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

        2022-04-24 12:38:22
        鐵道標準設(shè)計 2022年4期
        關(guān)鍵詞:高原間距區(qū)間

        張 彬

        (軌道交通工程信息化國家重點實驗室(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、高地溫及強烈發(fā)育多樣化地質(zhì)災(zāi)害、強烈發(fā)育活動斷裂的特征[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、便捷運輸組織、綜合維修方面具有重要作用,尤其對于高原山區(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、多種速度等級列車的靈活運輸組織、長大站間距的區(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)間渡線會相應(yīng)增加工程投資、運營維護工作量等,因此,某高原山區(qū)鐵路渡線設(shè)置需進行綜合研判決策。

        目前,國內(nèi)外學(xué)者對于高鐵設(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、運輸組織特征,較少有對其是否設(shè)置區(qū)間渡線進行綜合分析研究。采用TOPSIS模型理論,通過分析選取6個影響區(qū)間渡線設(shè)置的重要因素,將其賦權(quán)量化后,合并計算進行綜合研判,為某高原山區(qū)鐵路區(qū)間渡線設(shè)置提供參考。

        2 國內(nèi)外高鐵渡線設(shè)置現(xiàn)狀

        2.1 國外高鐵渡線設(shè)置現(xiàn)狀

        目前,國外高速鐵路區(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)全高速列車運行模式,列車速差小;(2)采用矩形天窗維修模式,天窗點內(nèi)上、下行同時作業(yè),維修機械避免轉(zhuǎn)線作業(yè);(3)日本高鐵屬于網(wǎng)運合一的體制,區(qū)間設(shè)置渡線會增加維修工作量,但未能大幅提高運營效率,性價比不高。另一種是設(shè)置渡線,主要為歐洲國家。如德國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;法國高速客運專線在區(qū)間內(nèi)每隔20~25 km鋪設(shè)雙向渡線。歐洲國家設(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)歐洲國家高鐵網(wǎng)運分離,如由于線路故障原因?qū)е铝熊囃睃c或停運,運營公司將向路網(wǎng)公司索賠,為保證線路的順暢運行,普遍在區(qū)間增設(shè)渡線[3-5]。

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

        2.2 國內(nèi)高鐵渡線設(shè)置現(xiàn)狀

        目前,我國高鐵區(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。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,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,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段高,但平均一般也不超過1次。因此,我國高鐵通常不設(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)害和極端對抗條件下,發(fā)生故障風險較高,發(fā)生事故長時間被困隧道內(nèi)易造成乘客恐慌、情緒緊張,故救援時間應(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。救援列車平均運行速度40 km/h,列車運行至事故點時間為57 min,救援列車啟動15 min,連掛30 min。

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

        以上救援列車和維修列列車準備及走行時間合計為283 min(不含救援時間)。

        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。實施救援后將列車牽引至BM車站。時間為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)生點進行線路維修等工作。時間為14 min。

        ③結(jié)束后通過下行線返回BM站。時間為57 min。

        以上救援列車和維修列車的準備及走行時間合計為230 min(不含救援時間)。

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

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

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

        假設(shè)BM至TM區(qū)間,A點和B點需進行線路維修,A點位于區(qū)間1/3處,即距BM站為19 km,B點位于區(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,維修完后行至TM車站,沿下行線路到達B點,維修完后返回BM車站維修車間,整個過程的走行距離為114 km,按照40 km/h速度,需花費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點后,通過區(qū)間渡線行至B點進行維修,后返回BM車站,共運行距離為66.5 km,運行時間為100 min。

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

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

        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個因素作為考察指標展開分析。

        (1)車站間距:車站間距增加會對設(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,且會增加維修和管理負擔。

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

        (3)事故搶險救援時效性:事故搶險救援時效性的提高會對設(shè)置區(qū)間渡線產(chǎn)生正向影響。事故發(fā)生后,搶險維修車輛可利用區(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,在事故車輛所在線路因搶修無法通行時,可利用區(qū)間渡線,組織列車進行反向行車,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對設(shè)置區(qū)間渡線產(chǎn)生正向影響。在長大隧道內(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:工程投資增加會對設(shè)置區(qū)間渡線產(chǎn)生負向影響[13]。設(shè)置區(qū)間渡線,需對于隧道縱斷面進行調(diào)整,增加部分大跨斷面,并需增加信號、通信、電力等相關(guān)設(shè)施設(shè)備,會增加不少前期投入成本。

        (6)養(yǎng)護維修工作量:養(yǎng)護維修工作量增加會對設(shè)置區(qū)間渡線帶來負向影響[14]。區(qū)間渡線需獨立設(shè)置信號聯(lián)鎖設(shè)備,增加日常維護。根據(jù)蘭州局寶蘭客專和廣鐵集團黔張常鐵路等進行調(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)護維修工作量根據(jù)經(jīng)驗值確定。

        4.2 區(qū)間渡線設(shè)置決策指標權(quán)重

        根據(jù)某高原山區(qū)鐵路環(huán)境復(fù)雜的特點,將事故搶險時效性、養(yǎng)護維護工作量賦予最大權(quán)重,將綜合維修便利性、工程投資兩項指標賦予次級權(quán)重,行車密度、車站間距二項指標賦予最小的權(quán)重。權(quán)重參考相關(guān)文獻[15-18]和專家問詢后設(shè)定為事故搶險時效、養(yǎng)護維護工作量為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指標的綜合影響大小,合理決策區(qū)間渡線設(shè)置,采用TOPSIS方法對某高原山區(qū)鐵路區(qū)間渡線設(shè)置決策指標進行綜合度量, TOPSIS方法又稱為優(yōu)劣解法[19],是一種常用的綜合評價方法[20-21],其計算流程如下。

        (1)設(shè)定初始評判矩陣:設(shè)對象集為P={P1,P2,…,Pm},對象評價指標集為r={r1,r2,…,rn},則初始評判矩陣為

        (1)

        (2)矩陣標準化:評價指標分為正向指標與負向指標,對于正向指標,取值越小越好,對于正向指標取值越大越好。為消除指標的不可度量性,需對評判指標紀念性標準化處理,得到標準化決策矩陣B=(bij)m×n,計算公式如式(2)、式(3)所示。

        對于正向指標,有

        (2)

        對于負向指標,有

        (3)

        (3)標準決策矩陣加權(quán)化:將矩陣B與指標權(quán)重W=(w1,w2,…,wn)相乘,得到加權(quán)后的標準化決策矩陣為

        (4)

        (4)貼近度分析:分別計算正向指標及負向指標的正理想行為和負理想行為,計算方式如式(5)、式(6)所示。

        (5)

        (6)

        式中,wibij為標準化決策矩陣R第i行第j列元素,R+與R-分別為正理想解和負理想解。評價對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段作為研究對象,同時選取一段處于可設(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)段為合修的長大隧道;TM至BM站站間距為57 km,該區(qū)段內(nèi)為分修的長大隧道。各區(qū)間行車對數(shù)采用近期運量,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,事故搶險救援時效性、綜合維修便利性根據(jù)站間距不同進行計算取得,養(yǎng)護維護工作量根據(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可得出初始評判矩陣為

        (10)

        (2)標準化處理后得標準化決策矩陣為

        (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)進行計算,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

        在上述擬定的指標權(quán)重下,計算得出: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,主要原因為雙線合修隧道,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,主要原因為分修隧道,設(shè)置渡線工程投資及養(yǎng)護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。

        基于上述計算結(jié)果,對某高原山區(qū)鐵路區(qū)間進行渡線設(shè)置時提出如下建議。

        (1)對于某高原山區(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,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;對于長大站間距且以分修隧道為主的區(qū)段,設(shè)置渡線會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)對于站間距在20 km左右的路基段,區(qū)間渡線設(shè)置會增加大量的前期工程投入及后期運營維護,應(yīng)謹慎設(shè)置區(qū)間渡線。

        6 結(jié)論

        以往文獻研究區(qū)間渡線以定性或單個經(jīng)濟指標為考量對象,建立了基于TOPSIS模型理論的某高原山區(qū)鐵路設(shè)置區(qū)間渡線的綜合評分指標體系,選取6個影響區(qū)間渡線設(shè)置的重要因素;并根據(jù)某高原山區(qū)鐵路特殊條件對其進行重要度賦權(quán);首次采用了定量的方法,并代入加權(quán)TOPSIS模型中運算求得區(qū)間設(shè)置渡線的綜合評分。

        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)為例進行實例研究,結(jié)果表明:位于長大合修隧道區(qū)間的KD至CD段,設(shè)置區(qū)間渡線綜合效益較好。

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