基于绿色公路理念的高速公路改扩建模式决策

孙伟民, 王 红, 王祎旸, 吴月磊

(武汉理工大学 交通与物流工程学院,湖北 武汉 430063)

0 引 言

随着社会经济的发展,早期的高速公路无法满足逐步增长的交通出行需求,高速公路改扩建已成为适应不断增长的交通需求的重要方式。改扩建模式的决策是高速公路改扩建项目前期的重要决策问题,科学合理的高速公路改扩建模式,会对改扩建工程的设计、施工提供科学依据,确保高速公路改扩建的质量;不恰当的改扩建模式,会造成不必要的投资和资源浪费。[1]因此,需要确定合适的高速公路改扩建模式决策方法。

为了实现公路建设和生态环境保护和谐发展,需将绿色公路理念引入高速公路改扩建模式决策中[2,3]。国外高速公路建设起步较早,率先引入了生态公路理念[4,5];部分欧美国家,开始补偿大范围铺设道路带来的生态影响,并在道路设计过程中考虑生态学原则;德国公路建设充分考虑了自然资源利用和保护,推行了保护动植物及各种自然特性等多方面保护措施。相较于发达国家,国内的生态公路建设起步较晚,对生态保护的意识较弱。但随着人们的生态环保意识的增强[6],2003年公路行业转变公路建设设计理念,成为我国环保公路建设的开端标志。2016年交通运输部发布的《关于实施绿色公路的指导意见》,明确了绿色公路的发展思路和建设目标,公路建设开始逐步向着低碳、可持续发展深入;高速公路改扩建工程开始融入“资源节约、节能高效”等绿色设计理念,向绿色公路的可持续发展转型。国内在绿色公路领域开展了一系列工程试点示范工作,但大部分的绿色公路工程研究,主要着重于路线设计与自然环境相结合、路基路面的新材料新工艺等,对于高速公路改扩建模式[7]与绿色公路理念结合的研究和应用尚少。

高速公路改扩建模式的决策方法通常有熵值法[8]、层次分析法(AHP)和模糊综合评价法[9]等。石良清[10]从宏观路网优化和微观新建、扩容方案[11]比较两个层面对高速公路改扩建方案递进分析,并利用AHP模糊分析法进行方案优化;姚捷[12]分析了绿色公路概念、路线方案及评价指标,针对公路路线设计原则进行指标选择及构建,并利用层析分析法和模糊综合评价法对方案进行优化选择。以上内容均缺少在高速公路改扩建[13]模式决策中的运用研究。

本文针对当前高速公路改扩建模式决策中如何充分体现绿色公路理念的问题,研究分析提出考虑绿色公路的改扩建模式评价指标选取原则及评价指标体系;以AHP-模糊综合评价法对评价指标进行多层级、定量化处理,建立高速公路改扩建模式决策模型;并以广清高速公路为例对本文方法进行验证与分析。

1 基于绿色公路理念的改扩建模式评价指标体系建立

1.1 绿色公路理念

绿色公路理念是以绿色发展理念为引领,以生态良好保护、污染有效控制、资源能源节约集约使用等为目标,基于可持续发展、循环经济等理论构建的。绿色公路特征可归纳为“高效能、高效率、 高效益”、“ 低消耗、低排放、低污染” 和“全寿命、全要素、全方位”。

随着社会需求和交通量的日益增长,高速公路改扩建成为公路建设的重要任务之一。高速公路改扩建应结合绿色公路理念,应用可持续发展的战略思想,将高速公路改扩建项目的实施与经济、社会、资源与环境联系起来,制定可持续发展的绿色公路改扩建准则,在高速公路改扩建模式决策过程中充分体现绿色公路理念。

1.2 评价指标选取原则

改扩建模式评价指标选择应结合绿色公路理念内涵,指标体系构建需遵循科学性、系统性、先进性、广泛性与针对性原则。综合绿色公路理念分析,高速公路改扩建模式评价指标的选取主要从以下六个方面进行考虑:

(1) 功能服务:功能服务是绿色公路建设的基本要求,高速公路的功能服务包括对政策的适应性、区域规划布局的服务性以及交通运输网络布局的协调性。改扩建模式需要符合国家和地方当前及未来的趋势性政策。

(2) 资源利用:绿色公路的建设要求对资源合理利用,资源利用包括对既有资源的重复利用、资源的节约使用。不同的改扩建模式在工程建设中会受到不同程度的外界自然资源条件的限制。资源再生重复利用,能够降低工程施工中对资源的不必要消耗,降低能源成本、促进材料循环利用。资源的节约使用主要表现在公路的用地范围。

(3) 能源消耗:绿色公路意味着节约能源、减少消耗。能源消耗包括建设期能源、运营期运营者消耗能源和运营期使用者消耗能源等,即全周期能源消耗。

(4) 污染排放:低污染、低排放是绿色公路的重要体现。污染排放主要包括气体污染排放、扬尘污染排放和噪声污染排放等。

(5) 生态影响:绿色公路建设要坚持生态优先、和谐发展的指导方针。绿色公路应具有良好的环境协调性,加强生态保护、注重自然和谐是绿色公路建设的核心要义。

(6) 运行效率:绿色公路的建设要从提高运行效率入手。不同的改扩建模式在施工阶段和运营阶段的安全性和高效性不同。

1.3 评价指标体系建立

高速公路改扩建主要有单侧拼接、双侧拼接、分离模式和组合模式等四种模式。根据环保、经济、安全、可持续的绿色公路评价目的和高速公路改扩建模式评价指标选取原则,并将定性和定量指标整理归类,建立基于绿色公路理念的高速公路改扩建模式的三级评价指标体系,如图1所示。

图1 基于绿色公路理念的高速公路改扩建模式综合评价指标体系

2 决策方法

2.1 评价方法流程

本文基于绿色公路理念提出的高速公路改扩建模式评价方法步骤如下:

(1) 对绿色公路理念及高速公路改扩建模式选取方法进行分析;

(2) 建立含有绿色公路理念的评价指标体系,选择层次分析法和模糊综合评价法为改扩建模式评价法;

(3) 利用层次分析法确定合成权重,利用层次分析法确定隶属关系,建立判断矩阵;

(4) 在有、无理念两种情况下计算评价结果,并对两种结果进行比对,确定改扩建模式最优方案。

具体评价流程如图2所示。

图2 基于绿色公路理念的高速公路改扩建模式决策方法流程

2.2 评价指标合成权重的确定

层次分析法(AHP)作为一种主要的确定多评价指标权值的方法,在多目标方案决策中已得到了广泛运用,通过对图1的评价指标体系进行分层聚类组合,建立阶梯的、有序的层次结构模型,将指标体系中的定性指标和定量指标进行指向性分析,再利用数学方法确定每一层次因素相对重要性次序的权值,最后通过综合计算各层因素相对重要性的权值,得到最底层相对于最高层的相对重要性次序的合成权重值。本文基于层次分析法的高速公路改扩建模式评级指标权重的确定步骤如下:

(1) 建立层次结构:如图1所示,目标层为最优方案层A;准则层为三级指标,即一级指标B、二级指标C和三级指标D;方案层为四种改扩建模式方案S。

(2) 构建判断矩阵:由专家结合项目实际情况,采用9级标度法构建各层因素之间的两两判断矩阵。

表1 合成权重计算表

则合成权重向量为:

(1)

(4)一致性检验:采用方根法求得最大特征值及对应的特征向量,利用矩阵的理论最大特征值λmax与n,引入一致性指标CI和平均随机一致性指标RI,CI的计算公式为式(2),RI取值见表2。

(2)

表2 平均随机一致性指标RI

引入随机一致性比例CR,当CR=CI/RI≤0.10时,就认为判断矩阵具有令人满意的一致性;否则就需要调整判断矩阵,重新计算合成权重,直到随机一致性比例符合要求为止。

2.3 考虑合成权重的改扩建模式模糊综合评价

根据2.2节关于评价指标合成权重的计算,基于绿色公路理念建立考虑不同评价指标权重后的高速公路改扩建模式决策模型。考虑各评价指标权重的改扩建模式的模糊综合评价的主要步骤如下:

(1) 根据项目实际情况确定评价的对象集(即改扩建模式方案S)S=(S1,S2,…,Sn)。

(2) 确定隶属关系,建立判断矩阵R。

(3)

(3) 将各因素根据AHP得到的合成权重与单个因素的判断矩阵进行模糊运算,得到模糊综合评判指标。

(4) 求每个评价对象的综合分值。根据评语集中不同的评语,设定各自不同的权重vj,得到向量V=(v1,v2,…,vm),C表示各评价对象的综合分值,C的计算公式为:

(5)

各评价对象综合分值最高的则为最优方案。

3 实例分析

为了验证本文研究方法的可行性和有效性,将本文研究方法应用于广清高速公路庆丰主线收费站至天坪岭隧道路段改扩建工程的改扩建模式决策分析。该高速公路改扩建工程为4车道改扩建为8车道。根据本文建立的评价指标体系(图1)和改扩建模式决策方法流程(图2),基于绿色公路建设理念对改扩建的四种模式进行适应性评价;同时,建立无绿色公路理念影响的四种改扩建模式的评价指标体系进行适应性评价,比较分析两种指标体系下的改扩建模式决策结果。

3.1 评价指标权重计算

根据本文所述的评价指标确定原则及指标体系,构建广清高速公路改扩建工程有、无绿色公路理念的两种评价指标体系,并建立层次分析模型。有绿色公路理念的改扩建模式综合评价指标见图1,无绿色公路理念的改扩建模式综合评价指标见表3。

表3 无绿色公路理念的广清高速公路改扩建工程评价指标

按本文2.2的方法步骤计算图1和表4所列的有、无绿色公路理念的高速公路改扩建模式评价指标的合成权重并进行一致性检验。计算结果分别见表4和表5。

表4 有绿色公路理念的广清高速公路改扩建模式评价指标合成权重

表5 无绿色公路理念的广清高速公路改扩建模式评价指标合成权重

3.2 改扩建模式模糊综合评价

按照本文2.3节的综合评价方法步骤,针对广清高速公路庆丰主线收费站至天坪岭隧道路段改扩建工程的四种改扩建方案:单侧拼接、双侧拼接、分离模式、组合模式(两侧拼接为主、局部分离)建立对象集S=(S1,S2,S3,S4),根据评语集(优,中,劣)及项目工程文件,设V=(95,75,30)。

由10名相关技术专家结合广清高速公路庆丰主线收费站至天坪岭隧道路段改扩建工程的现状,根据《广清高速改扩建初步设计总说明》,对上述四个改扩建方案的定性指标进行打分,定量指标根据对应模型计算方法进行评价。

根据有、无绿色公路理念的指标合成权重,分别建立权值集,确定隶属关系,建立判断矩阵R。为方便对比分析及计算,统计整理为模糊判断矩阵表,并根据式(3)、式(4)进行计算,将广清高速公路有绿色公路理念和无绿色公路理念的四种改扩建模式的得分情况绘制如图3所示。

图3 有、无绿色公路理念的广清高速公路四种改扩建方案的得分汇总

从图3可以得出:两种情况下的最佳模式均为双侧拼接,因此推荐广清高速改扩建模式选用双侧拼接模式;考虑绿色公路理念的评价方法得分普遍高于未考虑绿色公路理念的评价方法;双侧拼接模式符合绿色公路建设理念,适应性强,条件适宜时应尽可能采用。从绿色公路建设及可持续发展的需要考虑,新建高速公路时,当条件允许,应尽可能预留两侧拼接条件。

4 结束语

(1) 本文分析了高速公路改扩建模式决策的影响因素,根据相关政策以及《绿色公路建设技术指南》制定绿色公路理念指标选取原则,增加相应指标,对指标进行分级处理,建立了基于绿色公路理念的改扩建模式评价指标体系及决策模型;使得高速公路改扩建模式的决策更加符合低碳、环保的绿色发展理念,提高了改扩建模式决策方法的适应性。

(2) 本文以广清高速公路改扩建工程为例,研究了绿色公路理念对于广清高速公路改扩建的影响,建立了有、无绿色公路理念的广清高速公路改扩建模式评价指标体系,并利用AHP-模糊综合评判法对改扩建模式进行评价得出:最佳改扩建模式均为双侧拼接模式;考虑绿色公路理念的得分普遍高于未考虑绿色公路理念的情况。

本文对于绿色公路理念的定性指标在定量化处理过程中未考虑专家人数、打分情况等主观因素对于改扩建模式决策结果的影响程度,决策方法还有待进一步的深入研究。