基于云模型的復(fù)雜山區(qū)高速公路選線研究

邱成虎

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，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、行車及運營安全、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)計的關(guān)鍵。

計算機(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)對公路選線多方案綜合評價；文獻(xiàn)[2]利用模糊綜合評價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，對山區(qū)鐵路選線進(jìn)行多指標(biāo)評價研究；文獻(xiàn)[6]利用GIS 技術(shù)，引入遺傳算法，實現(xiàn)了公路智能選線。同時選線軟件的應(yīng)用與開發(fā)也取得了長足的發(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，開發(fā)天山公路地質(zhì)災(zāi)害評價與決策支持信息系統(tǒng)設(shè)計；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)對于處理空間地理數(shù)據(jù)的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法。

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

2 基于云模型的評價方法

2.1 層次分析法

層次分析法是一種系統(tǒng)化、層次化分析問題的多目標(biāo)決策分析方法。其基本原理是[10]：將問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，通過求解判斷矩陣的特征向量得到各因素的相對權(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，通過特定語言建立定性和定量的映射，實現(xiàn)不確定性概念的定性表達(dá)與定量計算的轉(zhuǎn)換[11]。

運用期望Ex、熵En和超熵He3 個數(shù)字特征來整體表現(xiàn)一個概念。假設(shè)U 是一個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)實現(xiàn)，x 對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x 稱為一個云滴[x，μ(x)]。

若x 滿足x～N(Ex,En'2)，其中En'～N(Ex,He2)，且x 對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、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，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；（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）工程投資及實施的難易程度；（7）運營階段的安全、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)及對沿線村民橫向通行的影響；（9）施工條件；（10）對現(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，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，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 評價指標(biāo)體系

影響復(fù)雜山區(qū)公路選線的因素眾多，本文通過深入調(diào)研工程建設(shè)項目和文獻(xiàn)，基于路線指標(biāo)、工程規(guī)模、征地拆遷、社會環(huán)境、建設(shè)管理、運營管理和工程投資7 個方面，建立路線方案評價指標(biāo)體系，如表1 所示。

表1 評價指標(biāo)體系

從主觀判斷，3 個方案路線指標(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，運營管理難度K 線較高，B4、B13 線相對較低，工程投資B4 線最低，B13 線次之，K 線最高。

4.2 評價指標(biāo)量化處理

為實現(xiàn)定量數(shù)值和定性語言之間的不確定性轉(zhuǎn)換，本文基于正向云算法確定評價云圖，采用百分制選用定量論域U=[0,100]，描述評語路線指標(biāo)P1={低（長）；較低（長）；中等；較高（短）；高（短）}、工程規(guī)模P2={大；較大；中等；較小；小}、征地拆遷P3={大；較大；中等；較??；小}、社會環(huán)境影響P4={大； 較大；中等；較??；小}、建設(shè)管理P5={大（長）；較大（長）；中等；較大（短）；大（短）}、運營管理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 的比例對評價效果分值區(qū)間劃分為A、B、C、D和E 共5 個等級，采用云模型計算評價指標(biāo)等級如表2 所示。

表2 評價指標(biāo)等級

4.3 評價結(jié)果

根據(jù)層次分析法的理論計算各層中影響因素的權(quán)重及各級評價云，如表3 所示。獲得路線方案評價云數(shù)字特征，繪制路線方案評價云圖，并與標(biāo)準(zhǔn)評語云進(jìn)行比較，如圖2 所示。

表3 評價指標(biāo)云模型結(jié)果

1）在二級指標(biāo)層上，影響路線方案評價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）一級指標(biāo)層中工程規(guī)模、社會環(huán)境影響、運營管理和工程投資是路線方案評價的主要因素。

續(xù)表3

3）根據(jù)圖2 評價云圖，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 線綜合評價結(jié)果較B4、B13 線優(yōu)。

圖2 評價結(jié)果云圖

4）為進(jìn)一步量化路線方案評價等級，建立梯形隸屬函數(shù)計算隸屬度。

3 個方案綜合評價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，與綜合評價云滴結(jié)果一致。綜合確定路線方案評價結(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價的基本要素，建立了評價指標(biāo)體系及評價模型，借助云模型描述評價標(biāo)準(zhǔn)和評價結(jié)果，依據(jù)最大隸屬度確定路線方案評價等級。得出如下結(jié)論：

1）建立了路線方案評價指標(biāo)體系，計算了指標(biāo)權(quán)重和評價云，工程規(guī)模、社會環(huán)境影響、運營管理和工程投資是路線方案評價的主要因素。

2）借助云模型構(gòu)建評價模型，獲得評價等級云圖和綜合評價云圖，建立隸屬度函數(shù)，計算了最大隸屬度，最終確定路線評價等級，3 個方案評價結(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。