基于綠色公路理念的高速公路改擴建模式決策

孫偉民, 王 紅, 王祎旸, 吳月磊

(武漢理工大學 交通與物流工程學院,湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著社會經濟的發展,早期的高速公路無法滿足逐步增長的交通出行需求,高速公路改擴建已成為適應不斷增長的交通需求的重要方式。改擴建模式的決策是高速公路改擴建項目前期的重要決策問題,科學合理的高速公路改擴建模式,會對改擴建工程的設計、施工提供科學依據,確保高速公路改擴建的質量;不恰當的改擴建模式,會造成不必要的投資和資源浪費。[1]因此,需要確定合適的高速公路改擴建模式決策方法。

為了實現公路建設和生態環境保護和諧發展,需將綠色公路理念引入高速公路改擴建模式決策中[2,3]。國外高速公路建設起步較早,率先引入了生態公路理念[4,5];部分歐美國家,開始補償大范圍鋪設道路帶來的生態影響,并在道路設計過程中考慮生態學原則;德國公路建設充分考慮了自然資源利用和保護,推行了保護動植物及各種自然特性等多方面保護措施。相較于發達國家,國內的生態公路建設起步較晚,對生態保護的意識較弱。但隨著人們的生態環保意識的增強[6],2003年公路行業轉變公路建設設計理念,成為我國環保公路建設的開端標志。2016年交通運輸部發布的《關于實施綠色公路的指導意見》,明確了綠色公路的發展思路和建設目標,公路建設開始逐步向著低碳、可持續發展深入;高速公路改擴建工程開始融入“資源節約、節能高效”等綠色設計理念,向綠色公路的可持續發展轉型。國內在綠色公路領域開展了一系列工程試點示范工作,但大部分的綠色公路工程研究,主要著重于路線設計與自然環境相結合、路基路面的新材料新工藝等,對于高速公路改擴建模式[7]與綠色公路理念結合的研究和應用尚少。

高速公路改擴建模式的決策方法通常有熵值法[8]、層次分析法(AHP)和模糊綜合評價法[9]等。石良清[10]從宏觀路網優化和微觀新建、擴容方案[11]比較兩個層面對高速公路改擴建方案遞進分析,并利用AHP模糊分析法進行方案優化;姚捷[12]分析了綠色公路概念、路線方案及評價指標,針對公路路線設計原則進行指標選擇及構建,并利用層析分析法和模糊綜合評價法對方案進行優化選擇。以上內容均缺少在高速公路改擴建[13]模式決策中的運用研究。

本文針對當前高速公路改擴建模式決策中如何充分體現綠色公路理念的問題,研究分析提出考慮綠色公路的改擴建模式評價指標選取原則及評價指標體系;以AHP-模糊綜合評價法對評價指標進行多層級、定量化處理,建立高速公路改擴建模式決策模型;并以廣清高速公路為例對本文方法進行驗證與分析。

1 基于綠色公路理念的改擴建模式評價指標體系建立

1.1 綠色公路理念

綠色公路理念是以綠色發展理念為引領,以生態良好保護、污染有效控制、資源能源節約集約使用等為目標,基于可持續發展、循環經濟等理論構建的。綠色公路特征可歸納為“高效能、高效率、 高效益”、“ 低消耗、低排放、低污染” 和“全壽命、全要素、全方位”。

隨著社會需求和交通量的日益增長,高速公路改擴建成為公路建設的重要任務之一。高速公路改擴建應結合綠色公路理念,應用可持續發展的戰略思想,將高速公路改擴建項目的實施與經濟、社會、資源與環境聯系起來,制定可持續發展的綠色公路改擴建準則,在高速公路改擴建模式決策過程中充分體現綠色公路理念。

1.2 評價指標選取原則

改擴建模式評價指標選擇應結合綠色公路理念內涵,指標體系構建需遵循科學性、系統性、先進性、廣泛性與針對性原則。綜合綠色公路理念分析,高速公路改擴建模式評價指標的選取主要從以下六個方面進行考慮:

(1) 功能服務:功能服務是綠色公路建設的基本要求,高速公路的功能服務包括對政策的適應性、區域規劃布局的服務性以及交通運輸網絡布局的協調性。改擴建模式需要符合國家和地方當前及未來的趨勢性政策。

(2) 資源利用:綠色公路的建設要求對資源合理利用,資源利用包括對既有資源的重復利用、資源的節約使用。不同的改擴建模式在工程建設中會受到不同程度的外界自然資源條件的限制。資源再生重復利用,能夠降低工程施工中對資源的不必要消耗,降低能源成本、促進材料循環利用。資源的節約使用主要表現在公路的用地范圍。

(3) 能源消耗:綠色公路意味著節約能源、減少消耗。能源消耗包括建設期能源、運營期運營者消耗能源和運營期使用者消耗能源等,即全周期能源消耗。

(4) 污染排放:低污染、低排放是綠色公路的重要體現。污染排放主要包括氣體污染排放、揚塵污染排放和噪聲污染排放等。

(5) 生態影響:綠色公路建設要堅持生態優先、和諧發展的指導方針。綠色公路應具有良好的環境協調性,加強生態保護、注重自然和諧是綠色公路建設的核心要義。

(6) 運行效率:綠色公路的建設要從提高運行效率入手。不同的改擴建模式在施工階段和運營階段的安全性和高效性不同。

1.3 評價指標體系建立

高速公路改擴建主要有單側拼接、雙側拼接、分離模式和組合模式等四種模式。根據環保、經濟、安全、可持續的綠色公路評價目的和高速公路改擴建模式評價指標選取原則,并將定性和定量指標整理歸類,建立基于綠色公路理念的高速公路改擴建模式的三級評價指標體系,如圖1所示。

圖1 基于綠色公路理念的高速公路改擴建模式綜合評價指標體系

2 決策方法

2.1 評價方法流程

本文基于綠色公路理念提出的高速公路改擴建模式評價方法步驟如下:

(1) 對綠色公路理念及高速公路改擴建模式選取方法進行分析;

(2) 建立含有綠色公路理念的評價指標體系,選擇層次分析法和模糊綜合評價法為改擴建模式評價法;

(3) 利用層次分析法確定合成權重,利用層次分析法確定隸屬關系,建立判斷矩陣;

(4) 在有、無理念兩種情況下計算評價結果,并對兩種結果進行比對,確定改擴建模式最優方案。

具體評價流程如圖2所示。

圖2 基于綠色公路理念的高速公路改擴建模式決策方法流程

2.2 評價指標合成權重的確定

層次分析法(AHP)作為一種主要的確定多評價指標權值的方法,在多目標方案決策中已得到了廣泛運用,通過對圖1的評價指標體系進行分層聚類組合,建立階梯的、有序的層次結構模型,將指標體系中的定性指標和定量指標進行指向性分析,再利用數學方法確定每一層次因素相對重要性次序的權值,最后通過綜合計算各層因素相對重要性的權值,得到最底層相對于最高層的相對重要性次序的合成權重值。本文基于層次分析法的高速公路改擴建模式評級指標權重的確定步驟如下:

(1) 建立層次結構:如圖1所示,目標層為最優方案層A;準則層為三級指標,即一級指標B、二級指標C和三級指標D;方案層為四種改擴建模式方案S。

(2) 構建判斷矩陣:由專家結合項目實際情況,采用9級標度法構建各層因素之間的兩兩判斷矩陣。

表1 合成權重計算表

則合成權重向量為:

(1)

(4)一致性檢驗:采用方根法求得最大特征值及對應的特征向量,利用矩陣的理論最大特征值λmax與n,引入一致性指標CI和平均隨機一致性指標RI,CI的計算公式為式(2),RI取值見表2。

(2)

表2 平均隨機一致性指標RI

引入隨機一致性比例CR,當CR=CI/RI≤0.10時,就認為判斷矩陣具有令人滿意的一致性;否則就需要調整判斷矩陣,重新計算合成權重,直到隨機一致性比例符合要求為止。

2.3 考慮合成權重的改擴建模式模糊綜合評價

根據2.2節關于評價指標合成權重的計算,基于綠色公路理念建立考慮不同評價指標權重后的高速公路改擴建模式決策模型?？紤]各評價指標權重的改擴建模式的模糊綜合評價的主要步驟如下:

(1) 根據項目實際情況確定評價的對象集(即改擴建模式方案S)S=(S1,S2,…,Sn)。

(2) 確定隸屬關系,建立判斷矩陣R。

(3)

(3) 將各因素根據AHP得到的合成權重與單個因素的判斷矩陣進行模糊運算,得到模糊綜合評判指標。

(4) 求每個評價對象的綜合分值。根據評語集中不同的評語,設定各自不同的權重vj,得到向量V=(v1,v2,…,vm),C表示各評價對象的綜合分值,C的計算公式為:

(5)

各評價對象綜合分值最高的則為最優方案。

3 實例分析

為了驗證本文研究方法的可行性和有效性,將本文研究方法應用于廣清高速公路慶豐主線收費站至天坪嶺隧道路段改擴建工程的改擴建模式決策分析。該高速公路改擴建工程為4車道改擴建為8車道。根據本文建立的評價指標體系(圖1)和改擴建模式決策方法流程(圖2),基于綠色公路建設理念對改擴建的四種模式進行適應性評價;同時,建立無綠色公路理念影響的四種改擴建模式的評價指標體系進行適應性評價,比較分析兩種指標體系下的改擴建模式決策結果。

3.1 評價指標權重計算

根據本文所述的評價指標確定原則及指標體系,構建廣清高速公路改擴建工程有、無綠色公路理念的兩種評價指標體系,并建立層次分析模型。有綠色公路理念的改擴建模式綜合評價指標見圖1,無綠色公路理念的改擴建模式綜合評價指標見表3。

表3 無綠色公路理念的廣清高速公路改擴建工程評價指標

按本文2.2的方法步驟計算圖1和表4所列的有、無綠色公路理念的高速公路改擴建模式評價指標的合成權重并進行一致性檢驗。計算結果分別見表4和表5。

表4 有綠色公路理念的廣清高速公路改擴建模式評價指標合成權重

表5 無綠色公路理念的廣清高速公路改擴建模式評價指標合成權重

3.2 改擴建模式模糊綜合評價

按照本文2.3節的綜合評價方法步驟,針對廣清高速公路慶豐主線收費站至天坪嶺隧道路段改擴建工程的四種改擴建方案:單側拼接、雙側拼接、分離模式、組合模式(兩側拼接為主、局部分離)建立對象集S=(S1,S2,S3,S4),根據評語集(優,中,劣)及項目工程文件,設V=(95,75,30)。

由10名相關技術專家結合廣清高速公路慶豐主線收費站至天坪嶺隧道路段改擴建工程的現狀,根據《廣清高速改擴建初步設計總說明》,對上述四個改擴建方案的定性指標進行打分,定量指標根據對應模型計算方法進行評價。

根據有、無綠色公路理念的指標合成權重,分別建立權值集,確定隸屬關系,建立判斷矩陣R。為方便對比分析及計算,統計整理為模糊判斷矩陣表,并根據式(3)、式(4)進行計算,將廣清高速公路有綠色公路理念和無綠色公路理念的四種改擴建模式的得分情況繪制如圖3所示。

圖3 有、無綠色公路理念的廣清高速公路四種改擴建方案的得分匯總

從圖3可以得出:兩種情況下的最佳模式均為雙側拼接,因此推薦廣清高速改擴建模式選用雙側拼接模式;考慮綠色公路理念的評價方法得分普遍高于未考慮綠色公路理念的評價方法;雙側拼接模式符合綠色公路建設理念,適應性強,條件適宜時應盡可能采用。從綠色公路建設及可持續發展的需要考慮,新建高速公路時,當條件允許,應盡可能預留兩側拼接條件。

4 結束語

(1) 本文分析了高速公路改擴建模式決策的影響因素,根據相關政策以及《綠色公路建設技術指南》制定綠色公路理念指標選取原則,增加相應指標,對指標進行分級處理,建立了基于綠色公路理念的改擴建模式評價指標體系及決策模型;使得高速公路改擴建模式的決策更加符合低碳、環保的綠色發展理念,提高了改擴建模式決策方法的適應性。

(2) 本文以廣清高速公路改擴建工程為例,研究了綠色公路理念對于廣清高速公路改擴建的影響,建立了有、無綠色公路理念的廣清高速公路改擴建模式評價指標體系,并利用AHP-模糊綜合評判法對改擴建模式進行評價得出:最佳改擴建模式均為雙側拼接模式;考慮綠色公路理念的得分普遍高于未考慮綠色公路理念的情況。

本文對于綠色公路理念的定性指標在定量化處理過程中未考慮專家人數、打分情況等主觀因素對于改擴建模式決策結果的影響程度,決策方法還有待進一步的深入研究。