基于加权TOPSIS模型的烟台至栖霞铁路建设方案研究

2020-09-01郎志峰

铁道运输与经济 2020年8期

郎志峰

（中铁第一勘察设计院集团有限公司轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西西安 710043)

1 烟台至栖霞铁路分析

1.1 线路位置

烟台至栖霞铁路是山东半岛城市群铁路网的重要组成部分，对其建设方案进行深入研究，对加快建设山东半岛蓝色经济区，提升山东半岛综合交通运输质量，形成具有较强国际竞争力的现代海洋产业聚集区[1-3]，有助于带动区域经济、交通、新型城镇化发展。烟台至栖霞铁路位于山东省烟台市及栖霞市，是山东半岛城市群城际铁路网的重要组成部分，线路南起栖霞市，向东北经松山工业园、栖霞经济开发区、臧家庄镇后引入烟台铁路枢纽。烟台至栖霞铁路示意图如图1所示[4]。

图1 烟台至栖霞铁路示意图Fig.1 Yantai-Qixia Railway

1.2 功能定位

烟台至栖霞铁路是一条以客为主、兼顾货运功能的客货共线铁路[5]。客运方面，主要承担栖霞至烟台的市域客流，辐射沿线经济开发区等重要据点，将栖霞市融入烟台综合交通网，有效增强环渤海经济圈的辐射作用。货运方面，有效满足沿线经济开发区企业生产原材料的长途运输以及工业产品的外运需求，同时兼顾部分地方农副产品运输任务。根据烟台至栖霞铁路在区域路网及国民经济中的功能作用，结合沿线经济发展趋势，分别采用“四阶段法”和“产运销平衡法” 进行客货列车开行对数预测[6]。烟台至栖霞铁路客货列车开行对数预测如表1所示。

1.3 建设方案设置

根据区域内龙烟铁路(龙口—烟台)、蓝烟铁路(蓝村—烟台)及青荣城际铁路(青岛—荣成)等既有铁路分布及城镇规划体系和人口分布，结合烟台至栖霞铁路地形及沿线控制因素，主要设置4个建设方案：蓝烟线桃村站接轨方案(方案1)、蓝烟线福山站接轨方案(方案2)、龙烟铁路烟台西接轨方案(方案3)、龙烟铁路大季家接轨方案(方案4)。烟台至栖霞铁路建设方案如图2所示。

（1）方案1：蓝烟线桃村站接轨方案。线路自栖霞市南侧设栖霞站引出，以桥隧相连并行S304北侧向东南行，后在距唐家泊镇500 m处设唐家泊站，出站沿S304下穿青荣城际后接入既有蓝烟线桃村站，距桃村镇1 km左右，新设车站2座，远期可设客车联络线接入青荣城际桃村站兼顾快速客运需求。该方案新建线路全长32.9 km，桥隧比为36.5%，全线投资总额约为17.1亿元，从栖霞至烟台运营长度86.9 km，利用既有铁路长度54 km，沿线经过栖霞市主城区、唐家泊镇、桃村镇，新增覆盖人口约26.8万人，利用蓝烟线进入烟台站后可与规划地铁1号线、2号线便捷换乘。

（2）方案2：蓝烟线福山站接轨方案。线路自栖霞市南侧设栖霞站引出，以桥隧相连工程向东，后在南距亭口镇5 km处设亭口站，后以桥隧相连工程向东行，在距张各庄镇东2 km处设张各庄站，向东南绕避门楼水库后前行至既有蓝烟线西侧4 km处穿隧道后向北接入既有蓝烟线福山站，新设车站3座。该方案新建线路全长49.3 km，桥隧比为56%，桥隧比重较大，投资总额约为27.6亿元，从栖霞至烟台运营长度66.3 km，利用既有铁路长度17 km，沿线经过栖霞市主城区、亭口镇、张各庄镇，新增覆盖人口约19.3万人，在接轨站福山站可与规划地铁3号线便捷换乘，利用蓝烟线进入烟台站可与规划地铁1号线、2号线便捷换乘。

表1 烟台至栖霞铁路客货列车开行对数预测对 / dTab.1 Forecast of passenger/freight trains of Yantai-Qixia Railway

图2 烟台至栖霞铁路建设方案Fig.2 Construction plans of Yantai-Qixia Railway

（3）方案3：龙烟线烟台西站接轨方案。线路自栖霞市北侧设栖霞站引出，向北行11 km后穿隧道转向东北行，在距寨里镇5 km处设寨里南站，后跨沈海高速后与之并行在距臧家庄镇6 km处设臧家庄站，之后继续并行于沈海高速北侧7 km后向北行接入既有龙烟铁路烟台西站，新设车站3座，下一步可结合环渤海高铁的规划建设情况，就近引入其附近客站，拓展本线的城际及长途客运功能。该方案新建线路全长42.4 km，桥隧比为27.4%，全线投资总额约为21.2亿元，从栖霞至烟台运营长度60.4 km，利用既有铁路长度18 km，沿线经过栖霞市主城区、寨里、臧家庄镇、松山工业园、栖霞经济开发区等据点，新增覆盖人口约24.6万人，在接轨站烟台西站可与烟台汽车西站及规划地铁4号线换乘，利用龙烟线进入烟台站可与规划地铁1号线、2号线换乘。

（4）方案4：龙烟线大季家站接轨方案。线路自栖霞市北侧设栖霞站引出，向北行11 km后穿隧道转向北行，跨沈海高速在距寨里3 km处设寨里西站，后沿蓬栖高速前行10 km后转向东北行，跨荣乌高速后在距蓬莱机场附近1.5 km处设蓬莱机场站，之后接入既有龙烟铁路大季家站，新设车站3座，下一步可结合环渤海高铁的规划建设情况，就近引入其附近客站，拓展本线的城际及长途客运功能。该方案新建线路全长48.8 km，桥隧比为33.4%，全线投资总额约为25.13亿元，从栖霞至烟台运营长度86.8 km，利用既有铁路长度38 km，沿线经过栖霞市主城区、寨里、松山工业园等据点，新增覆盖人口约17.7万人，在接轨站大季家站可蓬莱机场及规划地铁4号线换乘，利用龙烟线进入烟台站可与规划地铁1号线、2号线换乘。

2 烟台至栖霞铁路建设方案分析

2.1 综合比选模型构建

TOPSIS 法，又称“逼近理想解排序方法”，是一种运用距离作为评价标准的综合评价法[7]。采用加权TOPSIS模型求解n个方案m个评价指标的多目标决策问题计算方法，其计算步骤如下。

（1）选取评价指标，构建原始评价指标矩阵。从工程经济性、覆盖广泛性、发展协调性等方面选取评价指标，构建原始评价指标矩阵Xnm。

（2）指标同趋势化。将高优指标转化为低优指标，或将低优指标转化为高优指标，通常采用后者。用倒数法，建立同趋势化后的评价矩阵X´nm。

式中：xij为原始评价矩阵中第i行第j列个元素；为同趋势化后评价矩阵中第i行第j列个元素。

（3）指标归一化。对同趋势化后的评价指标矩阵进行归一化处理，得到归一化矩阵Anm，指标归一化公式为

式中：aij为归一化矩阵中第i行第j列个元素。

（4）确定正负理想解。将矩阵Anm中每个评价指标的最大值选出，组成最优解向量A+，即正理想解；同理，可得到最劣解向量A-，即负理想解。

（5）距离计算。采用欧氏距离计算公式计算各评价对象与最优方案及最劣方案的距离

式中：ωj为第j个指标的权重系数。

（6）计算各评价方案与最优解的贴近度。各方案与正理想解的接近程度Ci称为贴近度，其范围介于0和1之间，Ci愈接近1，表示该方案越接近最优水平；反之，愈接近0，则越接近最劣水平。

（7）将Ci按大小顺序排序，确定最优方案。

2.2 构建建设方案评价指标矩阵

针对烟台至栖霞铁路建设方案特点，从工程经济性、覆盖广泛性、发展协调性等方面考虑，选取工程总投资、利用既有线长度、线路运营长度、吸引客流及带动沿线发展、与其他交通方式衔接便利性等5项指标，综合运用德尔菲法、TOPSIS法，构建加权TOPSIS模型对建设方案进行综合比选[8]。

2.2.1 构建评价指标矩阵

依据4个方案，从工程总投资、利用既有线长度、线路运营长度、吸引客流及带动沿线发展、与其他交通方式衔接便利性5个维度选取评价指标，构成评价指标矩阵。4个方案对应5个维度的评价数据汇总表如表2所示。

表2 4个方案对应5个维度的评价数据汇总表Tab.2 Summary of evaluation indexes of 4 plans corresponding to 5 dimensions

根据上述方案研究成果，构建原始评价指标矩阵X。

2.2.2 指标同趋势化

根据公式⑴采用倒数法将工程总投资、利用既有线长度、线路运营长度等3项低优指标转化为高优指标，得到同趋势化后的评价矩阵X′。

2.2.3 指标归一化

由于各个评价指标的量纲不同，为了便于比较，根据公式 ⑵ 对矩阵X′归一化处理，可得到归一化矩阵A。

2.2.4 确定正负理想解

根据公式 ⑶ 至公式 ⑷ 将指标归一化后矩阵A中每个评价指标的最大值(各列最大值)选出，组成最优解向量A+，即正理想解；同理，将每个评价指标的最小值(各列最小值)选出可得到最劣解向量A-，即负理想解。计算结果如下所示。

正理想解：A+= [0.633 0.676 0.598 0.598 0.585]

负理想解：A-= [0.392 0.213 0.416 0.395 0.468]

2.2.5 计算结果排序

根据公式 ⑸ 至公式 ⑹ 分别计算各方案与正负理想解的距离。其中，5个评价指标权重系数采用德尔菲法确定，分别为0.25，0.1，0.2，0.3，0.15。4个方案与正、负理想解间的距离计算结果如下。

2.3.6 计算各方案与最优解贴近度并排序

根据公式 ⑺ 计算各方案与最优解A+的贴近度并排序，其贴近度为：方案3＞方案2＞方案1＞方案4。各方案贴近度及排序如表3所示。

表3 各方案贴近度及排序表Tab.3 Closeness and sequence of each plan

2.3 综合比选分析

根据烟台至栖霞铁路建设方案综合比选决策计算结果，方案3与最优解贴近度最高，为0.697，应确定为最优解。该方案自栖霞市区引出，于长春湖南侧沿恒山路向北延伸，在丰粟枢纽立交东南侧设寨里南站，出站后向东北跨越沈海高速后与其并行至栖霞开发区北侧设臧家庄站，出站后继续并沈海高速走行至棘子夼村跨荣乌高速后接入既有龙烟铁路烟台西站。线路全长42.4 km，桥隧比27.4%，新设车站3座，全线投资总额约21.2亿元，沿线覆盖栖霞市主城区、松山工业园、栖霞市开发区、臧家庄镇等人口经济聚集区，引入烟台市后可与烟台汽车西站，规划地铁1号线、2号线、4号线实现便捷换乘。