基于TOPSIS的高原山區鐵路區間渡線設置決策研究

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

高原山區鐵路沿線自然環境十分復雜，具有高烈度地震、高地應力、高地溫及強烈發育多樣化地質災害、強烈發育活動斷裂的特征[1-2]，因此，高原山區鐵路工程方案設置與一般高速鐵路、客貨共線鐵路具有很大差異。區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，尤其對于高原山區鐵路復雜地形、地質條件下可能發生災害事故的應急救援、多種速度等級列車的靈活運輸組織、長大站間距的區間能力提升，區間設置渡線的作用更將凸顯。但設置區間渡線會相應增加工程投資、運營維護工作量等，因此，某高原山區鐵路渡線設置需進行綜合研判決策。

目前，國內外學者對于高鐵設置渡線后所帶來的效用以及應如何設置等方面已開展了大量研究，但某高原山區鐵路因其復雜的自然地理環境、運輸組織特征，較少有對其是否設置區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個影響區間渡線設置的重要因素，將其賦權量化后，合并計算進行綜合研判，為某高原山區鐵路區間渡線設置提供參考。

2 國內外高鐵渡線設置現狀

2.1 國外高鐵渡線設置現狀

目前，國外高速鐵路區間渡線設置分為2種情況。一種是不設置區間渡線，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，天窗點內上、下行同時作業，維修機械避免轉線作業；(3)日本高鐵屬于網運合一的體制，區間設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，但設置了密度很高的區間渡線；法國高速客運專線在區間內每隔20～25 km鋪設雙向渡線。歐洲國家設置區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)歐洲國家高鐵網運分離，如由于線路故障原因導致列車晚點或停運，運營公司將向路網公司索賠，為保證線路的順暢運行，普遍在區間增設渡線[3-5]。

綜上分析，國外高速鐵路區間是否設置區間渡線，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 國內高鐵渡線設置現狀

目前，我國高鐵區間并不設置區間渡線。正線間渡線往往與車站合設，便于集中管理和維護。車站兩端渡線主要用于列車的始發終到和立折，維修列車的出入段和轉線，以及緊急情況下列車的轉線和越行[6-7]。

總體而言，無始發車時，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，我國高鐵通常不設置區間渡線[8]。

3 高原山區鐵路設置區間渡線的現實意義

(1)某高原山區鐵路工程地質條件復雜，橋隧比達94%，且沿線多數地區為無人區，救援力量薄弱，自然災害和極端對抗條件下，發生故障風險較高，發生事故長時間被困隧道內易造成乘客恐慌、情緒緊張，故救援時間應越短越好，因此，在隧道內設置區間渡線后，能夠利用區間渡線組織事故區間內反向行車，便于搶險救援和疏散人群，加快搶修速度[9]。

以BM至TM區間為例，站間距57 km，假設事故地點發生在BM至TM區間的2/3處，即距離BM車站38 km處。如圖1所示。

圖1 BM至TM區間假設事故點關系(單位：km)

若不設置渡線，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救援列車接到調度命令后，沿上行線經過區間渡線行至事故點。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過渡線后，維修列車經過渡線至事故發生點進行線路維修等工作。時間為14 min。

③結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，若設置渡線，列車救援和線路搶修時間可節省53 min。

(2)某高原山區鐵路為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，運輸組織復雜，渡線可使上下行線路在區間具備連通、列車轉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護作業時，軌道車輛可利用渡線跨線作業，提高養護維修效率，提升作業的便利性。

假設BM至TM區間，A點和B點需進行線路維修，A點位于區間1/3處，即距BM站為19 km，B點位于區間的2/3處，即距離BM站為38 km。如圖2所示。

圖2 BM至TM區間假設維修點關系(單位：km)

若不設置渡線，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。

若在區間1/2距離處設置八字渡線，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，若設置渡線，維修列車可節省時間71 min。

4 高原山區鐵路區間渡線設置決策指標體系

4.1 區間渡線設置影響因素

某高原山區鐵路區間渡線設置影響因素眾多，在參考國內外鐵路設置區間渡線所考慮有關因素基礎上[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置區間渡線產生正向影響。如區間渡線間距過小，則設置區間渡線無法發揮應有的作用，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置區間渡線產生負向影響[11]。線路越繁忙，行車密度越高，非正常運輸組織難度就越大，區間渡線較難在運行調整中發揮作用。

(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置區間渡線產生正向影響。事故發生后，搶險維修車輛可利用區間渡線組織與事故車輛同向的列車轉線至臨線[12]。同時，在事故車輛所在線路因搶修無法通行時，可利用區間渡線，組織列車進行反向行車，保證區間的通過能力。

(4)綜合維修便利性：綜合維修便利性的提高會對設置區間渡線產生正向影響。在長大隧道內設置區間渡線之后，可更為靈活的設置“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置區間渡線產生負向影響[13]。設置區間渡線，需對于隧道縱斷面進行調整，增加部分大跨斷面，并需增加信號、通信、電力等相關設施設備，會增加不少前期投入成本。

(6)養護維修工作量：養護維修工作量增加會對設置區間渡線帶來負向影響[14]。區間渡線需獨立設置信號聯鎖設備，增加日常維護。根據蘭州局寶蘭客專和廣鐵集團黔張常鐵路等進行調研，隧道內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護維修工作量根據經驗值確定。

4.2 區間渡線設置決策指標權重

根據某高原山區鐵路環境復雜的特點，將事故搶險時效性、養護維護工作量賦予最大權重，將綜合維修便利性、工程投資兩項指標賦予次級權重，行車密度、車站間距二項指標賦予最小的權重。權重參考相關文獻[15-18]和專家問詢后設定為事故搶險時效、養護維護工作量為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 區間渡線設置綜合決策模型

為綜合考察上述正負指標的綜合影響大小，合理決策區間渡線設置，采用TOPSIS方法對某高原山區鐵路區間渡線設置決策指標進行綜合度量， TOPSIS方法又稱為優劣解法[19]，是一種常用的綜合評價方法[20-21]，其計算流程如下。

(1)設定初始評判矩陣：設對象集為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)標準決策矩陣加權化：將矩陣B與指標權重W=(w1，w2，…，wn)相乘，得到加權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 區間渡線設置決策方案

5.1 決策基礎

以某高原山區鐵路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置亦可不設置區間渡線的鐵路區間，即臨界區間作為對照區間。TQ至DYX站間距為29 km，該區段以明線路基為主；KD至CD站站間距為55 km，該區段為合修的長大隧道；TM至BM站站間距為57 km，該區段內為分修的長大隧道。各區間行車對數采用近期運量，工程投資分別采用路基上增加渡線、合修隧道增設渡線及分修隧道增設渡線投資，事故搶險救援時效性、綜合維修便利性根據站間距不同進行計算取得，養護維護工作量根據渡線處于不同工況環境設定[20-23]。

表1 選取區間各指標的模擬設定數據

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節中所分析的權重W=(0.1，0.1，0.25，0.15，0.15，0.25)進行計算，結果如表2所示。

表2 各區間段貼近度取值

5.3 決策結果

在上述擬定的指標權重下，計算得出：KD至CD段貼近度取值大于參考路段，該區段理論上設置渡線綜合效益較高，主要原因為雙線合修隧道，設置渡線投資較小；TM至BM段貼近度取值小于參考路段，理論上設置渡線綜合效益不高，主要原因為分修隧道，設置渡線工程投資及養護維修工作量增加較大；TQ至DYX段屬于常規站間距區段，設置渡線，搶救時效與綜合維修便利性較參考路段增加不大，但工程投資和養護工作量增加較大，因此，取值稍小于參照路段，設置渡線綜合效益不高。

基于上述計算結果，對某高原山區鐵路區間進行渡線設置時提出如下建議。

(1)對于某高原山區鐵路這類地質條件惡劣，線路橋隧比重很大的線路，站間距較大，且區間以合修隧道為主時，盡量設置區間渡線，以便弱化火災、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段，設置渡線會帶來較大的工程投資，是否設置還需結合其他因素綜合判斷。

(2)對于站間距在20 km左右的路基段，區間渡線設置會增加大量的前期工程投入及后期運營維護，應謹慎設置區間渡線。

6 結論

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

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據為例進行實例研究，結果表明：位于長大合修隧道區間的KD至CD段，設置區間渡線綜合效益較好。