李建江，殷丹妮，楊艷群

(1.北京建達(dá)道橋咨詢有限公司，北京 100015；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源，與國(guó)計(jì)民生息息相關(guān)[1]。我國(guó)的煤炭資源主要分布于西北部，但煤炭資源的消費(fèi)卻主要集中于東部以及南部的發(fā)達(dá)沿海地區(qū)，煤炭產(chǎn)地與消費(fèi)區(qū)域的地理位置相距較大，由此也導(dǎo)致了“北煤南運(yùn)”“西煤東運(yùn)”的情況出現(xiàn)。雖然煤炭運(yùn)輸以鐵路為主、公路為輔，但由于部分區(qū)域鐵路不發(fā)達(dá)以及我國(guó)中小型煤礦數(shù)量較多等原因，公路運(yùn)煤的方式也十分普遍。

目前我國(guó)已有學(xué)者從不同角度或方法對(duì)運(yùn)煤道路的路線進(jìn)行比選。孫英華[2]綜合考慮線路長(zhǎng)度、工程投資、地質(zhì)條件與實(shí)施難度、相關(guān)部門意見(jiàn)等方面，經(jīng)過(guò)多方案比選后提出蒙華鐵路煤運(yùn)通道襄陽(yáng)至荊門段和合理線路方案；艾世勃[3]在對(duì)干河煤礦運(yùn)煤公路路基邊坡設(shè)計(jì)方案比選中，以結(jié)構(gòu)安全為主，同時(shí)也考慮了技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，將安全、經(jīng)濟(jì)和美觀進(jìn)行結(jié)合；艾世勃[4]考慮了從礦井運(yùn)煤道路跨續(xù)魯河現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，從安全、經(jīng)濟(jì)和合理三個(gè)方面對(duì)過(guò)水路面、多孔涵洞方案和原規(guī)劃的橋梁方案進(jìn)行比選。我國(guó)學(xué)者進(jìn)行運(yùn)煤道路方案比選時(shí)，通常采取直接對(duì)比的方法，且在對(duì)比方法較為單一，主觀性較強(qiáng)，對(duì)比時(shí)也常將各指標(biāo)拆分對(duì)比，整體性較差。因此，在對(duì)運(yùn)煤高速公路路線進(jìn)行比選時(shí)，可采用綜合評(píng)價(jià)的方法，從而提高方案比選過(guò)程的客觀性、綜合性以及整體性。

在對(duì)工程方案進(jìn)行對(duì)比或者評(píng)價(jià)時(shí)，常將多種評(píng)價(jià)方法進(jìn)行結(jié)合，其中以模糊綜合評(píng)價(jià)與其他方法結(jié)合居多，包括AHP[5-7]、熵權(quán)法[8]、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析[9]和可拓理論[10]，此外還有學(xué)者采用AHP-DEMATEL和云模型[11]、AHP和TOPSIS法[12]等。而在對(duì)運(yùn)煤公路的選線方案進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，需要構(gòu)建合適的評(píng)價(jià)體系并選用合適的評(píng)價(jià)方法，從綜合角度對(duì)運(yùn)煤公路不同選線方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，本文將線路方案的交通安全水平作為評(píng)價(jià)重點(diǎn)，以運(yùn)煤高速公路為評(píng)價(jià)對(duì)象，選取了與交通安全相關(guān)的平縱線形指標(biāo)，構(gòu)建了基于密切值法的選線方案評(píng)價(jià)體系，并根據(jù)密切值法的計(jì)算結(jié)果可確定交通安全水平最優(yōu)的線路方案。

1 運(yùn)煤公路方案評(píng)價(jià)體系

運(yùn)煤公路中的交通事故致因主要源于四個(gè)方面，即道路、環(huán)境、車輛以及人員因素[13]，其中，環(huán)境、人員及車輛因素通常采取交通安全設(shè)施和交通管理措施進(jìn)行考慮。道路因素是引發(fā)交通事故的關(guān)鍵因素之一，道路中的各個(gè)要素對(duì)車輛行駛具有不同程度的影響。其中道路類型、平縱線形條件、交叉口類型、路面條件等均是道路因素中的重要內(nèi)容。在平縱線形條件方面主要有以下規(guī)定，例如：直線路段的長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，這是由于過(guò)長(zhǎng)的直線路段容易使駕駛員出現(xiàn)單調(diào)感，從而引起駕駛員疲勞；宜采用較大的圓曲線半徑，彎道半徑過(guò)小、頻繁出現(xiàn)對(duì)行車安全極為不利，易使駕駛員操縱車輛難度增大；在上坡路段時(shí)，大貨車由于爬坡動(dòng)力不足而導(dǎo)致速度降低，與小客車的速度差增大，在較大的速度差之下小客車駕駛員的頻繁超車行為易導(dǎo)致事故發(fā)生；在下坡路段時(shí)，大貨車的制動(dòng)性能易受到影響，可能出現(xiàn)剎車失靈導(dǎo)致重大交通事故；此外，路面平整度、抗滑性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)行車安全均有重要影響。

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

道路因素需在路線設(shè)計(jì)中綜合考慮平、縱、橫三方面，使行駛的安全性、舒適性、視覺(jué)的連續(xù)性和公路沿線景觀相行協(xié)調(diào)。其中，平面指標(biāo)的選用應(yīng)充分結(jié)合地形、地物進(jìn)行，在工程量增加不大的條件下，盡量采用較高的技術(shù)指標(biāo)，但同時(shí)也不片面地追求高標(biāo)準(zhǔn)；縱斷面指標(biāo)不宜太低，并注重線形指標(biāo)的均衡性與連續(xù)性。

結(jié)合運(yùn)煤公路的特點(diǎn)以及公路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的主要指標(biāo)，構(gòu)建了針對(duì)運(yùn)煤公路路線方案設(shè)計(jì)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本研究中將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為兩個(gè)層級(jí)，即一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)，兩個(gè)層級(jí)下均分別對(duì)應(yīng)若干個(gè)指標(biāo)，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建密切值法步驟

密切值法可用于對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行決策，是系統(tǒng)工程學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的一種方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合，從而根據(jù)綜合結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)劣排序[14]。密切值法的主要原理為：在多個(gè)目標(biāo)中提取出各個(gè)指標(biāo)的“最優(yōu)值”和“最差值”，并計(jì)算出各指標(biāo)值分別距離該指標(biāo)和“最優(yōu)值”和“最差值”之間的歐氏距離，再通過(guò)一定計(jì)算式將歐式距離進(jìn)行換算，從而得到最終的密切值，根據(jù)密切值的數(shù)值即可對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)劣排序[15]。密切值越小則說(shuō)明方案評(píng)價(jià)效果越優(yōu)。密切值法具有客觀性強(qiáng)、步驟簡(jiǎn)單、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，并且還能夠?qū)⒉煌烤V的指標(biāo)進(jìn)行綜合[16]。

密切值法的計(jì)算步驟可以分為以下五步[15]：

1)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣。設(shè)某個(gè)系統(tǒng)中有n個(gè)方案需要對(duì)其進(jìn)行決策，選取的指標(biāo)共有m個(gè)，從而構(gòu)建出n×m階的評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣Y：

式中，m為評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量；n為評(píng)價(jià)方案的數(shù)量；anm為第n個(gè)方案中第m個(gè)指標(biāo)的數(shù)值。

2)處理指標(biāo)的方向性并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。由于各指標(biāo)的屬性存在差異，即正向或負(fù)向，為便于后續(xù)的統(tǒng)一，因此將負(fù)向?qū)傩缘闹笜?biāo)取值為負(fù)。其次，為克服量綱存在的差異，因此將各指標(biāo)的數(shù)據(jù)按照式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)矩陣R：

式中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

3)提取指標(biāo)最優(yōu)及最劣點(diǎn)。從各指標(biāo)的數(shù)值中提取出最優(yōu)值以及最劣值，并分別將其組合為最優(yōu)點(diǎn)矩陣A+以及最劣點(diǎn)矩陣A-。

其中，最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)的計(jì)算方法為式(3)和式(4)。

5)計(jì)算密切值。通過(guò)歐式距離計(jì)算各方案的密切值C，并根據(jù)密切值C的大小對(duì)方案進(jìn)行排序，密切值C的計(jì)算方法為式(7)，其中d+和d-計(jì)算方法分別為式(8)和式(9)。

2 案例分析

2.1 項(xiàng)目工程概況

榮成至烏海高速公路十七溝至大飯鋪段(下文簡(jiǎn)稱本項(xiàng)目)起于內(nèi)蒙古自治區(qū)與山西省交界的十七溝村，與榮成至烏海高速公路山西境山陰—平魯段終點(diǎn)相接，終點(diǎn)與榮成至烏海高速公路大飯鋪至東勝段起點(diǎn)相接，總體呈東西走向(圖1)。榮烏高速是國(guó)家高速公路網(wǎng)中18條東西橫線的第四條。本項(xiàng)目分為三段：起點(diǎn)—大準(zhǔn)鐵路段(K61+890—K70+836.075)、大準(zhǔn)鐵路—點(diǎn)岱溝段(K70+836.075—K78+339.633)、點(diǎn)岱溝—終點(diǎn)段(K78+339.633—K85+840)。起點(diǎn)—大準(zhǔn)鐵路起于清水河縣黃河?xùn)|岸，沿清大公路北側(cè)、水源路南側(cè)布線，在柳青梁村前下穿清大公路、水源路后再沿清大公路南側(cè)布線行進(jìn)至大準(zhǔn)鐵路，路線長(zhǎng)度約為8.836km；大準(zhǔn)鐵路—點(diǎn)岱溝段向西北方向前行，在設(shè)置大準(zhǔn)鐵路特大橋跨過(guò)黑岱溝煤場(chǎng)堆場(chǎng)和大準(zhǔn)鐵路、二號(hào)公路后，路線折向西南，于K73+800處設(shè)置永興店互通式立交連接周邊路網(wǎng)，路線繼續(xù)沿點(diǎn)岱溝北岸前行，設(shè)置點(diǎn)岱溝大橋跨越點(diǎn)岱溝后折向西北方向；點(diǎn)岱溝—終點(diǎn)段布線于點(diǎn)岱溝北坡，繼續(xù)西行，向西設(shè)大橋跨越黑岱溝與準(zhǔn)東鐵路，順接至終點(diǎn)東大高速。

圖1 路線方案

本文選取本項(xiàng)目點(diǎn)岱溝—終點(diǎn)段(K78+339.633—K85+840)對(duì)路線安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。兩個(gè)方案如圖2所示。

圖2 K線與B線方案

K線：K線跨過(guò)點(diǎn)岱溝后，路線向西前行，在薛魏線收費(fèi)站北側(cè)1.2km處下穿薛魏線，跨越黑岱溝和酸刺溝運(yùn)煤鐵路順接于路線終點(diǎn)G109高速。

B線：B線在穿過(guò)張家圪旦村后，受點(diǎn)岱溝建設(shè)布局及在建的清大公路影響，線位選擇在點(diǎn)岱溝南岸進(jìn)行布線，跨過(guò)點(diǎn)岱溝后，路線折向西南，在薛魏公路收費(fèi)站南側(cè)120m處穿越薛魏公路，后路線轉(zhuǎn)向西北，在黑岱溝北坡布線，跨越準(zhǔn)東運(yùn)煤鐵路接于路線終點(diǎn)G109高速。

2.2 運(yùn)煤高速公路方案綜合評(píng)價(jià)

參考采用密切值法對(duì)廣西天等縣境內(nèi)某二級(jí)公路實(shí)際項(xiàng)目選線方案評(píng)價(jià)[15]，根據(jù)1.1章節(jié)中已選取的指標(biāo)，對(duì)2.1章節(jié)中兩個(gè)方案的指標(biāo)進(jìn)行比較并確定指標(biāo)屬性，當(dāng)指標(biāo)數(shù)值越大其線型狀況更好時(shí)，該指標(biāo)為正向指標(biāo)，反之為負(fù)向指標(biāo)，其中路線長(zhǎng)度考慮駕駛員疲勞程度以及工程經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，因此本文將路線長(zhǎng)度作為負(fù)向指標(biāo)。對(duì)兩個(gè)方案中的各個(gè)指標(biāo)及其數(shù)據(jù)、屬性進(jìn)行匯總，具體見(jiàn)表2。

表2 不同選線方案參數(shù)對(duì)比情況

根據(jù)步驟1)可得到2×10階的評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣Y：

根據(jù)步驟2)可得到標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)矩陣R：

根據(jù)步驟③可得到最優(yōu)點(diǎn)矩陣A+和最劣點(diǎn)矩陣A-：

根據(jù)步驟5)計(jì)算得到兩個(gè)方案的密切值，K線的密切值為0.480，B線的密切值為0，根據(jù)密切值大小對(duì)兩種選線方法進(jìn)行比較可知，B線整體線形指標(biāo)優(yōu)于K線，因此推薦方案為B線。

3 結(jié) 語(yǔ)

在實(shí)際工程中，常需對(duì)多條路線方案進(jìn)行比選。本文從交通安全的角度對(duì)于運(yùn)煤高速公路的平縱線型指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法采用密切值法，根據(jù)最終計(jì)算得到的密切值選取最優(yōu)的路線方案。本文將以上選線評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于工程實(shí)例中，評(píng)價(jià)路段為榮成至烏海高速公路十七溝至大飯鋪段SDTJ-2合同段路線方案中的點(diǎn)岱溝—終點(diǎn)段(K78+339.633—K85+158.630)，對(duì)K線和B線方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，密切值法的評(píng)價(jià)結(jié)果說(shuō)明B線在整體線型上比K線更優(yōu)。在本工程實(shí)例中，采用密切值選取的方案與該項(xiàng)目實(shí)際選取的方案一致，說(shuō)明密切值法可較好地應(yīng)用于道路選線中。