“十”字型鐵路地區(qū)高鐵站選址及輔助決策研究

俎保峰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西西安 710043)

1 引言

隨著我國高鐵規(guī)劃建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多的“十”字型高鐵地區(qū)。對于兩條高鐵干線“十”字型交叉的鐵路地區(qū)而言，通道客流流向四通八達(dá)，交通組織復(fù)雜，高鐵車站選址既要著重考慮運(yùn)輸組織順暢，又要兼顧地方客流便利出行、節(jié)省工程投資等因素，技術(shù)難度大，在很大程度上決定了高鐵項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)的成敗。

針對高鐵站選址及其輔助決策技術(shù)，專家學(xué)者等開展了大量的研究工作。于劍等[1]研究提出高鐵站選址的五方面影響因素，分析了高鐵站選址的要求及方案綜合比選，為高鐵站科學(xué)選址提供借鑒。談進(jìn)輝等[2]基于對交通可達(dá)性模型的研究，選擇空間相互作用模型構(gòu)建高鐵站選址模型，并以東莞市為例計(jì)算2035年東莞市各交通小區(qū)的可達(dá)性。劉玲[3]基于引入地區(qū)和線路走向相結(jié)合的綜合選線方法，從旅客乘車便捷性、對城市規(guī)劃的適應(yīng)性、工程設(shè)置條件及工程投資等方面對西十高鐵引入商洛地區(qū)不同線路走向方案和選址方案進(jìn)行了綜合比選分析?？梢?，已有的研究暫未針對近年大量涌現(xiàn)出來的、更具特色也更為復(fù)雜的“十”字型高鐵地區(qū)開展。在參考上述文獻(xiàn)成果的基礎(chǔ)上，基于模糊層次分析法(FAHP)，以延安至榆林至鄂爾多斯高速鐵路(以下簡稱“延榆鄂高鐵”)引入綏德地區(qū)高鐵站選址為研究背景，通過梳理“十”字型地區(qū)高鐵站選址方案比選和論證，以期實(shí)現(xiàn)該類地區(qū)高鐵站選址方案決策的程序化和標(biāo)準(zhǔn)化；探索適合“十”字型地區(qū)高鐵站選址的輔助決策技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)定量化方案評價(jià)，進(jìn)而確保站址方案決策的科學(xué)性、合理性。

2 工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中的站址方案決策

2.1 延榆鄂高鐵概況

延榆鄂高鐵是國家高速鐵路網(wǎng)“八縱八橫”高鐵通道之包(銀)海通道的重要組成部分，也是陜西省“米”字型高鐵網(wǎng)縱向脊梁骨的主要區(qū)段。項(xiàng)目位于陜西省北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，線路自在建西(安)延(安)高鐵終點(diǎn)延安站貫通引出北行，依次經(jīng)延安市寶塔區(qū)、延川縣，榆林市清澗縣、綏德縣、米脂縣、橫山區(qū)、榆陽區(qū)和神木市，鄂爾多斯市伊金霍洛旗，引入鄂爾多斯站至項(xiàng)目終點(diǎn)，并預(yù)留向包頭方向延伸條件。新建線路長度389.82 km。設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350 km/h。

2.2 綏德鐵路地區(qū)概況

綏德地區(qū)位于延榆鄂高鐵中部，現(xiàn)狀銜接包西、太中銀兩條鐵路?，F(xiàn)狀分布綏德一處車站，車站布置為曲線中間站，包西、太中銀鐵路分方向別合場布置，車站規(guī)模3臺(tái)12線。

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2016年版)，地區(qū)規(guī)劃引入延榆鄂高鐵(包(銀)海通道)以及綏德至太原高鐵(青銀通道)，兩條高鐵呈“十”字型交匯。綏德地區(qū)將構(gòu)成典型的“十”字型高鐵地區(qū)，連通東、西、南、北四個(gè)方向，即太原(青島)、銀川、延安(西安、?？?、榆林(包頭)，理論上存在多達(dá)12個(gè)方向的旅客交流。

根據(jù)地區(qū)客運(yùn)量預(yù)測，銀川-榆林之間基本無交流，延安-銀川之間交流量非常小(遠(yuǎn)期開行動(dòng)車1對/d)，因此，地區(qū)主要客流方向?yàn)檠影?榆林(遠(yuǎn)期開行動(dòng)車59對/d)、延安-太原(遠(yuǎn)期開行動(dòng)車37對/d)、銀川-太原(遠(yuǎn)期開行動(dòng)車12對/d)和榆林-太原(遠(yuǎn)期開行動(dòng)車10對/d)4對、8個(gè)方向。

2.3 站址方案研究的提前條件

(1)地區(qū)高鐵站數(shù)量

綏德縣城區(qū)現(xiàn)狀常住人口約18.6萬，2030年城區(qū)規(guī)劃人口23.5萬，屬于小城市。此外，地區(qū)已有普速客運(yùn)站一處。因此，考慮客運(yùn)設(shè)施布局與城市規(guī)模的匹配性，地區(qū)高鐵站數(shù)量應(yīng)為一處。

(2)高鐵通道首選短直方向

綏德高鐵站作為銜接兩條“十”字型交叉高鐵通道的接軌站，受控于高鐵選線的技術(shù)參數(shù)，東西、南北方向僅能保證其中一個(gè)方向相對短直，而另一方向勢必相對迂回。根據(jù)客流預(yù)測，為提高地區(qū)整體客運(yùn)效率，應(yīng)將動(dòng)車開行對數(shù)多的南北方向即延榆鄂高速鐵路方向作為首選短直方向。

(3)疏解、聯(lián)絡(luò)線工程規(guī)劃

根據(jù)地區(qū)客流預(yù)測，延安-榆林方向的交流(遠(yuǎn)期59對/d)由延榆鄂高鐵承擔(dān)，而延安-太原方向的交流(遠(yuǎn)期37對/d)通過綏德地區(qū)高鐵站引出疏解線解決。

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》對青銀通道的規(guī)劃定位:綏德以東段新建高鐵線路、綏德以西段利用既有太中銀鐵路改造[4]，因此，銀川-太原方向的交流(遠(yuǎn)期12對/d)考慮利用既有綏德站辦理地方客運(yùn)作業(yè)，并設(shè)置高、普聯(lián)絡(luò)線工程實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

榆林-太原方向開行動(dòng)車對數(shù)較少(遠(yuǎn)期10對/d)，考慮在高鐵站內(nèi)組織折角運(yùn)輸，不考慮設(shè)置聯(lián)絡(luò)線工程。

2.4 站址方案綜合比選

(1)方案比選思路及層次

結(jié)合鐵路地區(qū)現(xiàn)狀及規(guī)劃，站址方案研究分為兩個(gè)層次:第一層次研究引入既有站、新建高鐵站兩大類方案；第二層次研究引入既有綏德站以及分別新建綏德東、西、南、北高鐵站共計(jì)5個(gè)子方案。綏德站址方案構(gòu)成情況如圖1所示。

圖1 延榆鄂高鐵綏德站址方案構(gòu)成示意

對于引入既有站方案，考慮到既有綏德站銜接包西、太中銀兩條鐵路、四個(gè)方向，四個(gè)方向之間客貨車流均有交叉；車站布置為曲線站，依山傍河而建，地形條件復(fù)雜，兩端咽喉均設(shè)置在曲線橋梁工程上，車站改擴(kuò)建極其困難，不具備高鐵引入既有車站條件[5]。因此，予以舍棄。

對于新建高鐵站方案，結(jié)合城區(qū)分布、城市規(guī)劃及周邊地形、地貌等因素，研究比選了新建東、西、南、北高鐵站4個(gè)子方案。經(jīng)研究，綏德東站方案線路穿越飲用水水源地一級保護(hù)區(qū)，不符合《水污染防治法》相關(guān)規(guī)定，予以舍棄。綏德北站方案站址地處太中銀鐵路、包西鐵路、無定河及山體圍合而成的封閉區(qū)域，且距離城區(qū)遠(yuǎn)達(dá)14 km，交通聯(lián)系極其不便；同時(shí)拆遷村落工程量大，地方反對意見強(qiáng)烈，也予以舍棄。

因此，重點(diǎn)對新建高鐵站系列方案中的綏德西站、綏德南站兩個(gè)有價(jià)值的備選方案進(jìn)行深入比選論證，方案示意圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 綏德西站方案示意

圖3 綏德南站方案示意

(2)綏德西站、綏德南站方案比選

針對綏德“十”字型高鐵地區(qū)的突出特點(diǎn)，結(jié)合地區(qū)實(shí)際情況，主要從地區(qū)客運(yùn)效率、地區(qū)規(guī)劃建設(shè)線路總規(guī)模及工程投資、相關(guān)客運(yùn)通道引入條件、客流吸引能力、地方客流出行便利性、與城市規(guī)劃相容性、站址地形條件以及綜合開發(fā)用地條件等8個(gè)方面進(jìn)行全面、深入的比選論證[6-10]。

兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析比較情況如表1所示。

表1 綏德高鐵站位選址方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

綜上所述，綏德西站方案主要客流方向線路短直，地區(qū)客運(yùn)效率高；雖規(guī)劃建設(shè)的疏解、聯(lián)絡(luò)線工程較長，但近期建設(shè)的高標(biāo)準(zhǔn)延榆鄂高鐵線路明顯短直，考慮資金的時(shí)間成本，其經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)；客流吸引能力更強(qiáng)，較好地兼顧?quán)徔h客流，地方客流乘車也更為便利；對城市規(guī)劃帶動(dòng)作用更明顯，設(shè)站地形條件及綜合開發(fā)用地條件均較好，因此，推薦采用綏德西站方案。

3 基于模糊層次分析法的輔助決策研究

高鐵引入“十”字型地區(qū)的站址方案比選作為復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題，適用于模糊層次分析法(FAHP)進(jìn)行輔助決策。

3.1 綜合評價(jià)指標(biāo)體系

結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，構(gòu)建“十”字型地區(qū)高鐵站選址方案的綜合評價(jià)指標(biāo)體系如表2所示。

表2 綜合評價(jià)指標(biāo)體系

3.2 基于模糊層次分析法的數(shù)學(xué)模型

(1)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量

運(yùn)用1～9級標(biāo)度法和專家調(diào)查法，發(fā)放專家調(diào)查表，進(jìn)行多輪專家調(diào)查，匯總、整理調(diào)查表；對于調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析處理，并達(dá)成一致意見后構(gòu)建判斷矩陣[11-13]，如表3所示。

表3 “十”字型地區(qū)高鐵站位選址方案判斷矩陣

運(yùn)用“方根法”計(jì)算并進(jìn)行“歸一化處理”得各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量:

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

式中，CR為判斷矩陣隨機(jī)一致性比率，當(dāng)其值小于0.1時(shí)判斷矩陣具有較好的一致性；CI為一般一致性指標(biāo)，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其值均由大量試驗(yàn)確定。

由式(2)可見，構(gòu)建的判斷矩陣具有較好的一致性。

(2)基于模糊層次分析法的數(shù)學(xué)模型

構(gòu)建用于高鐵站選址方案決策的模糊層次分析法數(shù)學(xué)模型:

式中，B為綜合評價(jià)結(jié)果；W為綜合評價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量；R為相對優(yōu)屬度矩陣，其元素為各個(gè)方案的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)；“?”為模糊合成算子；bj為各個(gè)方案的綜合優(yōu)越度。

根據(jù)最大優(yōu)屬度原則，根據(jù)bj的數(shù)值大小對于各個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)選排序，選取數(shù)值最大的方案作為建議推薦方案。

3.3 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型輔助決策結(jié)論

根據(jù)綏德西、綏德南兩個(gè)站址方案的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)對各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦值，經(jīng)“極差正規(guī)化”處理，得出兩個(gè)方案的相對優(yōu)屬度矩陣，通過矩陣模糊計(jì)算得出綜合優(yōu)越度如下:

綏德西方案:b1＝0.740

綏德南方案:b2＝0.261

由于b1＞b2，且差值較明顯，故推薦采用綏德西站位方案。

可見，輔助決策結(jié)論與工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中方案比選結(jié)論一致。

4 結(jié)束語

(1)對于延榆鄂高鐵綏德高鐵站選址方案研究，通過合理劃分方案層次，采用逐層分解的方法，研究提出2類、5個(gè)子方案，經(jīng)初步比選，遴選出有價(jià)值的備選方案，全面、綜合、有針對性地選取8項(xiàng)主要影響因素，對備選方案進(jìn)行深入細(xì)致的比選論證，推薦的綏德西站址方案確保了較高的地區(qū)總體運(yùn)輸效率，兼顧了青銀高鐵通道的引入條件，方便了地方客流，吸引了周邊客流，降低了工程難度和近期投資，并與城市規(guī)劃相輔相成、相得益彰，符合“以人為本、服務(wù)運(yùn)輸”、“統(tǒng)籌兼顧、開放共享”的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，也符合“全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)”科學(xué)發(fā)展理念，為項(xiàng)目決策與建設(shè)提供了有力的技術(shù)支持。初步實(shí)現(xiàn)了“十”字型地區(qū)高鐵站選址方案決策的程序化和標(biāo)準(zhǔn)化，可供類似工程項(xiàng)目參考、借鑒，并為進(jìn)一步開發(fā)鐵路技術(shù)方案比選系統(tǒng)提供了技術(shù)儲(chǔ)備和方法借鑒。

(2)針對“十”字型高鐵地區(qū)的突出特點(diǎn)，緊密結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中方案研究，選取8項(xiàng)主要影響因素構(gòu)建綜合評價(jià)指標(biāo)體系，基于模糊層次分析法(FAHP)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行輔助決策研究。研究結(jié)果表明，提出的思路和方法將這一定性問題轉(zhuǎn)化為定量化處理，其結(jié)論與傳統(tǒng)方案比選結(jié)論一致。該項(xiàng)輔助決策技術(shù)可用于驗(yàn)證傳統(tǒng)的方案比選結(jié)論，有助于確?！笆弊中偷貐^(qū)高鐵站選址決策的科學(xué)性、合理性，對于類似項(xiàng)目具有一定的指導(dǎo)意義和借鑒作用。