基于TOPSIS的高原山区铁路区间渡线设置决策研究

张 彬

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 概述

高原山区铁路沿线自然环境十分复杂，具有高烈度地震、高地应力、高地温及强烈发育多样化地质灾害、强烈发育活动断裂的特征[1-2]，因此，高原山区铁路工程方案设置与一般高速铁路、客货共线铁路具有很大差异。区间渡线工程在紧急救援、便捷运输组织、综合维修方面具有重要作用，尤其对于高原山区铁路复杂地形、地质条件下可能发生灾害事故的应急救援、多种速度等级列车的灵活运输组织、长大站间距的区间能力提升，区间设置渡线的作用更将凸显。但设置区间渡线会相应增加工程投资、运营维护工作量等，因此，某高原山区铁路渡线设置需进行综合研判决策。

目前，国内外学者对于高铁设置渡线后所带来的效用以及应如何设置等方面已开展了大量研究，但某高原山区铁路因其复杂的自然地理环境、运输组织特征，较少有对其是否设置区间渡线进行综合分析研究。采用TOPSIS模型理论，通过分析选取6个影响区间渡线设置的重要因素，将其赋权量化后，合并计算进行综合研判，为某高原山区铁路区间渡线设置提供参考。

2 国内外高铁渡线设置现状

2.1 国外高铁渡线设置现状

目前，国外高速铁路区间渡线设置分为2种情况。一种是不设置区间渡线，如日本新干线，其原因包括：(1)全高速列车运行模式，列车速差小；(2)采用矩形天窗维修模式，天窗点内上、下行同时作业，维修机械避免转线作业；(3)日本高铁属于网运合一的体制，区间设置渡线会增加维修工作量，但未能大幅提高运营效率，性价比不高。另一种是设置渡线，主要为欧洲国家。如德国高速铁路平均站间距虽然比日本站间距短，但设置了密度很高的区间渡线；法国高速客运专线在区间内每隔20～25 km铺设双向渡线。欧洲国家设置区间渡线的原因主要包括：(1)高中低速列车混跑，列车晚点率较高，利用区间渡线和邻线组织列车不停车越行的需求较高；(2)欧洲国家高铁网运分离，如由于线路故障原因导致列车晚点或停运，运营公司将向路网公司索赔，为保证线路的顺畅运行，普遍在区间增设渡线[3-5]。

综上分析，国外高速铁路区间是否设置区间渡线，主要由线路运行的列车种类、综合维修制度及运营体制决定。

2.2 国内高铁渡线设置现状

目前，我国高铁区间并不设置区间渡线。正线间渡线往往与车站合设，便于集中管理和维护。车站两端渡线主要用于列车的始发终到和立折，维修列车的出入段和转线，以及紧急情况下列车的转线和越行[6-7]。

总体而言，无始发车时，正线间渡线使用频率较低。以京沪高铁和宝兰高铁车站渡线使用情况为例，无始发车时，正线间渡线在非天窗期间的使用频率一天一般不超过1次，在天窗期间的使用频次虽比非天窗时段高，但平均一般也不超过1次。因此，我国高铁通常不设置区间渡线[8]。

3 高原山区铁路设置区间渡线的现实意义

(1)某高原山区铁路工程地质条件复杂，桥隧比达94%，且沿线多数地区为无人区，救援力量薄弱，自然灾害和极端对抗条件下，发生故障风险较高，发生事故长时间被困隧道内易造成乘客恐慌、情绪紧张，故救援时间应越短越好，因此，在隧道内设置区间渡线后，能够利用区间渡线组织事故区间内反向行车，便于抢险救援和疏散人群，加快抢修速度[9]。

以BM至TM区间为例，站间距57 km，假设事故地点发生在BM至TM区间的2/3处，即距离BM车站38 km处。如图1所示。

图1 BM至TM区间假设事故点关系(单位：km)

若不设置渡线，在不反向行车情况下，救援顺序如下。

①下行方向清空前序列车。按列车追踪运行考虑，普速旅客列车出清需10 min。

②救援列车需从BM维修车间出发反方向行至事故点。救援列车平均运行速度40 km/h，列车运行至事故点时间为57 min，救援列车启动15 min，连挂30 min。

③实施救援后将列车牵引至BM车站，维修列车反向行至事故点，维修列车维修完，沿下行线路返回BM车站，时间为171 min。

以上救援列车和维修列列车准备及走行时间合计为283 min(不含救援时间)。

若设置渡线，在不反向行车情况下，救援顺序如下。

①救援列车接到调度命令后，沿上行线经过区间渡线行至事故点。实施救援后将列车牵引至BM车站。时间为114 min。

②维修列车沿上行线行至渡线处，待救援列车沿下行经过渡线后，维修列车经过渡线至事故发生点进行线路维修等工作。时间为14 min。

③结束后通过下行线返回BM站。时间为57 min。

以上救援列车和维修列车的准备及走行时间合计为230 min(不含救援时间)。

由此可见，若设置渡线，列车救援和线路抢修时间可节省53 min。

(2)某高原山区铁路为200 km/h标准的客货混跑高速铁路，站间距较大，列车种类包括动车、普速、货车等不同等级速差的列车，运输组织复杂，渡线可使上下行线路在区间具备连通、列车转线运输及折返等条件，保证运输组织的灵活性。

(3)天窗时间进行维修养护作业时，轨道车辆可利用渡线跨线作业，提高养护维修效率，提升作业的便利性。

假设BM至TM区间，A点和B点需进行线路维修，A点位于区间1/3处，即距BM站为19 km，B点位于区间的2/3处，即距离BM站为38 km。如图2所示。

图2 BM至TM区间假设维修点关系(单位：km)

若不设置渡线，在不反向行车情况下，救援顺序如下：下行维修列车行至A点，维修完后行至TM车站，沿下行线路到达B点，维修完后返回BM车站维修车间，整个过程的走行距离为114 km，按照40 km/h速度，需花费171 min。

若在区间1/2距离处设置八字渡线，在不反向行车情况下，维修顺序如下：维修列车维修完A点后，通过区间渡线行至B点进行维修，后返回BM车站，共运行距离为66.5 km，运行时间为100 min。

因此，若设置渡线，维修列车可节省时间71 min。

4 高原山区铁路区间渡线设置决策指标体系

4.1 区间渡线设置影响因素

某高原山区铁路区间渡线设置影响因素众多，在参考国内外铁路设置区间渡线所考虑有关因素基础上[10]，选取其中影响最大的6个因素作为考察指标展开分析。

(1)车站间距：车站间距增加会对设置区间渡线产生正向影响。如区间渡线间距过小，则设置区间渡线无法发挥应有的作用，且会增加维修和管理负担。

(2)行车密度：行车密度的提高会对设置区间渡线产生负向影响[11]。线路越繁忙，行车密度越高，非正常运输组织难度就越大，区间渡线较难在运行调整中发挥作用。

(3)事故抢险救援时效性：事故抢险救援时效性的提高会对设置区间渡线产生正向影响。事故发生后，抢险维修车辆可利用区间渡线组织与事故车辆同向的列车转线至临线[12]。同时，在事故车辆所在线路因抢修无法通行时，可利用区间渡线，组织列车进行反向行车，保证区间的通过能力。

(4)综合维修便利性：综合维修便利性的提高会对设置区间渡线产生正向影响。在长大隧道内设置区间渡线之后，可更为灵活的设置“天窗”，减少双线中断的时间，从而提高综合维修效率，增加综合维修的便利性。

(5)工程投资：工程投资增加会对设置区间渡线产生负向影响[13]。设置区间渡线，需对于隧道纵断面进行调整，增加部分大跨断面，并需增加信号、通信、电力等相关设施设备，会增加不少前期投入成本。

(6)养护维修工作量：养护维修工作量增加会对设置区间渡线带来负向影响[14]。区间渡线需独立设置信号联锁设备，增加日常维护。根据兰州局宝兰客专和广铁集团黔张常铁路等进行调研，隧道内道岔因粉尘和排水等冻胀问题，较路基上的道岔大修年限缩短一半，不同工况情况下的养护维修工作量根据经验值确定。

4.2 区间渡线设置决策指标权重

根据某高原山区铁路环境复杂的特点，将事故抢险时效性、养护维护工作量赋予最大权重，将综合维修便利性、工程投资两项指标赋予次级权重，行车密度、车站间距二项指标赋予最小的权重。权重参考相关文献[15-18]和专家问询后设定为事故抢险时效、养护维护工作量为0.25；综合维修便利性、工程投资均为0.15；行车密度、车站间距均为0.1。

4.3 区间渡线设置综合决策模型

为综合考察上述正负指标的综合影响大小，合理决策区间渡线设置，采用TOPSIS方法对某高原山区铁路区间渡线设置决策指标进行综合度量， TOPSIS方法又称为优劣解法[19]，是一种常用的综合评价方法[20-21]，其计算流程如下。

(1)设定初始评判矩阵：设对象集为P={P1，P2，…，Pm}，对象评价指标集为r={r1，r2，…，rn}，则初始评判矩阵为

(1)

(2)矩阵标准化：评价指标分为正向指标与负向指标，对于正向指标，取值越小越好，对于正向指标取值越大越好。为消除指标的不可度量性，需对评判指标纪念性标准化处理，得到标准化决策矩阵B=(bij)m×n，计算公式如式(2)、式(3)所示。

对于正向指标，有

(2)

对于负向指标，有

(3)

(3)标准决策矩阵加权化：将矩阵B与指标权重W=(w1，w2，…，wn)相乘，得到加权后的标准化决策矩阵为

(4)

(4)贴近度分析：分别计算正向指标及负向指标的正理想行为和负理想行为，计算方式如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

式中，wibij为标准化决策矩阵R第i行第j列元素，R+与R-分别为正理想解和负理想解。评价对象与理想解的距离为

(7)

(8)

(9)

5 区间渡线设置决策方案

5.1 决策基础

以某高原山区铁路TQ至DYX段、KD至CD段、TM至BM段作为研究对象，同时选取一段处于可设置亦可不设置区间渡线的铁路区间，即临界区间作为对照区间。TQ至DYX站间距为29 km，该区段以明线路基为主；KD至CD站站间距为55 km，该区段为合修的长大隧道；TM至BM站站间距为57 km，该区段内为分修的长大隧道。各区间行车对数采用近期运量，工程投资分别采用路基上增加渡线、合修隧道增设渡线及分修隧道增设渡线投资，事故抢险救援时效性、综合维修便利性根据站间距不同进行计算取得，养护维护工作量根据渡线处于不同工况环境设定[20-23]。

表1 选取区间各指标的模拟设定数据

5.2 决策过程

(1)基于表1可得出初始评判矩阵为

(10)

(2)标准化处理后得标准化决策矩阵为

(11)

(3)取4.2节中所分析的权重W=(0.1，0.1，0.25，0.15，0.15，0.25)进行计算，结果如表2所示。

表2 各区间段贴近度取值

5.3 决策结果

在上述拟定的指标权重下，计算得出：KD至CD段贴近度取值大于参考路段，该区段理论上设置渡线综合效益较高，主要原因为双线合修隧道，设置渡线投资较小；TM至BM段贴近度取值小于参考路段，理论上设置渡线综合效益不高，主要原因为分修隧道，设置渡线工程投资及养护维修工作量增加较大；TQ至DYX段属于常规站间距区段，设置渡线，抢救时效与综合维修便利性较参考路段增加不大，但工程投资和养护工作量增加较大，因此，取值稍小于参照路段，设置渡线综合效益不高。

基于上述计算结果，对某高原山区铁路区间进行渡线设置时提出如下建议。

(1)对于某高原山区铁路这类地质条件恶劣，线路桥隧比重很大的线路，站间距较大，且区间以合修隧道为主时，尽量设置区间渡线，以便弱化火灾、地震、泥石流等事故所带来的影响；对于长大站间距且以分修隧道为主的区段，设置渡线会带来较大的工程投资，是否设置还需结合其他因素综合判断。

(2)对于站间距在20 km左右的路基段，区间渡线设置会增加大量的前期工程投入及后期运营维护，应谨慎设置区间渡线。

6 结论

以往文献研究区间渡线以定性或单个经济指标为考量对象，建立了基于TOPSIS模型理论的某高原山区铁路设置区间渡线的综合评分指标体系，选取6个影响区间渡线设置的重要因素；并根据某高原山区铁路特殊条件对其进行重要度赋权；首次采用了定量的方法，并代入加权TOPSIS模型中运算求得区间设置渡线的综合评分。

选取具有不同工程条件下的TQ至DYX段、KD至CD段、TM至BM段以及参照路段的数据为例进行实例研究，结果表明：位于长大合修隧道区间的KD至CD段，设置区间渡线综合效益较好。