楊春風，劉聰，靳燦章

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城郊高速公路改建方案選擇研究

楊春風1，劉聰1，靳燦章2

(1. 河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401；2. 天津市市政工程設計研究總院，天津 300392)

隨著城市不斷發(fā)展和擴張，一般高速公路的近城段逐漸變成了城郊高速公路，全封閉的高速公路阻隔了兩側(cè)的交流，嚴重制約著城市的發(fā)展，因此城郊高速公路改建問題亟待解決。從經(jīng)濟、技術(shù)、社會和城市等6個方面考慮，提出3種城郊高速公路的改建方案，并構(gòu)建城郊高速公路改建方案綜合評價指標體系。采用經(jīng)過改進的模糊層次分析法：在群決策方面利用基于0-1規(guī)劃的群決策，明確條件從而不再籠統(tǒng)的進行矩陣一致性調(diào)整。最終通過模糊綜合評價對各個方案進行排序分析，比選出最優(yōu)方案。通過實例驗證，所提出的城郊高速公路改建方案及其優(yōu)選的理論方法具有可行性，并對類似工程具有良好的指導意義及參考價值。

道路工程；高速公路改建方案；改進模糊層次分析法；城郊高速公路；0-1規(guī)劃群決策

在我國，一般高速公路路線選擇均遵循“盡可能方便并且不阻礙沿線城市”的原則，因此線位都選擇在城區(qū)之外，但是距離城市建成區(qū)很近[1]。已建成的高速公路會帶動周邊的發(fā)展，高速公路兩側(cè)會大量修建居民區(qū)和工業(yè)園區(qū)等，當城市逐步擴張到此區(qū)域后，高速公路全封閉的性質(zhì)就將城市天然劃分為2個區(qū)域，從而對兩側(cè)的交流造成了嚴重障礙，出現(xiàn)了高速公路被城市“包圍”的現(xiàn)象。為了消除這種由于高速公路造成的市區(qū)隔斷現(xiàn)象，此段高速公路的改造升級勢在必行。本文把此類在修建之初以一般高速公路標準修建的，將來會因城市擴張而進入城區(qū)的高速公路命名為城郊高速公路，此類高速公路出現(xiàn)的基本原因是選線時未能充分考慮到我國城市近年來的飛速發(fā)展，但即使城市擴張，城郊高速公路也往往不會進入城市中心，基本處在市郊，因此稱之為城郊高速公路。城郊高速公路與城市快速路的主要區(qū)別在于：快速路最初定位即為城市道路，設計時會考慮到各種城市因素，其作用為使城市內(nèi)部交通快速運轉(zhuǎn)，而且大都會修建連接城市內(nèi)部交通的輔路；而城郊高速公路則是由于城市發(fā)展被迫進入城市的公路，其主要作用為兩個區(qū)域之間的快速聯(lián)絡，并且設計時并不會充分考慮城市因素，因此需要對其進行改建。其改建后的形式與《A Policy on Geometric Design of Highways and Streets》定義的市區(qū)高速公路概念很相似：在大城市中以高架橋，立交通道，路塹或者隧道的方式在市區(qū)內(nèi)設置的高速公路；區(qū)別僅僅在于城郊高速公路所處的位置相對靠近市郊。近年來，我國這種城郊高速公路帶來的市區(qū)隔斷問題愈發(fā)嚴重，然而我國對城郊高速公路改建方案進行系統(tǒng)的提出、評估和優(yōu)選的研究卻很少，嚴西華等[2]以京津塘高速公路天津段為例提出了一種改建策略。祝燁[3]以重慶內(nèi)環(huán)高速為例，對高速公路城市化后的規(guī)劃策略進行了詳細的分析。在方案優(yōu)選方面，我國有專家采用層次分析法、模糊綜合評價法等方法來進行路線的選擇[1]；JING等[4?5]采用綜合評分法、灰色關(guān)聯(lián)分析法進行城市道路方案的比選。但是這些方法都存在主觀性強，權(quán)重指標分配不合理等或多或少的問題。本文旨在提出城郊高速公路的幾種改建方案，通過考慮經(jīng)濟、技術(shù)、城市本身等多方面因素來建立相應的綜合評價指標體系，并且利用了由0-1規(guī)劃的群決策方法所改進的模糊層次分析法進行計算，對所提出的城郊高速公路改建方案進行客觀、合理、全面的分析，進行選擇并得出最佳方案。

1 模糊層次分析法模型

1.1 評價指標體系的建立

評價指標體系的建立對評價結(jié)果起著十分關(guān)鍵的作用，選擇過多可能導致重復疊加，選擇過少則會導致表達力和理解力的缺乏[6]。在建立評價指標體系中，結(jié)合文獻[4]和[6]，采用文獻回顧法，遵循一致性和獨立性相結(jié)合，系統(tǒng)性與層次性相結(jié)合，客觀性與真實性相結(jié)合的原則，主要從經(jīng)濟因素：改建的各種成本；技術(shù)因素：設計和施工中考慮的問題；社會因素：改建中涉及的人文和社會問題；城市因素：城市各方面因素對改建的影響；交通因素：改造涉及的交通問題；環(huán)境因素6個方面進行考慮，建立準則層和子準則層。對于方案層，借鑒我國已有的城郊高速公路改建的經(jīng)驗：京津塘高速公路天津段，在實際改建中將此段高速公路進行了立體高架，而原路計劃作為城市道路使用[2]。京港澳高速公路河北段則將線位向城市外部進行平移，類似在城區(qū)外部新建一段高速公路?？紤]到我國最近山區(qū)高速公路以及城市軌道的大量修建以及借鑒國外成功的施工經(jīng)驗，下穿隧道在技術(shù)上一定也是可行的。因此選取高架橋，下穿隧道和線路外移3種改建方案作為方案層。評價指標體系如圖1所示。

1.2 評價集的建立

圖1 城郊高速公路改建評價指標體系

表1 專家評價標準

2 權(quán)重的確定

2.1 構(gòu)造模糊矩陣

表2 0.1-0.9標度法及意義

并施加以下數(shù)學變換：

2.2 單專家決策權(quán)重計算及一致性檢驗

在目前最常用的模糊一致判斷矩陣求權(quán)重的方法中，根據(jù)模糊一致判斷矩陣與權(quán)重關(guān)系所得的排序法的分辨率最高，而且有可靠的理論基礎[10]，故選此方法，如式(3)所示：

在此強調(diào)，應優(yōu)先檢驗模糊判斷矩陣，如不滿足一致性，則應用式(1)和式(2)進行調(diào)整，如文獻[11]，其將所有模糊判斷矩陣進行調(diào)整為一致矩陣的情況，則不需要再次進行檢驗，但是這種提前調(diào)整會導致已經(jīng)滿足一致性的矩陣因為調(diào)整而改變，不能真實的反映出專家的實際想法，故此種做法并不可取。

2.3 基于0-1規(guī)劃的改進群專家決策權(quán)重計算

在模糊層次分析法中，由于受客觀事物的復雜性及人類思維模糊性的影響，不同專家對同一個指標評價結(jié)果存在差異，而且每個專家所占的權(quán)重比也同樣難以得出。因此常用的加權(quán)平均法會使權(quán)重指標趨于相同，在此處進行改進，應用0-1規(guī)劃進行群決策權(quán)重計算。

基本步驟為：各個專家的權(quán)重矩陣計算出來后，統(tǒng)計出每個指標的權(quán)重值出現(xiàn)的頻數(shù)，找到頻數(shù)最大的權(quán)重值。頻數(shù)的大小直接體現(xiàn)了集體意愿，頻數(shù)最大者就體現(xiàn)出了群體意志的最大化。如果某指標最大頻數(shù)所對應的權(quán)重值有多個，那么就取其平均值作為其最終權(quán)重值。

3 模糊合成運算

3.1 構(gòu)造單因素模糊評價矩陣

3.2 模糊綜合評價

4 實例應用

本文以京港澳高速公路河北段段為例。原京港澳高速公路選線時，我國處在20世紀80年代，選線時遵循盡可能方便沿線城鎮(zhèn)的原則，導致線位很靠近如今的石家莊市主城區(qū)。隨著我國經(jīng)濟的飛躍式發(fā)展，石家莊發(fā)展建設了新城區(qū)，城市規(guī)模越來越大，而境內(nèi)的京港澳高速公路河北段橫亙在石家莊主城區(qū)和新城區(qū)之間。這使很多城市道路都成為了斷頭路，阻礙了城市中主城區(qū)和新城區(qū)之間居民的出行和交流，也限制了城市的發(fā)展。因此，京港澳高速公路河北段段如何進行改建，是亟待解決的問題。

選取上文所提出的3個改建方案，并利用改進模糊層次分析法，對京港澳高速公路河北段進行分析，確定出最佳改建方案。

1) 邀請8位專家就本案例的影響因素兩兩比較，得出模糊判斷矩陣。限于篇幅，只列出專家對A-B的模糊判斷矩陣，如表3所示(表中數(shù)據(jù)依次為專家1-8的評判結(jié)果)。

表3 A-B模糊判斷矩陣

由式(4)對各個模糊判斷矩陣進行一致性檢驗。經(jīng)檢驗，上述模糊一致判斷矩陣大部分不滿足一致性，故已將不滿足一致性的矩陣先應用式(1)和式(2)進行調(diào)整，而滿足一致性的矩陣則不需進行調(diào)整，直接計算權(quán)重。檢驗過程不再贅述。

利用式(3)求得各個專家所評價的A-B權(quán)重矩陣為：

表4 權(quán)重值在各個指標上的頻數(shù)

2) 進行基于0-1規(guī)劃的群決策，對所得A-B權(quán)重進行篩選，篩選后的權(quán)重值及相應頻數(shù)如表4 所示。

由式(5)和式(6)可得：

故由式(7)得A-B權(quán)重為：

由上述方法，同理可以得到B-C權(quán)重分別為：

3) 請8位專家結(jié)合石家莊當?shù)氐淖匀粭l件以及城市發(fā)展現(xiàn)狀，給出自己相應的評價。根據(jù)8位專家的評價，由式(8)可以計算出3個方案的模糊評價矩陣，如表5所示。

表5 方案層的模糊判斷矩陣

采用加權(quán)平均法，根據(jù)等級對應的分值，計算得高架橋方案模糊綜合評分值為2.332，下穿隧道方案為2.585，線位平移方案為2.862。故線位平移方案為最佳方案。

5 結(jié)論

1) 定義了城郊高速公路這一新的概念，區(qū)分了其與一般高速公路和城市快速路的區(qū)別。明確了城郊高速公路改建的目的和意義，并且相應的提出了3種改建方案，為城郊高速公路改建方案提供了 參考。

2) 綜合考慮經(jīng)濟，技術(shù)，社會和城市等6方面因素，建立了基于0-1規(guī)劃方法的群決策的改進模糊層次分析模型，對城郊高速公路的改建方案進行了分析和優(yōu)選。使城郊高速公路改建方案的選擇更加規(guī)范化，合理化；并且為其優(yōu)選提供了新方法。

3) 未使用傳統(tǒng)的加權(quán)平均群決策，而采用0-1規(guī)劃模型的群決策，使群體意志最大化的得以體現(xiàn)，有效的避免了在模糊層次分析法的群決策中使用加權(quán)平均法所帶來的權(quán)重指標趨于相同的問題，所得的權(quán)重更加合理，客觀。

4) 明確了權(quán)重計算和一致性檢驗的步驟。優(yōu)先進行模糊判斷矩陣的一致性檢驗，如不滿足一致性則進行調(diào)整，而滿足一致性的矩陣則為充分保留專家意志則不再調(diào)整，不再籠統(tǒng)的為了減少計算量而全部進行調(diào)整。

5) 結(jié)合實例中的各方面情況進行計算，驗證了此方法的可行性，以此證明了該方法具有廣泛的應用價值。相關(guān)其他工程可根據(jù)當?shù)貙嶋H條件來構(gòu)建模糊評價矩陣，用此方法來計算出相應的最佳改建方案。

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Study on the selection of reconstruction scheme of suburban freeway

YANG Chunfeng1, LIU Cong1, JIN Canzhang2

(1. School of Civil and Transportation Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 2. Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute, Tianjin 300392, China)

With the continuous development and expansion of the city, the freeway in the region has become the suburban freeway, all closed freeway cut off communication on both sides, which has seriously restricted the development of the city. Therefore, the problem needs to be solved urgently. From the six aspects of economy, technology, social and city considerations and so on, the paper puts forward the reconstruction project, and constructs the comprehensive evaluation index system. An improved fuzzy analytic hierarchy process is adopted: the group decision making is based on 0-1 planning group decision, clearing the conditions that no longer adjustment the consistency of the matrix. Finally, sorting and analyzing the schemes by fuzzy comprehensive evaluation. And it can make a comparison and a choice of the schemes. Through an example, it is proved that the proposed method is feasible, and has good directive significance and reference value for similar projects.

road engineering; freeway reconstruction project; improved fuzzy analytic hierarchy process; suburban freeway; 0-1 planning group decision

U418.8

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0255 ? 08

2016?12?01

河北省自然科學基金資助項目(E2012202161)

楊春風(1959?)，男，天津人，教授，從事交通工程方面的工作；E?mail：cfy211@163.com