（道路与铁道工程专业论文）铁路客运专线主要技术标准综合优化初步研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 ! i 一一i i i_ i i _, i,曼 摘要 本文初步建立了铁路客运专线的技术标准综合优化模型，验证了技术标准综合优 化理论应用于铁路客运专线的可行性，为铁路客专的技术标准的选取与决策提供一定 的参考。 根据高速铁路设计的相关规范，本文将技术标准的综合优化理论引入到铁路客运 专线中，并建立了一套适用于铁路客运专线的综合优化模型。文章优化了动态费用现值 法的数学模型和目标函数，运用非线性约束混合离散变量的优化方法对目标函数进行 优化运算。 文章考虑了投资与运营支出的动态变化与时间价值。选取速度目标值、最小曲线 半径、最大坡度和站间距离为主要设计变量。采用多元回归的数学方式建立了客运专 线主体工程费的数学模型。根据高速列车动车组的运行特点和我国高速铁路的运营模 式，对高速铁路客运专线的年运营支出进行了探讨，并建立了以速度目标值为主要变 量的运营费数学模型；作为固定设备投资的重要组成部分，文章还考虑了高速列车的 购置费用，并根据逐年运能增加的实际需求，采用动车组的分批分期的购置方式，保 证了投资的经济合理性。 最后文章以宁安铁路为实例研究对象，对本文的铁路客运专线综合优化理论模型 进行了算例分析，计算结果表明，本文建立的目标函数和约束函数具有一定的合理性， 对类似铁路主要技术标准的选取具有一定的参考价值。 关键词：客运专线 主要技术标准 综合优化 目标函数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t 1 1 1 et h e s i si n i t i a l l ye s t a b l i s h e sac o m p r e h e n s i v eo p t i m i z e dm o d e lo ft e c h n i c a ls t a n d a r d s i nh i 曲一s p e e dr a i l w a y s ，a n dv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yt h a tt h et h e o r yi sa p p l i e dt oh i g h s p e e d r a i l w a y s p r o v i d i n gar e f e r e n c ef o rt h ec h o i c ea n dd e c i s i o n m a k i n go ft h et e c h n i c a ls t a n d a r d s o ft h eh i g h s p e e dr a i lp a s s e n g e rl i n e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nc o d e so ft h eh i g h s p e e dr a i l w a y s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h e c o m p r e h e n s i v eo p t i m i z e dt h e o r yo ft h et e c h n i c a ls t a n d a r d si n t ot h eh i 曲- s p e e dr a i lp a s s e n g e r l i n e o p t i m i z i n gt h ed y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e la n do b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h et h e s i su s et h e o p t i m i z a t i o nm e t h o do f t h en o n - l i n e a rc o n s t r a i n e dm i x e dd i s c r e t ev a r i a b l et ot h eo p e r a t i o no f t h eo b je c t i v ef u n c t i o n t h ep a p e rc o n s i d e r st h ed y n a m i cc h a n g ea n dt h et i m ev a l u eo ft h ei n v e s t m e n ta n d o p e r a t i n ge x p e n s e s ，a n ds e l e c tt h et a r g e ts p e e d ，m i n i m u mc u r v er a d i u s ，m a x i m u ms l o p ea n d t h ed i s t a n c eb e t w e e ns t a t i o n sa st h em a i nd e s i g nv a r i a b l e s ；i nt h i st h e s i s ，m u l t i p l er e g r e s s i o n m a t h e m a t i c a la p p r o a c hi su s e dt ob u i l dt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h em a i np r o j e c tc o s t sf o ra p a s s e n g e rl i n e ；b a s e do nt h er u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲一s p e e dt r a i n sa n dt h eo p e r a t i n g m o d eo ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yi nc h i n a , r a i l w a yp a s s e n g e rl i n e sa n n u a lo p e r a t i n ge x p e n s e s w a sd i s c u s s e da n dt h eo p e r a t i n ge x p e n s em a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e d w i t ht h et a r g e t s p e e db e i n gt h em a i nd e s i g nv a r i a b l e ；a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ef i x e di n v e s t m e n ti n e q u i p m e n t s ，t h ea r t i c l ea l s oc o n s i d e r st h ef a r eo fb u y i n gh i g h - s p e e dt r a i n s ，a n di na c c o r d a n c e w i t ha n n u a li n c r e a s i n gn e e d so ft r a n s p o r tc a p a c i t y ，t h et r a i n sa r eb r o u g h ti nb ys t a g e sa n di n b a t c h e st oe n s u r et h ee c o n o m i cr a t i o n a l i t yo ft h ei n v e s t m e n t f i n a l l y ，t h ea r t i c l et a k e st h en a n j i n g - a n q i n gr a i l w a ya s a l le x a m p l et oc o n d u c ta n a n a l y s i su s i n gt h ec o m p r e h e n s i v eo p t i m i z e dt h e o r ym o d e lm e n t i o n e da b o v e t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h eo b je c t i v ef u n c t i o na n dc o n s t r a i n tf u n c t i o ne s t a b l i s h e di nt h et h e s i sh a v e ac e r t a i nd e g r e eo fr a t i o n a l i t y ，w i t hac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rt h es e l e c t i o no fm a j o r r a i l w a yt e c h n i c a ls t a n d a r d s k e y w o r d s ：h i 9 1 1 一s p e e dp a s s e n g e rs p e c i a ll i n e m a i nt e c h n i c a ls t a n d a r d s s y n t h e t i c o p t i m i z a t i o nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o n 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、本文将主要技术标准的综合优化引入到铁路客运专线中，对可行性研究阶段的设计 资料进行统计，通过回归建模、数据拟合和优化理论运算等数学方法得出了一套铁路客运专 线主要技术标准，验证出主要技术标准综合优化理论应用于工程实际的可行性。 2 、考虑了投资与运营支出随运量的逐年增长而变化，文章采用动态费用现值法来建立 高速列车的购置费模型和目标函数。 3 、在建模过程中，充分考虑了现阶段设计水平如设计规范要求的变化，对模型中相关 参数与约束函数进行相应的改进。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 驺泛妃降裂谚旁 锄f b 垆6 西南交通大学曲南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大 学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：痨鸳旁 日期：, z o r p 参多 指刷眺：懿当 日期： 2 0 0 -弘7 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 铁路主要技术标准是铁路建筑物和设备的类型、能力和规模的基本标准。它对铁 路运输能力、运营安全、投资规模、经济效益和社会效益有重要影响，而且主要技术 标准之间是联系密切、相互影响的，因此主要技术标准应根据国家要求的年输送能力 和确定的铁路等级在设计中予以综合考虑，最后经技术经济比选确定，以保证标准间 相互协调、技术上可行和经济上合理。 铁路客运专线是当代铁路科学技术的一项重大成就，在我国铁路发展史上产生了 重大影响，给铁路客运注入了新的活力，可以说铁路客专导致了铁路旅客运输业的一 场技术革命，代表着铁路客运的发展方向。 根据u i c ( 国际铁路联盟) 的定义，高速铁路是指透过改造原有线路( 直线化、 轨距标准化) ，使营运速率达到每小时2 0 0 公里以上，或者专门修建新的“高速新 线”，使营运速率达到每小时2 5 0 公里以上的铁路系统l 2 | 。 广义的高速铁路包含使用磁悬浮技术的高速轨道运输系统。在本文讨论的高速铁 路主要代指铁路客运专线。在我国，时速高达2 0 0 或以上，并使用c r h 和谐号列车称 为“动车组”，时速1 6 0 2 0 0 公里的城际列车称为“准高速”及长途列车称为“特 快”，1 2 0 1 6 0 称为“快速”，1 2 0 以下的称为“普快”，8 0 或以下为“普客列车”。 铁路客运专线是高科技发展的产物，它高度概括了铁路在牵引动力、线路结构、 行车控制、运输组织和经营管理等方面的先进技术，涉及力学、机械、电子、能源、 信息、材料、建筑、环保等多个科学技术领域。因此，对一个国家来说，发展铁路客 运专线需要一定的科学技术水平作为前提条件：反过来，通过发展铁路客运专线可以 促进国家的铁路乃至相关的各个科学技术领域的进步。 铁路客运专线也是社会经济发展的产物。随着社会经济的发展，人们劳动生产率 提高，对出行的效率要求也随之提高。同时，随着人们生活水平的提高，对出行的舒 适性要求也随之提高，而提高交通工具的旅行速度是提高交通出行效率和舒适性的主 要措施【1 1 。 1 1 1 铁路主要技术标准的传统优选方法 经济合理的选择丰要技术标准，我国铁路界一直沿用的是一种分别优选各主要技 术标准的传统方法。其具体方法大体上是确定牵引种类，然后优选最大坡度和最小曲 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 线半径，使到发线有效长和站间距离与最大坡度和机车类型相适应，以满足列车牵引 质量和运输能力的要求。 铁路主要技术标准中，有些属于基建标准，如正线数目、最大坡度、最小曲线半 径、到发线有效长度和站间距离，这些标准在铁路建设后，很难改变，应按远期需要 选定其标准。另一些属于技术装备类型。如牵引种类、机车类型、闭塞方式和机车交 路等，可随着运量的增长逐步实现技术装备的更新改造，宜结合近期和远期的需要统 筹考虑，以便分阶段加强设计线的能力达到节约初期投资的经济效果。因此在满足运 量要求的前提下，根据设计线在路网中的意义与作用、沿线地形和地质等自然条件、 资源分布、地区经济的发展状况及人口密度、相邻铁路的主要技术标准等，提出所有 可能的主要技术标准方案，然后对这些可能的方案从路网布局、地区经济发展、技术 经济的合理性、主要技术标准间的协调性、环境保护等方面加以论证，去掉一些明显 不合理的方案。由此可见，主要技术标准的选择是一项工作量大且非常复杂的工作。 对这项工作的研究也是具有很大现实价值与长远意义的。 尽管上述传统的主要技术标准确定方法为我国建国5 0 多年来的铁路建设做出了重 大贡献，但是过去由于受客观条件限制，设计手段和水平不高，主要技术标准综合比 选方法很不完善，而且缺乏可靠的科学依据。随着优化设计理论以及电算技术的广泛 应用，铁路主要技术标准综合优化与综合优选方法为主要技术标准的决策提供方法与 工具上的支持。 1 1 2 铁路主要技术标准综合优化思想的研究状况 铁路主要技术标准综合优化的设计思想与理论是由西南交通大学的王柢教授提出 并创立的。综合优化的设计思想初步形成于2 0 世纪7 0 年代末，并于8 0 年代中期正式 全面系统地提出这一设计思想及其原理与方法【4 】【5 1 ，并得到不断的发展、完善和应 用。这一设计思想的提出，曾在国际铁路界【拍】中引起强烈的反响。系统地分析了影响 铁路经济的主要因素，并将其分为两大类：一类为客观因素，包括设计线经行地区的 自然条件、需要担负的运输量和运输性质等；一类为主观因素，包括六个方面内容， 即牵引( 能源) 种类、机车类型、线路技术标准、建筑设备标准、运营方式、通信与 信号。并选取部分定量标准作为设计变量，通过数学手段建立设计变量与铁路经济之 间的定量关系数学模型，应用数值优化方法进行求解，获得了在客观因素下主观因素 ( 机车牵引力与限制坡度) 的最优组合，在王教授的研究【删f 4 5 】中，以计算牵引力f 、 最大坡度g 和最小曲线半径r 为设计变量，以换算工程运营费d 为目标函数，以运量 c 为性能约束，以g 、r 的技术要求为几何约束，建立了以下的优化模型： m i n d ( f ，g ，r ) = 宰a ( f ，g ，r ) + e ( f ，g ，r ) ( 1 - 1 ) s t c ( f ，g ，r ) c 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 m m , 一i i i 曼曼曼曼! 璺曼曼曼舅曼 g g m a x r i n 式中一投资效果系数； 彳一工程投资； e 一年运营支出； c 一设计的输送能力； g m 戤、i n 一分别为容许的最大的最大坡度与最小曲线半径。 通过理论分析与对统计资料的多元回归得出a ， e ，再对上述问题进行优化计 算，从而求得了f ，g ，r 的最优值，取得了综合优化设计思想与方法在铁路主要技 术标准中应用的开拓性突破，为后续研究与应用奠定了坚实的基础。 继王教授的前期研究工作之后，马炜教授对上述问题又做了系列研究，并 为推动这一设计思想的发展作了大量工作，提出了利用理论分析与多元统计分析 方法是可行的，并为设计标准决策系统的研制奠定了基础【6 】。随着计算机应用技术的 发展，王齐荣博士曾在上述研究的基础上，增加对铁路工程、运营指标有重大影响的 站间距离s 为设计变量，建立了上述优化问题的数学模型【7 】： m i n d ( f ，g ，r ，s ) = 木a ( f ，g ，r ，s ) + e ( f ，g ，r ，s ) ( 1 - 2 ) s 1 n 2n x f g 蚴g g m i l i r k k s 式中、m 分别为设计通过能力和需要的通过能力； r m 、分别为最小与最大的机车计算牵引力； 。、分别为容许的最小与最大的站间距离； g 曲一为容许的最小最大坡度。 王祥琴老师在四个主要技术标准的基础上引入了控制是否采用某一加强方式的状 态参数作为设计变量，并采用了动态法的数学模型，给今后的论文提供了一个方向 8 1 。陈进杰的论文将逐期加强措施引入到优化模型之中，建立了在计算期主要技术标 准发生变化时的动态优化模型，更是提出采用组合形法解决混合离散变量的模型9 1 。 后宗彪的学位论文中，提出了采用费用现值法建立目标函数f 10 1 。程永跃的学位论文【2 0 】 中，采用了运用复合形法计算混合离散变量的模型。 经过三十来年的研究与探索，主要技术标准综合优化的理论与实践都得到了很大 发展，主要表现在以下方面【1 1 】： 1 在设计变量上，从最初的机车牵引力与限制坡度两个变量，逐步发展到考虑 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 包括：速度目标值，牵引动力，最大坡度，最小曲线半径，到发线有效长度，站间距 离和列车质量、速度和密度等主要技术标准和主要技术指标在内的多个变量。 2 在列车运行时能耗建模方法方面，从最初的根据统计资料或牵引计算的计算 机仿真结果进行回归分析的建模方法，发展到采用列车运行动态数字仿真模型直接参 与优化计算的方法；在牵引计算方法上，也从均衡速度法发展到数值积分法。 3 在目标函数方面，经济评价模型由仪考虑初期投资的静态模型，发展到考虑 分期投资的动态模型，并同时对拟定的分期加强措施进行优化；从单一的经济指标的 单目标优化，发展到考虑经济和一些重要技术指标( 如速度目标值) 的多目标优化。 4 在数值优化方法上，从采用连续变量的优化方法并对结果按规定进行圆整， 发展到采用离散变量优化方法直接获得符合标准化设计要求的离散解；从单目标优化 方法发展到采用多目标优化方法。 5 在综合优选方法上，从单纯采用数值优化计算结果，发展到以数值优化结果 为基础，结合定性指标，应用多目标决策方法对不同方案作出决策的定量与定性相结 合的方法，并实现了主要技术标准综合优选人机交互辅助决策系统。 6 在工程实践应用方面，从典型线路的设计后验证性应用，发展到应用于为铁 路线路设计规范中如最大坡度、最小曲线半径、单线车站分布等标准的制订提供定 量的技术经济依据，并对在牵引动力的选择和列车质量、速度和密度的优化组合方面 的应用进行了探讨。 主要技术标准的综合优化是优化设计理论在铁路系统中的应用，是选择设计线主 要技术标准、实现固定设备与移动设备协调配套的科学决策方法之一。综合优化的设 计思想与方法，不仅可用于综合协调主要技术标准，为制订铁路线路设计规范相 关标准、路网及牵引动力规划等宏观决策和具体设计线的主要技术标准选择提供定量 的技术经济依据，还可用于实现列车质量、速度和密度的优化组配，而且对铁路建设 项目的经济评估、运营管理的经济效果分析都具有很高的实用价值。 1 2 本文的主要工作内容与技术路线 综合优化思想的基本出发点在于：首先，通过合理的工程技术手段降低工程量， 尽量减少大量的工程量带来环境的破坏；其次，以移动设备适用于固定设备，降低土 建工程的投资，合理动态的增加移动设备以满足运能的需求；最终，在总体上，以最 经济合理的投入( 工程费，机车购置费和运营支出) 获取最合理的运能，以达到最佳 的综合经济效益。 铁路设计中，各个标准之间是相互联系的，例如速度目标值、限坡、站间距、半 径长度，闭塞方式等，他们都对运能有着直接影响，从而联系到一起，综合对工程 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 量、运营费及运输能力起作用。在传统的铁路设计中，速度目标值较小，工程量和运 营费主要靠平、纵断面来控制，如曲线半径，限制坡度和牵引定数等。把这些因素综 合起来考虑铁路的投资，是优化思想的运用手段。在我国铁路运能的突出的供需矛盾 下，高速铁路逐渐增多，高标准，高速度，高投资是高速铁路的几大特色，将综合优 化的思想运用到高铁的修建也是极具意义的一个课题。 主要技术标准的综合优化设计的基本原理，就是运用系统工程和优化设计方法， 把铁路工程投资和运营支出作为一个系统，在分析各主要技术标准对铁路技术、经 济、运能影响的基础上，以经济指标为优化设计的目标函数，以运能为功能约束条 件，以各主要技术标准在技术上安全可靠为几何约束条件，建立数学模型，求解这些 模型，从而同时得到各主要技术标准的最优设计值。 结合铁路客专的特点，引入铁路主要技术标准综合优化理论，本文的主要研究内 容可以归纳为以下几点： ( 1 ) 选取对工程投资和运营支出影响较大的主要技术标准( 如速度目标值，最大 坡度、最小曲线半径、站间距离、到发线有效长度) 为主要设计变量； ( 2 ) 建立数学模型是本文的重点。对于工程费和运营费的数学模型，将采取理论 分析和数理统计的方法来进行建模，通过理论分析，如速度目标值、最大坡度、站间 距离等，最后利用数学手段及方法对统计的资料进行回归分析等，建立起工程费和运 营费、列车购置费的数学模型。 ( 3 ) 建立动态的目标函数，考虑了资金的时间价值，采用费用现值法的动态模型， 又考虑投资与运营支出近、远期的变化，建立了综合优化目标函数； ( 4 ) 以运能及相关规范对设计变量的限制作为约束条件，建立优化模型。本文涉 及的主要变量中既有连续变量，也有离散变量，属于非线性约束问题，是混合离散变 量优化问题，本文采用符合形法对数学模型进行优化运算。 本文采取的研究方法及技术路线 在方法上，综合优化是实现“固定设备与移动设备协调配套”的思路。本文以客 运专线为背景，结合客运专线的特点，拟采取的技术路线如下： ( 1 ) 主要设计变量的选取 首先根据系统工程的方法，在系统分析的基础上，选取对工程费、运营费及运输 能力影响较大的主要技术标准( 如速度目标值、最大坡度、最小曲线半径、站间距离、 到发线有效长度等) 作为设计变量。 ( 2 ) 建立工程费、运营费和列车购置费数学模型 土建工程费的数学模型：土建工程费与主要设计变量密切相关，可运用多元统计 分析建立模型。 列车购置费：动车组购置费是列车开行对数和列车单价的函数，与运量预测的结 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 果和列车运行的速度要求相关，可通过运输、通过能力建立模型。 运营费：主要包括与走行相关的能耗费用和固定设备维修费等，根据牵引能耗和 运营维修资料统计方法建立。 ( 3 ) 建立目标函数数学模型 建立评价目标和约束条件与设计变量间的关系函数，即目标函数和约束函数的建 立是优化设计问题中决定性的步骤，而数据的准确性和合理性以及建模方法对优化模 型与优化结果有着重大的影响。 目标函数的指标，它是设计变量及运能的相关函数。最简单的目标函数是以换算 工程运营费为经济评价指标，将一次性的投资与常年性的支出联合计量，即 f = 2 a ( 4 + 4 + a ，) + e ( 1 3 ) 式中投资效果系数 ( 4 ) 建立约束条件的数学模型 约束条件即技术上与功能上对变量的限制条件，对变量的取值范围( 即可行域) 起限制作用，主要包括几何约束和功能约束。技术约束是指技术对变量的几何要求， 如速度目标值、坡度限制、最小曲线半径的选择范围、到发线有效长度、站间距离的 上下限等。这些将根据地形条件、运能要求、安全与舒适条件及规范规定等确定。功 能约束指设计线的运输要求，与机型、台数、限坡、站距、闭塞方式等标准有关，可 对他们起综合约束作用，要求线路的可能通过能力大于或等于需要能力。 ( 5 ) 建立综合优化问题的数字模型并求解 以运能及相关规范对设计变量的要求作为约束条件，建立起优化模型，其中既有 连续变量，还有离散变量，是混合离散变量的优化问题，属于非线性约束问题，对数 学模型进行优化求解。优化方法根据数模的性质、变量的多少及解法的稳定性等条件 选用，本优化问题模型极为复杂，属于非线性混合变量的约束优化问题，可选用复合 形法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章主要设计变量及参数的选取 铁路设计中，各个标准之间是相互联系的，例如速度目标值、限制坡度、站间距 离、半径长度，闭塞方式等，他们都对运能有着直接影响，从而联系到一起，综合对 工程量、运营费及运输能力起作用。在综合优化思想中将几个主要标准联系起来考 虑，达到总体上优化的效果和综合的经济效益。本文将结合铁路客运专线主要技术标 准的特点和变化，选取几个主要标准作为文中的主要变量建立优化模型。 在传统的铁路设计中，速度目标值较小，工程量和运营费主要靠平、纵断面来控 制，如曲线半径，限制坡度和牵引定数等。把这些因素综合起来考虑铁路的投资，是 优化思想的运用手段。传统的客货共线铁路上，线规中明确规定下列内容为各级 铁路的主要技术标准：正线数目、限制坡度、最小曲线半径、车站分布、到发线有效 长度、牵引种类、机车类型、机车交路、闭塞类型。这些标准是确定铁路能力大小的 决定因素，一条铁路的能力设计，实质上是选定主要技术标准。同时这些标准对设计 的工程造价和运营效益有重大影响，并且是确定设计线一系列工程标准和设备类型的 依据。其中前五项属工程标准( 固定设备标准) ，建成后很难改变；后四项则属技术 装备类型，可随着运量的增长逐步进行更新改造。 在我国铁路运能的突出的供需矛盾下，铁路客运专线逐渐增多，高标准，高速 度，高投资是铁路客专的几大特色，将综合优化的思想运用到客专的修建也是极具意 义的一个课题。 2 1 主要设计变量的选取 高速铁路运输系统的基本功能是具有必要的运输能力，并要求达到取得一定经济 效益的目标。由于国家要求的年输送能力和客车对数直接体现了国家对铁路的运输要 求和长远计划，即体现了国家对系统的基本功能的要求，因此系统的设计应以满足国 家要求的年输送能力和客车对数为前提。影响系统功能和要求的因素众多，且关系复 杂。在综合优化时，需深入分析系统与各影响因素间的关系，选取对系统影响大的主 要因素作为设计变量，其他因素作为设计参量。 1 速度目标值 速度目标值是铁路客专主要技术标准选择的决定性参数，是展现铁路系统技术水 平的最主要标志，是高速列车运行的核心指标【i2 1 ，它对于铁路客运专线的投资和效益 有着重大影响。 速度目标值是主要技术标准的核心，其决定了其他配套设施、设备( 包括固定的 工程投资和相应的移动设备) 、运营模式的选择标准【1 3 】。铁路客专的速度目标值系指 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 某条铁路在多数区间段能运行的最高速度，其速度目标值一般分为2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 、 3 5 0 k m h 。速度目标值选取将会受到各方面因素的影响和制约，这是一个综合的系统 工程问题。 在本文的研究中，将速度目标值定为影响工程投资、运营支出和列车购置费的一 个重要参数，作为铁路运营费和列车购置费的主要设计变量，以矿表示。 2 正线数目 客运专线铁路一般修建在具有较大客运量的地区，列车开行方式要求高密度、小 编组、安全、准时、快速，这一开行特点必然要求正线数目为双线。 3 正线间距 铁路正线上两线中心最小间距，简称正线间距，主要与行车速度、车体宽度、列 车流线型化程度有关。铁路客运专线的线间距随速度目标值的提高而增大。 在土建工程上，正线间距的不同会引起路基宽度、桥梁宽度的变化，正线间距与 空气动力学影响隧道断面积，以及道床和机床厚度的变化等等都将直接影响到工程的 投资。 在运营上，根据铁路客运专线的技术和经济决策理论，保证列车交会运行安全的 途径包括两方面：一是增大线距以减小会车列车之间相互作用的气流，二是提高列车 自身的结构强度以避免高速气流相互作用造成的损害。前者需要加大线距从而增加土 建工程投资，后者需要提高列车结构设计强度从而增大机车车辆购置费。一般都是两 种措施并用。根据铁道部第四勘测设计院实际工程定线资料，线间距每增加0 2 m ，每 公里造价约增加1 6 ，并造成全线约3 9 0 亩土地的长期占用。我国新建时速3 0 0 - - - 3 5 0 公里客运专线铁路设计暂行规定，设计速度3 0 0k m h 是选取正线间距为4 8 m ，设计 速度为3 5 0k m h 时选取正线间距为5 0 m 。 4 最小曲线半径 最小曲线半径是线路平面设计时允许选用的曲线半径的最小值，它的大小对改善 运营条件和节省运营费用有重要影响。最小曲线半径的选定应考虑行车速度、地形条 件、机车牵引、旅客舒适度以及技术经济合理性等因素。 曲线半径对铁路工程的工程量和运营支出有着重大影响。在工程投资方面，地形 困难的地段选用小半径曲线，能更好的适应地形变化，可以有效的减少路基土石方 量、桥隧工程量和支档结构等，从而节省工程投资；另一方面，过多的采用小曲线半 径，将增大曲线长度，使线路转向角增大，使线路展长从而增大工程投资。高速铁路 的最小曲线半径一般在2 0 0 0 m 以上，难以适应地形变化，不利于绕避自然障碍和人工 建筑物障碍，因而不可避免会导致较大的土石方工程、桥隧工程和拆迁工程，从而导 致土建工程费用增加引。 在运营方面，过小半径曲线的运用限制运营速度，线路展长增大区间走行时分， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 从而影响运营支出；同时，小半径曲线会增加轮轨磨耗、降低轮轨间的粘着系数，导 致轨道设备和维修费用的增加。 本文建立的数学模型中，将最小曲线半径作为工程投资数学模型的设计变量。但 在高速铁路的运营中，曲线半径一般都在2 0 0 0 m 以上，不是限速的主要指标，工程实 践中直接通过速度目标值来选取曲线半径和缓和曲线长度，在本文中不将最小曲线半 径纳入运营支出的设计变量。根据相关设计规范对曲线半径取值范围的规定，在本文 铁路客运专线的优化过程中，最小曲线半径采用非均匀离散变量，以r 表示。 5 最大坡度 最大坡度是影响铁路全局的主要技术标准。它不仅对线路走向、长度和车站分布 有很大影响，而且直接影响运输能力、行车安全、工程费与运营费。因此，最大坡度 的选择，要综合研究牵引动力与速度、坡度的合理组合。大坡度在丘陵、山区可以减 少工程量，降低工程费，但是必须加大牵引动力，加大牵引动力将增加机车的购置费 和增加运营时的能耗费用。法国东南高速线采用3 5 ，节省了大量工程费，成为世界 各国工程造价最低的一条高速铁路，但机车车辆购置费高达工程造价的9 0 。 最大坡度与地形有密切的关系，对铁路的工程和运营指标有重大影响。在工程费 方面，高速铁路最大坡度值较小，与平均自然纵坡相适应能力差，拆迁征地量和土建 工程量将增大。在运营方面，在传统的社区铁路上，坡度值增大，牵引质量必将减 少，铁路输送能力会降低，在一定运输任务的条件下，开行的货物列车对数增加，从 而使运营支出增加。在高速铁路中，以客运专线为主，一般选用的最大坡度值较小， 机车类型以动车组和s s 。电力机车为主。高速列车和动车组编挂辆数少、牵引质量较 轻、牵引功率大，在长大干坡对速度的运行影响较少，基本没有影响。具有牵引功率 大，轴重小的特点，因此最大坡度和牵引动力将不是影响运营指标的主要因素，因 此，本文的运营指标未将坡度值作为主要设计变量。但在客运专线中，线路纵断面坡 度值普遍小于2 0 ，地形适应能力差，势比带来巨大的拆迁量和土建工程量，本文中 将坡度值定位为影响工程费用的重要指标。最大坡度作为一个均匀离散变量，以g 表 示。 6 站间显巨离 车站分布与工程投资、运输能力密切相关，是铁路设计的一项主要技术指标。客 运专线铁路的车站分布，主要取决于市场需求。一般情况下，当站间距离较小时，若 列车停站率较高，则旅行速度较低，运输服务质量不高；若列车停站率较低，则车站 投资效益不高。而当车站分布距离较大时，由于客运专线铁路的特点是本线旅客列车 和跨线旅客列车共线运行，列车运行速度差较大，需考虑较快列车的越行条件，对线 路能力影响较大【l5 1 。 国外高速铁路站间距离，短则不到2 0 k m ，长的达l o o k m 以上，主要决定于城市 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 分布和市场需求情况。国内外高速铁路的车站分布情况【1 5 1 见说明表2 - 1 。 表2 1 国内外高速铁路车站分布情况表 ，罕。，+ 车站数目平均站间最大站间 最小站间 国名线名 总长度 十磊i 口足蕞塞蔷i 。美：， 日本 法国 德国 西班牙 韩国 台湾省 中国 东海道 5 1 51 53 6 86 8 11 5 9 山阳5 5 41 83 2 65 5 91 0 5 东北4 9 6 51 83 2 65 5 9 1 0 5 上越 2 6 9 593 3 74 1 82 3 6 北陆 1 1 7 462 3 53 3 21 7 6 巴黎里昂4 1 741 0 4 里昂瓦朗斯1 2 121 2 11 2 1 瓦朗斯马赛3 0 3 31 5 6 大西洋2 8 1 4 7 01 6 8 1 5 北方线 3 3 331 11 汉诺威威尔茨堡 3 2 758 2 曼海姆斯图加特1 0 521 0 51 0 5 法兰克福科隆 2 1 955 5 汉诺威柏林 2 6 45 6 61 3 01 0 马德里塞威利亚4 7 1 41 5 7 汉城釜山4 3 068 3 71 2 6 86 2 9 台北高雄 3 4 575 7 5 秦皇岛沈阳4 0 4 6 94 56 83 l 从上表2 1 可以看出，除日本高速铁路的站间距离较小以外，其它各国高速铁路 的站间距离均较大。这主要是由于日本高速铁路沿线的人口密度较大，城镇分布密 集，行车密度也大；而欧洲各国高速铁路的沿线人口密度较小，行车量也相对较小。 分析中长期铁路网规划中的京沪、京广、京哈、沪甬深及徐兰、杭长、青太及沪 汉蓉等客运专线铁路的沿线人口和城镇分布情况，各条线路均有各自的特点。因此， 客运专线铁路车站分布的设计，一定结合沿线城镇和重要居民点的分布情况，根据列 车的开行方案、运输组织方式( 如是否套跑、高峰期运输组织及跨线旅客列车组织等) 以及铺画列车运行图对能力的要求和车站的技术作业需要，在满足能力需求的前提 下，经综合技术经济比选确定。 我国高速铁路办理客运业务车站的站间距离，主要受城市分布、城市间距离的制 约。此外，高速铁路客车运行速度并不相等，高速度列车也需越行较低速度的列车， 如果站间距离过长，而不能进行待避越行，则降低通过能力，因此，需在距离将长的 客运站之间，增加越行站。使站间距离适当均衡。高速车站造价较高，特别是受客观 因素控制时需要设高架站或拆迁大量建筑物，使得一个高速中间站【l6 】的造价高达亿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 曼舅皇曼曼! 曼曼曼舅i i 一 一i i i i i 量曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼兰曼曼曼曼曼! 皇蔓! 曼曼曼曼曼曼 元，凶此，车站过密将增加大量投资，对工程费投资有重要影响。本文的数学模型 中，将站间距离s 作为影响工程量的主要设计变量，在运营费中不做考虑。 7 牵引类型 对于牵引种类，电力牵引不仅是铁路的发展方向，是建设环保型、资源节约型交 通运输方式的需要，也是实现列车高速运行的动力需要。国外高速铁路全部采用电力 牵引，目前正在使用和开发的高速动车组也全部是电力牵引动车组。因此，客运专线 铁路应按电气化铁路设计【1 扪。我国高速铁路运行的旅客列车，将有高速列车、较短途 的快线城际动车组，还有较长途跨线的中速列车。高速列车和动车组编挂辆数少、牵 引质量较轻、牵引功率大，在长大干坡对速度的运行影响较少，基本没有影响。 8 到发线有效长度 根据高速铁路的运营模式，到发线有效长需要满足纯高速运营和高中速共线的运 营模式。高、中速共线运行的到发线有效长受中速列车长度控制；兼容轻快货物列车 高速铁路的到发线有效长，应根据轻快货物列车的牵引质量和编挂辆数计算确定。但 有效长不宜超过6 5 0 m ；运行全高速列车线路的到发线有效长，应同时满足二个条 件：一是高速列车长度及有关参数之和，二是进站信号机至到发线另一端出发信号机 之问的距离应大于列车由进站信号机到停车的制动距离。我国京沪暂规考虑了容 纳1 6 辆编组的中速列车，有效长规定为6 5 0 m 。 本文工程数量模型的中考虑了到发线有效长度，将其考虑为设计变量之一，以l 表示。 2 2 相关计算参数的选取 1 铁路基准收益率 用动态法进行方案经济比较时，采用的基准收益率兹的大小，对比选结果影响很 大。科学地确定铁路基准收益率蠢非常重要。本文中铁路基准收益率采用蠢= 6 。 2 计算期 铁路建设项目的计算期包括建设期与运营期【1 7 】。计算期一般可以采用2 5 - 3 0 年。具有贷款的项目，计算期不宜短于预定的贷款偿还期。建设开始年作为计算期第 一年，年序为1 。折现计算中，采用年末习惯法，年序1 发生的现金流量，按( 1 + ) 以折现；年序2 发生的现金流量，按( 1 + 如) 2 折现；依次类推。本文采用n = 3 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章工程费的数学模型 在本文的工程费数学模型中，主要研究了新线土建工程费组成，包括拆迁工程， 路基工程，桥隧工程，轨道工程等几项主要土建主体工程。在本文建立的数学模型 中，各项组成费用大多由对各项投资费用影响较大的主要技术标准及相关参变量组成 的函数构成。本文建立的土建工程数学模型主要是根据理论分析和对统计资料回归计 算得到。 3 1 工程费的组成 在本文的研究中，高速铁路土建工程费主体工程包括拆迁工程、路基工程、桥隧 工程，轨道工程等主要项目。 1 拆迁工程 在高速铁路客运专线设计中，一般都选用了比较高速度目标值，例如一般的城际 铁路选用了2 0 0 2 5 0 k m h 的速度目标值，京沪高铁，沪宁城际的速度目标值更是达到 了3 5 0 k m h 和3 0 0 k m h 。要满足客运专线所要求的客运能力和高速铁路的最低的技术 标准，必须要求线路的主要技术标准适应速度目标值这一设计的基本参数，相应的平 纵断面必须满足速度和结构的要求。 在线路平面上，高速度目标值决定了较大的曲线半径和较大的缓和曲线长度，大 曲线半径将难以适应地形变化，不利于避绕建筑物和自然障碍，因而不避免的会带来 比较大的桥隧工程，土石方工程，拆迁工程。此外，高速铁路的正线间距受速度的限 制，线间距较传统铁路要大，据铁路线路设计规范中规定，路段旅客列车设计速 度为1 6 0 k m h 和1 4 0 k m h 以下时，区段直线地段最小线间距分别为4 2 m 和4 o m ，而 在新建时速3 0 0 ，3 5 0 公里客运专线铁路设计暂行规定中，设计最高速度为3 0 0 k m h 和3 5 0 k m b 的区间段最小线间距分别为4 8 m 和5 o r e ，依因线间距的增大 - 3 i 起的平均 每1 0 0 公里线路的平面用地量将会增加9 0 多亩。 在线路的纵断面上，为了避免大面积的改变地形地质环境，桥梁和隧道工程比例 将会明显提高，在建的京沪高速铁路桥隧比例占到了全线路长度的8 0 以上，高架桥 的铁路形式将会大面积的出现在现在的高速铁路和客运专线上，那么相应的环境工作 评估和征地也会受到较大影响。例如大面积桥涵的设置，会增加道路改移数量；被高 架桥抬高的铁路线位会对电力线路，通讯线路带来很大的影响，这些都是征地拆迁工 程的组成内容。 在高速铁路在运营过程中，高速运行的列车产生的噪音将远大于传统列车，列车 的噪音污染将对铁路沿线的居民建筑物拆迁产生影响。客运专线铁路的主要噪声源是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 轮轨噪声、机械噪声、弓网噪声和空气动力学噪声( 车体与空气摩擦噪声) 等。国外 客运专线铁路试验和运营经验表明，列车运行速度达2 0 0 k m h 以上时，在无声屏障情 况下距线路中线2 5 m 测定的噪声达8 5 d b ( a ) 以上；当速度达2 7 0 - - - 3 0 0 k m h 以上时， 噪声达9 3 1 0 5 d b ( a ) 以上。速度再提高时，噪声强度同速度的高次方成正比。而我 国普通铁路噪声标准( g b l 2 5 2 5 9 0 ) 规定，距铁路中线3 0 m 处昼夜及夜间等效连续a 声级均不得大于7 0 d b ( a ) 。根据相关的规定，时速达到3 0 0 的列车在线路中线左右 各3 0 米范围内不适宜居住，那么高速铁路的拆迁征地量相对于低速线路也会有较大的 增长。 因此，相对传统的铁路而言，拆迁工程将会成为高速铁路投资的一个重要组成部 分，在本文的研究中，将拆迁工程作为影响高速铁路土建工程投资的主体工程之一。 在本文介绍