基于灰色系统理论的大型枢纽铺架基地规划技术研究

王东振

(中铁十八局集团第四工程有限公司， 天津 300222)

针对依托重庆西站改造工程的铺架基地规划设计任务，就大型枢纽铺架基地的选址、规划与设计开展研究。由于本工程铺架工程数量大，且沿线多为低山丘陵区，地势起伏大，地形狭长，不宜布置大型枢纽站铺架基地。同时，该项目在前期受到征地拆迁困难、铁路关停时间延迟等因素影响，面临着施工工期紧张的严峻挑战。在此形势下，如何利用既有的重庆西编组站，合理规划设计铺架基地，以满足总体施工工期的要求，尽可能保证生产能力最大化、拆除量与生产成本的最小化，成为重庆西站改造工程面临的首要难题。

含铺架基地在内的大型基础设施的选址、规划、布置和设计，是国民经济发展与城市高效建设的关键性难题，已得到相关领域专家学者的广泛关注。刘翔翔等运用地理信息系统(geographic infor-mation system, GIS)技术对南京市区通信基站进行优化选址与布局，取得良好的效果[1]；孙冉等设计了设计狼群基因算法，优化某市急救中心的选址，并安排相应的急救车数量，提升了该市的医疗急救效率[2]；孙庆珍等综合考虑了需求、时效、成本等多个因素，建立了多目标加权决策算法，解决了城市应急设施优化选址问题[3]；此外，刘娟等[4]、朱娇娇等[5]、黄梓晴等[6]、谈益楠[7]、周洪超等[8]、孔飞飞等[9]、陈华群等[10]、生力军[11]、王章琼等[12]分别就新能源汽车电池回收网点、城市生活垃圾处理设施、农产品物流配送中心、电动汽车充电站等城市基础设施的规划、选址问题，提出了有效方法。然而，就大型铺架基地而言，目前针对铺架基地选址及布置方面的研究尚停留于定性分析研究阶段，缺乏科学的、定量化的选址及布置方法。同时，当前研究多集中于施工场地方面，对铺架基地方面的专题研究有限。只是提到了铺架基地选址及布置过程中需要注意的问题，尚无针对一体化选址布置方案优化评价的研究；此外，大量影响铺架基地规划布置的定性因素难以标准化、定量化，导致在这一问题上缺乏科学、合理的定量评价分析模型。综上所述，当前铺架基地规划与设计方面的研究尚不成熟，急需开展进一步研究。

本文创新性地将灰色系统理论应用于山区高速铁路铺架基地的设计与施工中，分别利用灰色模糊综合评判方法以及多目标加权灰靶决策方法，提出了铺架基地选址与规划方法。该方法可通过理论计算，为铺架基地的选址与规划提供科学与理论依据，最终得到合理使用的选址与规划方案，后续的建设与施工工作也证明了该方法科学有效。该方法可以为今后类似山区地形预制梁场和铺轨基地等大型临时建设工程提供参考，有力推动大型铺架基地选址与规划问题从经验依赖型向科学化的方向发展。

1 基于灰色系统理论的铺架基地选址规划方法体系

灰色系统理论经过30多年的发展，已被广泛应用于社会、经济、能源、交通、医学、地质、水利等多个领域，取得了良好的应用效果[13-21]。灰色系统理论认为，客观系统包含的数据庞大复杂，但必然蕴含某种内在规律。选择适当的方式去挖掘、利用与分析，可弱化灰色序列的随机性，显现其规律性。具体到本文的研究工作，采用灰色系统理论中的灰色模糊综合评判和多目标加权灰靶决策两种方法，分别解决重庆枢纽改造工程中铺架基地的选址和布置问题(图1)。

图1 技术路线

2 大型枢纽铺架基地选址

2.1 重庆西站改造工程概况

重庆西站位于重庆市沙坪坝区原重庆东站站址上，是集长途汽车、公交、轨道等多种交通方式于一体的综合交通枢纽。重庆西站总规模约为12×104m2，最高聚集人数可达15 000人，设渝昆场、渝黔场、渝长场，共15台31线(预留渝长场4台8线)，站前土石方360×104m3，铺轨25 km，铺道岔112组，接发车能力381对/d，建成后客流量每年可达4 218万人次。重庆西站平面布置如图2所示。

图2 重庆西站平面布置

2.2 铺架基地选址任务

铺架基地选址评价是一个多目标决策问题，其关键在于构建含多影响因素在内的指标评价体系，该体系的构建应遵循科学性、通用性、目的性及可操作性等基本原则，并尽可能地综合考虑各个影响因素[22]。为定量化衡量影响基地选址的复杂因素，本文采用灰色模糊综合评判法分析了多个选址影响因素的重要性，解决了铺架基地选址的问题。

2.3 基于灰色模糊综合评判方法

灰色模糊综合评判法包含4个主要步骤，分别为确定各权重指标、划分灰类、计算可能度函数及评价系数、计算灰色评价权矩阵。其计算流程如下[22]：

2.3.1 确定各指标权重

在灰色模糊综合评判法中，相对重要程度的判断是通过指标间的两两对比来确定的，所构建判断矩阵为[23-25]

(1)

式中，uij取值范围为[0.1, 0.9]，步长为0.1，表示指标Uj相对于指标Ui的重要程度,uij取值越高，则Uj相对于指标Ui越重要，且满足uii=0.5，uij+uji=1。

接着计算上述矩阵的最大特征根λmax与对应的特征向量(a1,a2,…,am)，ai作为因素ui的重要度系数，即指标权重值。

先根据各子因素集Ui所对应的各一级指标的重要程度确定其各自二级权重Ai为A=(ai1,ai2, …,aij)。进而估测各选址影响因素Ui(场地设施条件、工期计划、工程费用)的相对重要性。

2.3.2 确定灰类

2.3.3 确定可能度函数及评价系数

上述各灰类的可能度函数计算公式如下。

第1个灰类：

(2)

第k个灰类：

(3)

第h个灰类：

(4)

2.3.4 计算灰色评价权矩阵

(5)

为了较好地评价选址的满意程度，将评价灰类确定为5个等级V={很好，好，较好，较差，差}，并规定档次指标值v。

当8≤v≤10时，评价为很好；当6≤v<8时，评价为好；当4≤v<6时，评价为较好；当2≤v<4时，评价为较差；当0≤v<2时，评价为差。

2.4 铺架基地选址方案

铺架基地的首先首要任务即为确定各指标的权重。为此，通过专家打分的方法，得到各因素权重(表1)。随后，采用依据本文2.3节所述的流程计算得到了灰色评价权矩阵(表2)。

综合评判B=A×R，灰色综合评价值G=B×UT，G取值7.778，其计算结果见表3。根据综合评价值的取值范围(6≤v<8)可知，该铺架基地方案所选地理位置是好的。因此，本项目最终采纳了上述选址方案。

表1 指标权重

表2 灰色评价权矩阵

表3 模糊综合评价计算

3 大型枢纽铺架基地规划与布置

3.1 多目标加权灰靶决策方法

灰靶决策多用于解决生产过程中的评估类问题，其主要思想是对指标集进行测度变换得到统一量纲的欧式空间，即灰靶。然后计算灰靶中的所有决策点与靶心点间的靶心距，并据此确定排序[23-33]。

优化决策问题的四要素包括事件、对策、目标以及效果。将需要研究、解决的问题统称为事件，记为A={a1,a2,… ,an}。其中ai(i=1,2,3,…,n)为第i个事件。相应的所有可能的对策全体称为对策集，记为B={b1,b2,…,bm}。

多目标加权灰靶决策算法的执行步骤如下[34-38]。

1)根据事件集A和对策集B，构造决策方案集S=A×B

2)确定决策目标k=1,2,…,s及各目标的决策权η1,η2,…ηs。

3)构建目标k的效果样本矩阵。

(6)

4)设定目标效果临界值。

5)求效果测度矩阵:

(7)

(8)

7)确定最优对策bj0。

3.2 基于多目标加权灰靶决策的布置方案

施工场地平面布置的最终目的是使得场地平面布置系统总体效果最佳[36]。在进行多目标灰靶决策之前，结合工程实际情况提出了3种备选方案，采用本文3.1节所述步骤分别对其进行分析评价，计算得出得分最高且布置合理的方案。

在进行铺架基地的平面布置时，物流与非物流因素共同影响布置设计。其中，物流属于定量分析，各设施之间的相互关系用物流强度进行表示。而非物流属于定性分析，指的是施工区域间的相互关系密切程度[36]。根据各相关因素的影响，对两两作业单位间的关系划分为A、E、I、O、U 5个级别，依次表示其密切程度由高到低。此处所得的各作业单位间物流与非物流关系等级即为3.1节所述的效果测度矩阵Rk。

通过加权综合物流和非物流相互关系，可以得到区域之间的综合相互关系系数。取A=4、E=3、I=2、O=1、U=0。计物流/非物流关系的权重比为2∶1，从而计算得到综合关系等级。此处所得的各作业单位间综合关系等级即为3.1节所述的综合效果测度矩阵R。物流/非物流相互关系系数、综合相互关系系数及级值见表4与表5。

表4 梁场综合相互关系表

表5 铺轨基地综合相互关系表

3.3 铺架基地布置方案

通过多目标加权灰靶决策方法，提出梁场和铺轨基地的平面布置方案。本节将分别介绍梁场与铺轨基地的平面布置方案。

3.3.1 梁场布置方案

本标段设置1座T梁预制场，负责本标段所有T梁和道岔梁预制任务。本制梁场设于原重庆西站仁和编组站内渝黔客车线DK9+272.3～DK9+957附近(预计范围新建渝黔动车左线YQDZK6+918～YQDZK7+763.72)，总占地面积为96 834 m2，计为145.2亩(1亩≈667 m2)。

预制场布置2台100T龙门吊横跨装车线以吊梁上车。T梁采用卷扬机配合旱船做横向移动。移梁道兼作存梁台座垂直于装车线路。预制场设置7个区，包括生活办公区、制梁生产区、钢筋制备加工区、单/双层存梁区、梁体整修区、混凝土拌和区、提梁装车区。

梁场内设置横向向水泥路一条，路宽7 m，硅厚度为0.2 m；纵向水泥路3条，硅厚度0.2 m；拌和站硬化道路宽10 m，硅厚度0.2 m；进场道路宽度为7 m，硅厚度0.2 m；其余硬化险厚度为0.15 m。制梁场实际平面布置图如图3所示。

图3 制梁场布置平面图

3.3.2 铺轨基地布置方案

铺轨基地要具有与既有线相连的较为通畅的便利条件，相对较好的自然设场条件，以保证轨道及相关工程施工的顺利进行。

铺轨基地计划由襄渝西线引出，通过新铺铺架联络线直接与既有襄渝正线连接，作为新建渝黔线YQZQ-2标段的铺轨通道，在既有襄渝线与新铺铺架联络线连接的线路(L8)直接进入铺轨基地作为进料通道。

铺轨基地设置在原重庆西编组站内，与梁场并排布置，设3股轨道、10组道岔，预计可存轨150 km，轨排6 km、轨枕5万根。共设调车线4条(包括工具轨排装车线1条、长钢轨装卸车线1条、存调车线1条、轨料卸车线1条)。

铺轨基地规划占地53亩，对应渝黔客车线D2K7+514～DK8+350段内，其中有车辆调头区(50 m×17.5 m)、轨枕存放区(75 m×14.5 m)、轨枕锚固生产区(25 m×8.5 m)、硫磺砂浆生产区(25 m×6 m)、己锚固轨枕存放区(50 m×14.5 m)、扣配件存放区(103 m×2.8 m)、轨排生产区(103 m×6 m)、工具轨存放区(103 m×4 m)、轨排存放区(448 m×14.5 m)、道岔存放区(85×14.5 m)；预留第二存砟场(286 m×11.3 m)和32对2T群吊的长钢轨存放区(550 m×10.355 m)，等共9个功能区，设计调车线4条(工具轨排装车线1条、长钢轨装卸车线1条、存调车线l条、轨料卸车线1条)，预计可存轨150 km，轨排6 km、轨枕5万根。铺轨基地平面布置图如图4所示。

图4 铺轨基地布置平面图

4 结论

将灰色系统理论创新性地应用于重庆西站铺架基地的选址与布置实践中，研究所得结论如下：

1)结合本项目为分析对象，对选址方案的影响因素进行了细致的说明，对备选方案进行系统阐述，利用灰色关联分析与模糊综合评判方法对铺架基地的选址备选方案进行综合评价，并从定性与定量结合的角度比较方案的适用性与合理性，弥补了传统以经验分析为主的选址决策的缺陷，有利于促进施工单位按期保质完成工程建设目标。

2)利用多目标加权灰靶决策方法，通过分析各功能区域间的物流/非物流协作关系，良好地解决建筑施工现场平面布置中存在的经验布置问题，提升了施工现场平面布置的整体性、系统性和全面性。