線路構(gòu)造物GIS 信息庫(kù)的建立及單價(jià)估算方法分析?

方曉潔 黃偉瓊 黃宇柏 趙志偉

（國(guó)網(wǎng)漳州供電公司 漳州 363000）

1 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，新的鐵路建設(shè)方向也不斷朝中西部轉(zhuǎn)移，根據(jù)“十三五”的規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，這一階段我國(guó)的鐵路投資金額將增加至近4 萬億人民幣，新建的鐵路線將達(dá)到三萬多公里。從未來的長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)看，我國(guó)的西部地區(qū)會(huì)在鐵路建設(shè)方面取得高速發(fā)展，尤其是高鐵建設(shè)速度將不斷加快［1～3］?！耙粠б宦贰苯ㄔO(shè)對(duì)于我國(guó)與沿線相關(guān)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重大的促進(jìn)作用，有助于不同國(guó)家與各個(gè)地區(qū)間更快地完成物資交流，如果能在我國(guó)的中西部盡快建成一個(gè)更加發(fā)達(dá)與高效的鐵路運(yùn)輸網(wǎng)，可以對(duì)“一帶一路”戰(zhàn)略起到極大的助力效果。在傳統(tǒng)模式下，對(duì)鐵路線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)通常需要根據(jù)選線設(shè)計(jì)人員的原有經(jīng)驗(yàn)與理論知識(shí)來設(shè)置預(yù)選線路，并比較每條線路的工程量、投資額及其線路建成后的未來運(yùn)營(yíng)情況實(shí)施評(píng)價(jià)、對(duì)比，由此獲得最佳線路規(guī)劃方案［4～7］。考慮到在開展人工設(shè)計(jì)的過程中對(duì)各項(xiàng)因素只是進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，并且各因素保持相互獨(dú)立，各個(gè)設(shè)計(jì)人員對(duì)因素的權(quán)重設(shè)定也存在較大差異，這就導(dǎo)致線路構(gòu)造的分布形態(tài)存在明顯區(qū)別［8～10］。其中，相對(duì)于東部地區(qū)，中西部區(qū)域具有更加復(fù)雜的地形與地質(zhì)狀況，同時(shí)面臨的自然生態(tài)環(huán)境也更加惡劣，因此對(duì)這一地區(qū)的線路進(jìn)行規(guī)劃時(shí)就需要采用信息化的分析方法［11～12］。為促進(jìn)構(gòu)造物的設(shè)計(jì)與估價(jià)效率與準(zhǔn)確性，需要參考原先的實(shí)際工程建設(shè)案例并引入更加先進(jìn)的GIS方法，在線路設(shè)計(jì)與估算造價(jià)的過程中不斷推廣使用更加先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)［13～15］。在多維空間相似理論基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘并設(shè)計(jì)更加合理的算法，構(gòu)建不同線路的GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)，利用GIS 的三維分析與數(shù)據(jù)處理功能，完成線路構(gòu)造物的結(jié)構(gòu)設(shè)置與造價(jià)評(píng)估，由此完成定性和定量分析的目標(biāo)，顯著提高決策方案的科學(xué)性［9］。

2 線路費(fèi)用模型

在選擇線路方案的時(shí)候，應(yīng)以整體工程運(yùn)營(yíng)費(fèi)最低作為參考依據(jù)，因此需要確保實(shí)際線路工程投資與運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行相加得到總和最小。設(shè)計(jì)線路構(gòu)造物時(shí)，當(dāng)種類與布置形式發(fā)生變化時(shí)都會(huì)導(dǎo)致工程費(fèi)產(chǎn)生較大改變，同時(shí)線路建成之后的運(yùn)營(yíng)費(fèi)并不會(huì)明顯影響設(shè)計(jì)方案，對(duì)這一部分因素基本不需考慮［11］。完成線路的平、縱斷面設(shè)計(jì)之后再設(shè)置構(gòu)造物的形式，此時(shí)應(yīng)考慮達(dá)到最低的工程費(fèi)為止，簡(jiǎn)化可以得到如下所示的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)。

其中，fi、ft、fj、fs 依次代表線路各個(gè)區(qū)段對(duì)應(yīng)的路基、隧道、橋梁與涵洞的估價(jià)；ωi、ωt、ωj、ωs 對(duì)應(yīng)線路中的路基、隧道、橋梁與涵洞的長(zhǎng)度。在評(píng)估構(gòu)造物的單價(jià)過程中，可以根據(jù)新建的構(gòu)造物屬性單元再?gòu)男畔?kù)中找到和該單元具有較高相似度的同種構(gòu)造物，并對(duì)兩者間的相似程度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)相似度屬性單元計(jì)算得到單價(jià)影響因子，由此得到構(gòu)造物的單價(jià)，從圖1 中可以看到估算的具體過程。

3 線路構(gòu)造物GIS 信息庫(kù)的建立及單價(jià)估算

3.1 建立信息庫(kù)

在構(gòu)建信息庫(kù)的過程中需以國(guó)內(nèi)之前已修建好的線路路基、隧道。橋梁、涵洞作為數(shù)據(jù)源，同時(shí)從有關(guān)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)與建設(shè)局等單位收集各類施工材料，把統(tǒng)計(jì)得到的構(gòu)造物屬性單元數(shù)據(jù)與造價(jià)信息都導(dǎo)入到GIS 里，此時(shí)存在于外部屬性信息庫(kù)內(nèi)的各個(gè)字段將自發(fā)被添加至GIS 屬性表，由此構(gòu)建得到建立在GIS 基礎(chǔ)上的線路構(gòu)造物信息庫(kù)，從圖2中可以看到隧道信息庫(kù)的相關(guān)內(nèi)容。

圖1 單價(jià)估算流程圖

圖2 工程信息庫(kù)

構(gòu)建路基、涵洞、橋梁信息庫(kù)的過程中，應(yīng)對(duì)各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)狀況、自然環(huán)境因素與路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、線路種類、地形地質(zhì)等多方面都進(jìn)行全面分析。同時(shí)，在路基信息庫(kù)中基本包含填料種類、邊坡防護(hù)方式、氣候狀況、路基結(jié)構(gòu)、擋土墻面積與類型、挖土形式、土方量，橋梁需要分析主跨方式、橋墩長(zhǎng)度、施工形式、墩身高度、樁基深度、單跨距離，涵洞應(yīng)分析孔徑大小、涵洞尺寸及其結(jié)構(gòu)等因素。 完成信息庫(kù)的建設(shè)之后可以把后續(xù)采集獲得的構(gòu)造物案例資料也不斷添加至該庫(kù)內(nèi)，進(jìn)一步增加案例豐富性，同時(shí)設(shè)計(jì)構(gòu)造物案例的自主學(xué)習(xí)算法，增大找到相似構(gòu)造物的概率。之后在該數(shù)據(jù)庫(kù)里加入構(gòu)造物運(yùn)營(yíng)與維護(hù)信息，更加精確地評(píng)估線路構(gòu)造物的使用期限并采取更合理的運(yùn)營(yíng)管理方法。

3.2 相似度及單價(jià)估算

構(gòu)造物單價(jià)受到各類屬性單元的不同影響，此時(shí)可以采用層次分析法來實(shí)現(xiàn)定性與定量分析的相互結(jié)合，從而完成多目標(biāo)決策分析的過程，充分融合人的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)與數(shù)學(xué)計(jì)算方法，獲得更加精確的屬性單元在總目標(biāo)中的重要性系數(shù)。從圖3中可以看到對(duì)線路構(gòu)造物進(jìn)行單價(jià)估算時(shí)的具體結(jié)構(gòu)層次，可以把該模型分成3 層，其中，最上層是目標(biāo)層A，對(duì)應(yīng)的是最佳方案；中間層是準(zhǔn)則層，包括技術(shù)指標(biāo)B1，地質(zhì)因素B2 與社會(huì)屬性B3；最下層是各準(zhǔn)則層對(duì)應(yīng)的影響因素，將其表示為ci，i=1，2，……。

圖3 單價(jià)估算結(jié)構(gòu)層次圖

首先，計(jì)算在總目標(biāo)層的準(zhǔn)則層所占的權(quán)重比例，之后計(jì)算準(zhǔn)則層中的指標(biāo)層重要系數(shù)，最終最高層中的指標(biāo)層重要性系數(shù)。通常采用指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方式來計(jì)算定量指標(biāo)，對(duì)于定性指標(biāo)的分析則是通過兩兩對(duì)比的方式來實(shí)現(xiàn)，并構(gòu)建相應(yīng)的判斷矩陣，具體如表1所示。

表1 重要性系數(shù)表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)隧道單價(jià)產(chǎn)生較大影響的屬性單元包括線路種類、襯砌類型、隧道距離、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)情況、圍巖級(jí)別。其中，雙線和單線隧道具有不同的結(jié)構(gòu)，當(dāng)隧道距離增加以及圍巖的級(jí)別不高時(shí)，將使施工難度增大，考慮到建設(shè)鐵路時(shí)需占用一定的土地資源，因此各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r不同時(shí)也會(huì)引起隧道單價(jià)的變化。構(gòu)造物相似度受到屬性單元的較大影響，因此在計(jì)算相似度的過程中除了需要分析不同單元屬性值以外，還應(yīng)該充分考慮不同屬性單元對(duì)應(yīng)的重要性系數(shù)，最終得到如下的相似度公式：

上式的A、B 依次對(duì)應(yīng)原有的構(gòu)造物與新建的構(gòu)造物，并把相似度表示為sim（A，B）的形式；Ci對(duì)應(yīng)的是第i 個(gè)屬性單元在構(gòu)造物單價(jià)方面的重要性系數(shù)。對(duì)相似度進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)新建隧道和庫(kù)中隧道圍巖級(jí)別進(jìn)行判斷，對(duì)于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)與海拔高度因素的取值應(yīng)選擇海拔中間值與該區(qū)域用地補(bǔ)償價(jià)進(jìn)行綜合考慮，把A 和B 的相似度表示成如下形式：

以β表示構(gòu)造物匹配相似度臨界值，其取值通常是0.8，如果實(shí)際相似度計(jì)算結(jié)果超過β，則以A單價(jià)作為基本單價(jià)再與單價(jià)影響因子進(jìn)行相乘來得到新建構(gòu)造物單價(jià)。通過分析A 與B 的各自相似度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不可以采用A 的單價(jià)來代替B單價(jià)，應(yīng)分別計(jì)算各自的單價(jià)影響因子。

4 實(shí)例分析

采用以上計(jì)算方法，通過GIS得到DEM內(nèi)相鄰起訖點(diǎn)長(zhǎng)度等于3.3km 的線路后再對(duì)其實(shí)施設(shè)計(jì)。將設(shè)計(jì)線和地面線之間的高差值設(shè)定在hi，完成線路的平、縱斷面設(shè)計(jì)之后，根據(jù)程序計(jì)算得到的采樣點(diǎn)hi與隧道開挖臨界高差h1以及橋梁架設(shè)結(jié)構(gòu)臨界高差h2來綜合評(píng)價(jià)構(gòu)造物工程屬性，可以根據(jù)h1與h2計(jì)算結(jié)果來得到路基、橋梁與隧道各自構(gòu)造物的初始里程，具體布置結(jié)構(gòu)見圖5，其中m表示橋梁長(zhǎng)度；n表示隧道長(zhǎng)度。

圖4 橋梁隧道布置圖

結(jié)合構(gòu)造物工程屬性以及各地的路網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境等因素，從信息庫(kù)內(nèi)找到和新建構(gòu)造物存在較大相似度的構(gòu)造物，同時(shí)進(jìn)一步估算得到新建構(gòu)造物的單價(jià)。從表2 與表3 中可以看到處于臨界高度下的構(gòu)造物分布形式、投資額與工程量，從而得到不同臨界高差下的工程投資與工程量的變化趨勢(shì)并獲得最優(yōu)方案。

表2 方案A工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 方案B工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

1）在收集大量有關(guān)我國(guó)線路構(gòu)造物資料的基礎(chǔ)上，建立基于GIS 的路基、橋梁、隧道構(gòu)造物信息庫(kù)。

2）線路構(gòu)造物進(jìn)行單價(jià)估算時(shí)的具體結(jié)構(gòu)層次分成3 層，目標(biāo)層，對(duì)應(yīng)的是最佳方案；準(zhǔn)則層，包括技術(shù)指標(biāo)B1，地質(zhì)因素B2 與社會(huì)屬性B3；各準(zhǔn)則層對(duì)應(yīng)的影響因素。

3）通過實(shí)例分析，從信息庫(kù)內(nèi)找到和新建構(gòu)造物存在較大相似度的構(gòu)造物，估算得到新建構(gòu)造物的單價(jià)，得到處于臨界高度下的構(gòu)造物分布形式、投資額與工程量，不同臨界高差下的工程投資與工程量的變化趨勢(shì)并獲得最優(yōu)方案。