高 賀 夏曉英

(東北林業(yè)大學土木工程學院 哈爾濱 150040)

基于可拓理論的公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價研究

高 賀 夏曉英

(東北林業(yè)大學土木工程學院 哈爾濱 150040)

為避免公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價中眾多評價指標間的矛盾性，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)濟效益費用比、內(nèi)部收益率和社會環(huán)境影響7個指標作為評價指標體系，構(gòu)建公路網(wǎng)規(guī)劃方案可拓評價模型.運用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定指標權(quán)重，計算公路網(wǎng)各項指標的綜合關(guān)聯(lián)度及級別偏向特征值，對方案進行評價.以山東省公路網(wǎng)規(guī)劃方案為例，對模型進行了驗證.結(jié)果表明，可拓評價方法能夠有效區(qū)分方案的優(yōu)劣程度，采用可拓方法所得的結(jié)果比實例中層次-關(guān)聯(lián)分析法更貼近實際.

道路工程；可拓理論；公路網(wǎng)規(guī)劃；方案評價

0 引 言

公路網(wǎng)的形成和完善依賴于區(qū)域經(jīng)濟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)濟的發(fā)展至關(guān)重要，科學合理地選擇公路網(wǎng)規(guī)劃方案是公路網(wǎng)規(guī)劃有效實施的重要前提[1-4]，目前,許多專家和學者對公路網(wǎng)綜合評價方法進行了深入研究，并已取得了一定的成果，林忠、王永平[5]運用信息熵法確定指標權(quán)重，建立灰色關(guān)聯(lián)決策模型，對公路網(wǎng)進行評價；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，為每個指標的權(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，運用LINGO軟件解出綜合評價值，并進行綜合排名；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指標的權(quán)重，以備選方案同一指標的最優(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)進行綜合評價.Li Xiaowei[8]在灰色關(guān)聯(lián)分析方法的基礎(chǔ)上，運用累積前景理論以價值最大化為目標對模型進行了優(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模型，利用可拓學中的關(guān)聯(lián)函數(shù)，對公路網(wǎng)規(guī)劃方案優(yōu)劣程度進行綜合評價.

1 公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價指標體系及分級

公路網(wǎng)規(guī)劃是一個多層次分布、多因素構(gòu)成、多目標發(fā)展的綜合系統(tǒng)，因此，公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價指標體系是一個由若干個單項指標構(gòu)成的有機整體，它能夠反應(yīng)公路網(wǎng)系統(tǒng)與區(qū)域經(jīng)濟、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、科學的評價.建立合理的公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價指標體系，是進行公路網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展評價的前提和基礎(chǔ)[9].指標體系涉及技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境、社會等多方面因素.常見的指標有反映公路網(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；反映通達深度的公路網(wǎng)連通度等[10]，這些單項指標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個指標所選用的獨立變量都為規(guī)劃區(qū)域的面積和人口，兩者相關(guān)性較強；路網(wǎng)連通度指標反映了路網(wǎng)各節(jié)點的通達程度，與可達性指標重復(fù).基于評價指標的合理性考慮，本文結(jié)合干線公路網(wǎng)的特點，遵循系統(tǒng)性、科學性、針對性、可比性和實用性的原則，對公路網(wǎng)評價的一般指標體系有針對性進行了篩選，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)濟效益費用比、內(nèi)部收益率、社會環(huán)境影響7個參數(shù)作為評價指標體系.各指標的具體含義及其計算見表1.

表1 公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價指標表

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

表2 公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價指標分級表

2 公路網(wǎng)規(guī)劃方案可拓評價模型

2.1 可拓學基本理論

可拓學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、生物醫(yī)學、交通環(huán)保等領(lǐng)域[10-11].

公路網(wǎng)規(guī)劃方案的評價體系中存在較多可變的矛盾因素.在評價方案中，定性評價的因素與定量評價的因素共存；確定的評價標準隨評價主體及評價目標的變化而變化，因此可作為可拓學的研究對象.公路網(wǎng)規(guī)劃方案的評價具備物元的三要素：公路網(wǎng)規(guī)劃方案(事物)、規(guī)劃方案中評價指標(特征)、指標數(shù)值(量值).通過對評價等級和實測數(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)劃方案物元評價模型.

2.2 公路網(wǎng)規(guī)劃方案可拓評價步驟

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)個評價等級；Ci(i=1,2,3,…，n)為評價等級Nj評價指標；Vji=(aji,bji)為Nj關(guān)于Ci的數(shù)據(jù)范圍，即為各個評價指標對應(yīng)不同評價等級的經(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)劃方案評價等級的全體；vpi=(api,bpi)為Np關(guān)于評價指標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)的評價指標Ci的量值.

待評對象的單項評價指標Vi關(guān)于各評價等級j的關(guān)聯(lián)度表達式為

(4)

式中

2.2.3 計算待評事物關(guān)于各評價等級的綜合關(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為評價指標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 指標權(quán)重計算

不同評價指標對評價對象的重要程度不同，為使評價結(jié)果更加客觀、實際，采用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定指標權(quán)重.計算式如下：

(8)

(9)

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

(10)

指標i的權(quán)重為:

(11)

3 模型實例應(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)濟發(fā)展的需要，交通運輸部于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)劃項目分為三個階段：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)濟效益和社會環(huán)境影響四個方面.山東省各規(guī)劃期公路網(wǎng)規(guī)劃推薦方案評價采用層次-關(guān)聯(lián)分析法，主要評價指標數(shù)據(jù)見表3.

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

3.2 模型計算

本文利用表2中山東省公路網(wǎng)中期(2010年)規(guī)劃方案的評價指標值，對可拓理論方法在規(guī)劃評價中的應(yīng)用進行驗證.

3.2.1 指標權(quán)重計算

為了便于計算，需把量綱不同的指標進行統(tǒng)一處理，采用極差法對以上數(shù)據(jù)進行無量綱化處理后，利用式(8)～(10)計算出各指標關(guān)系值，再用式(11)得到各評價指標權(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

實例中采用層次-關(guān)聯(lián)分析法評價方案等級為“較好”，采用可拓評價法得到方案等級為“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)計算，全網(wǎng)連通度約為7.54遠大于規(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.

全省路網(wǎng)布局成三角網(wǎng)狀，各節(jié)點形成多路連通狀況，路網(wǎng)規(guī)模達到預(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，運用公路網(wǎng)規(guī)劃方案可拓理論評價方法得出的評價結(jié)果更加貼近路網(wǎng)實際水平.

4 結(jié) 論

1) 影響公路網(wǎng)規(guī)劃方案評價的因素繁多、復(fù)雜，評價指標之間存在交叉和沖突，運用可拓理論考慮指標不受種類和數(shù)量的限制，可以有效解決眾多評價指標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)劃方案評價中，建立公路網(wǎng)規(guī)劃方案綜合評價模型，利用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)計算指標權(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)劃方案評價系統(tǒng)，不僅能確定方案所屬等級，而且能夠準確地反映其等級的偏向程度，實例驗證說明該方法客觀、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)劃科學決策提供參考依據(jù).

[1]WANG Xianguang, SUN Xiaonian, WANG Mingwen. Reliability evaluation model of highway network connectivity in western mountainous area[J].Applied Mechanics and Materials, 2013,2547(361):2134-2139.

[2]劉 東,金鳳君.我國重點區(qū)域公路網(wǎng)絡(luò)發(fā)展水平評價研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息,2013,13(13):189-195.

[3]曹向前.公路網(wǎng)規(guī)劃后評價理論與方法研究[J].中外公路,2009(6):11-15.

[4]朱奕勤.基于供需平衡的公路網(wǎng)評價方法研究[J].公路交通科技,2009(4):118-123.

[5]林 忠,王永平.基于信息熵-灰色關(guān)聯(lián)法的高速公路網(wǎng)評價研究[J].交通與運輸,2008(2):122-125.

[6]張志清,金光浩.DEA方法的改進模型在公路網(wǎng)規(guī)劃方案綜合評價中的應(yīng)用[J].北京工業(yè)大學學報,2009,10:1384-1388.

[7]曾 昆,曾 晟.灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)分析在公路網(wǎng)評價中的應(yīng)用[J].重慶交通大學學報：自然科學版,2012,31(3):432-434.

[8]LI Xiaowei. Decision-making method of highway network planning based on prospect theory[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences, 2013,96:2042-2050.

[9]詹 珽,王選倉,劉 蕊.公路投資項目決策物元模型研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2009,33(4):722-725.

[10]鄧煥彬,張智慧.公路發(fā)展水平評價指標的研究[J].公路工程,2011,36(6):82-85.

[11]蔡 文,楊春燕.可拓學的基礎(chǔ)理論與方法體系[J].科學通報,2013,58(13):1190-1199.

[12]裴玉龍.公路網(wǎng)規(guī)劃[M].2版.北京:人民交通出版社,2011.

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)域為道路規(guī)劃與路線設(shè)計