基于层次分析法的山区高速公路路线方案研究

尹文华

1兰州交通大学 土木工程学院 甘肃 兰州 730070

2宁夏公路勘察设计院有限责任公司 宁夏 银川 750000

1 引言

新建（S60固原至会宁公路西吉至会宁段）位于宁夏回族自治区固原市西吉县境内，是宁夏境内重要的两条纵向和横向通道G22与G70的联接线，是宁夏区内重要的省级高速公路及主要的南部山区出口通道。建成后将在西吉县域内形成横贯东西的大通道，为经济发展相对落后的自治区南部城镇，打开向西开放的窗口。对完善地区高速路网，促进区域交通运输发展；加快少数民族贫困地区脱贫步伐，振兴陕甘宁革命老区经济；推进宁夏南部地区融入丝绸之路经济带建设；加强省际区域经济合作，促进固原市经济社会发展；开发旅游资源、发展特色产业，带动西吉县经济社会整体发展，有着重要、显著的促进作用。

（1）S60固原至会宁公路西吉至会宁段工程建成以后，将会使该区域国省干线上的交通路大部分吸引到该公路上，承担主要交通任务，还促进区域政治、经济军事、科技、社会等方面的发展和进步。公路路线方案的选择是总体性的、全局性的工作，路线方案选择后，高速公路全全寿命周期内的技术经济合理性、结构可靠性、运营安全性以及社会影响等就已基本确定。所以S60固原至会宁公路西吉至会宁段路线走向选择的经济、合理性，除了直接影响高速公路本身的建设投入、工程建设周期、工程规模及经济效益，且和本项目是否满足区域交通需求，对地区经济、社会及人文发展以及军事发展等方面都有着深远的影响。同时，S60固原至会宁公路西吉至会宁段路线各方案的评价和对比工作，不仅涉及各技术经济指标、社会环境指标、地质水文气象指标等不确定的复杂的多种目标分析决策的过程，主要指标列举如下：S60固原至会宁公路西吉至会宁段公路位于1921年海原大地震震后的地形地貌主要区域，方案评价中不仅要考虑公路的水文地质环境、气候和气象条件、历史文物、主要村镇的发展还要考虑山岭重丘区高速公路视距、平纵组合、车辆运行速度、交通路及服务水平等高速公路的主要技术指标和安全运营措施等。各指标的权重具有很大的不确定性，无法直接给定或者选择哪个作为主要指标。

（2）很多定性的指标，比如对西吉山区经济落后地区的发展的促进作用、改善南部山区高速路王的结构、对当地旅游、矿产资源的开发利用、对当地自然环境的影响、对西吉县及固原市整治和军事的影响等，都难以用具体的数字形式来表现，而且很难按照数学模型的要求直接对各指标进行量化来求解评价结果。所以具体指标的取值和量化在整个过程中都具有很强的不确定性，进而使个路线方案的评价和对比工作难度加大，对决策结果造成较大的偏差。

S60固原至会宁公路西吉至会宁段选线设计方案优选是复杂的决策问题。决策是一种带主观偏好的多目标灰色优化问题。它涉及因素众多,既有公路指标等技术指标、社会发展等经济指标等定量指标,又有自然和社会环境条件及区域经济政治人文意义等人文类定性指标。通常业内采用不同方案对应的换算工程运营费最省为主要评判依据得出最佳方案。但这种方法不能将技术经济定量指标和社会环境影响定性指标综合起来评价，最终入选方案不一定是最优方案。

本文将基于层次分析法对S60固原至会宁公路西吉至会宁段党家岔湿地保护区选线方案进行研究，通过对该路段选线影响因素的多目标层次化梳理建立方案决策结构模型，借助专家经验对完全绕避保护区北方案、绕避核心区北方案、绕避核心区南方案、完全绕避保护区南方案构造判断矩阵，给出合理的权重因子，最终得到优选方案。

2 基于层次分析法的S60固原至会宁公路西吉至会宁段选线方案研究

2.1 建立层次结构模型

要想建立工程满意的层次结构模型，需对S60西会公路的工程背景有着透彻的理解和认识。

S60固原至会宁公路西吉至会宁段沿线经过党家岔湿地保护区，根据国家环保总局相关建设项目涉及环境问题的工作通知规定：凡涉及的开发建设项目(以下简称“项目”)，不得安排在的核心区、缓冲区内；需占用实验区的，不得破坏当地生态环境，其污染物排放不得超过国家和地方规定的污染物排放标准等相关要求。

由以上规定可知，公路建设不得在的核心区、缓冲区内进行。

在水源地和文物古迹保护措施方面，需着重做到以下几点：

（1）设计对森林公园、水源地等环境敏感区进行重点考虑，通过环保选线，对可能通过生态敏感目标的路线，在各方面因素协调统一的情况下，尽量采取绕避措施。对于工程无法绕避的占地面积大，跨越范围广的敏感目标，设计中进一步优化线路方案，采取合理措施减缓工程对自然景观及地质景观的破坏。如果受自然条件限制，必须穿越保护区，应与相关的管理部门进行保护区功能区划的调整，使工程合法实施，并依照相关规定办理审批手续。经地方政府证实。

（2）保护区内设服务区其污染物排放不得超过国家和地方规定的污染物排放标准、不设施工营地及料场，隧道弃碴常严禁设在保护区范围。

（3）严格要求施工单位主动与、水源保护区、地质公园等主管部门取得联系，严格按照有关保护规定安排施工作业。

（4）下阶段进一步核实线位附近文物保护单位，尽量避免穿越、占压省级及以上文物，及时向文物保护部门汇报线位。

根据从地方林业部门收集的资料显示，党家岔湿地保护区范围内可分为核心区、缓冲区、实验区三部分。国家林业局已明确答复，新建公路不允许从核心区穿越，穿越缓冲区或实验区必须经林业部门审批。

本次针对绕避西吉县党家岔湿地保护区问题，进行了4个线路走向方案的研究，即：完全绕避保护区北方案、绕避核心区北方案、完全绕避保护区南方案、绕避核心区南方案。

并对以上方案进行综合经济技术比较，比选段落为线K30+941至 K44+960段。

2.1.1 各方案对比表

表1 绕避工程数量表

2.1.2 方案综合比选及推荐意见

综合考虑绕避保护区的四个比选方案，完全绕避保护区北方案具有以下优点： 线路长度较短；工程投资最省；线位距公路及居民点较近，能够方便旅客及货物运输；隧道施工难度及工期等方面也具有较明显的优势；而且，该方案新建线路完全绕避，对保护当地的生态环境，具有明显的优势。经综合比较，本次研究以完全绕避保护区方案为推荐方案。

因为占地多，设计因素多，需要宏观从经济条件、技术条件、环境条件及社会意义几个主要方面来对这四个方案进行比较，经过相关因素的定位考虑，最终确定了准则层，并建立结构层次模型如图1所示。

图1 S60固原至会宁公路西吉至会宁段选线方案决策层次模型结构图

2.2 组件判断分析(成对分析比较)矩阵

在首先确定各层次和各主要因素间的各自权重时，采用定性分析所得的结果，往往不能被人认可和接受，所以本文采用Santy等人提出的一致矩阵法，不把各因素全部放在一起对比，而是将主要因素进行成对对比的方式；使用相对的尺度，尽量降低不同性质的主要各因素进行比较时的高难度，进而提高评价的正确率。

假设我们要比较各要素B1,B2,… , B6对评价目标的重要程度，即：

其中，aij的标度方法见表3。

表3 准则层指标权重

判断矩阵不合理，就算计算过程准确也得不到满意的结果。因此，在进行绕避小兴安岭路线方案打分和构造判断矩阵时，特邀了五个对山岭重丘区高速公路路线方案经验丰富和对本项目路线理解较深的专家进行评分，还要着重分析地质自然环境自然环境对路线方案的影响。

表2 判断矩阵元素aij的标度方法

2,4,6,8 上述两相邻判断的中值倒数 因素i与j比较的判断aij，则因素j与i比较的判断aji=1/aij

根据相关专家意见，整理出判断矩阵如下D：

2.3 层次单排序及其一致性检验

结合《模糊数学方法及其应用（第四版）》附录中给出的和法求解判断矩阵A的最大特征值及归一化后特征向量的MATLAB源代码程序AHP_Hf.m，可得：

D的最大特征值是：

D的最大特征值对应特征向量的值为：

一致性指标

查表5可得随机一致性指标

表5 各要素的最大特征值

表4 随机一致性指标RI

继续构造3个方案关于4个标准的判断矩阵为：

由此可得各要素的最大特征值：

相应的特征向量

均通过一致性检验。

2.4 层次总排序及其模糊评价

从而有

即在4个选线方案中选择完全绕避保护区北方案是合适的,结果和前面分析的一致。

3 结束语

采用层次分析法把复杂的高估松露路线方案的分析对象作为一个系统，通过分析、比对、决策、融合的分析方式来决策分析，在这一过程中定性与定量相结合，突破了传统的最优化数学技术无法着手的工程实际问题，使方案制定者与方案分析人之间互通，方案制定者可以直接来用它从而增加并促进了决策分析的正确性和有效性。

但同时应看到是基于有限枚举法得到的有限方案优选，并不能直接得出最优或工程满意的新方案，虽然有利于提高决策的可信度，但是选线的工作效率上并无提升。另外，通过层析分析的模型结构来导出比较矩阵，选线的设计人员的主观个人原因对等个分析决策过程有着很大的影响，所以结果有时候难以让所有的路线设计人员接受。为了增加数据的可信度，也就是判断数据不失真，必须采取专家群体判断。

所以，层次分析法为公路选线决策提供了一种好的解决问题的方式，同时，应认识到在智能化专业应用方面还需进一步结合专业工作模式和特色做改进与提升，将最优化方法与其相结合，提高公路选线专家系统的实用性。