基于AHP法的行車沖切道路面層水毀評價模型及應(yīng)用

楊義輝

(重慶公共運輸職業(yè)學院 重慶 402247 )

0 引言

隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展,城市內(nèi)澇日益嚴重,道路遭受著不同程度的水毀,同時由于行車的沖切作用,使得水毀加劇,每年造成巨大的經(jīng)濟損失,加強道路水毀的防治勢在必行。眾多學者對公路洪水災(zāi)害、城市道路水毀作了研究,并取得一定成果。齊洪亮等[1]從降雨量、地表切割密度、河網(wǎng)密度等方面對公路水毀的危險性評價進行了分級;尚高鵬等[2]結(jié)合典型工程案例,擬定了單個工點水毀評價定量指標和定性指標,并建立了分析模型;李孟芳[3]運用層次分析法與主成分分析法,構(gòu)建了公路水毀風險評估模型;趙孟云[4]采用影像技術(shù),確定水毀受災(zāi)區(qū)范圍等。以上研究成果集中在對公路整體水毀的研究和評價。對于瀝青路面的水毀評價,卻鮮有成果,如孫建國等[5]采用模糊綜合評判法對影響水損害的因素進行了分析;王高峰等[6]簡述了3種室內(nèi)試驗方法在瀝青混合料水損害評價方面的特點。

基于AHP法基本原理,考慮行車沖切作用對路面的損傷,選取相應(yīng)指標,將定性描述和定量水毀強度指數(shù)相結(jié)合,構(gòu)建了適用于行車沖切荷載作用下的道路面層水毀評價模型,并完成了對高新區(qū)縱五路某段路面的水毀評價。

1 AHP法基本原理及結(jié)構(gòu)圖

1.1 層次分析法(AHP法)原理

AHP法是一種結(jié)合運籌思想的定性與定量分析相結(jié)合的多目標決策分析方法[7],通過構(gòu)造層次結(jié)構(gòu),綜合各因素之間的相互影響關(guān)系及其在系統(tǒng)中的作用,來確定各因素的相對重要性,并在遞階層次結(jié)構(gòu)內(nèi)進行合成,得到?jīng)Q策因素對于目標重要性的總排序[8]。作為一種簡單數(shù)學的工具,廣泛應(yīng)用于各類評價中[9]。

路面水毀所造成的路面病害,一個典型的多指標、多屬性的問題 ,它不僅受制于道路分類等條件,還和交通情況、氣候等方面的因素有關(guān)。結(jié)合已有研究成果,考慮行車沖切作用下面層的力學響應(yīng),暴雨對瀝青路面的沖刷作用,形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 行車沖切道路面層水毀層次結(jié)構(gòu)圖

1.2 評價因素集

在深入研究和分析的基礎(chǔ)上,按照各因素的不同屬性,根據(jù)所建立的層次結(jié)構(gòu)圖,將道路水毀評價因素論域U劃分成三個互不相交的子因素集,即U={U1,U2,U3},U1代表道路條件,U2代表交通情況,U3代表氣象條件。其中,第i個因素Ui根據(jù)第二個層次中下屬因素決定,即Ui={u1j,u2j,…,uij}。3個第一層因素下共10個第二層因素,表達如下:

第一層次因素集:

U={U1,U2,U3}={道路條件,交通情況,氣象條件}。

第二層次因素集:

U1={u11,u12,u13,u14}={道路分類,承載能力,路面平整度,排水及透水能力}。

U2={u21,u22,u23}={交通量統(tǒng)計,重載車輛情況,人類活動干擾}。

U3={u31,u32,u33}={暴雨頻率,暴雨強度,降雨時長}。

1.3 評語集

用以上控制因素來計算水毀強度指數(shù)Zp,并建立水毀強度指數(shù)與水毀等級之間的對應(yīng)關(guān)系。通過計算水毀強度指數(shù)Zp,根據(jù)Zp所在的區(qū)間找到對應(yīng)的路面水毀等級,從而完成對行車道路面層的水毀評價。行車道路面層水毀強度指數(shù)[10]表達式為:

Zp=∑AijQij

(1)

(1)式中:Zp為水毀強度指數(shù);Aij(i=1,2,3;j=1,2,3,4)為二級評價指標分級值;Qij(i=1,2,3;j=1,2,3,4)為二級評價指標綜合權(quán)重。

沈水進[10]將暴雨型公路水毀的環(huán)境區(qū)域劃分為三個等級,并給出了相應(yīng)的水毀環(huán)境標準值區(qū)間,分別為:低度易發(fā)(0,0.30]、中度易發(fā)(0.30,0.60]、高度易發(fā)(0.60,1.00]。李煥強[11]根據(jù)水毀對路基的損毀程度,將水毀劃分為:輕度水毀、中度水毀、較嚴重水毀、嚴重水毀。結(jié)合研究成果及專家意見,初步建立了水毀強度指數(shù)與水毀等級之間的對應(yīng)關(guān)系,見表1。

表1 水毀強度指數(shù)與水毀等級對應(yīng)表

2 評價模型的構(gòu)建

2.1 評價標準

根據(jù)前述水毀強度指數(shù)與水毀等級,結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的評價因素和環(huán)境特征,在國內(nèi)外道路水毀研究的基礎(chǔ)上,考慮行車沖切作用,按照評價水毀等級建立水毀評價標準,如表2所示。

表2 行車沖切道路面層水毀評價標準

2.2 評價模型與實現(xiàn)流程

基于AHP法基本原理,并借鑒模糊綜合評價法,建立因素集、評語集、權(quán)重集。區(qū)別于模糊綜合評價法利用隸屬度得出評價結(jié)論[8],此模型通過水毀強度指數(shù)的定量計算,轉(zhuǎn)換為對行車道面層水毀等級的評價。其中,將水毀強度指數(shù)計算中的二級評價指標分級值定義為路況調(diào)查結(jié)論最多的歸一化數(shù)列。該評價模型實現(xiàn)主流程如圖2所示。

圖2 行車沖切面層水毀評價模型實現(xiàn)流程圖

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

所選取評價目標路段位于高新區(qū)縱五路,是軌道尖頂坡站往南的一條次干路,為雙向四車道,局部地段為雙向兩車道,沿途兩側(cè)分布有商業(yè)、餐飲、汽修、學校以及居民區(qū)等。途徑學校主要包括:重慶大學城樹人小學校、重慶科學城高橋?qū)W校、重慶巴蜀科學城中學校,并與重慶大學虎溪校區(qū)相連[12]。道路交通工具有公交車、私家車、摩托車,偶有工程車輛及大貨車,行人過街設(shè)施主要是紅綠燈和斑馬線。

3.2 路況調(diào)查

對所選取的路段,采用網(wǎng)絡(luò)與實地相結(jié)合的方式,進行交通調(diào)查[13]。此次路況調(diào)查起點為:縱五路與松樹堡路交匯紅綠燈處,沿縱五路向南,途經(jīng)徑科尚房產(chǎn)、鏈家地產(chǎn)、高橋?qū)W校。調(diào)查的終點為:縱五路與重大南路交匯紅綠燈處,調(diào)查路段長度為468m。路段在暴雨工況下,經(jīng)行車沖切道路面層水毀實景如圖3、4所示。

圖3 行車沖切水毀路面積水

圖4 行車沖切水毀路面裂縫

根據(jù)所構(gòu)建模型的評價因素,對道路條件、交通情況、氣象條件進行調(diào)查。隨機選取連續(xù)30m長度作為一個調(diào)查單元,根據(jù)行車沖切道路面層水毀評價標準,共進行了15次調(diào)查填表。將出現(xiàn)次數(shù)最多的調(diào)查結(jié)果進行匯總,并對調(diào)查結(jié)果進行歸一化處理,計算出二級評價指標分級值如表3所示。

表3 行車沖切水毀路面路況調(diào)查與二級評價指標分級值計算表

3.3 權(quán)重計算與一致性檢驗

根據(jù)評價指標的重要程度,基于AHP法的基本原理,運用Saaty標度法,建立第一層因素間的判斷關(guān)系矩陣,并進行歸一化處理,得到權(quán)向量。由于判斷關(guān)系矩陣的賦值具有隨機性,因此需對判斷矩陣進行一致性檢驗以保證關(guān)系的合理性[14]。一致性檢驗規(guī)則為:當CR<0.1時,表明所建立判斷矩陣滿足一致性檢驗要求。第一層因素判斷矩陣及歸一化權(quán)向量計算如表4所示。

表4 第一層因素判斷矩陣及歸一化權(quán)向量計算表

3.4 水毀評價

各二層因素關(guān)系矩陣如下所示:

歸一化,得

計算行車沖切道路面層水毀強度指數(shù)Zp=∑AijQij=0.658。根據(jù)表1,該路段為“中等水毀”。

4 結(jié)語

以考慮行車沖切作用對路面的損傷,基于AHP法基本原理,建立以道路條件、交通情況、氣象條件為第一層因素,道路分類等為第二層因素的行車沖切道路面層水毀層次結(jié)構(gòu),并應(yīng)用所構(gòu)建的評價模型對高新區(qū)縱五路某路段進行水毀評價,得出以下結(jié)論:

(1)道路面層水毀評價涉及多方面,從道路條件、交通情況、氣象條件三方面構(gòu)建評價體系是合理的,在一定程度上彌補了現(xiàn)有道路水毀評價方法上的不足。

(2)通過挖掘城市道路瀝青路面的水毀因素的層次性,構(gòu)建行車沖切道路面層水毀層次結(jié)構(gòu)圖。通過建立判斷矩陣和一致性檢驗,確保權(quán)重賦值的有效性和科學性。

(3)通過實地調(diào)查,得出所評價路段的初始值,并建立起其與二級評價指標分級值之間的對應(yīng)關(guān)系,為定量計算水毀強度指數(shù)提供依據(jù)。

(4)所建立的評價模型,結(jié)合定性描述和定量計算的優(yōu)點,將水毀強度指數(shù)與水毀等級之間建立對應(yīng)關(guān)系,并且考慮行車的制動等沖切作用,更符合現(xiàn)場交通實際情況,更有利于路面水毀養(yǎng)護決策。