基于投影法的路線方案評(píng)價(jià)與應(yīng)用

萬(wàn)冬華，蒙 華，劉唐志，李丕安

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.重慶市交通委員會(huì)，重慶400074;3.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連116024)

路線方案是路線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。方案是否合理，不但直接關(guān)系到公路本身的投資、公路建成以后的運(yùn)營(yíng)效率和公路的交通安全，而且還影響路線在公路網(wǎng)是否起到應(yīng)有的作用，即是否滿(mǎn)足國(guó)家的政治、經(jīng)濟(jì)的要求和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益。而影響路線方案選擇的因素是多方面的，各種因素又是相互關(guān)聯(lián)和相互影響的。應(yīng)綜合考慮自然條件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)指標(biāo)、占地面積、工程投資等因素，通過(guò)多方案比較，確定最優(yōu)路線方案?？梢?jiàn)，路線方案決策本質(zhì)是一個(gè)多屬性決策、多指標(biāo)評(píng)價(jià)問(wèn)題［1-6］。

筆者在投影法的基礎(chǔ)上，從矢量投影角度探討了路線方案比選這個(gè)多指標(biāo)決策與評(píng)價(jià)的問(wèn)題，并應(yīng)用客觀賦權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，避免了決策者的主觀性對(duì)方案決策的影響，使評(píng)價(jià)結(jié)果趨于客觀實(shí)際。并將投影法應(yīng)用于公路路線方案的比選中，將路線條件相容化，通過(guò)計(jì)算決策方案在理想方案上的投影值，對(duì)公路各路線方案進(jìn)行定量的數(shù)值評(píng)價(jià)，并且能夠直接地選出技術(shù)合理、切實(shí)可行的最優(yōu)方案，從而為決策者提供合理、客觀的決策依據(jù)。

1 路線方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取與取值

1.1 路線方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

路線方案是通過(guò)許多方案的比較、淘汰確定的，詳細(xì)的方案比較是一個(gè)系統(tǒng)、復(fù)雜的過(guò)程。比選時(shí)應(yīng)在滿(mǎn)足使用任務(wù)和性質(zhì)要求的前提下，綜合考慮自然條件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境影響、占地面積、工程投資等諸多因素，而這些因素相互聯(lián)系、相互影響、相互滲透［7］。筆者結(jié)合路線方案評(píng)價(jià)專(zhuān)家意見(jiàn)，選擇對(duì)路線走向影響較大，且有直接關(guān)系的因素來(lái)分析，對(duì)于表征對(duì)象一致或接近的因素，選擇其中有代表性且易得到的指標(biāo)，最后構(gòu)建路線方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖1)，這樣既可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)分析的復(fù)雜性，又能全面客觀的反映評(píng)價(jià)問(wèn)題。

1.2 各指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)JTG D 20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》和文獻(xiàn)［2］，將公路路線評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各指標(biāo)劃分為優(yōu)、良好、一般、合格、差等5個(gè)級(jí)別，各指標(biāo)屬性值與對(duì)應(yīng)級(jí)別之間的關(guān)系見(jiàn)表1。

圖1 路線方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Index system of evaluation about highway route scheme

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分區(qū)間Table 1 Segments of evaluation index classification

對(duì)于各子指標(biāo)評(píng)價(jià)量值的確定，除工程投資子指標(biāo)為固定型指標(biāo)(投資太大會(huì)造成經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)，投資太小會(huì)導(dǎo)致偷工減料影響工程質(zhì)量)外，其他子指標(biāo)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)可根據(jù)專(zhuān)家打分來(lái)確定。以子指標(biāo)土石方量和占地面積為例，專(zhuān)家打分、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2［2］。

表2 占地面積和土石方量專(zhuān)家打分法評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Marking criterion for occupied area and the volume of stone and earthwork

2 投影法評(píng)價(jià)模型

2.1 建立投影決策矩陣

設(shè)路線方案集為 A={A1，A2，A3，…，An}，評(píng)價(jià)指標(biāo)集 G={G1，G2，G3，…，Gm}，方案 Ai對(duì)指標(biāo) Gj的屬性值(指標(biāo)值)yij(i=1，2，3，…，n;j=1，2，3，…，m)，用矩陣表示為 Y=(yij)n×m，即:

把矩陣Y稱(chēng)為方案集A對(duì)指標(biāo)集G的“屬性矩陣”，既決策矩陣。

2.2 指標(biāo)值無(wú)量綱化

路線方案所涉及的指標(biāo)通常包括效益型指標(biāo)、成本型指標(biāo)、固定型指標(biāo)和區(qū)間型指標(biāo)，效益型指標(biāo)是指屬性值愈大愈好的指標(biāo)，本模型中由專(zhuān)家打分的各子指標(biāo)均為效益型指標(biāo);成本型指標(biāo)是指屬性值愈小愈好的指標(biāo);固定型指標(biāo)是指屬性值既不能太大又不能太小，而以穩(wěn)定在某個(gè)固定值為最佳的一類(lèi)指標(biāo);區(qū)間型指標(biāo)是指屬性值以落在某個(gè)固定區(qū)間內(nèi)為最佳的一類(lèi)指標(biāo)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的等級(jí)劃分通常都屬于這類(lèi)指標(biāo)［3］。

一般而言，不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有不同的量綱，為了消除不同量綱所帶來(lái)的不可公度性，決策前應(yīng)將決策矩陣Y中的不同量綱目標(biāo)屬性值進(jìn)行規(guī)范化處理［8］。筆者對(duì)各屬性值進(jìn)行規(guī)范化。

1)效益型指標(biāo)

2)成本型指標(biāo)

3)固定型指標(biāo)

4)區(qū)間型指標(biāo)

記無(wú)量綱化處理后的決策矩陣為Z=(Zij)n×m，Zij∈［0，1］且愈大愈好。

2.3 確定權(quán)系數(shù)

由理想屬性值構(gòu)成的方案稱(chēng)為理想方案，用A*表示。無(wú)量綱化處理后，理想方案中各指標(biāo)屬性值均為=1，設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的權(quán)向量W=(W1，W2，…，Wn)。W的確定方法有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法，為了保證評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性，減少評(píng)價(jià)的主觀性，使評(píng)價(jià)結(jié)果更趨于客觀實(shí)際，筆者采用客觀賦權(quán)法，用式(7)計(jì)算［9］:

為了使投影決策方法的含義更明確、清楚，同時(shí)使其滿(mǎn)足單位約束條件，將計(jì)算得到的權(quán)向量單位化，即令:

2.4 確定最優(yōu)方案

在加權(quán)向量W的作用下，構(gòu)造增廣型加權(quán)規(guī)范化決策矩陣如下:

如果把每個(gè)方案的指標(biāo)屬性值看成一個(gè)矢向量，則每個(gè)決策方案Ai與理想方案A*之間的關(guān)系如圖2。

決策方案Ai與理想方案A*之間的夾角余弦值為:

決策方案Ai的模為:

圖2 決策方案與理想方案間關(guān)系示意Fig.2 Sketch of relationship between decision-making plan and ideal approach

顯然，夾角余弦值ri表示決策方案Ai與理想方案A*的方向是否一致，但這并不能反映各決策方案模的大小，而決策方案Ai的模的大小彌補(bǔ)了夾角余弦法的不足，而模的大小反映不出各決策方案魚(yú)理想方案之間的變動(dòng)方向如何。由此可見(jiàn)，科學(xué)合理的決策方法除了要考慮決策方案Ai與理想方案A*之間的夾角余弦大小外，還必須考慮各決策方案模的大小。這樣才能準(zhǔn)確地反映決策方案Ai與理想方案A*之間的逼近程度。令:

Di正好是決策方案Ai在理想方案A*上的投影，其中 Di∈(0，1］，且 Di愈大愈好。由于加權(quán)向量滿(mǎn)足單位化約束條件，故理想方案A*本身的投影:

投影決策方法實(shí)質(zhì)是以決策方案Ai在理想方案A*方向的投影值作為評(píng)判方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，投影值Di越大，決策方案越接近理想方案，該方案即為最優(yōu)方案。

3 實(shí)例分析

以云南省某道路路線方案比選為例，提出4個(gè)方案，根據(jù)專(zhuān)家評(píng)分和工程實(shí)際各路線方案設(shè)計(jì)得到的各屬性值，如表3?，F(xiàn)對(duì)4種方案進(jìn)行比選。

表3 路線評(píng)價(jià)指標(biāo)及數(shù)據(jù)Table 3 Index and data of highway route evaluation

根據(jù)表3得到多目標(biāo)決策矩陣Y如下:

評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)除工程投資為固定型指標(biāo)外，其他各方案指標(biāo)屬性值由專(zhuān)家打分得到，故均可視為效益型指標(biāo)。根據(jù)式(2)、式(4)對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化處理后得到無(wú)量綱決策矩陣Z如下:

利用式(7)計(jì)算各指數(shù):

W=(0.280 6，0.348 0，0.278 7，0.284 5，0.343 9，0.470 7，0.444 2，0.323 0)。

由式(9)得增廣型規(guī)范化決策矩陣C如下:

由式(11)得決策方案 Ai(i=1，2，3，4)的模 di為:

由式(10)得決策方案 Ai(i=1，2，3，4)與理想方案A*之間的夾角余弦ri為:

由式(12)計(jì)算得到?jīng)Q策方案Ai在理想方案A*上的投影Di為:

根據(jù)各決策方案在理想方案上的投影值大小排序?yàn)镈1＞D2＞D3＞D4，故方案1為最優(yōu)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者引入投影法建立了路線方案評(píng)價(jià)模型，該模型通過(guò)計(jì)算決策方案在理想方案上投影值的大小，全面準(zhǔn)確地反映各決策方案Ai與理想方案A*之間的逼近程度，科學(xué)合理客觀地確定出最優(yōu)方案。實(shí)例分析表明，該模型能夠很好地解決公路路線方案比選這個(gè)多指標(biāo)、多屬性的復(fù)雜問(wèn)題，取得了比較滿(mǎn)意的路線方案比選結(jié)果，具有一定的推廣和實(shí)用價(jià)值。

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