城郊高速公路改建方案選擇研究

楊春風(fēng)，劉聰，靳燦章

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城郊高速公路改建方案選擇研究

楊春風(fēng)1，劉聰1，靳燦章2

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2. 天津市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，天津 300392)

隨著城市不斷發(fā)展和擴(kuò)張，一般高速公路的近城段逐漸變成了城郊高速公路，全封閉的高速公路阻隔了兩側(cè)的交流，嚴(yán)重制約著城市的發(fā)展，因此城郊高速公路改建問(wèn)題亟待解決。從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)和城市等6個(gè)方面考慮，提出3種城郊高速公路的改建方案，并構(gòu)建城郊高速公路改建方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的模糊層次分析法：在群決策方面利用基于0-1規(guī)劃的群決策，明確條件從而不再籠統(tǒng)的進(jìn)行矩陣一致性調(diào)整。最終通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行排序分析，比選出最優(yōu)方案。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，所提出的城郊高速公路改建方案及其優(yōu)選的理論方法具有可行性，并對(duì)類(lèi)似工程具有良好的指導(dǎo)意義及參考價(jià)值。

道路工程；高速公路改建方案；改進(jìn)模糊層次分析法；城郊高速公路；0-1規(guī)劃群決策

在我國(guó)，一般高速公路路線(xiàn)選擇均遵循“盡可能方便并且不阻礙沿線(xiàn)城市”的原則，因此線(xiàn)位都選擇在城區(qū)之外，但是距離城市建成區(qū)很近[1]。已建成的高速公路會(huì)帶動(dòng)周邊的發(fā)展，高速公路兩側(cè)會(huì)大量修建居民區(qū)和工業(yè)園區(qū)等，當(dāng)城市逐步擴(kuò)張到此區(qū)域后，高速公路全封閉的性質(zhì)就將城市天然劃分為2個(gè)區(qū)域，從而對(duì)兩側(cè)的交流造成了嚴(yán)重障礙，出現(xiàn)了高速公路被城市“包圍”的現(xiàn)象。為了消除這種由于高速公路造成的市區(qū)隔斷現(xiàn)象，此段高速公路的改造升級(jí)勢(shì)在必行。本文把此類(lèi)在修建之初以一般高速公路標(biāo)準(zhǔn)修建的，將來(lái)會(huì)因城市擴(kuò)張而進(jìn)入城區(qū)的高速公路命名為城郊高速公路，此類(lèi)高速公路出現(xiàn)的基本原因是選線(xiàn)時(shí)未能充分考慮到我國(guó)城市近年來(lái)的飛速發(fā)展，但即使城市擴(kuò)張，城郊高速公路也往往不會(huì)進(jìn)入城市中心，基本處在市郊，因此稱(chēng)之為城郊高速公路。城郊高速公路與城市快速路的主要區(qū)別在于：快速路最初定位即為城市道路，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮到各種城市因素，其作用為使城市內(nèi)部交通快速運(yùn)轉(zhuǎn)，而且大都會(huì)修建連接城市內(nèi)部交通的輔路；而城郊高速公路則是由于城市發(fā)展被迫進(jìn)入城市的公路，其主要作用為兩個(gè)區(qū)域之間的快速聯(lián)絡(luò)，并且設(shè)計(jì)時(shí)并不會(huì)充分考慮城市因素，因此需要對(duì)其進(jìn)行改建。其改建后的形式與《A Policy on Geometric Design of Highways and Streets》定義的市區(qū)高速公路概念很相似：在大城市中以高架橋，立交通道，路塹或者隧道的方式在市區(qū)內(nèi)設(shè)置的高速公路；區(qū)別僅僅在于城郊高速公路所處的位置相對(duì)靠近市郊。近年來(lái)，我國(guó)這種城郊高速公路帶來(lái)的市區(qū)隔斷問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，然而我國(guó)對(duì)城郊高速公路改建方案進(jìn)行系統(tǒng)的提出、評(píng)估和優(yōu)選的研究卻很少，嚴(yán)西華等[2]以京津塘高速公路天津段為例提出了一種改建策略。祝燁[3]以重慶內(nèi)環(huán)高速為例，對(duì)高速公路城市化后的規(guī)劃策略進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在方案優(yōu)選方面，我國(guó)有專(zhuān)家采用層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等方法來(lái)進(jìn)行路線(xiàn)的選擇[1]；JING等[4?5]采用綜合評(píng)分法、灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行城市道路方案的比選。但是這些方法都存在主觀性強(qiáng)，權(quán)重指標(biāo)分配不合理等或多或少的問(wèn)題。本文旨在提出城郊高速公路的幾種改建方案，通過(guò)考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、城市本身等多方面因素來(lái)建立相應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并且利用了由0-1規(guī)劃的群決策方法所改進(jìn)的模糊層次分析法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)所提出的城郊高速公路改建方案進(jìn)行客觀、合理、全面的分析，進(jìn)行選擇并得出最佳方案。

1 模糊層次分析法模型

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果起著十分關(guān)鍵的作用，選擇過(guò)多可能導(dǎo)致重復(fù)疊加，選擇過(guò)少則會(huì)導(dǎo)致表達(dá)力和理解力的缺乏[6]。在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，結(jié)合文獻(xiàn)[4]和[6]，采用文獻(xiàn)回顧法，遵循一致性和獨(dú)立性相結(jié)合，系統(tǒng)性與層次性相結(jié)合，客觀性與真實(shí)性相結(jié)合的原則，主要從經(jīng)濟(jì)因素：改建的各種成本；技術(shù)因素：設(shè)計(jì)和施工中考慮的問(wèn)題；社會(huì)因素：改建中涉及的人文和社會(huì)問(wèn)題；城市因素：城市各方面因素對(duì)改建的影響；交通因素：改造涉及的交通問(wèn)題；環(huán)境因素6個(gè)方面進(jìn)行考慮，建立準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層。對(duì)于方案層，借鑒我國(guó)已有的城郊高速公路改建的經(jīng)驗(yàn)：京津塘高速公路天津段，在實(shí)際改建中將此段高速公路進(jìn)行了立體高架，而原路計(jì)劃作為城市道路使用[2]。京港澳高速公路河北段則將線(xiàn)位向城市外部進(jìn)行平移，類(lèi)似在城區(qū)外部新建一段高速公路?？紤]到我國(guó)最近山區(qū)高速公路以及城市軌道的大量修建以及借鑒國(guó)外成功的施工經(jīng)驗(yàn)，下穿隧道在技術(shù)上一定也是可行的。因此選取高架橋，下穿隧道和線(xiàn)路外移3種改建方案作為方案層。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

1.2 評(píng)價(jià)集的建立

圖1 城郊高速公路改建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表1 專(zhuān)家評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 權(quán)重的確定

2.1 構(gòu)造模糊矩陣

表2 0.1-0.9標(biāo)度法及意義

并施加以下數(shù)學(xué)變換：

2.2 單專(zhuān)家決策權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

在目前最常用的模糊一致判斷矩陣求權(quán)重的方法中，根據(jù)模糊一致判斷矩陣與權(quán)重關(guān)系所得的排序法的分辨率最高，而且有可靠的理論基礎(chǔ)[10]，故選此方法，如式(3)所示：

在此強(qiáng)調(diào)，應(yīng)優(yōu)先檢驗(yàn)?zāi)：袛嗑仃?，如不滿(mǎn)足一致性，則應(yīng)用式(1)和式(2)進(jìn)行調(diào)整，如文獻(xiàn)[11]，其將所有模糊判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整為一致矩陣的情況，則不需要再次進(jìn)行檢驗(yàn)，但是這種提前調(diào)整會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)滿(mǎn)足一致性的矩陣因?yàn)檎{(diào)整而改變，不能真實(shí)的反映出專(zhuān)家的實(shí)際想法，故此種做法并不可取。

2.3 基于0-1規(guī)劃的改進(jìn)群專(zhuān)家決策權(quán)重計(jì)算

在模糊層次分析法中，由于受客觀事物的復(fù)雜性及人類(lèi)思維模糊性的影響，不同專(zhuān)家對(duì)同一個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異，而且每個(gè)專(zhuān)家所占的權(quán)重比也同樣難以得出。因此常用的加權(quán)平均法會(huì)使權(quán)重指標(biāo)趨于相同，在此處進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用0-1規(guī)劃進(jìn)行群決策權(quán)重計(jì)算。

基本步驟為：各個(gè)專(zhuān)家的權(quán)重矩陣計(jì)算出來(lái)后，統(tǒng)計(jì)出每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值出現(xiàn)的頻數(shù)，找到頻數(shù)最大的權(quán)重值。頻數(shù)的大小直接體現(xiàn)了集體意愿，頻數(shù)最大者就體現(xiàn)出了群體意志的最大化。如果某指標(biāo)最大頻數(shù)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重值有多個(gè)，那么就取其平均值作為其最終權(quán)重值。

3 模糊合成運(yùn)算

3.1 構(gòu)造單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

4 實(shí)例應(yīng)用

本文以京港澳高速公路河北段段為例。原京港澳高速公路選線(xiàn)時(shí)，我國(guó)處在20世紀(jì)80年代，選線(xiàn)時(shí)遵循盡可能方便沿線(xiàn)城鎮(zhèn)的原則，導(dǎo)致線(xiàn)位很靠近如今的石家莊市主城區(qū)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛躍式發(fā)展，石家莊發(fā)展建設(shè)了新城區(qū)，城市規(guī)模越來(lái)越大，而境內(nèi)的京港澳高速公路河北段橫亙?cè)谑仪f主城區(qū)和新城區(qū)之間。這使很多城市道路都成為了斷頭路，阻礙了城市中主城區(qū)和新城區(qū)之間居民的出行和交流，也限制了城市的發(fā)展。因此，京港澳高速公路河北段段如何進(jìn)行改建，是亟待解決的問(wèn)題。

選取上文所提出的3個(gè)改建方案，并利用改進(jìn)模糊層次分析法，對(duì)京港澳高速公路河北段進(jìn)行分析，確定出最佳改建方案。

1) 邀請(qǐng)8位專(zhuān)家就本案例的影響因素兩兩比較，得出模糊判斷矩陣。限于篇幅，只列出專(zhuān)家對(duì)A-B的模糊判斷矩陣，如表3所示(表中數(shù)據(jù)依次為專(zhuān)家1-8的評(píng)判結(jié)果)。

表3 A-B模糊判斷矩陣

由式(4)對(duì)各個(gè)模糊判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，上述模糊一致判斷矩陣大部分不滿(mǎn)足一致性，故已將不滿(mǎn)足一致性的矩陣先應(yīng)用式(1)和式(2)進(jìn)行調(diào)整，而滿(mǎn)足一致性的矩陣則不需進(jìn)行調(diào)整，直接計(jì)算權(quán)重。檢驗(yàn)過(guò)程不再贅述。

利用式(3)求得各個(gè)專(zhuān)家所評(píng)價(jià)的A-B權(quán)重矩陣為：

表4 權(quán)重值在各個(gè)指標(biāo)上的頻數(shù)

2) 進(jìn)行基于0-1規(guī)劃的群決策，對(duì)所得A-B權(quán)重進(jìn)行篩選，篩選后的權(quán)重值及相應(yīng)頻數(shù)如表4 所示。

由式(5)和式(6)可得：

故由式(7)得A-B權(quán)重為：

由上述方法，同理可以得到B-C權(quán)重分別為：

3) 請(qǐng)8位專(zhuān)家結(jié)合石家莊當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件以及城市發(fā)展現(xiàn)狀，給出自己相應(yīng)的評(píng)價(jià)。根據(jù)8位專(zhuān)家的評(píng)價(jià)，由式(8)可以計(jì)算出3個(gè)方案的模糊評(píng)價(jià)矩陣，如表5所示。

表5 方案層的模糊判斷矩陣

采用加權(quán)平均法，根據(jù)等級(jí)對(duì)應(yīng)的分值，計(jì)算得高架橋方案模糊綜合評(píng)分值為2.332，下穿隧道方案為2.585，線(xiàn)位平移方案為2.862。故線(xiàn)位平移方案為最佳方案。

5 結(jié)論

1) 定義了城郊高速公路這一新的概念，區(qū)分了其與一般高速公路和城市快速路的區(qū)別。明確了城郊高速公路改建的目的和意義，并且相應(yīng)的提出了3種改建方案，為城郊高速公路改建方案提供了 參考。

2) 綜合考慮經(jīng)濟(jì)，技術(shù)，社會(huì)和城市等6方面因素，建立了基于0-1規(guī)劃方法的群決策的改進(jìn)模糊層次分析模型，對(duì)城郊高速公路的改建方案進(jìn)行了分析和優(yōu)選。使城郊高速公路改建方案的選擇更加規(guī)范化，合理化；并且為其優(yōu)選提供了新方法。

3) 未使用傳統(tǒng)的加權(quán)平均群決策，而采用0-1規(guī)劃模型的群決策，使群體意志最大化的得以體現(xiàn)，有效的避免了在模糊層次分析法的群決策中使用加權(quán)平均法所帶來(lái)的權(quán)重指標(biāo)趨于相同的問(wèn)題，所得的權(quán)重更加合理，客觀。

4) 明確了權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)的步驟。優(yōu)先進(jìn)行模糊判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，如不滿(mǎn)足一致性則進(jìn)行調(diào)整，而滿(mǎn)足一致性的矩陣則為充分保留專(zhuān)家意志則不再調(diào)整，不再籠統(tǒng)的為了減少計(jì)算量而全部進(jìn)行調(diào)整。

5) 結(jié)合實(shí)例中的各方面情況進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了此方法的可行性，以此證明了該方法具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)其他工程可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際條件來(lái)構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)矩陣，用此方法來(lái)計(jì)算出相應(yīng)的最佳改建方案。

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Study on the selection of reconstruction scheme of suburban freeway

YANG Chunfeng1, LIU Cong1, JIN Canzhang2

(1. School of Civil and Transportation Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 2. Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute, Tianjin 300392, China)

With the continuous development and expansion of the city, the freeway in the region has become the suburban freeway, all closed freeway cut off communication on both sides, which has seriously restricted the development of the city. Therefore, the problem needs to be solved urgently. From the six aspects of economy, technology, social and city considerations and so on, the paper puts forward the reconstruction project, and constructs the comprehensive evaluation index system. An improved fuzzy analytic hierarchy process is adopted: the group decision making is based on 0-1 planning group decision, clearing the conditions that no longer adjustment the consistency of the matrix. Finally, sorting and analyzing the schemes by fuzzy comprehensive evaluation. And it can make a comparison and a choice of the schemes. Through an example, it is proved that the proposed method is feasible, and has good directive significance and reference value for similar projects.

road engineering; freeway reconstruction project; improved fuzzy analytic hierarchy process; suburban freeway; 0-1 planning group decision

U418.8

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0255 ? 08

2016?12?01

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2012202161)

楊春風(fēng)(1959?)，男，天津人，教授，從事交通工程方面的工作；E?mail：cfy211@163.com