类及统计

2 建立基于GIS的既有线技术标准库

2.1 信息库建立

针对铁路选线设计时主要技术标准的特点，将技术标准知识库分为多个子库进行存储，就类型主要分为技术标准设计知识和实例知识两部分，在每个节点存放了对应知识元的既有规范知识、专家经验和既有实例3种类型的知识，如图3所示。

图3 知识来源与组成

信息库的建立以已经设计完成的线路主要技术标准及其影响因素为数据源，将统计分析后的线路信息、技术标准信息、属性单元信息等分别以图形、文字、表格等形式存储，把线路和其对应的各种信息在GIS关联，由于外部信息库与内部信息有公共字段且为动态链接关系，可保证信息库内容的更新与完善。

2.2 相似方案查找

缓冲区是围绕地理要素一定宽度的区域，地理要素通常为点、线和面[13]。利用ArcGIS空间分析模块进行点对区、线对区相交分析，得出基于线路的城市节点分布和线路辐射范围。由于线路在地理空间的相连性特征，在进行缓冲区分析时，连接处重合的区会自动合并，最后成为一个整体缓冲区。同时可以利用GIS进行分析数据的可视化、对不同缓冲区内的信息进行统计分析，总结其空间分布规律和属性特征。

模糊检索根据输入的关键词，关键词可以有多个或者是一条语句，满足一个或多个关键词的知识及相应的知识实例全部会被检索出来，这样提高了检索的自由度和信息的查全率，主要技术标准的查询结果，如图4所示。

图4 相邻线路主要技术标准

例如：找出甘肃省2010年路网密度＞0.002 1 km/km2、附近有天水、GDP较高的区域，其查询条件表达式可编写为：

3 工程实例应用

3.1 工程概况

新建的天水至陇南铁路位于甘肃省陇东南地区，线路大致呈南北走向，北起陇海铁路天水站，向南经西和县接入兰渝铁路，大约为195 km。

3.2 主要技术标准推荐意见

根据案例库的查找计算结果，本线拟定主要技术标准的初步推荐意见为：

（1）铁路等级：Ⅰ级。

（2）正线数目：单线。

（3）最小曲线半径：一般2 000 m，困难1 200 m。

（4）牵引种类：电力。

（5） 限制坡度 ：11‰。

（6）机车类型：客机HXD1，货机SS4。

（7）牵引质量：4 000 t。

（8）到发线有效长度：850 m。

（9） 闭塞类型：自动站间闭塞。

对于拟选定的主要技术标准，还应根据线路实际情况进行修改。将影响每一条技术标准的属性单元进一步划分为元素，确定每个元素对单元的影响权重，再进行新线与既有线对应技术标准之间相似度的计算，并根据相似度计算结果和实际的工程资料对技术标准的值进行合理的修改。

考虑到本线的作用主要是运输煤炭资源，还需要根据远期输送能力要求来分析，随着远期运输量的增大，牵引质量达到5 000 t, 因此，到发线有效长度预留1 050 m。

3.3 与相邻线技术标准的判别

根据铁路的路网协调性原则，拟选定的新线主要技术标准应与相邻路网协调匹配，这样便于运输组织、提高效率，充分利用养护维修设备，形成标注统一的区域路网。

与邻线进行比较时考虑到线路的服务性，选取的比较单元主要为牵引种类、最小曲线半径、限制坡度和到发线有效长度。

通过比较新线拟定的主要技术标准与邻接线路的主要技术标准，根据实际情况可以得出选定的技术标准满足要求。

4 结束语

（1）根据现有的设计案例资料，分析各因素对线路主要技术标准的影响机理及作用强度，将影响因素划分为属性单元并完成属性单元的入库规则设计，建立基于GIS 的线路主要技术标准案例库。

（2）通过实例分析，初步验证了所提线路主要技术标准决策方法的可行性，但该方法只考虑了影响技术标准的一些最主要因素而忽略了部分次要因素，在后期的研究中还需要进一步完善。