线路构造物GIS 信息库的建立及单价估算方法分析∗

2020-10-14方晓洁黄伟琼黄宇柏赵志伟

计算机与数字工程 2020年8期

方晓洁黄伟琼黄宇柏赵志伟

（国网漳州供电公司漳州 363000）

1 引言

随着我国铁路建设规模的不断扩大，新的铁路建设方向也不断朝中西部转移，根据“十三五”的规划设计要求，这一阶段我国的铁路投资金额将增加至近4 万亿人民币，新建的铁路线将达到三万多公里。从未来的长期发展趋势看，我国的西部地区会在铁路建设方面取得高速发展，尤其是高铁建设速度将不断加快［1～3］。“一带一路”建设对于我国与沿线相关国家的经济发展发挥着重大的促进作用，有助于不同国家与各个地区间更快地完成物资交流，如果能在我国的中西部尽快建成一个更加发达与高效的铁路运输网，可以对“一带一路”战略起到极大的助力效果。在传统模式下，对铁路线的结构进行设计时通常需要根据选线设计人员的原有经验与理论知识来设置预选线路，并比较每条线路的工程量、投资额及其线路建成后的未来运营情况实施评价、对比，由此获得最佳线路规划方案［4～7］。考虑到在开展人工设计的过程中对各项因素只是进行简单分析，并且各因素保持相互独立，各个设计人员对因素的权重设定也存在较大差异，这就导致线路构造的分布形态存在明显区别［8～10］。其中，相对于东部地区，中西部区域具有更加复杂的地形与地质状况，同时面临的自然生态环境也更加恶劣，因此对这一地区的线路进行规划时就需要采用信息化的分析方法［11～12］。为促进构造物的设计与估价效率与准确性，需要参考原先的实际工程建设案例并引入更加先进的GIS方法，在线路设计与估算造价的过程中不断推广使用更加先进的计算机信息处理技术［13～15］。在多维空间相似理论基础上对数据进行挖掘并设计更加合理的算法，构建不同线路的GIS 数据库，利用GIS 的三维分析与数据处理功能，完成线路构造物的结构设置与造价评估，由此完成定性和定量分析的目标，显著提高决策方案的科学性［9］。

2 线路费用模型

在选择线路方案的时候，应以整体工程运营费最低作为参考依据，因此需要确保实际线路工程投资与运营成本进行相加得到总和最小。设计线路构造物时，当种类与布置形式发生变化时都会导致工程费产生较大改变，同时线路建成之后的运营费并不会明显影响设计方案，对这一部分因素基本不需考虑［11］。完成线路的平、纵断面设计之后再设置构造物的形式，此时应考虑达到最低的工程费为止，简化可以得到如下所示的最优标准。

其中，fi、ft、fj、fs 依次代表线路各个区段对应的路基、隧道、桥梁与涵洞的估价；ωi、ωt、ωj、ωs 对应线路中的路基、隧道、桥梁与涵洞的长度。在评估构造物的单价过程中，可以根据新建的构造物属性单元再从信息库中找到和该单元具有较高相似度的同种构造物，并对两者间的相似程度进行计算，根据相似度属性单元计算得到单价影响因子，由此得到构造物的单价，从图1 中可以看到估算的具体过程。

3 线路构造物GIS 信息库的建立及单价估算

3.1 建立信息库

在构建信息库的过程中需以国内之前已修建好的线路路基、隧道。桥梁、涵洞作为数据源，同时从有关设计机构与建设局等单位收集各类施工材料，把统计得到的构造物属性单元数据与造价信息都导入到GIS 里，此时存在于外部属性信息库内的各个字段将自发被添加至GIS 属性表，由此构建得到建立在GIS 基础上的线路构造物信息库，从图2中可以看到隧道信息库的相关内容。

图1 单价估算流程图

图2 工程信息库

构建路基、涵洞、桥梁信息库的过程中，应对各地区的经济状况、自然环境因素与路网结构、线路种类、地形地质等多方面都进行全面分析。同时，在路基信息库中基本包含填料种类、边坡防护方式、气候状况、路基结构、挡土墙面积与类型、挖土形式、土方量，桥梁需要分析主跨方式、桥墩长度、施工形式、墩身高度、桩基深度、单跨距离，涵洞应分析孔径大小、涵洞尺寸及其结构等因素。完成信息库的建设之后可以把后续采集获得的构造物案例资料也不断添加至该库内，进一步增加案例丰富性，同时设计构造物案例的自主学习算法，增大找到相似构造物的概率。之后在该数据库里加入构造物运营与维护信息，更加精确地评估线路构造物的使用期限并采取更合理的运营管理方法。

3.2 相似度及单价估算

构造物单价受到各类属性单元的不同影响，此时可以采用层次分析法来实现定性与定量分析的相互结合，从而完成多目标决策分析的过程，充分融合人的知识、经验与数学计算方法，获得更加精确的属性单元在总目标中的重要性系数。从图3中可以看到对线路构造物进行单价估算时的具体结构层次，可以把该模型分成3 层，其中，最上层是目标层A，对应的是最佳方案；中间层是准则层，包括技术指标B1，地质因素B2 与社会属性B3；最下层是各准则层对应的影响因素，将其表示为ci，i=1，2，……。

图3 单价估算结构层次图

首先，计算在总目标层的准则层所占的权重比例，之后计算准则层中的指标层重要系数，最终最高层中的指标层重要性系数。通常采用指标标准化方式来计算定量指标，对于定性指标的分析则是通过两两对比的方式来实现，并构建相应的判断矩阵，具体如表1所示。

表1 重要性系数表

根据上述计算结果可以发现，对隧道单价产生较大影响的属性单元包括线路种类、衬砌类型、隧道距离、当地经济情况、围岩级别。其中，双线和单线隧道具有不同的结构，当隧道距离增加以及围岩的级别不高时，将使施工难度增大，考虑到建设铁路时需占用一定的土地资源，因此各地经济发展状况不同时也会引起隧道单价的变化。构造物相似度受到属性单元的较大影响，因此在计算相似度的过程中除了需要分析不同单元属性值以外，还应该充分考虑不同属性单元对应的重要性系数，最终得到如下的相似度公式：

上式的A、B 依次对应原有的构造物与新建的构造物，并把相似度表示为sim（A，B）的形式；Ci对应的是第i 个属性单元在构造物单价方面的重要性系数。对相似度进行计算的时候，应根据新建隧道和库中隧道围岩级别进行判断，对于当地经济与海拔高度因素的取值应选择海拔中间值与该区域用地补偿价进行综合考虑，把A 和B 的相似度表示成如下形式：

以β表示构造物匹配相似度临界值，其取值通常是0.8，如果实际相似度计算结果超过β，则以A单价作为基本单价再与单价影响因子进行相乘来得到新建构造物单价。通过分析A 与B 的各自相似度数据可以发现，不可以采用A 的单价来代替B单价，应分别计算各自的单价影响因子。

4 实例分析

采用以上计算方法，通过GIS得到DEM内相邻起讫点长度等于3.3km 的线路后再对其实施设计。将设计线和地面线之间的高差值设定在hi，完成线路的平、纵断面设计之后，根据程序计算得到的采样点hi与隧道开挖临界高差h1以及桥梁架设结构临界高差h2来综合评价构造物工程属性，可以根据h1与h2计算结果来得到路基、桥梁与隧道各自构造物的初始里程，具体布置结构见图5，其中m表示桥梁长度；n表示隧道长度。