鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價研究

施福根，陳 韜 ，鄧波爾 ，劉 宇

SHI Fugen1, CHEN Tao2,3,4, Deng Bo’er2,3,4, LIU Yu2,3,4

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 線路站場設計研究處，湖北 武漢 430063；2.西南交通大學交通運輸與物流學院，四川 成都 610031；3.西南交通大學 全國鐵路列車運行圖編制研發(fā)培訓中心，四川 成都 610031；4.西南交通大學 綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 610031)

解編系統(tǒng)作為鐵路樞紐中一個重要的組成子系統(tǒng)，其布局規(guī)劃不僅關系到整個鐵路路網(wǎng)的運輸效率，而且對鐵路樞紐所在地區(qū)的資源利用、城市發(fā)展都具有重要影響。因此，在規(guī)劃建設前期，事先對解編系統(tǒng)布局規(guī)劃備選方案進行評價，選取合理的方案。目前，鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價研究，殷勇等[1]從空間分布等方面提出多個指標進行評價，高宇虹[2]從運營效率等方面采用DEA 方法進行評價，何志工[3]，雷中林[4]提出一個較為全面的鐵路樞紐總圖規(guī)劃方案評價指標體系，李莎等[5]，趙海寬[6]從車流組織、運力資源優(yōu)化配置角度探討編組站布局規(guī)劃。這些研究考慮鐵路樞紐內(nèi)解編系統(tǒng)布局規(guī)劃與客貨運系統(tǒng)間相互影響較少，指標可行性的實證研究不足。因此，在分析鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價原則的基礎上，從樞紐宏觀、系統(tǒng)中觀、車站微觀3 個層次構建一套樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價指標體系，運用改進層次分析法構建評價模型，以合肥樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃方案為例進行評價驗證，為鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃提供研究依據(jù)。

1 鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價指標體系構建

1.1 布局規(guī)劃原則

由于鐵路樞紐解編系統(tǒng)的評價涉及經(jīng)濟、環(huán)境、效益及效率等諸多方面。為了全面、準確地選取評價指標，通過分析解編系統(tǒng)的構成和功能，結(jié)合與所在鐵路樞紐及城市間的交互關系，將鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃分為樞紐宏觀層、系統(tǒng)中觀層和車站微觀層3 個層次。

（1）樞紐宏觀層。確定解編系統(tǒng)各站點在鐵路樞紐中的選址和規(guī)模，要求系統(tǒng)總體布局及規(guī)模應與鐵路路網(wǎng)發(fā)展、樞紐所在城市規(guī)劃及物流需求相適應。①符合鐵路路網(wǎng)中長期規(guī)劃原則，要求解編系統(tǒng)等級、規(guī)模、地位應與鐵路路網(wǎng)規(guī)劃相適應，不能超前或滯后；②適應城市總體規(guī)劃原則，解編系統(tǒng)的選址及建設面積應符合城市用地規(guī)劃的標準并減少對城市交通的阻礙干擾；③保證解編系統(tǒng)工程總投資、環(huán)保的可行性。

（2）系統(tǒng)中觀層。主要反映鐵路樞紐內(nèi)解編系統(tǒng)與貨運系統(tǒng)、客運系統(tǒng)、鐵路線路之間的能力協(xié)調(diào)及作業(yè)沖突關系，以及解編系統(tǒng)內(nèi)各站點的分工協(xié)調(diào)關系。①鐵路樞紐內(nèi)解編系統(tǒng)與路網(wǎng)線路通道的連通性原則，保證兩者間有順暢的聯(lián)絡線銜接及通道能力的協(xié)調(diào)；②鐵路樞紐內(nèi)解編系統(tǒng)作業(yè)能力與貨運系統(tǒng)需求匹配原則，解編系統(tǒng)解編能力應大于貨運系統(tǒng)各站集疏貨運量且兩者間應有順暢聯(lián)絡線銜接；③鐵路樞紐內(nèi)解編系統(tǒng)與客運系統(tǒng)作業(yè)相協(xié)調(diào)原則，解編系統(tǒng)與客運系統(tǒng)與相互獨立，符合“客內(nèi)貨外”的布局要求，保證兩者間作業(yè)干擾性少。

（3）車站微觀層。單獨考察編組站在發(fā)展空間、車流折角率等方面的情況，滿足車流組織的需求，保障合理的作業(yè)效率與發(fā)展性原則，編組站布局應有利于減少折角車流，保證空間發(fā)展余地。

1.2 評價指標體系構建

根據(jù)上述解編系統(tǒng)的規(guī)劃原則，按照宏觀、中觀、微觀3 個層面提出鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價指標體系。鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價指標體系如表1 所示。

表1 鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價指標體系Tab.1 Layout planning evaluation index system of railway hub decoupling system

表2 宏觀層指標計算Tab.2 Indicators calculation of macro level

1.2.1 宏觀層次指標

（1）解編需求與能力匹配度。鐵路樞紐解編需求包括內(nèi)近遠期地方運量與通過運量中有調(diào)車運量數(shù)的總和，該需求量需要與解編系統(tǒng)的能力相匹配才能使貨物運輸組織有序進行，該指標采用樞紐近遠期解編需求量與樞紐中所有編組站解編能力總和的比值表示，一般該比值為85%時為最優(yōu)匹配。

（2）解編系統(tǒng)規(guī)模等級標準匹配度。若計劃建設或改造的編組站符合路網(wǎng)建設規(guī)劃規(guī)定的等級標準，指標值計為1，否則為0。

（3）解編系統(tǒng)與城市用地規(guī)劃契合度。解編系統(tǒng)的選址應符合城市用地規(guī)劃的標準，其選址區(qū)域應最大程度地與城市用地規(guī)劃中劃分成城市物流規(guī)劃用地的區(qū)域相重合。該指標用實際用地與城市鐵路物流規(guī)劃用地的重合面積與計劃建設用地面積的比值表示，指標數(shù)值越接近1，則工程的可實施性越強。

（4）解編系統(tǒng)對城市交通干擾度。編組站的設置應盡量減少對所在城市的公路交通干擾和阻礙，可以用編組站線路與所在城市內(nèi)各主要道路的交叉口平均數(shù)量來衡量，該指標越小越好。

（5）解編系統(tǒng)工程投資可行性。工程投資一般包括征地拆遷、石方開挖、橋涵及軌道施工等工程投資，該指標用工程預算投資與主管部門計劃投資總額之比表示，在同等規(guī)模下，該比值越小越好。

（6）解編系統(tǒng)城市環(huán)境可行性。由于編組站在作業(yè)過程中會產(chǎn)生較大的噪聲、揚塵等污染，通常情況下，編組站應遠離城市住宅區(qū)及城市風景保護區(qū)域。通過查閱資料，規(guī)定距離編組站50 m 范圍內(nèi)建筑物會受到噪聲影響，距離編組站1 000 m 范圍內(nèi)的風景保護區(qū)會受到影響。

宏觀層規(guī)劃目標是將解編系統(tǒng)內(nèi)線路、車站等設施設備能力與城市規(guī)劃需求密切配合，實現(xiàn)編組作業(yè)效益最大化。因此，考慮解編系統(tǒng)能力供給與城市發(fā)展需求間的匹配性指標成為宏觀層核心指標。宏觀層指標計算如表2 所示。

1.2.2 中觀層次指標

（1）解編系統(tǒng)與樞紐內(nèi)干線連通線路數(shù)量。解編系統(tǒng)與樞紐干線的連通程度將直接影響運輸效率，該指標采用解編系統(tǒng)中編組站與樞紐內(nèi)各干線之間連通線路的數(shù)量之和的平均值來衡量。

（2）解編系統(tǒng)與樞紐內(nèi)銜接區(qū)間線路能力匹配度。各編組站的接發(fā)車通過能力應稍大于所銜接的區(qū)間線路通過能力之和，這樣點線能力在高峰期不易擁堵。一般認為比值為85%為最優(yōu)匹配。

（3）解編系統(tǒng)與貨運系統(tǒng)能力匹配度。該指標反映了樞紐內(nèi)解編系統(tǒng)解編能力與貨運系統(tǒng)的裝卸能力的協(xié)調(diào)性，該指標用各貨運站年度設計裝卸車輛總數(shù)和解編系統(tǒng)年度設計解編貨車車輛總數(shù)之比來計算。

（4）解編系統(tǒng)是否符合“客內(nèi)貨外”原則。整個解編系統(tǒng)應符合“客內(nèi)貨外”原則，采用樞紐內(nèi)編組站與城市中心距離和該樞紐內(nèi)客運站與城市中心距離的最大值進行比較來反映，最后的指標結(jié)果為0-1 變量，0 表示該選址不符合“客內(nèi)貨外”原則，1 則表示符合。

（5）解編系統(tǒng)對客運系統(tǒng)干擾度。樞紐內(nèi)解編系統(tǒng)對客運系統(tǒng)作業(yè)的干擾性，采用編組站車流走行進路與客運系統(tǒng)車流走行進路的沖突數(shù)來表示。

中觀層指標計算如表3 所示。中觀層規(guī)劃目標主要體現(xiàn)了解編系統(tǒng)與鐵路樞紐中其他系統(tǒng)間的能力匹配關系，因而考慮解編系統(tǒng)與貨運系統(tǒng)及客運系統(tǒng)間關系的指標成為中觀層核心指標。

1.2.3 微觀層次指標

（1）樞紐內(nèi)編組系統(tǒng)折角車流率。解編系統(tǒng)的選址和建設方案將會直接影響折角車流量，采用編組站折角車流量與總車流量比值表示。

（2）編組系統(tǒng)發(fā)展空間指數(shù)。解編系統(tǒng)的規(guī)劃建設應預留足夠用地以保證當貨運量需求發(fā)生變化時，解編系統(tǒng)向外擴展建設的可能性，采用解編站可向外擴展的面積與該站實際占地面積的比值表示。

微觀層指標計算如表4 所示。

2 鐵路樞紐解編系統(tǒng)綜合評價模型及算法

評價指標體系中的指標只能反映規(guī)劃方案某一方面的優(yōu)劣，對規(guī)劃方案進行綜合評價，需要將不同規(guī)劃方案的評價結(jié)果采用同一個標準尺度來衡量。因此，采用改進層次分析法對上述指標進行綜合量化評價。該評價方法的關鍵在于指標層面的參考系構建及指標權重的確定，具體的評價流程包括指標預處理、權重確定和評價模型建立3 個步驟[7]。

表3 中觀層指標計算Tab.3 Indicators calculation of mesoscopic level

2.1 指標預處理

在綜合評價中，設解編系統(tǒng)中被評價對象的數(shù)量為m個，評價指標的數(shù)量為n個，對應的原始指標矩陣為E= (eij)m×n，i= 1，2，…，m；j= 1，2，…，n，其中eij表示第i個評價對象的第j個指標的計算數(shù)值。

表4 微觀層指標計算Tab.4 Indicators calculation of micro level

（1）指標分類。由表1 可知，指標有極大型、極小型、中間型和0-1 型。極大型指標數(shù)值越大越好；極小型指標數(shù)值越小越好；中間型指標應控制在一個合理數(shù)值范圍內(nèi)；0-1 型指標數(shù)值為0 或1共2 種情況。

（2）指標轉(zhuǎn)化。為了適應進行統(tǒng)一評價的要求，需要將指標進行一致化轉(zhuǎn)換，設為eij的指標轉(zhuǎn)化數(shù)值。極大型指標不做處理，則x'ij=eij；極小型指標，通過公式將其轉(zhuǎn)換為極大型指標。

（3）指標標準化。利用列和等于1 的歸一化方法，通過公式進行標準化處理，xij代表第i個評價方案中第j個評價指標預處理后的指標數(shù)值。由此，可以得到指標預處理后的指標矩陣X= (xij)m×n。

2.2 指標權重確定

運用層次分析法(AHP)確定指標權重向量，分為以下3 個步驟。

（1）構造評價體系的判斷矩陣。判斷矩陣是表示本層所有因素針對上一層某個因素的相對重要性比較。構造具體方法是每一個具有向下隸屬關系的元素作為判斷矩陣的第一個元素，隸屬于它的各個元素依次排列在其后的第1行和第1 列。通常采用的填寫判斷矩陣的方法是專家打分法，對重要性程度排序賦值，通過對指標間的重要性進行比較，得到判斷矩陣元素apq(p，q分別為判斷矩陣的行、列索引），由此，可以得到判斷矩陣A= (apq)n×n。

（2）計算權向量。得到判斷矩陣后，進行層次排序從而計算得到權重向量。對判斷矩陣A 的每列進行歸一化處理，得到歸一化矩陣B= (bpq)n×n，其中將特征向量歸一化可以求解得到第j個指標的權重大小指標權重向量為W(w1，w2，…，wn)。

（3）一致性檢驗。計算矩陣A的最大特征值再計算一致性指標C.I. =(λmax-n) /n- 1 及一致性比率C.R. =C.I. /R.I.，R.I為低階平均隨機一致性指標。當C. R.≤0.1 時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的；C. R.≥0.1時，認為判斷矩陣不符合一致性要求，需要對該判斷矩陣進行重新修正。

表5 指標最優(yōu)值計算公式及評分公式表Tab.5 Calculation formula and scoring formula table of index optimal value

2.3 評價模型建立

（1）確定指標最優(yōu)值。按照指標類型劃分，第j個指標在其對應指標范圍中最優(yōu)值為yj，根據(jù)最優(yōu)值可以對各項指標進行優(yōu)劣的判斷，得到第i個評價對象的第j個指標地評分Zij。指標最優(yōu)值計算公式及評分公式表如表5 所示。

（2）計算單項指標評分。根據(jù)指標范圍xij∈[minxij，maxxij]，i= 1，2，…，m與指標最優(yōu)值yj，分類型確定各指標的評分公式，確定單項指標評分zij，設定評分下限為50 分，上限為100 分，其計算公式見表5。

（3）確定指標權重向量。對系統(tǒng)指標權重進行確定，指標最后的權重向量為W(w1，w2，…，wn)。

（4）計算方案加權得分。根據(jù)單項指標評分zij與單項指標權重wj，運用以下公式計算加權得分Zi=zij×wj，j= 1，2，…，n。第i個方案的加權得分Zi即為系統(tǒng)評價的最終得分，并參照評價等級分數(shù)劃分表進行等級判定。評價等級分數(shù)劃分表如表6 所示。

表6 評價等級分數(shù)劃分表Tab.6 Grading table of evaluation grades

3 案例分析

合肥作為長三角城市群副中心城市，現(xiàn)代制造業(yè)基地和綜合交通樞紐。 2019 年合肥市第一、第二產(chǎn)業(yè)占比為39.4%，制造業(yè)占比較高，對鐵路運輸?shù)男枨罅枯^大。樞紐內(nèi)編組站為合肥東站，承擔著合肥鐵路樞紐內(nèi)所有列車解編作業(yè)。以合肥樞紐解編系統(tǒng)布局為例進行規(guī)劃評價，基礎數(shù)據(jù)基準年度為2020 年。

3.1 合肥鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價

在合肥樞紐案例分析中，選取樞紐中惟一的編組站合肥東站作為評價對象，通過分析合肥樞紐總圖規(guī)劃相關文件，得到計算各項指標的基礎數(shù)據(jù)，根據(jù)指標公式分別計算宏觀、中觀、微觀指標，并基于提出的評價模型及算法，確定解編系統(tǒng)的最終評價得分及等級。

合肥鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價計算過程如下。①明確指標范圍。根據(jù)各個指標的定義描述分析指標類型，可以確定其定量計算的數(shù)值范圍及最優(yōu)值。②計算指標值。由于指標類型的不同，根據(jù)表5 可計算極大型、極小型、中間型和0-1型指標的最優(yōu)值，再基于各個指標的類型、范圍、最優(yōu)值按表5 中的指標評分公式計算得到單項指標的個體指數(shù)。③量化指標權重。通過向?qū)＜野l(fā)放問卷的方式得到指標重要性程度排序，運用層次分析法計算指標權重。④確定綜合指數(shù)。在得到指標個體指數(shù)和指標權重后，兩者相乘得到綜合指數(shù)。⑤綜合評價。解編系統(tǒng)的綜合評分為各項指標綜合指數(shù)之和，參照評價等級分數(shù)劃分表進行等級判定。合肥鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價總表如表7 所示。

表7 合肥鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價總表Tab.7 Summary table of layout planning and evaluation of Hefei Railway Hub decoupling system

3.2 評價結(jié)果分析

（1）評價指標體系指標權重。在13 項指標中，鐵路樞紐解編需求量與系統(tǒng)解編能力匹配度、系統(tǒng)規(guī)模等級是否符合路網(wǎng)規(guī)劃、與城市用地規(guī)劃的契合度及符合“客內(nèi)貨外”原則所占權重大。因此，鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價中宏觀層面指標影響較大，在規(guī)劃布局過程中應滿足宏觀層指標需求。

（2）合肥鐵路樞紐綜合指數(shù)。合肥鐵路樞紐解編系統(tǒng)中，得分靠后的是與樞紐中干線連通線路的數(shù)量、對客運系統(tǒng)的影響程度和樞紐內(nèi)編組系統(tǒng)折角車流率?？芍獦屑~內(nèi)解編系統(tǒng)與外部系統(tǒng)連通性不足，內(nèi)部車流流通性較差，綜合運輸配套能力需要加強。

（3）綜合評價結(jié)果。合肥鐵路樞紐內(nèi)解編系統(tǒng)目前的解編能力足夠滿足運輸需求，規(guī)模適應整體路網(wǎng)規(guī)劃，而且其選址合理，符合“客內(nèi)貨外”發(fā)展原則，對既有城市環(huán)境的影響較小，樞紐內(nèi)折角車流率較低等，綜合評分等級為A，合肥樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃總體較好。

4 結(jié)束語

通過對鐵路樞紐解編系統(tǒng)規(guī)劃進行評價研究，構建了較為科學合理的解編系統(tǒng)規(guī)劃評價指標體系，初步實現(xiàn)了鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃方案的定量化評價。由于解編系統(tǒng)指標權重的獲取主要依靠專家經(jīng)驗打分得到判斷矩陣，結(jié)果帶有一定的主觀性，還應結(jié)合現(xiàn)場運營實際和經(jīng)驗，不斷調(diào)整判斷矩陣，深化評價模型的客觀性，進一步對鐵路樞紐解編系統(tǒng)布局規(guī)劃評價進行信息系統(tǒng)的設計研究，實現(xiàn)評價的可視化、信息化分析，提高鐵路樞紐解編系統(tǒng)評價的準確性。