邱成虎

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，蘭州730030）

1 引言

西部山區(qū)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益增多，其規(guī)劃和修建影響著路網(wǎng)輻射區(qū)域的規(guī)劃與建設(shè)、資源利用和產(chǎn)業(yè)布局。貫徹生態(tài)選線、地質(zhì)選線、安全選線、環(huán)境選線等理念，充分考慮工程規(guī)模、行車及運(yùn)營(yíng)安全、環(huán)境影響、施工條件和工程經(jīng)濟(jì)等因素，根據(jù)規(guī)范選擇合理的路線方案成為高速公路總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

計(jì)算機(jī)和模糊數(shù)學(xué)理論的發(fā)展為公路選線提供了有力的支撐。文獻(xiàn)[1]提出基于GIS 技術(shù)對(duì)公路選線多方案綜合評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)[2]利用模糊綜合評(píng)價(jià)法研究公路路線方案比選；文獻(xiàn)[3]引入灰色關(guān)聯(lián)度，建立了基于AHP-GRAP 的山區(qū)高速公路路線方案優(yōu)選方法；文獻(xiàn)[4]提出一種基于AHP-TOPSIS評(píng)判模型，研究確定山區(qū)公路路線方案；文獻(xiàn)[5]引入云模型，對(duì)山區(qū)鐵路選線進(jìn)行多指標(biāo)評(píng)價(jià)研究；文獻(xiàn)[6]利用GIS 技術(shù)，引入遺傳算法，實(shí)現(xiàn)了公路智能選線。同時(shí)選線軟件的應(yīng)用與開發(fā)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，文獻(xiàn)[7]基于MapGIS 建立數(shù)學(xué)模型，并在選線中進(jìn)行應(yīng)用分析；文獻(xiàn)[8]基于ArcEngine 集成應(yīng)用平臺(tái)，開發(fā)天山公路地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與決策支持信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[9]討論了基于GeoServer 和OpenLayers 搭建的WebGIS 地理信息服務(wù)系統(tǒng)對(duì)于處理空間地理數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。

本文建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定指標(biāo)權(quán)重及綜合評(píng)價(jià)云模型特征參數(shù)，根據(jù)最大隸屬度原則，確定優(yōu)選方案。

2 基于云模型的評(píng)價(jià)方法

2.1 層次分析法

層次分析法是一種系統(tǒng)化、層次化分析問(wèn)題的多目標(biāo)決策分析方法。其基本原理是[10]：將問(wèn)題分解為不同的組成因素，按照因素間的相互影響和隸屬關(guān)系將其分層聚類組合，建立層次結(jié)構(gòu)模型；構(gòu)造判斷矩陣，通過(guò)求解判斷矩陣的特征向量得到各因素的相對(duì)權(quán)重。

2.2 云模型

云模型是結(jié)合概率論和模糊數(shù)學(xué)理論，通過(guò)特定語(yǔ)言建立定性和定量的映射，實(shí)現(xiàn)不確定性概念的定性表達(dá)與定量計(jì)算的轉(zhuǎn)換[11]。

運(yùn)用期望Ex、熵En和超熵He3 個(gè)數(shù)字特征來(lái)整體表現(xiàn)一個(gè)概念。假設(shè)U 是一個(gè)用精確值表示的定量論域，且C 是U 上的定性概念，若某定值量x∈U，且x 是定性概念C 的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x 對(duì)C 的確定度μ(x)∈［0,1］是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)，即：

則x 在論域U 上的映射在數(shù)域上的分布稱為云C(x)，每個(gè)x 稱為一個(gè)云滴[x，μ(x)]。

若x 滿足x～N(Ex,En'2)，其中En'～N(Ex,He2)，且x 對(duì)C 的確定度滿足：

則x 在論域U 上的分布稱為正態(tài)云。

3 路線方案

3.1 工程概況

S25 高速公路是甘肅省高速公路網(wǎng)規(guī)劃的七條國(guó)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線中一條縱向線，北接G22 青蘭高速，在莊浪縣與G8513 平綿高速以樞紐立交相接，南接G30 連霍高速，承擔(dān)主要集散公路功能，發(fā)揮公路網(wǎng)絡(luò)整體效率和規(guī)模效益、促進(jìn)甘肅中東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、交通扶貧攻堅(jiān)、促進(jìn)關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)快速發(fā)展等起著重要的作用。

3.2 選線思路及路線布設(shè)

選線嚴(yán)格執(zhí)行路線設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮宏觀線形，合理選用技術(shù)指標(biāo)；按照“地形選線、地質(zhì)選線、環(huán)保選線、安全選線”的原則，綜合擇優(yōu)布線；注重平、縱、橫的綜合設(shè)計(jì)，路線指標(biāo)均衡、空間線形連續(xù)，且適應(yīng)地形。

該段路線（K93+500～K101+000 段）穿越山嶺地區(qū)，受控因素多，主要包括：（1）主要控制點(diǎn)；（2）張家川縣城及胡川工業(yè)園區(qū)規(guī)劃；（3）地方政府和相關(guān)部門的意見和建議；（4）地形、地質(zhì)條件；（5）工程規(guī)模、占地和拆遷；（6）工程投資及實(shí)施的難易程度；（7）運(yùn)營(yíng)階段的安全、管理與養(yǎng)護(hù)成本；（8）環(huán)境敏感區(qū)的噪聲污染、文物保護(hù)及對(duì)沿線村民橫向通行的影響；（9）施工條件；（10）對(duì)現(xiàn)有道路、水利設(shè)施的影響。

K 方案：經(jīng)韓家峽后上跨G566 線及后川河，設(shè)上河隧道，經(jīng)上河村進(jìn)入胡川隧道群，王店村東側(cè)出隧道后上跨后川河及G566 線。

B4 方案：經(jīng)韓家峽后上跨G566 線及后川河，之后對(duì)上河山體明挖，于后川河河道東側(cè)山坡布線，以橋梁形式穿過(guò)，經(jīng)胡川工業(yè)園、王安村后，由高莊西進(jìn)入隧道，王店村東側(cè)出隧道后上跨后川河及G566 線。

B13 方案：經(jīng)韓家峽后上跨G566 線及后川河，之后對(duì)上河山體明挖，沿G566 線東側(cè)山坡布線，以挖方路基形式通過(guò)，經(jīng)胡川工業(yè)園、王安村后，由高莊西進(jìn)入隧道，王店村東側(cè)出隧道后上跨后川河及G566 線。如圖1 所示。

圖1 路線方案圖

4 路線方案比選

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

影響復(fù)雜山區(qū)公路選線的因素眾多，本文通過(guò)深入調(diào)研工程建設(shè)項(xiàng)目和文獻(xiàn)，基于路線指標(biāo)、工程規(guī)模、征地拆遷、社會(huì)環(huán)境、建設(shè)管理、運(yùn)營(yíng)管理和工程投資7 個(gè)方面，建立路線方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1 所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

從主觀判斷，3 個(gè)方案路線指標(biāo)相當(dāng)，路基工程規(guī)模K 線較小，B4、B13 線較大，橋涵和隧道規(guī)模K 線較大，B4、B13 線較小，征地拆遷B4 線較大，K、B13 線較小，社會(huì)環(huán)境影響K線較小，B4、B13 線較大，建設(shè)管理難度K 線最小，B13 線次之，B4 線最大，運(yùn)營(yíng)管理難度K 線較高，B4、B13 線相對(duì)較低，工程投資B4 線最低，B13 線次之，K 線最高。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化處理

為實(shí)現(xiàn)定量數(shù)值和定性語(yǔ)言之間的不確定性轉(zhuǎn)換，本文基于正向云算法確定評(píng)價(jià)云圖，采用百分制選用定量論域U=[0,100]，描述評(píng)語(yǔ)路線指標(biāo)P1={低（長(zhǎng)）；較低（長(zhǎng)）；中等；較高（短）；高（短）}、工程規(guī)模P2={大；較大；中等；較?。恍、征地拆遷P3={大；較大；中等；較??；小}、社會(huì)環(huán)境影響P4={大； 較大；中等；較?。恍、建設(shè)管理P5={大（長(zhǎng)）；較大（長(zhǎng)）；中等；較大（短）；大（短）}、運(yùn)營(yíng)管理P6={高（差）；較高（差）；中等；較低（強(qiáng)/好）；低（強(qiáng)/好）}、工程投資P7={高；較高；中等；較低；低}。按4∶2∶2∶1∶1 的比例對(duì)評(píng)價(jià)效果分值區(qū)間劃分為A、B、C、D和E 共5 個(gè)等級(jí)，采用云模型計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)如表2 所示。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)層次分析法的理論計(jì)算各層中影響因素的權(quán)重及各級(jí)評(píng)價(jià)云，如表3 所示。獲得路線方案評(píng)價(jià)云數(shù)字特征，繪制路線方案評(píng)價(jià)云圖，并與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)語(yǔ)云進(jìn)行比較，如圖2 所示。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)云模型結(jié)果

1）在二級(jí)指標(biāo)層上，影響路線方案評(píng)價(jià)的主要因素包括占用土地、環(huán)保節(jié)能水平、施工難度、維修養(yǎng)護(hù)成本、生態(tài)環(huán)境影響、維修養(yǎng)護(hù)成本、隧道規(guī)模、橋梁規(guī)模和拆遷建筑物等。

2）一級(jí)指標(biāo)層中工程規(guī)模、社會(huì)環(huán)境影響、運(yùn)營(yíng)管理和工程投資是路線方案評(píng)價(jià)的主要因素。

續(xù)表3

3）根據(jù)圖2 評(píng)價(jià)云圖，K 線云滴大部分處在C（中等）偏右，B4、B13 線云滴處在C（中等）偏左，K 線綜合評(píng)價(jià)結(jié)果較B4、B13 線優(yōu)。

圖2 評(píng)價(jià)結(jié)果云圖

4）為進(jìn)一步量化路線方案評(píng)價(jià)等級(jí)，建立梯形隸屬函數(shù)計(jì)算隸屬度。

3 個(gè)方案綜合評(píng)價(jià)云的隸屬度值分別為（0,0.4172,0.5828,0,0）；（0,0,0.8689,0.1311,0）；（0,0,0.7592,0.2408,0）。根據(jù)最大隸屬度原則，K 線隸屬度值最大，與綜合評(píng)價(jià)云滴結(jié)果一致。綜合確定路線方案評(píng)價(jià)結(jié)果：K 線＞B4 線＞B13 線。

5 結(jié)論

本文從多維度深入分析了效果評(píng)價(jià)的基本要素，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)模型，借助云模型描述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)結(jié)果，依據(jù)最大隸屬度確定路線方案評(píng)價(jià)等級(jí)。得出如下結(jié)論：

1）建立了路線方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算了指標(biāo)權(quán)重和評(píng)價(jià)云，工程規(guī)模、社會(huì)環(huán)境影響、運(yùn)營(yíng)管理和工程投資是路線方案評(píng)價(jià)的主要因素。

2）借助云模型構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，獲得評(píng)價(jià)等級(jí)云圖和綜合評(píng)價(jià)云圖，建立隸屬度函數(shù)，計(jì)算了最大隸屬度，最終確定路線評(píng)價(jià)等級(jí)，3 個(gè)方案評(píng)價(jià)結(jié)果均為中等，K 線隸屬度較高，B4、B13 線隸屬度較低，K 線為最優(yōu)方案。