我國高速公路改擴建方案研究及運用AHP模糊分析法進行方案優(yōu)化

石良清 袁春毅 吳劍鋒

（長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室1） 西安 710064）（交通運輸部規(guī)劃研究院2） 北京 100029）

通過對國內(nèi)外高速公路改擴建現(xiàn)狀的分析與研究發(fā)現(xiàn)：國外高速公路建設(shè)起步早，規(guī)劃相對超前，在地域遼闊的美國、加拿大等國家多采取了寬中央分隔帶的布置方式，無形中為擴建提供了方便；在中央擴建不能滿足要求時優(yōu)先采用了兩側(cè)拼接擴建；在多車道（大于8車道）高速公路交通組織上，美國和加拿大大量采用了分離斷面或集散加快速的處理方式［1－3］.盡管我國高速公路建設(shè)時間不長，但由于建設(shè)規(guī)劃與建設(shè)資金、經(jīng)濟發(fā)展的不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致了很多經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)早期建設(shè)的4車道高速公路過早進入準飽和狀態(tài)，降低了道路的服務(wù)水平.因此，在交通需求及政策環(huán)境的大趨勢之下，我國高速公路也將面臨著改擴建的嚴峻問題［4－5］.本文將重點對改擴建這個概念進行解釋，從宏觀與微觀兩個層面，通過系統(tǒng)的研究，去論證和比較改擴建方案，再運用AHP模糊層次分析法定量的對具體改擴建項目進行方案優(yōu)化，進而達到工程方案的合理化與可行化.

1 宏觀層面的改擴建方案

高速公路改擴建就是當其無法滿足現(xiàn)狀交通量，造成擁堵，需對其進行擴容和改建，以達到高速公路的服務(wù)水平.對于改擴建問題，筆者認為改擴建最佳方案的論證應(yīng)遵循宏觀和微觀兩個層面，通過從宏觀到微觀的層層遞進使方案更為合理和完善.宏觀層面?zhèn)戎貜膮^(qū)域路網(wǎng)和全局考慮，重點在路網(wǎng)優(yōu)化，而微觀層面則進入具體路段，進行有針對性的方案解決.影響宏觀層面論證的因素主要有兩方面：（1）路網(wǎng)規(guī)劃和布局；（2）經(jīng)濟布局和交通的適應(yīng)性［6］.

對于宏觀改擴建最佳方案的論證可分為兩個層面，第一層面是新走廊帶內(nèi)采用新建高速公路方案與低等級公路進行升級改造方案的比選，第二層面是如果采用新走廊帶新建，其新建的方案又可分為新增通道與路網(wǎng)連通2種，見表1.

表1 宏觀層面改擴建結(jié)構(gòu)

1.1 宏觀改擴建方案第一層面

宏觀第一層面是關(guān)于新走廊帶內(nèi)新建高速和低等級公路升級改造的比較，其優(yōu)缺點見表2.

針對經(jīng)濟布局和交通的適應(yīng)性，在考慮路網(wǎng)優(yōu)化時應(yīng)充分對現(xiàn)有地區(qū)的經(jīng)濟布局以及主要交通方式進行研究，從這些因素出發(fā)，充分論證新走廊帶優(yōu)化的必要性，再結(jié)合規(guī)劃進行綜合考慮，最終確定宏觀第一層面的路網(wǎng)優(yōu)化方案.

表2 新走廊帶的路網(wǎng)優(yōu)化方案比較

1.2 宏觀改擴建方案第二層面

如通過第一層面的比較，初步確定采用新走廊帶內(nèi)新建高速，按路網(wǎng)加密的方式，其可進一步分解為新增通道、路網(wǎng)連通兩種.

1.2.1 新增通道 新增通道方案一般是指平行于現(xiàn)有高速公路，在距其一定距離以外另辟新通道的高速公路擴容方案.從功能來看，該方案側(cè)重于對新經(jīng)濟帶、新經(jīng)濟增長點的開發(fā)，在此基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有通道長遠距離交通承擔(dān)有限分流作用.新增通道方案主要適用于路網(wǎng)建設(shè)初期和中期，屬路網(wǎng)建設(shè)范疇.具體規(guī)模建設(shè)、線路間距及交通分流作用在后面有關(guān)部分著重研究.見圖1.

2 微觀層面的改擴建方案

進入改擴建的微觀層面，也就是針對具體的路段考慮其改擴建的方案.筆者認為微觀層面的改擴建方案可分為2大層面：第一層面是將近距離新建與原有公路擴容兩種方案進行比較；第二層面是如果選擇老路擴容，則對擴容方案的方法進行比較，其又可分為分離、直接拼接2種，拼接方案又可細分為單側(cè)與雙側(cè)2種擴容形式.因此微觀層面所需比選的方案較多，其結(jié)構(gòu)見表3.

表3 微觀層面改擴建結(jié)構(gòu)

2.1 微觀改擴建方案第一層面

微觀層面的改擴建方案比較應(yīng)首先明確是采用近距離新建方案還是老路擴容方案.

近距離新建方案是指與已有高速公路基本平行，在距其幾公里（一般5～10km）范圍內(nèi)新建一條高速公路.是最直接的分流交通量方法，同時通過減少互通的數(shù)量，最大限度的擴大了道路的通行能力.

老路擴容方案就是在已有高速公路的兩側(cè)或一側(cè)加寬幾條車道的建設(shè)方案.它們的優(yōu)缺點比較見表4.

圖1 新增通道

1.2.2 路網(wǎng)連通 路網(wǎng)連通方案主要適用于基本路網(wǎng)已經(jīng)形成的情況.一般是指在路網(wǎng)發(fā)展到一定階段后，對2條縱向通道進行橫向連通以均衡網(wǎng)上交通分布，或是為縮短某些重要結(jié)點間路徑而進行直連等的“裁彎取直”.從功能來看，該方案側(cè)重于對現(xiàn)有路網(wǎng)功能的完善.見圖2.

圖2 路網(wǎng)連通

表4 微觀改擴建方案比較

在這一層面上，兩種方案各有優(yōu)缺點，需對具體項目進行比選.比如地形簡單的平原，考慮土地資源緊張，通過對造價等因素的比選，最終選擇老路擴容方案，那么應(yīng)進入微觀的第二層面，進一步比較老路擴容的幾種形式.

2.2 微觀改擴建方案第二層面

老路擴容的方式可分為分離擴建和直接拼接［7］，見表5，它們的優(yōu)缺點都非常鮮明.

表5 老路擴容方案比較

老路擴容的方式較為具體，針對項目，經(jīng)常采取的是混合式擴容，靈活的運用各擴容方式的優(yōu)點進行組合，避讓困難路段，達到技術(shù)與效益的雙贏.

3 利用AHP模糊分析法評價改擴建方案優(yōu)化的應(yīng)用實例

3.1 AHP模糊分析法的理論基礎(chǔ)

1）建立評價組織，確定評價對象 對于評價改擴建項目而言，評價組織一般為邀請專家，人數(shù)可在3～20人之間選擇.評價對象為若干個建設(shè)項目，設(shè)有q 個：x1，x2，x3，…，xq，即論域 X＝｛x1，x2，x3，…，xq｝.

2）選擇評價指標，確立評價尺度 評價指標集是評價對象的評價因素集合，若因素有n個，可表示為U＝｛u1，u2，u3，…，un｝，其中每一個指標ui都可看成論域U的一個模糊集合.評價尺度集表示不同的模糊評定（如優(yōu)、良、中、次、差）的集合，可根據(jù)實際情況將評語分為m個等級，則表示為V＝｛v1，v2，v3，…，vm｝.

3）應(yīng)用AHP確定權(quán)重分配 （1）分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)；（2）對同一層次的各元素關(guān)于上一層次中某一準則的重要性進行兩兩比較，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，采用1～9九個標度和它們的倒數(shù)，對評價指標集中各評價因素相互相對重要性一一比較標定；（3）由判斷矩陣計算被比較元素對于該準則的相對權(quán)重；（4）一致性檢驗，即構(gòu)造判斷矩陣時前后思維要保持連貫性、一致性；（5）最終確定各影響因素的權(quán)重向量W.

4）構(gòu)建隸屬度矩陣 對同一評價指標，評價人員可以做出不同的評定，因此評價結(jié)果只能用第ui評價指標做出第vj評價尺度的隸屬度rij.隸屬度向量Ri＝ （ri1，ri2，ri3，…，rim），i＝1，2，3，.隸屬度矩陣為R＝ （R1，R2，R3，…，Rn）T＝ （ri）nm.

5）模糊綜合評判 在確定權(quán)重向量W和構(gòu)建隸屬度矩陣R的基礎(chǔ)上，計算綜合的評價結(jié)果ui為

6）計算方案評價綜合分數(shù)P 對應(yīng)評價尺度的模糊評定（如優(yōu)、良、中、次、差）中m個等級給予一定的分值y1，y2，…，ym，最終計算各個改擴建方案的綜合分數(shù)P.

下面以微觀層面的方案優(yōu)化舉例進行該方法應(yīng)用.

3.2 AHP模糊分析法的應(yīng)用

3.2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型 通過調(diào)查改擴建方案對項目的影響，認為在進行改擴建方案的選擇過程中，主要考慮的因素有三個方面：社會經(jīng)濟性，技術(shù)可行性，交通服務(wù)性.因此，本文在考慮改擴建方案各類影響因素特性的基礎(chǔ)上，建立改擴建方案選擇的層次結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，包括目標層A、準則層Bi、分準則層Bii及方案層C.

圖3 改擴建方案選擇的層次結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 AHP法建立判斷矩陣，計算權(quán)重分配根據(jù)構(gòu)建的方案層次，各要素上下層次的隸屬關(guān)系，由專家組根據(jù)實際情況，采用1～9標度法建立判斷矩陣，計算相對權(quán)重，同時進行一致性檢驗，最終確定各影響因素的權(quán)重向量W，具體計算見表6.

表6 權(quán)重向量及層次排序一致性檢驗計算表

由表6可知，層次單排序，總排序均通過一致性檢驗，以上所構(gòu)建的最優(yōu)改擴建方案評價指標體系之間的排序是在考慮項目實際情況和各影響因素的特性基礎(chǔ)上做出的.其順序為：社會經(jīng)濟性最重要，技術(shù)可行性與交通服務(wù)性居次.

3.2.3 模糊綜合評價對改擴建方案進行選擇根據(jù)模糊評價的過程，對3種改擴建方案進行評價選擇.

1）各項指標的權(quán)重已經(jīng)由AHP法求出：（0.20，0.20，0.10，0.17，0.08，0.08，0.17）

2）設(shè)評語集V＝（優(yōu)，良，中，差），設(shè)V＝（100，75，50，25）.

3）由10名相關(guān)技術(shù)專家結(jié)合項目實際情況，對上述3個改擴建方案的各項技術(shù)經(jīng)濟指標進行定性與定量的分析和比較，并對各項指標打分，并進行歸一化處理，得到隸屬度rij，統(tǒng)計整理得到模糊隸屬度矩陣R.

4）根據(jù)公式ui＝W·R，計算各方案的模糊評判指標，分別為C1＝［0.109，0.258，0.422，0.211］，C2＝［0.145，0.336，0.302，0.217］，C3＝［0.250，0.387，0.250，0.113］.根據(jù)評價集對應(yīng)的分數(shù)集V＝（100，75，50，25），及公式評判計算各改擴建方案的值，得到3個方案的最后得分為：P1＝56.1，P2＝60.23，P3＝69.35.

綜上所述，通過AHP模糊分析法對改擴建方案的評判，可以看出方案3兩側(cè)拼接具有更大的優(yōu)勢，推薦在項目中使用兩側(cè)拼接的改擴建方案.

模糊綜合評價法可以對高速公路改擴建的宏觀、微觀層面進行客觀定量評價，特別針對高速公路改擴建這種多影響因素問題，能夠比較清晰客觀的判斷方案的優(yōu)劣，為主觀的決策提供充分客觀的依據(jù).

4 結(jié)束語

通過對國外高速公路改擴建現(xiàn)狀研究及我國高速公路改擴建的趨勢分析，結(jié)合我國高速公路自身特點，分別從宏觀的路網(wǎng)優(yōu)化層面和微觀的新建、擴容方案比較層面對高速公路改擴建方案進行遞進分析，為高速公路改擴建方案確定提供了思路框架，再通過模糊綜合評價法的應(yīng)用，為高速公路改擴建方案的主觀決策提供充分的客觀依據(jù).

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