基于層次分析法的山區(qū)高速公路路線方案研究

尹文華

1蘭州交通大學 土木工程學院 甘肅 蘭州 730070

2寧夏公路勘察設計院有限責任公司 寧夏 銀川 750000

1 引言

新建（S60固原至會寧公路西吉至會寧段）位于寧夏回族自治區(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)，促進區(qū)域交通運輸發(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；推進寧夏南部地區(qū)融入絲綢之路經(jīng)濟帶建設；加強省際區(qū)域經(jīng)濟合作，促進固原市經(jīng)濟社會發(fā)展；開發(fā)旅游資源、發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)，帶動西吉縣經(jīng)濟社會整體發(fā)展，有著重要、顯著的促進作用。

（1）S60固原至會寧公路西吉至會寧段工程建成以后，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，承擔主要交通任務，還促進區(qū)域政治、經(jīng)濟軍事、科技、社會等方面的發(fā)展和進步。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)濟合理性、結(jié)構(gòu)可靠性、運營安全性以及社會影響等就已基本確定。所以S60固原至會寧公路西吉至會寧段路線走向選擇的經(jīng)濟、合理性，除了直接影響高速公路本身的建設投入、工程建設周期、工程規(guī)模及經(jīng)濟效益，且和本項目是否滿足區(qū)域交通需求，對地區(qū)經(jīng)濟、社會及人文發(fā)展以及軍事發(fā)展等方面都有著深遠的影響。同時，S60固原至會寧公路西吉至會寧段路線各方案的評價和對比工作，不僅涉及各技術(shù)經(jīng)濟指標、社會環(huán)境指標、地質(zhì)水文氣象指標等不確定的復雜的多種目標分析決策的過程，主要指標列舉如下：S60固原至會寧公路西吉至會寧段公路位于1921年海原大地震震后的地形地貌主要區(qū)域，方案評價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、車輛運行速度、交通路及服務水平等高速公路的主要技術(shù)指標和安全運營措施等。各指標的權(quán)重具有很大的不確定性，無法直接給定或者選擇哪個作為主要指標。

（2）很多定性的指標，比如對西吉山區(qū)經(jīng)濟落后地區(qū)的發(fā)展的促進作用、改善南部山區(qū)高速路王的結(jié)構(gòu)、對當?shù)芈糜?、礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用、對當?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)學模型的要求直接對各指標進行量化來求解評價結(jié)果。所以具體指標的取值和量化在整個過程中都具有很強的不確定性，進而使個路線方案的評價和對比工作難度加大，對決策結(jié)果造成較大的偏差。

S60固原至會寧公路西吉至會寧段選線設計方案優(yōu)選是復雜的決策問題。決策是一種帶主觀偏好的多目標灰色優(yōu)化問題。它涉及因素眾多,既有公路指標等技術(shù)指標、社會發(fā)展等經(jīng)濟指標等定量指標,又有自然和社會環(huán)境條件及區(qū)域經(jīng)濟政治人文意義等人文類定性指標。通常業(yè)內(nèi)采用不同方案對應的換算工程運營費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)濟定量指標和社會環(huán)境影響定性指標綜合起來評價，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固原至會寧公路西吉至會寧段黨家岔濕地保護區(qū)選線方案進行研究，通過對該路段選線影響因素的多目標層次化梳理建立方案決策結(jié)構(gòu)模型，借助專家經(jīng)驗對完全繞避保護區(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固原至會寧公路西吉至會寧段選線方案研究

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識。

S60固原至會寧公路西吉至會寧段沿線經(jīng)過黨家岔濕地保護區(qū)，根據(jù)國家環(huán)?？偩窒嚓P建設項目涉及環(huán)境問題的工作通知規(guī)定：凡涉及的開發(fā)建設項目(以下簡稱“項目”)，不得安排在的核心區(qū)、緩沖區(qū)內(nèi)；需占用實驗區(qū)的，不得破壞當?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)定的污染物排放標準等相關要求。

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

在水源地和文物古跡保護措施方面，需著重做到以下幾點：

（1）設計對森林公園、水源地等環(huán)境敏感區(qū)進行重點考慮，通過環(huán)保選線，對可能通過生態(tài)敏感目標的路線，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，設計中進一步優(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，必須穿越保護區(qū)，應與相關的管理部門進行保護區(qū)功能區(qū)劃的調(diào)整，使工程合法實施，并依照相關規(guī)定辦理審批手續(xù)。經(jīng)地方政府證實。

（2）保護區(qū)內(nèi)設服務區(qū)其污染物排放不得超過國家和地方規(guī)定的污染物排放標準、不設施工營地及料場，隧道棄碴常嚴禁設在保護區(qū)范圍。

（3）嚴格要求施工單位主動與、水源保護區(qū)、地質(zhì)公園等主管部門取得聯(lián)系，嚴格按照有關保護規(guī)定安排施工作業(yè)。

（4）下階段進一步核實線位附近文物保護單位，盡量避免穿越、占壓省級及以上文物，及時向文物保護部門匯報線位。

根據(jù)從地方林業(yè)部門收集的資料顯示，黨家岔濕地保護區(qū)范圍內(nèi)可分為核心區(qū)、緩沖區(qū)、實驗區(qū)三部分。國家林業(yè)局已明確答復，新建公路不允許從核心區(qū)穿越，穿越緩沖區(qū)或?qū)嶒瀰^(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區(qū)問題，進行了4個線路走向方案的研究，即：完全繞避保護區(qū)北方案、繞避核心區(qū)北方案、完全繞避保護區(qū)南方案、繞避核心區(qū)南方案。

并對以上方案進行綜合經(jīng)濟技術(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

綜合考慮繞避保護區(qū)的四個比選方案，完全繞避保護區(qū)北方案具有以下優(yōu)點： 線路長度較短；工程投資最?。痪€位距公路及居民點較近，能夠方便旅客及貨物運輸；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，對保護當?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區(qū)方案為推薦方案。

因為占地多，設計因素多，需要宏觀從經(jīng)濟條件、技術(shù)條件、環(huán)境條件及社會意義幾個主要方面來對這四個方案進行比較，經(jīng)過相關因素的定位考慮，最終確定了準則層，并建立結(jié)構(gòu)層次模型如圖1所示。

圖1 S60固原至會寧公路西吉至會寧段選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，采用定性分析所得的結(jié)果，往往不能被人認可和接受，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)的主要各因素進行比較時的高難度，進而提高評價的正確率。

假設我們要比較各要素B1,B2,… , B6對評價目標的重要程度，即：

其中，aij的標度方法見表3。

表3 準則層指標權(quán)重

判斷矩陣不合理，就算計算過程準確也得不到滿意的結(jié)果。因此，在進行繞避小興安嶺路線方案打分和構(gòu)造判斷矩陣時，特邀了五個對山嶺重丘區(qū)高速公路路線方案經(jīng)驗豐富和對本項目路線理解較深的專家進行評分，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

結(jié)合《模糊數(shù)學方法及其應用（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的最大特征值對應特征向量的值為：

一致性指標

查表5可得隨機一致性指標

表5 各要素的最大特征值

表4 隨機一致性指標RI

繼續(xù)構(gòu)造3個方案關于4個標準的判斷矩陣為：

由此可得各要素的最大特征值：

相應的特征向量

均通過一致性檢驗。

2.4 層次總排序及其模糊評價

從而有

即在4個選線方案中選擇完全繞避保護區(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雜的高估松露路線方案的分析對象作為一個系統(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)學技術(shù)無法著手的工程實際問題，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了決策分析的正確性和有效性。

但同時應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)來導出比較矩陣，選線的設計人員的主觀個人原因?qū)Φ葌€分析決策過程有著很大的影響，所以結(jié)果有時候難以讓所有的路線設計人員接受。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，應認識到在智能化專業(yè)應用方面還需進一步結(jié)合專業(yè)工作模式和特色做改進與提升，將最優(yōu)化方法與其相結(jié)合，提高公路選線專家系統(tǒng)的實用性。