铁路枢纽解编系统布局规划评价研究

施福根，陈 韬 ，邓波尔 ，刘 宇

SHI Fugen1, CHEN Tao2,3,4, Deng Bo’er2,3,4, LIU Yu2,3,4

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 线路站场设计研究处，湖北 武汉 430063；2.西南交通大学交通运输与物流学院，四川 成都 610031；3.西南交通大学 全国铁路列车运行图编制研发培训中心，四川 成都 610031；4.西南交通大学 综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室，四川 成都 610031)

解编系统作为铁路枢纽中一个重要的组成子系统，其布局规划不仅关系到整个铁路路网的运输效率，而且对铁路枢纽所在地区的资源利用、城市发展都具有重要影响。因此，在规划建设前期，事先对解编系统布局规划备选方案进行评价，选取合理的方案。目前，铁路枢纽解编系统布局规划评价研究，殷勇等[1]从空间分布等方面提出多个指标进行评价，高宇虹[2]从运营效率等方面采用DEA 方法进行评价，何志工[3]，雷中林[4]提出一个较为全面的铁路枢纽总图规划方案评价指标体系，李莎等[5]，赵海宽[6]从车流组织、运力资源优化配置角度探讨编组站布局规划。这些研究考虑铁路枢纽内解编系统布局规划与客货运系统间相互影响较少，指标可行性的实证研究不足。因此，在分析铁路枢纽解编系统布局规划评价原则的基础上，从枢纽宏观、系统中观、车站微观3 个层次构建一套枢纽解编系统布局规划评价指标体系，运用改进层次分析法构建评价模型，以合肥枢纽解编系统布局规划方案为例进行评价验证，为铁路枢纽解编系统布局规划提供研究依据。

1 铁路枢纽解编系统布局规划评价指标体系构建

1.1 布局规划原则

由于铁路枢纽解编系统的评价涉及经济、环境、效益及效率等诸多方面。为了全面、准确地选取评价指标，通过分析解编系统的构成和功能，结合与所在铁路枢纽及城市间的交互关系，将铁路枢纽解编系统布局规划分为枢纽宏观层、系统中观层和车站微观层3 个层次。

（1）枢纽宏观层。确定解编系统各站点在铁路枢纽中的选址和规模，要求系统总体布局及规模应与铁路路网发展、枢纽所在城市规划及物流需求相适应。①符合铁路路网中长期规划原则，要求解编系统等级、规模、地位应与铁路路网规划相适应，不能超前或滞后；②适应城市总体规划原则，解编系统的选址及建设面积应符合城市用地规划的标准并减少对城市交通的阻碍干扰；③保证解编系统工程总投资、环保的可行性。

（2）系统中观层。主要反映铁路枢纽内解编系统与货运系统、客运系统、铁路线路之间的能力协调及作业冲突关系，以及解编系统内各站点的分工协调关系。①铁路枢纽内解编系统与路网线路通道的连通性原则，保证两者间有顺畅的联络线衔接及通道能力的协调；②铁路枢纽内解编系统作业能力与货运系统需求匹配原则，解编系统解编能力应大于货运系统各站集疏货运量且两者间应有顺畅联络线衔接；③铁路枢纽内解编系统与客运系统作业相协调原则，解编系统与客运系统与相互独立，符合“客内货外”的布局要求，保证两者间作业干扰性少。

（3）车站微观层。单独考察编组站在发展空间、车流折角率等方面的情况，满足车流组织的需求，保障合理的作业效率与发展性原则，编组站布局应有利于减少折角车流，保证空间发展余地。

1.2 评价指标体系构建

根据上述解编系统的规划原则，按照宏观、中观、微观3 个层面提出铁路枢纽解编系统布局规划评价指标体系。铁路枢纽解编系统布局规划评价指标体系如表1 所示。

表1 铁路枢纽解编系统布局规划评价指标体系Tab.1 Layout planning evaluation index system of railway hub decoupling system

表2 宏观层指标计算Tab.2 Indicators calculation of macro level

1.2.1 宏观层次指标

（1）解编需求与能力匹配度。铁路枢纽解编需求包括内近远期地方运量与通过运量中有调车运量数的总和，该需求量需要与解编系统的能力相匹配才能使货物运输组织有序进行，该指标采用枢纽近远期解编需求量与枢纽中所有编组站解编能力总和的比值表示，一般该比值为85%时为最优匹配。

（2）解编系统规模等级标准匹配度。若计划建设或改造的编组站符合路网建设规划规定的等级标准，指标值计为1，否则为0。

（3）解编系统与城市用地规划契合度。解编系统的选址应符合城市用地规划的标准，其选址区域应最大程度地与城市用地规划中划分成城市物流规划用地的区域相重合。该指标用实际用地与城市铁路物流规划用地的重合面积与计划建设用地面积的比值表示，指标数值越接近1，则工程的可实施性越强。

（4）解编系统对城市交通干扰度。编组站的设置应尽量减少对所在城市的公路交通干扰和阻碍，可以用编组站线路与所在城市内各主要道路的交叉口平均数量来衡量，该指标越小越好。

（5）解编系统工程投资可行性。工程投资一般包括征地拆迁、石方开挖、桥涵及轨道施工等工程投资，该指标用工程预算投资与主管部门计划投资总额之比表示，在同等规模下，该比值越小越好。

（6）解编系统城市环境可行性。由于编组站在作业过程中会产生较大的噪声、扬尘等污染，通常情况下，编组站应远离城市住宅区及城市风景保护区域。通过查阅资料，规定距离编组站50 m 范围内建筑物会受到噪声影响，距离编组站1 000 m 范围内的风景保护区会受到影响。

宏观层规划目标是将解编系统内线路、车站等设施设备能力与城市规划需求密切配合，实现编组作业效益最大化。因此，考虑解编系统能力供给与城市发展需求间的匹配性指标成为宏观层核心指标。宏观层指标计算如表2 所示。

1.2.2 中观层次指标

（1）解编系统与枢纽内干线连通线路数量。解编系统与枢纽干线的连通程度将直接影响运输效率，该指标采用解编系统中编组站与枢纽内各干线之间连通线路的数量之和的平均值来衡量。

（2）解编系统与枢纽内衔接区间线路能力匹配度。各编组站的接发车通过能力应稍大于所衔接的区间线路通过能力之和，这样点线能力在高峰期不易拥堵。一般认为比值为85%为最优匹配。

（3）解编系统与货运系统能力匹配度。该指标反映了枢纽内解编系统解编能力与货运系统的装卸能力的协调性，该指标用各货运站年度设计装卸车辆总数和解编系统年度设计解编货车车辆总数之比来计算。

（4）解编系统是否符合“客内货外”原则。整个解编系统应符合“客内货外”原则，采用枢纽内编组站与城市中心距离和该枢纽内客运站与城市中心距离的最大值进行比较来反映，最后的指标结果为0-1 变量，0 表示该选址不符合“客内货外”原则，1 则表示符合。

（5）解编系统对客运系统干扰度。枢纽内解编系统对客运系统作业的干扰性，采用编组站车流走行进路与客运系统车流走行进路的冲突数来表示。

中观层指标计算如表3 所示。中观层规划目标主要体现了解编系统与铁路枢纽中其他系统间的能力匹配关系，因而考虑解编系统与货运系统及客运系统间关系的指标成为中观层核心指标。

1.2.3 微观层次指标

（1）枢纽内编组系统折角车流率。解编系统的选址和建设方案将会直接影响折角车流量，采用编组站折角车流量与总车流量比值表示。

（2）编组系统发展空间指数。解编系统的规划建设应预留足够用地以保证当货运量需求发生变化时，解编系统向外扩展建设的可能性，采用解编站可向外扩展的面积与该站实际占地面积的比值表示。

微观层指标计算如表4 所示。

2 铁路枢纽解编系统综合评价模型及算法

评价指标体系中的指标只能反映规划方案某一方面的优劣，对规划方案进行综合评价，需要将不同规划方案的评价结果采用同一个标准尺度来衡量。因此，采用改进层次分析法对上述指标进行综合量化评价。该评价方法的关键在于指标层面的参考系构建及指标权重的确定，具体的评价流程包括指标预处理、权重确定和评价模型建立3 个步骤[7]。

表3 中观层指标计算Tab.3 Indicators calculation of mesoscopic level

2.1 指标预处理

在综合评价中，设解编系统中被评价对象的数量为m个，评价指标的数量为n个，对应的原始指标矩阵为E= (eij)m×n，i= 1，2，…，m；j= 1，2，…，n，其中eij表示第i个评价对象的第j个指标的计算数值。

表4 微观层指标计算Tab.4 Indicators calculation of micro level

（1）指标分类。由表1 可知，指标有极大型、极小型、中间型和0-1 型。极大型指标数值越大越好；极小型指标数值越小越好；中间型指标应控制在一个合理数值范围内；0-1 型指标数值为0 或1共2 种情况。

（2）指标转化。为了适应进行统一评价的要求，需要将指标进行一致化转换，设为eij的指标转化数值。极大型指标不做处理，则x'ij=eij；极小型指标，通过公式将其转换为极大型指标。

（3）指标标准化。利用列和等于1 的归一化方法，通过公式进行标准化处理，xij代表第i个评价方案中第j个评价指标预处理后的指标数值。由此，可以得到指标预处理后的指标矩阵X= (xij)m×n。

2.2 指标权重确定

运用层次分析法(AHP)确定指标权重向量，分为以下3 个步骤。

（1）构造评价体系的判断矩阵。判断矩阵是表示本层所有因素针对上一层某个因素的相对重要性比较。构造具体方法是每一个具有向下隶属关系的元素作为判断矩阵的第一个元素，隶属于它的各个元素依次排列在其后的第1行和第1 列。通常采用的填写判断矩阵的方法是专家打分法，对重要性程度排序赋值，通过对指标间的重要性进行比较，得到判断矩阵元素apq(p，q分别为判断矩阵的行、列索引），由此，可以得到判断矩阵A= (apq)n×n。

（2）计算权向量。得到判断矩阵后，进行层次排序从而计算得到权重向量。对判断矩阵A 的每列进行归一化处理，得到归一化矩阵B= (bpq)n×n，其中将特征向量归一化可以求解得到第j个指标的权重大小指标权重向量为W(w1，w2，…，wn)。

（3）一致性检验。计算矩阵A的最大特征值再计算一致性指标C.I. =(λmax-n) /n- 1 及一致性比率C.R. =C.I. /R.I.，R.I为低阶平均随机一致性指标。当C. R.≤0.1 时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的；C. R.≥0.1时，认为判断矩阵不符合一致性要求，需要对该判断矩阵进行重新修正。

表5 指标最优值计算公式及评分公式表Tab.5 Calculation formula and scoring formula table of index optimal value

2.3 评价模型建立

（1）确定指标最优值。按照指标类型划分，第j个指标在其对应指标范围中最优值为yj，根据最优值可以对各项指标进行优劣的判断，得到第i个评价对象的第j个指标地评分Zij。指标最优值计算公式及评分公式表如表5 所示。

（2）计算单项指标评分。根据指标范围xij∈[minxij，maxxij]，i= 1，2，…，m与指标最优值yj，分类型确定各指标的评分公式，确定单项指标评分zij，设定评分下限为50 分，上限为100 分，其计算公式见表5。

（3）确定指标权重向量。对系统指标权重进行确定，指标最后的权重向量为W(w1，w2，…，wn)。

（4）计算方案加权得分。根据单项指标评分zij与单项指标权重wj，运用以下公式计算加权得分Zi=zij×wj，j= 1，2，…，n。第i个方案的加权得分Zi即为系统评价的最终得分，并参照评价等级分数划分表进行等级判定。评价等级分数划分表如表6 所示。

表6 评价等级分数划分表Tab.6 Grading table of evaluation grades

3 案例分析

合肥作为长三角城市群副中心城市，现代制造业基地和综合交通枢纽。 2019 年合肥市第一、第二产业占比为39.4%，制造业占比较高，对铁路运输的需求量较大。枢纽内编组站为合肥东站，承担着合肥铁路枢纽内所有列车解编作业。以合肥枢纽解编系统布局为例进行规划评价，基础数据基准年度为2020 年。

3.1 合肥铁路枢纽解编系统布局规划评价

在合肥枢纽案例分析中，选取枢纽中惟一的编组站合肥东站作为评价对象，通过分析合肥枢纽总图规划相关文件，得到计算各项指标的基础数据，根据指标公式分别计算宏观、中观、微观指标，并基于提出的评价模型及算法，确定解编系统的最终评价得分及等级。

合肥铁路枢纽解编系统布局规划评价计算过程如下。①明确指标范围。根据各个指标的定义描述分析指标类型，可以确定其定量计算的数值范围及最优值。②计算指标值。由于指标类型的不同，根据表5 可计算极大型、极小型、中间型和0-1型指标的最优值，再基于各个指标的类型、范围、最优值按表5 中的指标评分公式计算得到单项指标的个体指数。③量化指标权重。通过向专家发放问卷的方式得到指标重要性程度排序，运用层次分析法计算指标权重。④确定综合指数。在得到指标个体指数和指标权重后，两者相乘得到综合指数。⑤综合评价。解编系统的综合评分为各项指标综合指数之和，参照评价等级分数划分表进行等级判定。合肥铁路枢纽解编系统布局规划评价总表如表7 所示。

表7 合肥铁路枢纽解编系统布局规划评价总表Tab.7 Summary table of layout planning and evaluation of Hefei Railway Hub decoupling system

3.2 评价结果分析

（1）评价指标体系指标权重。在13 项指标中，铁路枢纽解编需求量与系统解编能力匹配度、系统规模等级是否符合路网规划、与城市用地规划的契合度及符合“客内货外”原则所占权重大。因此，铁路枢纽解编系统布局规划评价中宏观层面指标影响较大，在规划布局过程中应满足宏观层指标需求。

（2）合肥铁路枢纽综合指数。合肥铁路枢纽解编系统中，得分靠后的是与枢纽中干线连通线路的数量、对客运系统的影响程度和枢纽内编组系统折角车流率。可知枢纽内解编系统与外部系统连通性不足，内部车流流通性较差，综合运输配套能力需要加强。

（3）综合评价结果。合肥铁路枢纽内解编系统目前的解编能力足够满足运输需求，规模适应整体路网规划，而且其选址合理，符合“客内货外”发展原则，对既有城市环境的影响较小，枢纽内折角车流率较低等，综合评分等级为A，合肥枢纽解编系统布局规划总体较好。

4 结束语

通过对铁路枢纽解编系统规划进行评价研究，构建了较为科学合理的解编系统规划评价指标体系，初步实现了铁路枢纽解编系统布局规划方案的定量化评价。由于解编系统指标权重的获取主要依靠专家经验打分得到判断矩阵，结果带有一定的主观性，还应结合现场运营实际和经验，不断调整判断矩阵，深化评价模型的客观性，进一步对铁路枢纽解编系统布局规划评价进行信息系统的设计研究，实现评价的可视化、信息化分析，提高铁路枢纽解编系统评价的准确性。