尹文華

1蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070

2寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 寧夏 銀川 750000

1 引言

新建（S60固原至?xí)幑肺骷習(xí)幎危┪挥趯幭幕刈遄灾螀^(qū)固原市西吉縣境內(nèi)，是寧夏境內(nèi)重要的兩條縱向和橫向通道G22與G70的聯(lián)接線，是寧夏區(qū)內(nèi)重要的省級高速公路及主要的南部山區(qū)出口通道。建成后將在西吉縣域內(nèi)形成橫貫東西的大通道，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后的自治區(qū)南部城鎮(zhèn)，打開向西開放的窗口。對完善地區(qū)高速路網(wǎng)，促進(jìn)區(qū)域交通運(yùn)輸發(fā)展；加快少數(shù)民族貧困地區(qū)脫貧步伐，振興陜甘寧革命老區(qū)經(jīng)濟(jì)；推進(jìn)寧夏南部地區(qū)融入絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)；加強(qiáng)省際區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作，促進(jìn)固原市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展；開發(fā)旅游資源、發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)西吉縣經(jīng)濟(jì)社會整體發(fā)展，有著重要、顯著的促進(jìn)作用。

（1）S60固原至?xí)幑肺骷習(xí)幎喂こ探ǔ梢院?，將會使該區(qū)域國省干線上的交通路大部分吸引到該公路上，承擔(dān)主要交通任務(wù)，還促進(jìn)區(qū)域政治、經(jīng)濟(jì)軍事、科技、社會等方面的發(fā)展和進(jìn)步。公路路線方案的選擇是總體性的、全局性的工作，路線方案選擇后，高速公路全全壽命周期內(nèi)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性、結(jié)構(gòu)可靠性、運(yùn)營安全性以及社會影響等就已基本確定。所以S60固原至?xí)幑肺骷習(xí)幎温肪€走向選擇的經(jīng)濟(jì)、合理性，除了直接影響高速公路本身的建設(shè)投入、工程建設(shè)周期、工程規(guī)模及經(jīng)濟(jì)效益，且和本項(xiàng)目是否滿足區(qū)域交通需求，對地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會及人文發(fā)展以及軍事發(fā)展等方面都有著深遠(yuǎn)的影響。同時(shí)，S60固原至?xí)幑肺骷習(xí)幎温肪€各方案的評價(jià)和對比工作，不僅涉及各技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、社會環(huán)境指標(biāo)、地質(zhì)水文氣象指標(biāo)等不確定的復(fù)雜的多種目標(biāo)分析決策的過程，主要指標(biāo)列舉如下：S60固原至?xí)幑肺骷習(xí)幎喂肺挥?921年海原大地震震后的地形地貌主要區(qū)域，方案評價(jià)中不僅要考慮公路的水文地質(zhì)環(huán)境、氣候和氣象條件、歷史文物、主要村鎮(zhèn)的發(fā)展還要考慮山嶺重丘區(qū)高速公路視距、平縱組合、車輛運(yùn)行速度、交通路及服務(wù)水平等高速公路的主要技術(shù)指標(biāo)和安全運(yùn)營措施等。各指標(biāo)的權(quán)重具有很大的不確定性，無法直接給定或者選擇哪個(gè)作為主要指標(biāo)。

（2）很多定性的指標(biāo)，比如對西吉山區(qū)經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的發(fā)展的促進(jìn)作用、改善南部山區(qū)高速路王的結(jié)構(gòu)、對當(dāng)?shù)芈糜?、礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用、對當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的影響、對西吉縣及固原市整治和軍事的影響等，都難以用具體的數(shù)字形式來表現(xiàn)，而且很難按照數(shù)學(xué)模型的要求直接對各指標(biāo)進(jìn)行量化來求解評價(jià)結(jié)果。所以具體指標(biāo)的取值和量化在整個(gè)過程中都具有很強(qiáng)的不確定性，進(jìn)而使個(gè)路線方案的評價(jià)和對比工作難度加大，對決策結(jié)果造成較大的偏差。

S60固原至?xí)幑肺骷習(xí)幎芜x線設(shè)計(jì)方案優(yōu)選是復(fù)雜的決策問題。決策是一種帶主觀偏好的多目標(biāo)灰色優(yōu)化問題。它涉及因素眾多,既有公路指標(biāo)等技術(shù)指標(biāo)、社會發(fā)展等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等定量指標(biāo),又有自然和社會環(huán)境條件及區(qū)域經(jīng)濟(jì)政治人文意義等人文類定性指標(biāo)。通常業(yè)內(nèi)采用不同方案對應(yīng)的換算工程運(yùn)營費(fèi)最省為主要評判依據(jù)得出最佳方案。但這種方法不能將技術(shù)經(jīng)濟(jì)定量指標(biāo)和社會環(huán)境影響定性指標(biāo)綜合起來評價(jià)，最終入選方案不一定是最優(yōu)方案。

本文將基于層次分析法對S60固原至?xí)幑肺骷習(xí)幎吸h家岔濕地保護(hù)區(qū)選線方案進(jìn)行研究，通過對該路段選線影響因素的多目標(biāo)層次化梳理建立方案決策結(jié)構(gòu)模型，借助專家經(jīng)驗(yàn)對完全繞避保護(hù)區(qū)北方案、繞避核心區(qū)北方案、繞避核心區(qū)南方案、完全繞避保護(hù)區(qū)南方案構(gòu)造判斷矩陣，給出合理的權(quán)重因子，最終得到優(yōu)選方案。

2 基于層次分析法的S60固原至?xí)幑肺骷習(xí)幎芜x線方案研究

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

要想建立工程滿意的層次結(jié)構(gòu)模型，需對S60西會公路的工程背景有著透徹的理解和認(rèn)識。

S60固原至?xí)幑肺骷習(xí)幎窝鼐€經(jīng)過黨家岔濕地保護(hù)區(qū)，根據(jù)國家環(huán)?？偩窒嚓P(guān)建設(shè)項(xiàng)目涉及環(huán)境問題的工作通知規(guī)定：凡涉及的開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目(以下簡稱“項(xiàng)目”)，不得安排在的核心區(qū)、緩沖區(qū)內(nèi)；需占用實(shí)驗(yàn)區(qū)的，不得破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，其污染物排放不得超過國家和地方規(guī)定的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)要求。

由以上規(guī)定可知，公路建設(shè)不得在的核心區(qū)、緩沖區(qū)內(nèi)進(jìn)行。

在水源地和文物古跡保護(hù)措施方面，需著重做到以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)對森林公園、水源地等環(huán)境敏感區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)考慮，通過環(huán)保選線，對可能通過生態(tài)敏感目標(biāo)的路線，在各方面因素協(xié)調(diào)統(tǒng)一的情況下，盡量采取繞避措施。對于工程無法繞避的占地面積大，跨越范圍廣的敏感目標(biāo)，設(shè)計(jì)中進(jìn)一步優(yōu)化線路方案，采取合理措施減緩工程對自然景觀及地質(zhì)景觀的破壞。如果受自然條件限制，必須穿越保護(hù)區(qū)，應(yīng)與相關(guān)的管理部門進(jìn)行保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃的調(diào)整，使工程合法實(shí)施，并依照相關(guān)規(guī)定辦理審批手續(xù)。經(jīng)地方政府證實(shí)。

（2）保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)服務(wù)區(qū)其污染物排放不得超過國家和地方規(guī)定的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、不設(shè)施工營地及料場，隧道棄碴常嚴(yán)禁設(shè)在保護(hù)區(qū)范圍。

（3）嚴(yán)格要求施工單位主動(dòng)與、水源保護(hù)區(qū)、地質(zhì)公園等主管部門取得聯(lián)系，嚴(yán)格按照有關(guān)保護(hù)規(guī)定安排施工作業(yè)。

（4）下階段進(jìn)一步核實(shí)線位附近文物保護(hù)單位，盡量避免穿越、占壓省級及以上文物，及時(shí)向文物保護(hù)部門匯報(bào)線位。

根據(jù)從地方林業(yè)部門收集的資料顯示，黨家岔濕地保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)可分為核心區(qū)、緩沖區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)三部分。國家林業(yè)局已明確答復(fù)，新建公路不允許從核心區(qū)穿越，穿越緩沖區(qū)或?qū)嶒?yàn)區(qū)必須經(jīng)林業(yè)部門審批。

本次針對繞避西吉縣黨家岔濕地保護(hù)區(qū)問題，進(jìn)行了4個(gè)線路走向方案的研究，即：完全繞避保護(hù)區(qū)北方案、繞避核心區(qū)北方案、完全繞避保護(hù)區(qū)南方案、繞避核心區(qū)南方案。

并對以上方案進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，比選段落為線K30+941至 K44+960段。

2.1.1 各方案對比表

表1 繞避工程數(shù)量表

2.1.2 方案綜合比選及推薦意見

綜合考慮繞避保護(hù)區(qū)的四個(gè)比選方案，完全繞避保護(hù)區(qū)北方案具有以下優(yōu)點(diǎn)： 線路長度較短；工程投資最??；線位距公路及居民點(diǎn)較近，能夠方便旅客及貨物運(yùn)輸；隧道施工難度及工期等方面也具有較明顯的優(yōu)勢；而且，該方案新建線路完全繞避，對保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，具有明顯的優(yōu)勢。經(jīng)綜合比較，本次研究以完全繞避保護(hù)區(qū)方案為推薦方案。

因?yàn)檎嫉囟?，設(shè)計(jì)因素多，需要宏觀從經(jīng)濟(jì)條件、技術(shù)條件、環(huán)境條件及社會意義幾個(gè)主要方面來對這四個(gè)方案進(jìn)行比較，經(jīng)過相關(guān)因素的定位考慮，最終確定了準(zhǔn)則層，并建立結(jié)構(gòu)層次模型如圖1所示。

圖1 S60固原至?xí)幑肺骷習(xí)幎芜x線方案決策層次模型結(jié)構(gòu)圖

2.2 組件判斷分析(成對分析比較)矩陣

在首先確定各層次和各主要因素間的各自權(quán)重時(shí)，采用定性分析所得的結(jié)果，往往不能被人認(rèn)可和接受，所以本文采用Santy等人提出的一致矩陣法，不把各因素全部放在一起對比，而是將主要因素進(jìn)行成對對比的方式；使用相對的尺度，盡量降低不同性質(zhì)的主要各因素進(jìn)行比較時(shí)的高難度，進(jìn)而提高評價(jià)的正確率。

假設(shè)我們要比較各要素B1,B2,… , B6對評價(jià)目標(biāo)的重要程度，即：

其中，aij的標(biāo)度方法見表3。

表3 準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重

判斷矩陣不合理，就算計(jì)算過程準(zhǔn)確也得不到滿意的結(jié)果。因此，在進(jìn)行繞避小興安嶺路線方案打分和構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，特邀了五個(gè)對山嶺重丘區(qū)高速公路路線方案經(jīng)驗(yàn)豐富和對本項(xiàng)目路線理解較深的專家進(jìn)行評分，還要著重分析地質(zhì)自然環(huán)境自然環(huán)境對路線方案的影響。

表2 判斷矩陣元素aij的標(biāo)度方法

2,4,6,8 上述兩相鄰判斷的中值倒數(shù) 因素i與j比較的判斷aij，則因素j與i比較的判斷aji=1/aij

根據(jù)相關(guān)專家意見，整理出判斷矩陣如下D：

2.3 層次單排序及其一致性檢驗(yàn)

結(jié)合《模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用（第四版）》附錄中給出的和法求解判斷矩陣A的最大特征值及歸一化后特征向量的MATLAB源代碼程序AHP_Hf.m，可得：

D的最大特征值是：

D的最大特征值對應(yīng)特征向量的值為：

一致性指標(biāo)

查表5可得隨機(jī)一致性指標(biāo)

表5 各要素的最大特征值

表4 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

繼續(xù)構(gòu)造3個(gè)方案關(guān)于4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的判斷矩陣為：

由此可得各要素的最大特征值：

相應(yīng)的特征向量

均通過一致性檢驗(yàn)。

2.4 層次總排序及其模糊評價(jià)

從而有

即在4個(gè)選線方案中選擇完全繞避保護(hù)區(qū)北方案是合適的,結(jié)果和前面分析的一致。

3 結(jié)束語

采用層次分析法把復(fù)雜的高估松露路線方案的分析對象作為一個(gè)系統(tǒng)，通過分析、比對、決策、融合的分析方式來決策分析，在這一過程中定性與定量相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)的最優(yōu)化數(shù)學(xué)技術(shù)無法著手的工程實(shí)際問題，使方案制定者與方案分析人之間互通，方案制定者可以直接來用它從而增加并促進(jìn)了決策分析的正確性和有效性。

但同時(shí)應(yīng)看到是基于有限枚舉法得到的有限方案優(yōu)選，并不能直接得出最優(yōu)或工程滿意的新方案，雖然有利于提高決策的可信度，但是選線的工作效率上并無提升。另外，通過層析分析的模型結(jié)構(gòu)來導(dǎo)出比較矩陣，選線的設(shè)計(jì)人員的主觀個(gè)人原因?qū)Φ葌€(gè)分析決策過程有著很大的影響，所以結(jié)果有時(shí)候難以讓所有的路線設(shè)計(jì)人員接受。為了增加數(shù)據(jù)的可信度，也就是判斷數(shù)據(jù)不失真，必須采取專家群體判斷。

所以，層次分析法為公路選線決策提供了一種好的解決問題的方式，同時(shí)，應(yīng)認(rèn)識到在智能化專業(yè)應(yīng)用方面還需進(jìn)一步結(jié)合專業(yè)工作模式和特色做改進(jìn)與提升，將最優(yōu)化方法與其相結(jié)合，提高公路選線專家系統(tǒng)的實(shí)用性。