魯海軍,吳卓凡

(1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089；2.成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

高速公路建設(shè)線路方案的比選，是公路建設(shè)前期重要解決的問(wèn)題，公路線路方案是否科學(xué)合理，直接關(guān)系到項(xiàng)目建成的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。在高速公路建設(shè)初期，對(duì)各備選線路方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境和社會(huì)影響等方面的綜合評(píng)價(jià)，選擇最優(yōu)效果的可行方案來(lái)加以實(shí)施執(zhí)行，成為高速公路建設(shè)的關(guān)鍵[2-4]。目前應(yīng)用較多的線路評(píng)價(jià)方法主要為加權(quán)分析法、ELECRE法、線性分配法等[5-9]。但由于公路選線方案決策中涉及到多維度的龐大數(shù)據(jù)信息，且各信息影響因子相互影響，難以簡(jiǎn)單地以線性關(guān)系來(lái)對(duì)待[10]。傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在著一些缺陷，難以取得較好的評(píng)價(jià)效果[11]。本文針對(duì)高速公路線網(wǎng)選擇既有模糊性又有相對(duì)性特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)層次分析法和模糊評(píng)價(jià)策略，提出一種模糊層次分析法(FAHP)，建立對(duì)影響公路選線指標(biāo)的隸屬度模型，對(duì)各復(fù)雜指標(biāo)進(jìn)行模糊權(quán)重計(jì)算，獲得某一高速公路工程建設(shè)的線路優(yōu)選方案。

1 公路線路優(yōu)選方案擬定

1.1 工程背景

擬定臨金高速公路作為長(zhǎng)深高速G25的組成部分，項(xiàng)目北起漢杭新景高速公路楊村橋段，終點(diǎn)相交于滬昆高速二仙橋東，通過(guò)復(fù)合式樞紐，接通金麗溫高速公路，途徑臨安、桐廬、建德、蘭溪、金華，全長(zhǎng)146.95 km。線路作為長(zhǎng)三角都市圈高速公路網(wǎng)規(guī)劃“十橫、七縱”路網(wǎng)布局中的“一縱”，也是浙江省公路交通規(guī)劃“兩縱、兩橫、十八連、三繞、三通道”架構(gòu)的“一連”。項(xiàng)目建成后，將連接杭徽、杭新景、杭金衢、金麗溫等4條高速公路，建成后作為蘭溪北部地區(qū)發(fā)展新通道，將大大縮短浙中、浙西至杭州距離。

擬建線路作為保障長(zhǎng)三角戰(zhàn)略實(shí)施的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，將在浙中西南地區(qū)、安徽東南地區(qū)和江蘇西部構(gòu)建出快速通道，加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)的輻射能力，對(duì)完善浙皖兩省高速路網(wǎng)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

1.2 項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

該項(xiàng)目沿線村鎮(zhèn)較為密集，路徑區(qū)域地形地貌復(fù)雜，同時(shí)要穿越科里山、金華山，跨越蘭江，穿越4條高速公路和地方道路。根據(jù)交通量預(yù)測(cè)，到2030年，線路交通量將達(dá)到61 245 pcu/d，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2014)公路分級(jí)選用原則，項(xiàng)目全線采用雙向4車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬34.6 m，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)JTGB01-2014決定。

1.3 項(xiàng)目備選方案擬定

本項(xiàng)目路線設(shè)定主要受起終點(diǎn)位置、高壓走廊避讓、城市布局發(fā)展規(guī)劃的影響。其大的路線方案主要為3個(gè)。方案1是距離建德、蘭溪市區(qū)較遠(yuǎn)，導(dǎo)致建德南邊和蘭溪東邊沒(méi)有出入口，車輛出入高速公路不便捷；方案2是需穿過(guò)建德石灰石采礦區(qū)，對(duì)工程建設(shè)后后期運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患；方案3是穿過(guò)臨安雙溪口水庫(kù)，高速公路不宜穿過(guò)水庫(kù)泄洪區(qū)。因此，根據(jù)路線控制因素具體分析，經(jīng)多次場(chǎng)外實(shí)地勘察、數(shù)據(jù)測(cè)量和資料收集，初選定A、B、C如下3個(gè)路線方案。

A方案路線布設(shè)順暢，總體布局小，占用良田少，能利用部分廢棄鐵路路基，但在建德市北存在繞行，增加了里程量，整體工程量較大。

B方案里程段、工程量小，路網(wǎng)規(guī)劃較為合理，避開(kāi)了水庫(kù)和采礦區(qū)，地質(zhì)條件相對(duì)較好，并對(duì)臨安西發(fā)展有利。缺點(diǎn)是路線經(jīng)過(guò)蘭溪市西南城市規(guī)劃內(nèi)側(cè)，對(duì)城市規(guī)劃布局影響較大，且線路繞過(guò)采礦區(qū)，存在迂回道路。

C方案里程最短，工程量小，路線順暢，地質(zhì)條件好，對(duì)臨安西區(qū)發(fā)展有利，缺點(diǎn)是路線經(jīng)過(guò)蘭溪市西南城市規(guī)劃內(nèi)側(cè)、且經(jīng)過(guò)采礦區(qū)，占用部分石灰石礦區(qū)，對(duì)建設(shè)運(yùn)營(yíng)都會(huì)帶來(lái)不利影響。

2 方案的單向評(píng)價(jià)

2.1 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

高速公路經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)包括國(guó)民經(jīng)濟(jì)和財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)。國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)是從國(guó)民經(jīng)濟(jì)全局出發(fā)，考慮項(xiàng)目產(chǎn)出對(duì)全社會(huì)作用和經(jīng)濟(jì)凈貢獻(xiàn)，分析項(xiàng)目宏觀可行性。評(píng)價(jià)期為項(xiàng)目建設(shè)期(2016—2020年)和項(xiàng)目建成投運(yùn)后的20 a運(yùn)營(yíng)期(2020—2040年)，評(píng)價(jià)基年為項(xiàng)目開(kāi)工第1年即2016年。根據(jù)項(xiàng)目各方案的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和財(cái)務(wù)盈利能力比較，對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行收益分析，確定方案的國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1 所示。

表1 方案的國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 Programme indicators for national economic evaluation方案經(jīng)濟(jì)效益凈現(xiàn)值/萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率/%投資回收周期/aA236 424.51.9318.2614.82B237 842.71.9618.6114.63C235 257.81.9418.3914.75

財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)是在現(xiàn)行國(guó)家稅收和價(jià)值體系下，考慮項(xiàng)目的財(cái)務(wù)盈利能力和財(cái)務(wù)清償能力，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)。高速公路作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)體，必須以實(shí)際價(jià)格為依據(jù)來(lái)計(jì)算項(xiàng)目收益、支出和盈利，如表2所示為方案的具體財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表2 方案的財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Programme financial evaluation indicators方案財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值/萬(wàn)元財(cái)務(wù)效益費(fèi)用比財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率/%投資回收周期/aA216 816.151.338.3617.28B235 738.271.388.0116.43C227 352.581.367.8816.66

2.2 技術(shù)評(píng)價(jià)

3條線路起點(diǎn)位置、整體工程量、地形地質(zhì)條件和城市規(guī)劃結(jié)合等條件相近，區(qū)別僅在于是否穿越建德采礦區(qū)以及金華市西南城市規(guī)劃內(nèi)側(cè)。3條線路不同，相應(yīng)的工程量見(jiàn)表3所示?？梢钥闯觯珻方案相較于B方案整體線路縮短632 m，但整體投資較B線增加了0.56億元，主要是該線路穿越礦區(qū)，且占?jí)毫瞬糠值V區(qū)。盡管線路縮短對(duì)后來(lái)的運(yùn)營(yíng)效益有利，但對(duì)工程建設(shè)和建成投運(yùn)存在影響。

表3 方案相應(yīng)線路段參數(shù)比較Table 3 Comparison of the parameters of the corresponding line segments方案全線里程/km比較段里程/km造價(jià)/億元特大橋/(m/座)大眾橋/(m/座)涵洞/道天橋/座通道/道互通式立交/處分離式立交/(m/座)水文地質(zhì)條件地占面積/m2A148.8348.73642.251 892.4/21 607.63/15723614664 126.26/63好7 683 332B146.6444.35341.671 892.4/21 818.23/17984215264 356.85/70一般8 281 999C146.6443.72142.231 892.4/21 797.22/18835215463 888.31/58好8 343 332

2.3 環(huán)境評(píng)價(jià)

公路建設(shè)中對(duì)環(huán)境的影響主要包括對(duì)自然環(huán)境的破壞和對(duì)周邊環(huán)境的污染。因此，在公路建設(shè)環(huán)境評(píng)價(jià)主要是在路線方案選定、設(shè)計(jì)和施工階段對(duì)環(huán)境以及公路行駛車輛的污染。工程建設(shè)期環(huán)境影響主要為路基工程、橋梁工程以及移民和施工過(guò)程中產(chǎn)生的大氣、噪聲污染。由于公路路基工程線長(zhǎng)面廣，要大量土石方，不可避免地對(duì)已有植被造成破壞，導(dǎo)致水土流失。本項(xiàng)目根據(jù)線路地形和自然條件的差異，大量路基土取自荒坡、旱地或不適耕地集中取土。為避免橋梁建設(shè)造成的局部涌水，減緩泥沙下沉，設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)橋梁布設(shè)預(yù)留足夠用地；為解決項(xiàng)目建設(shè)中的移民問(wèn)題，對(duì)線路通過(guò)村莊，涉及拆遷工作，妥善做好遷移和安置賠償工作。施工期存在的大氣、噪聲污染主要對(duì)周邊200 m區(qū)域造成影響，通過(guò)切實(shí)可行的措施降低環(huán)境污染。線路運(yùn)營(yíng)階段對(duì)環(huán)境的影響主要是沿線交通噪聲、震動(dòng)、尾氣排放的污染，項(xiàng)目確定在高速兩側(cè)各布設(shè)5 m寬綠化帶，部分公路兩側(cè)布設(shè)隔聲墻。

2.4 社會(huì)評(píng)價(jià)

擬建項(xiàng)目所在的長(zhǎng)三角都市圈高速公路網(wǎng)，連接了杭徽、杭新景、杭金衢、金麗溫等4條高速公路，建成后作為蘭溪北部地區(qū)發(fā)展新通道，將大大縮短浙中、浙西至杭州距離。其次，項(xiàng)目與杭徽、杭新景、杭金衢、金麗溫等4條高速公路相連，對(duì)于完善浙江省高等級(jí)運(yùn)輸公路體系，緩解公路中心部位壓力有著極為重要的作用。

建立便捷高效、具有連接浙中與浙西的運(yùn)輸通道，對(duì)促進(jìn)浙江省自身經(jīng)濟(jì)和國(guó)家宏觀經(jīng)濟(jì)都產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。杭州至金華國(guó)家高速段，直接實(shí)現(xiàn)浙江西部地區(qū)與東部發(fā)達(dá)地區(qū)的連通，且縮短了兩地區(qū)的距離，并給金華地區(qū)商品出口帶來(lái)契機(jī)，大大增加了浙江中部向中西南地區(qū)、安徽東南和江蘇西部的輻射影響力，給建德、蘭溪和金華的商品出口創(chuàng)造了良好條件。

3 方案的綜合優(yōu)選

3.1 指標(biāo)體系

根據(jù)高速公路線路方案綜合評(píng)價(jià)原則，結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，從工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境和社會(huì)影響力角度來(lái)建立相應(yīng)的指標(biāo)體系，由于算例涉及范圍相對(duì)較大，影響因素眾多，因此選取該區(qū)域線路方案決策影響最大的定量和定性指標(biāo)來(lái)建立本方案的優(yōu)選指標(biāo)體系，如表4、表5所示。

表4 方案優(yōu)選項(xiàng)目(O)定性指標(biāo)體系Table 4 Selected project (O)gualitative Indicators system宏觀層中觀層微觀層財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值(u11)財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)(O11)財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(u12)財(cái)務(wù)效益比(u13)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)(O1)投資回收期(u14)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用凈現(xiàn)值(u21)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)(O12)經(jīng)濟(jì)效益凈現(xiàn)值(u22)內(nèi)部收益率(u23)投資回收期(u24)里程數(shù)(u31)運(yùn)營(yíng)條件(O21)整體線性(u32)運(yùn)用效益(u33)技術(shù)評(píng)價(jià)(O2)投資額(u41)工程條件(O22)地形條件(u42)水文條件(u43)占地面積(u44)生態(tài)環(huán)境(u51)環(huán)境評(píng)價(jià)(O3)空氣影響(u52)噪聲影響(u53)社會(huì)影響(O41)區(qū)域輻射發(fā)展(u61)交通安全舒適度(u62)社會(huì)評(píng)價(jià)(O4)工程開(kāi)發(fā)影響(O42)土地增值效應(yīng)(u71)交通環(huán)境影響(O43)商業(yè)發(fā)展(u72)外部聯(lián)系影響(O44)就業(yè),收入分配(u73)

表5 方案優(yōu)選項(xiàng)目(0)定量指標(biāo)體系Table 5 Selected project(O)guantitative indicatovs system方案U11U12/%U13U14/aU21U22U23/%U24/aU31/kmU41U44/kmA216 915×1048.331.3317.221.92237 253×10418.1214.2112.7342.25×1087 683 332B235 736×1048.011.3916.431.98238 531×10418.58144.68106.7441.67×1088 281 999C227 257×1047.821.3816.621.95236 873×10418.4214.71106.1041.12×1088 343 332

3.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

上述分析可以看出，工程項(xiàng)目的優(yōu)選指標(biāo)體系涉及范圍大，影響因素眾多，屬于一類多屬性決策[12]。需要針對(duì)屬性類別的相對(duì)重要性進(jìn)行屬性權(quán)重或權(quán)系數(shù)計(jì)算。由于傳統(tǒng)層次分析法通過(guò)計(jì)算各指標(biāo)的判斷矩陣來(lái)尋找最大特征根作為權(quán)重系數(shù)，對(duì)重要指標(biāo)的1-9標(biāo)度法比較難以判定，獲得的特征向量不能較好地翻譯指標(biāo)間的客觀排序[13]，因此本節(jié)采用改進(jìn)的FAHP方案來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重[14]?；贔AHP建立判斷矩陣構(gòu)造方法具體為：

a.對(duì)指標(biāo)因素X1，X2，…，Xn，建立關(guān)系矩陣P=(pij)n×n，存在關(guān)系有：

pij={0.5，s(i)=s(j)

1.0，s(i)>s(j)

0，s(i)

(1)

式中:s(i)和s(j)分別為Xi和Xj的重要性。

b.對(duì)建立的矩陣P=(pij)n×n求和，得：

(2)

對(duì)獲得的求和函數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算如下：

(3)

建立矩陣Q=(qij)n×n的模糊一致性矩陣。判斷矩陣不僅滿意一致性檢驗(yàn)要求，且借助優(yōu)選關(guān)系矩陣對(duì)因素的重要程度進(jìn)行了描述，相較于1-9標(biāo)度法更直觀方便[14]。

計(jì)算建立矩陣的特征值，首先計(jì)算矩陣Q中所有元素幾何平均值，即：

(4)

(5)

則獲得的A=(a1，a2，…,an)T，即為各因素的相對(duì)權(quán)重值。獲得各影響因素的權(quán)重值見(jiàn)表6。

表6 影響因素權(quán)重值Table 6 Weight of influencing factorsO1O11O12O2O21O220.3530.5000.5000.3370.3300.670O3O4O41O42O43O440.1110.1990.3000.2900.2100.200u11u12u13u14u21u220.1600.2780.4670.0950.1600.278u23u24u31u32u33u410.4670.0950.2940.3700.3360.268u42u43u44+u51u52u530.2610.2450.2260.4320.3980.170u61u62u71u72u730.6340.3660.2280.3370.435 注:表中各字母代表的意義及其構(gòu)架見(jiàn)表4;+0.226×666.67=150.667 m2。

3.3 相對(duì)隸屬度確定

根據(jù)高速公路選線設(shè)計(jì)優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其中包括了定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。為建立指標(biāo)間的相互關(guān)系，引入相對(duì)隸屬度建立方案集C對(duì)元素c的隸屬度模型。對(duì)于定量指標(biāo)，采用式(6)計(jì)算相對(duì)隸屬度[15]：

(6)

(7)

表7 定性指標(biāo)分級(jí)量化表Table 7 Quantitative classification of qualitative indicators fxi xi , fxj xj 00.10.30.50.70.91效益型指標(biāo)極差不足合格一般良好好優(yōu)秀成本性指標(biāo)很大較大大普通稍小小微小環(huán)境、條件極差不足合格一般良好好優(yōu)秀意義、作用可忽略不重要較不重要普通較重要重要極重要影響程度巨大影響很大影響較大影響一般影響較小很小無(wú)影響

建立方案優(yōu)選過(guò)程中的綜合相對(duì)優(yōu)先度為：

(8)

實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)專家組統(tǒng)計(jì)獲得比較級(jí)fxi(xi)的值，并利用公式(4)計(jì)算獲得各方案對(duì)各指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)先度，若M(xi)>M(xj)，則表明在該因素方面，方案Ci優(yōu)于Cj[15]。本文計(jì)算獲得3種方案的綜合優(yōu)選指標(biāo)特征值的二元相對(duì)比較級(jí)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 方案優(yōu)選定性指標(biāo)的二元相對(duì)比較級(jí)表Table 8 Table of binary relative comparison levels for pre-ferred qualitative indicators for schemes指標(biāo)特征量fB(xA),fA(xB)fC(xA),fA(xC)fC(xB),fB(xC)整體線性[0.5,0.7][0.5,0.9][0.7,0.9]運(yùn)營(yíng)效益[0.7,0.9][0.9,0.5][0.9,0.5]地形條件[0.9,0.5][0.9,0.5][0.7,0.9]水文條件[0.5,0.7][0.5,0.7][0.5,0.7]生態(tài)環(huán)境[0.7,0.5][0.7,0.5][0.5,0.7]空氣影響[0.5,0.9][0.5,0.9][0.5,0.9]噪聲影響[0.5,0.7][0.5,0.9][0.5,0.7]區(qū)域輻射發(fā)展[0.5,0.7][0.5,0.7][0.9,0.5]交通安全舒適度[0.7,0.9][0.7,0.9][0.7,0.9]土地增值效應(yīng)[0.5,0.7][0.5,0.7][0.5,0.7]商業(yè)發(fā)展[0.5,0.9][0.7,0.9][0.5,0.9]就業(yè)、收入分配[0.5,0.7][0.5,0.7][0.5,0.7]交通環(huán)境影響[0.9,0.5][0.7,0.7][0.5,0.7]外部聯(lián)系影響[0.5,0.9][0.5,0.7][0.9,0.7]

方案優(yōu)選系統(tǒng)模糊化在于獲得方案優(yōu)屬度向量的最優(yōu)解。因此建立系統(tǒng)全體評(píng)價(jià)方案的權(quán)優(yōu)異度與權(quán)劣異度平方和為最小，即獲得優(yōu)屬度向量的最優(yōu)解模型為：

i=1，2，…，m

(9)

對(duì)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)目標(biāo)O1，由兩個(gè)中觀層優(yōu)屬度向量建立目標(biāo)O1的隸屬度矩陣為：

根據(jù)計(jì)算得到的4個(gè)宏觀層目標(biāo)優(yōu)屬度向量獲得方案的隸屬度矩陣：

通過(guò)計(jì)算獲得A、B、C的3個(gè)方案從屬于優(yōu)向隸屬度分別為0.064、0.969、0.113。由最大隸屬度原則，確定最佳方案排序?yàn)锽>C>A?？梢钥闯觯捎肍AHP評(píng)價(jià)體系獲得的推薦方案與實(shí)際選用方案一致，表明模糊評(píng)價(jià)體系具有很好的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某一高速公路優(yōu)選線路方案的實(shí)例，基于線路方案綜合評(píng)價(jià)、決策模式和線路優(yōu)選模型，引入FAHP評(píng)價(jià)體系，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境和社會(huì)影響角度建立由指標(biāo)特征值轉(zhuǎn)化為相對(duì)隸屬度的指標(biāo)隸屬度模型，針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)存在的模糊性和相對(duì)性特點(diǎn)，運(yùn)用改進(jìn)的FAHP確定指標(biāo)的權(quán)重，并基于模糊化理論建立線路方案的多層次、多目標(biāo)決策系統(tǒng)模糊優(yōu)化模型，對(duì)各備選方案進(jìn)行分析排序，獲得各方案從屬于優(yōu)向隸屬度值。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證表明：本文采用的FAHP評(píng)價(jià)體系獲得的推薦方

案與實(shí)際選用方案一致，表明評(píng)價(jià)體系具有很好的準(zhǔn)確度。