基于云模型和改进TOPSI...沙地区线路方案优选方法研究_高玉祥.pdf
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1、第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023基于云模型和改进TOPSIS的风沙地区线路方案优选方法研究高玉祥1,董晓峰1,程建军2(1.北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 100044;2.石河子大学 水利建筑工程学院,新疆 石河子 832003)摘要:风沙危害是影响风沙地区铁路工程建设运营的主要因素,沙害区线路方案优选是铁路设计中的重要环节,也是一个定性、定量指标共存的多目标决策问题。为解决线路方案比选中指标权重确定、定性指标量
2、化和多属性综合评价的技术难题,研究基于云模型和改进TOPSIS的风沙地区线路方案优选方法。通过分析风沙地区线路方案设计的主要影响因素,从线路设计、不良地质、环境影响和社会效益4个方面选取26项指标建立风沙地区线路方案优选指标体系;然后在使用语言类模糊数表达定性指标基础上,通过云模型将定性描述转化为精确数,由离差法计算符合线路方案比选实际的指标权重;最后运用灰色关联法改进TOPSIS,构建风沙区线路方案评价模型,通过计算备选方案与理想方案的相对贴近度实现方案的排序和优选。以格库铁路某风沙段选线为例,对优选方法进行了验证。研究结果表明:基于本方法的风沙地区线路方案优选结果与工程实际具有较好的一致性
3、,利用云模型的定性指标量化方式能较为准确地反映指标属性信息;通过离差法计算的指标权重也更为便捷合理,减少了人为主观因素对决策结果的影响;通过该模型的评价结果对方案进行排序使各方案的优劣性得以更好地呈现,提高了风沙地区线路方案优选的效率和准确性。研究成果可为今后风沙地区线路方案优化设计提供一定的决策依据。关键词:风沙地区;线路方案优选;云模型;改进TOPSIS;离差最大化中图分类号:U212.3 文献标志码:A 文章编号:1672-7029(2023)02-0526-11Optimization method of railway route scheme in wind-sand areas
4、based on cloud model and improved TOPSISGAO Yuxiang1,DONG Xiaofeng1,CHENG Jianjun2(1.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.College of Water and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)Abstract:Blown sand hazard is the main factor aff
5、ecting the construction and operation of railways in wind-sand areas,and the scheme optimization of railway route location in sandstorm areas is an important link in railway design.It is also a multi-objective decision-making problem with the coexistence of qualitative and quantitative indicators.In
6、 order to solve the technical problems of determining the weight of indicators,quantifying 收稿日期:20220310基金项目:国家自然科学基金资助项目(51568037);国家重点研发计划资助项目(2017FY101303)通信作者:董晓峰(1966),男,甘肃庆阳人,教授,博士,从事铁路线路设计和线网规划研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220438第 2 期高玉祥,等:基于云模型和改进TOPSIS的风沙地区线路方案优选方法研究qualitative indi
7、cators and multi-attribute comprehensive evaluation,the optimization method of railway route location in wind-sand areas based on the cloud model and improved TOPSIS was studied.Through analyzing the main influencing factors of railway alignment design in blown-sand areas,26 indices were selected fr
8、om railway design,unfavorable geology,ecological environment impact and social benefits,and the evaluation index system for route scheme optimization in wind-sand areas was established.Based on the expression of qualitative indicators using language fuzzy numbers,the qualitative description was tran
9、sformed into accurate numbers through the cloud model,and the weight of indicators in line with the actual selection of railway route schemes was calculated by deviation method.Then the grey correlation method was used to improve TOPSIS,the evaluation model for route scheme in wind-sand area was con
10、structed.The scheme ranking and optimization were realized through calculating the relative closeness between each alternative scheme and the ideal scheme.By taking the railway route design in sandstorm areas of the Golmud-Korla railway as an example,the evaluation model constructed in this paper wa
11、s verified.The research results show that the optimization result of railway route location is in good agreement with the actual situation of the project.The quantitative method of qualitative indices using cloud model can accurately reflect the attribute information of indicators.The index weight c
12、alculated by the deviation method is also more convenient and reasonable,and the influence of subjective factors on decision-making results is reduced.The advantages and disadvantages of each scheme could be better presented by determining the ranking order of all alternatives using this method,whic
13、h improves the efficiency and accuracy of railway route scheme optimization in wind-sand areas.In the future,the research results could provide a certain decision-making basis for the optimal design of railway route location in wind-blown sand areas.Key words:wind-sand areas;railway scheme optimizat
14、ion;cloud model;improved TOPSIS;deviation maximization 风沙危害是沙漠、戈壁地区最主要的地质灾害,决定着线路走向、构造物布设、工程投资和运营质量等内容,一直是困扰沙区铁路建设和安全运营的主要因素13。根据国家综合立体交通网规划纲要和国家“十四五”发展规划,未来中西部地区的铁路网将得到进一步完善,其中很多拟建线路都直接穿行于沙区。由于风沙地区具有地质条件复杂、生态环境脆弱的特性,线路设计应更注重地质选线、环保选线的理念。科学合理的线路方案不仅可以规避、降低风沙危害和节约建设成本,而且会尽可能地降低对生态环境的扰动和破坏,是减小线路风沙危害最经
15、济、有效的措施之一。因此,研究风沙地区线路方案评价进而实现设计方案优选对提高风沙铁路建设水平具有重要意义。为了保证风沙地区铁路的顺利建设和安全运营,学者们对风沙地区铁路减灾选线原则4、工程案例经验总结5、不良地质识别6等进行了大量研究,丰富了风沙区线路选线的理论方法。目前,对铁路线路方案评价模型的研究主要集中在复杂艰险山区7、岩溶地区8等地质灾害区域,关于风沙地区线路方案评价指标要素系统构建及评价模型应用内容很少,不利于新时期风沙铁路的建设。由于受到多维度因素的制约,风沙地区线路方案优选是一个复杂的多属性决策问题,评价时需要考虑很多因素,既有工程数量、项目投资等定量指标,又有环境影响、防沙可行
16、性、社会效益等定性指标,缺乏相应的评价方法,因此,建立适用于风沙地区线路方案优选模型是实现风沙铁路高质量建设的关键内容之一。传统的线路方案比选中,多使用专家打分法9、三角模糊数10对定性指标进行量化,然后通过最终计算得到方案评价结果,其中专家打分法对指标的模糊性考虑不足。也有学者使用区间数来量化线路方案比选中的定性指标11,具有简单、直观的优势,但对定性描述的不确定性考虑不足,比较最优方案时计算也较为繁琐。由于方案指标的重要性具527铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月有差异,在使用上述量化方法时均需要额外的主观赋权方法,使综合距离计算也变得复杂,且指标权重还易受主观因素的影响
17、,降低了决策的效率与可信度。本文为了尽量减少定性指标的不确定性对风沙地区方案优选造成的影响,采用云模型来量化定性指标,将各类定性描述转化为一个精确数,然后借助离差法的计算原理,根据指标原始数据从客观层面得到评价指标的权重,使权重计算结果尽可能接近实际情况,提高计算的效率与准确性。TOPSIS是一种用于解决单一型或混合型多属性决策问题的方法,具有计算简单、适用范围广的优点,铁路线路方案优选是一个涉及定性、定量指标的多层次、多因素的复杂决策工作,因而可将TOPSIS应用于线路方案比选中。但TOPSIS有2个最明显的不足之处就是:一是当2个评价对象位于正、负理想解的中垂线上时,由于与正负方案的距离相
18、等而无法进行比选;二是比选时需要额外的赋权方法计算评价指标的权重,若采用主观赋权手段又会降低决策结果的可信度。鉴于此,针对线路方案决策中权重计算、定性指标量化和综合比选的技术难题,通过分析提取影响风沙铁路方案设计的主要因素,构建风沙地区线路方案比选评价指标体系,设计基于云模型的线路方案定性指标量化方法,根据离差最大化原理设计指标客观权重计算方法,并运用灰色关联法改进 TOPSIS,建立基于云模型和改进 TOPSIS的风沙地区线路方案优选模型,使评价结果更具科学性、准确性,从而为今后风沙区线路方案优选提供一定的技术支持。1 线路方案综合评价指标体系构建1.1风沙地区线路方案设计影响因素分析风沙地
19、区铁路选线设计更多受制于地质因素、环境因素,线路主要遭受风沙流的侵扰,风沙流是一种典型的气固两相流12,对铁路的危害形式主要为轨道沙埋、路基风蚀和钢轨磨蚀等,线路两侧的局部环境对铁路风沙灾害程度的影响尤为突出13。沙粒作为风沙运动的主要成分,其丰富程度是影响近地表风沙运动和风沙地貌的重要因素,沙源越丰富,线路穿越流动沙丘越长,遭受风沙危害的程度和防护工程规模都会增加。线路走向与主导风向的交角越大,路基对风沙流运动的阻碍作用也越大,特别是当线路与主风向垂直时阻碍作用最强,会将风沙阻挡在线路的上风侧,发生风沙流运动时会造成沙粒上道导致线路积沙。风沙地区的铁路选线设计时应尽量不设或少设平面曲线,因为
20、曲线的设置不利于风沙流沿线路方向运动,同时还会加剧线路内侧积沙,并且曲线段积沙更容易影响线路的行车安全。任何一条铁路都避免不了用地,特别是风沙地区铁路桥隧比很小,占用的土地面积更多,在施工过程中极易对原地表造成扰动破坏,导致这些区域形成新的沙源。风沙地区具有降雨稀少、植被覆盖度低、地下水埋深浅的特点,生态环境比较脆弱,铁路建设容易破坏沿线环境,进行铁路选线设计时,更要遵循环保选线、地质选线的理念,着重考虑线路工程对环境的影响作用,最大程度地利用沿线的地形地质条件,合理规避风沙灾害严重区域,在满足工程设计要求的同时,以最小的环境扰动为目标来降低线路风沙危害程度。风沙流危害严重区域的铁路,还需在线
21、路两侧设置一定宽度的防风沙工程,在有条件进行植物固沙的路段采用植物固沙措施,不仅能实现永久性的防风固沙的目标,还可对沿线生态环境产生积极的作用。铁路作为重要的交通运输基础设施,能有效地促进沿线区域的经济社会发展。西部地区铁路网建设较为薄弱,部分线路还承担着国防建设、资源开发的重要功能,应根据新建线路的意义及其在路网中的作用,尽量通过较大城镇来吸引沿线地区的客货流,提升铁路服务地方经济发展的能力。线路选线时要结合沿线地区的建设规划,避免穿越密集的居民点、商贸区,尽量保持规划用地的完整性,与其他交通协调一致。1.2风沙地区线路方案综合评价指标体系构建风沙地区线路方案评价优选是一个复杂的系统工程,优
22、选的前提和基础是构建科学合理的线路方案评价指标体系,但当前线路方案评价还未建立统一的标准,对风沙区线路方案评价指标的研究则更少。本文通过文献分析法1415、现场调研和专家咨询法,结合铁路减灾选线的理念和风沙地区独特的地理环境特点,根据层次分析的基本528第 2 期高玉祥,等:基于云模型和改进TOPSIS的风沙地区线路方案优选方法研究原理,从线路设计、不良地质、生态环境和社会效益4个方面构建如表1所示的风沙地区线路方案评价指标体系,在方案优选时可根据工程实际对指标进行相应的选取。2 云模型理论与评价指标量化2.1云的数值特征云模型是一种通过结合模糊数学和随机理论实现定性概念与定量表示之间相互转换
23、的数学模型16,由于其在充分考虑不确定性的同时克服了模糊性和随机性的缺陷,提高了数据转换的科学性和合理性。风沙地区线路方案评价优选是一个涉及定性、定量指标的多属性决策问题,因而可将云模型应用到其定性指标的量化中,进而提升方案优选的准确性。在云理论中,云是由大量云滴组成。设Z是一个用精确数值表示的定量论域,C为Z上的一个定性概念,若定量值x满足xZ,且该定量值x是定性概念C的一次随机实现,那么x对C的确定度(x)0,1为有稳定倾向的随机数::Z0,1,xZ,x(x)(1)定量值x在论域Z上的分布称为云,每一个x是一个云滴。通常用期望Ex,熵En和超熵He来对云进行描述,记作 C(Ex,En,He
24、)。风沙地区线路方案评价时,Z表示方案中定性指标属性值的取值范围,x表示方案评价指标的一次实测值。期望Ex表示云滴分布在方案评价论域空间中的数学期望;熵En表示评价概念的可度量粒度和模糊度;超熵He是熵的熵,表征熵的模糊性,决定了云滴群的离散程度。定性概念C对应于某一等级的数字特征可用下式计算:|Ex=(cmax+cmin)/2En=(cmax-cmin)/6He=k(2)式中:cmax和 cmin分别为评语取值范围的最大界限值、最小界限值;k为一个根据变量模糊程度适当调整的常数,与描述定性指标的语言类模糊数的离散性、模糊性有关,本文取为0.0217。云模型的实现方法多种多样,本文根据铁路线路
25、方案优选的实际情况和不同云模型的特点,在进行定性指标量化转换时采用普适性较好的正态云模型。正态云模型的定义如下:Z是一个用准确数值表示的某个定量论域,C(Ex,En,He)为论域Z上的定性概念。如果定量值x满足xZ,且x是定 性 概 念 C 的 一 次 随 机 实 现,若 x 符 合:xNEx,(En)2,其中(En)2N(En,He2),且 x 对 C 的确定度满足公式(3),则将 x 在 Z 上的分布称为正态云。(x)=exp(-(x-Ex)22(En)2)(3)2.2云模型的计算机实现云的生成算法称为云发生器,包括正向云、逆向云、X条件云和Y条件云发生器18。正向云发生器实现指标从定性到
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