基于可拓理论的公路网规划方案评价研究

高 贺 夏晓英

(东北林业大学土木工程学院 哈尔滨 150040)

基于可拓理论的公路网规划方案评价研究

高 贺 夏晓英

(东北林业大学土木工程学院 哈尔滨 150040)

为避免公路网规划方案评价中众多评价指标间的矛盾性，以及难以定量化等问题，以可拓理论为基础，选择公路网连通度、理想规模接近度、饱和度、里程拥挤率、经济效益费用比、内部收益率和社会环境影响7个指标作为评价指标体系，构建公路网规划方案可拓评价模型.运用简单关联函数确定指标权重，计算公路网各项指标的综合关联度及级别偏向特征值，对方案进行评价.以山东省公路网规划方案为例，对模型进行了验证.结果表明，可拓评价方法能够有效区分方案的优劣程度，采用可拓方法所得的结果比实例中层次-关联分析法更贴近实际.

道路工程；可拓理论；公路网规划；方案评价

0 引 言

公路网的形成和完善依赖于区域经济公路交通需求和社会发展，公路网规划对区域经济的发展至关重要，科学合理地选择公路网规划方案是公路网规划有效实施的重要前提[1-4]，目前,许多专家和学者对公路网综合评价方法进行了深入研究，并已取得了一定的成果，林忠、王永平[5]运用信息熵法确定指标权重，建立灰色关联决策模型，对公路网进行评价；张志清、金光浩[6]将专家调查和层次分析法结合在一起，为每个指标的权重设定范围，通过对DEA(数据包络分析)方法的C2R模型的改进，运用LINGO软件解出综合评价值，并进行综合排名；曾昆，曾晟[7]采用灰色加权关联分析法用离差最大化确定评价指标的权重，以备选方案同一指标的最优值组成特征数据序列，根据比较数据序列与特征数据序列加权关联度的大小对公路网进行综合评价.Li Xiaowei[8]在灰色关联分析方法的基础上，运用累积前景理论以价值最大化为目标对模型进行了优化研究.本文以可拓工程方法为基础，建立公路网规划方案的可拓综合评价模型，利用可拓学中的关联函数，对公路网规划方案优劣程度进行综合评价.

1 公路网规划方案评价指标体系及分级

公路网规划是一个多层次分布、多因素构成、多目标发展的综合系统，因此，公路网规划方案评价指标体系是一个由若干个单项指标构成的有机整体，它能够反应公路网系统与区域经济、社会发展、环境状况以及交通需求的适应程度，对公路网系统作出合理、科学的评价.建立合理的公路网规划方案评价指标体系，是进行公路网规划发展评价的前提和基础[9].指标体系涉及技术、经济、环境、社会等多方面因素.常见的指标有反映公路网道路特征的公路网技术等级、公路网容量；反映公路网交通特征的公路网流量；反映路网服务水平的公路网饱和度、里程拥挤率；反映通达深度的公路网连通度等[10]，这些单项指标之间往往存在一定的相关性、矛盾性.比如，路网面积、人口综合密度与路网理想规模接近度2个指标所选用的独立变量都为规划区域的面积和人口，两者相关性较强；路网连通度指标反映了路网各节点的通达程度，与可达性指标重复.基于评价指标的合理性考虑，本文结合干线公路网的特点，遵循系统性、科学性、针对性、可比性和实用性的原则，对公路网评价的一般指标体系有针对性进行了筛选，在此选择了连通度、理想规模接近度、饱和度、里程拥挤率、经济效益费用比、内部收益率、社会环境影响7个参数作为评价指标体系.各指标的具体含义及其计算见表1.

表1 公路网规划方案评价指标表

按照评价指标的具体内容和公路网系统对社会经济发展和交通需求的适应程度将方案评定分为5个等级，分别为“好”(N1)、“较好”(N2)、“一般”(N3)、“较差”(N4)、“差”(N5).各评价等级指标区间见表2.

表2 公路网规划方案评价指标分级表

2 公路网规划方案可拓评价模型

2.1 可拓学基本理论

可拓学是以矛盾问题为研究对象， 通过对大量矛盾问题的分析, 抽象出有序三元组(对象、特征、量值), 称为基元, 记作R=(N,C,V)=(事物，特征，量值). 以基元为逻辑细胞建立解决矛盾问题的形式化工具——可拓模型，表示矛盾问题的处理过程.可拓方法与各学科、各专业的方法和技术相结合，目前已广泛应用于工程技术、社会经济、生物医学、交通环保等领域[10-11].

公路网规划方案的评价体系中存在较多可变的矛盾因素.在评价方案中，定性评价的因素与定量评价的因素共存；确定的评价标准随评价主体及评价目标的变化而变化，因此可作为可拓学的研究对象.公路网规划方案的评价具备物元的三要素：公路网规划方案(事物)、规划方案中评价指标(特征)、指标数值(量值).通过对评价等级和实测数据归一化后得到经典域、节域及关联度，建立公路网规划方案物元评价模型.

2.2 公路网规划方案可拓评价步骤

2.2.1 公路网规划方案分级经典域、节域的确定

根据物元理论，经典域对象物元矩阵可以用以下矩阵表示.

(1)

式中：Nj为公路网规划方案第j(j=1,2,3,…，m)个评价等级；Ci(i=1,2,3,…，n)为评价等级Nj评价指标；Vji=(aji,bji)为Nj关于Ci的数据范围，即为各个评价指标对应不同评价等级的经典域.

与经典域类似，节域可表示为

(2)

式中：Np为公路网规划方案评价等级的全体；vpi=(api,bpi)为Np关于评价指标Ci的量值范围,即节域.

2.2.2 公路网规划方案待评物元及关联度的确定

对于待评的公路网规划方案对象可用物元形式表示为

(3)

式中：N为待评公路网规划方案对象；Vi为待评对象所对应的评价指标Ci的量值.

待评对象的单项评价指标Vi关于各评价等级j的关联度表达式为

(4)

式中

2.2.3 计算待评事物关于各评价等级的综合关联度

待评事物N关于方案等级j的综合关联度为

(5)

式中：αi为评价指标Ci的权重系数.

2.2.4 公路网规划方案等级评定

若

(6)

则评定Np则属于等级j，令：

(7)

式中：j*为待评物元Np的级别变量特征值，其数值的大小可以判断出待评物元偏向相邻级别的程度.

2.3 指标权重计算

不同评价指标对评价对象的重要程度不同，为使评价结果更加客观、实际，采用简单关联函数确定指标权重.计算式如下：

(8)

(9)

而如果指标i的数据落入的类别越大,该指标应赋予越小的权值,则取:

(10)

指标i的权重为:

(11)

3 模型实例应用

3.1 工程概况

为了使公路网的布局建设符合国民经济发展的需要，交通运输部于1991年组织了全国范围内的公路网30年规划.山东省省道公路网30年规划项目分为三个阶段：近期(2000年)公路网建设方案、公路网规划方案、公路网发展战略.公路网规划的评价内容包括网络结构性能、交通质量、宏观经济效益和社会环境影响四个方面.山东省各规划期公路网规划推荐方案评价采用层次-关联分析法，主要评价指标数据见表3.

表3 山东省各规划期公路网规划方案评价指标汇总表[12]

3.2 模型计算

本文利用表2中山东省公路网中期(2010年)规划方案的评价指标值，对可拓理论方法在规划评价中的应用进行验证.

3.2.1 指标权重计算

为了便于计算，需把量纲不同的指标进行统一处理，采用极差法对以上数据进行无量纲化处理后，利用式(8)～(10)计算出各指标关系值，再用式(11)得到各评价指标权重：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 公路网规划方案等级评定

采用式(6)得出山东省2010年公路网规划方案对应于各评价等级的综合关联度：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)得出级别变量特征值：j*=2.82.

通过以上计算得到，山东省2010年公路网规划方案所属等级在“较好”与“一般”之间且偏向于“一般”.

3.2.3 结果分析

实例中采用层次-关联分析法评价方案等级为“较好”，采用可拓评价法得到方案等级为“较好”但偏向于“一般”.

根据山东省统计资料，2010年年底山东省公路里程229 858.1 km.其中:高速公路4 285.1 km，二级及以上公路36 234.1 km，等级公路227 718.3 km，公路密度146.3 km/100 km2.

经计算，全网连通度约为7.54远大于规划值2.10；全网理想规模接近度为1.16大于规划值1，干线路网理想规模接近度为1.83，国、省道干线路网里程仅占全网里程的10.5%；全网平均饱和度为0.37略高于规划值0.36，但省道路网饱和度高达0.579；路网里程拥挤率为13.4%，与规划预期水平1.3%相差甚远.

全省路网布局成三角网状，各节点形成多路连通状况，路网规模达到预期值，但国、省道路环境对交通需求不适应，干线路网结构尚需完善，个别路段拥挤程度较高，直接影响整体路网拥挤状况，可见，规划方案中的路网整体水平一般，运用公路网规划方案可拓理论评价方法得出的评价结果更加贴近路网实际水平.

4 结 论

1) 影响公路网规划方案评价的因素繁多、复杂，评价指标之间存在交叉和冲突，运用可拓理论考虑指标不受种类和数量的限制，可以有效解决众多评价指标间矛盾性以及非定量性.

2) 将可拓理论应用于公路网规划方案评价中，建立公路网规划方案综合评价模型，利用简单关联函数计算指标权重，一定程度上避免了主观因素对方案评级结果的影响.

3) 可拓理论用于公路网规划方案评价系统，不仅能确定方案所属等级，而且能够准确地反映其等级的偏向程度，实例验证说明该方法客观、可靠，能够反映公路网系统规划的调整方向，为公路网规划科学决策提供参考依据.

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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 贺(1974- )：男，副教授，主要研究领域为道路规划与路线设计