高玉祥,董曉峰,程建軍,韓 峰

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044； 2.北京交通大學建筑與藝術(shù)學院,北京 100044； 3.石河子大學水利建筑工程學院,新疆石河子 832003； 4.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070)

鐵路主要技術(shù)標準是指影響線路設(shè)計、工程造價、運營質(zhì)量等內(nèi)容的基本標準和設(shè)備類型，對線路能力的發(fā)揮有顯著影響，其合理選定是線路設(shè)計的重要內(nèi)容[1]。影響鐵路主要技術(shù)標準選擇的因素具有多源復雜的特點，且有的因素不容易被量化，合理處理各因素的綜合作用以此得到合適的技術(shù)標準方案是鐵路選線設(shè)計人員面臨的重要課題。

國內(nèi)鐵路主要技術(shù)標準已有較多研究。劉猛[2]針對山區(qū)復雜鐵路選線提出靈活運用技術(shù)標準，采用加力牽引坡度的方法；趙巖[3]對隴海線技術(shù)標準條件下存在的問題進行分析，論述了既有線路標準提升的運營效果；夏明雷[4]主要研究重載鐵路中比較關(guān)鍵的牽引種類、限制坡度和牽引質(zhì)量，為重載線路的技術(shù)標準選定提供了參考；孫海富[5]結(jié)合我國高速鐵路運營的實踐經(jīng)驗及理論成果，對現(xiàn)行技術(shù)標準提出了優(yōu)化建議；陳希榮[6]主要分析了運量提升與鐵路主要技術(shù)標準改造升級之間的關(guān)系；馮慧淼[7]通過分析中外鐵路主要技術(shù)標準及參數(shù)，提出線路技術(shù)標準優(yōu)化的建議。相比之下，就鐵路主要技術(shù)標準而言，現(xiàn)有研究內(nèi)容多側(cè)重于某一條具體線路的技術(shù)標準選定及優(yōu)化[8-10]，注重于具體工程案例，尚未利用既有案例及其設(shè)計經(jīng)驗來輔助設(shè)計新項目，大量豐富的案例設(shè)計經(jīng)驗未得到充分利用。線路作為地理環(huán)境中的一個三維空間實體，環(huán)境的多維屬性與線路方案之間具有一定的耦合作用規(guī)律[11-14]，從海量的既有鐵路線路設(shè)計案例大數(shù)據(jù)中挖掘出其相互間作用關(guān)系來引導計算機自動設(shè)計出達到要求的工程方案，是大數(shù)據(jù)和人工智能時代鐵路線路智能優(yōu)化設(shè)計的重要研究方向。

針對上述研究的不足，提出基于多維空間相似理論的鐵路主要技術(shù)標準設(shè)計決策方法，借助既有案例來實現(xiàn)新建線路技術(shù)標準方案的設(shè)計。通過分析既有線路設(shè)計資料，結(jié)合選線設(shè)計理論和相關(guān)規(guī)范，從自然屬性和社會屬性兩方面考慮不同因素對技術(shù)標準的作用，分析多維環(huán)境因素與線路方案之間相互作用的規(guī)律，構(gòu)建了主要技術(shù)標準的多維空間相似決策模型，并利用計算機技術(shù)和地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)基于GIS的案例庫，實現(xiàn)了新建鐵路技術(shù)標準方案的決策設(shè)計，同時也為大數(shù)據(jù)時代鐵路線路方案的智能化設(shè)計提供一定參考。

1 鐵路主要技術(shù)標準及其影響因素

1.1 主要技術(shù)標準

鐵路主要技術(shù)標準可以劃分為裝備類型標準和基建標準，前者可以根據(jù)技術(shù)發(fā)展和實際需求進行升級改造，如牽引類型改變、增多牽引機車數(shù)目和改變機車類型等，這類標準可根據(jù)近期需求確定。而與鐵路土建工程緊密相關(guān)的限制坡度、到發(fā)線有效長度、最小曲線半徑等在工程竣工后很難進行提升優(yōu)化，故主要根據(jù)遠期目標來確定相應(yīng)的指標。線路主要技術(shù)標準中，鐵路等級是其他技術(shù)標準確定的前提和基礎(chǔ)，只有鐵路等級確定后，才在此基礎(chǔ)上確定其他標準，通過分析擬建線路在路網(wǎng)中的作用、設(shè)計速度和預測客貨運量并結(jié)合沿線區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展情況進行選定。主要技術(shù)標準選定要遵循遠近結(jié)合、統(tǒng)籌分析的原則對其進行設(shè)計，盡量節(jié)約初期工程投資并滿足遠期升級的條件，客貨共線鐵路主要技術(shù)標準內(nèi)容組成及影響因素如圖1所示。

圖1 主要技術(shù)標準及影響因素

1.2 影響因素及其作用機理分析

地形條件影響著線路的平面定線、縱斷面設(shè)計、橫斷面和車站位置等設(shè)計，對線路工程量、工程投資及運營質(zhì)量有著重要的影響，而且還影響運營能力的發(fā)揮和行車安全性。平面定線過程中限制坡度與自然坡度的關(guān)系決定著線路是否需要展線，縱斷面設(shè)計時限制坡度與地面線的關(guān)系又決定著線橋隧的分布，起終點相對高差是線路設(shè)計需要克服高程障礙的重要表征，能反映出全路段地形對限制坡度的作用程度，特別是在高海拔、大高差地區(qū)，其對線路限制坡度的影響更大。較高的設(shè)計行車速度需要大半徑、小限坡和牽引動力大的機車，客貨共線鐵路的到發(fā)線有效長度由運輸需求和貨物列車長度決定，同時還要與鄰接線路的到發(fā)線長度相協(xié)調(diào)。線路設(shè)計過程中，為使擬建線路能夠發(fā)揮最大的運輸能力，主要技術(shù)標準設(shè)計要充分考慮其周圍路網(wǎng)的相關(guān)屬性，尤其鄰線的限制坡度、牽引質(zhì)量對新建線路的技術(shù)標準值選擇有很大影響，宜與鄰接線路相協(xié)調(diào)。鐵路作為地區(qū)發(fā)展重要的交通運輸工具，是實現(xiàn)人員、物資流動的重要紐帶，而技術(shù)標準又是決定鐵路運輸能力的最主要因素，故線路主要技術(shù)標準選定時不僅要考慮自然因素的作用，結(jié)合沿線的地形地質(zhì)來定出部分指標，還要考慮沿線區(qū)域的GDP、人口、資源產(chǎn)業(yè)等分布，結(jié)合最新的鐵路線路設(shè)計規(guī)范和前人的研究成果，從社會、工程提取的客貨共線鐵路主要技術(shù)標準影響因素的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 屬性單元層次結(jié)構(gòu)

鐵路運輸能力受技術(shù)標準影響較大，對于技術(shù)標準已確定線路的運能是基本不變的。人口密度高、經(jīng)濟發(fā)展好的地區(qū)運量往往較大[15]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，區(qū)域內(nèi)部對交通運輸?shù)囊笤絹碓礁撸芏嗉扔芯€進行雙線改建和擴能改造，表現(xiàn)為區(qū)域發(fā)展與技術(shù)標準之間的耦合作用，原理如圖3所示。

圖3 地區(qū)發(fā)展-主要技術(shù)標準間的耦合作用

1.3 非空間數(shù)據(jù)表達

影響主要技術(shù)標準的地形地質(zhì)、坡度等空間化數(shù)據(jù)，具有連續(xù)分布特征，可以利用各種屬性圖層表示，便于數(shù)據(jù)分析和提取更高層級的信息。而對于GDP、人口和城市節(jié)點等非空間的社會屬性數(shù)據(jù)，可利用GIS的空間化理論及方法，將這類數(shù)據(jù)實現(xiàn)空間可視化表達，在統(tǒng)計計算時，根據(jù)格網(wǎng)的空間位置及映射關(guān)系就可將復雜的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高效的數(shù)據(jù)庫執(zhí)行語句[16]。

利用已獲取的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、城市數(shù)據(jù)和鐵路網(wǎng)數(shù)據(jù)等，通過線路的主要技術(shù)標準案例庫系統(tǒng)的空間分析功能計算新建線路周圍地區(qū)的路網(wǎng)密度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 線路周圍地區(qū)路網(wǎng)密度

2 基于GIS的線路主要技術(shù)標準案例庫

2.1 建立案例庫

GIS數(shù)據(jù)庫能實現(xiàn)多源信息的集成化管理，同時，利用其空間分析功能、專家知識和數(shù)學模型可提取更高級別的地理空間信息[17-18]。根據(jù)線路主要技術(shù)標準的內(nèi)容組成、決策體系和GIS特點，利用GIS組件技術(shù)和C#語言在.NET平臺下對Arc GIS進行二次開發(fā)，在軟件既有功能的基礎(chǔ)上，通過編制特定的功能菜單來實現(xiàn)相關(guān)功能的集成，系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于GIS的主要技術(shù)標準案例庫模型

開發(fā)設(shè)計的案例庫系統(tǒng)會根據(jù)已設(shè)定的規(guī)則實現(xiàn)既有案例的入庫、管理和分析決策等功能。案例庫中的案例主要來源于已運營線路的設(shè)計資料，并根據(jù)鐵路選線設(shè)計理論方法和相關(guān)規(guī)范，整理分析收集到的案例進行入庫。入庫方式可以是自動的也可以是人機交互的，人機交互時設(shè)計人員將自己的工程設(shè)計經(jīng)驗、方案決策知識反饋給系統(tǒng)，案例庫可通過這種方式不斷地提高決策設(shè)計的速度和水平。

2.2 數(shù)據(jù)分析與信息提取

線路沿線帶狀地理環(huán)境的地形對限制坡度選取有重要作用，縱斷面主要是根據(jù)自然坡度和限制坡度的關(guān)系來進行設(shè)計，決定著工程量的大小。以某段線路兩側(cè)1.5 km的影響范圍建立基于線路平面位置的帶狀緩沖區(qū)，如圖6所示。利用系統(tǒng)的坡度分析功能得到區(qū)域坡度分類圖[19]，由緩沖區(qū)和DEM數(shù)據(jù)的空間關(guān)系，通過案例庫的提取工具可得到線路沿線帶狀范圍內(nèi)的坡度。

圖6 緩沖區(qū)分析

利用GIS空間統(tǒng)計分析模塊，人口、GDP在空間上的分布可由Spatial Analyst模塊中反距離權(quán)重插值法實現(xiàn)空間化并設(shè)置數(shù)據(jù)劃分等級數(shù)目，然后可使用柵格統(tǒng)計工具實現(xiàn)緩沖區(qū)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。根據(jù)線路緩沖區(qū)范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)，采用Raster Reclass工具進行緩沖區(qū)內(nèi)坡度等級劃分并導出計算結(jié)果，整理后得到緩沖區(qū)域各坡度區(qū)間的坡度面積組成及占比，如表1所示。

表1 坡度分類統(tǒng)計

2.3 相似方案查找

根據(jù)新建鐵路的屬性資料構(gòu)造查詢條件，可以是參數(shù)化查詢或編寫的語句，同時可設(shè)定查詢時方案相似度的閾值，只要滿足查詢條件，案例庫中相似的案例都會被檢索到，在案例庫中查找出的天隴鐵路的相似方案結(jié)果如圖7所示。

圖7 相似方案查詢結(jié)果

利用建立的相似決策模型及算法，新建項目與既有案例的相似度也會被計算出來，為主要技術(shù)標準方案的設(shè)計決策提供依據(jù)。還能利用線路與沿線地理環(huán)境的空間屬性關(guān)系，查詢線路所處地理環(huán)境的路網(wǎng)屬性，查到的相鄰線路主要技術(shù)標準如圖8所示。

圖8 相鄰線路主要技術(shù)標準

3 多維空間相似理論

3.1 理論模型

多維空間相似理論就是從多個維度空間提取出影響事物之間相似性的主要因素，如幾何、社會和時間等特性，將其劃分為不同的屬性單元，通過數(shù)學方法實現(xiàn)事物間相似度的量化計算，從而為不同事物之間的相似比較提供依據(jù)[20]。影響鐵路主要技術(shù)標準方案設(shè)計的因素可以分為自然因素和社會因素，其包含的各因素具有多個維度的特性，選定主要技術(shù)標準時都需考慮這些因素。根據(jù)主要技術(shù)標準的自身特性，將影響技術(shù)標準的主要因素劃分為屬性單元，確定單元匹配指標并計算其對應(yīng)權(quán)重，通過求得各指標相似度的和來計算總相似度。

根據(jù)上述理論，將兩條線路主要技術(shù)標準的相似度表示為多元函數(shù)[21]

Q=f(da，db，t，u)

(1)

式中，da、db分別為主要技術(shù)標準方案a和方案b的屬性單元數(shù)目；t為方案a與方案b的具有相同類型的單元個數(shù)；u為單元的屬性值。

為避免由于部分案例屬性值缺失而無法進行方案的相似度計算，設(shè)計了基于結(jié)構(gòu)相似度和屬性相似度相結(jié)合的主要技術(shù)標準相似度計算模型，其中，結(jié)構(gòu)相似度的計算公式為

(2)

式中，sj為線路主要技術(shù)標準的結(jié)構(gòu)相似度；d是技術(shù)標準方案a、方案b中具有較大單元數(shù)量的值。

單元的屬性相似度計算如下。

①對于數(shù)值型單元和等級型單元，其相似度計算公式為

(3)

式中，si為方案的單元相似度；uai、ubi為方案a、方案b的第i個單元屬性值，等級型單元的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個等級分別用數(shù)字“1、2、3、4”來代替。

②對于文本型單元的屬性相似度計算公式為

(4)

式中，uai、ubi分別為方案a、方案b的第i個單元屬性值。

由于不同單元的影響作用具有差異性，即重要程度不同，分別對屬性單元s1、s2、…、sn設(shè)立權(quán)重w1、w2、…、wn，權(quán)重可由層次分析法計算，由此確定的線路主要技術(shù)標準屬性相似度為

(5)

通過將已劃分屬性單元的結(jié)構(gòu)相似度和屬性相似度結(jié)合，得到線路主要技術(shù)標準方案的總相似度計算公式為

(6)

3.2 相似度計算

根據(jù)相似計算模型可知，線路主要技術(shù)標準影響因素的作用程度具有明顯差異性，且權(quán)重計算的合理性在方案相似度計算中至關(guān)重要。為保證計算權(quán)重的合理性，采用既能利用設(shè)計者的經(jīng)驗，又可以保證屬性權(quán)重與屬性重要程度基本相一致的層次分析法來計算各單元權(quán)重[22]。層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。第一層為目標層A，即線路主要技術(shù)標準方案；第二層為準則層，為社會因素B1、工程因素B2；第三層是準則層的每個具體單元，用Wi表示，其中，i=1，2，3，…14。先計算B1、B2對于A的權(quán)重，然后計算Wi對于B1、B2的權(quán)重，最后綜合計算出Wi對于主要技術(shù)標準的權(quán)重，結(jié)果如表2所示。

表2 屬性單元重要性系數(shù)

若屬性單元按照圖2中的順序排列，則線路a、線路b的屬性單元序列可分別表示為：

La=“6個、0.017 km/km2、158.1人/km2、425.79萬元/km2、17 Mt、Ⅰ、Ⅱ、Ⅱ、27.31°、6‰、120 km/h、3.37‰、電力、4 000 t、775.4 m、850 m”；

Lb=“9個、0.022 km/km2、353.26人/km2、471.95萬元/km2、30 Mt、Ⅰ、Ⅲ、Ⅲ、18.93°、6‰、120 km/h、1.95‰、電力、4 000 t、759.5 m、850 m”；

則根據(jù)式(6)計算的La與Lb的相似度為0.835，其中線路a為天隴鐵路，線路b為西平鐵路。

應(yīng)用上述方法進行線路技術(shù)標準決策設(shè)計時，為確保方案設(shè)計的質(zhì)量，庫中案例與新項目之間的相似度必須滿足一定閾值要求，才可以利用既有案例及其經(jīng)驗。結(jié)合既有鐵路主要技術(shù)標準實例和專家的經(jīng)驗判斷，根據(jù)線路a和線路b的相似度計算結(jié)果，當Sab≥0.8時，可將Lb的主要技術(shù)標準擬定為La的初步設(shè)計方案。

4 實例應(yīng)用

4.1 工程概況

天隴鐵路位于甘肅省東南部，是一條以貨運為主兼顧客運的國鐵Ⅰ級線路，從天平鐵路楊家碾站引出，終點處引入隴南西站，連接天水和隴南兩個地級市，正線全長約為215 km，線路橋隧比大于70%。線路建成后將連接蘭渝、隴海兩大鐵路干線，向北則繼續(xù)連接寶中鐵路，進一步完善了隴東南的鐵路運輸體系，加快平慶地區(qū)的能源外運，有效帶動天水國際陸港建設(shè)，其地理位置如圖9所示。

圖9 天隴鐵路地理位置示意

4.2 主要技術(shù)標準的推薦意見

結(jié)合天隴鐵路的工程資料，利用案例庫進行相似方案的查詢及相似度計算，計算內(nèi)容見3.2小節(jié)，根據(jù)相似案例查詢結(jié)果及最相似案例的屬性和設(shè)計經(jīng)驗，初步選定天隴鐵路主要技術(shù)標準方案如表3所示。

表3 主要技術(shù)標準推薦方案

根據(jù)路網(wǎng)協(xié)調(diào)性原則，為便于運輸組織、養(yǎng)護維修和提高效率，對于上述已初步確定的主要技術(shù)標準，還需對部分重要項進行深層次修改。將其與鄰線的技術(shù)標準進行比較分析，并在結(jié)合工程實際資料的基礎(chǔ)上進行細節(jié)檢查與修改。選取的屬性單元主要有限制坡度、貨物列車長度和最小曲線半徑。如進一步分析提取限制坡度的影響因素，按圖10所示內(nèi)容劃分為元素。

圖10 元素層次劃分

根據(jù)限制坡度的元素劃分，利用既有案例與新項目屬性資料，并結(jié)合式(6)計算限制坡度的屬性元素相似度，過程及結(jié)果如下。

限制坡度相似度的計算結(jié)果為Sxp=0.87，大于相似度閾值，則無需修改擬定值。若計算結(jié)果不滿足閾值要求，需結(jié)合新線資料進行合理修正。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)線路工程方案的影響因素、設(shè)計方法都具有相似的共性特征，提出了基于多維空間相似理論的鐵路主要技術(shù)標準設(shè)計方法，通過利用既有案例及設(shè)計經(jīng)驗來輔助新項目的設(shè)計。

(2)分析既有工程設(shè)計案例，提取出了鐵路主要技術(shù)標準的影響因素并劃分為各類屬性單元，構(gòu)建了方案設(shè)計的多維空間相似決策模型，以及設(shè)計案例的入庫規(guī)則和方案的相似度算法，二次開發(fā)了基于GIS的線路主要技術(shù)標準案例庫。

(3)GIS強大的數(shù)據(jù)存儲管理和空間分析功能，能夠?qū)Ａ康木€路案例進行管理，可將定性數(shù)據(jù)定量化，提高了數(shù)據(jù)挖掘的深度，有利于找到影響因素與主要技術(shù)標準之間的內(nèi)在關(guān)系。對天隴鐵路的研究結(jié)果表明，該方法能夠較好利用既有案例經(jīng)驗和沿線的多源地理信息，有助于提高線路技術(shù)標準方案設(shè)計的質(zhì)量。

(4)通過構(gòu)建相似決策模型和收集既有線路案例來輔助新項目設(shè)計，相似模型中屬性單元選取及其權(quán)重計算的科學性都決定著設(shè)計質(zhì)量，但該方法是對線路方案智能化設(shè)計的初步探索，在屬性單元選取、權(quán)重計算考慮還不夠全面，今后需進一步完善。