基于可拓理論的公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)研究

高 賀 夏曉英

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 哈爾濱 150040)

基于可拓理論的公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)研究

高 賀 夏曉英

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 哈爾濱 150040)

為避免公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)中眾多評價(jià)指標(biāo)間的矛盾性，以及難以定量化等問題，以可拓理論為基礎(chǔ)，選擇公路網(wǎng)連通度、理想規(guī)模接近度、飽和度、里程擁擠率、經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比、內(nèi)部收益率和社會環(huán)境影響7個(gè)指標(biāo)作為評價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建公路網(wǎng)規(guī)劃方案可拓評價(jià)模型.運(yùn)用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算公路網(wǎng)各項(xiàng)指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度及級別偏向特征值，對方案進(jìn)行評價(jià).以山東省公路網(wǎng)規(guī)劃方案為例，對模型進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明，可拓評價(jià)方法能夠有效區(qū)分方案的優(yōu)劣程度，采用可拓方法所得的結(jié)果比實(shí)例中層次-關(guān)聯(lián)分析法更貼近實(shí)際.

道路工程；可拓理論；公路網(wǎng)規(guī)劃；方案評價(jià)

0 引 言

公路網(wǎng)的形成和完善依賴于區(qū)域經(jīng)濟(jì)公路交通需求和社會發(fā)展，公路網(wǎng)規(guī)劃對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要，科學(xué)合理地選擇公路網(wǎng)規(guī)劃方案是公路網(wǎng)規(guī)劃有效實(shí)施的重要前提[1-4]，目前,許多專家和學(xué)者對公路網(wǎng)綜合評價(jià)方法進(jìn)行了深入研究，并已取得了一定的成果，林忠、王永平[5]運(yùn)用信息熵法確定指標(biāo)權(quán)重，建立灰色關(guān)聯(lián)決策模型，對公路網(wǎng)進(jìn)行評價(jià)；張志清、金光浩[6]將專家調(diào)查和層次分析法結(jié)合在一起，為每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重設(shè)定范圍，通過對DEA(數(shù)據(jù)包絡(luò)分析)方法的C2R模型的改進(jìn)，運(yùn)用LINGO軟件解出綜合評價(jià)值，并進(jìn)行綜合排名；曾昆，曾晟[7]采用灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)分析法用離差最大化確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，以備選方案同一指標(biāo)的最優(yōu)值組成特征數(shù)據(jù)序列，根據(jù)比較數(shù)據(jù)序列與特征數(shù)據(jù)序列加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小對公路網(wǎng)進(jìn)行綜合評價(jià).Li Xiaowei[8]在灰色關(guān)聯(lián)分析方法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用累積前景理論以價(jià)值最大化為目標(biāo)對模型進(jìn)行了優(yōu)化研究.本文以可拓工程方法為基礎(chǔ)，建立公路網(wǎng)規(guī)劃方案的可拓綜合評價(jià)模型，利用可拓學(xué)中的關(guān)聯(lián)函數(shù)，對公路網(wǎng)規(guī)劃方案優(yōu)劣程度進(jìn)行綜合評價(jià).

1 公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)指標(biāo)體系及分級

公路網(wǎng)規(guī)劃是一個(gè)多層次分布、多因素構(gòu)成、多目標(biāo)發(fā)展的綜合系統(tǒng)，因此，公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)指標(biāo)體系是一個(gè)由若干個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成的有機(jī)整體，它能夠反應(yīng)公路網(wǎng)系統(tǒng)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展、環(huán)境狀況以及交通需求的適應(yīng)程度，對公路網(wǎng)系統(tǒng)作出合理、科學(xué)的評價(jià).建立合理的公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)指標(biāo)體系，是進(jìn)行公路網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展評價(jià)的前提和基礎(chǔ)[9].指標(biāo)體系涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等多方面因素.常見的指標(biāo)有反映公路網(wǎng)道路特征的公路網(wǎng)技術(shù)等級、公路網(wǎng)容量；反映公路網(wǎng)交通特征的公路網(wǎng)流量；反映路網(wǎng)服務(wù)水平的公路網(wǎng)飽和度、里程擁擠率；反映通達(dá)深度的公路網(wǎng)連通度等[10]，這些單項(xiàng)指標(biāo)之間往往存在一定的相關(guān)性、矛盾性.比如，路網(wǎng)面積、人口綜合密度與路網(wǎng)理想規(guī)模接近度2個(gè)指標(biāo)所選用的獨(dú)立變量都為規(guī)劃區(qū)域的面積和人口，兩者相關(guān)性較強(qiáng)；路網(wǎng)連通度指標(biāo)反映了路網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的通達(dá)程度，與可達(dá)性指標(biāo)重復(fù).基于評價(jià)指標(biāo)的合理性考慮，本文結(jié)合干線公路網(wǎng)的特點(diǎn)，遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、針對性、可比性和實(shí)用性的原則，對公路網(wǎng)評價(jià)的一般指標(biāo)體系有針對性進(jìn)行了篩選，在此選擇了連通度、理想規(guī)模接近度、飽和度、里程擁擠率、經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比、內(nèi)部收益率、社會環(huán)境影響7個(gè)參數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)體系.各指標(biāo)的具體含義及其計(jì)算見表1.

表1 公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)指標(biāo)表

按照評價(jià)指標(biāo)的具體內(nèi)容和公路網(wǎng)系統(tǒng)對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通需求的適應(yīng)程度將方案評定分為5個(gè)等級，分別為“好”(N1)、“較好”(N2)、“一般”(N3)、“較差”(N4)、“差”(N5).各評價(jià)等級指標(biāo)區(qū)間見表2.

表2 公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)指標(biāo)分級表

2 公路網(wǎng)規(guī)劃方案可拓評價(jià)模型

2.1 可拓學(xué)基本理論

可拓學(xué)是以矛盾問題為研究對象， 通過對大量矛盾問題的分析, 抽象出有序三元組(對象、特征、量值), 稱為基元, 記作R=(N,C,V)=(事物，特征，量值). 以基元為邏輯細(xì)胞建立解決矛盾問題的形式化工具——可拓模型，表示矛盾問題的處理過程.可拓方法與各學(xué)科、各專業(yè)的方法和技術(shù)相結(jié)合，目前已廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)、生物醫(yī)學(xué)、交通環(huán)保等領(lǐng)域[10-11].

公路網(wǎng)規(guī)劃方案的評價(jià)體系中存在較多可變的矛盾因素.在評價(jià)方案中，定性評價(jià)的因素與定量評價(jià)的因素共存；確定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)隨評價(jià)主體及評價(jià)目標(biāo)的變化而變化，因此可作為可拓學(xué)的研究對象.公路網(wǎng)規(guī)劃方案的評價(jià)具備物元的三要素：公路網(wǎng)規(guī)劃方案(事物)、規(guī)劃方案中評價(jià)指標(biāo)(特征)、指標(biāo)數(shù)值(量值).通過對評價(jià)等級和實(shí)測數(shù)據(jù)歸一化后得到經(jīng)典域、節(jié)域及關(guān)聯(lián)度，建立公路網(wǎng)規(guī)劃方案物元評價(jià)模型.

2.2 公路網(wǎng)規(guī)劃方案可拓評價(jià)步驟

2.2.1 公路網(wǎng)規(guī)劃方案分級經(jīng)典域、節(jié)域的確定

根據(jù)物元理論，經(jīng)典域?qū)ο笪镌仃嚳梢杂靡韵戮仃嚤硎?

(1)

式中：Nj為公路網(wǎng)規(guī)劃方案第j(j=1,2,3,…，m)個(gè)評價(jià)等級；Ci(i=1,2,3,…，n)為評價(jià)等級Nj評價(jià)指標(biāo)；Vji=(aji,bji)為Nj關(guān)于Ci的數(shù)據(jù)范圍，即為各個(gè)評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)不同評價(jià)等級的經(jīng)典域.

與經(jīng)典域類似，節(jié)域可表示為

(2)

式中：Np為公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)等級的全體；vpi=(api,bpi)為Np關(guān)于評價(jià)指標(biāo)Ci的量值范圍,即節(jié)域.

2.2.2 公路網(wǎng)規(guī)劃方案待評物元及關(guān)聯(lián)度的確定

對于待評的公路網(wǎng)規(guī)劃方案對象可用物元形式表示為

(3)

式中：N為待評公路網(wǎng)規(guī)劃方案對象；Vi為待評對象所對應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)Ci的量值.

待評對象的單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)Vi關(guān)于各評價(jià)等級j的關(guān)聯(lián)度表達(dá)式為

(4)

式中

2.2.3 計(jì)算待評事物關(guān)于各評價(jià)等級的綜合關(guān)聯(lián)度

待評事物N關(guān)于方案等級j的綜合關(guān)聯(lián)度為

(5)

式中：αi為評價(jià)指標(biāo)Ci的權(quán)重系數(shù).

2.2.4 公路網(wǎng)規(guī)劃方案等級評定

若

(6)

則評定Np則屬于等級j，令：

(7)

式中：j*為待評物元Np的級別變量特征值，其數(shù)值的大小可以判斷出待評物元偏向相鄰級別的程度.

2.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

不同評價(jià)指標(biāo)對評價(jià)對象的重要程度不同，為使評價(jià)結(jié)果更加客觀、實(shí)際，采用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定指標(biāo)權(quán)重.計(jì)算式如下：

(8)

(9)

而如果指標(biāo)i的數(shù)據(jù)落入的類別越大,該指標(biāo)應(yīng)賦予越小的權(quán)值,則取:

(10)

指標(biāo)i的權(quán)重為:

(11)

3 模型實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

為了使公路網(wǎng)的布局建設(shè)符合國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，交通運(yùn)輸部于1991年組織了全國范圍內(nèi)的公路網(wǎng)30年規(guī)劃.山東省省道公路網(wǎng)30年規(guī)劃項(xiàng)目分為三個(gè)階段：近期(2000年)公路網(wǎng)建設(shè)方案、公路網(wǎng)規(guī)劃方案、公路網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略.公路網(wǎng)規(guī)劃的評價(jià)內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能、交通質(zhì)量、宏觀經(jīng)濟(jì)效益和社會環(huán)境影響四個(gè)方面.山東省各規(guī)劃期公路網(wǎng)規(guī)劃推薦方案評價(jià)采用層次-關(guān)聯(lián)分析法，主要評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)見表3.

表3 山東省各規(guī)劃期公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)指標(biāo)匯總表[12]

3.2 模型計(jì)算

本文利用表2中山東省公路網(wǎng)中期(2010年)規(guī)劃方案的評價(jià)指標(biāo)值，對可拓理論方法在規(guī)劃評價(jià)中的應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證.

3.2.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

為了便于計(jì)算，需把量綱不同的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一處理，采用極差法對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理后，利用式(8)～(10)計(jì)算出各指標(biāo)關(guān)系值，再用式(11)得到各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重：α1=0.020 4，α2=0.014 9，α3=0.430 0，α4=0.441 8，α5=0.0283,α6=0.011 0，α7=0.044 6.

3.2.2 公路網(wǎng)規(guī)劃方案等級評定

采用式(6)得出山東省2010年公路網(wǎng)規(guī)劃方案對應(yīng)于各評價(jià)等級的綜合關(guān)聯(lián)度：K1(Nt)=-0.685 8，K2(Nt)=-0.267 0，K3(Nt)=-0.317 2，K4(Nt)=-0.439 7，K5(Nt)=-0.500 7；利用式(7)得出級別變量特征值：j*=2.82.

通過以上計(jì)算得到，山東省2010年公路網(wǎng)規(guī)劃方案所屬等級在“較好”與“一般”之間且偏向于“一般”.

3.2.3 結(jié)果分析

實(shí)例中采用層次-關(guān)聯(lián)分析法評價(jià)方案等級為“較好”，采用可拓評價(jià)法得到方案等級為“較好”但偏向于“一般”.

根據(jù)山東省統(tǒng)計(jì)資料，2010年年底山東省公路里程229 858.1 km.其中:高速公路4 285.1 km，二級及以上公路36 234.1 km，等級公路227 718.3 km，公路密度146.3 km/100 km2.

經(jīng)計(jì)算，全網(wǎng)連通度約為7.54遠(yuǎn)大于規(guī)劃值2.10；全網(wǎng)理想規(guī)模接近度為1.16大于規(guī)劃值1，干線路網(wǎng)理想規(guī)模接近度為1.83，國、省道干線路網(wǎng)里程僅占全網(wǎng)里程的10.5%；全網(wǎng)平均飽和度為0.37略高于規(guī)劃值0.36，但省道路網(wǎng)飽和度高達(dá)0.579；路網(wǎng)里程擁擠率為13.4%，與規(guī)劃預(yù)期水平1.3%相差甚遠(yuǎn).

全省路網(wǎng)布局成三角網(wǎng)狀，各節(jié)點(diǎn)形成多路連通狀況，路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到預(yù)期值，但國、省道路環(huán)境對交通需求不適應(yīng)，干線路網(wǎng)結(jié)構(gòu)尚需完善，個(gè)別路段擁擠程度較高，直接影響整體路網(wǎng)擁擠狀況，可見，規(guī)劃方案中的路網(wǎng)整體水平一般，運(yùn)用公路網(wǎng)規(guī)劃方案可拓理論評價(jià)方法得出的評價(jià)結(jié)果更加貼近路網(wǎng)實(shí)際水平.

4 結(jié) 論

1) 影響公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)的因素繁多、復(fù)雜，評價(jià)指標(biāo)之間存在交叉和沖突，運(yùn)用可拓理論考慮指標(biāo)不受種類和數(shù)量的限制，可以有效解決眾多評價(jià)指標(biāo)間矛盾性以及非定量性.

2) 將可拓理論應(yīng)用于公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)中，建立公路網(wǎng)規(guī)劃方案綜合評價(jià)模型，利用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，一定程度上避免了主觀因素對方案評級結(jié)果的影響.

3) 可拓理論用于公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價(jià)系統(tǒng)，不僅能確定方案所屬等級，而且能夠準(zhǔn)確地反映其等級的偏向程度，實(shí)例驗(yàn)證說明該方法客觀、可靠，能夠反映公路網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃的調(diào)整方向，為公路網(wǎng)規(guī)劃科學(xué)決策提供參考依據(jù).

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Evaluation Based on Extension Theory Highway Network Planning

GAO He XIA Xiaoying

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

To avoid the contradiction of highway network planning and evaluation the extension theory, choosing the road network connectivity, the ideal size of proximity, saturation, crowded mileage rate, economic cost ratio, internal rate of return and the social and environmental impacts seven indicators as the evaluation index system, highway network planning extension evaluation model is constructed. Using simple correlation function to determine the index weight, calculate the road network and the level of overall correlation characteristic values of the indicators of bias the quantitative indicators, which evaluate the program. Shandong provincial highway network planning, for example, the model is validated and run with highway network status indicators are compared, results show that the extension evaluation method can effectively distinguish scheme superiority, the results of the extension evaluation method is closer to reality than the level-relational analysis.

road works; extension theory; highway network planning; program evaluation

2015-04-10

U412.1 1

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.011

高 賀(1974- )：男，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆芬?guī)劃與路線設(shè)計(jì)