基于綠色公路理念的高速公路改擴(kuò)建模式?jīng)Q策

孫偉民, 王 紅, 王祎旸, 吳月磊

(武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,早期的高速公路無法滿足逐步增長(zhǎng)的交通出行需求,高速公路改擴(kuò)建已成為適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的交通需求的重要方式。改擴(kuò)建模式的決策是高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目前期的重要決策問題,科學(xué)合理的高速公路改擴(kuò)建模式,會(huì)對(duì)改擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)、施工提供科學(xué)依據(jù),確保高速公路改擴(kuò)建的質(zhì)量;不恰當(dāng)?shù)母臄U(kuò)建模式,會(huì)造成不必要的投資和資源浪費(fèi)。[1]因此,需要確定合適的高速公路改擴(kuò)建模式?jīng)Q策方法。

為了實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)和諧發(fā)展,需將綠色公路理念引入高速公路改擴(kuò)建模式?jīng)Q策中[2,3]。國(guó)外高速公路建設(shè)起步較早,率先引入了生態(tài)公路理念[4,5];部分歐美國(guó)家,開始補(bǔ)償大范圍鋪設(shè)道路帶來的生態(tài)影響,并在道路設(shè)計(jì)過程中考慮生態(tài)學(xué)原則;德國(guó)公路建設(shè)充分考慮了自然資源利用和保護(hù),推行了保護(hù)動(dòng)植物及各種自然特性等多方面保護(hù)措施。相較于發(fā)達(dá)國(guó)家,國(guó)內(nèi)的生態(tài)公路建設(shè)起步較晚,對(duì)生態(tài)保護(hù)的意識(shí)較弱。但隨著人們的生態(tài)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)[6],2003年公路行業(yè)轉(zhuǎn)變公路建設(shè)設(shè)計(jì)理念,成為我國(guó)環(huán)保公路建設(shè)的開端標(biāo)志。2016年交通運(yùn)輸部發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施綠色公路的指導(dǎo)意見》,明確了綠色公路的發(fā)展思路和建設(shè)目標(biāo),公路建設(shè)開始逐步向著低碳、可持續(xù)發(fā)展深入;高速公路改擴(kuò)建工程開始融入“資源節(jié)約、節(jié)能高效”等綠色設(shè)計(jì)理念,向綠色公路的可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。國(guó)內(nèi)在綠色公路領(lǐng)域開展了一系列工程試點(diǎn)示范工作,但大部分的綠色公路工程研究,主要著重于路線設(shè)計(jì)與自然環(huán)境相結(jié)合、路基路面的新材料新工藝等,對(duì)于高速公路改擴(kuò)建模式[7]與綠色公路理念結(jié)合的研究和應(yīng)用尚少。

高速公路改擴(kuò)建模式的決策方法通常有熵值法[8]、層次分析法(AHP)和模糊綜合評(píng)價(jià)法[9]等。石良清[10]從宏觀路網(wǎng)優(yōu)化和微觀新建、擴(kuò)容方案[11]比較兩個(gè)層面對(duì)高速公路改擴(kuò)建方案遞進(jìn)分析,并利用AHP模糊分析法進(jìn)行方案優(yōu)化;姚捷[12]分析了綠色公路概念、路線方案及評(píng)價(jià)指標(biāo),針對(duì)公路路線設(shè)計(jì)原則進(jìn)行指標(biāo)選擇及構(gòu)建,并利用層析分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化選擇。以上內(nèi)容均缺少在高速公路改擴(kuò)建[13]模式?jīng)Q策中的運(yùn)用研究。

本文針對(duì)當(dāng)前高速公路改擴(kuò)建模式?jīng)Q策中如何充分體現(xiàn)綠色公路理念的問題,研究分析提出考慮綠色公路的改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;以AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行多層級(jí)、定量化處理,建立高速公路改擴(kuò)建模式?jīng)Q策模型;并以廣清高速公路為例對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證與分析。

1 基于綠色公路理念的改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

1.1 綠色公路理念

綠色公路理念是以綠色發(fā)展理念為引領(lǐng),以生態(tài)良好保護(hù)、污染有效控制、資源能源節(jié)約集約使用等為目標(biāo),基于可持續(xù)發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等理論構(gòu)建的。綠色公路特征可歸納為“高效能、高效率、 高效益”、“ 低消耗、低排放、低污染” 和“全壽命、全要素、全方位”。

隨著社會(huì)需求和交通量的日益增長(zhǎng),高速公路改擴(kuò)建成為公路建設(shè)的重要任務(wù)之一。高速公路改擴(kuò)建應(yīng)結(jié)合綠色公路理念,應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想,將高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目的實(shí)施與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源與環(huán)境聯(lián)系起來,制定可持續(xù)發(fā)展的綠色公路改擴(kuò)建準(zhǔn)則,在高速公路改擴(kuò)建模式?jīng)Q策過程中充分體現(xiàn)綠色公路理念。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則

改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇應(yīng)結(jié)合綠色公路理念內(nèi)涵,指標(biāo)體系構(gòu)建需遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、先進(jìn)性、廣泛性與針對(duì)性原則。綜合綠色公路理念分析,高速公路改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取主要從以下六個(gè)方面進(jìn)行考慮:

(1) 功能服務(wù):功能服務(wù)是綠色公路建設(shè)的基本要求,高速公路的功能服務(wù)包括對(duì)政策的適應(yīng)性、區(qū)域規(guī)劃布局的服務(wù)性以及交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)布局的協(xié)調(diào)性。改擴(kuò)建模式需要符合國(guó)家和地方當(dāng)前及未來的趨勢(shì)性政策。

(2) 資源利用:綠色公路的建設(shè)要求對(duì)資源合理利用,資源利用包括對(duì)既有資源的重復(fù)利用、資源的節(jié)約使用。不同的改擴(kuò)建模式在工程建設(shè)中會(huì)受到不同程度的外界自然資源條件的限制。資源再生重復(fù)利用,能夠降低工程施工中對(duì)資源的不必要消耗,降低能源成本、促進(jìn)材料循環(huán)利用。資源的節(jié)約使用主要表現(xiàn)在公路的用地范圍。

(3) 能源消耗:綠色公路意味著節(jié)約能源、減少消耗。能源消耗包括建設(shè)期能源、運(yùn)營(yíng)期運(yùn)營(yíng)者消耗能源和運(yùn)營(yíng)期使用者消耗能源等,即全周期能源消耗。

(4) 污染排放:低污染、低排放是綠色公路的重要體現(xiàn)。污染排放主要包括氣體污染排放、揚(yáng)塵污染排放和噪聲污染排放等。

(5) 生態(tài)影響:綠色公路建設(shè)要堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、和諧發(fā)展的指導(dǎo)方針。綠色公路應(yīng)具有良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性,加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)、注重自然和諧是綠色公路建設(shè)的核心要義。

(6) 運(yùn)行效率:綠色公路的建設(shè)要從提高運(yùn)行效率入手。不同的改擴(kuò)建模式在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的安全性和高效性不同。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

高速公路改擴(kuò)建主要有單側(cè)拼接、雙側(cè)拼接、分離模式和組合模式等四種模式。根據(jù)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全、可持續(xù)的綠色公路評(píng)價(jià)目的和高速公路改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則,并將定性和定量指標(biāo)整理歸類,建立基于綠色公路理念的高速公路改擴(kuò)建模式的三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如圖1所示。

圖1 基于綠色公路理念的高速公路改擴(kuò)建模式綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 決策方法

2.1 評(píng)價(jià)方法流程

本文基于綠色公路理念提出的高速公路改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)方法步驟如下:

(1) 對(duì)綠色公路理念及高速公路改擴(kuò)建模式選取方法進(jìn)行分析;

(2) 建立含有綠色公路理念的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,選擇層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法為改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)法;

(3) 利用層次分析法確定合成權(quán)重,利用層次分析法確定隸屬關(guān)系,建立判斷矩陣;

(4) 在有、無理念兩種情況下計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果,并對(duì)兩種結(jié)果進(jìn)行比對(duì),確定改擴(kuò)建模式最優(yōu)方案。

具體評(píng)價(jià)流程如圖2所示。

圖2 基于綠色公路理念的高速公路改擴(kuò)建模式?jīng)Q策方法流程

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)合成權(quán)重的確定

層次分析法(AHP)作為一種主要的確定多評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值的方法,在多目標(biāo)方案決策中已得到了廣泛運(yùn)用,通過對(duì)圖1的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行分層聚類組合,建立階梯的、有序的層次結(jié)構(gòu)模型,將指標(biāo)體系中的定性指標(biāo)和定量指標(biāo)進(jìn)行指向性分析,再利用數(shù)學(xué)方法確定每一層次因素相對(duì)重要性次序的權(quán)值,最后通過綜合計(jì)算各層因素相對(duì)重要性的權(quán)值,得到最底層相對(duì)于最高層的相對(duì)重要性次序的合成權(quán)重值。本文基于層次分析法的高速公路改擴(kuò)建模式評(píng)級(jí)指標(biāo)權(quán)重的確定步驟如下:

(1) 建立層次結(jié)構(gòu):如圖1所示,目標(biāo)層為最優(yōu)方案層A;準(zhǔn)則層為三級(jí)指標(biāo),即一級(jí)指標(biāo)B、二級(jí)指標(biāo)C和三級(jí)指標(biāo)D;方案層為四種改擴(kuò)建模式方案S。

(2) 構(gòu)建判斷矩陣:由專家結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況,采用9級(jí)標(biāo)度法構(gòu)建各層因素之間的兩兩判斷矩陣。

表1 合成權(quán)重計(jì)算表

則合成權(quán)重向量為:

(1)

(4)一致性檢驗(yàn):采用方根法求得最大特征值及對(duì)應(yīng)的特征向量,利用矩陣的理論最大特征值λmax與n,引入一致性指標(biāo)CI和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI,CI的計(jì)算公式為式(2),RI取值見表2。

(2)

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

引入隨機(jī)一致性比例CR,當(dāng)CR=CI/RI≤0.10時(shí),就認(rèn)為判斷矩陣具有令人滿意的一致性;否則就需要調(diào)整判斷矩陣,重新計(jì)算合成權(quán)重,直到隨機(jī)一致性比例符合要求為止。

2.3 考慮合成權(quán)重的改擴(kuò)建模式模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)2.2節(jié)關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)合成權(quán)重的計(jì)算,基于綠色公路理念建立考慮不同評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重后的高速公路改擴(kuò)建模式?jīng)Q策模型?？紤]各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的改擴(kuò)建模式的模糊綜合評(píng)價(jià)的主要步驟如下:

(1) 根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確定評(píng)價(jià)的對(duì)象集(即改擴(kuò)建模式方案S)S=(S1,S2,…,Sn)。

(2) 確定隸屬關(guān)系,建立判斷矩陣R。

(3)

(3) 將各因素根據(jù)AHP得到的合成權(quán)重與單個(gè)因素的判斷矩陣進(jìn)行模糊運(yùn)算,得到模糊綜合評(píng)判指標(biāo)。

(4) 求每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合分值。根據(jù)評(píng)語集中不同的評(píng)語,設(shè)定各自不同的權(quán)重vj,得到向量V=(v1,v2,…,vm),C表示各評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合分值,C的計(jì)算公式為:

(5)

各評(píng)價(jià)對(duì)象綜合分值最高的則為最優(yōu)方案。

3 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文研究方法的可行性和有效性,將本文研究方法應(yīng)用于廣清高速公路慶豐主線收費(fèi)站至天坪嶺隧道路段改擴(kuò)建工程的改擴(kuò)建模式?jīng)Q策分析。該高速公路改擴(kuò)建工程為4車道改擴(kuò)建為8車道。根據(jù)本文建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖1)和改擴(kuò)建模式?jīng)Q策方法流程(圖2),基于綠色公路建設(shè)理念對(duì)改擴(kuò)建的四種模式進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià);同時(shí),建立無綠色公路理念影響的四種改擴(kuò)建模式的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià),比較分析兩種指標(biāo)體系下的改擴(kuò)建模式?jīng)Q策結(jié)果。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)本文所述的評(píng)價(jià)指標(biāo)確定原則及指標(biāo)體系,構(gòu)建廣清高速公路改擴(kuò)建工程有、無綠色公路理念的兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并建立層次分析模型。有綠色公路理念的改擴(kuò)建模式綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)見圖1,無綠色公路理念的改擴(kuò)建模式綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)見表3。

表3 無綠色公路理念的廣清高速公路改擴(kuò)建工程評(píng)價(jià)指標(biāo)

按本文2.2的方法步驟計(jì)算圖1和表4所列的有、無綠色公路理念的高速公路改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)指標(biāo)的合成權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算結(jié)果分別見表4和表5。

表4 有綠色公路理念的廣清高速公路改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)指標(biāo)合成權(quán)重

表5 無綠色公路理念的廣清高速公路改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)指標(biāo)合成權(quán)重

3.2 改擴(kuò)建模式模糊綜合評(píng)價(jià)

按照本文2.3節(jié)的綜合評(píng)價(jià)方法步驟,針對(duì)廣清高速公路慶豐主線收費(fèi)站至天坪嶺隧道路段改擴(kuò)建工程的四種改擴(kuò)建方案:單側(cè)拼接、雙側(cè)拼接、分離模式、組合模式(兩側(cè)拼接為主、局部分離)建立對(duì)象集S=(S1,S2,S3,S4),根據(jù)評(píng)語集(優(yōu),中,劣)及項(xiàng)目工程文件,設(shè)V=(95,75,30)。

由10名相關(guān)技術(shù)專家結(jié)合廣清高速公路慶豐主線收費(fèi)站至天坪嶺隧道路段改擴(kuò)建工程的現(xiàn)狀,根據(jù)《廣清高速改擴(kuò)建初步設(shè)計(jì)總說明》,對(duì)上述四個(gè)改擴(kuò)建方案的定性指標(biāo)進(jìn)行打分,定量指標(biāo)根據(jù)對(duì)應(yīng)模型計(jì)算方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)有、無綠色公路理念的指標(biāo)合成權(quán)重,分別建立權(quán)值集,確定隸屬關(guān)系,建立判斷矩陣R。為方便對(duì)比分析及計(jì)算,統(tǒng)計(jì)整理為模糊判斷矩陣表,并根據(jù)式(3)、式(4)進(jìn)行計(jì)算,將廣清高速公路有綠色公路理念和無綠色公路理念的四種改擴(kuò)建模式的得分情況繪制如圖3所示。

圖3 有、無綠色公路理念的廣清高速公路四種改擴(kuò)建方案的得分匯總

從圖3可以得出:兩種情況下的最佳模式均為雙側(cè)拼接,因此推薦廣清高速改擴(kuò)建模式選用雙側(cè)拼接模式;考慮綠色公路理念的評(píng)價(jià)方法得分普遍高于未考慮綠色公路理念的評(píng)價(jià)方法;雙側(cè)拼接模式符合綠色公路建設(shè)理念,適應(yīng)性強(qiáng),條件適宜時(shí)應(yīng)盡可能采用。從綠色公路建設(shè)及可持續(xù)發(fā)展的需要考慮,新建高速公路時(shí),當(dāng)條件允許,應(yīng)盡可能預(yù)留兩側(cè)拼接條件。

4 結(jié)束語

(1) 本文分析了高速公路改擴(kuò)建模式?jīng)Q策的影響因素,根據(jù)相關(guān)政策以及《綠色公路建設(shè)技術(shù)指南》制定綠色公路理念指標(biāo)選取原則,增加相應(yīng)指標(biāo),對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)處理,建立了基于綠色公路理念的改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及決策模型;使得高速公路改擴(kuò)建模式的決策更加符合低碳、環(huán)保的綠色發(fā)展理念,提高了改擴(kuò)建模式?jīng)Q策方法的適應(yīng)性。

(2) 本文以廣清高速公路改擴(kuò)建工程為例,研究了綠色公路理念對(duì)于廣清高速公路改擴(kuò)建的影響,建立了有、無綠色公路理念的廣清高速公路改擴(kuò)建模式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并利用AHP-模糊綜合評(píng)判法對(duì)改擴(kuò)建模式進(jìn)行評(píng)價(jià)得出:最佳改擴(kuò)建模式均為雙側(cè)拼接模式;考慮綠色公路理念的得分普遍高于未考慮綠色公路理念的情況。

本文對(duì)于綠色公路理念的定性指標(biāo)在定量化處理過程中未考慮專家人數(shù)、打分情況等主觀因素對(duì)于改擴(kuò)建模式?jīng)Q策結(jié)果的影響程度,決策方法還有待進(jìn)一步的深入研究。