《铁路路线优化研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铁路路线优化研究.docx（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、铁路路线优化研究一、引言 中国铁路迄今已有100多年的历史：从其第一条营业铁路上海吴淞铁路1876年通车之时算起，是123年；从其自办的第一条铁路唐胥铁路1881年通车之时算起，也有118年了。一直处于发展中的中国铁路，始终存在着运量与运能之间的突出矛盾，铁路运输能力的增加和运输质量的提高以及运输方法的改善，仍然赶不上国民经济不断发展和人民生活日益提高的客观需要。铁路运输至今仍相当程度地制约着国民经济的快速发展，铁路仍是国民经济发展中的一个薄弱环节。铁路项目的承建过程，最重要也是最关键的就是路线设计。铁路路线设计的关键问题是在综合考虑地形地貌、土壤条件、环境影响(如空气污染、噪音污染、社会经济
2、因素)、以及客运量及乘客对服务的预期、可能出现事故的概率等等因素的基础上选择一个经济合理的设计方案。这些影响因素和约束条件使得这个线路设计变得非常复杂，而且铁路路线设计是一项非常费时间的事情。在设计过程中, 工程师们经常要考虑各种各样的因素和面临不同的选择。传统的人工铁路路线设计，通常都是从广泛的区域里缩减到几个可能的运输通道，再详细分析这几个备选方案。决策过程需要经验丰富的工程师同时具备运输领域、经济学、地质学、土木工程领域、机械领域、环境和政治学的专业知识来评估多个备选方案，再选择最合适的路线设计。因最后决策值是一个无限解集，再加上传统人工路线线路设计非常费时间，最后可能会导致路线设计不够
3、优化。以达到研究目标的前提，且以最少总成本解决上述问题，本文系统地阐述铁路路线的优化问题并设计一种算法来解决问题。因路线的备选方案有很多个，使设计问题近似无限集解。再加上每个方案有着复杂的成本结构；且每个方案对条件变化非常敏感，即使设计路线中很小的改变也会导致总成本的显著变化。所以要开发这样的优化模型是非常困难。在几个假设的基础上可使问题更加简单和实际化。本文的研究结构如下：第二章，介绍铁路的成本。对铁路成本构成的主要部分和敏感部分进行综述。第三章，提出了一个优化铁路路线的模型。第四章，重点讨论铁路成本和路线构成部分之间的关系，以及铁路设计的重要内容和铁路路线模型的假设。在第五章，试图设计一种
4、有效的算法来解决模型中的问题。最后，设计一种计算机程序，把各种数据和信息输入到程序中就可以建立了一个理想的数据结构，自动优化铁路路线设计。二、铁路成本像其它运输工程一样，铁路的构成成本可分为以下几类：(1)供应商成本；(2)使用者成本；(3)系统成本；供应商成本是指政府或铁路代理商用以建设和运营铁路的成本。使用者成本是指使用铁路的乘客在使用过程中所花费的时间成本。最后，系统成本，是不同于供应商成本和使用者成本的其它成本，如空气污染和噪音成本。基于上述分析，一项铁路工程的每个成本又可有如下细分：(1)供应商成本包括；计划，设计和管理成本；通行权成本；建筑成本；运营成本；维修成本；(2)使用者成本
5、包括：预定时间成本；等待时间成本；车上旅行时间成本；事故成本；不舒适(舒适)成本；(3)系统成本包括：环境成本；社会成本；在上述的成本分析上，只有部分成本对铁路路线的特征影响重大，是本文研究的重点。正面，对每种类目再进行简单的介绍：（一）铁路构成的主要部分和敏感部分一个铁路项目包括以下步骤：首先进行可行性研究报告；然后计划、设计、施工；最后运营和维修。计划和设计费用，通常会发生在铁路设计的初始阶段，并且在不同的铁路路线设计方案中是相差不大。管理费用在整个项目过程中都会发生，且在不同的方案中也都是相似的。因此，这三种费用在铁路路线设计的经济性分析不予考虑。通行权和土地征用成本是随着距离远近、当地
6、土地使用价值(例如城市和郊区的地段差别)的变化而变化。通行权和土地征用成本是铁路路线的重要影响因素，是本文的重要考虑因素。铁路建设包括很多的细小条目。主要铁路成本项目有路基成本和升级成本。路基成本包括土地，排水系统，桥染，隧道和其它物品。升级费用包括压载物，枕木，铁轨，轨道紧固和其他材料，信号和通信成本，还有一些其它费用。其中任何一项都会对中铁路线产生重要影响。换句话说，也就是上述的每项构成成本并不是固定不变的，而是随铁路路线变化而变化的。例如，通过平坦地段的铁路线会有较高的升级费用，而要穿过山脉的铁路路线则在土地和路基的成本花费较大。铁路路线的运营和维修是非常昂贵的，而且这些费用贯穿铁路路线
7、建设的始末。因为地理特征，如坡度和弯曲对运营和维修产生影响，而这些成本要在路线设计项目的计划阶段就要考虑。最近，开发了一些软件如“ECOTARCK”用来帮助铁路运营商根据铁路特征数据和维修数据来制定经济合理的决策。这些软件工具非常实用，但在这篇文章中需要用一个函数来表示维修成本和弯曲的角度、坡度等铁路设计特征之间关系。如此一来，从现有方法中(如UIC代码，414代码和715代码)选择维修成本评估就可以用来评估一部分维修成本。同时，我们请一些工程师和专家来评估维修成本，以弥补已有文献的缺憾，并给以后的研究提供借鉴。当然，还要考虑根据铁路路线特征而变化的运营成本的重要性。使用者成本的主要构成部分有
8、旅行时间成本(包括预定时间，等待时间和旅行时间)，事故成本和舒适成本。所有这些成本都会随着旅行距离和铁路地理设计的特征而变化。例如，坡度较高会增加旅行时间，弯曲的直径很小会增加事故成本和便利成本。旅行时间成本可通过总的乘客(货物)与单位时间乘客(货物)价值计算得来。事故成本，通常是通过总的事故比率和平均事故比率来表示，亦表示有重大经济损失而计入到铁路项目成本里。文章试图找出故事成本与弯曲半径之间的关系，舒适成本和铁路地理特征和测量之间的关系，并开发出一种实用的测量方法。铁路项目建设会对附近的土地使用者产生影响，还会带来环境影响，诸如噪声污染。在有些情况下，环境问题是铁路路线设计的最为关键的问题
9、。尽管，把社会和环境成本很难综合考虑到铁路的总成本里，但还是要在多个备选方案里尽量把影响最小化。三、优化铁路路线模型如前所述，本文的目标之一是要提出一个铁路路线的优化模型。一般情况下，决策是随着路线设计配置变化的。首先，详细讨论决策变化情况。接着对由各个路线配置部分构成总成本的目标函数模型进行论述。最后，讨论地理约束条件和容量约束条件。（一）铁路成本和路线构成部分的关系在确认了铁路总成本构成的重要和重点部分后，我们从铁路成本和路线构成的逻辑关系角度进行研究。因为所有的成本都必需适当考虑到铁路设计特征里，所以总成本函数是在考虑所有配置因素的最小值。铁路成本还可以划分为位置有关成本，长度有关成本，
10、运载量有关成本，时间有关成本，交通有关成本和铁路地理特征有关成本。位置相关成本包括土地征用成本；环境成本和铁路基地建设成本。这些成本由路线设计所及的当地范围和土地条件决定。长度相关成本是与路线设计的长度决定，包括轨道及设备成本，如枕木、紧固零件、和交通成本。容量相关成本包括掘土，路堤，道碴成本。有些情况下，道碴成本比较稳定，不会随着路线变化而变化，此时运载量成本就近似于长度相关成本。在一定程度上运营成本，维修成本，使用者成本和一部分的环境成本都属于交通相关成本。使用者成本还可归为时间相关成本。最后，一部分随着坡度、弯曲或其它地理特征变化的维修成本可归为地理相关成本。根据铁路路线设计特征而划分为
11、以上几个部分，会使铁路总成本函数更简单。 从优化路线问题来看，不同的成本项目会造成路线配置的不同变化。例如，从长度相关成本考虑会倾向于选择直线路线，而位置相关成本而更愿意选择迂回的设计路线。优化路线的特征是平衡不同成本类型。铁路成本的另一个重要因素是一项成本是主要构成部分还是重要敏感部分。如果成本项目在总成本中占了较大份额，则是主要构成部分。而敏感部分是指成本易受设计特征变化影响的部分。主要构成部分并不一定是敏感部分。本优化模型中不予考虑那些成本较小和不敏感部分的成本。（二）铁路设计的重要约束铁路路线有很多的几何规格。路线设计必需确保火车沿铁道安全、快速和舒服的行使。同时，还要达到运载乘客或货
12、物的特殊要求。所以在铁路路线设计中会面临很多的约束条件：(1)运载量和交通条件约束。铁路承载量或乘客(货物)的最大运载量是随着铁路各个构成部分而不断变化的，主要取决于交通设备、各站点之间的距离和长度、火车的长度、可用动力资源、火车头技术还有一些其它因素。(2)水平线向。水平线向通常是指铁路路线平面图的中心线，由切线、圆曲线和两者之间的平衡过渡曲线构成。还有一些其它约束特性同样要考虑到路线设计中，如圆曲线和过渡曲线上的标高。(3)垂直线向。垂直线向是指铁路路线平面图上与水平线向相对的垂直线，由抛物线上不同系列的交点构成。倾斜角度的大小是铁路建设项目要考虑的重要约束条件。（三） 铁路路线模型假设铁
13、路路线设计问题由于各种变量因素影响是一个非常巨大而复杂的问题，这些变量主要来源于解集的不确定性和一些复杂的约束条件。为解决这些问题，我们设定了以下几个假设。第一，假设选取范围是一个矩形区域，包括路线的始点和终点。在这个区域内我们寻找一个最合理的路线。要把所有的因素都考虑进入是不可能的，因为信息是变化的，而且受到可变信息的存储条件影响。所有数据格式要求占用最小内在空间，且必须是所有区域中的重要信息。本文采用可与GIS(地理信息系统)兼容的网格格式，并假设所有的位置相关成本，如土地征用成本、土地利用形式成本、每个网格内的土地环境等是一样的。同时假设内部参数的调节高度是相对较少的。如果(X0 , Y
14、0)和(Xmax，Ymax)在研究区域里分别取最小值和最大值，且每个网格的维度是D，则可在研究区域中得到(Xmax - X0)/D，( Ymax - Y0)/D。路线设计模型是由3个交叉点形成的三维空间模型。通过交叉点联结路线的起点和终点会得到三维空间中的分段线性轨迹。水平线向是以水平设计角度上三维路线的正交投影得来。为了得到连续平滑的路线，要运用计算机迭代程序使圆曲线和过渡曲线要和水平线向上的每个交叉点一一对应。垂直线向可从路线水平线向的垂直线获得。同样要使用迭代计算使抛物曲线上的每个交叉点与垂直路线一一对应，才会形成平滑连续的线路。众所周知，总路线是由垂直和水平方向的路线构成。在水平路线上
15、主要考虑因素有土地征用成本和其它与位置相关成本。而垂直路线上的主要影响因素是土地条件成本。但是，水平路线成本和垂直路线成本是相互依赖的、相互影响的，且铁路路线上的主要成本部分都与垂直(水平)路线高度相关。但是三维路线模型上的几何图形要求把问题分两步来解决。先设计水平路线，再设计垂直路线。（四）铁路路线规划在上述假设的基础上，此模型的决策变量是交叉点的坐标，每个交叉点在区域的不同等级网格中是惟一确定的。所以，成本函数会反映出决策变量表示的路线特征。位置相关成本的变量如土地征用成本、土地稳定性、环境影响还有其它成本项目都会根据其重要性，赋予不同的权重。计算与位置相关成本的步骤有：首先，确定路线经过
16、的具体区域；然后，计算每个单位具体区域的路线长度、宽度；最后，对每个网格区域的成本进行求和，即得与位置相关的总成本。与长度相关成本是用铁路长度乘以每单位长度的成本。每单位长度成本包括单位建设费用(如碎石、铁轨、枕木、紧固件等等)，单位铁路的维修费用和单位环境成本(属于总环境成本中的一部分)。用“每区域平均单位”来要评估包括掘土、路堤、取土坑和堆填警间的土壤运输等土地成本。先把路线按站点划分成几个部分。站点间的距离由区域类型、分辨率和工程评价决定。然后，根据水平路线的每个站点间切割(填充)横截面来计算，而横截面的确定要先确定铁路和土地的标高。铁路标高由垂直曲线的抛物线方程计算。土地标高就是站点所在区域网络的标高。运营成本、维修成本和事故成本通常会随着路线坡度增加和和曲线半径减少呈非线性变化。但是，由于铁路路线较短，初始成本会随着坡度增加和曲线半径减少而减少。所以要考虑一些相关因素，使决策变量更加优化，以使初
