基于IAHP－可拓理論的城市道路與高速公路銜接路段評價

李 嶸，劉 艷，劉玉露

（1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實訓(xùn)中心，湖北 武漢 430205；2.湖北楚天高速公路股份有限公司 工程技術(shù)部，湖北 武漢430074；3.湖北省交通運輸廳隨岳高速公路管理處 第三養(yǎng)護(hù)管理站，湖北 武漢430050）

城市道路與高速公路的銜接路段是連接城市的樞紐，是實現(xiàn)城市道路網(wǎng)與高速公路的有機(jī)協(xié)調(diào)銜接。目前，我國高速公路里程成為世界第一。銜接路段的優(yōu)劣關(guān)系到整個交通系統(tǒng)的效率。1950年以后，隨著世界城市交通以及高速公路的快速發(fā)展，美國、德國以及日本等歐美國家就已經(jīng)開始對銜接路段的綜合效益進(jìn)行了分析。經(jīng)過60多年的研究，已經(jīng)有了規(guī)范及成果。21世紀(jì)以后，我國開始對銜接路段進(jìn)行研究。劉進(jìn)民、王軍麗、李諄對銜接道路的評價體系以及路網(wǎng)的優(yōu)化進(jìn)行了研究分析。張碧琴，閆向陽，王慧建立了基于AHP的多級模糊綜合銜接路段評價方法。王花蘭，梁院生建立了銜接路段的多級可拓評價模型并且通過實際案例進(jìn)行了應(yīng)用分析。然而，在國內(nèi)銜接路段的研究，還沒有建立其評價指標(biāo)體系規(guī)范，而且由于銜接路段的評價指標(biāo)影響因素較多，評價結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性也難以保證。通過上述分析發(fā)現(xiàn)，我國現(xiàn)階段的銜接路段進(jìn)行評價時還需要結(jié)合主觀經(jīng)驗。層次分析理論（AHP）適應(yīng)于銜接路段評價的特點，是近期可行的方法。但是應(yīng)用AHP時，有時元素之間影響的高低程度很難用一個精確的數(shù)來表達(dá)（例如:評價指標(biāo)處于“重要”與“特別重要”之間時），適用區(qū)間數(shù)來表示結(jié)果則更加合理。同時，有時可能由于專家的失誤從而造成評估的準(zhǔn)確性降低。因此，本文引入基于可拓理論的群決策區(qū)間層次分析法（GIAHP）來比較區(qū)間數(shù)大小的相對優(yōu)勢度排序方法，找出對評價結(jié)果影響大的指標(biāo)，給出其敏感指標(biāo)的排序，提高高速公路決策結(jié)果的合理性。鑒于銜接路段評價指標(biāo)之間存在著模糊性、多目標(biāo)性，使用模糊綜合評價理論，期望為銜接路段評價提供參考，提高銜接路段評價的有效性。

1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

銜接路段是城市對外交通的主要連接通道，銜接路段的優(yōu)劣直接影響整個交通系統(tǒng)的效率。高速公路與城市道路銜接路段評價就是合理的分析現(xiàn)役的該路段的等級，以便查找運營管理中存在的問題，從而采取措施來提升人－車－路－環(huán)境的綜合效益。建立銜接路段的評價指標(biāo)，本質(zhì)就是要尋找能全面反映該路段各方面的特征指標(biāo)。通過對銜接路段的實際分析，參照文獻(xiàn)建立如圖1所示的評價指標(biāo)體系。

圖1 銜接路段綜合評價體系

2 銜接路段綜合評價指標(biāo)分析

2.1 安全影響指標(biāo)

2.1.1 銜接路段特大事故Sx

特大事故是指一次造成死亡3人以上，或者重傷11人以上，或者死亡1人，同時重傷8人以上，或者死亡2人，同時重傷5人以上，或者財產(chǎn)損失6萬元以上的事故。銜接路段的特大事故的多少是路段合理性的重要指標(biāo)。

2.1.2 銜接路段的死亡強(qiáng)度Dx

Dx反映的是銜接路段車輛行駛的重要安全特征。Dx指標(biāo)涵義:死亡人數(shù)（D）與區(qū)域交通基準(zhǔn)量（W基）之比。

2.1.3 交通事故多發(fā)點率Ux

Ux交通事故多發(fā)點率指標(biāo)涵義:交通事故多發(fā)點（U）與銜接路段長度（L）之比。

2.2 交通環(huán)境指標(biāo)

2.2.1 銜接路段綠化率

綠化率是路段可持續(xù)的發(fā)展的重要特征。它的涵義是實施綠化路段的比率，是指道路紅線范圍內(nèi)各種綠帶寬度之和占總寬度的百分比。

2.2.2 銜接道路汽車尾氣排放達(dá)標(biāo)率p

p定義為銜接道路汽車尾氣排放達(dá)標(biāo)里程與總里程之比值。排放達(dá)標(biāo)率算式

2.2.3 銜接道路交通噪聲達(dá)標(biāo)率q

q的評價依據(jù)是我國的城市交通噪聲標(biāo)準(zhǔn)，銜接道路兩側(cè)噪音大小的平均值應(yīng)遵循該標(biāo)準(zhǔn)。算式為3

2.3 運輸服務(wù)指標(biāo)

2.3.1 平均行程車速V平

V平是銜接路段服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)。算式為

式中:L為銜接道路的長度（km）；N為銜接道路小時交通量（veh／h）；ti為第i輛車的行駛時間（h）。

2.3.2 銜接道路的擁擠度Y

Y是判斷銜接路段使用是否擁擠的重要指標(biāo)。算式為

式中:qi為銜接道路中第i個路段的交通量（veh／d）；Ci為銜接路段中第i個路段設(shè)計交通量（veh／d）；Li為第i個路段里程（krn）。

2.3.3 單位里程平均延誤T延誤

T延誤指標(biāo)越大，交通越擁堵。算式為

式中:V行程為實際行駛速度（km／h）；V自由為自由流速度（km／h）。

2.3.4 非直線系數(shù)k

k是指兩節(jié)點的實際里程（l）與兩點間空間距離（s）的比。算式為

2.3.5 交通負(fù)荷度s

s反映鏈接路段的路網(wǎng)能力和適應(yīng)情況。算式為

式中:qi為第i路段的實際交通量；Qi為第i路段的設(shè)計交通量。

2.3.6 平均飽和度f

f反映路段利用率，指實際分配交通量與設(shè)計通行能力的比。算式為

式中:vi銜接道路i的分配交通量，ci銜接道路i的通行能力。

其他的指標(biāo)由交通規(guī)劃師、城市規(guī)劃師、交通工程師等結(jié)合實際，進(jìn)行定量化分析。

3 IAHP－可拓模糊綜合理論的評價

3.1 基于區(qū)間層析理論初步確定指標(biāo)權(quán)重

3.1.1 構(gòu)建

與AHP方法相似，構(gòu)建目標(biāo)層A，準(zhǔn)則層B及指標(biāo)層C

3.1.2 構(gòu)造互補(bǔ)

參照文獻(xiàn)利用1／10－9／10標(biāo)度法來構(gòu)造互補(bǔ)判斷矩陣R（xij），即

3.1.3 一致性檢驗

令

3.1.4 層次排序計算

首先對R（rij）n×n層次單排序

式（14）、（15）計算指標(biāo)層對于其準(zhǔn)則j的權(quán)重wji，準(zhǔn)則j相對于目標(biāo)層的權(quán)重λj。

然后進(jìn)行層次總排序，求權(quán)重

3.1.5 比較

區(qū)間權(quán)重wi的比較，通過比較，得到相對優(yōu)勢度矩陣p

式中:P為區(qū)間a與區(qū)間b相比較時，a＞b的相對優(yōu)勢度。ρ＞1，一般取2（或者e），此處取2。最后，利用式（12）～（14）得到相對優(yōu)勢度的指標(biāo)排序。

3.2 基于可拓分析的權(quán)重修正

此處引入GIAHP，建立一種基于AHP的群決策模型。設(shè)有m位決策者對n個指標(biāo)使用IAHP得到判斷矩陣Aij，然后根據(jù)Aij得到權(quán)重系數(shù)δij。其中，δij表示第i個A通過一致性檢驗后的第j個決策指標(biāo)的權(quán)重?；贗AHP的可拓理論的多人權(quán)重步驟如下

3.2.1 確定經(jīng)典域物元Roj，節(jié)域物元RPj

式中:Roj為第j個指標(biāo)的經(jīng)典域物元；RPj為第j個指標(biāo)的節(jié)域物元；aj＝ min（δij），bj＝ max（δij），i＝1，2，3，…，m，j＝1，2，3，…n；

3.2.2 確定待測物元RXj

式中:為第j個指標(biāo)的待測物元；aj＝min（δij），bj＝ max（δij），i＝1，2，3，…，m，j＝1，2，3，…n。

3.2.3 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)值K（δij）

式中:K（δij）為第i位決策者的第j個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值。

3.2.4 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)復(fù)合物元R0

3.2.5 確定專家的離散系數(shù)ki，效度系數(shù)φi

3.2.6φi歸一化

則修正后的權(quán)重為WJ

將所得結(jié)果正規(guī)化，即得修正后的權(quán)重

3.3 模糊評價理論的綠色低碳高速公路綜合評價

3.3.1 評價指標(biāo)的量化

3.3.1.1 定量指標(biāo)無量綱化

為了能夠準(zhǔn)確判定指標(biāo)的等級，需要對指標(biāo)無量綱化分析。設(shè)評價指標(biāo)xij，其定義域為xij∈［Aij，Bij］，Aij＞0，Bij＞0，Aij＜Bij，yij為無量綱化后的結(jié)果。成本型指標(biāo)和效益型指標(biāo)的無量綱化函數(shù)式為

成本型指標(biāo)

效益型指標(biāo)

3.3.1.2 定性指標(biāo)量化

針對定性指標(biāo)采用評價等級隸屬度的方法來進(jìn)行確定。本文參照文獻(xiàn)將定性評價指標(biāo)分為5個等級（優(yōu)、良、中、次、差）。

3.3.2 模糊綜合評價

最終模糊綜合評價結(jié)果向量Y參照文獻(xiàn)分為分為5個等級（優(yōu)、良、中、次、差）作為評價結(jié)果。

4 案例分析

4.1 案例描述

荊州市某高速公路于2010年12月完全通車，此段有長江大橋連接湖南省岳陽市。隨岳高速公路與岳陽市相連接，并通過荊岳長江大橋與互通式立交相連接。隨著岳陽市的發(fā)展，岳陽市周邊的城市不斷發(fā)展，通過鏈接路段的對外交通出行逐漸增加，調(diào)查隨岳高速與岳陽市的鏈接路段能否滿足日益快速增長的交通需求十分必要。具體所需的評價數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 隨岳高速與岳陽市鏈接路段綜合評價指標(biāo)實測表

4.2 IAHP初步確定權(quán)重分析

依據(jù)圖1建立評估模型。選擇4個專家群分別構(gòu)造區(qū)間層次判斷矩陣，依據(jù)式（11）～（18）求解P。以專家群1為例利用式（18）求P:

利用式（12）～（14）得到相對優(yōu)勢度的指標(biāo)排序。專家群1權(quán)重如下:

4.3 基于可拓分析的權(quán)重修正

對其他3個專家群的權(quán)重進(jìn)行集結(jié)并進(jìn)行一致性檢驗。權(quán)重見表2。

表2 不同專家的權(quán)重

由式（19）～（23）計算專家的離散系數(shù)ki。由式（24）～（25）計算修正后的權(quán)重專家權(quán)重。結(jié)果如表3所示。

表3 修正后的權(quán)重專家權(quán)重

由式（26）計算修正后的指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表4所示，相應(yīng)的指標(biāo)排序如圖2所示。

表4 修正后的指標(biāo)權(quán)重

圖2 各指標(biāo)的相對重要度示意圖

4.4 模糊綜合評價

4.4.1 確定因素集和評語集

根據(jù)銜接路段優(yōu)劣的程度，將其劃分為優(yōu)、良、中、次、差5個級別。銜接路段評價指標(biāo)的評估級別為U＝｛U1，U2，U3，U4，U5｝＝｛優(yōu)、良、中、次、差｝。綜合評價指標(biāo)隸屬度如表5所示。

表5 鏈接路段綜合評價指標(biāo)隸屬度

4.4.2 建立評價矩陣

對定性指標(biāo)采取專家打分法獲得。定性指標(biāo)的值如表6所示。

表6 定性指標(biāo)得分

4.4.3 模糊綜合評價

依據(jù)式（27）綜合評價為:H1＝W21·R1＝（0，0.106，0，0，0）；H2＝W22·R2＝ （0.073，0.054，0.028，0.006，0）；H3＝W23·R3＝ （0，0.047，0.052，0.059，0）；H4＝W24·R4＝ （0，0.125，0.137，0，0）；H5＝W25·R5＝ （0.064，0.107，0.099，0.034，0）。

4.5 結(jié)果分析

最終模糊綜合評價結(jié)果向量Y參照文獻(xiàn)可作為評價結(jié)果。

依據(jù)模糊綜合評價最大隸屬度原則，隨岳高速公路與岳陽市的鏈接路段的安全影響指標(biāo)（max＝0.106）為“良好”等級；經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)（max＝0.073）為“優(yōu)秀”等級；交通環(huán)境指標(biāo)（max＝0.059）為“次級”等級；運輸服務(wù)指標(biāo)（max＝0.137）為“中等”等級；交通協(xié)調(diào)指標(biāo)（max＝0.107）為“良好”等級。通過1級評價計算以及實際調(diào)研分析，該段的高速公路公路剛剛經(jīng)歷了中修工程，一些綠色低碳的設(shè)備、設(shè)施在不斷的完善中，以后的管理會得到改善和突破。通過綜合等級分析，銜接路段綜合指標(biāo)（max＝0.440）屬于良好等級。隨岳高速公路與岳陽市的鏈接路段的綜合評價結(jié)果為“較好”。

上述結(jié)果說明，隨岳高速與岳陽市的鏈接路段能夠滿足現(xiàn)階段的交通發(fā)展。

5 結(jié) 論

1）針對目前銜接路段評價缺少合理的綜合評價指標(biāo)體系的問題，以GIAHP為基礎(chǔ)的指標(biāo)權(quán)重計算方法，客服了決策人員因失誤或者偏好等使權(quán)重出現(xiàn)偏差的問題，為最終評價提供依據(jù)。同時，由于銜接路段的評估具有模糊性和不確定性，建立銜接路段的多級模糊理論評級模型。

2）運用GIAHP多級模糊模型對隨岳高速公路與岳陽市的銜接路段的程度進(jìn)行評價，得出銜接路段的價等級，從計算過程和結(jié)果可以看出該方法有效。

但是，由于評價因素多，不確性條件較多，GIAHP多級模糊評估模型中的一些定性因素還不能有效的定量化，這也是以后需要改進(jìn)的地方。

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