(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

當(dāng)前公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中大都只關(guān)注技術(shù)與經(jīng)濟(jì)情況，導(dǎo)致新建公路與社會(huì)、生態(tài)之間的關(guān)系不協(xié)調(diào)[1]。因此，在公路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中，如何在設(shè)計(jì)階段科學(xué)、合理地選取路線方案就顯得尤為重要。

關(guān)于路線的方案比選，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究：寧向向等[2]針對(duì)山區(qū)公路建設(shè)特點(diǎn)構(gòu)建了路線比選決策指標(biāo)體系，并通過熵權(quán)法確定了決策因子權(quán)重；張志軍[3]將質(zhì)量功能指標(biāo)劃入決策指標(biāo)體系中，通過分析公路的質(zhì)量特征，對(duì)路線方案進(jìn)行優(yōu)選；趙勇等[4]結(jié)合高速公路建設(shè)特點(diǎn)，采用對(duì)比分析法，從定性、定量?jī)煞矫娼⒘烁咚俟翻h(huán)境影響的評(píng)價(jià)體系，并比選出最終路線方案。

為科學(xué)地對(duì)倘甸至祿勸一級(jí)公路岔河至崇德段2種路線方案進(jìn)行比選，本文選取了預(yù)算費(fèi)用、橋隧比、施工難易等10個(gè)指標(biāo)構(gòu)建路線比選決策指標(biāo)體系，綜合模糊評(píng)價(jià)法與層次分析法的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用模糊層次分析法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，最終通過計(jì)算各方案的總權(quán)值來確定最優(yōu)路線。此法能夠滿足公路設(shè)計(jì)時(shí)路線方案比選的需求，為路線方案的確定提供理論依據(jù)。

1 路線方案概況

昆明市尋甸倘甸至祿勸一級(jí)公路工程項(xiàng)目是嵩待高速公路和昆武高速公路的橫向連接線，也是昆明市北部地區(qū)“三縱兩橫一環(huán)”中重要的一橫。根據(jù)前期地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)，影響岔河至崇德段路線走向的主要因素有：地形、地質(zhì)條件、工程規(guī)模、崇德工業(yè)園區(qū)規(guī)劃及環(huán)保問題。根據(jù)控制因素初步擬定K、D 2條線路，K線沿掌鳩河邊布線，D線設(shè)隧道穿越山梁。

K線方案：起于上六科對(duì)面山坡，掌鳩河輸水管道南側(cè)(K58+556.66)，順普渡河右案布線，設(shè)橋分別跨越掌鳩河輸水管道及普渡河；經(jīng)平田村，于K63+387設(shè)10×30 m大橋跨至掌鳩河左岸鐵礦廠，止于板橋村南側(cè)(K70+940)，路線長(zhǎng)12.383 34 km。

D線方案：起于上六科對(duì)面山坡，掌鳩河輸水管道南側(cè)(K58+556.66)，順普渡河右案布線，設(shè)岔河長(zhǎng)隧道穿越山梁至鐵礦廠對(duì)門，路線順掌鳩河右岸布線，過新房子電站生活區(qū)；止于板橋村南側(cè)(K70+940)，路線長(zhǎng)11.445 04 km，較K線短0.938 3 km。

2 模糊層次分析決策理論

2.1 模糊互補(bǔ)判斷矩陣的構(gòu)建及權(quán)重的確定

2.1.1模糊互補(bǔ)判斷矩陣的構(gòu)建

采用模糊層次分析法的時(shí)候，一般采用某個(gè)因素對(duì)比其它因素的相對(duì)重要性來對(duì)2個(gè)因素進(jìn)行重要性的定量判斷，將各因素兩兩進(jìn)行對(duì)比得到矩陣A=(aij)n×n，并判斷其是否具有以下2種性質(zhì):

1)aij=0.5(i=1，2，…，n);

2)aij+aji=1(i=1，2，…，n;j=1，2，…，n)。

如果矩陣滿足以上性質(zhì)要求，那就稱這個(gè)矩陣為模糊互補(bǔ)判斷矩陣。為了定量描述各指標(biāo)的重要程度，常用的方法是用0.1～0.9標(biāo)度法來標(biāo)定指標(biāo)之間的相對(duì)重要程度[5],其標(biāo)度含義見表1。

表1 標(biāo)度法中數(shù)量標(biāo)度含義標(biāo)度定義說明0.5同等重要兩因素相對(duì)比,同等重要0.6稍微重要某個(gè)因素與另一個(gè)因素相比,稍微重要0.7明顯重要某個(gè)因素與另一個(gè)因素相比,明顯重要0.8重要得多某個(gè)因素與另一個(gè)因素相比,重要得多0.9極端重要某個(gè)因素與另一個(gè)因素相比,極端重要0.1、0.2、0.3、0.4反比較若因素ai與aj相比較得到rij,則因素aj與ai相比較得到的判斷為rji=1-rij

以上面的數(shù)字為標(biāo)度依據(jù)，對(duì)a1，…，an等因素進(jìn)行對(duì)比取值，得到模糊互補(bǔ)矩陣如式(1)所示：

(1)

2.1.2判斷矩陣權(quán)重的確定

對(duì)模糊判斷矩陣A按行求和：

并進(jìn)行如下的數(shù)學(xué)代換：

可以求得一致性矩陣R=(rij)n×n，且排序向量ω=(ω1，ω2，…,ωn)T滿足式(2):

(2)

2.2 模糊互補(bǔ)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)方法

如果Ak(k=1，2，…,n)的一致性可以接受，那么綜合判斷矩陣一致性也一樣能夠接受。其中權(quán)重向量可按如下形式表達(dá)[7]:

W=(W1，W2，…，Wn)

(3)

式中:

(4)

3 路線方案比選分析

3.1 路線方案綜合評(píng)價(jià)體系建立

路線方案比選的指標(biāo)有很多，大致可分為定性及定量指標(biāo)。入選路線方案評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)應(yīng)該具有代表性，并不是越多越好，根據(jù)岔河至崇德段公路建設(shè)工程實(shí)際，選取經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、社會(huì)及環(huán)境與工程影響指標(biāo)構(gòu)建路線綜合評(píng)價(jià)體系，各級(jí)指標(biāo)具體劃分如表2所示。

表2 路線方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)體系目標(biāo)層A指標(biāo)體系子目標(biāo)層B指標(biāo)體系指標(biāo)層C備注路線綜合評(píng)價(jià)體系A(chǔ)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)B1技術(shù)性指標(biāo)B2社會(huì)及環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)B3工程影響指標(biāo)B4路基土石方量C1預(yù)算費(fèi)用C2橋隧比C3平曲線最小半徑C4最大縱坡C5平面交叉C6社會(huì)影響分析C7生態(tài)環(huán)境影響C8施工條件及難易程度C9地質(zhì)條件C10定量分析定性分析

由表2可知，體系中既有定量指標(biāo)，如預(yù)算費(fèi)用、橋隧比等，又有定性指標(biāo)，如生態(tài)環(huán)境影響、地質(zhì)條件等，避免了評(píng)價(jià)體系產(chǎn)生過強(qiáng)的主觀性。指標(biāo)層的10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)既考慮了方案的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性，又考慮了其與自然環(huán)境的和諧性，兼顧了線型選擇時(shí)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系。

3.2 路線方案比選

3.2.1指標(biāo)賦值

根據(jù)建立的岔河至崇德段路線方案比選評(píng)價(jià)體系，參考設(shè)計(jì)文件對(duì)K線與D線的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)性指標(biāo)進(jìn)行定量分析，并邀請(qǐng)行業(yè)專家對(duì)社會(huì)評(píng)價(jià)與工程影響指標(biāo)進(jìn)行打分，分值范圍為0～1，分值高代表該方案本項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu)。2種方案的指標(biāo)賦值如表3所示。

由表3可知，專家對(duì)D線的環(huán)境及工程影響評(píng)價(jià)均高于K線，這是由于K線占用土地、房屋拆遷較D線多，且崇德壩子為良田，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆钣绊戄^大，K線對(duì)地方道路及新房子電站35 kV輸送線干擾段落較長(zhǎng)，橋梁隧道較多，施工難度也更大。

表3 路線方案綜合賦值表路線路線方案綜合評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)技術(shù)性指標(biāo)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)工程影響指標(biāo)路基土石方量/(1 000 m3)預(yù)算費(fèi)用/萬元橋隧比/(m·km-1)平曲線最小半徑/m最大縱坡/%平面交叉/處社會(huì)影響分析/分生態(tài)環(huán)境影響/分施工條件及難易程度/分地質(zhì)條件/分K線2 443.68469 531.854 7350.230 222513.320.40.40.30.4D線1 310.62575 405.956266.062 84260.75.020.60.60.70.6

由于表3定量指標(biāo)的單位制是不同的，因此需對(duì)其進(jìn)行無量綱處理，無量綱公式如式(5):

(5)

對(duì)于路基土石方量、橋隧比等指標(biāo)，其值越低反而代表方案越優(yōu)，故對(duì)此類指標(biāo)賦值進(jìn)行交換，從而得到路線方案評(píng)估如表4所示。

表4 路線方案綜合評(píng)估表路線路線方案綜合評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)技術(shù)性指標(biāo)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)工程影響指標(biāo)路基土石方量預(yù)算費(fèi)用橋隧比平曲線最小半徑最大縱坡平面交叉社會(huì)影響分析生態(tài)環(huán)境影響施工條件及難易程度地質(zhì)條件K線0.350.520.430.510.600.500.400.400.300.40D線0.650.480.570.490.400.500.600.600.700.60

3.2.2指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

邀請(qǐng)4位道路設(shè)計(jì)方面專家對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行對(duì)比分析，并構(gòu)建判斷矩陣，具體過程如下：

1) 目標(biāo)層-子目標(biāo)層判斷矩陣。

計(jì)算得出權(quán)重向量為：W=(0.2830.225 0.2500.242)，同時(shí)A和W相容性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果：I(A，W)=0.065，<0.1，故A是滿意一致的，權(quán)重W的分配是正確的。

2)子目標(biāo)層-指標(biāo)層判斷矩陣。

① 經(jīng)濟(jì)性模糊判斷矩陣為：

② 技術(shù)性模糊判斷矩陣為：

③ 社會(huì)及環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊判斷矩陣為：

④ 工程影響指標(biāo)模糊判斷矩陣為:

綜上所得，層次C總排序權(quán)值如表5所示。

由表5可知，目標(biāo)層中經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)權(quán)重最大，為0.283，子目標(biāo)層中施工條件及難易程度指標(biāo)權(quán)重最大，為0.145。

表5 層次C總排序權(quán)值子目標(biāo)層權(quán)值指標(biāo)層權(quán)值權(quán)值總排序C1 0.2670.076B1 0.283C2 0.3830.108C3 0.3500.099C4 0.3670.083B2 0.225C5 0.3330.075C6 0.3000.067B3 0.250C7 0.5500.138C8 0.4500.112B4 0.242C9 0.6000.145C10 0.4000.097

3.2.3方案比選

綜上所述，將路線方案綜合評(píng)估表與總排序權(quán)值表進(jìn)行模糊判斷，得到2種方案的評(píng)分情況如表6所示。

表6 方案評(píng)分對(duì)比表基礎(chǔ)層指標(biāo)層次C總排序權(quán)值K線D線C10.0760.350.65C20.1080.520.48C30.0990.430.57C40.0830.510.49C50.0750.60.4C60.0670.50.5C70.1380.40.6C80.1120.40.6C90.1450.30.7C100.0970.40.6

根據(jù)表6計(jì)算可知，K線方案的最終評(píng)分為0.428 46，D線方案的最終評(píng)分為0.571 54。從評(píng)分結(jié)果上看，D線方案的設(shè)計(jì)較好，因此將D線方案選為岔河至崇德段的最優(yōu)路線設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

本文基于模糊層次分析法，選取技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及工程影響4大指標(biāo)，對(duì)岔河至崇德段路線K線和D線2種方案進(jìn)行了分析計(jì)算，得到了以下結(jié)論:

1) 通過層次分析法對(duì)各指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果可知，路線方案評(píng)估指標(biāo)中經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)所占權(quán)重最大，為0.283，是影響路線設(shè)計(jì)走向的首要因素，其次是環(huán)境評(píng)價(jià)、工程影響指標(biāo)，技術(shù)性指標(biāo)所占的權(quán)重最小，為0.225，對(duì)路線走向的影響作用最小。

2) 通過2種方案總評(píng)分的計(jì)算結(jié)果可知，D線方案評(píng)分較高，大于K線的評(píng)分，因此，岔河至崇德段路線的最終走向方案是D線。與原設(shè)計(jì)文件中的推薦方案一致。

3) 采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)公路工程可行性研究階段路線方案進(jìn)行比選，以數(shù)值量化與評(píng)分相結(jié)合的方式對(duì)其進(jìn)行比較，能減少人為因素的主觀判斷，并直觀地得出評(píng)價(jià)結(jié)果，可為同類型公路路線方案比選提供參考。