基于物元模型的鐵路樞紐規(guī)劃評價方法研究

常 湃，何世偉，孫 楊

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

0 引言

為有效推進(jìn)鐵路跨越式發(fā)展思路的貫徹落實，2004年鐵道部決定安排全路50個鐵路樞紐總圖規(guī)劃。不同的規(guī)劃方案對樞紐所在地區(qū)社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的影響各不相同，為了對這些影響進(jìn)行分析，從而為決策者提供依據(jù)，需要對規(guī)劃方案進(jìn)行科學(xué)、合理的評價。

國內(nèi)外學(xué)者在樞紐規(guī)劃及評價領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[1]考慮了樞紐內(nèi)擁擠費(fèi)用的因素，給出了貨物運(yùn)輸?shù)臉屑~選址模型；文獻(xiàn)[2]將樞紐選址模型進(jìn)行了分類，探討了樞紐選址方案的比選，并論述了樞紐選址研究的趨勢；文獻(xiàn)[3-5]分別應(yīng)用模糊綜合法、層次分析法和多層次灰色關(guān)聯(lián)法研究了高速鐵路、客運(yùn)專線引入鐵路樞紐銜接方案綜合評價問題；文獻(xiàn)[6]研究了鐵路客運(yùn)站布局方案的比選。既有研究多關(guān)注于樞紐規(guī)劃的某一側(cè)面，而就鐵路樞紐規(guī)劃方案的整體而言，需要一個完善、科學(xué)、綜合的評價指標(biāo)體系和評價方法。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，研究鐵路樞紐規(guī)劃方案的綜合評價。通過提出一個綜合評價指標(biāo)體系，以及將物元模型引入到評價過程中，以期使評價結(jié)果更加合理、可靠。

1 鐵路樞紐規(guī)劃方案綜合評價指標(biāo)體系

1.1 評價影響因素

鐵路樞紐是鐵路網(wǎng)的重要組成部分，是客、貨流的集散點，除了辦理各類車站的作業(yè)外，還擔(dān)負(fù)著樞紐各銜接方向間車流轉(zhuǎn)線、樞紐內(nèi)小運(yùn)轉(zhuǎn)列車的交流等其他任務(wù)。因此，鐵路樞紐規(guī)劃方案的評價有多方面的影響因素，包括能力、效益、經(jīng)濟(jì)、社會環(huán)境等。其中：能力因素包括客運(yùn)、貨運(yùn)、解編、機(jī)務(wù)等系統(tǒng)和樞紐內(nèi)線路通過能力5個方面；效益因素包括固定的作業(yè)設(shè)備設(shè)施與作業(yè)方法配合的效率和樞紐能力負(fù)荷的合理性等；經(jīng)濟(jì)因素包括樞紐建設(shè)投資和日常運(yùn)營費(fèi)用，以及樞紐的建設(shè)對于樞紐所在地區(qū)經(jīng)濟(jì)的帶動作用；社會環(huán)境因素包括樞紐建設(shè)規(guī)劃與城市規(guī)劃的協(xié)調(diào)性，鐵路樞紐與城市其他各種交通方式的協(xié)調(diào)程度，以及樞紐建設(shè)對環(huán)境的影響。

1.2 綜合評價指標(biāo)體系

根據(jù)1.1節(jié)所述各方面影響因素，對每個影響因素進(jìn)行細(xì)分，提出鐵路樞紐規(guī)劃方案的綜合評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

2 物元模型

物元模型[7]可以把評價中的定性因素與定量因素結(jié)合起來研究，通過計算各指標(biāo)與相應(yīng)評價等級的關(guān)聯(lián)度對不同方案進(jìn)行評價。與其他常用的綜合評價法，如灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊評價法等相比，物元模型的一個顯著的不同之處在于不需要對原始指標(biāo)值進(jìn)行無量綱化計算以轉(zhuǎn)化到[0，1]區(qū)間，從而保持了指標(biāo)信息的完整性[8,9]。

物元模型的計算過程主要包括4個步驟：確定待評物元；確定經(jīng)典域物元矩陣和節(jié)域物元矩陣；確定各指標(biāo)權(quán)重；確定關(guān)聯(lián)度函數(shù)和評價等級。下面對這4個步驟進(jìn)行簡要描述。

2.1 確定待評物元

物元是由所描述的事物(即相當(dāng)于待評價的規(guī)劃方案)N，事物的特征(評價指標(biāo))C，以及特征的量值(指標(biāo)值)X組成的一個三元組，記為R=(N，C，X)。如果事物有n個特征，記為C1，C2，… ，Cn，其對應(yīng)的量值記為X1，X2，… ，Xn，則稱事物為n維物元，其物元矩陣為：

2.2 確定經(jīng)典域物元矩陣和節(jié)域物元矩陣

物元矩陣按照各特征值的一般量值范圍和最高允許量值范圍分為經(jīng)典域物元矩陣和節(jié)域物元矩陣。將標(biāo)準(zhǔn)事物記為Nj，Nj的特征Ci的量值范圍為Xji=＜aji，bji＞，稱為經(jīng)典域，則經(jīng)典域物元矩陣Rj。記P表示待評物元特征量值的全體，Xpi=＜api,bpi＞為P關(guān)于特征Ci所取的量值范圍，稱為節(jié)域，則節(jié)域物元矩陣為Rp。Rj、Rp表達(dá)式分別為：

圖1 鐵路樞紐規(guī)劃方案的綜合評價指標(biāo)體系

2.3 確定各特征的權(quán)重

由于各特征對于待評物元的影響程度不同，因此需要根據(jù)其相對重要程度分別賦予不同的權(quán)重。計算權(quán)重的方法可以采用層次分析法、信息熵法等，在此不作詳細(xì)介紹。

2.4 確定關(guān)聯(lián)度函數(shù)和評價等級

在物元評價中，關(guān)聯(lián)度表示物元的量值取為實軸上一點X時，物元符合要求的取值范圍的程度。根據(jù)可拓集合論和具體條件建立如下關(guān)聯(lián)度計算公式。

根據(jù)區(qū)間模的計算公式，得到＜aji,bji＞的模為：

根據(jù)點到區(qū)間的距離公式，得到某點Xi到Xji和Xpi的距離分別為：

則各特征指標(biāo)屬于各評價等級的關(guān)聯(lián)度為：

式中：Kj(Xi) 為第i項特征值屬于第j級的關(guān)聯(lián)度。

根據(jù)式⑺計算各特征指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度后，將其與特征指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重相乘得到各特征指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度，即可確定待評物元屬于各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度：

式中：Kj(N0)為待評物元N0關(guān)于j等級的綜合關(guān)聯(lián)度；wi為第i項特征指標(biāo)的權(quán)重。

關(guān)聯(lián)度Kj(N0)數(shù)值的大小表示待評物元符合標(biāo)準(zhǔn)等級的隸屬程度，其值越大，表明符合程度越高；當(dāng)Kj(N0)＜-1時，表示待評物元不符合標(biāo)準(zhǔn)等級的要求，且不具備轉(zhuǎn)化為符合該標(biāo)準(zhǔn)等級的條件，其數(shù)值越小，距離該標(biāo)準(zhǔn)等級越遠(yuǎn)；當(dāng)-1≤Kj(N0)＜0時，表示待評物元不符合標(biāo)準(zhǔn)等級的要求，但具備轉(zhuǎn)化為符合該標(biāo)準(zhǔn)等級的條件，其數(shù)值越大，越容易向該標(biāo)準(zhǔn)等級轉(zhuǎn)化；當(dāng)0≤Kj(N0)≤1時，表示待評物元符合標(biāo)準(zhǔn)等級的程度；當(dāng)Kj(N0)＞1時，表示待評物元超過了該標(biāo)準(zhǔn)等級的上限，且其數(shù)值越大，待評物元的開發(fā)潛力越大。

從物元評價方法的評價過程分析，當(dāng)評價指標(biāo)中定量指標(biāo)很多時，因為沒有無量綱化處理的過程，所以相對于灰色關(guān)聯(lián)度等方法而言，物元評價方法能夠避免評價信息的損失，從而使得評價結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3 實例分析

以天津樞紐總圖規(guī)劃中天津西站貨運(yùn)車場改建及相關(guān)車流運(yùn)輸組織方案的評價為例，檢驗物元模型在鐵路樞紐規(guī)劃方案評價中的應(yīng)用情況。

3.1 實例說明

在天津樞紐總圖規(guī)劃中，天津西站貨運(yùn)車場改建及相關(guān)車流運(yùn)輸組織有3個規(guī)劃方案。方案1：將陳塘支線車流技術(shù)作業(yè)地點由天津西站改在南倉編組站下行系統(tǒng)，南倉站與陳塘支線互編摘掛小運(yùn)轉(zhuǎn)列車取送。方案2：切斷陳塘支線與天津西站的連接，這部分車流技術(shù)作業(yè)改在周李莊站進(jìn)行，利用既有周李莊站交接場進(jìn)行技術(shù)作業(yè)。方案3：保留陳塘支線，開通周蘆線。

結(jié)合天津樞紐基本情況和平面布置圖，這3個方案的主要不同之處在于在通過能力、貨運(yùn)解編系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、車輛走行公里、與城市規(guī)劃協(xié)調(diào)性、對地方經(jīng)濟(jì)帶動作用、工程投資等方面。表1給出了3個方案各相關(guān)指標(biāo)的對比分析。

表1 各方案指標(biāo)的比較分析

根據(jù)對方案的比較分析，咨詢專家對難以量化分析的指標(biāo)進(jìn)行打分 (分值范圍：1～9分，1分為最差，9分為最優(yōu))，再結(jié)合可以量化的指標(biāo)得到指標(biāo)初始數(shù)據(jù)值，如表2所示。

表2 各方案指標(biāo)的初始數(shù)據(jù)

3.2 物元模型評價的過程

3.2.1 物元矩陣

以NA、NB、NC分別代表3個規(guī)劃方案，C1～C6分別代表通過能力、貨運(yùn)解編系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、車輛走行消耗、與城市規(guī)劃協(xié)調(diào)性、對地方經(jīng)濟(jì)帶動作用、工程投資6個評價指標(biāo)。根據(jù)式⑴得到3個方案的物元評價矩陣如下：

3.2.2 經(jīng)典域物元矩陣和節(jié)域物元矩陣

根據(jù)式⑵、式⑶，將各個評價指標(biāo)分為5個等級，得到每一等級的經(jīng)典域物元矩陣，以及節(jié)域物元矩陣，具體如下：

3.2.3 確定各指標(biāo)的權(quán)重

使用層次分析法計算各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表3所示。

3.2.4 確定關(guān)聯(lián)度函數(shù)和評價等級

表3 各指標(biāo)權(quán)重值

根據(jù)式⑷～式⑻計算各方案中評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表 4～表 6 所示。

綜合比較，方案 1 與 5 級的關(guān)聯(lián)度最大，方案 2與1級的關(guān)聯(lián)度最大，方案 3 與 4 級的關(guān)聯(lián)度最大，因此，由物元模型得到的評價結(jié)果是：方案 1 最優(yōu)，方案3次之，方案 2 最劣。

表4 方案1中各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

表5 方案2中各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

表6 方案3中各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

4 結(jié)束語

由于鐵路樞紐的重要地位，鐵路樞紐評價具有重要的現(xiàn)實意義。規(guī)劃方案的評價涉及了多方面因素，相應(yīng)的評價指標(biāo)體系也由多個部分組成。本文提出了一個包括樞紐能力、樞紐內(nèi)部效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會環(huán)境效益等方面的綜合評價指標(biāo)體系，建立了基于物元分析法的綜合評價模型。結(jié)合天津樞紐總圖規(guī)劃的實例進(jìn)行了評價，評價結(jié)果表明了模型的有效性和可用性。

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