基于TOPSIS的高原山區(qū)鐵路區(qū)間渡線設(shè)置決策研究

張 彬

(軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

高原山區(qū)鐵路沿線自然環(huán)境十分復(fù)雜，具有高烈度地震、高地應(yīng)力、高地溫及強(qiáng)烈發(fā)育多樣化地質(zhì)災(zāi)害、強(qiáng)烈發(fā)育活動(dòng)斷裂的特征[1-2]，因此，高原山區(qū)鐵路工程方案設(shè)置與一般高速鐵路、客貨共線鐵路具有很大差異。區(qū)間渡線工程在緊急救援、便捷運(yùn)輸組織、綜合維修方面具有重要作用，尤其對(duì)于高原山區(qū)鐵路復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下可能發(fā)生災(zāi)害事故的應(yīng)急救援、多種速度等級(jí)列車的靈活運(yùn)輸組織、長(zhǎng)大站間距的區(qū)間能力提升，區(qū)間設(shè)置渡線的作用更將凸顯。但設(shè)置區(qū)間渡線會(huì)相應(yīng)增加工程投資、運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量等，因此，某高原山區(qū)鐵路渡線設(shè)置需進(jìn)行綜合研判決策。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于高鐵設(shè)置渡線后所帶來的效用以及應(yīng)如何設(shè)置等方面已開展了大量研究，但某高原山區(qū)鐵路因其復(fù)雜的自然地理環(huán)境、運(yùn)輸組織特征，較少有對(duì)其是否設(shè)置區(qū)間渡線進(jìn)行綜合分析研究。采用TOPSIS模型理論，通過分析選取6個(gè)影響區(qū)間渡線設(shè)置的重要因素，將其賦權(quán)量化后，合并計(jì)算進(jìn)行綜合研判，為某高原山區(qū)鐵路區(qū)間渡線設(shè)置提供參考。

2 國(guó)內(nèi)外高鐵渡線設(shè)置現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外高鐵渡線設(shè)置現(xiàn)狀

目前，國(guó)外高速鐵路區(qū)間渡線設(shè)置分為2種情況。一種是不設(shè)置區(qū)間渡線，如日本新干線，其原因包括：(1)全高速列車運(yùn)行模式，列車速差?。?2)采用矩形天窗維修模式，天窗點(diǎn)內(nèi)上、下行同時(shí)作業(yè)，維修機(jī)械避免轉(zhuǎn)線作業(yè)；(3)日本高鐵屬于網(wǎng)運(yùn)合一的體制，區(qū)間設(shè)置渡線會(huì)增加維修工作量，但未能大幅提高運(yùn)營(yíng)效率，性價(jià)比不高。另一種是設(shè)置渡線，主要為歐洲國(guó)家。如德國(guó)高速鐵路平均站間距雖然比日本站間距短，但設(shè)置了密度很高的區(qū)間渡線；法國(guó)高速客運(yùn)專線在區(qū)間內(nèi)每隔20～25 km鋪設(shè)雙向渡線。歐洲國(guó)家設(shè)置區(qū)間渡線的原因主要包括：(1)高中低速列車混跑，列車晚點(diǎn)率較高，利用區(qū)間渡線和鄰線組織列車不停車越行的需求較高；(2)歐洲國(guó)家高鐵網(wǎng)運(yùn)分離，如由于線路故障原因?qū)е铝熊囃睃c(diǎn)或停運(yùn)，運(yùn)營(yíng)公司將向路網(wǎng)公司索賠，為保證線路的順暢運(yùn)行，普遍在區(qū)間增設(shè)渡線[3-5]。

綜上分析，國(guó)外高速鐵路區(qū)間是否設(shè)置區(qū)間渡線，主要由線路運(yùn)行的列車種類、綜合維修制度及運(yùn)營(yíng)體制決定。

2.2 國(guó)內(nèi)高鐵渡線設(shè)置現(xiàn)狀

目前，我國(guó)高鐵區(qū)間并不設(shè)置區(qū)間渡線。正線間渡線往往與車站合設(shè)，便于集中管理和維護(hù)。車站兩端渡線主要用于列車的始發(fā)終到和立折，維修列車的出入段和轉(zhuǎn)線，以及緊急情況下列車的轉(zhuǎn)線和越行[6-7]。

總體而言，無始發(fā)車時(shí)，正線間渡線使用頻率較低。以京滬高鐵和寶蘭高鐵車站渡線使用情況為例，無始發(fā)車時(shí)，正線間渡線在非天窗期間的使用頻率一天一般不超過1次，在天窗期間的使用頻次雖比非天窗時(shí)段高，但平均一般也不超過1次。因此，我國(guó)高鐵通常不設(shè)置區(qū)間渡線[8]。

3 高原山區(qū)鐵路設(shè)置區(qū)間渡線的現(xiàn)實(shí)意義

(1)某高原山區(qū)鐵路工程地質(zhì)條件復(fù)雜，橋隧比達(dá)94%，且沿線多數(shù)地區(qū)為無人區(qū)，救援力量薄弱，自然災(zāi)害和極端對(duì)抗條件下，發(fā)生故障風(fēng)險(xiǎn)較高，發(fā)生事故長(zhǎng)時(shí)間被困隧道內(nèi)易造成乘客恐慌、情緒緊張，故救援時(shí)間應(yīng)越短越好，因此，在隧道內(nèi)設(shè)置區(qū)間渡線后，能夠利用區(qū)間渡線組織事故區(qū)間內(nèi)反向行車，便于搶險(xiǎn)救援和疏散人群，加快搶修速度[9]。

以BM至TM區(qū)間為例，站間距57 km，假設(shè)事故地點(diǎn)發(fā)生在BM至TM區(qū)間的2/3處，即距離BM車站38 km處。如圖1所示。

圖1 BM至TM區(qū)間假設(shè)事故點(diǎn)關(guān)系(單位：km)

若不設(shè)置渡線，在不反向行車情況下，救援順序如下。

①下行方向清空前序列車。按列車追蹤運(yùn)行考慮，普速旅客列車出清需10 min。

②救援列車需從BM維修車間出發(fā)反方向行至事故點(diǎn)。救援列車平均運(yùn)行速度40 km/h，列車運(yùn)行至事故點(diǎn)時(shí)間為57 min，救援列車啟動(dòng)15 min，連掛30 min。

③實(shí)施救援后將列車牽引至BM車站，維修列車反向行至事故點(diǎn)，維修列車維修完，沿下行線路返回BM車站，時(shí)間為171 min。

以上救援列車和維修列列車準(zhǔn)備及走行時(shí)間合計(jì)為283 min(不含救援時(shí)間)。

若設(shè)置渡線，在不反向行車情況下，救援順序如下。

①救援列車接到調(diào)度命令后，沿上行線經(jīng)過區(qū)間渡線行至事故點(diǎn)。實(shí)施救援后將列車牽引至BM車站。時(shí)間為114 min。

②維修列車沿上行線行至渡線處，待救援列車沿下行經(jīng)過渡線后，維修列車經(jīng)過渡線至事故發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行線路維修等工作。時(shí)間為14 min。

③結(jié)束后通過下行線返回BM站。時(shí)間為57 min。

以上救援列車和維修列車的準(zhǔn)備及走行時(shí)間合計(jì)為230 min(不含救援時(shí)間)。

由此可見，若設(shè)置渡線，列車救援和線路搶修時(shí)間可節(jié)省53 min。

(2)某高原山區(qū)鐵路為200 km/h標(biāo)準(zhǔn)的客貨混跑高速鐵路，站間距較大，列車種類包括動(dòng)車、普速、貨車等不同等級(jí)速差的列車，運(yùn)輸組織復(fù)雜，渡線可使上下行線路在區(qū)間具備連通、列車轉(zhuǎn)線運(yùn)輸及折返等條件，保證運(yùn)輸組織的靈活性。

(3)天窗時(shí)間進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)時(shí)，軌道車輛可利用渡線跨線作業(yè)，提高養(yǎng)護(hù)維修效率，提升作業(yè)的便利性。

假設(shè)BM至TM區(qū)間，A點(diǎn)和B點(diǎn)需進(jìn)行線路維修，A點(diǎn)位于區(qū)間1/3處，即距BM站為19 km，B點(diǎn)位于區(qū)間的2/3處，即距離BM站為38 km。如圖2所示。

圖2 BM至TM區(qū)間假設(shè)維修點(diǎn)關(guān)系(單位：km)

若不設(shè)置渡線，在不反向行車情況下，救援順序如下：下行維修列車行至A點(diǎn)，維修完后行至TM車站，沿下行線路到達(dá)B點(diǎn)，維修完后返回BM車站維修車間，整個(gè)過程的走行距離為114 km，按照40 km/h速度，需花費(fèi)171 min。

若在區(qū)間1/2距離處設(shè)置八字渡線，在不反向行車情況下，維修順序如下：維修列車維修完A點(diǎn)后，通過區(qū)間渡線行至B點(diǎn)進(jìn)行維修，后返回BM車站，共運(yùn)行距離為66.5 km，運(yùn)行時(shí)間為100 min。

因此，若設(shè)置渡線，維修列車可節(jié)省時(shí)間71 min。

4 高原山區(qū)鐵路區(qū)間渡線設(shè)置決策指標(biāo)體系

4.1 區(qū)間渡線設(shè)置影響因素

某高原山區(qū)鐵路區(qū)間渡線設(shè)置影響因素眾多，在參考國(guó)內(nèi)外鐵路設(shè)置區(qū)間渡線所考慮有關(guān)因素基礎(chǔ)上[10]，選取其中影響最大的6個(gè)因素作為考察指標(biāo)展開分析。

(1)車站間距：車站間距增加會(huì)對(duì)設(shè)置區(qū)間渡線產(chǎn)生正向影響。如區(qū)間渡線間距過小，則設(shè)置區(qū)間渡線無法發(fā)揮應(yīng)有的作用，且會(huì)增加維修和管理負(fù)擔(dān)。

(2)行車密度：行車密度的提高會(huì)對(duì)設(shè)置區(qū)間渡線產(chǎn)生負(fù)向影響[11]。線路越繁忙，行車密度越高，非正常運(yùn)輸組織難度就越大，區(qū)間渡線較難在運(yùn)行調(diào)整中發(fā)揮作用。

(3)事故搶險(xiǎn)救援時(shí)效性：事故搶險(xiǎn)救援時(shí)效性的提高會(huì)對(duì)設(shè)置區(qū)間渡線產(chǎn)生正向影響。事故發(fā)生后，搶險(xiǎn)維修車輛可利用區(qū)間渡線組織與事故車輛同向的列車轉(zhuǎn)線至臨線[12]。同時(shí)，在事故車輛所在線路因搶修無法通行時(shí)，可利用區(qū)間渡線，組織列車進(jìn)行反向行車，保證區(qū)間的通過能力。

(4)綜合維修便利性：綜合維修便利性的提高會(huì)對(duì)設(shè)置區(qū)間渡線產(chǎn)生正向影響。在長(zhǎng)大隧道內(nèi)設(shè)置區(qū)間渡線之后，可更為靈活的設(shè)置“天窗”，減少雙線中斷的時(shí)間，從而提高綜合維修效率，增加綜合維修的便利性。

(5)工程投資：工程投資增加會(huì)對(duì)設(shè)置區(qū)間渡線產(chǎn)生負(fù)向影響[13]。設(shè)置區(qū)間渡線，需對(duì)于隧道縱斷面進(jìn)行調(diào)整，增加部分大跨斷面，并需增加信號(hào)、通信、電力等相關(guān)設(shè)施設(shè)備，會(huì)增加不少前期投入成本。

(6)養(yǎng)護(hù)維修工作量：養(yǎng)護(hù)維修工作量增加會(huì)對(duì)設(shè)置區(qū)間渡線帶來負(fù)向影響[14]。區(qū)間渡線需獨(dú)立設(shè)置信號(hào)聯(lián)鎖設(shè)備，增加日常維護(hù)。根據(jù)蘭州局寶蘭客專和廣鐵集團(tuán)黔張常鐵路等進(jìn)行調(diào)研，隧道內(nèi)道岔因粉塵和排水等凍脹問題，較路基上的道岔大修年限縮短一半，不同工況情況下的養(yǎng)護(hù)維修工作量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定。

4.2 區(qū)間渡線設(shè)置決策指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)某高原山區(qū)鐵路環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，將事故搶險(xiǎn)時(shí)效性、養(yǎng)護(hù)維護(hù)工作量賦予最大權(quán)重，將綜合維修便利性、工程投資兩項(xiàng)指標(biāo)賦予次級(jí)權(quán)重，行車密度、車站間距二項(xiàng)指標(biāo)賦予最小的權(quán)重。權(quán)重參考相關(guān)文獻(xiàn)[15-18]和專家問詢后設(shè)定為事故搶險(xiǎn)時(shí)效、養(yǎng)護(hù)維護(hù)工作量為0.25；綜合維修便利性、工程投資均為0.15；行車密度、車站間距均為0.1。

4.3 區(qū)間渡線設(shè)置綜合決策模型

為綜合考察上述正負(fù)指標(biāo)的綜合影響大小，合理決策區(qū)間渡線設(shè)置，采用TOPSIS方法對(duì)某高原山區(qū)鐵路區(qū)間渡線設(shè)置決策指標(biāo)進(jìn)行綜合度量， TOPSIS方法又稱為優(yōu)劣解法[19]，是一種常用的綜合評(píng)價(jià)方法[20-21]，其計(jì)算流程如下。

(1)設(shè)定初始評(píng)判矩陣：設(shè)對(duì)象集為P={P1，P2，…，Pm}，對(duì)象評(píng)價(jià)指標(biāo)集為r={r1，r2，…，rn}，則初始評(píng)判矩陣為

(1)

(2)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化：評(píng)價(jià)指標(biāo)分為正向指標(biāo)與負(fù)向指標(biāo)，對(duì)于正向指標(biāo)，取值越小越好，對(duì)于正向指標(biāo)取值越大越好。為消除指標(biāo)的不可度量性，需對(duì)評(píng)判指標(biāo)紀(jì)念性標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣B=(bij)m×n，計(jì)算公式如式(2)、式(3)所示。

對(duì)于正向指標(biāo)，有

(2)

對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，有

(3)

(3)標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣加權(quán)化：將矩陣B與指標(biāo)權(quán)重W=(w1，w2，…，wn)相乘，得到加權(quán)后的標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣為

(4)

(4)貼近度分析：分別計(jì)算正向指標(biāo)及負(fù)向指標(biāo)的正理想行為和負(fù)理想行為，計(jì)算方式如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

式中，wibij為標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣R第i行第j列元素，R+與R-分別為正理想解和負(fù)理想解。評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的距離為

(7)

(8)

(9)

5 區(qū)間渡線設(shè)置決策方案

5.1 決策基礎(chǔ)

以某高原山區(qū)鐵路TQ至DYX段、KD至CD段、TM至BM段作為研究對(duì)象，同時(shí)選取一段處于可設(shè)置亦可不設(shè)置區(qū)間渡線的鐵路區(qū)間，即臨界區(qū)間作為對(duì)照區(qū)間。TQ至DYX站間距為29 km，該區(qū)段以明線路基為主；KD至CD站站間距為55 km，該區(qū)段為合修的長(zhǎng)大隧道；TM至BM站站間距為57 km，該區(qū)段內(nèi)為分修的長(zhǎng)大隧道。各區(qū)間行車對(duì)數(shù)采用近期運(yùn)量，工程投資分別采用路基上增加渡線、合修隧道增設(shè)渡線及分修隧道增設(shè)渡線投資，事故搶險(xiǎn)救援時(shí)效性、綜合維修便利性根據(jù)站間距不同進(jìn)行計(jì)算取得，養(yǎng)護(hù)維護(hù)工作量根據(jù)渡線處于不同工況環(huán)境設(shè)定[20-23]。

表1 選取區(qū)間各指標(biāo)的模擬設(shè)定數(shù)據(jù)

5.2 決策過程

(1)基于表1可得出初始評(píng)判矩陣為

(10)

(2)標(biāo)準(zhǔn)化處理后得標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣為

(11)

(3)取4.2節(jié)中所分析的權(quán)重W=(0.1，0.1，0.25，0.15，0.15，0.25)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 各區(qū)間段貼近度取值

5.3 決策結(jié)果

在上述擬定的指標(biāo)權(quán)重下，計(jì)算得出：KD至CD段貼近度取值大于參考路段，該區(qū)段理論上設(shè)置渡線綜合效益較高，主要原因?yàn)殡p線合修隧道，設(shè)置渡線投資較?。籘M至BM段貼近度取值小于參考路段，理論上設(shè)置渡線綜合效益不高，主要原因?yàn)榉中匏淼?，設(shè)置渡線工程投資及養(yǎng)護(hù)維修工作量增加較大；TQ至DYX段屬于常規(guī)站間距區(qū)段，設(shè)置渡線，搶救時(shí)效與綜合維修便利性較參考路段增加不大，但工程投資和養(yǎng)護(hù)工作量增加較大，因此，取值稍小于參照路段，設(shè)置渡線綜合效益不高。

基于上述計(jì)算結(jié)果，對(duì)某高原山區(qū)鐵路區(qū)間進(jìn)行渡線設(shè)置時(shí)提出如下建議。

(1)對(duì)于某高原山區(qū)鐵路這類地質(zhì)條件惡劣，線路橋隧比重很大的線路，站間距較大，且區(qū)間以合修隧道為主時(shí)，盡量設(shè)置區(qū)間渡線，以便弱化火災(zāi)、地震、泥石流等事故所帶來的影響；對(duì)于長(zhǎng)大站間距且以分修隧道為主的區(qū)段，設(shè)置渡線會(huì)帶來較大的工程投資，是否設(shè)置還需結(jié)合其他因素綜合判斷。

(2)對(duì)于站間距在20 km左右的路基段，區(qū)間渡線設(shè)置會(huì)增加大量的前期工程投入及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)，應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)置區(qū)間渡線。

6 結(jié)論

以往文獻(xiàn)研究區(qū)間渡線以定性或單個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為考量對(duì)象，建立了基于TOPSIS模型理論的某高原山區(qū)鐵路設(shè)置區(qū)間渡線的綜合評(píng)分指標(biāo)體系，選取6個(gè)影響區(qū)間渡線設(shè)置的重要因素；并根據(jù)某高原山區(qū)鐵路特殊條件對(duì)其進(jìn)行重要度賦權(quán)；首次采用了定量的方法，并代入加權(quán)TOPSIS模型中運(yùn)算求得區(qū)間設(shè)置渡線的綜合評(píng)分。

選取具有不同工程條件下的TQ至DYX段、KD至CD段、TM至BM段以及參照路段的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行實(shí)例研究，結(jié)果表明：位于長(zhǎng)大合修隧道區(qū)間的KD至CD段，設(shè)置區(qū)間渡線綜合效益較好。