（交通运输规划与管理专业论文）多目标决策下的公路建设项目优化排序研究.pdf

摘要 公路建设项目投资巨大，对周边社会经济影响巨大，因此搞好公路网规划，统筹安 排好规划期内公路建设的规模、时序，对合理利用资金、减少盲目投资所造成的经济损 失具有重要意义。 本文首先对公路建设项目排序的基础理论进行了介绍，为项目排序指标体系的建立 及排序方法的研究都奠定了理论基础。 因影响公路项目建设序列的因素很多，它们相互联系，相互影响，因而评价指标体 系应从不同层次、不同角度反映综合效益的优劣。但这并不意味着指标越多越好，选定 的指标应该具有典型性。所以本文在选择评判指标时，基于项目排序的经济效益最大、 交通效益最大和环境效益最大的多目标，主要从公路建设的紧迫性、公路在公路网中所 处地位的重要性、公路建设的经济效益以及交通效果等四个方面来考虑，建立项目排序 的评价指标体系。 在理论上对决策矩阵排序方法进行了深入研究，提出了属性权重已知时的两种新的 排序方法：改进的t o p s i s 法和层次熵权多目标决策法：并从最优化角度给出了两 种权重信息完全未知时决策矩阵排序的方法。基于公路建设项目的具体特点，建立公路 建设投资决策的优化模型，考虑到因资金、施工、政策等多种因素而导致项目的实际建 设和完成时间发生变动，提出项目排序的动态调整。 最后对济南市干线公路网规划项目优化排序进行案例分析。 关键词：公路建设项目，多目标决策，项目排序，优化 a b s t r a c t t h ei n v e s t m e n to nh i g h w a yp r o j e c ti se 】 i o i t n o u $ ，a n dw i t hg r e a ti n f l u e n c eo ns o c i a l e c o n o m y s od ow e l ln e t w o r kp l a n n i n g ，p o o la r r a n g ep r o p e r l yt h er o a dc o n s t r u c t i o ns c a l e ， o v e r a l la r r a n g e m e n ta n dt i m es e q u e n c e ，t h a th a v ee x t r e m e l yi m p o r t a n tm e a n i n g st ou t i l i z i n g f u n dr a t i o n a l l y , r e d u c i n gt h ee c o n o m i cl o s s e sc a u s e db yt h ei n v e s t m e n tb l i n d l y f i r s ti n t r o d u c i n gt h et h e o r yt h a tp r o j e c tp r i o r i t yb a s e d ，h a v ee s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nt ot h ei n d e xm e t h o d b e c a u s et h e f a c t o ri n f l u e n c i n gp r o j e c tc o n s t r u c t i o ni sn u m e r o u s ，t h es e l e c t e di n d e x s h o u l dh a v em o d e ln a t u r e w h i l eo nt h eb a s i so fe c o n o m i cb e n e f i t s ，t r a f f i cb e n e f i ta n d e n v i r o n m e n t a lb e n e f i th e a v y , c o n s i d e r i n gf r o mu r g e n c y , i m p o r t a n c e ，e c o n o m i cb e n e f i t sa n d t r a f f i cr e s u l t ，e t c s e tu pt h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mt l l a tp r o j e c tp r i 砥t y f u r t h e ri n v e s t i g a t et od e c i s i o nm a t r i xi nt h e o r y ，p u t t i n gf o r w a r dt w ok i n d so fn e wp r o j e c t p r i o r i t ym e t h o d s ：i m p r o v e dt o p s i sa n da h p - - e n t r o p ym a d m ；t w ok i n d so fm a d m p r o v i d e dh a tw e i g h ti st o t a l l yu n k n o v c nf r o mo p t i m i z i n gt h ea n g l em o s t o nt h eb a s i so ft h e c o n c r e t ec h a r a c t e r i s t i co fh i g h w a yp r o j e c ty ，s e tu pt h eo p f i m i z a t i o nm o d e lo ft h ei n v e s t m e n t d e c i s i o no fr o a dc o n s t r u c t i o n ，c o n s i d e rt h a tl e a d st ot h ef a c tt h ec h a n g et a k e sp l a c ei na c t u a l c o n s t r u c t i o na n dd e a d l i n eo ft h ep r o j e c tb e c a u s eo fm a n yk i n d so ff a c t o r ss u c ha sf u n d ， c o n s t r u c t i n g ，p o l i c y , p r o p o s et h ed y n a m i ca d j u s t m e n tt h a tt h ep r o j e c ta r r a n g e si na no r d e r f i n a l l yo p t i m i z e sa n dp r i o r i t ys t u d y i n go fh i g h w a yp r o j e c tb a s e do nm a d m c a s e a n a l y s i s t ot h ep l a n n e dp r o j e c to ft h ea r t e r i a lh i g h w a y sn e t w o r ko fj i n a n k e yw o r d s ：h i g h w a yp r o j e c t ，m a d m ，p r o j e c tp r i o r i t y , o p t i m i z a t i o n i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：k 曰石灭 讼6 7 年多月知日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： i 訇力幺 导师签名： 气知 l 唧年歹月厶日 山虱年占只，o 日 长安大学硕上学位论文 1 1 问题的提出及意义 第一章绪论 公路建设项目特别是大型高等级公路项目，由于投资巨大，影响深远，因此在项目 方案选定时，应从政治、经济、技术、社会等各方面综合考虑。在进行系统方案决策时， 应综合考虑项目投资、运营费用、对经济的影响、对路网结构及交通运行状况的影响、 对土地利用和环境的影响等问题。因此项目不同建设方案的选择、比较是一种多目标属 性决策问题。方案决策的影响因素错综复杂，许多因素往往又是相互关联、相互制约、 相互依赖的，所以选择并确定方案本身是对方案的综合评价，实际上是在某种意义下的 排序问题。 区域公路网建设序列是建设、维护公路网的必要手段，对区域公路网建设具有重要 意义，主要体现在四个方面【l j ： 1 区域公路网建设序列是区域公路网规划的目的之一 区域公路网规划的根本目的，就是从总体优化的角度，对区域公路建设在时间和空 间上进行宏观控制。公路网建设项目投资大，建设项目实施的使用期限长，如何把有限 的资金投入公路建设，使之在较长的时期内充分发挥作用，促进区域经济建设的持续发 展，不断提高公路运输的直接经济效益，是区域公路网规划中宏观决策的核心问题之一。 2 区域公路网建设序列是区域公路网布局方案得以实现的保障 合理的布局方案必须通过合理的建设实施方案来实现。如果规划与实施脱节，在公 路网建设的过程中盲目实施、随意调整，则会使公路网建设不能与交通需求的增长相适 应，影响物资的流通。比如建设项目建设过早，则使大量资金过早投入，不仅造成严重 浪费，而且必然影响其他项目的建设，影响公路网功能的发挥；而如果建设太晚，则必 将造成交通紧张，影响整个公路网络的运输效率。 3 区域公路网建设序列关系到巨额资金的合理利用 公路网建设的投资巨大，如新建lk m 高速公路需花费3 0 0 0 万元一5 0 0 0 万元；我 国许多省份的3 0 年路网规划方案的建设投资高达上百亿，甚至上千亿元。根据1 9 8 2 年 1 9 8 3 年统计资料，3 6 个发展中国家，向世界银行贷款用于交通运输建设的资金占 当年贷款总额的1 3 3 ，而交通运输的贷款用于公路建设的约为5 2 5 。在公路网的建 设中，讲求经济效益，把有限的资金用在最急需的建设项目上，以较少的投资，求得最 第一章绪论 大的经济效益，无疑具有重要的意义。 4 区域公路网建设序列在我国交通基础设施建设时期具有重要的现实意义 随着我国改革、开放的深入，国民经济发展迅猛，交通需求增长很快，从而使得我 国公路网运输能力不能有效地满足需求，公路的建设速度跟不上交通需求的增长速度 为了改变这一现状，交通部要求各省制订3 0 年公路网建设规划，为此各省份相继制订 了未来交通网络布局的宏伟蓝图宏伟蓝图的制定，意味着大量公路网项目的建设实施和 国家巨额建设资金的投入，如何合理地利用可筹措资金进行公路网络建设项目的投资优 化更成为公路网规划中的重要课题，关系到区域公路网络体系合理健康的发展。 1 2 研究动态 早在2 0 世纪初，即汽车运输全面普及、对公路网建设提出强烈需求后，国外就开 始了真正意义上的公路网规划工作。现代化的公路网规划随着公路运输业的迅速发展， 逐渐形成了一门新的学科，并在不断的完善。2 0 世纪6 0 - - - 7 0 年代中期，由于公路运输 业的高速发展，公路建设达到新的高潮，公路网规划的理论方法有了重大的突破和发展， 此时在公路网规划与设计的基础上着手从事公路建设项目的分析与评价研究，从而为进 行公路建设项目的合理比选与排序打下基础。 国内外对公路建设项目排序的状况不完全相同，建设项目排序方法也是纷繁多样 的，但纵观国内外公路建设项目排序方法【2 4 6 张，一般可归纳为两类：单目标排序法和 多目标综合排序法。 1 2 1 单目标排序法 单目标排序的基础是公路建设项目的经济分析与评价，该方法主要分析公路建设项 目的建设成本、维修养护费用、车辆运营成本及项目的经济效益，并根据项目的经济评 价指标的大小对项目进行排序。如6 0 - 7 0 年代在美国，成本效益分析在各类公路 建设项目评估及排序中广泛应用，公路建设项目排序主要以各项目效益成本比的大小作 为评判的依据1 5 。虽然成本效益分析被用于资金约束情况下相互竞争项目的分析与 排序有一定合理性，但是经过具体实施后会发现这种单目标排序方法会导致公共资金分 配不公的严重现象，并导致运输系统的不连贯性。因此以成本效益分析或其它单一 经济指标为基础的分析评价与排序方法不能全面反映建设项目的真实情况。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 2 多目标综合排序法 随着系统工程理论、运筹学、计量经济学及决策分析技术的发展并广泛应用于交通 领域，8 0 年代以来多目标综合评价被用于项目分析及相应排序工作中，多目标综合排序 的理论基础是效用理论，它给反映建设项目的多维的分析评价指标分配一个权重值，反 映建设项目的综合效用表示为： 【，( x ) = 居( x ) ( 1 1 ) ， 式中：u ( x ) 项目x 的综合效用值； 孱f 指标的权重； 阢( x ) x 项目f 指标的效用值。 规划人员根据每个指标的效用函数的模型，确定各项目不同指标的效用值，再根据 各项目综合效用对项目进行排序。 线性加权和法是基于效用函数理论的一种典型综合多目标排序方法，其特有的思路 清晰、方法简单和计算简洁等优点深受人们的偏爱，并且在综合评价中普遍采用，如在 呼和浩特市地下水资源承载能力方案分析中，采用了经济、人口、环境等多个系统下的 人口、g d p 、可供水量等指标，采用线性加权和法进行评价排序3 1 。但线性加权和法存 在一些缺陷，即当决策项目方案数较少，尤其是决策项目少于评价目标数时，可能会产 生负权系数，从而影响评价结果，同时将多目标决策采用线性加权转化为单目标使所反 映项目方案的综合价值绝对化，它不能反映各项目方案与最优方案相比较的优劣程度， 也即不能反映各项目相对的“满意程度。 如在文献 4 中，采用t o p s i s 法对某汽车制造企业供应商进行选择，应用表明 t o p s i s 法是一种便于操作，易于推广使用的综合多目标排序方法，但该模型在理想方 案和负理想方案的计算上比较繁琐，有待于进一步简化。 如在文献 5 】中，利用熵权双基点法，对我国包装印刷业中的3 0 个厂家( 主要以传 统印刷为主) 的综合经济效益进行评价，选取的指标包括效益型指标( 如总资产贡献率、 工业销售产值、利润总额及人均利税) 和成本型指标( 如资产负债率和成本费用总额) ， 以此为依据判断企业的经济规模是否适度。因为在双基点法中理想解是由规范化处理后 决策矩阵中每个目标的最大值构成，这就存在一定缺陷，即当项目方案所处的环境及自 身条件发生变化时，各自目标也相应变化，这就有可能引起理想解的变化，使排序的结 一3 第一章绪论 果也随之变化。 上述几种方法一般都要计算各方案的综合评价值，然后根据各方案的综合评价值的 大小对各方案进行排序。 如在比利时，道路主管部门与道路研究中心合作开发的综合排序方法中，采用了包 括安全、社会经济情况、生活环境、交通规划、城市开发和现状道路网状况等方面能定 量描述的2 9 个明确目标【2 1 。将各目标的复杂程度加以浓缩，分析人员按l 至5 的分数给 各目标进行评分，将各项目综合分数( 加权目标值) 累加后，即可以对各项目进行排序。 1 9 8 9 年在美国宾西法尼亚主要建设项目排序中，采用了安全、国防安全、环境影响及对 区域发展影响方面的1 2 个排序指标【6 】，规划人员根据项目对这1 2 个指标不同影响程度 按0 至4 的5 个等级对其评分，并根据决策者对各指标赋予的权重，进一步求各项目的 综合分数，并根据综合分数的大小对项目进行综合排序。 这种综合排序方法同样在丹麦、英国、荷兰等欧美国家广泛应用【2 1 。但综观这种多 目标综合排序方法有一个共同缺点，即各指标无论是能直接量化，还是难以直接量化， 主要集中在分析人员打分的基础上进行归类，往往带有较大的主观性。但由于客观事物 的复杂性及人类思维的模糊性，一般情况下，人们难以给出明确的属性偏好信息，往往 只能提供其可能的变化范围，也有可能出现权重信息完全未知的情况，这类决策问题属 于属性关系不确定型的多属性决策问题，有关此方面的决策问题目前也取得了许多有意 义的研究成果【7 _ 1 4 】。如文献【4 】描述了常用的最大最小算法。文献【8 】给出了两种算法： 指数加权算法和误差分析算法。文献【9 】给出了每个方案都单独处理的线性规划算法。文 献 7 提出了一种单目标最优化算法。文献【8 】提出了两种方差最大化决策算法。文献 1 2 】 给出了方案排序的离差最大化算法。文献 1 3 】给出了方案群组a h p 最小二乘排序的算法 等等。同时，对一些能直接量化的指标，若再根据指标值域分级打分，往往造成难以区 分各项目的不同指标问较小的差别。此外，项目排序方法很少从路网整体出发分析项目 的实施对路网的影响。 1 3 研究目标及内容 1 3 1 研究目标 本文的主要目标在于总结前人研究的基础上，结合我国的国情，基于效用理论、多 目标决策理论等，选用在一定程度上能够综合反应备选方案特性的指标建立综合排序指 标体系，提出一套符合国情及规划区域具体情况的实用性强的多目标决策下的公路网建 4 长安大学硕士学位论文 设项目优化排序方法，以合理使用公路建设资金，引导公路网布局科学、合理地实施， 使各规划期的公路网满足交通需求，并取得最大的综合效益，并为路网建设实施方案设 计和决策提供依据。 1 3 2 研究内容 1 绪论 首先是公路建设项目排序决策的概述，提出本文研究的意义。 2 公路建设项目排序的基础理论 项目排序是建立在多目标决策理论和效用理论基础之上的，因而本文对多目标决策 理论、效用理论进行了论述。 3 公路建设项目排序的多目标分析 在进行系统方案决策时，要综合考虑项目投资、运营费用、对经济的影响、对路网 结构及交通运行状况的影响、对土地利用和环境的影响等问题，以期到达到决策者希望 达到的状况。因此本文针对上述影响，从经济、技术和环境三个方面进行目标分析。 4 公路建设项目排序指标体系的建立 基于公路建设项目排序的多目标，以公路建设项目排序的基础理论为指导，提出了 反映道路紧迫性、重要性、经济性及交通效果四个方面6 个分项指标构成项目排序的评 价指标体系，应用层次分析法、熵技术进行指标权重的确定。 5 公路建设项目优化排序 对多目标属性决策矩阵排序方法进行了介绍，提出了属性权重已知时的两种新的排 序方法，并从最优化角度给出了几种权重信息完全未知时决策矩阵排序的方法。 基于公路建设项目的具体特点，全面考虑各种影响投资决策的因素，运用运筹学理 论建立公路建设投资决策的优化模型，考虑到因资金、施工、政策等多种因素而导致项 目的实际建设和完成时间发生变动，提出项目排序的动态调整。 6 案例分析 7 结论 论文研究成果及有待于进一步解决的问题。 5 一 第二章公路建设项目排序的基础理论 第二章公路建设项目排序的基础理论 因多目标决策是根据多个目标准则来比较、排序多个方案，从中选择出一个或几个 方案的决策过程，而公路建设项目的排序是指对规划期内各可行的建设项目按建设项目 的某些属性( 准则目标) 相互比较，确定关于各属性( 准则目标) 的相对重要性的信 息，排列出各建设项目建设的先后顺序，因此项目不同建设方案的选择、比较，即项目 建设排序是一种基多目标决策下的排序问题。 2 1 多目标决策理论 2 1 1 多目标决策的概念及流程 多目标决策【1 7 】是现实生活、工程或管理中普遍存在的决策问题。多目标决策问题不 同于单目标问题。在单目标决策中，评价一个方案优劣的目标只有一个，而在多目标决 策中，对方案的评价需从多个目标上考虑，即由在这多个目标上的评价值构成的向量去 评价原有方案。公路运输系统是复杂的社会技术系统，在进行系统方案决策时，应综合 考虑项目投资、运营费用、对经济的影响、对路网结构及交通运行状况的影响、对土地 利用和环境的影响等问题。因此，项目不同建设方案的选择、比较，即项目排序是一种 多目标决策问题。 由于多目标决策问题的广泛性，国内外对多目标决策的研究一直非常活跃，特别十 近二十年来，提出了很多求解多目标决策问题的方法。不管采用哪一种方法，多目标决 策问题的求解过程，一般都涉及三个方面的内容，即决策矩阵的规范化、各指标权重的 确定和方案的综合排序，流程如下图。 图2 1 多目标决策的一般过程 6 长安大学硕士学位论文 2 1 2 多目标决策的数学模型 经典的多目标决策的基本模型可以描述为：给定一组方案4 ，4 ，a 。，每个方案 具有属性c l ，c 2 ，c ，属性的权重分别是q ，缈：，c o 。，符合归一化条件哆= l ，决 策目标是找出a 1 ，彳：，a 。中最满意的方案。记为a m a x 。写成矩阵形式为 d = x ! ix i 2 x 2 zx 2 2 x m ix m 2 = ( x u ) 。 式中，x j 称为第，个评价方案在对旨标上的值。 ( 2 1 ) 由于多属性指标之间经常存在相互矛后与制衡，因而不存在通常意义下的最优解， 只有有效解、满意解、优先解、理想解、负理想解和折衷解。 有效解( e f f i c i e n ts o l u t i o n ) ：一个解如果没有任何其他可行解能够实现在所有的属性 水平上提供的结果都不比它差，且至少一个属性水平上提供的结果比它更好，则称为有 效解。 满意解( s a t i s f i e ds o l u t i o n ) ：一个可行解如果它提供的结果在所有属性水平上都能 满足决策者的要求，则称满意解。 优先解( p r e f e r r e ds o l u t i o n ) ：一个可行解如它是最能满足决策者指定条件的有效解， 则称优先解。 理想解( i d e a ls o l u t i o n ) ：一个解所提供的结果在所有的属性水平上都是该属性可能 具有的最好的结果，则称理想解。 理想解的数学表达式为 a = ( c l ，c 2 ，巳+ ) ( 2 2 ) 式中：c = m a x u ，( ) ，j = 1 , 2 ，刀；u ，o 为第f 个属性的指标值或效用函数。 负理想解( n e g a t i v e i d e a ls o l u t i o n ) ：是由最坏的属性指标值所构成。负理想解的数 学表达式为 a 一= ( c l 一，c 2 一，巳一) ( 2 3 ) 式中：q 一= m i n u ，( ) ，= 1 , 2 ，力。 7 一 开 啡k ； 第二章公路建设项目排序的基础理论 折衷解( c o m p r o m i s es o l u t i o n ) ：一个解如果它是距离理想解最近或距离负理想解最 远的解则称折衷解。 2 1 3 指标的量化与转化 在对方案的指标进行综合运算之前，首先要解决下面的两个问题： 1 语言类属性指标的量化 在多目标决策问题种，决策事物的指标通常有定性和定量两种不同的表示形式。量 化指标具有客观的自然衡量，如距离的远近可以用公里衡量，音量的大小可以用分贝来 衡量。反之，定性的属性指标则没有自然衡量可以使用，如客户满意度、颜色等。为了 便于对属性指标进行必要的数学处理，通常应该先将定性指标转化为定量指标。通常把 定性指标转化为区间尺度，常用方法之一是使用b i p o l a r 尺度。例如，可选l o 点标度并 用某一方是标定它。从终点开始，给最优属性值赋l o 点，给最差属性值赋0 点。中间 点也是标定的基础，因它是有利的( 或比标准好的) 属性值和不利的( 或比标准值差的) 属性值之间的转折点，如图2 2 所示【1 8 】。 很低低一般高很高 效益型指标l _ j l - 上l _ l 叶 01 03 0 5 0 7 0 9 01 0 很高高一般低很低 成本型指标_ j j _ _ j l _ l _ j 啼 1 0 3 05 07 09 01 0 图2 2 区阅尺度下指标值的分配 2 决策指标的归一化 因为不同决策指标的数值单位通常是不同的，如果不对决策指标的数值作归一化处 理，指标与指标之间便没有可比性。虽然不是所有的方法都要求数值归一化，但对于某 些方法来说，如乐观型决策( m a x i m a x ) 、悲观型决策( m a x i m i n ) 和简单加权型( s i m p l e a d d i t i v ew e i g h t i n g ，简称s a w ) 决策，这一步骤却是必须的。常用的决策指标标准化方 法有向量归一化法、线性比例变换法等。 向量归一化法：= ( 2 4 ) 其特点是所有的属性都具有相同的矢量单元，但不同属性的测量尺度是不等的。 线性比例变换法： 8 一萨 长安大学硕士学位论文 ，一嘞一号眦萨 铲平m a x 毒x o - m ! n x 0jj m 婴一 铲画篙 j j j n ，i 互 j i 疋 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中：第，个方案关于第f 个指标，的值； 方案集下标的集合： 互、疋分别表示效益型、成本型指标的下标的集合。 2 1 4 指标权重的确定 自m a r t i n 提出对指标设定权重表示指标的重要性以来，设定指标的权重己经成为多 目标决策模型中不可缺少的组成部分。权重的概念包含：决策者对各指标的重视程度 不同：各指标在决策中的作用不同，即各指标在决策中传输给决策者信息量不同； 各指标评价值的可靠程度不同。 在多目标决策体系中，每个指标对实现系统目标和功能的重要程度各不相同。权重 表示各指标在决策中相对重要程度的一种主观评价和客观反映的综合度量，或表示一种 效益替换另一种效益的比例系数。合理确定和适当调整指标权重，体现了决策指标体系 中，各评价因素轻重有度，逐次有别，更能增加决策指标的可比性。 目前权重的确定又很多种方法，这些方法根据计算权重时原始数据的来源不同，大 致可以分为两类：一类是主观赋权法，其原始数据主要由专家根据自己的经验和对实际 的主观判断给出。这种方法的特点是专家可以根据实际问题，合理确定各指标权重之间 的排序，不至于出现指标权重与指标实际重要程度相悖的情况。另一类为客观赋权法， 其原始数据由各指标在被评价单元种的实际数据形成，从而切断了权重系数主观性的来 源，使系统具有绝对的客观性。 传统权重的设定方法有很多。目前，主观赋权法主要有特征向量法、最小平方和法 和d e l p l l i 法；客观赋权法主要有主成分分析法、熵法和多目标最优法、多目标最大距离 法、相似系数法、模糊聚类法。现在我们简单地介绍一下在第五章将会使用到的层次一 熵权分析法。 1 层次分析法 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r e h i e a lp r o g r a m m i n g ，简称a h p 法) 是一种实用的多准 则决策方法。它把复杂问题表示为有序的递阶层次结构，通过人们的判断对决策方案的 9 第二章公路建设项目排序的基础理论 优劣进行排序。能够统一处理决策中的定性与定量因素，具有使用性、系统性、简洁性 的优点。其基本方法与步骤如下： 1 ) 明确问题 利用a h p 法，首先要对所研究的问题有明确的认识，弄清问题的范围、所包含的 因素以及因素之间的关系。公路网规划建设项目排序旨在为公路网建设序列的实施提供 决策依据，将公路网布局规划确定的各个建设项目安排实施顺序，以使得规划期内的总 建设效益最大。 2 ) 建立层次结构 层次结构是各元素相互隶属关系和重要程度的测度。根据对问题的初步分析，将所 含的因素分系统、分层次地构筑成一个树状层次结构。层次分析一般为3 种层次。 目标层：在公路网规划建设项目排序中，各建设项目的效益即可作为目标层，如经 济效益、交通效益和环境效益作为目标层。 指标层：指标层是由可直接度量的因素组成，如紧迫性指标、重要性指标、经济性 指标和交通效益指标作为指标层。 子指标层：在复杂的系统中，指标有时也可分为2 - - - 3 层。如路段饱和度、路段行政 级别系数、路段的重要度系数、交通运行效率等可作为子指标层。 测算层：测算层包括决策的方案，在公路网规划中指规划实施的建设项目。 3 ) 构造判断矩阵 层次分析法要求决策者对每一层各元素的相对重要性给出判断，即本层各元素对上 层某元素进行重要性程度的两两比较，给予合适的标值，构成比较矩阵b ，形式如下： 4b lb 2 b m 最b l l饥2b z 。 曰2如。：6 2 脚 ： b mk 。b 。：k 矩阵中表示对4 元素而言，b ，x f fb ，的相对重要性，重要性标度如表2 1 1 0 长安大学硕十学位论文 表2 1 判断矩阵重要性标度及其含义 重要性标度含义 l 表示因素b i 与b j 比较，具有同等重要性 3 表示冈素置与毋比较，置l - i ：岛稍微重要 5 表示因素层与b j 比较，忍比易明显重要 7 表示因素垦与b j 比较，局比色强烈重要 9 表示因素e 与乃比较，忍比乃极端重要 2 ，4 ，6 ，8 2 ，4 ，6 ，8 分别表示相邻判断1 - 3 ，3 - 5 ，5 - 7 ，7 - 9 的中值 显然，。l ，= l ( f ，- ，= 1 , 2 ，m ) ，这样，对z f = m 阶矩阵需对( 聊- 1 ) 2 2 个元 素给出权值，便可将全部矩阵填满。 衡量判断矩阵适当与否的标准是矩阵中的判断是否具有一致性。一般如果判断矩阵 有： = b i k o ，_ ，七= 1 , 2 ，m ) ( 2 7 ) 则称判断矩阵具有完全的一致性。用式( 2 7 ) 对判断矩阵进行一致性检验，以保证判断 矩阵中两两比较的取值严谨，该检验通常结合排序步骤进行。 一 4 ) 进行层次单排序 在判断矩阵的基础上，计算对于上一层而言，本层与之有联系的元素的重要性次序 的权重。排序计算的实质是计算判断矩阵的最大特征根及相应的特征向量。即对判断矩 阵b 计算满足曰形= k 形的特征根和特征向量。这里为b 的最大特征根，形为对 应于k 的规范化特征向量。矿的分量肜是对应于单元单排序的权值。 可以证明，对于刀阶判断矩阵，其最大特征根为单根，且k n 所对应的特征向 量均由非负数组成。特别是当判断矩阵具有完全一致性k = 刀，除外，其余特征 根均为0 。 为检验判断矩阵的一致性，需要计算它的一致性指标，c ：厶坠竿，i c 越大，说明 m i 判断矩阵的一致性越差。当判断矩阵完全一致时，i c = 0 。此外，还需将，c 与平均一致 第二章公路建设项目排序的基础理论 性指标歹詹进行比较，称，僳= i ，c 为判断矩阵的随机一致性指标，当j 傩 o 1 时就要调整判断矩阵，直到满足，c r 0 ，则项目收益超过成本，且越大越好。当收益至f 年时，e n p v = 0 ， 则称f 年为投资回收期年。 若e n p v 1 时，说明项目具有获利能力，其效益超过对项目的投入，项目是可 行的；当项目e b c r l 时，方案a 比方案b 经济； e b c r ( 口、b ) = 堡c o 丛- g 厂时，项目是可行的；反之e i r r 厂，项目是不可行的。 4 经济投资回收期( e n ) 投资回收期是此项目的净效益抵偿项目建设投资所需的时间。投资回收期包括项目 建设期，计算时需要考虑时间价值，采用动态的投资回收期计算。即建设投资成本和效 益采用同一折现率折为现值，然后再计算成本和费用相抵的年限，计算公式为： 兰k ( 1 + f ) 一一】：兰b c ，2 ( 1 + 矿t z 】 t i = 0，2 。o 式中：吒第九年的投资额( f 。= 0 , 1 ，2 ，刀。) ； 彳巳第f 2 年的利润额( t 2 = 0 , 1 ，2 ，e n ) ； ( 3 4 ) ，社会折现率。 由上述分析可以得出，公路建设项目排序的经济目标就是公路的建设能够带动周边 地区经济的发展，能够产生最大的经济效益。 3 2 建设排序的技术目标分析 技术分析是从公路网的技术性能方面分析其内部结构和功能，目的是揭示路网的使 用质量，评判出项目实施对改善路网交通质量、提高路网服务水平等方面的作用。通过 技术分析可以动态地评估拟定的建设项目，使公路网布局更为合理、完善，使有限的建 设资金发挥更大的技术效用，为公路建设项目优化排序提供交通效益方面的基本依据。 从根本上说，建设项目的经济效益取决于项目的交通效益的大小，因此建设项目技术分 析是系统分析项目效益及优化排序的基本内容。 1 9 第三章公路建设项目排序的多目标分析 就公路建设项目技术分析而言，主要以公路建设项目对公路网结构及交通运行质量 方面的影响程度作为建设项目技术指标分析、选取的主要依据。 连 通 度 变 化 塞 公路建设项目技术分析指标 路网结构ll 交通运行质量 节 点 可 达 性 变 化 率 路 网 面 积 密 度 变 化 率 等 级 水 平 变 化 盎 路 网 拥 挤 度 变 化 塞 里 程 拥 挤 窒 变 化 盎 平 均 速 度 变 化 率 车 辆 还 行 时 间 变 化 率 图3 1 公路建设项目技术分析指标体系 3 2 1 反映路网结构变化的技术指标分析 1 连通度变化率( b c ) 该指标反映了建设项目对路网连通度的影响程度。一般情况下，路网连通度越大越 好。因此，连通度变化率越大，反映出建设项目对路网结构的影响效果越明显。其计算 公式如下： b c = ( c - c o ) l n v e s t ( 3 5 ) 式中：c 有项目时的路网连通度； c o 无项目时的路网连通度； 砌煅f 项目建设及养护维修费用( 百万) ( 下同) 。 其中 c = 等 ( 3 6 ) 式中：三区域内的公路总里程( 公里) ； 胃相邻节点间平均空间距离( 公里) ； 区域内节点数； 占直线系数。 2 节点可达性变化率 节点可达性是指区域内从某一节点出发通过公路交通抵达任一目的地的平均行驶 时间( 行驶距离或费用) 的大小。它从用户的角度来衡量路网结构的合理性，能较宏观 2 0 长安大学硕上学位论文 地反映出路网中各节点之间联系的难易与便利程度。 节点可达性变化率反映了建设项目实施后对路网布局均衡性方面的作用。计算方法 与连通度变化率类同，可用单位投资有无项目的节点平均可达率差表示。 3 路网面积密度变化率 面积密度变化率反映项目的实施对路网面积密度的影响。这种影响是通过公路里程 的变化实现的，因此只有建设项目中含有新建公路时，这项指标才有意义。计算方法同 样可采用单位投资有无项目时的面积密度差表示。 4 等级水平变化率( b g ) 公路网等级水平指区域中各路段修正技术等级的加权平均值。计算方法同样可采用 单位投资有无项目时的修正等级差表示。 3 2 2 反映路网交通运行质量变化的指标分析 1 路网拥挤度变化率 路网拥挤度反映路网相应的负荷能力与交通需求之间的适应情况，它是描述整个路 网拥挤程度或利用程度的指标。计算公式如下： 嘣= 差 限7 ) 式中：吼路网第f 路段的实际服务交通量或分配交通量( 辆日) ； 厶路网第i 路段的公路里程( 公里) ； q 路网第i 路段的设计通行能力( 辆日) ； m 路网路段总数。 路网拥挤度变化率可按下式计算： r b s = ( s s o ) i i n v e s t ( 3 8 ) 式中瓯无项目时路网的拥挤度； s 有项目时路网的拥挤度。 2 路网里程拥挤率变化率 路网里程拥挤率是指路网中拥挤的总里程占路网总里程的比例。它是从路网局部出 2 1 第三章公路建设项目排序的多目标分析 发分析交通量分布的“不均匀性 。里程拥挤率变化率则反映项目的实施对路网里程拥 挤率的影响。与路网拥挤度变化率类同，里程拥挤率变化率为单位投资有无项目的里程 拥挤率差。 3 平均速度变化率 平均车速是一个反映出整个交通系统运行状况的综合性指标。平均车速变化率反映 了项目实施后路网平均车速的变化，可用单位投资有无项目时的路网平均车速差表示。 4 车辆运行时间变化率 车辆运行时间反映了路网上所有车辆总的运行时间消耗。车辆运行时间变化率反映 了项目实施对路网中车辆运行时间的影响，可用单位投资有无项目时的车辆运行时间差 表示。 由上述分析可以得出，公路建设项目排序的技术目标就是项目的建设能够对路网系 统在服务质量上适应交通需求的程度提高，即路网拥挤程度、路网交通运行时间等方面 均得到明显的改善，交通效果好，交通效益最大。 3 3 建设排序的环境目标分析 建设项目环境分析是指计算拟建项目可能发生的环境费用和环境效益。公路建设项 目除经济分析中的费用外，还有公路的外差费用，外差费用是指为消除或减少消极补差 因素而付出的代价。 因为公路建设项目的兴建和营运往往给社会带来不利的影响和负作用，诸如污染之 类，这些称为消极外差因素，为消除这些因素的影响，必须迫使有关部门花钱采取某些 措施，环境分析中将考虑这些消极外差因素。 3 3 1 环境费用分析 对于公路建设项目各个阶段的环保费用如下： 1 建设前期 主要有环境影响评价费用、环保设计费用、拆迁再安置费用及其他有关环保工作费 用等。 2 施工期 1 ) 生态环境保护费用。主要有防止坡体滑坡而采用的截水沟及排水措施费用；水 土流失防治设施等费用：施工临时占地的表层熟土回填、恢复耕地以及其他环保措施等 2 2 长安大学硕士学位论文 费用。 2 ) 环境空气污染防治费用。主要由施工场地及运输道路的洒水降尘措施、沥青烟 尘防治措施等费用。 3 ) 噪声防治费用。主要有接触强噪声施工人员的防护措施，以及为减少施工场地 周围人群受施工噪声影响而采取的保护措施等费用。 4 ) 水污染防治费用。主要有施工场地及生活区域的生产废水、生活污水、生活垃 圾等的处理，有毒材料如沥青、化学品的防雨设施及施工废料的处治等费用。 5 ) 社会环境保护费用。如修建通道、跨线天桥、水利设施迁移或修复等费用。 6 ) 施工期环境监测、环境管理及安全防护措旖等费用。 3 营运期 1 ) 公路及周围环境的绿化费用。 2 ) 噪声防治设施费用。如在需要地段建声屏障、高围墙以及在建筑物设封闭外走 廊或双层窗等的费用。 3 ) 防止土地、农作物污染措施的费用。如建集水氧化池等的费用。 4 ) 服务区等地的污水处理及固体废物处理的费用。 5 ) 事故风险减缓措施费用。 6 ) 环境监测及环境管理等费用。 除上述费用外，还应有环保人员培训及文物古迹和景观环境保护等的费用。 3 3 2 环境效益分析 环境效益是指开发利用自然资源活动和生产活动，引起的环境质量变化的效果。这 种效果可表现为收益或损失，即环境效益有正效益( 收益) 和负效益( 损失) 之分。人 类活动如果使环境质量提高，则环境效益为正效益，人类活动如果使环境质量下降，则 环境效益为负效益。 环境效益的确定比较复杂，大致可分为货币效益和非货币效益两种。 1 货币效益 是指那些可以根据市场价格，用货币直接估值的效益。货币效益又可分为直接货币 效益和间接货币效益两种。 1 ) 直接货币效益。如区域水质优良，是处理费用降低、质量提高等。 2 ) 间接货币效益。如对受污染的水体进行治理，使农作物增产，灌溉面积增加等。 2 3 - 第三章公路建设项目排序的多目标分析 2 非货币效益 是指那些不能或难以用货币来衡量的效益。如经过治理，消除了噪声污染所产生的 效益，环境空气的改善使人们的健康水平提高等。 由上述分析可以得出，公路建设项目排序的环境目标就是能够改善环境质量，具体 表现为空气、水体和土壤中污染物数量和有害物浓度的减少等，产生最大的环境效益。 3 4 小结 在进行系统方案决策时，要综合考虑项目投资、运营费用、对经济的影响、对路网 结构及交通运行状况的影响、对土地利用和环境的影响等问题，以期到达到决策者希望 达到的状况。因此本章针对上述影响，从经济、技术和环境三个方面进行研究。 通过分析可以得出，公路建设项目排序的经济目标就是公路的建设能够带动周边地 区经济的发展，能够产生最大的经济效益；公路建设项目排序的技术目标就是项目的建 设能够对路网系统在服务质量上适应交通需求的程度提高，即路网拥挤程度、路网交通 运行时间等方面均得到明显的改善，交通效果好，交通效益最大；公路建设项目排序的 环境目标就是能够改善环境质量，具体表现为空气、水体和土壤中污染物数量和有害物 浓度的减等，产生最大的环境效益。 2 4 长安大学硕士学位论文 第四章公路建设项目排序指标体系的建立 4 1 排序指标体系建立的原则 在建立项目排序指标体系时，如果有些指标不能明确反映建设项目之间的差异，而 且指标间缺乏显著的差别，指标的独立性不强，由此容易造成综合排序时指标重复与交 叉，引起排序结果不合理，因此在众多项目分析指标中如何选择科学的、合理的排序指 标，以全面、系统地反映建设项目所作出“贡献 大小，必须按一定的标准和原则进行。 建设项目排序指标体系建立可按以下原则进行： 4 1 1 针对性原则 针对性就是针对不同规划范围的公路网及规划方法，相应选取能较好反映路网中急 需解决的主要矛盾的指标。对于省域公路网，普遍存在的问题是公路等级低、等级结构 不合理、交通质量差等，般规划方法采用以交通流为基础的方法，在进行综合排序指 标选取时应针对这些问题，结合路网规划的特点，选择对解决这些问题较为敏感的指标。 4 1 2 全面性原则 公路建设项目分析与评价分别从经济角度，路网结构和交通运行质量等方面进行 的，因而在建立综合排序指标体系时，也应力求从这几个方面出发，选