济莱高铁人机协作综合选线应用研究

刘 琦，刘江涛

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

1 概况

济南至莱芜高速铁路（简称济莱高铁）位于山东省中部，自济南东客站经历城、章丘、雪野、莱芜至钢城区。为350km/h 高速铁路，线路长度116.3km，是省会济南“米字型”高铁网的重要组成部分，也是通达山东北部地区滨州、德州、聊城等地与山东南部地区临沂、日照等省内地级城市的快速客运通道[1]。

线路所经区域地形、地质条件复杂。既有（含规划）路网、管线密布，人工坑洞（采空区）、岩溶、泉群、危岩落石众多，水库、工矿企业、建筑物、环保等敏感区域较多。济南东至雪野段线路方案最为复杂，如何选出既安全可靠、对生态影响较小，又满足地方需求和运营需求的线路方案至关重要。

2 自然特征

2.1 地形地貌

济莱高铁经过鲁中隆起区、泰莱凹陷东侧外缘，北部地势平坦开阔，中部地势起伏较大。济南东至雪野段线路位于北部山前倾斜平原区，中部低山丘陵区[1]。

2.2 水文地质特征

地下水主要为第四系孔隙潜水，主要含水层为冲洪积层中的砂土及砾石层，水量较丰富。丘陵区主要为岩溶水、基岩裂隙水，补给地下水，地下水位随季节变化显著。

2.3 主要工程问题

2.3.1 采空区

沿线矿产资源丰富种类繁多，尤其是煤、黏土矿、铁等地下开采矿产资源开发历史悠久，长期的矿产资源开采，形成了数量众多的采空区，存在着严重的安全和环境隐患。线路经过历城区和章丘区的部分采空区。

2.3.2 岩溶及岩溶泉

沿线可溶岩多以灰岩、白云岩、碎屑岩类为主，溶蚀易造成地面塌陷。济南东至章丘段经过玉河泉泉群补给区，铁路的工程类型选择对泉水的补给有一定的影响。

2.3.3 城市路网、管网

城区范围重点建筑物、既有城市路网、规划道路、煤气、油气管线及高压电力线众多，这些平面控制因素对线路方案的研究有重要影响。

2.3.4 车站位置

济南东至雪野段车站位置的选择必须能与铁路运营组织相结合，要方便群众出行，能带动城市的发展，也要考虑工程投资的合理性。

3 济南东至雪野段综合选线研究

在济南东至雪野段线路方案的研究中，采用人机协作递进式综合选线方法，实施过程如下：①运用中铁二院开发的“复杂环境铁路智慧选线系统”进行大范围自动选线，为人工选线提供思路[3-4]；②综合考虑地形地貌、控制线路方案的主要工程因素，使用“铁路线路CAD 选线系统”交互式选线，设计各线路方案的平、纵断面；③对各线路方案线路长度、工程设置等指标进行统计分析，剖析影响因素和方案优缺点进行定性分析；④采用层次分析法（AHP）对各方案进行进一步分析并推荐出最有实施价值的方案[5]。

3.1 智能选线

3.1.1 复杂环境铁路智慧选线系统

复杂环境铁路智慧选线系统通过建立满足规范几何约束（最小曲线半径、最大坡度等）、环境约束（地形、地质、环保和控制性地物约束等）、工程约束（如最大桥高约束、最长隧道约束、必经据点等）的线路多目标数学优化模型，实现复杂约束条件下线路方案智能搜索。

3.1.2 智能选线应用

在前期线路方案研究中应用智能选线系统进行大面积选线，为下阶段的人工选线提供思路。

（1）以项目大范围的1:10000 地形图为基础建立数字地面模型。

（2）在CAD 中交互输入采空区、岩溶及岩泉、路网、管网位置等选线约束条件和经济指标等搜索参数，在数字地面模型基础上建立综合信息模型。

（3）运行系统的搜索路径功能，基于综合信息模型快速搜索路径并形成一系列线路方案。

（4）系统按综合代价对线路方案进行自动排序，并在CAD 中输出线路方案线位和纵断面。

在济莱高铁可行性研究过程中通过智能选线，自动选线生成的走向方案包括沿东绕城高速方案、经世纪大道方案、沿石济联络线方案、沿飞跃大道系列方案等，其中沿飞跃大道系列方案穿过章丘附近大范围采空区，风险极大，予以放弃，不再研究，其他方案纳入下一步深入研究。

3.2 人工选线

在智选方案的指引下，线路人员基于交互式选线软件开展了沿东绕城高速公路西侧方案、沿东绕城高速公路东侧方案、经唐冶取直设章丘站方案、经唐冶取直不设章丘站方案、沿石济联络线经两河方案共5 个方案的研究。

3.2.1 沿东绕城高速公路西侧方案

线路自济南东客站引出后，上跨规划济滨线、沿东绕城高速西侧向南行进，于潘庄村设港沟站；后沿京沪高速公路南侧并行至章丘沙湾村设章丘南站，后行至雪野。该方案线路长59.8km。

3.2.2 沿东绕城高速公路东侧方案

线路自济南东客站引出后，上跨规划济滨线、沿东绕城高速东侧行进，至港沟镇预留规划济南至泰安城际接轨条件，跨京沪高速公路后接沿东绕城高速公路西侧方案至雪野。该方案线路长59.9km。

3.2.3 经唐冶取直设章丘站方案

线路自济南东客站向东引出，沿绕城高速东侧前行，经郭店斜穿唐冶片区，穿围子山后向东于曹范镇南、京沪高速内侧设章丘站，后上跨京沪高速取直至雪野站。该方案线路长50.6km。

3.2.4 经唐冶取直不设章丘站方案

线路自济南东客站向东引出，沿绕城高速东侧前行，经郭店斜穿唐冶片区，穿彩石镇经十东路南侧设彩石站，后由狼猫山水库东侧上跨京沪高速后取直至雪野站。该方案线路长50.5km。

3.2.5 沿石济联络线经两河方案

线路自济南东客站向东引出，上跨规划济滨线、在建济青高铁及石济联络线经平陵城、孙村片区、李家窝村于曹范镇西侧上跨京沪高速，后接沿东绕城高速公路西侧方案。该方案线路长55.3km。

3.3 定性分析

研究中对上述方案进行线路长度、设站因素、地质条件、对重要地物影响及拆迁、环保影响及相关方意见和工程投资等多因素定性分析，结果如表1 所示。

表1 多方案定性分析

3.4 层次分析法方案比选

由表1 可知，从线路长度来看，P3、P4 方案虽然线路长度明显短于其他方案，P5 方案线路长度居中，P1、P2 线路长度均较长。但P3、P4、P5 在设站条件、地质条件、拆迁因素、环保影响等方面存在各种问题，难以实施；P1、P2 的可实施性优于其他方案，但线路绕长，各种因素复杂交织，为了更好确定最优方案，在定性分析基础上，采用AHP 方法来进一步比选线路方案[2]。

层次分析法（AHP）是美国运筹学家萨蒂于20 世纪70 年代提出的一种多目标决策方法[5-7]。该方法将决策因素分解为目标层、准则层、方案层等层次，进行定性和定量的分析，其实施步骤包括明确要解决的问题、建立层次结构、构造判断矩阵、层次单排序、层次总排序、一致性检验等过程。

（1）建立以济南至雪野段最优线路方案为总目标，线路长度C1、设站因素C2、地质条件C3、对重要地物影响及拆迁C4、环保影响及相关方意见C5、工程投资C6为判断准则，P1、P2、P3、P4、P5 等为决策方案的递阶层级结构，如图1 所示。

图1 多目标决策模型结构

（2）邀请线路专家参与线路方案讨论，采用1-9 标度法，依次比较上述判断准则的相对重要程度，建立判断矩阵B，如图2 所示。

图2 建立判断矩阵

（3）应用层次分析法软件yaahp，依次建立决策模型结构、输入上述判断矩阵B 和5 个方案在各判断准则下的重要性比较矩阵，并保证判断矩阵的一致性CR＜0.1，最后计算各个方案的优越度，P1、P2、P3、P4 和P5 方 案 的 优 越 度 依 次 为0.3967、0.2582、0.1202、0.1102、0.1147，推荐采用沿东绕城高速公路西侧方案（P1），与定性分析推荐结果一致。

3.5 方案实施效果

济莱高铁济南东至雪野段通过先进选线新技术与人工选线综合研究比选出的线路方案绕避了采空区、岩溶等重大不良地质的影响，避免了对城市规划、路网和生态带来重大影响，实现了工程安全可靠、运输顺畅、服务经济发展的目标，顺利通过上级部门对济莱高铁可行性研究、初步设计、施工图各阶段的审查，施工过程顺利。济莱高铁已于2022 年12 月开通运营，工程安全、运行舒适度高。

4 结语

济莱高铁沿线地形地貌条件复杂，不良地质分布广泛，路网密布，水库、工矿企业、建筑物、环保等敏感区域较多，特别是铁济南东至雪野段线路方案受控于各类交织的控制因素，给选线带了困难。本文提出了综合运用智能选线系统、线路CAD 选线系统、定性分析、层次分析法等手段对济莱高铁济南东至雪野段进行递进式选线，从宏观尺度的自动选线到精细场景下的人工选线、从定性分析方案优劣到层次分析法方案比选验证定性分析的正确性，最终优选出的沿东绕城高速公路西侧方案，为工程实施稳定的线路方案。本文提出的人机协作、多手段综合、由粗到细的选线方法，适合大范围、多因素控制条件下的线路方案比选，可为类似项目选线提供参考。