基于灰色系統(tǒng)理論的大型樞紐鋪架基地規(guī)劃技術(shù)研究

王東振

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司， 天津 300222)

針對依托重慶西站改造工程的鋪架基地規(guī)劃設(shè)計任務(wù)，就大型樞紐鋪架基地的選址、規(guī)劃與設(shè)計開展研究。由于本工程鋪架工程數(shù)量大，且沿線多為低山丘陵區(qū)，地勢起伏大，地形狹長，不宜布置大型樞紐站鋪架基地。同時，該項目在前期受到征地拆遷困難、鐵路關(guān)停時間延遲等因素影響，面臨著施工工期緊張的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此形勢下，如何利用既有的重慶西編組站，合理規(guī)劃設(shè)計鋪架基地，以滿足總體施工工期的要求，盡可能保證生產(chǎn)能力最大化、拆除量與生產(chǎn)成本的最小化，成為重慶西站改造工程面臨的首要難題。

含鋪架基地在內(nèi)的大型基礎(chǔ)設(shè)施的選址、規(guī)劃、布置和設(shè)計，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市高效建設(shè)的關(guān)鍵性難題，已得到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注。劉翔翔等運用地理信息系統(tǒng)(geographic infor-mation system, GIS)技術(shù)對南京市區(qū)通信基站進(jìn)行優(yōu)化選址與布局，取得良好的效果[1]；孫冉等設(shè)計了設(shè)計狼群基因算法，優(yōu)化某市急救中心的選址，并安排相應(yīng)的急救車數(shù)量，提升了該市的醫(yī)療急救效率[2]；孫慶珍等綜合考慮了需求、時效、成本等多個因素，建立了多目標(biāo)加權(quán)決策算法，解決了城市應(yīng)急設(shè)施優(yōu)化選址問題[3]；此外，劉娟等[4]、朱嬌嬌等[5]、黃梓晴等[6]、談益楠[7]、周洪超等[8]、孔飛飛等[9]、陳華群等[10]、生力軍[11]、王章瓊等[12]分別就新能源汽車電池回收網(wǎng)點、城市生活垃圾處理設(shè)施、農(nóng)產(chǎn)品物流配送中心、電動汽車充電站等城市基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、選址問題，提出了有效方法。然而，就大型鋪架基地而言，目前針對鋪架基地選址及布置方面的研究尚停留于定性分析研究階段，缺乏科學(xué)的、定量化的選址及布置方法。同時，當(dāng)前研究多集中于施工場地方面，對鋪架基地方面的專題研究有限。只是提到了鋪架基地選址及布置過程中需要注意的問題，尚無針對一體化選址布置方案優(yōu)化評價的研究；此外，大量影響鋪架基地規(guī)劃布置的定性因素難以標(biāo)準(zhǔn)化、定量化，導(dǎo)致在這一問題上缺乏科學(xué)、合理的定量評價分析模型。綜上所述，當(dāng)前鋪架基地規(guī)劃與設(shè)計方面的研究尚不成熟，急需開展進(jìn)一步研究。

本文創(chuàng)新性地將灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用于山區(qū)高速鐵路鋪架基地的設(shè)計與施工中，分別利用灰色模糊綜合評判方法以及多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策方法，提出了鋪架基地選址與規(guī)劃方法。該方法可通過理論計算，為鋪架基地的選址與規(guī)劃提供科學(xué)與理論依據(jù)，最終得到合理使用的選址與規(guī)劃方案，后續(xù)的建設(shè)與施工工作也證明了該方法科學(xué)有效。該方法可以為今后類似山區(qū)地形預(yù)制梁場和鋪軌基地等大型臨時建設(shè)工程提供參考，有力推動大型鋪架基地選址與規(guī)劃問題從經(jīng)驗依賴型向科學(xué)化的方向發(fā)展。

1 基于灰色系統(tǒng)理論的鋪架基地選址規(guī)劃方法體系

灰色系統(tǒng)理論經(jīng)過30多年的發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于社會、經(jīng)濟(jì)、能源、交通、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、水利等多個領(lǐng)域，取得了良好的應(yīng)用效果[13-21]。灰色系統(tǒng)理論認(rèn)為，客觀系統(tǒng)包含的數(shù)據(jù)龐大復(fù)雜，但必然蘊含某種內(nèi)在規(guī)律。選擇適當(dāng)?shù)姆绞饺ネ诰?、利用與分析，可弱化灰色序列的隨機(jī)性，顯現(xiàn)其規(guī)律性。具體到本文的研究工作，采用灰色系統(tǒng)理論中的灰色模糊綜合評判和多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策兩種方法，分別解決重慶樞紐改造工程中鋪架基地的選址和布置問題(圖1)。

圖1 技術(shù)路線

2 大型樞紐鋪架基地選址

2.1 重慶西站改造工程概況

重慶西站位于重慶市沙坪壩區(qū)原重慶東站站址上，是集長途汽車、公交、軌道等多種交通方式于一體的綜合交通樞紐。重慶西站總規(guī)模約為12×104m2，最高聚集人數(shù)可達(dá)15 000人，設(shè)渝昆場、渝黔場、渝長場，共15臺31線(預(yù)留渝長場4臺8線)，站前土石方360×104m3，鋪軌25 km，鋪道岔112組，接發(fā)車能力381對/d，建成后客流量每年可達(dá)4 218萬人次。重慶西站平面布置如圖2所示。

圖2 重慶西站平面布置

2.2 鋪架基地選址任務(wù)

鋪架基地選址評價是一個多目標(biāo)決策問題，其關(guān)鍵在于構(gòu)建含多影響因素在內(nèi)的指標(biāo)評價體系，該體系的構(gòu)建應(yīng)遵循科學(xué)性、通用性、目的性及可操作性等基本原則，并盡可能地綜合考慮各個影響因素[22]。為定量化衡量影響基地選址的復(fù)雜因素，本文采用灰色模糊綜合評判法分析了多個選址影響因素的重要性，解決了鋪架基地選址的問題。

2.3 基于灰色模糊綜合評判方法

灰色模糊綜合評判法包含4個主要步驟，分別為確定各權(quán)重指標(biāo)、劃分灰類、計算可能度函數(shù)及評價系數(shù)、計算灰色評價權(quán)矩陣。其計算流程如下[22]：

2.3.1 確定各指標(biāo)權(quán)重

在灰色模糊綜合評判法中，相對重要程度的判斷是通過指標(biāo)間的兩兩對比來確定的，所構(gòu)建判斷矩陣為[23-25]

(1)

式中，uij取值范圍為[0.1, 0.9]，步長為0.1，表示指標(biāo)Uj相對于指標(biāo)Ui的重要程度,uij取值越高，則Uj相對于指標(biāo)Ui越重要，且滿足uii=0.5，uij+uji=1。

接著計算上述矩陣的最大特征根λmax與對應(yīng)的特征向量(a1,a2,…,am)，ai作為因素ui的重要度系數(shù)，即指標(biāo)權(quán)重值。

先根據(jù)各子因素集Ui所對應(yīng)的各一級指標(biāo)的重要程度確定其各自二級權(quán)重Ai為A=(ai1,ai2, …,aij)。進(jìn)而估測各選址影響因素Ui(場地設(shè)施條件、工期計劃、工程費用)的相對重要性。

2.3.2 確定灰類

2.3.3 確定可能度函數(shù)及評價系數(shù)

上述各灰類的可能度函數(shù)計算公式如下。

第1個灰類：

(2)

第k個灰類：

(3)

第h個灰類：

(4)

2.3.4 計算灰色評價權(quán)矩陣

(5)

為了較好地評價選址的滿意程度，將評價灰類確定為5個等級V={很好，好，較好，較差，差}，并規(guī)定檔次指標(biāo)值v。

當(dāng)8≤v≤10時，評價為很好；當(dāng)6≤v<8時，評價為好；當(dāng)4≤v<6時，評價為較好；當(dāng)2≤v<4時，評價為較差；當(dāng)0≤v<2時，評價為差。

2.4 鋪架基地選址方案

鋪架基地的首先首要任務(wù)即為確定各指標(biāo)的權(quán)重。為此，通過專家打分的方法，得到各因素權(quán)重(表1)。隨后，采用依據(jù)本文2.3節(jié)所述的流程計算得到了灰色評價權(quán)矩陣(表2)。

綜合評判B=A×R，灰色綜合評價值G=B×UT，G取值7.778，其計算結(jié)果見表3。根據(jù)綜合評價值的取值范圍(6≤v<8)可知，該鋪架基地方案所選地理位置是好的。因此，本項目最終采納了上述選址方案。

表1 指標(biāo)權(quán)重

表2 灰色評價權(quán)矩陣

表3 模糊綜合評價計算

3 大型樞紐鋪架基地規(guī)劃與布置

3.1 多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策方法

灰靶決策多用于解決生產(chǎn)過程中的評估類問題，其主要思想是對指標(biāo)集進(jìn)行測度變換得到統(tǒng)一量綱的歐式空間，即灰靶。然后計算灰靶中的所有決策點與靶心點間的靶心距，并據(jù)此確定排序[23-33]。

優(yōu)化決策問題的四要素包括事件、對策、目標(biāo)以及效果。將需要研究、解決的問題統(tǒng)稱為事件，記為A={a1,a2,… ,an}。其中ai(i=1,2,3,…,n)為第i個事件。相應(yīng)的所有可能的對策全體稱為對策集，記為B={b1,b2,…,bm}。

多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策算法的執(zhí)行步驟如下[34-38]。

1)根據(jù)事件集A和對策集B，構(gòu)造決策方案集S=A×B

2)確定決策目標(biāo)k=1,2,…,s及各目標(biāo)的決策權(quán)η1,η2,…ηs。

3)構(gòu)建目標(biāo)k的效果樣本矩陣。

(6)

4)設(shè)定目標(biāo)效果臨界值。

5)求效果測度矩陣:

(7)

(8)

7)確定最優(yōu)對策bj0。

3.2 基于多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策的布置方案

施工場地平面布置的最終目的是使得場地平面布置系統(tǒng)總體效果最佳[36]。在進(jìn)行多目標(biāo)灰靶決策之前，結(jié)合工程實際情況提出了3種備選方案，采用本文3.1節(jié)所述步驟分別對其進(jìn)行分析評價，計算得出得分最高且布置合理的方案。

在進(jìn)行鋪架基地的平面布置時，物流與非物流因素共同影響布置設(shè)計。其中，物流屬于定量分析，各設(shè)施之間的相互關(guān)系用物流強(qiáng)度進(jìn)行表示。而非物流屬于定性分析，指的是施工區(qū)域間的相互關(guān)系密切程度[36]。根據(jù)各相關(guān)因素的影響，對兩兩作業(yè)單位間的關(guān)系劃分為A、E、I、O、U 5個級別，依次表示其密切程度由高到低。此處所得的各作業(yè)單位間物流與非物流關(guān)系等級即為3.1節(jié)所述的效果測度矩陣Rk。

通過加權(quán)綜合物流和非物流相互關(guān)系，可以得到區(qū)域之間的綜合相互關(guān)系系數(shù)。取A=4、E=3、I=2、O=1、U=0。計物流/非物流關(guān)系的權(quán)重比為2∶1，從而計算得到綜合關(guān)系等級。此處所得的各作業(yè)單位間綜合關(guān)系等級即為3.1節(jié)所述的綜合效果測度矩陣R。物流/非物流相互關(guān)系系數(shù)、綜合相互關(guān)系系數(shù)及級值見表4與表5。

表4 梁場綜合相互關(guān)系表

表5 鋪軌基地綜合相互關(guān)系表

3.3 鋪架基地布置方案

通過多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策方法，提出梁場和鋪軌基地的平面布置方案。本節(jié)將分別介紹梁場與鋪軌基地的平面布置方案。

3.3.1 梁場布置方案

本標(biāo)段設(shè)置1座T梁預(yù)制場，負(fù)責(zé)本標(biāo)段所有T梁和道岔梁預(yù)制任務(wù)。本制梁場設(shè)于原重慶西站仁和編組站內(nèi)渝黔客車線DK9+272.3～DK9+957附近(預(yù)計范圍新建渝黔動車左線YQDZK6+918～YQDZK7+763.72)，總占地面積為96 834 m2，計為145.2畝(1畝≈667 m2)。

預(yù)制場布置2臺100T龍門吊橫跨裝車線以吊梁上車。T梁采用卷揚機(jī)配合旱船做橫向移動。移梁道兼作存梁臺座垂直于裝車線路。預(yù)制場設(shè)置7個區(qū)，包括生活辦公區(qū)、制梁生產(chǎn)區(qū)、鋼筋制備加工區(qū)、單/雙層存梁區(qū)、梁體整修區(qū)、混凝土拌和區(qū)、提梁裝車區(qū)。

梁場內(nèi)設(shè)置橫向向水泥路一條，路寬7 m，硅厚度為0.2 m；縱向水泥路3條，硅厚度0.2 m；拌和站硬化道路寬10 m，硅厚度0.2 m；進(jìn)場道路寬度為7 m，硅厚度0.2 m；其余硬化險厚度為0.15 m。制梁場實際平面布置圖如圖3所示。

圖3 制梁場布置平面圖

3.3.2 鋪軌基地布置方案

鋪軌基地要具有與既有線相連的較為通暢的便利條件，相對較好的自然設(shè)場條件，以保證軌道及相關(guān)工程施工的順利進(jìn)行。

鋪軌基地計劃由襄渝西線引出，通過新鋪鋪架聯(lián)絡(luò)線直接與既有襄渝正線連接，作為新建渝黔線YQZQ-2標(biāo)段的鋪軌通道，在既有襄渝線與新鋪鋪架聯(lián)絡(luò)線連接的線路(L8)直接進(jìn)入鋪軌基地作為進(jìn)料通道。

鋪軌基地設(shè)置在原重慶西編組站內(nèi)，與梁場并排布置，設(shè)3股軌道、10組道岔，預(yù)計可存軌150 km，軌排6 km、軌枕5萬根。共設(shè)調(diào)車線4條(包括工具軌排裝車線1條、長鋼軌裝卸車線1條、存調(diào)車線1條、軌料卸車線1條)。

鋪軌基地規(guī)劃占地53畝，對應(yīng)渝黔客車線D2K7+514～DK8+350段內(nèi)，其中有車輛調(diào)頭區(qū)(50 m×17.5 m)、軌枕存放區(qū)(75 m×14.5 m)、軌枕錨固生產(chǎn)區(qū)(25 m×8.5 m)、硫磺砂漿生產(chǎn)區(qū)(25 m×6 m)、己錨固軌枕存放區(qū)(50 m×14.5 m)、扣配件存放區(qū)(103 m×2.8 m)、軌排生產(chǎn)區(qū)(103 m×6 m)、工具軌存放區(qū)(103 m×4 m)、軌排存放區(qū)(448 m×14.5 m)、道岔存放區(qū)(85×14.5 m)；預(yù)留第二存砟場(286 m×11.3 m)和32對2T群吊的長鋼軌存放區(qū)(550 m×10.355 m)，等共9個功能區(qū)，設(shè)計調(diào)車線4條(工具軌排裝車線1條、長鋼軌裝卸車線1條、存調(diào)車線l條、軌料卸車線1條)，預(yù)計可存軌150 km，軌排6 km、軌枕5萬根。鋪軌基地平面布置圖如圖4所示。

圖4 鋪軌基地布置平面圖

4 結(jié)論

將灰色系統(tǒng)理論創(chuàng)新性地應(yīng)用于重慶西站鋪架基地的選址與布置實踐中，研究所得結(jié)論如下：

1)結(jié)合本項目為分析對象，對選址方案的影響因素進(jìn)行了細(xì)致的說明，對備選方案進(jìn)行系統(tǒng)闡述，利用灰色關(guān)聯(lián)分析與模糊綜合評判方法對鋪架基地的選址備選方案進(jìn)行綜合評價，并從定性與定量結(jié)合的角度比較方案的適用性與合理性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)以經(jīng)驗分析為主的選址決策的缺陷，有利于促進(jìn)施工單位按期保質(zhì)完成工程建設(shè)目標(biāo)。

2)利用多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策方法，通過分析各功能區(qū)域間的物流/非物流協(xié)作關(guān)系，良好地解決建筑施工現(xiàn)場平面布置中存在的經(jīng)驗布置問題，提升了施工現(xiàn)場平面布置的整體性、系統(tǒng)性和全面性。