城郊高速公路改建方案选择研究

杨春风，刘聪，靳灿章



城郊高速公路改建方案选择研究

杨春风1，刘聪1，靳灿章2

(1. 河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2. 天津市市政工程设计研究总院，天津 300392)

随着城市不断发展和扩张，一般高速公路的近城段逐渐变成了城郊高速公路，全封闭的高速公路阻隔了两侧的交流，严重制约着城市的发展，因此城郊高速公路改建问题亟待解决。从经济、技术、社会和城市等6个方面考虑，提出3种城郊高速公路的改建方案，并构建城郊高速公路改建方案综合评价指标体系。采用经过改进的模糊层次分析法：在群决策方面利用基于0-1规划的群决策，明确条件从而不再笼统的进行矩阵一致性调整。最终通过模糊综合评价对各个方案进行排序分析，比选出最优方案。通过实例验证，所提出的城郊高速公路改建方案及其优选的理论方法具有可行性，并对类似工程具有良好的指导意义及参考价值。

道路工程；高速公路改建方案；改进模糊层次分析法；城郊高速公路；0-1规划群决策

在我国，一般高速公路路线选择均遵循“尽可能方便并且不阻碍沿线城市”的原则，因此线位都选择在城区之外，但是距离城市建成区很近[1]。已建成的高速公路会带动周边的发展，高速公路两侧会大量修建居民区和工业园区等，当城市逐步扩张到此区域后，高速公路全封闭的性质就将城市天然划分为2个区域，从而对两侧的交流造成了严重障碍，出现了高速公路被城市“包围”的现象。为了消除这种由于高速公路造成的市区隔断现象，此段高速公路的改造升级势在必行。本文把此类在修建之初以一般高速公路标准修建的，将来会因城市扩张而进入城区的高速公路命名为城郊高速公路，此类高速公路出现的基本原因是选线时未能充分考虑到我国城市近年来的飞速发展，但即使城市扩张，城郊高速公路也往往不会进入城市中心，基本处在市郊，因此称之为城郊高速公路。城郊高速公路与城市快速路的主要区别在于：快速路最初定位即为城市道路，设计时会考虑到各种城市因素，其作用为使城市内部交通快速运转，而且大都会修建连接城市内部交通的辅路；而城郊高速公路则是由于城市发展被迫进入城市的公路，其主要作用为两个区域之间的快速联络，并且设计时并不会充分考虑城市因素，因此需要对其进行改建。其改建后的形式与《A Policy on Geometric Design of Highways and Streets》定义的市区高速公路概念很相似：在大城市中以高架桥，立交通道，路堑或者隧道的方式在市区内设置的高速公路；区别仅仅在于城郊高速公路所处的位置相对靠近市郊。近年来，我国这种城郊高速公路带来的市区隔断问题愈发严重，然而我国对城郊高速公路改建方案进行系统的提出、评估和优选的研究却很少，严西华等[2]以京津塘高速公路天津段为例提出了一种改建策略。祝烨[3]以重庆内环高速为例，对高速公路城市化后的规划策略进行了详细的分析。在方案优选方面，我国有专家采用层次分析法、模糊综合评价法等方法来进行路线的选择[1]；JING等[4−5]采用综合评分法、灰色关联分析法进行城市道路方案的比选。但是这些方法都存在主观性强，权重指标分配不合理等或多或少的问题。本文旨在提出城郊高速公路的几种改建方案，通过考虑经济、技术、城市本身等多方面因素来建立相应的综合评价指标体系，并且利用了由0-1规划的群决策方法所改进的模糊层次分析法进行计算，对所提出的城郊高速公路改建方案进行客观、合理、全面的分析，进行选择并得出最佳方案。

1 模糊层次分析法模型

1.1 评价指标体系的建立

评价指标体系的建立对评价结果起着十分关键的作用，选择过多可能导致重复叠加，选择过少则会导致表达力和理解力的缺乏[6]。在建立评价指标体系中，结合文献[4]和[6]，采用文献回顾法，遵循一致性和独立性相结合，系统性与层次性相结合，客观性与真实性相结合的原则，主要从经济因素：改建的各种成本；技术因素：设计和施工中考虑的问题；社会因素：改建中涉及的人文和社会问题；城市因素：城市各方面因素对改建的影响；交通因素：改造涉及的交通问题；环境因素6个方面进行考虑，建立准则层和子准则层。对于方案层，借鉴我国已有的城郊高速公路改建的经验：京津塘高速公路天津段，在实际改建中将此段高速公路进行了立体高架，而原路计划作为城市道路使用[2]。京港澳高速公路河北段则将线位向城市外部进行平移，类似在城区外部新建一段高速公路。考虑到我国最近山区高速公路以及城市轨道的大量修建以及借鉴国外成功的施工经验，下穿隧道在技术上一定也是可行的。因此选取高架桥，下穿隧道和线路外移3种改建方案作为方案层。评价指标体系如图1所示。

1.2 评价集的建立

图1 城郊高速公路改建评价指标体系

表1 专家评价标准

2 权重的确定

2.1 构造模糊矩阵

表2 0.1-0.9标度法及意义

并施加以下数学变换：

2.2 单专家决策权重计算及一致性检验

在目前最常用的模糊一致判断矩阵求权重的方法中，根据模糊一致判断矩阵与权重关系所得的排序法的分辨率最高，而且有可靠的理论基础[10]，故选此方法，如式(3)所示：

在此强调，应优先检验模糊判断矩阵，如不满足一致性，则应用式(1)和式(2)进行调整，如文献[11]，其将所有模糊判断矩阵进行调整为一致矩阵的情况，则不需要再次进行检验，但是这种提前调整会导致已经满足一致性的矩阵因为调整而改变，不能真实的反映出专家的实际想法，故此种做法并不可取。

2.3 基于0-1规划的改进群专家决策权重计算

在模糊层次分析法中，由于受客观事物的复杂性及人类思维模糊性的影响，不同专家对同一个指标评价结果存在差异，而且每个专家所占的权重比也同样难以得出。因此常用的加权平均法会使权重指标趋于相同，在此处进行改进，应用0-1规划进行群决策权重计算。

基本步骤为：各个专家的权重矩阵计算出来后，统计出每个指标的权重值出现的频数，找到频数最大的权重值。频数的大小直接体现了集体意愿，频数最大者就体现出了群体意志的最大化。如果某指标最大频数所对应的权重值有多个，那么就取其平均值作为其最终权重值。

3 模糊合成运算

3.1 构造单因素模糊评价矩阵

3.2 模糊综合评价

4 实例应用

本文以京港澳高速公路河北段段为例。原京港澳高速公路选线时，我国处在20世纪80年代，选线时遵循尽可能方便沿线城镇的原则，导致线位很靠近如今的石家庄市主城区。随着我国经济的飞跃式发展，石家庄发展建设了新城区，城市规模越来越大，而境内的京港澳高速公路河北段横亘在石家庄主城区和新城区之间。这使很多城市道路都成为了断头路，阻碍了城市中主城区和新城区之间居民的出行和交流，也限制了城市的发展。因此，京港澳高速公路河北段段如何进行改建，是亟待解决的问题。

选取上文所提出的3个改建方案，并利用改进模糊层次分析法，对京港澳高速公路河北段进行分析，确定出最佳改建方案。

1) 邀请8位专家就本案例的影响因素两两比较，得出模糊判断矩阵。限于篇幅，只列出专家对A-B的模糊判断矩阵，如表3所示(表中数据依次为专家1-8的评判结果)。

表3 A-B模糊判断矩阵

由式(4)对各个模糊判断矩阵进行一致性检验。经检验，上述模糊一致判断矩阵大部分不满足一致性，故已将不满足一致性的矩阵先应用式(1)和式(2)进行调整，而满足一致性的矩阵则不需进行调整，直接计算权重。检验过程不再赘述。

利用式(3)求得各个专家所评价的A-B权重矩阵为：

表4 权重值在各个指标上的频数

2) 进行基于0-1规划的群决策，对所得A-B权重进行筛选，筛选后的权重值及相应频数如表4 所示。

由式(5)和式(6)可得：

故由式(7)得A-B权重为：

由上述方法，同理可以得到B-C权重分别为：

3) 请8位专家结合石家庄当地的自然条件以及城市发展现状，给出自己相应的评价。根据8位专家的评价，由式(8)可以计算出3个方案的模糊评价矩阵，如表5所示。

表5 方案层的模糊判断矩阵

采用加权平均法，根据等级对应的分值，计算得高架桥方案模糊综合评分值为2.332，下穿隧道方案为2.585，线位平移方案为2.862。故线位平移方案为最佳方案。

5 结论

1) 定义了城郊高速公路这一新的概念，区分了其与一般高速公路和城市快速路的区别。明确了城郊高速公路改建的目的和意义，并且相应的提出了3种改建方案，为城郊高速公路改建方案提供了 参考。

2) 综合考虑经济，技术，社会和城市等6方面因素，建立了基于0-1规划方法的群决策的改进模糊层次分析模型，对城郊高速公路的改建方案进行了分析和优选。使城郊高速公路改建方案的选择更加规范化，合理化；并且为其优选提供了新方法。

3) 未使用传统的加权平均群决策，而采用0-1规划模型的群决策，使群体意志最大化的得以体现，有效的避免了在模糊层次分析法的群决策中使用加权平均法所带来的权重指标趋于相同的问题，所得的权重更加合理，客观。

4) 明确了权重计算和一致性检验的步骤。优先进行模糊判断矩阵的一致性检验，如不满足一致性则进行调整，而满足一致性的矩阵则为充分保留专家意志则不再调整，不再笼统的为了减少计算量而全部进行调整。

5) 结合实例中的各方面情况进行计算，验证了此方法的可行性，以此证明了该方法具有广泛的应用价值。相关其他工程可根据当地实际条件来构建模糊评价矩阵，用此方法来计算出相应的最佳改建方案。

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Study on the selection of reconstruction scheme of suburban freeway

YANG Chunfeng1, LIU Cong1, JIN Canzhang2

(1. School of Civil and Transportation Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 2. Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute, Tianjin 300392, China)

With the continuous development and expansion of the city, the freeway in the region has become the suburban freeway, all closed freeway cut off communication on both sides, which has seriously restricted the development of the city. Therefore, the problem needs to be solved urgently. From the six aspects of economy, technology, social and city considerations and so on, the paper puts forward the reconstruction project, and constructs the comprehensive evaluation index system. An improved fuzzy analytic hierarchy process is adopted: the group decision making is based on 0-1 planning group decision, clearing the conditions that no longer adjustment the consistency of the matrix. Finally, sorting and analyzing the schemes by fuzzy comprehensive evaluation. And it can make a comparison and a choice of the schemes. Through an example, it is proved that the proposed method is feasible, and has good directive significance and reference value for similar projects.

road engineering; freeway reconstruction project; improved fuzzy analytic hierarchy process; suburban freeway; 0-1 planning group decision

U418.8

A

1672 − 7029(2018)01 − 0255 − 08

2016−12−01

河北省自然科学基金资助项目(E2012202161)

杨春风(1959−)，男，天津人，教授，从事交通工程方面的工作；E−mail：cfy211@163.com