基于案例庫的線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)決策方法研究

韓 峰，高玉祥

（蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是指對(duì)鐵路輸送能力、工程造價(jià)、運(yùn)營(yíng)質(zhì)量以及選定其他有關(guān)技術(shù)條件有顯著影響的基本標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備類型，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)決定鐵路運(yùn)輸能力的大小、設(shè)計(jì)線的工程造價(jià)和運(yùn)營(yíng)質(zhì)量有重大影響。

夏明雷對(duì)巴開鐵路的牽引種類、限制坡度及牽引質(zhì)量等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，提出并實(shí)踐了經(jīng)濟(jì)、合理的選擇線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為類似項(xiàng)目的研究提供參考[1]。劉猛針對(duì)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)自然環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，嘗試性提出靈活運(yùn)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、采用加力坡度的概念[2]。陳健坤以巴新運(yùn)煤線為例，研究客貨混運(yùn)鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定應(yīng)該注意的問題，提出“強(qiáng)本簡(jiǎn)末、強(qiáng)干弱支”的方針[3]。王興華通過研究邯黃鐵路的限制坡度基準(zhǔn)，為平原地區(qū)的貨運(yùn)鐵路設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)[4]。陳永躍把鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)綜合優(yōu)化理論應(yīng)用于具體線路標(biāo)準(zhǔn)決策上，利用蘭渝鐵路資料分析回歸得到數(shù)學(xué)模型，給出了蘭渝鐵路可行性研究主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建議值[5]。陳小全從客流特征、路網(wǎng)協(xié)調(diào)、時(shí)間目標(biāo)值要求、工程投資等方面進(jìn)行分析，確定了京九鐵路350 km/h的速度目標(biāo)值[6]。這些研究主要集中在重載鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選定、城際鐵路速度目標(biāo)值研究和鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系等方面，討論的都是某一條具體線路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選定方法，將已經(jīng)修建完成的多條線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一起進(jìn)行比較從而得出普適性結(jié)論的研究則較少。

鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選擇不僅與工程條件有關(guān)，還與線路經(jīng)過地區(qū)的鐵路運(yùn)輸網(wǎng)有密切關(guān)系[7]。張野等對(duì)西北地區(qū)的鐵路路網(wǎng)密度、人口密度及人均GDP進(jìn)行相關(guān)分析，得出擬合公式后對(duì)2020年的路網(wǎng)密度進(jìn)行適應(yīng)性分析[8]。鄭毛祥通過梳理江蘇省鐵路發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合區(qū)域鐵路網(wǎng)布局理論，研究提出了江蘇省中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃[9]。張開廣針對(duì)河南省高速公路建設(shè)對(duì)城市通達(dá)性的影響，在4個(gè)時(shí)間斷面上研究了高速公路交通網(wǎng)中通達(dá)性時(shí)空特征及演化規(guī)律[10]。線路等級(jí)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定都應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)氐蔫F路網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，選擇合理的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供服務(wù)。

本文通過分析各種選線設(shè)計(jì)的典型案例，總結(jié)出鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選定的特點(diǎn)和普適性結(jié)論，選出影響鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選定的主要因素，并將其劃分為屬性單元，建立基于GIS的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)信息庫，利用GIS的空間分析、數(shù)據(jù)管理等功能比選新建線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使選出的新建線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)效益合理，并符合自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展要求。

1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的影響因素分析

1.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

客貨共線鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及影響因素，如圖所示1。

鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以分為基建標(biāo)準(zhǔn)和裝備類型標(biāo)準(zhǔn)兩大類，基建標(biāo)準(zhǔn)主要有正線數(shù)目、限制坡度、最小曲線半徑和到發(fā)線有效長(zhǎng)度，這類標(biāo)準(zhǔn)與鐵路工程建設(shè)密切相關(guān)，一旦建成后很難進(jìn)行改變，按遠(yuǎn)期需要選定；裝備類型有牽引種類、牽引質(zhì)量、機(jī)車類型、閉塞方式，隨著科技發(fā)展和技術(shù)裝備的更新改造，可按實(shí)際需要改變，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該近期、遠(yuǎn)期統(tǒng)籌考慮達(dá)到節(jié)約初期投資的效果。

1.2 影響因素及機(jī)理

鐵路服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)，對(duì)沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和文化交流有積極的推動(dòng)作用，經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)、人流密度越高的地方越需要鐵路這種大型交通運(yùn)輸工具來實(shí)現(xiàn)人員、物資的空間轉(zhuǎn)移。線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)決定其輸送能力的大小，其選定不僅是地形地貌、水文地質(zhì)等工程因素的單一作用，還有GDP、人口、旅游景點(diǎn)等社會(huì)因素的作用，提取出線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的影響因素，如圖2所示。

1.3 屬性單元資料

圖1 客貨共線鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及影響因素

圖2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)層次結(jié)構(gòu)

從Goole earth上提取各地區(qū)不同年份的鐵路，用Global Mapper軟件轉(zhuǎn)成shp文件后在ArcGIS中將鐵路網(wǎng)與行政區(qū)做疊置，把運(yùn)行結(jié)果與各個(gè)行政區(qū)做表鏈接，計(jì)算出各市（州）的鐵路網(wǎng)密度后采用反距離權(quán)重插值法將路網(wǎng)密度空間化。

利用數(shù)字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)由slope函數(shù)提取出坡度，對(duì)坡度進(jìn)行分級(jí)[11-12]，以2 km為間距建立基于鐵路的緩沖區(qū)，將重分類后的柵格圖形屬性表導(dǎo)出為.dbf文件，通過Excel軟件進(jìn)行匯總和統(tǒng)計(jì)，可計(jì)算出每一條研究線路緩沖區(qū)內(nèi)的坡度組成及平均坡度，坡度分類及統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 坡度組成分類及統(tǒng)計(jì)

2 建立基于GIS的既有線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)庫

2.1 信息庫建立

針對(duì)鐵路選線設(shè)計(jì)時(shí)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，將技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫分為多個(gè)子庫進(jìn)行存儲(chǔ)，就類型主要分為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)知識(shí)和實(shí)例知識(shí)兩部分，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)存放了對(duì)應(yīng)知識(shí)元的既有規(guī)范知識(shí)、專家經(jīng)驗(yàn)和既有實(shí)例3種類型的知識(shí)，如圖3所示。

圖3 知識(shí)來源與組成

信息庫的建立以已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其影響因素為數(shù)據(jù)源，將統(tǒng)計(jì)分析后的線路信息、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)信息、屬性單元信息等分別以圖形、文字、表格等形式存儲(chǔ)，把線路和其對(duì)應(yīng)的各種信息在GIS關(guān)聯(lián)，由于外部信息庫與內(nèi)部信息有公共字段且為動(dòng)態(tài)鏈接關(guān)系，可保證信息庫內(nèi)容的更新與完善。

2.2 相似方案查找

緩沖區(qū)是圍繞地理要素一定寬度的區(qū)域，地理要素通常為點(diǎn)、線和面[13]。利用ArcGIS空間分析模塊進(jìn)行點(diǎn)對(duì)區(qū)、線對(duì)區(qū)相交分析，得出基于線路的城市節(jié)點(diǎn)分布和線路輻射范圍。由于線路在地理空間的相連性特征，在進(jìn)行緩沖區(qū)分析時(shí)，連接處重合的區(qū)會(huì)自動(dòng)合并，最后成為一個(gè)整體緩沖區(qū)。同時(shí)可以利用GIS進(jìn)行分析數(shù)據(jù)的可視化、對(duì)不同緩沖區(qū)內(nèi)的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)其空間分布規(guī)律和屬性特征。

模糊檢索根據(jù)輸入的關(guān)鍵詞，關(guān)鍵詞可以有多個(gè)或者是一條語句，滿足一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵詞的知識(shí)及相應(yīng)的知識(shí)實(shí)例全部會(huì)被檢索出來，這樣提高了檢索的自由度和信息的查全率，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的查詢結(jié)果，如圖4所示。

圖4 相鄰線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

例如：找出甘肅省2010年路網(wǎng)密度＞0.002 1 km/km2、附近有天水、GDP較高的區(qū)域，其查詢條件表達(dá)式可編寫為：

3 工程實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

新建的天水至隴南鐵路位于甘肅省隴東南地區(qū)，線路大致呈南北走向，北起隴海鐵路天水站，向南經(jīng)西和縣接入蘭渝鐵路，大約為195 km。

3.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推薦意見

根據(jù)案例庫的查找計(jì)算結(jié)果，本線擬定主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的初步推薦意見為：

（1）鐵路等級(jí)：Ⅰ級(jí)。

（2）正線數(shù)目：?jiǎn)尉€。

（3）最小曲線半徑：一般2 000 m，困難1 200 m。

（4）牽引種類：電力。

（5） 限制坡度 ：11‰。

（6）機(jī)車類型：客機(jī)HXD1，貨機(jī)SS4。

（7）牽引質(zhì)量：4 000 t。

（8）到發(fā)線有效長(zhǎng)度：850 m。

（9） 閉塞類型：自動(dòng)站間閉塞。

對(duì)于擬選定的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)根據(jù)線路實(shí)際情況進(jìn)行修改。將影響每一條技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的屬性單元進(jìn)一步劃分為元素，確定每個(gè)元素對(duì)單元的影響權(quán)重，再進(jìn)行新線與既有線對(duì)應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間相似度的計(jì)算，并根據(jù)相似度計(jì)算結(jié)果和實(shí)際的工程資料對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的值進(jìn)行合理的修改。

考慮到本線的作用主要是運(yùn)輸煤炭資源，還需要根據(jù)遠(yuǎn)期輸送能力要求來分析，隨著遠(yuǎn)期運(yùn)輸量的增大，牽引質(zhì)量達(dá)到5 000 t, 因此，到發(fā)線有效長(zhǎng)度預(yù)留1 050 m。

3.3 與相鄰線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的判別

根據(jù)鐵路的路網(wǎng)協(xié)調(diào)性原則，擬選定的新線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與相鄰路網(wǎng)協(xié)調(diào)匹配，這樣便于運(yùn)輸組織、提高效率，充分利用養(yǎng)護(hù)維修設(shè)備，形成標(biāo)注統(tǒng)一的區(qū)域路網(wǎng)。

與鄰線進(jìn)行比較時(shí)考慮到線路的服務(wù)性，選取的比較單元主要為牽引種類、最小曲線半徑、限制坡度和到發(fā)線有效長(zhǎng)度。

通過比較新線擬定的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與鄰接線路的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際情況可以得出選定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)滿足要求。

4 結(jié)束語

（1）根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)案例資料，分析各因素對(duì)線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的影響機(jī)理及作用強(qiáng)度，將影響因素劃分為屬性單元并完成屬性單元的入庫規(guī)則設(shè)計(jì)，建立基于GIS 的線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)案例庫。

（2）通過實(shí)例分析，初步驗(yàn)證了所提線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)決策方法的可行性，但該方法只考慮了影響技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的一些最主要因素而忽略了部分次要因素，在后期的研究中還需要進(jìn)一步完善。