基于层次分析法的公路运营期路基状况评价*

汪益敏 郭继幸 李林生 黄胜军 王鹏

(1.华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640； 2.广东省公路管理局， 广东 广州 510075)

基于层次分析法的公路运营期路基状况评价*

汪益敏1郭继幸1李林生2黄胜军2王鹏1

(1.华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640； 2.广东省公路管理局， 广东 广州 510075)

为进一步提高公路路基养护质量，基于规范法和层次分析法对国省道运营期路基技术状况评价进行了研究，结合广东省境内3条典型国省道开展了现场路基状况调查，利用层次分析法确定了路基技术状况评价中21项评价因素和5类分项评价对象的权重参数，并计算出15段试验路的各类路基技术状况指数，最后将层次分析法的计算结果与规范法进行比较.结果表明：两种方法的评价结果基本一致，而利用层次分析法可以更客观、更详细地反映公路运营期路基的病害情况和各类技术状况，有利于合理、有针对性地进行公路路基养护.

公路运营；路基状况评价；层次分析法；路基养护

随着我国公路建设的日益完善，公路交通已经逐步由大规模建设期向持续养护期转型，养护管理正成为我国公路发展的新主题[1].经过“十二五”期间的努力，我国公路养护水平大幅提升，截止2015年年底，全国公路总里程457.7万公里，其中高速公路12.4万公里，全国公路养护里程446.6万公里，养护比例达98%[2].公路养护是一个复杂的系统[3]，内容包涵了路面、路基、桥梁、涵洞、绿化以及沿线设施等多个部分[4- 5].目前，我国公路养护更多的是着重于路面、桥梁等的养护[6- 7]，评定标准中“重路面，轻路基”的现象较为普遍[8]，然而路基是路面的基础，坚实、稳定的路基能为行车带来安全、舒适的保障，因此路基的养护也十分重要.近年来，交通部一直致力于研究制订国内首部专门针对公路路基养护方面的技术规范，并于2015年颁布了《公路路基养护技术规范(征求意见稿)》(以下简称《征求意见稿》).《征求意见稿》中给出了一套较为具体的公路路基技术状况评价体系，包含评价对象、评价模型以及评价计算方法等.作为该规范的参编单位之一，笔者所在课题组在路基技术状况评价研究过程中依托典型的国省道实例工程开展现场实际应用与验证，在应用实践中发现，根据规范法计算得到的路基技术状况指数不能真实地反映试验路段路基状况和病害情况.为此，文中在其他文献研究[9- 11]的基础上采用改进的层次分析法来分析评价试验路段的路基状况，充分考虑路段上路基病害类型的真实权重，得出路基的5类分项技术状况指数和综合技术状况指数，并将评价结果与规范法结果进行对比.

1 试验路段路基技术状况调查与评价

1.1 试验路段概况

在广东省境内选取了3条典型的国省道公路：①省道S223，位于广东省粤东北部地区梅州市境内，以山地、丘陵地形为主，路基型式以半填半挖居多，雨水丰盈且集；②国道G105，位于广东省中部地区从化市境内，地处珠江三角洲到粤北山区过渡地带，多挖方、多边坡，植被茂盛、雨量充沛且水源丰富；③省道S270，位于广东省中南部地区、珠江三角洲西部江门市境内，以平原地形为主，软基丰厚，气候温暖湿润且多雨.结合现场实际情况，再从每条国省道上分别选取路基情况复杂、病害特点突出的5个单元路段(每个单元路段的长度为1 km)，一共选取了具有代表性的15个试验路段进行路基技术状况调查与评价研究.

1.2 路基技术状况调查与评价方法

路基技术状况评价体系包括3大模块：数据采集模块、分项评价模块以及综合评价模块[12- 13].各模块内容及体系框架见图1.其中，数据采集模块包含了21项路基病害，即路基状况评价因素.分项评价模块又将上述21项评价因素分为路肩、路堤与路床、边坡、防护及支挡结构物、排水设施5类评价对象.

图1 路基技术状况综合评价体系框架

Fig.1 Framework of comprehensive evaluation system for subgrade condition

数据采集阶段主要是采用人工调查的方式[14]，对单元路段上的21项路基病害进行数量统计，并结合单位扣分标准，得出各评价因素的累计扣分值GD.

分项评价阶段则是在数据采集阶段得到的各评价因素累计扣分的基础上，求出5类评价对象的技术状况指数，其计算过程可由式(1)表达：

(1)

式中，SCIi为第i类评价对象的技术状况指数；GDij为第i类评价对象中第j项评价因素的累计扣分值；ωij为第i类评价对象中第j项评价因素的权重.

综合评价阶段是在分项评价阶段得到的各类评价对象技术状况指数的基础上，求出最终的路基综合技术状况指数，其计算过程可由式(2)表达：

(2)

式中，SCI为路基综合技术状况指数，ωi为第i类评价对象的权重.

根据各项技术状况指数的计算结果，路基各评价对象的技术状况可分为“优、良、中、次、差”5个等级，如表1所示，其对应的路基养护对策为：对路基及各分项指标的技术状况均评定为“优”、“良”的路段，应进行日常养护或预防性养护；对路基任一分项指标的技术状况评定为“中”的路段，应优先安排养护处治；对路基任一分项指标的技术状况评定为“次”、“差”的路段，应立即进行养护处治.

表1 路基技术状况评价标准Table 1 Evaluation standard of subgrade condition

1.3 试验路段评价结果与分析

根据上述方法，对15个试验路段进行现场调查，统计每段试验路上21项路基病害的情况，现场典型病害情况如图2所示.根据病害统计的信息求得其累计扣分值GD，以省道S223上的K91-K92试验段为例，统计结果见表2.

图2 试验段现场典型路基病害情况Fig.2 Typical subgrade diseases in the test sections

病害程度单位扣分单位数量累计扣分病害程度单位扣分单位数量累计扣分路肩缺损轻10重20处2020不均匀沉降轻20重50处000阻挡路面排水轻10重20处000桥头跳车轻20重50处000路肩不洁10处00翻浆5米00路缘石缺损5m00开裂滑移50处2100坡面冲刷轻20重50处000表观破损10处00变形开裂碎落2050处处0000局部破损排水孔淤塞2020处处02040局部坍塌滑坡50100处处0000结构损坏结构失稳50100处处0000排水设施堵塞排水设施损坏排水设施不完善2050100处处km31060500

根据每段试验路上调查统计得到的21项路基病害累计扣分值，通过式(1)求得路基各个分项的技术状况指数SCIi，再通过式(2)求得每段试验路的路基综合技术状况指数SCI，其中《征求意见稿》给出的21项评价因素和5类评价对象的权重参数分别为：ω11=0.4、ω12=0.4、ω13=0.1、ω14=0.1；ω21=0.2、ω22=0.3、ω23=0.2、ω24=0.3；ω31=0.1、ω32=0.2、ω33=0.2、ω34=0.2、ω35=0.3；ω41=0.1、ω42=0.1、ω43=0.1、ω44=0.3、ω45=0.4；ω51=0.3、ω52=0.3、ω53=0.4、ω1=0.1、ω2=0.3、ω3=0.2、ω4=0.2、ω5=0.2.统计计算结果如表3所示.

从表3中可以看出：15段试验路的路基综合技术状况指数SCI均在80分以上，“优”、“良”率为100%；75项分项技术状况指数中，“中”、“次”、“差”等级的分项所占比例仅为16%.结果表明，只有3段试验路的路肩和2段路的排水设施需立即进行养护处治，大部分路段不需要进行养护处治.但是，根据现场调查的实际情况，试验路段上的排水设施(包括边坡上的排水设施)几乎均已堵塞，路段排水能力严重不足，水又是造成路基病害的主要因素之一，加上广东地区雨量充沛、暴雨频发，因此排水设施堵塞将给路基带来很大的危害，必须及时进行养护处治；在国道G105试验路段上，发现多处边坡防护及支挡结构物受损，同时在雨水作用下发生了一定程度的局部坍塌和碎落，影响路段通行并危及行车安全；此外，省道S270试验路段的路肩损坏十分严重，不利于路面排水和安全行车.由于《征求意见稿》中关于上述病害的权重较低，导致各项技术状况指数计算结果偏高，评价结果偏好，因此有必要根据试验路段的实际状况确定路基评价中各类病害的真实权重，得出更加客观、合理的评价结果.

表3 试验路段各项技术状况指数的计算结果Table 3 Calculation results of each technical condition index of the test sections

2 基于层次分析法的路基状况评价

2.1 层次分析法的基本原理

层次分析法(简称AHP法)最早是由美国运筹学家Saaty教授于20世纪70年代初提出的一种权重决策分析方法[15].该方法的基本原理是：通过分析复杂系统所包含的影响因素及其相互关系后，将因素按支配关系分组，构建一个有序的递阶层次结构模型；对每一层中的因素进行两两比较，确定各因素的相对重要性；结合一定标度进行客观量化，构建判断矩阵；然后通过计算判断矩阵的最大特征值及其相应的特征向量得到各层次中各因素对上层次中某因素的重要性程度，从而建立相应的权重集[16].

常规的层次分析法采用1-9的标度来构造判断矩阵，然而在实际应用中往往会令研究者感到棘手，而给出一致性较差的矩阵；此外，决策者在调整判断矩阵时带有一定的盲目性，往往需要经过多次调整才能通过一致性检验.针对上述问题，文中采用改进的层次分析法[11]，用直观、简明的三标度法来构造质量较好的判断矩阵，同时通过优化矩阵克服反复一致性检验所带来的繁琐性.

2.2 评价步骤

2.2.1 层次结构模型的建立

根据路基技术状况评价体系的内容，结合层次分析法的原理，建立路基状况评价层次结构模型，如图3所示.

图3 路基技术状况评价层次结构模型Fig.3 Hierarchy model of subgrade condition evaluation

2.2.2 比较矩阵的建立

采取专家评判的方法[17]，收集试验路段的养护专家对结构模型中各因素的两两重要性比较结果，从而得出相应的比较矩阵A：

(3)

其中aij为第i因素与第j因素相比较的重要性，采用三标度法，分“重要”、“不重要”和“同样重要”3种.当i因素比j因素重要时，则用2表示；当i因素没有j因素重要时，则用0表示；当i和j同样重要时，则用1表示；且有aii=1 .

2.2.3 判断矩阵的构建

根据比较矩阵和重要程度排序指数，构造相应的判断矩阵B,其计算公式如下：

(4)

(5)

B=(bij)n×n

(6)

其中：ri为重要程度排序指数；bij为判断矩阵B中的相应元素；i，j=1，2，…，n；n为矩阵介数.

2.2.4 判断矩阵的优化

优化矩阵C中的元素按下式计算：

(7)

2.2.5 评价指标权重的确定

根据优化矩阵C，计算各评价指标的单一权重值，公式为

(8)

(9)

ωi即为所求的最终权重参数.

2.3 基于层次分析法的计算结果

按照上述计算过程，求得每位专家关于各个分项中各路基病害对分项技术状况指数的权重以及5类分项对综合技术状况指数的权重，然后取其平均值作为最终的权重参数，计算结果汇总于表4.

表4 各项权重参数的计算结果Table 4 Calculation results of each weight parameter

根据上述权重以及表2所统计的各路段路基病害累计扣分值，用式(1)、(2)计算路基的各个分项技术状况指数和综合技术状况指数.限于篇幅问题，计算结果在此不再罗列.

将基于层次分析法的计算结果与表3中基于规范法的各项计算结果一一比较，结果如图4所示.从图中可以看出：

(1)两条曲线均能较好地反映各个试验路段路基的各类技术状况及病害情况，且两条曲线的变化形态基本吻合，这表明两种方法的评价结果是基本一致的.

(2)表示层次分析法的曲线大多位于表示规范法的曲线的下方(图4(a)、4(e)、4(f)较为明显)，这说明基于层次分析法计算的技术状况指数略低于规范法得出的计算结果.值得一提的是，有个别路段的层次分析法计算结果位于规范法之上(如图4(b)和图4(d)中的部分路段)，这并不难理解，因为技术状况指数是由累计扣分值与权重参数相乘所得，每一个路段的累计扣分值是固定的，而根据层次分析法求得的权重参数有个别是大于规范法中的权重参数的(具体可对比表4中计算所得的权重参数与1.3节提到的《征求意见稿》给出的权重参数)，但个别路段的情况不能反映总体的水平，应该从多个路段、多组数据、整体的角度去对比和分析.

(3)从层次分析法的计算结果中统计可得：15个试验路段中，路基综合状况评定为“优”、“良”的路段占80%(规范法为100%)；各分项指标计算结果中，路基分项状况评定为“中”的路段占8%(规范法为9.3%)，评定为“次”、“差”的路段占13.3%(规范法为6.7%)；评价结果表明，有3段试验路段需立即进行路肩养护处治，1段试验路段需立即进行路堤与路床的养护处治，1段试验路段需立即进行防护及支挡结构物的养护处治，5段试验路段需立即进行排水设施的养护处治，这更好地吻合了现场路段的实际路基状况.

因此从总体上说，基于层次分析法的路基技术状况评价较规范法而言，更能客观、细致地反映试验路段的实际路基状况和病害情况，更有利于及时、合理地开展路基养护工作，提高养护质量.

3 结论

文中以广东省国省道公路路基状况典型病害特点为研究基础，充分考虑病害的真实权重，对公路运营期路基状况评价方法进行了具体的应用，并将规范法与层次分析法的计算结果进行比较，得到以下结论：

(1)规范法与层次分析法的评价结果基本一致，但基于层次分析法的路基技术状况评价充分考虑了试验路段各类病害的真实权重，计算结果相比规范法而言更能客观、细致地反映试验路段运营期间的路基状况，有利于管养者及时、合理地进行路基养护.

图4 规范法和层次分析法的计算结果比较

Fig.4 Comparison of calculation results obtained by standard method and analytic hierarchy process

(2)文中采用的改进层次分析法选用3种标度，克服了常规层次分析法9种标度的难以确定性，同时通过优化矩阵，避免了一致性检验的繁琐性，有利于决策者快速、可靠地做出评价.

(3)《公路路基养护技术规范》的出台将弥补我国公路路基养护技术规范方面的空白，对我国公路养护技术水平的提升具有重大意义.文中针对《征求意见稿》中的路基状况评价部分展开了研究与分析，其评价方法为可供路基管养人员参考，研究结果为规范的完善提供了一定的参考价值.

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Condition Evaluation of Subgrade in Highway Operation Period Based on Analytical Hierarchy Process

WANG Yi-min1GUO Ji-xing1LI Lin-sheng2HUANG Sheng-jun2WANG Peng1

(1. School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology, Guangzhou 510640,Guangdong,China; 2.Guangdong Provincial Highway Administration,Guangzhou 510075,Guangdong,China)

In order to further improve the maintenance quality of subgrade,the subgrade condition evaluation is analyzed based on the standard method and the analytical hierarchy process, respectively.Then,according to the investigation results of subgrade condition carried out for three typical highways in Guangdong Province,the weight parameters of twenty-one factors and five components are determined via an analytical hierarchy process,and the subgrade condition index of fifteen test sections is calculated. Finally,a comparison is made between the calcula-ted results and the results obtained by the standard method.It is found that,as compared with the standard me-thod,although the analytical hierarchy process basically gives the same results,it is more objective and can reflect the subgrade condition and diseases in highway operation period in detail,which helps to perform subgrade main-tenance engineering more reasonably with clear aims.

highway operation;subgrade condition evaluation;analytical hierarchy process;subgrade main-tenance

2016- 09- 27

广东省交通科技项目(2014- 02- 041)；广东省公路局科研项目(2014- 2) Foundation item: Supported by the Traffic Science and Technology Project of Guangdong Province(2014- 02- 041)

汪益敏(1966-),女,教授,博士生导师,主要从事路基与边坡工程研究.E-mail：ctymwang@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)06- 0037- 07

U 213.1

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.06.007