Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu lựa chọn hợp lý các thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc và áp dụng cho tuyến đường sắt Hà Nội – Vinh

Lý do chọn đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn hợp lý các thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắ cao tốc và áp dụng cho tuyến đường sắt Hà Nội – Vinh” -Mỗi một tổ hợp các TSKTCB của một tu

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn hợp lý các thông số

kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắ cao tốc và áp dụng cho tuyến đường sắt Hà Nội – Vinh”

-Mỗi một tổ hợp các TSKTCB của một tuyến ĐSCT tương ứng với một

sơ đồ năng lực vận chuyển và hiệu quả kinh tế - xã hội nhất định

-Bài toán lựa chọn tổ hợp các thông số cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc là bài toán phức tạp, phụ thuộc nhiều yếu tố Nếu sử dụng các phương pháp truyền thống thì cần rất nhiều thời gian và kinh phí để khảo sát số liệu, tính toán, so sánh nhưng cũng chỉ cho độ hợp lý, tối ưu với từng thông số, việc hợp lý cho cả tổ hợp gặp nhiều khó khăn

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu, đề xuất

phương pháp nhanh lựa chọn hợp lý các TSKTCB của ĐSCT trong điều

kiện Việt Nam chưa có ĐSCT

3 Đối tượng: Các thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Góp phần làm sáng tỏ cơ sở lý luận về các thông số cơ bản của đường sắt cao tốc, ảnh hưởng của các thông số này đến kinh tế, xã hội, môi trường và các yêu cầu kỹ thuật trong khai thác đường sắt cao tốc

- Cách lựa chọn nhanh các thông số kỹ thuật cơ bản hợp lý nhất của đường sắt cao tốc trong điều kiện Việt Nam chưa có đường sắt cao tốc để xem xét chủ trương xây dựng, lập nhiệm vụ nghiên cứu khả thi dự án xây dựng 1 tuyến đường sắt cao tốc tại Việt Nam

7 Kết cấu luận án:

Mở đầu: Trình bày lý do cần nghiên cứu chọn TSKTCB

Chương1 Tổng quan về lựa chọn các thông số kĩ thuật cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc

Chương2: Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu và lựa chọn thông số kĩ thuật

cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc

2 Chương3: Lựa chọn Thông só kĩ thuật cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc Hà Nội – Vinh

Kết luận: Trình bầy các kết luận về kết quả nghiên cứu và kiến nghị

về hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 Tổng quan về lựa chọn thong số kỹ thuật cơ bản của

đường sắt cao tốc 1.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc

1.1.1 Giới thiệu về TSKTCB của đường săt cao tốc các nước

1.1.2 Đối với Việt Nam

Tiêu chuẩn ngành 22TCN362-07 chỉ đề cập:

- Tốc độ thiết kế: Vmax ≤ 350km/h;Bán kính đường cong nằm; Điều kiện bình thường: Rmin ≥ 5000m; Điều kiện khó khăn: cho phép điều chỉnh theo tốc độ; Độ dốc dọc tối đa; Điều kiện bình thường: Imax ≤ 25‰; Điều kiện khó khăn: Imax ≤ 30‰; Kích thước nền đường; Khoảng cách giữa 2 tim đường: D ≤ 5m

1.1.3 TSKTCB của tuyến ĐSCT

1 Tốc độ thiết kế (V tk ): Có các dải tốc độ 200km/h - 250km/h;

250km/h -300km/h và 300km/h - 350km/h

2 Số đường chính tuyến (n): Cần thiết kế đường đôi 2 chiều vì

ĐSCT có mật độ chạy tầu lớn, cự ly chạy tầu dài, khả năng điều chỉnh vận tải lớn Vậy n ≥ 2

3 Khoảng cách tối thiểu giữa các tim tuyến (D): Là khoảng

cách ngắn nhất giữa tim tuyến chiều đi và tim tuyến chiều về ở khu gian Nó được quy định theo vân tốc thiết kế:

4 Bán kính đường cong tròn tối thiểu (R min ): Đây là một trong

những TSKTCB chủ yếu của tuyến đường sắt Nó liên quan với phương thức tổ chức chạy tầu, với tốc độ thiế kế, với độ thích nghi của hành khách, với độ ổn định chạy tầu

5 Độ dốc tối đa (12-25%o): Độ dốc tối đa của chính tuyến ở

khu gian phụ thuộc loại công nghệ đoàn tầu và tình hình địa hình cao thấp và kiểm toán sức kéo đoàn tầu chạy vượt dốc tối đa

Đường sắt chuyên chạy tầu khách sử dụng nhóm toa nhẹ, trong khi động cơ lại có công suất lớn, tính năng kéo và hãm tốt nên thích ứng với việc vận hành trên độ dốc lớn

1.2 Sự cần thiết phải lựa chọn hợp lý các thông số kỹ thuật trên tuyến ĐSCT

- Mỗi TSKTCB có một miền giá trị được giới hạn bởi các cận dưới và cận trên xác định theo các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật hoặc các kết quả nghiên cứu từ thực nghiệm của các tuyến ĐSCT

- Giá trị hợp lý nhất của TSKTCB là giá trị nằm trong miền xác định và thỏa mãn tốt nhất các mục tiêu về năng lực khai thác và hiệu quả kinh tế - xã hội, môi trường của tuyến đường

1.3 Lựa chọn thông số kỹ thuật cơ bản trên tuyến đường sắt cao tốc

1.3.1 Phương pháp lựa chọn riêng biệt từng thông số kỹ thuật cơ bản Bằng cách tìm các nhân tố ảnh hưởng đến mỗi TSKTCB từ đó đề

ra miền xác định mỗi thông số và bằng cách xây dựng công thức định lượng để xác định một giá trị hợp lý nhất trong miền xác định đó

1.3.1.1 Chọn tốc độ mục tiêu Nó phụ thuộc 5 nhân tố chính là tầm quan trọng của tuyến đường, quan hệ giữa tốc độ và giá thành, quan hệ giữa tốc độ và tiêu hao năng lượng, ảnh hưởng của tốc độ đến năng lực cạnh tranh với các phương tiện giao thông khác, ảnh hưởng của tốc độ đến môi trường

1.3.1.2 Chọn bán kính đường cong tròn tối thiểu (Rmin) Bán kính đường cong tròn phụ thuộc các yếu tố là: an toàn chuyển động của đoàn tầu, tính kinh tế và độ thích nghi của hành khách đi tầu

1.3.1.3 Chọn độ dốc tối đa của chính tuyến

1.3.1.4 Chọn khoảng cách giữa hai tim tuyến

1.3.2 Phân tích đánh giá phương pháp truyền thống lựa chọn tổ hợp các thông số kỹ thuật cơ bản về các yếu tố tuyến đường

Mỗi một tổ hợp các thông số kỹ thuật cơ bản tương ứng với một

sơ đồ năng lực vân chuyển và hiệu quả kinh tế của tuyến

Bài toán lựa chọn tập hợp các TSKTCB tuyến đường sắt theo phương pháp truyền thống được giải với điều kiện đáp ứng các yêu cầu

chi phí dẫn xuất nhỏ nhất đông thời thỏa mãn các ràng buộc kỹ thuật

4

1.3.3 Phân tích những công trinh nghiên cứu ở trong nước liên quan đến chọn thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc

Việt Nam đến nay chỉ 2 nghiên cứu khả thi của Hàn Quốc: ĐSCT

Hà Nội - Vinh, Thành phố HCM - Nha Trang và 1 báo cáo của Nhật: Hà Nội – Thành phố Hồ chí Minh có nghiên cứu một số phương án thiết kế, trong đó có xác định các TSKTCB

1.3.4 Những tồn tại trong việc tìm các thông số kỹ thuật cơ bản theo phương pháp truyền thống

- Do phương pháp truyền thống chỉ xét đến chỉ tiêu kinh tế, không xét một cách toàn diện các chỉ tiêu về xã hội, môi trường và không định lượng được ảnh hưởng của các chỉ tiêu đó đến tuyến ĐSCT

- Phải thiết kế tuyến để có khối lượng tính toán và nó rất lớn

- Thời gian tính toán nhiều vì cần rất nhiều thông tin rõ ràng mới có thể tính toán được hàm số Kdx Mà trên thực tế phải qua nhiều bước thiết kế mới biết được

- Số lượng các phương án đưa vào tính toán so sánh bị hạn chế, không phản án đầy đủ quan hệ phụ thuộc giữa các chỉ tiêu định lượng được và các chỉ tiêu không định lượng được

- Riêng ở Việt Nam chưa có nghiên cứu về những về TSKTCB của tuyến ĐSCT

1.4 Mục tiêu của luận án

- Phân tích, xác định TSKTCB của một tuyến ĐSCT và xây

dựng mô hình bài toán lựa chọn TSKTCB của TĐSCT thỏa mãn điều

kiện kỹ thuật, kinh tế, xã hội, môi trường với các dữ liệu mờ

- Tìm phương pháp chọn nhanh tổ hợp TSKTC của tuyến ĐSCT

có xét đến các chỉ tiêu định lượng được và các chỉ tiêu chưa định lượng được, các chỉ tiêu không cùng đơn vị đo nhưng giảm thiểu thời gian và khối lượng tính toán để xác định sơ bộ phương án trước khi thực hiện việc nghiên cứu khả thi 1 tuyến ĐSCT

- Áp dụng các lý thuyết trên cho tuyến ĐSCT Hà Nội – Vinh

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐA CHỈ TIÊU ĐỂ LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA TUYẾN

ĐƯỜNG SẮT CAO TỐC 2.1 Giới thiệu về phương pháp phân tích đa chỉ tiêu

2.1.1 Phân tích đa chỉ tiêu

5 Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu ( MCA) là một phép phân tích tổ hợp các chỉ tiêu khác nhau để cho ra một kết quả cuối cùng Các ứng dụng của MCA chủ yếu là đánh giá tác động của một quá trình

MCA được áp dụng cho các trường hợp khi có nhiều chỉ tiêu có mức độ quan trọng khác nhau cần lựa chọn để thỏa mãn đồng thời các yêu cầu

Các mô hình hay phương pháp toán học đóng vai trò cốt lõi trong quá trình đánh giá Chúng là công cụ để quy đổi các chỉ tiêu đánh giá nhằm biến các chỉ tiêu trở thành “đồng nhất”, có thể so sánh với nhau được

2.1.3 Các mô hình toán học hỗ trợ trong phương pháp phân tích đa chỉ tiêu: Hiện nay có 6 phương pháp tóan học hỗ trợ MCA Để

lựa chọn phương án phù hợp và tốt nhất giải bài tóan này có thể dùng phương pháp AHP hoặc Cojunctive

2.1.3.1 Phương pháp AHP

* Cơ sở toán học của phương pháp AHP:

Để giải bài toán RQQĐ đa thuộc tính mờ khi lựa chọn phương án, những người ra quyết định sẽ phải đưa ra các tỷ số aij cho mỗi so sánh cặp về tầm quan trọng giữa các chỉ tiêu mô tả các thuộc tính qj, j = 1,2,…,m và các

tỷ số rij cho mỗi so sánh cặp về độ lớn tương đối của từng chỉ tiêu qj ứng với các giải pháp thiết kế A1, A2, …, An theo mỗi chỉ tiêu mô tả các thuộc tính

Thực hiện so sánh cặp giữa các chỉ tiêu qj, j = 1, 2, …, m ta

Gọi tầm quan trọng của chỉ tiêu qi và qj là wi và wj, ta có aij =

wi/wj hay:

A = a 11 a 12 … a 1m = w 1 /w 1 w 1 /w 2 … w 1 /w m

7 cặp là các số thực Mỗi ma trận so sánh cặp sẽ được giải quyết bằng cách xác định véc-tơ riêng và như vậy các trị số tầm quan trọng và

độ lớn tương đối của các chỉ tiêu theo từng phương án cũng sẽ là các

w w

A'w' = λmax w' (2-12)

λmax là giá trị riêng lớn nhất của ma trận A’ Vectơ w' chính là vectơ riêng ứng với giá trị riêng lớn nhất (λmax) của ma trận A’ Các vectơ rj = {r1j, r2j, …., rnj}, j = 1,m cũng được xác định tương tự như xác định véc tơ w

8 Theo nguyên lý ma trận, sự nhất quán trong các đánh giá của những người ra quyết định sẽ được coi là bảo đảm (nghĩa là thỏa mãn Tiền đề 1) khi λmax = m Trái lại, khi λmax ≠ m, những người ra quyết định buộc phải xem xét lại và điều chỉnh các đánh giá của mình để ma trận so sánh cặp bảo đảm tính nhất quán cho phép Saaty đã đề xuất phương pháp sử dụng tỷ số nhất quán CR để đánh giá tính nhất quán của cá ước lượng trong các ma trận so sánh cặp như sau:

Bảng 2-1 Bảng các giá trị của chỉ số nhất quán RI

RI 0,00 0,00 0,58 0,90 1,12 1,24 1,32 1,41 1,45 1,49

Theo kinh nghiệm, CR nên nhỏ hơn 0,05 với ma trận cỡ 3 x3; nên nhỏ hơn 0,09 với ma trận cỡ 4x4; và nên nhỏ hơn 0,1 với các ma trận cỡ lớn hơn

Về thang điểm áp dụng cho việc so sánh cặp, Saaty đã đề xuất thang điểm từ 1 – 9

Việc so sánh cặp về độ lớn tương đối của các chỉ tiêu theo các giải pháp thiết kế cũng được thực hiện theo thang điểm trên

2.1.4 Lựa chọn những người tham gia vào quá trình đánh giá đa chỉ tiêu

2.1.4.1 Những người tham gia vào quá trình đánh giá và ra quyết định

Số lượng và cơ cấu nghê nghiệp chuyên môn của NNRQĐ trong MCA phụ thuộc vào nội dung các phương án, các vấn đề RQĐ

2.1.4.2 Lãnh đạo quá trình đánh giá

Người lãnh đạo quá trình đánh giá phải đáp ứng được các yêu cầu chung đối với NNRQĐ Ngoài ra, cần có khả năng tổ chức và chỉ đạo, khả năng quản lý các thủ tục và tiến trình đánh giá các phương án 2.1.4.3 Nhóm chuyên gia phân tích

Nhóm chuyên gia phân tích có nhiệm vụ lập các mô hình toán học, đề xuất các phương pháp RQĐ nhóm, thực hiện các tính toán và phân tích các số liệu nhằm cung cấp thông tin cho NNRQĐ Nhóm

9 chuyên gia cũng có nhiệm vụ thu thập, xử lý dữ liệu và phối hợp các hoạt động trong quá trình RQĐ

2.1.5 Các phương pháp ra quyết định trong quá trình đánh giá MCA

Có nhiều PPRQĐ nhóm như các phương pháp bỏ phiếu, bầu cử, các phương pháp thảo luận trực tiếp, Nominal Group, Delphi, v.v…

2.2 Quy trình đánh giá đa chỉ tiêu

Quy trình bao gồm 5 bước sau:

Bước 1: Lựa chọn những người tham gia vào quá trình RQĐ Bước 2: Xác định các chỉ tiêu đánh giá và thành lập cây phân

tích - Loại bỏ các giải pháp không thể chấp nhận

Bước 3: Xác định tầm quan trọng tương đối của các chỉ tiêu Bước 4: Xác định độ lớn của các chỉ tiêu

Bước 5: Xác định phương án tốt nhất

2.2.1.Lựa chọn những người tham gia vào quá trình ra quyết định

Việc lựa chọn số lượng, và cơ cấu chuyên môn của những người

ra quyết định cần được nghiên cứu cẩn thận để giảm thời gian thảo luận

2.2.2 Xác định các chỉ tiêu đánh giá và thiết lập sơ đồ phân tích

2.2.2.1 Xác định các chỉ tiêu đánh giá và thiết lập sơ đồ phân tích Đây là công việc khá khó khăn, phức tạp và quan trọng để lựa chọn phương án phù hợp nhất

Khi đánh giá các phương án công nghệ, kinh tế, xã hội, môi trường (tiêu chuẩn) Tiêu chuẩn lại có thể được phân ra liên tiếp thành nhiều tiêu chí

Trong MCA, sơ đồ phân tích được xây dựng bằng các phương pháp ra quyết định nhóm Sau khi xây dựng xong sơ đồ phân tích các chỉ tiêu,

có thể xác định được véc tơ các chỉ tiêu đánh giá các phương án:

q = q 1 , q 2 , … q j ,… q m (2-14)

Đó là các chỉ tiêu ứng với các phần tử cuối cùng của mỗi nhánh của sơ

đồ phân tích Bước tiếp theo là xác định giá trị của các chỉ tiêu này cho mỗi phương án:

tả bằng lời hoặc dựa trên một thang điểm bất kỳ thông qua các PPRQĐ nhóm hoặc cần tài liệu mô tả chúng để cung cấp cho NNRQĐ

2.2.2.2 Thiết lập các phương án và loại bỏ các phương án không thể chấp nhận

Phương án không thể chấp nhận được là phương án có ít nhất một chỉ tiêu không thể chấp nhận được như vi phạm các quy chuẩn, các tiêu chuẩn, quy định hiện hành của nhà nước hoặc không đáp ứng được yêu cầu tiên quyết đặt ra đối với bài toán v.v…

2.2.3 Xác định tầm quan trọng tương đối của các chỉ tiêu

Khi sơ đồ phân tích có nhiều hơn hai mức, tầm quan trọng tương đối của các chỉ tiêu tham chiếu tới (respect to) mục tiêu chung được xác định theo nguyên tắc sau:

Xác định tầm quan trọng tương đối tham chiếu tới mục tiêu chung cho tất cả các chỉ tiêu của sơ đồ phân tích theo thứ tự từ trên xuống, trong đó tầm quan trọng của chỉ tiêu ở gốc của sơ đồ phân tích bằng 1 Nói cách khác, gọi gốc sơ đồ phân tích là mức thứ nhất, việc tính toán sẽ được thực hiện cho các chỉ tiêu lần lượt từ mức thứ hai tới mức cuối cùng

Tầm quan trọng tương đối của các chỉ tiêu tham chiếu tới chỉ tiêu mẹ của chúng được xác định bằng cách tổng hợp các đánh giá chủ quan của những người ra quyết định thông qua so sánh từng cặp các chỉ tiêu

Các chỉ tiêu ở mức y là các chỉ tiêu được phân tách ra từ mức 1) Trên hình 2-4, các chỉ tiêu q(y-1), … q(y-j)… q(y-s)… ở mức y được phân tách ra từ chỉ tiêu mẹ

(y-q(y – 1) – k)) ở mức (y-1) Vì thế, tầm quan trọng tương đối của các chỉ tiêu q(y-j) tham chiếu tới mục tiêu chung, ký hiệu là w(y-j), được xác định theo công thức:

11

W(y-j) = w*(y – j) x w ((y-1)-k); j = 1- s (2-16) Trong đó: w(y-j) là tầm quan trọng tương đối của chỉ tiêu q(y-j) tham chiếu tới chỉ tiêu mẹ q((y-1)-k); w((y-1)-k) là tầm quan trọng tương đối của chỉ tiêu mẹ q((y-1)-k) tham chiếu tới mục tiêu chung Vì việc tính toán được thực hiện từ trên xuống dưới, nghĩa là từ mức thứ hai tới mức cuối cùng, nên w((y-1) – k) đương nhiên đã được xác định ở bước tính toán trước w*(y-1) được xác định thông qua việc so sánh cặp đôi các chỉ tiêu tham chiếu tới chỉ tiêu mẹ q((y-1)-k)) trên cơ sở thang đánh giá 9 điểm của Saaty như sau:

Gọi aij là tầm quan trọng tương đối của chỉ tiêu q(y-i) so với chỉ tiêu q(y-j) tham chiếu tới chỉ tiêu mẹ q((y-1)-k), aij sẽ nhận giá trị bằng:

* 1 nếu hai chỉ tiêu được cho là quan trọng như nhau,

* 3 nếu chỉ tiêu q(y-i) được coi là khá quan trọng hơn chỉ tiêu q(y-j),

* 5 nếu chỉ tiêu q(y-i) được coi là rất quan trọng hơn chỉ tiêu q(y-j),

*7 nếu chỉ tiêu q(y-i) được coi là cự kỳ quan trọng hơn chỉ tiêu q(y-j),

* 9 nếu chỉ tiêu q(y-i) được coi là tuyệt đối quan trọng hơn chỉ tiêu q(y-j),

* Các giá trị 2,4,6 và 8 mang ý nghĩ trung gian giữa hai giá trị trên và dưới tương ứng

Khi so sánh cặp đối các chỉ tiêu, người ta chỉ quan tâm so sánh hai chỉ tiêu đó tham chiếu tới chỉ tiêu mẹ của chúng mà không cần quan tâm tới các chỉ tiêu khác Như vậy, ta có một ma trân so sánh cặp, Ak, là

mẹ của chúng:

w* = w* (y – 1), w* (y – 2), … w* (y – j), … w* (y – s) (2-18)

Vì khi so sánh cặp đôi các chỉ tiêu người ta chỉ quan tâm so sánh hai chỉ tiêu đó mà không cần quan tâm tới các chỉ tiêu khác nên cần thiết phải kiểm tra và xử lý tính nhất quán (consistency) của các ước lượng trong ma trận A thông qua việc xác định tỷ số nhất quán CR như

đã trình bày ở trên

12

2.2.4 Xác định độ lớn tương đối của các chỉ tiêu

2.2.4.1 Xác định độ lớn tương đối của các chỉ tiêu lượng hóa được

Đối với các chỉ tiêu lượng hóa được, có thể dễ dàng xác định độ lớn tương đối của chúng cho từng phương án bằng cách chuẩn hóa (normalize) độ lớn tuyệt đối của chúng Gọi số lượng các chỉ tiêu lượng hóa được là b, có thể dễ dàng xác định được các véc-tơ thể hiện độ lớn tương đối của các chỉ tiêu cho các phương án:

ij ij

q

q r

Gọi số lượng các chỉ tiêu không lượng hóa được là f, ta sẽ có ma trận so sánh cặp Rj, j = 1 – f:

Cuối cùng, ta có thể xác định và chuẩn hóa các giá trị của các véc-tơ riêng ứng với các giá trị riêng lớn nhất của các ma trận Rj; j =

1 – f Đó chính là các véc-tơ riêng rj thể hiện độ lớn tương đối của các chỉ tiêu không lượng hóa được rj = r1j, r2j, …., rij,… Rnj , j = 1 –

f Tính nhất quán của các ước lượng trong các ma trận Rj cũng phải được kiểm tra và xử lý qua việc xác định tỷ số nhất quán CR

2.2.4.3 Thu thập ý kiến chuyên gia để so sánh và xác định độ lớn các chỉ tiêu

Những người ra quyết định gửi phiếu xin ý kiến chuyên gia