基于模糊理論的城市道路立交設(shè)計及綜合評價分析

鄧稱意

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大中型城市的機動車擁有量也在不斷提高，平面交叉口成為城市道路中的瓶頸。立體交叉利用跨線構(gòu)造物使道路與道路在不同的空間相互交叉，可以有效地解決道路交叉口的交通沖突，以實現(xiàn)道路之間空間交叉和行車方向的快捷轉(zhuǎn)換[1]。

城市道路路網(wǎng)密集，交通轉(zhuǎn)換需求大，受用地條件影響，城市立交的使用更為頻繁和復(fù)雜。特別對城市道路規(guī)劃落后于城市發(fā)展的地區(qū)或者片區(qū)而言，受先天規(guī)劃不足的影響，立交方案的選擇既要符合現(xiàn)狀，且能滿足近遠期道路交通功能及城市發(fā)展需求，因此對立交的綜合設(shè)計和評價提出了更高的要求。

因城市立交方案影響因素復(fù)雜，指標繁多，對于每座立交，由于地理位置，使用功能，社會條件、環(huán)境條件、自然條件的差異，影響因素及其影響程度也不盡相同，具體的評價指標也不一樣。目前國內(nèi)城市立交方案設(shè)計評價沿用公路立交的技術(shù)經(jīng)濟比較法，該方法簡便直觀，操作性強，但未進行指標的綜合量化，帶有很大的經(jīng)驗性和局限性。因此，本文通過充分分析城市立交設(shè)計特點及評價指標體系，采用定量與定性相結(jié)合，探討基于模糊理論的立交綜合評價方法。

1 城市立交分類及設(shè)計特點

1.1 城市立交分類

城市立交的種類繁多，類型多樣，各類互通式立交均有各自的特點和適用條件，根據(jù)不同的分類方式可將其劃分為不同類型[2-3]：

（1）按相交道路數(shù)可分為兩路立交、三路立交、四路立交和多路立交；

（2）按相交道路是否互通可分為分離式立交，完全互通立交或部分互通立交；

（3）按立交主線及匝道的空間層次可分為兩層式立交、三層式立交或四層式立交等；

（4）按立交匝道的形式可分為定向式立交、半定向式立交及非定向式立交；

（5）按相交道路的等級可分為樞紐立交或一般立交；

（6）按立交類型可分為組合式立交或非組合式立交；

（7）按立交的外形可分為喇叭形、苜蓿葉型、葉型、梨型、環(huán)形、蝶形及菱形等；

（8）按匝道的布設(shè)位置可分為一象限式、兩象限式（對角線式和相鄰象限式）、三象限式、四象限式；

（9）按立交匝道交通功能可分為迂回式和直達式等。

1.2 城市立交設(shè)計特點

城市立交因規(guī)劃控制、路網(wǎng)密度、用地條件、經(jīng)濟水平、環(huán)境影響等因素影響，與公路立交相比，具有明顯的城市特征。

1.2.1 立交規(guī)劃特點

城市立交規(guī)劃布局可分為兩種：（1）城市總體規(guī)劃完善，路網(wǎng)規(guī)劃科學(xué)合理，立交布局符合城市交通遠期發(fā)展。該類立交設(shè)計往往控制因素較少，立交設(shè)計預(yù)留條件較好。（2）城市總體及交通規(guī)劃落后，屬被動型立交設(shè)計，往往為了解決現(xiàn)狀及近期交通壓力增設(shè)立交，控制因素多，立交設(shè)計難度大。

1.2.2 交通功能特點

城市立交除需考慮車行交通功能外，同時需充分考慮慢行的交通需求。特別是當前對慢行交通需求及舒適性要求越來越高，立交設(shè)計前期構(gòu)思需同時考慮車行及慢行的總體布局。

1.2.3 立交組合特點

除城市內(nèi)高速公路外，城市立交大多無收費站，且因車速相對高速較低，對主線和匝道的平縱線型較為寬松，可供選擇的立交形式和組合方式多，往往立交設(shè)計更復(fù)雜多樣，賦予設(shè)計者更多的發(fā)揮空間。

1.2.4 環(huán)境特點

城市立交一般環(huán)境條件比較復(fù)雜，除現(xiàn)狀地形條件外，往往受征地拆遷、現(xiàn)狀管線、現(xiàn)狀軌道等因素影響。因此設(shè)計時，需充分調(diào)研現(xiàn)有地面、地下建構(gòu)筑物情況，通過多方案比選，合理確定主線及匝道的平面及豎向關(guān)系，推選最佳方案。

1.2.5 城市景觀特點

城市立交多處于交通轉(zhuǎn)換集中點，大量車流及人流需通過立交進行交通轉(zhuǎn)換，良好的立交設(shè)計會給駕駛?cè)恕⑿腥诵那橛鋹?，因此對立交的景觀提出了更高的要求。在立交設(shè)計時，應(yīng)充分考慮利用好現(xiàn)狀條件，在解決交通功能的同時，讓城市立交成為城市的景觀窗口。

2 城市立交方案設(shè)計的指標體系及評價模型

立交方案設(shè)計是指在立交設(shè)計前進行的立交總體安排布局工作，旨在進行立交類型選擇及比較，確定合理、適用、經(jīng)濟、美觀的立交方案。立交方案比選一般分為四步：（1）經(jīng)過初步分析，篩選，提出明顯不可行方案，確定2～5個可比選方案；（2）建立方案比價指標體系；（3）指標評價；（4）方案比選結(jié)論及推薦。

2.1 城市立交綜合評價體系的建立

目前立交評價的指標體系多數(shù)是按層次來劃分。指標分層是將各指標性質(zhì)，影響特性和影響效果進行歸類，并按隸屬關(guān)系進行分層。第一層為目標層，表征方案的最終評價結(jié)果，用于不同方案間的比選；第二層為準則層，是綜合評價的中間層，表征方案在某一方面特征的大類指標，如方案的運行情況，實用情況、費用情況等是同一類分項指標的集合，這是方案比較的基本層次；第三層為指標層，是描述方案細部特征的指標，如用地面積，回收期，景觀協(xié)調(diào)等，這是方案的基礎(chǔ)層；第四層為子指標層，根據(jù)需要設(shè)計各子指標[4]。

影響立交方案的各方面因素復(fù)雜，指標繁多。對于每個立交所處地理位置，使用功能、社會條件、環(huán)境條件、自然條件的差異，影響因素及其影響的程度也不相同，具體的指標也不盡相同。現(xiàn)根據(jù)城市立交特點，初擬了城市立交指標（包含但不限于）體系如表1所列。

表1 城市立交指標一覽表

2.2 基于模糊理論的立交方案綜合評價模型

模糊數(shù)學(xué)理論最早是在1965年由美國的計算機與控制論專家扎德提出，它是一種研究模糊性或不確定性問題的理論方法。模糊數(shù)學(xué)的核心思想就是通過用數(shù)學(xué)的手段來仿效人腦的思維，建立對復(fù)雜事物進行模糊度量、模糊識別、模糊推理、模糊控制和模糊決策的本領(lǐng)[5，6]。

2.2.1 立交方案模糊評價模型

通過擬定m個立交方案組成方案集V=｛v1，v2，…，vm｝，其中vj為第j個立交方案。評價立交方案的評價因素或指標共有n個，其中定量因素為n1個，定性因素n2個（n1+n2=n），計定量因素集為U1、定性因素集為U2，由所有影響因素組成的因素集為U=U1∪U2=（u1，u2，…un，un+1，…，un），其中ui為第i個影響因素（或評判因素，簡稱因素）。進行立交方案單因素評判時，第i影響因素的單因素評判集Ri=｛ri1，ri2，…，rm｝，綜合立交方案全體單因素評判結(jié)果，即可得到立交方案優(yōu)劣的單因素評判矩陣，如式（1）所示：

其中，rij為第i個因素ui對j立交方案vj的隸屬度。

進行立交方案影響因素權(quán)重賦值時，應(yīng)充分考慮各因素對立交方案的重要性程度，同時結(jié)合考慮立交方案交通功能、技術(shù)指標、經(jīng)濟性、環(huán)境指標、管理指標等因素，對各因素賦予不同的權(quán)重，得到立交方案評價各影響因素的權(quán)重集A=｛a1，a2，…，ai…，an｝，其中ai為第i因素ui的權(quán)重，ai≥0，綜合以上分析，得到模糊綜合評判結(jié)果即得評判集如式（2）所示：

式中，bi為綜合考慮所有因素的影響時，評判對象對第j個方案類型vj的隸屬度，即評判指標rij，通過比較評判指標bi值的大小，對不同立交方案的優(yōu)劣進行排序，bi值越大，表示第j個立交方案綜合性能越好。

2.2.2 模糊關(guān)系的量化

在進行立交方案綜合性能評價之前，必須對立交方案的因素值進行量化，確定單因素模糊評判矩陣R，即確定隸屬度。根據(jù)影響因素的性質(zhì)，從定量因素和定性因素兩個方面來分析。

（1）定量因素的隸屬度?？紤]定量因素的各指標值之間的量綱不同，且指標值變化范圍差異也較大，現(xiàn)按照最優(yōu)值相對隸屬度為1的原則，定義隸屬度。

對于值越大越優(yōu)型因素（所謂越大越型因素是指因素指標值以最大值為最優(yōu)，反之則為越小越優(yōu)型因素）的隸屬度按式（3）、式（4）進行計算：

對于越小越優(yōu)型因素，其隸屬度為：

式中，rij為第j個立交方案中項因素的指標值；max｛yij｝與 min｛yij｝分別為各類方案中i項因素指標的最大值和最小值。

（2）定性因素的隸屬度。定性因素以模糊語言來表示，例如優(yōu)、良、中、差等，并以此來表示不同立交方案相對比較而言的性能。以有利于立交為優(yōu)，最不利者為劣，一般可以分為5級，即優(yōu)、良、中、次、差，相對應(yīng)的隸屬度分為 1、0.75、0.5、0.25、0。對于處于等級中間過渡的狀態(tài)者可以用線性內(nèi)插的辦法，確定其相應(yīng)的隸屬度。若參加定性因素評級的專業(yè)人員對評級意見不一致，可以按百分比計入。

3 基于模糊理論的某城市互通立交設(shè)計及綜合評價案例分析

3.1 立交節(jié)點分析及方案設(shè)計

3.1.1 立交節(jié)點概況及交通量預(yù)測

該立交節(jié)點位于廣東省深圳市，相交道路等級均為城市Ⅰ級主干路，雙向6車道，設(shè)計車速50 km/h，匝道設(shè)計車速30 km/h。根據(jù)城市道路交叉口設(shè)計規(guī)范，結(jié)合節(jié)點交通量預(yù)測，該立交節(jié)點為全互通立交，具體交通量預(yù)測如圖1所示。

圖1 遠期交通量預(yù)測結(jié)果示意圖

3.1.2 立交節(jié)點控制因素

該節(jié)點位于建成區(qū)，節(jié)點涉及現(xiàn)狀拆遷較大，南側(cè)為山體，東北側(cè)臨時停車場，西北側(cè)為城市更新規(guī)劃用地；南側(cè)現(xiàn)狀高鐵距離立交節(jié)點中心約400m，且現(xiàn)狀跨鐵橋已建。因此該立交方案設(shè)計主要考慮現(xiàn)狀高鐵跨線橋、對山體破壞、房屋拆遷及道路城市用地的影響。

3.1.3 節(jié)點方案設(shè)計

該項目方案根據(jù)規(guī)劃用地，結(jié)合道路現(xiàn)狀條件，在滿足遠期交通功能情況下擬定了三個可行性方案（考慮東北側(cè)地塊整體性，方案均考慮用地預(yù)留，即盡可能預(yù)留第二象限用地條件），主線最大縱斷坡4%、匝道最大縱斷坡5%控制，具體方案如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 方案一：對角象限苜蓿葉+半定向匝道互通立交示意圖

圖3 方案二：環(huán)形+掉頭+半定向匝道組合式互通立交示意圖

圖4 方案三：集約形組合式立交示意圖

方案一：采用常規(guī)對角象限苜蓿葉立交形式，通過兩個環(huán)形匝道及兩個半定向匝道實現(xiàn)道路左轉(zhuǎn)向交通功能，交通指示清晰。

方案二：結(jié)合遠期交通量預(yù)測，充分利用道路高差關(guān)系及地形條件采用環(huán)形+掉頭+半定向匝道實現(xiàn)左轉(zhuǎn)交通功能，交通指示相對清晰，掉頭匝道（遠期預(yù)測交通量為309 p c u/h），繞行較遠。

方案三：充分利用東北側(cè)第一象限集中布置立交匝道，減少山體開挖及立交總體占地，因集中單象限展線，部分匝道相互跨越，立交匝道平縱線形指標相對較低。

3.2 立交方案綜合評價

3.2.1 立交方案評價指標分析及權(quán)重賦值

根據(jù)2.1節(jié)中城市立交評價指標表，結(jié)合該立交方案特點，忽略如交通疏解、管線遷改、飽和度、分期修建適應(yīng)性等與此次節(jié)點方案評價關(guān)系較?。ɑ驘o關(guān)）的指標，選取對此次方案優(yōu)選有針對性評價指標，具體指標評價量化及評價指標賦值如表2所列。

表2 立交方案評價指標一覽表

3.2.2 立交方案各因素的隸屬度計算

根據(jù)3.1節(jié)點評價分析結(jié)果，結(jié)合2.2節(jié)中隸屬度計算方法，得出各方案不同因素率速度集合如式（5）所示：

3.2.3 立交方案綜合評價計算及分析

對三種立交方案的綜合評價及計算：

由計算結(jié)果分析可知：方案二（環(huán)形+掉頭+半定向組合互通立交）具有較好的綜合性能。從定性角度來分析，方案二雖存在小交通量需求掉頭匝道，但總體交通指標與方案一相當，略差于方案三，此外方案二在用地、工程經(jīng)濟、拆遷上具有較明顯的優(yōu)勢，因此推薦選用方案二是合適的。從以上分析可知，采用基于模糊理論的立交綜合評價方法推選的立交方案具有一定的適用性。

4 結(jié) 語

本文通過對城市立交的分類和特點進行基礎(chǔ)分析研究，建立了基于模糊理論的城市立交綜合評價模型，建立了符合城市立交特點的綜合評價指標體系，并結(jié)合工程實際案例分析，采用了基于模糊理論的綜合評價模型進行方案優(yōu)選。通過與傳統(tǒng)經(jīng)濟技術(shù)分析法對比研究，認為基于模糊理論的量化分析方法具有可操作性和適應(yīng)性。