CN109492931A - 一种铁路速度目标值方案评价确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路工程建设领域，特别涉及一种铁路速度目标值方案评价确定方法，提供了一种综合考虑了4个一级指标和18个二级指标的铁路速度目标值方案评价指标体系和方案评价确定方法；有效解决了现有技术中指标选取不够全面、部分指标不实用和可操作性差、不能体现铁路设计速度与技术、经济、运营和市场环境的相互作用关系、无法满足铁路高速化的发展需求的问题；实现了定量指标和定性指标的综合评价和比选，减少了权重确定过程的主观随意性，实现了权重的主、客观统一，具有实用性和可操作性，评价结果更加科学合理、更具参考价值。

Description

一种铁路速度目标值方案评价确定方法

技术领域

本发明涉及铁路工程建设领域，特别涉及一种铁路速度目标值方案评价确定方法。

背景技术

铁路的速度目标值是铁路建设项目的核心技术指标，是展现铁路系统技术水平的最主要标志，是高速铁路总体设计的决定性参数，也是各修建高速铁路国家竞相追求的目标。选择速度目标值既要具有一定的先进性，又要技术上可行；既要着眼于长远发展，又要经济上合理；更要考虑到发挥铁路在我国综合交通运输体系中的骨干作用，符合我国国情、路情及其他各种相关因素。如何在多种铁路速度目标值方案中获得更加科学合理的铁路速度目标值，对于我国高速铁路的可持续发展具有重要的理论及现实意义。

现有技术中，对铁路速度目标值的确定主要依靠依赖于专家选择一系列的评价指标，然后通过定性分析来决定，不同的专家选择的评价指标可能不同，乃至一些评价活动中评价指标的选取不够完善，从而导致指标的定量计算和定性描述不够规范和完备，针对性不强，且依赖于人主观选择的评价指标具有较大的随意性，通用性差，评价方法无法重复使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的铁路速度目标值确定选择过程中过多依赖专家主观选择，从而导致评价指标不统一，不完善，确定方法无法重复使用的不足，提供一种铁路速度目标值方案评价确定方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种铁路速度目标值方案评价确定方法，包括以下步骤：

S1：构建铁路速度目标值方案评价指标体系，所述指标体系包括4个一级指标和18个二级指标，一级指标包括适应性、技术标准、运营条件、工程经济；

所述适应性包括与功能定位的匹配程度、与时间目标值的适应性、与相邻路网的协调性和市场适应和竞争能力四个二级指标；

所述技术标准包括线路长度、桥隧比、最小曲线半径、最大坡度和牵引质量五个二级指标；

所述运营条件包括旅行时间、旅行速度、投资节时比、客运量、货运量和通过能力六个二级指标；

所述工程经济包括工程投资费、运营费和财务内部收益率三个二级指标；

S2：根据各个备选方案对所有二级指标进行赋值；

S3：对若干个备选方案中定性指标和定量指标的取值分别进行规范化处理，得到规范化评价矩阵；

S4：采用组合赋权法计算每个指标的权重；

S5：利用S4得到的权重对规范化评价矩阵进行加权，得到加权矩阵；

S6：确定正理想方案和负理想方案；

S7：计算各个备选方案分别距离正理想方案和负理想方案的距离；

S8：计算各个备选方案的综合相对贴近度，根据综合相对贴近度的大小确定各个备选方案中的最优方案。

本发明提供一种铁路速度目标值方案评价确定方法，提供了一种综合考虑了4个一级指标、18个二级指标的铁路速度目标值方案综合评价确定方法；有效解决了现有技术中指标选取不够全面、或者部分指标不实用和可操作性差、不能体现铁路设计速度与技术、经济、运营和市场环境的相互作用关系、无法满足铁路高速化的发展需求的问题，本发明提供的铁路速度目标值方案评价确定方法综合考虑了外部条件适应性、技术标准、运营条件和工程经济四个目标的统一，符合铁路高速化和铁路建设可持续发展的要求，且所有微观层子指标均具有实用性和可操作性。

进一步，本发明提供的方法还采用组合赋权法计算指标的权重，兼顾了指标的客观取值数据和决策者的工程实践经验，减少了权重确定过程的主观随意性，实现了权重的主、客观统一；克服了层次分析法、模糊综合评价方法等传统方案评价方法的缺点，实现了定量指标和定性指标的综合评价和比选，使得评价结果更加科学合理、更具参考价值。

优选的，所述步骤S3中，利用三角模糊数对定性指标进行量化处理，能够充分考虑定性指标的模糊性，弥补了传统方法直接将定性指标转换为{1，3，5，7，9}，从而造成对定性指标不确定性信息考虑不足的缺点。

优选的，所述步骤S3中，对各项定性指标和定量指标分别进行规范化处理的方法为：

对于效益型定量指标，规范化方法为

对于成本型定量指标，规范化方法为

对于效益型定性指标，规范化方法为

对于成本型定性指标，规范化方法为

其中，m为备选方案的个数；n为评价指标的个数；a_ij为第i个备选方案中第j个定量指标的取值；为第i个备选方案中第j个定性指标的三角模糊数取值。

优选的，所述步骤S4中，采用指标主观权重和指标客观权重对每个指标进行组合赋权。

优选的，所述步骤S4中，所述指标主观权重通过G1法计算得到，所述指标客观权重通过离差法计算得到，

其中，——利用G1法计算的指标主观权重；——利用离差最大化法计算的指标客观权重；w_j为第j个评价指标的组合权重；n为评价指标的个数。

优选的，所述步骤S4中，采用G1法对指标主观权重赋值的步骤为，

S41：确定指标重要性程度并按照重要性程度降序排序；排序后的指标分别为每个指标的权重分别为

S42：定义相邻指标重要程度比

当相邻指标和具有同样重要性r_j＝1.0；

当相邻指标比指标稍微重要，r_j＝1.2；

当相邻指标比指标明显重要，r_j＝1.4；

当相邻指标比指标强烈重要，r_j＝1.6；

当相邻指标比指标极端重要，r_j＝1.8；

S43：求得重要性程度最小指标的权重为：

S44：其他n-1个指标的权重：

优选的，所述步骤S6中，确定正理想方案和负理想方案方法如下：

对于所有定量指标：

对于所有定性指标：

其中，m为备选方案的个数；n为评价指标的个数，其中定量指标的个数为k；s_ij为第i个备选方案中第j个定量指标规范化后的取值，为第i个备选方案中第j个定性指标的三角模糊数规范化后的取值。

优选的，所述步骤S7中，第i个备选方案到正理想方案Y⁺的距离为：

第i个备选方案到正理想方案Y^-的距离为：

其中，当j为定性指标时，和都为三角模糊数；

优选的，所述步骤S8中，各个备选方案的综合相对贴近度的计算方法为：

其中，当P_i＝1时，备选方案的综合评价值最高；当P_i＝0时，备选方案的综合评价值最低，综合评价值相对最高的备选方案为最优方案。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供了一种综合考虑了4个一级指标、18个二级指标的铁路速度目标值方案综合评价确定方法；有效解决了现有技术中指标选取不够全面、或者部分指标不实用和可操作性差、不能体现铁路设计速度与技术、经济、运营和市场环境的相互作用关系、无法满足铁路高速化的发展需求的问题，本发明提供的铁路速度目标值方案评价确定方法综合考虑了外部条件适应性、技术标准、运营条件和工程经济四个目标的统一，符合铁路高速化和铁路建设可持续发展的要求，且所有微观层子指标均具有实用性和可操作性。

同时，本发明提供的方法还具有至少以下三点有益效果：

1、利用三角模糊数对定性指标进行量化，能够充分考虑定性指标的模糊性，弥补了传统方法直接将定性指标转换为{1，3，5，7，9}，从而造成对定性指标不确定性信息考虑不足的缺点；

2、采用组合赋权法计算指标的权重，兼顾了指标的客观取值数据和决策者的工程实践经验，减少了权重确定过程的主观随意性，实现了权重的主、客观统一；

3、本评价方法克服了层次分析法、模糊综合评价方法等传统方案评价方法的缺点，实现了定量指标和定性指标的综合评价和比选，使得评价结果更加科学合理、更具参考价值。

附图说明：

图1是本发明所述的一种铁路速度目标值方案评价确定方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1所示，一种铁路速度目标值方案评价确定方法，包括以下步骤：

S1：构建铁路速度目标值方案评价指标体系，所述指标体系包括4个一级指标和18个二级指标，一级指标包括适应性、技术标准、运营条件、工程经济；

所述适应性包括与功能定位的匹配程度、与时间目标值的适应性、与相邻路网的协调性和市场适应和竞争能力四个二级指标；

所述技术标准包括线路长度、桥隧比、最小曲线半径、最大坡度和牵引质量五个二级指标；

所述运营条件包括旅行时间、旅行速度、投资节时比、客运量、货运量和通过能力六个二级指标；

所述工程经济包括工程投资费、运营费和财务内部收益率三个二级指标。

具体如表1所示：

表1铁路速度目标值方案评价指标体系

S2：根据各个备选方案对所有二级指标进行赋值，其中定性指标可由专家进行确定；

S3：对若干个备选方案中定性指标和定量指标的取值分别进行规范化处理，得到规范化评价矩阵，具体的：

首先，利用三角模糊数对定性指标进行量化处理，从而很好的解决了被评价对象性能无法准确度量而只能用自然语言进行模糊评价的矛盾，定性指标和三角模糊数的转化关系如表2所示：

表2定性指标与三角模糊数的转化关系

定性指标取值：语言类模糊数	三角模糊数
		“差”或“小”或“低”	(0.0，0.1，0.2)
“较差”或“较小”或“较低”	(0.2，0.3，0.4)
		“一般”	(0.4，0.5，0.6)
“较好”或“较大”或“较高”	(0.6，0.7，0.8)
		“好”或“大”或“高”	(0.8，0.9，1.0)

接着，将定量指标取值的实数和定性指标取值的三角模糊数组合，构成备选方案的综合评价矩阵：

最后，对指标进行规范化处理，得到规范化评价矩阵S＝(s_ij)_m×n，其中各个指标可进一步划分为效益型指标和成本型指标，成本型指标就是取值越大，指标越差，比如工程投资，投资越大的话，我们认为就越不好；效益型指标就相反，取值越大就越好，比如运输收入，收入越高对整个工程就越好。

对于效益型定量指标，规范化方法为

对于成本型定量指标，规范化方法为

对于效益型定性指标，规范化方法为

对于成本型定性指标，规范化方法为

其中，m为备选方案的个数；n为评价指标的个数，其中定量指标的个数为k；a_ij为第i个备选方案中第j个定量指标的取值；为第i个备选方案中第j个定性指标的三角模糊数取值；s_ij为第i个备选方案中第j个定量指标规范化后的取值，为第i个备选方案中第j个定性指标的三角模糊数规范化后的取值。

S4：采用组合赋权法计算每个指标的权重，具体方法为：

其中，——利用G1法计算的指标主观权重；——利用离差最大化法计算的指标客观权重；w_j为第j个评价指标的组合权重。

G1法是多指标综合评价中一种主观赋权方法，根据专家对各指标重要性的排序以及各个指标相对重要的程度的判断计算各指标的权重，具体包括如下步骤：

S41：聘请专家根据经验确定两个指标x_i和x_i-1的相对重要性程度，得出方案指标集唯一的重要性关系为：其指标权重分别为

S42：专家对相邻指标和重要程度之比可以用来表示，r_j首先由各个专家独自判定然后取其平均值，其具体赋值可以参考表3。

表3 r_j赋值参考表

S43：求得重要性程度最小指标的权重为

然后进一步计算其他n-1个方案指标的权重

G1法的优势在于不需要构建判断矩阵；与构造AHP判断矩阵相比计算工作量成倍减少；G1法在应用中对决策方案的个数没有限制；同时具有强保序性，且简单、直观、方便使用。

离差最大化法是通过计算指标取值数据之间的“距离”来度量指标之间的差异程度。通常，如果所有备选方案关于第j个指标C_j的取值a_ij(i∈m)之间的差异(或距离)越大，则说明该指标对方案比选所起的作用越大；反之则说明该指标对方案比选所起的作用越小。所以，从指标值对方案进行排序或比选的影响角度考虑，无论指标本身重要程度如何，各备选方案之间哪个指标的取值离差越大，它就应该被赋予越大的权重；反之，离差越小权重就越小。

运用上面的思想，考虑在已知规范化矩阵S的情况下，基于离差法的指标权重的具体求法如下：

对于指标C_j，假设方案X_i与其他方案的偏差用D_ij(W)表示，则可定义

并且设

对指标C_j而言，D_j(W)表示所有备选方案与其他方案的偏差，而指标权重向量W的选择应该使所有指标对所有方案的总偏差最大。所以构造偏差函数

故，通过求解下面单目标最优化问题就可以求出指标的权重向量W

下面求解此问题，为此构造拉格朗日函数

对上面拉格朗日函数分别对w_j和δ求偏导，并令其为0，可得

解上面方程组可得

注意到有

把式(2-8)代入式(2-7)中，并进行归一化处理后得到

式中，n——指标个数；m——备选方案个数；——为第j个指标的客观权重；d(s_ij，s_kj)——为标准化决策矩阵中的元素s_ij和s_kj的距离，s_ij，s_kj可以是精确数，也可以是三角模糊数。

S5：利用S4得到的权重对规范化评价矩阵S＝(s_ij)_m×n进行加权，得到加权矩阵Y＝(y_ij)_m×n，其中，y_ij＝w_js_ij。

S6：确定正理想方案和负理想方案方法如下：

对于所有定量指标：

对于所有定性指标：

S7：计算各个备选方案分别距离正理想方案和负理想方案的距离；

第i个备选方案到正理想方案Y⁺的距离为：

第i个备选方案到正理想方案Y^-的距离为：

其中，当j为定性指标时，和都为三角模糊数；为定性指标规范化后的三角模糊数和正理想方案中相应指标的三角模糊数的距离， 为定性指标规范化后的三角模糊数和负理想方案中相应指标的三角模糊数的距离，

S8：计算各个备选方案的综合相对贴近度，根据综合相对贴近度的大小确定各个备选方案中的最优方案，各个备选方案的综合相对贴近度的计算方法为：

其中，当P_i＝1时，备选方案的综合评价值最高；当P_i＝0时，备选方案的综合评价值最低，综合评价值相对最高的备选方案为最优方案。P_i值越大，则第i个方案整体评价值越大，表明该方案越优；P_i值越小，则第i个方案整体评价值越小，表明方案越差。

还可以将贴近度P_i划分7个等级标准，用以表征铁路速度目标值方案综合评价的程度(表4)。同时，这里的综合评价值只是各比较方案相对于文中构建的虚拟理想方案的一个相对评价值，而不是绝对意义上的评价值，这是由于方案评价指标中的很多定量指标都难以给出一个绝对的“好、很好，差，少，多”等方面的评价标准，比如对于“工程量”这个指标，难以给出多少“工程量”算“少”、多少“工程量”又算“多”等这样一个划分标准，所以进行定量、定性综合评价后也不存在绝对的评价值。

表4铁路速度目标值方案综合评判标准

综合相对贴近度P<sub>i</sub>	0-0.1	0.1-0.2	0.2-0.4	0.4-0.6	0.6-0.8	0.8-0.9	0.9-1
								方案评价程度	很差	差	较差	一般	较好	好	很好

本发明依据铁路速度目标值方案综合相对贴近度将方案划分为7个不同等级，可为铁路速度目标值方案综合评价和比选工作提供一定的参考作用，促进方案比选过程的客观化和科学化。

下面以成渝客运专线速度目标值方案确定情况来对本发明进行进一步的说明，具体的，可行性研究时分别对旅客列车运行速度200km/h(预留250km/h)、250km/h、300km/h、350km/h方案进行了研究。

各主要工程数量及投资见表5。

表5各备选方案主要工程数量及投资

通过对成渝客运专线铁路可研报告的整理，得出上述三个方案各指标取值的基础数据，根据本工程评价的实际需要，对于定性分析中未涉及到的指标，用“-”代替该指标的取值。同时聘请专家采用语言类模糊数对定性指标进行赋值，见表6。

表6各速度方案及对应指标的取值

(1)定性指标的语言类模糊数取值量化为三角模糊数，见表7。

表7定性指标量化值

(2)将定性指标取值的三角模糊数与定量指标取值精确实数结合起来，构成速度目标值方案评价的决策矩阵为：

(3)分别对决策矩阵进行规范化处理，得到规范化矩阵为：

(4)计算指标组合权重为：

W＝(0.179，0.199，0.233，0.056，0.014，0.083，0，0.064，0.058，0.083，0.031)。

(5)利用组合权重W对规范化矩阵S进行加权，得到加权规范化矩阵Y，然后计算各备选方案到正理想方案与负理想方案的距离，并得到各方案的综合相对贴近度，即350km/h方案、300km/h方案和250km/h方案的综合评价值为：

P₁＝0.90，P₂＝0.56，P₃＝0.25。

因此，方案排序结果为X₁＞X₂＞X₃，350km/h方案比其他三个速度目标值方案更优。

对三个速度标准方案的指标数据进行分析可知，350km/h方案虽然桥隧比最高、工程投资费最高以及投资节时比最大，但与最低值相比，桥隧比最多增加了16.6％，工程投资费最多增加了5.3％，并且在与时间目标值的适应性、与相邻路网的协调性、市场适应和竞争能力、线路长度和旅行时间等大权重指标方面全部占优，因此350km/h方案的综合评价结果达到“很好”，而其他两个速度目标值方案的综合评价结果只为“一般”和“较差”。上述计算得出的结果与可研报告中专家通过对定量指标的计算和对定性指标的分析后所做出的方案决策结论一致。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种铁路速度目标值方案评价确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建铁路速度目标值方案评价指标体系，所述指标体系包括4个一级指标和18个二级指标，一级指标包括适应性、技术标准、运营条件、工程经济；

所述适应性包括与功能定位的匹配程度、与时间目标值的适应性、与相邻路网的协调性和市场适应和竞争能力四个二级指标；

所述技术标准包括线路长度、桥隧比、最小曲线半径、最大坡度和牵引质量五个二级指标；

所述运营条件包括旅行时间、旅行速度、投资节时比、客运量、货运量和通过能力六个二级指标；

所述工程经济包括工程投资费、运营费和财务内部收益率三个二级指标；

S2：根据各个备选方案对所有二级指标进行赋值；

S3：对若干个备选方案中定性指标和定量指标的取值分别进行规范化处理，得到规范化评价矩阵；

S4：采用组合赋权法计算每个指标的权重；

S5：利用S4得到的权重对规范化评价矩阵进行加权，得到加权矩阵；

S6：确定正理想方案和负理想方案；

S7：计算各个备选方案分别距离正理想方案和负理想方案的距离；

S8：计算各个备选方案的综合相对贴近度，根据综合相对贴近度的大小确定各个备选方案中的最优方案。

2.根据权利要求1所述的一种铁路速度目标值方案评价确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，利用三角模糊数对定性指标进行量化处理。

3.根据权利要求2所述的一种铁路速度目标值方案评价确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，对各项定性指标和定量指标分别进行规范化处理的方法为：

对于效益型定量指标，规范化方法为

对于成本型定量指标，规范化方法为

对于效益型定性指标，规范化方法为

对于成本型定性指标，规范化方法为

其中，m为备选方案的个数；n为评价指标的个数；a_ij为第i个备选方案中第j个定量指标的取值；为第i个备选方案中第j个定性指标的三角模糊数取值。

4.根据权利要求1所述的一种铁路速度目标值方案评价确定方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用指标主观权重和指标客观权重对每个指标进行组合赋权。

5.根据权利要求4所述的一种铁路速度目标值方案评价确定方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述指标主观权重通过G1法计算得到，所述指标客观权重通过离差法计算得到，

其中，——利用G1法计算的指标主观权重；——利用离差最大化法计算的指标客观权重；w_j为第j个评价指标的组合权重；n为评价指标的个数。

6.根据权利要求5所述的一种铁路速度目标值方案评价确定方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用G1法对指标主观权重赋值的步骤为，

S41：确定指标重要性程度并按照重要性程度降序排序；排序后的指标分别为每个指标的权重分别为

S42：定义相邻指标重要程度比

当相邻指标和具有同样重要性r_j＝1.0；

当相邻指标比指标稍微重要，r_j＝1.2；

当相邻指标比指标明显重要，r_j＝1.4；

当相邻指标比指标强烈重要，r_j＝1.6；

当相邻指标比指标极端重要，r_j＝1.8；

S43：求得重要性程度最小指标的权重为：

S44：其他n-1个指标的权重：

7.根据权利要求1所述的一种铁路速度目标值方案评价确定方法，其特征在于，所述步骤S6中，确定正理想方案和负理想方案方法如下：

对于所有定量指标：

对于所有定性指标：

其中，m为备选方案的个数；n为评价指标的个数，其中定量指标的个数为k；s_ij为第i个备选方案中第j个定量指标规范化后的取值，为第i个备选方案中第j个定性指标的三角模糊数规范化后的取值。

8.根据权利要求7所述的一种铁路速度目标值方案评价确定方法，其特征在于，所述步骤S7中，第i个备选方案到正理想方案Y⁺的距离为：

第i个备选方案到正理想方案Y^-的距离为：

其中，当j为定性指标时，和都为三角模糊数；

9.根据权利要求8所述的一种铁路速度目标值方案评价确定方法，其特征在于，所述步骤S8中，各个备选方案的综合相对贴近度的计算方法为：

其中，当P_i＝1时，备选方案的综合评价值最高；当P_i＝0时，备选方案的综合评价值最低，综合评价值相对最高的备选方案为最优方案。