方曉潔 黃偉瓊 黃宇柏 趙志偉

（國網漳州供電公司 漳州 363000）

1 引言

隨著我國鐵路建設規(guī)模的不斷擴大，新的鐵路建設方向也不斷朝中西部轉移，根據“十三五”的規(guī)劃設計要求，這一階段我國的鐵路投資金額將增加至近4 萬億人民幣，新建的鐵路線將達到三萬多公里。從未來的長期發(fā)展趨勢看，我國的西部地區(qū)會在鐵路建設方面取得高速發(fā)展，尤其是高鐵建設速度將不斷加快［1～3］?！耙粠б宦贰苯ㄔO對于我國與沿線相關國家的經濟發(fā)展發(fā)揮著重大的促進作用，有助于不同國家與各個地區(qū)間更快地完成物資交流，如果能在我國的中西部盡快建成一個更加發(fā)達與高效的鐵路運輸網，可以對“一帶一路”戰(zhàn)略起到極大的助力效果。在傳統(tǒng)模式下，對鐵路線的結構進行設計時通常需要根據選線設計人員的原有經驗與理論知識來設置預選線路，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營情況實施評價、對比，由此獲得最佳線路規(guī)劃方案［4～7］?？紤]到在開展人工設計的過程中對各項因素只是進行簡單分析，并且各因素保持相互獨立，各個設計人員對因素的權重設定也存在較大差異，這就導致線路構造的分布形態(tài)存在明顯區(qū)別［8～10］。其中，相對于東部地區(qū)，中西部區(qū)域具有更加復雜的地形與地質狀況，同時面臨的自然生態(tài)環(huán)境也更加惡劣，因此對這一地區(qū)的線路進行規(guī)劃時就需要采用信息化的分析方法［11～12］。為促進構造物的設計與估價效率與準確性，需要參考原先的實際工程建設案例并引入更加先進的GIS方法，在線路設計與估算造價的過程中不斷推廣使用更加先進的計算機信息處理技術［13～15］。在多維空間相似理論基礎上對數據進行挖掘并設計更加合理的算法，構建不同線路的GIS 數據庫，利用GIS 的三維分析與數據處理功能，完成線路構造物的結構設置與造價評估，由此完成定性和定量分析的目標，顯著提高決策方案的科學性［9］。

2 線路費用模型

在選擇線路方案的時候，應以整體工程運營費最低作為參考依據，因此需要確保實際線路工程投資與運營成本進行相加得到總和最小。設計線路構造物時，當種類與布置形式發(fā)生變化時都會導致工程費產生較大改變，同時線路建成之后的運營費并不會明顯影響設計方案，對這一部分因素基本不需考慮［11］。完成線路的平、縱斷面設計之后再設置構造物的形式，此時應考慮達到最低的工程費為止，簡化可以得到如下所示的最優(yōu)標準。

其中，fi、ft、fj、fs 依次代表線路各個區(qū)段對應的路基、隧道、橋梁與涵洞的估價；ωi、ωt、ωj、ωs 對應線路中的路基、隧道、橋梁與涵洞的長度。在評估構造物的單價過程中，可以根據新建的構造物屬性單元再從信息庫中找到和該單元具有較高相似度的同種構造物，并對兩者間的相似程度進行計算，根據相似度屬性單元計算得到單價影響因子，由此得到構造物的單價，從圖1 中可以看到估算的具體過程。

3 線路構造物GIS 信息庫的建立及單價估算

3.1 建立信息庫

在構建信息庫的過程中需以國內之前已修建好的線路路基、隧道。橋梁、涵洞作為數據源，同時從有關設計機構與建設局等單位收集各類施工材料，把統(tǒng)計得到的構造物屬性單元數據與造價信息都導入到GIS 里，此時存在于外部屬性信息庫內的各個字段將自發(fā)被添加至GIS 屬性表，由此構建得到建立在GIS 基礎上的線路構造物信息庫，從圖2中可以看到隧道信息庫的相關內容。

圖1 單價估算流程圖

圖2 工程信息庫

構建路基、涵洞、橋梁信息庫的過程中，應對各地區(qū)的經濟狀況、自然環(huán)境因素與路網結構、線路種類、地形地質等多方面都進行全面分析。同時，在路基信息庫中基本包含填料種類、邊坡防護方式、氣候狀況、路基結構、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、橋墩長度、施工形式、墩身高度、樁基深度、單跨距離，涵洞應分析孔徑大小、涵洞尺寸及其結構等因素。 完成信息庫的建設之后可以把后續(xù)采集獲得的構造物案例資料也不斷添加至該庫內，進一步增加案例豐富性，同時設計構造物案例的自主學習算法，增大找到相似構造物的概率。之后在該數據庫里加入構造物運營與維護信息，更加精確地評估線路構造物的使用期限并采取更合理的運營管理方法。

3.2 相似度及單價估算

構造物單價受到各類屬性單元的不同影響，此時可以采用層次分析法來實現(xiàn)定性與定量分析的相互結合，從而完成多目標決策分析的過程，充分融合人的知識、經驗與數學計算方法，獲得更加精確的屬性單元在總目標中的重要性系數。從圖3中可以看到對線路構造物進行單價估算時的具體結構層次，可以把該模型分成3 層，其中，最上層是目標層A，對應的是最佳方案；中間層是準則層，包括技術指標B1，地質因素B2 與社會屬性B3；最下層是各準則層對應的影響因素，將其表示為ci，i=1，2，……。

圖3 單價估算結構層次圖

首先，計算在總目標層的準則層所占的權重比例，之后計算準則層中的指標層重要系數，最終最高層中的指標層重要性系數。通常采用指標標準化方式來計算定量指標，對于定性指標的分析則是通過兩兩對比的方式來實現(xiàn)，并構建相應的判斷矩陣，具體如表1所示。

表1 重要性系數表

根據上述計算結果可以發(fā)現(xiàn)，對隧道單價產生較大影響的屬性單元包括線路種類、襯砌類型、隧道距離、當地經濟情況、圍巖級別。其中，雙線和單線隧道具有不同的結構，當隧道距離增加以及圍巖的級別不高時，將使施工難度增大，考慮到建設鐵路時需占用一定的土地資源，因此各地經濟發(fā)展狀況不同時也會引起隧道單價的變化。構造物相似度受到屬性單元的較大影響，因此在計算相似度的過程中除了需要分析不同單元屬性值以外，還應該充分考慮不同屬性單元對應的重要性系數，最終得到如下的相似度公式：

上式的A、B 依次對應原有的構造物與新建的構造物，并把相似度表示為sim（A，B）的形式；Ci對應的是第i 個屬性單元在構造物單價方面的重要性系數。對相似度進行計算的時候，應根據新建隧道和庫中隧道圍巖級別進行判斷，對于當地經濟與海拔高度因素的取值應選擇海拔中間值與該區(qū)域用地補償價進行綜合考慮，把A 和B 的相似度表示成如下形式：

以β表示構造物匹配相似度臨界值，其取值通常是0.8，如果實際相似度計算結果超過β，則以A單價作為基本單價再與單價影響因子進行相乘來得到新建構造物單價。通過分析A 與B 的各自相似度數據可以發(fā)現(xiàn)，不可以采用A 的單價來代替B單價，應分別計算各自的單價影響因子。

4 實例分析

采用以上計算方法，通過GIS得到DEM內相鄰起訖點長度等于3.3km 的線路后再對其實施設計。將設計線和地面線之間的高差值設定在hi，完成線路的平、縱斷面設計之后，根據程序計算得到的采樣點hi與隧道開挖臨界高差h1以及橋梁架設結構臨界高差h2來綜合評價構造物工程屬性，可以根據h1與h2計算結果來得到路基、橋梁與隧道各自構造物的初始里程，具體布置結構見圖5，其中m表示橋梁長度；n表示隧道長度。

圖4 橋梁隧道布置圖

結合構造物工程屬性以及各地的路網、經濟、自然環(huán)境等因素，從信息庫內找到和新建構造物存在較大相似度的構造物，同時進一步估算得到新建構造物的單價。從表2 與表3 中可以看到處于臨界高度下的構造物分布形式、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并獲得最優(yōu)方案。

表2 方案A工程量統(tǒng)計結果

表3 方案B工程量統(tǒng)計結果

5 結語

1）在收集大量有關我國線路構造物資料的基礎上，建立基于GIS 的路基、橋梁、隧道構造物信息庫。

2）線路構造物進行單價估算時的具體結構層次分成3 層，目標層，對應的是最佳方案；準則層，包括技術指標B1，地質因素B2 與社會屬性B3；各準則層對應的影響因素。

3）通過實例分析，從信息庫內找到和新建構造物存在較大相似度的構造物，估算得到新建構造物的單價，得到處于臨界高度下的構造物分布形式、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并獲得最優(yōu)方案。