我國高速公路改擴建方案研究及運用AHP模糊分析法進行方案優化

石良清 袁春毅 吳劍鋒

（長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室1） 西安 710064）（交通運輸部規劃研究院2） 北京 100029）

通過對國內外高速公路改擴建現狀的分析與研究發現：國外高速公路建設起步早，規劃相對超前，在地域遼闊的美國、加拿大等國家多采取了寬中央分隔帶的布置方式，無形中為擴建提供了方便；在中央擴建不能滿足要求時優先采用了兩側拼接擴建；在多車道（大于8車道）高速公路交通組織上，美國和加拿大大量采用了分離斷面或集散加快速的處理方式［1－3］.盡管我國高速公路建設時間不長，但由于建設規劃與建設資金、經濟發展的不協調，導致了很多經濟發達地區早期建設的4車道高速公路過早進入準飽和狀態，降低了道路的服務水平.因此，在交通需求及政策環境的大趨勢之下，我國高速公路也將面臨著改擴建的嚴峻問題［4－5］.本文將重點對改擴建這個概念進行解釋，從宏觀與微觀兩個層面，通過系統的研究，去論證和比較改擴建方案，再運用AHP模糊層次分析法定量的對具體改擴建項目進行方案優化，進而達到工程方案的合理化與可行化.

1 宏觀層面的改擴建方案

高速公路改擴建就是當其無法滿足現狀交通量，造成擁堵，需對其進行擴容和改建，以達到高速公路的服務水平.對于改擴建問題，筆者認為改擴建最佳方案的論證應遵循宏觀和微觀兩個層面，通過從宏觀到微觀的層層遞進使方案更為合理和完善.宏觀層面側重從區域路網和全局考慮，重點在路網優化，而微觀層面則進入具體路段，進行有針對性的方案解決.影響宏觀層面論證的因素主要有兩方面：（1）路網規劃和布局；（2）經濟布局和交通的適應性［6］.

對于宏觀改擴建最佳方案的論證可分為兩個層面，第一層面是新走廊帶內采用新建高速公路方案與低等級公路進行升級改造方案的比選，第二層面是如果采用新走廊帶新建，其新建的方案又可分為新增通道與路網連通2種，見表1.

表1 宏觀層面改擴建結構

1.1 宏觀改擴建方案第一層面

宏觀第一層面是關于新走廊帶內新建高速和低等級公路升級改造的比較，其優缺點見表2.

針對經濟布局和交通的適應性，在考慮路網優化時應充分對現有地區的經濟布局以及主要交通方式進行研究，從這些因素出發，充分論證新走廊帶優化的必要性，再結合規劃進行綜合考慮，最終確定宏觀第一層面的路網優化方案.

表2 新走廊帶的路網優化方案比較

1.2 宏觀改擴建方案第二層面

如通過第一層面的比較，初步確定采用新走廊帶內新建高速，按路網加密的方式，其可進一步分解為新增通道、路網連通兩種.

1.2.1 新增通道 新增通道方案一般是指平行于現有高速公路，在距其一定距離以外另辟新通道的高速公路擴容方案.從功能來看，該方案側重于對新經濟帶、新經濟增長點的開發，在此基礎上，對現有通道長遠距離交通承擔有限分流作用.新增通道方案主要適用于路網建設初期和中期，屬路網建設范疇.具體規模建設、線路間距及交通分流作用在后面有關部分著重研究.見圖1.

2 微觀層面的改擴建方案

進入改擴建的微觀層面，也就是針對具體的路段考慮其改擴建的方案.筆者認為微觀層面的改擴建方案可分為2大層面：第一層面是將近距離新建與原有公路擴容兩種方案進行比較；第二層面是如果選擇老路擴容，則對擴容方案的方法進行比較，其又可分為分離、直接拼接2種，拼接方案又可細分為單側與雙側2種擴容形式.因此微觀層面所需比選的方案較多，其結構見表3.

表3 微觀層面改擴建結構

2.1 微觀改擴建方案第一層面

微觀層面的改擴建方案比較應首先明確是采用近距離新建方案還是老路擴容方案.

近距離新建方案是指與已有高速公路基本平行，在距其幾公里（一般5～10km）范圍內新建一條高速公路.是最直接的分流交通量方法，同時通過減少互通的數量，最大限度的擴大了道路的通行能力.

老路擴容方案就是在已有高速公路的兩側或一側加寬幾條車道的建設方案.它們的優缺點比較見表4.

圖1 新增通道

1.2.2 路網連通 路網連通方案主要適用于基本路網已經形成的情況.一般是指在路網發展到一定階段后，對2條縱向通道進行橫向連通以均衡網上交通分布，或是為縮短某些重要結點間路徑而進行直連等的“裁彎取直”.從功能來看，該方案側重于對現有路網功能的完善.見圖2.

圖2 路網連通

表4 微觀改擴建方案比較

在這一層面上，兩種方案各有優缺點，需對具體項目進行比選.比如地形簡單的平原，考慮土地資源緊張，通過對造價等因素的比選，最終選擇老路擴容方案，那么應進入微觀的第二層面，進一步比較老路擴容的幾種形式.

2.2 微觀改擴建方案第二層面

老路擴容的方式可分為分離擴建和直接拼接［7］，見表5，它們的優缺點都非常鮮明.

表5 老路擴容方案比較

老路擴容的方式較為具體，針對項目，經常采取的是混合式擴容，靈活的運用各擴容方式的優點進行組合，避讓困難路段，達到技術與效益的雙贏.

3 利用AHP模糊分析法評價改擴建方案優化的應用實例

3.1 AHP模糊分析法的理論基礎

1）建立評價組織，確定評價對象 對于評價改擴建項目而言，評價組織一般為邀請專家，人數可在3～20人之間選擇.評價對象為若干個建設項目，設有q 個：x1，x2，x3，…，xq，即論域 X＝｛x1，x2，x3，…，xq｝.

2）選擇評價指標，確立評價尺度 評價指標集是評價對象的評價因素集合，若因素有n個，可表示為U＝｛u1，u2，u3，…，un｝，其中每一個指標ui都可看成論域U的一個模糊集合.評價尺度集表示不同的模糊評定（如優、良、中、次、差）的集合，可根據實際情況將評語分為m個等級，則表示為V＝｛v1，v2，v3，…，vm｝.

3）應用AHP確定權重分配 （1）分析系統中各因素之間的關系，建立系統的遞階層次結構；（2）對同一層次的各元素關于上一層次中某一準則的重要性進行兩兩比較，構造兩兩比較判斷矩陣，采用1～9九個標度和它們的倒數，對評價指標集中各評價因素相互相對重要性一一比較標定；（3）由判斷矩陣計算被比較元素對于該準則的相對權重；（4）一致性檢驗，即構造判斷矩陣時前后思維要保持連貫性、一致性；（5）最終確定各影響因素的權重向量W.

4）構建隸屬度矩陣 對同一評價指標，評價人員可以做出不同的評定，因此評價結果只能用第ui評價指標做出第vj評價尺度的隸屬度rij.隸屬度向量Ri＝ （ri1，ri2，ri3，…，rim），i＝1，2，3，.隸屬度矩陣為R＝ （R1，R2，R3，…，Rn）T＝ （ri）nm.

5）模糊綜合評判 在確定權重向量W和構建隸屬度矩陣R的基礎上，計算綜合的評價結果ui為

6）計算方案評價綜合分數P 對應評價尺度的模糊評定（如優、良、中、次、差）中m個等級給予一定的分值y1，y2，…，ym，最終計算各個改擴建方案的綜合分數P.

下面以微觀層面的方案優化舉例進行該方法應用.

3.2 AHP模糊分析法的應用

3.2.1 建立層次結構模型 通過調查改擴建方案對項目的影響，認為在進行改擴建方案的選擇過程中，主要考慮的因素有三個方面：社會經濟性，技術可行性，交通服務性.因此，本文在考慮改擴建方案各類影響因素特性的基礎上，建立改擴建方案選擇的層次結構模型如圖3所示，包括目標層A、準則層Bi、分準則層Bii及方案層C.

圖3 改擴建方案選擇的層次結構圖

3.2.2 AHP法建立判斷矩陣，計算權重分配根據構建的方案層次，各要素上下層次的隸屬關系，由專家組根據實際情況，采用1～9標度法建立判斷矩陣，計算相對權重，同時進行一致性檢驗，最終確定各影響因素的權重向量W，具體計算見表6.

表6 權重向量及層次排序一致性檢驗計算表

由表6可知，層次單排序，總排序均通過一致性檢驗，以上所構建的最優改擴建方案評價指標體系之間的排序是在考慮項目實際情況和各影響因素的特性基礎上做出的.其順序為：社會經濟性最重要，技術可行性與交通服務性居次.

3.2.3 模糊綜合評價對改擴建方案進行選擇根據模糊評價的過程，對3種改擴建方案進行評價選擇.

1）各項指標的權重已經由AHP法求出：（0.20，0.20，0.10，0.17，0.08，0.08，0.17）

2）設評語集V＝（優，良，中，差），設V＝（100，75，50，25）.

3）由10名相關技術專家結合項目實際情況，對上述3個改擴建方案的各項技術經濟指標進行定性與定量的分析和比較，并對各項指標打分，并進行歸一化處理，得到隸屬度rij，統計整理得到模糊隸屬度矩陣R.

4）根據公式ui＝W·R，計算各方案的模糊評判指標，分別為C1＝［0.109，0.258，0.422，0.211］，C2＝［0.145，0.336，0.302，0.217］，C3＝［0.250，0.387，0.250，0.113］.根據評價集對應的分數集V＝（100，75，50，25），及公式評判計算各改擴建方案的值，得到3個方案的最后得分為：P1＝56.1，P2＝60.23，P3＝69.35.

綜上所述，通過AHP模糊分析法對改擴建方案的評判，可以看出方案3兩側拼接具有更大的優勢，推薦在項目中使用兩側拼接的改擴建方案.

模糊綜合評價法可以對高速公路改擴建的宏觀、微觀層面進行客觀定量評價，特別針對高速公路改擴建這種多影響因素問題，能夠比較清晰客觀的判斷方案的優劣，為主觀的決策提供充分客觀的依據.

4 結束語

通過對國外高速公路改擴建現狀研究及我國高速公路改擴建的趨勢分析，結合我國高速公路自身特點，分別從宏觀的路網優化層面和微觀的新建、擴容方案比較層面對高速公路改擴建方案進行遞進分析，為高速公路改擴建方案確定提供了思路框架，再通過模糊綜合評價法的應用，為高速公路改擴建方案的主觀決策提供充分的客觀依據.

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