濟(jì)萊高鐵人機(jī)協(xié)作綜合選線應(yīng)用研究

劉 琦，劉江濤

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

1 概況

濟(jì)南至萊蕪高速鐵路（簡(jiǎn)稱濟(jì)萊高鐵）位于山東省中部，自濟(jì)南東客站經(jīng)歷城、章丘、雪野、萊蕪至鋼城區(qū)。為350km/h 高速鐵路，線路長(zhǎng)度116.3km，是省會(huì)濟(jì)南“米字型”高鐵網(wǎng)的重要組成部分，也是通達(dá)山東北部地區(qū)濱州、德州、聊城等地與山東南部地區(qū)臨沂、日照等省內(nèi)地級(jí)城市的快速客運(yùn)通道[1]。

線路所經(jīng)區(qū)域地形、地質(zhì)條件復(fù)雜。既有（含規(guī)劃）路網(wǎng)、管線密布，人工坑洞（采空區(qū)）、巖溶、泉群、危巖落石眾多，水庫(kù)、工礦企業(yè)、建筑物、環(huán)保等敏感區(qū)域較多。濟(jì)南東至雪野段線路方案最為復(fù)雜，如何選出既安全可靠、對(duì)生態(tài)影響較小，又滿足地方需求和運(yùn)營(yíng)需求的線路方案至關(guān)重要。

2 自然特征

2.1 地形地貌

濟(jì)萊高鐵經(jīng)過(guò)魯中隆起區(qū)、泰萊凹陷東側(cè)外緣，北部地勢(shì)平坦開(kāi)闊，中部地勢(shì)起伏較大。濟(jì)南東至雪野段線路位于北部山前傾斜平原區(qū)，中部低山丘陵區(qū)[1]。

2.2 水文地質(zhì)特征

地下水主要為第四系孔隙潛水，主要含水層為沖洪積層中的砂土及礫石層，水量較豐富。丘陵區(qū)主要為巖溶水、基巖裂隙水，補(bǔ)給地下水，地下水位隨季節(jié)變化顯著。

2.3 主要工程問(wèn)題

2.3.1 采空區(qū)

沿線礦產(chǎn)資源豐富種類繁多，尤其是煤、黏土礦、鐵等地下開(kāi)采礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)歷史悠久，長(zhǎng)期的礦產(chǎn)資源開(kāi)采，形成了數(shù)量眾多的采空區(qū)，存在著嚴(yán)重的安全和環(huán)境隱患。線路經(jīng)過(guò)歷城區(qū)和章丘區(qū)的部分采空區(qū)。

2.3.2 巖溶及巖溶泉

沿線可溶巖多以灰?guī)r、白云巖、碎屑巖類為主，溶蝕易造成地面塌陷。濟(jì)南東至章丘段經(jīng)過(guò)玉河泉泉群補(bǔ)給區(qū)，鐵路的工程類型選擇對(duì)泉水的補(bǔ)給有一定的影響。

2.3.3 城市路網(wǎng)、管網(wǎng)

城區(qū)范圍重點(diǎn)建筑物、既有城市路網(wǎng)、規(guī)劃道路、煤氣、油氣管線及高壓電力線眾多，這些平面控制因素對(duì)線路方案的研究有重要影響。

2.3.4 車站位置

濟(jì)南東至雪野段車站位置的選擇必須能與鐵路運(yùn)營(yíng)組織相結(jié)合，要方便群眾出行，能帶動(dòng)城市的發(fā)展，也要考慮工程投資的合理性。

3 濟(jì)南東至雪野段綜合選線研究

在濟(jì)南東至雪野段線路方案的研究中，采用人機(jī)協(xié)作遞進(jìn)式綜合選線方法，實(shí)施過(guò)程如下：①運(yùn)用中鐵二院開(kāi)發(fā)的“復(fù)雜環(huán)境鐵路智慧選線系統(tǒng)”進(jìn)行大范圍自動(dòng)選線，為人工選線提供思路[3-4]；②綜合考慮地形地貌、控制線路方案的主要工程因素，使用“鐵路線路CAD 選線系統(tǒng)”交互式選線，設(shè)計(jì)各線路方案的平、縱斷面；③對(duì)各線路方案線路長(zhǎng)度、工程設(shè)置等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，剖析影響因素和方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行定性分析；④采用層次分析法（AHP）對(duì)各方案進(jìn)行進(jìn)一步分析并推薦出最有實(shí)施價(jià)值的方案[5]。

3.1 智能選線

3.1.1 復(fù)雜環(huán)境鐵路智慧選線系統(tǒng)

復(fù)雜環(huán)境鐵路智慧選線系統(tǒng)通過(guò)建立滿足規(guī)范幾何約束（最小曲線半徑、最大坡度等）、環(huán)境約束（地形、地質(zhì)、環(huán)保和控制性地物約束等）、工程約束（如最大橋高約束、最長(zhǎng)隧道約束、必經(jīng)據(jù)點(diǎn)等）的線路多目標(biāo)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜約束條件下線路方案智能搜索。

3.1.2 智能選線應(yīng)用

在前期線路方案研究中應(yīng)用智能選線系統(tǒng)進(jìn)行大面積選線，為下階段的人工選線提供思路。

（1）以項(xiàng)目大范圍的1:10000 地形圖為基礎(chǔ)建立數(shù)字地面模型。

（2）在CAD 中交互輸入采空區(qū)、巖溶及巖泉、路網(wǎng)、管網(wǎng)位置等選線約束條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等搜索參數(shù)，在數(shù)字地面模型基礎(chǔ)上建立綜合信息模型。

（3）運(yùn)行系統(tǒng)的搜索路徑功能，基于綜合信息模型快速搜索路徑并形成一系列線路方案。

（4）系統(tǒng)按綜合代價(jià)對(duì)線路方案進(jìn)行自動(dòng)排序，并在CAD 中輸出線路方案線位和縱斷面。

在濟(jì)萊高鐵可行性研究過(guò)程中通過(guò)智能選線，自動(dòng)選線生成的走向方案包括沿東繞城高速方案、經(jīng)世紀(jì)大道方案、沿石濟(jì)聯(lián)絡(luò)線方案、沿飛躍大道系列方案等，其中沿飛躍大道系列方案穿過(guò)章丘附近大范圍采空區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)極大，予以放棄，不再研究，其他方案納入下一步深入研究。

3.2 人工選線

在智選方案的指引下，線路人員基于交互式選線軟件開(kāi)展了沿東繞城高速公路西側(cè)方案、沿東繞城高速公路東側(cè)方案、經(jīng)唐冶取直設(shè)章丘站方案、經(jīng)唐冶取直不設(shè)章丘站方案、沿石濟(jì)聯(lián)絡(luò)線經(jīng)兩河方案共5 個(gè)方案的研究。

3.2.1 沿東繞城高速公路西側(cè)方案

線路自濟(jì)南東客站引出后，上跨規(guī)劃濟(jì)濱線、沿東繞城高速西側(cè)向南行進(jìn)，于潘莊村設(shè)港溝站；后沿京滬高速公路南側(cè)并行至章丘沙灣村設(shè)章丘南站，后行至雪野。該方案線路長(zhǎng)59.8km。

3.2.2 沿東繞城高速公路東側(cè)方案

線路自濟(jì)南東客站引出后，上跨規(guī)劃濟(jì)濱線、沿東繞城高速東側(cè)行進(jìn)，至港溝鎮(zhèn)預(yù)留規(guī)劃濟(jì)南至泰安城際接軌條件，跨京滬高速公路后接沿東繞城高速公路西側(cè)方案至雪野。該方案線路長(zhǎng)59.9km。

3.2.3 經(jīng)唐冶取直設(shè)章丘站方案

線路自濟(jì)南東客站向東引出，沿繞城高速東側(cè)前行，經(jīng)郭店斜穿唐冶片區(qū)，穿圍子山后向東于曹范鎮(zhèn)南、京滬高速內(nèi)側(cè)設(shè)章丘站，后上跨京滬高速取直至雪野站。該方案線路長(zhǎng)50.6km。

3.2.4 經(jīng)唐冶取直不設(shè)章丘站方案

線路自濟(jì)南東客站向東引出，沿繞城高速東側(cè)前行，經(jīng)郭店斜穿唐冶片區(qū)，穿彩石鎮(zhèn)經(jīng)十東路南側(cè)設(shè)彩石站，后由狼貓山水庫(kù)東側(cè)上跨京滬高速后取直至雪野站。該方案線路長(zhǎng)50.5km。

3.2.5 沿石濟(jì)聯(lián)絡(luò)線經(jīng)兩河方案

線路自濟(jì)南東客站向東引出，上跨規(guī)劃濟(jì)濱線、在建濟(jì)青高鐵及石濟(jì)聯(lián)絡(luò)線經(jīng)平陵城、孫村片區(qū)、李家窩村于曹范鎮(zhèn)西側(cè)上跨京滬高速，后接沿東繞城高速公路西側(cè)方案。該方案線路長(zhǎng)55.3km。

3.3 定性分析

研究中對(duì)上述方案進(jìn)行線路長(zhǎng)度、設(shè)站因素、地質(zhì)條件、對(duì)重要地物影響及拆遷、環(huán)保影響及相關(guān)方意見(jiàn)和工程投資等多因素定性分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 多方案定性分析

3.4 層次分析法方案比選

由表1 可知，從線路長(zhǎng)度來(lái)看，P3、P4 方案雖然線路長(zhǎng)度明顯短于其他方案，P5 方案線路長(zhǎng)度居中，P1、P2 線路長(zhǎng)度均較長(zhǎng)。但P3、P4、P5 在設(shè)站條件、地質(zhì)條件、拆遷因素、環(huán)保影響等方面存在各種問(wèn)題，難以實(shí)施；P1、P2 的可實(shí)施性優(yōu)于其他方案，但線路繞長(zhǎng)，各種因素復(fù)雜交織，為了更好確定最優(yōu)方案，在定性分析基礎(chǔ)上，采用AHP 方法來(lái)進(jìn)一步比選線路方案[2]。

層次分析法（AHP）是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂于20 世紀(jì)70 年代提出的一種多目標(biāo)決策方法[5-7]。該方法將決策因素分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層等層次，進(jìn)行定性和定量的分析，其實(shí)施步驟包括明確要解決的問(wèn)題、建立層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序、層次總排序、一致性檢驗(yàn)等過(guò)程。

（1）建立以濟(jì)南至雪野段最優(yōu)線路方案為總目標(biāo)，線路長(zhǎng)度C1、設(shè)站因素C2、地質(zhì)條件C3、對(duì)重要地物影響及拆遷C4、環(huán)保影響及相關(guān)方意見(jiàn)C5、工程投資C6為判斷準(zhǔn)則，P1、P2、P3、P4、P5 等為決策方案的遞階層級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 多目標(biāo)決策模型結(jié)構(gòu)

（2）邀請(qǐng)線路專家參與線路方案討論，采用1-9 標(biāo)度法，依次比較上述判斷準(zhǔn)則的相對(duì)重要程度，建立判斷矩陣B，如圖2 所示。

圖2 建立判斷矩陣

（3）應(yīng)用層次分析法軟件yaahp，依次建立決策模型結(jié)構(gòu)、輸入上述判斷矩陣B 和5 個(gè)方案在各判斷準(zhǔn)則下的重要性比較矩陣，并保證判斷矩陣的一致性CR＜0.1，最后計(jì)算各個(gè)方案的優(yōu)越度，P1、P2、P3、P4 和P5 方 案 的 優(yōu) 越 度 依 次 為0.3967、0.2582、0.1202、0.1102、0.1147，推薦采用沿東繞城高速公路西側(cè)方案（P1），與定性分析推薦結(jié)果一致。

3.5 方案實(shí)施效果

濟(jì)萊高鐵濟(jì)南東至雪野段通過(guò)先進(jìn)選線新技術(shù)與人工選線綜合研究比選出的線路方案繞避了采空區(qū)、巖溶等重大不良地質(zhì)的影響，避免了對(duì)城市規(guī)劃、路網(wǎng)和生態(tài)帶來(lái)重大影響，實(shí)現(xiàn)了工程安全可靠、運(yùn)輸順暢、服務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)，順利通過(guò)上級(jí)部門對(duì)濟(jì)萊高鐵可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖各階段的審查，施工過(guò)程順利。濟(jì)萊高鐵已于2022 年12 月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，工程安全、運(yùn)行舒適度高。

4 結(jié)語(yǔ)

濟(jì)萊高鐵沿線地形地貌條件復(fù)雜，不良地質(zhì)分布廣泛，路網(wǎng)密布，水庫(kù)、工礦企業(yè)、建筑物、環(huán)保等敏感區(qū)域較多，特別是鐵濟(jì)南東至雪野段線路方案受控于各類交織的控制因素，給選線帶了困難。本文提出了綜合運(yùn)用智能選線系統(tǒng)、線路CAD 選線系統(tǒng)、定性分析、層次分析法等手段對(duì)濟(jì)萊高鐵濟(jì)南東至雪野段進(jìn)行遞進(jìn)式選線，從宏觀尺度的自動(dòng)選線到精細(xì)場(chǎng)景下的人工選線、從定性分析方案優(yōu)劣到層次分析法方案比選驗(yàn)證定性分析的正確性，最終優(yōu)選出的沿東繞城高速公路西側(cè)方案，為工程實(shí)施穩(wěn)定的線路方案。本文提出的人機(jī)協(xié)作、多手段綜合、由粗到細(xì)的選線方法，適合大范圍、多因素控制條件下的線路方案比選，可為類似項(xiàng)目選線提供參考。