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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
        關(guān)鍵詞:高原間距區(qū)間

        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(lái)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(guò)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,列車速差小;(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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)渡線后,維修列車經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiàn),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(guò)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(guò)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(guò)小,則設(shè)置區(qū)間渡線無(wú)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(wú)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(guò)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(lái)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(wèn)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(wèn)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(guò)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)榉中匏淼溃O(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(lái)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(lái)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。

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