基于模糊层次分析法的南昌西站动车组走行线方案研究

金小兵

JIN Xiaobing

（中国土木工程集团有限公司 福州勘察设计研究院有限公司，福建 福州 350011）

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

铁路选线是一个系统工程,设计规范[1-3]要求方案比选时综合考虑铁路网规划、城市规划和产业布局、符合环境保护节约用地、结合地形水文地质条件保障运营、减少征地拆迁、满足安全要求、满足国防等要求。在满足技术标准、保证通过能力前提下,力求线路顺直、降低造价和建设难度。线路方案比选经过多年实践,已经形成一套相对规范的思路方法,对我国铁路高速发展起到了很大的推动作用,但方案比选涉及较多影响因素,过去主要依靠经验判断,目前开始探索新的研究方法,把方案比选中一些难于直接定量的评价因素转化为三角模糊数,建立选线方案比选模型,将定量指标和定性指标综合起来计算得到一个最终权重值,从而对铁路选线方案作出合理排序,为铁路选线设计决策提供科学依据。通过借鉴既有研究[4-11],以南昌西站动车组走行线布局方案为例,首先按照传统比选方式以功能性、经济性、建设难度和便利性进行方案比选,然后运用模糊层次分析法分层次计算,在最后权重计算上不再依赖专家打分,而是引入可能度概念,通过标准化以后得到权重,通过比较权重大小得到推荐方案,2种比选方法得到一致结果。

1 概述

南昌枢纽北部衔接京九线(北京西—九龙)、昌九城际铁路(九江—南昌）,东接浙赣线(杭州—株洲)、向莆线(向塘—莆田)及杭南长客运专线(杭州东—长沙南),西、南部分别衔接浙赣线、杭南长客运专线、京九线,是衔接5条线路、8个行车方向的客货分线环型枢纽。枢纽客运系统规划为“两主一辅”：主要客运站为南昌站、南昌西站,辅助客运站为向塘站。南昌西站办理杭州、长沙、赣州、福州方向的动车组列车的始发、终到,同时办理九江至赣州、福州、杭州、长沙方向,福州至长沙方向,赣州至长沙方向,杭州至长沙方向的动车组列车通过作业。经过可研阶段评审,确定南昌西站方案为向莆线与杭南长客运专线分场并站布置,向莆车场、杭南长车场动车组列车走行线按方向别引入,向莆车场九江端预留向莆线至杭南长上、下行联络线。设计到发线28条(含正线4条)、旅客基本站台2座、中间站台10座。初步设计阶段进行了南昌西动车运用所站址、线路方案研究,动车组走行线技术标准按Ⅱ级正线设计。南昌枢纽总平面布置示意图如图1所示。南昌西站办理旅客列车对数如表1所示。

图1 南昌枢纽总平面布置示意图Fig.1 Overall layout of Nanchang Hub

表1 南昌西站办理旅客列车对数表 对/dTab.1 Train operated at Nanchang West Station

2 南昌西站动车组列车走行线方案

南昌西站动车运用所规模如下：存车场设存车线19条,有效长480 m,其中向莆线近期设存车线11条。动车运用所设检查线2条；牵出线1条；洗刷线1条；不落轮镟线1条；临修线1条；出入段所线2条。综合维修工区设机走线1条,大机停放线3条,轨道车辆停放线5条,检修库线兼材料线1条。杭南长客运专线引入预留南车场到发线13条,旅客基本站台1座,中间站台5座,预留动车组列车出入段走行线各1条,存车场存车线8条。南昌西动车运用所位于南昌市新建县生米镇,地处赣抚冲洪积平原,地形平坦、开阔,地面高程一般15 ～ 25 m。动车段所与存车场有2种布置型式,目前全国动车段所大多与存车场纵列布置,纵列式布置走行顺利,但工程投资稍大；横列式布置优点是站坪短、设备集中、管理方便、地形适应性好,缺点是动车组列车出入存车线需要折返走行,运用不便。按照动车运用所与存车场纵列布置,针对南昌西站推荐方案提出向莆线上跨320国道(方案1)、向莆线下穿320国道(方案2)、礼庄山站址(方案3)。

2.1 方案提出

（1）向莆线上跨320国道(方案1)。向莆线动车组列车走行线、杭南长线动车组列车走行线及向莆车场至杭南长车场左联络线均跨越320国道后,动车运用所入口距车站进站端约4.6 km。动车运用所、存车场按纵列式布置,预留的大修基地、综合维修工区位于动车运用所左侧并与之呈并列式布置,向莆线上跨320国道(方案1)示意图如图2所示。向莆正线在D1K1448+027上跨320国道(320国道维持现状不变)后,于D1K1450+280下穿昌樟高速公路后引入南昌西站,车站设计高程36.31 m；向莆线动车左、右走行线、杭南长线动车左、右走行线及向莆车场至杭南长车场左联络线均上跨320国道；向莆车场至杭南长车场右联络线上跨预留杭南长动车右走行线、向莆线动车右走行线、预留杭南长正线后衔接杭南长正线,动车运用所位于新建县望城镇燕窝村附近。

图2 向莆线上跨320国道(方案1)示意图Fig.2 Scheme 1: Xiangpu Line overpassing G320 highway

（2）向莆线下穿320国道(方案2)。该方案车站总平面布置与向莆线上跨320国道方案相同,车站设计高程仍为36.31 m。向莆正线与320国道交叉处,国道原位抬高约6.0 m,跨向莆正线、杭南长正线、向莆车场动车左、右走行线、杭南长车场动车左、右走行线,立交处设926 m公路桥通过,国道抬升地段长约1.8 km。向莆线至杭南长联络线上跨320国道,各方案跨越昌樟高速公路设计内容一致。向莆线下穿320国道(方案2)示意图如图3所示。

图3 向莆线下穿320国道(方案2)示意图Fig.3 Scheme 2: Xiangpu Line passing under G320 highway

（3）礼庄山站址(方案3)。向莆线动车组列车走行线分别上跨向莆线及杭南长客运专线后,向南走行,设于新建县望城镇礼庄山村附近、昌樟高速公路左侧。动车运用所入口距车站进站端约2.4 km。动车运用所、存车场按纵列式布置,预留的大修基地、综合维修工区分别位于动车运用所两侧并与之呈并列式布置。礼庄山站址(方案3)示意图如图4所示。

图4 礼庄山站址(方案3)示意图Fig.4 Scheme 3: Lizhuangshan Station location

2.2 方案比选

对上述3个方案进行优缺点比较,方案优缺点比较如表2所示。

表2 方案优缺点比较表Tab.2 Advantages and disadvantages of the schemes

综上,方案1能满足动车组列车运用能力要求,动车组列车出入段走行距离较短,建设难度最低,虽然投资较方案3增加约9 035.91万元,便利性上也稍有不及,但预留发展空间充足、适应城市规划最好,故推荐方案1,即向莆线上跨320国道方案。

3 基于模糊层次分析法的南昌西站动车组走行线方案研究

模糊层次分析法(FAHP)改进了传统层次分析法存在的问题,提高了决策可靠性。传统层次分析法当判断矩阵的阶数过大时,通常难于构造出满足一致性的矩阵,出现一致性随机偏离的可能性也越大,必须进行一致性检验,检验不通过时调整复杂困难。模糊层次分析法能够定性定量相结合处理决策问题,计算简便。研究的指导思路是铁路方案比选应以功能强大、运营便利为先,其次才考虑经济性和建设难度,据此构造方案比选准则层和指标层。南昌西站动车组列车走行线方案层次结构如图5所示。

图5 南昌西站动车组列车走行线方案层次结构图Fig.5 Hierarchical structural diagram of EMU running tracks of Nanchang West Station

利用模糊层次分析法寻求动车组列车走行线最优方案,步骤如下。

步骤1：根据1—9标度法通过专家判断构造模糊矩阵。模糊层次评价矩阵如表3所示。

步骤2：确定初始权重,Dik表示初始权重,即第k层元素i的综合模糊值。Dc1初始权重=(0.179,0.508,1.225),Dc2初始权重= (0.102,0.239,0.521),Dc3初始权重= (0.081,0.144,0.314),Dc4初始权重= (0.068,0.110,0.265)。

表3 模糊层次评价矩阵Tab.3 Hierarchical fuzzy evaluation matrix

步骤3：去模糊化。

定义一：M1(l1,m1,u1)和M2(l2,m2,u2)是三角模糊数,l,u表示M的下界和上界值,m是模糊集M的隶属度为1时的取值。M1≥M2的可能度用三角模糊函数定义为

定义二：一个模糊数大于其他k个模糊数的可能度,被定义为

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

一个模糊数大于其他模糊数的可能度作为这个模糊数比较之后得到的权重。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。

步骤4：标准化以后得到各指标的标准化权重。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。

各层次计算完毕后求得最终权重统计如表4所示。

由表4可知,方案1最终权重得分最高,选择方案1,即向莆线上跨320国道方案。

表4 最终权重统计表Tab.4 Final weight statistics

4 结束语

南昌西站是华中地区重要的铁路客运枢纽,也是南昌都市圈发展的重要启动点,可以促进外围片区与主城区的进一步合作交流,推进“西进”“南延”战略意图,提升城市的功能和价值。尽快确定动车组列车走行线方案,对于枢纽按时建成具有重要意义。线路方案比选是一个典型的多目标决策问题,许多指标具有不确定性,难以定量分析,通过引入模糊层次分析法可以较为方便快捷地确定最优方案,提高比选效率,拓展铁路方案比选决策方法的深广度。但是,由于实际问题的复杂性,模糊层次分析法各层次权重取值区间及重要性排序会根据不同项目发生变化,不仅要考虑其性质是否重要,还要兼顾在设计中实际影响大小,需要在实践应用中及时提炼分析相关经验和规律。