考虑交通安全的运煤公路选线评价方法

李建江，殷丹妮，杨艳群

(1.北京建达道桥咨询有限公司，北京 100015；
2.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108)

煤炭是我国的基础能源，与国计民生息息相关[1]。我国的煤炭资源主要分布于西北部，但煤炭资源的消费却主要集中于东部以及南部的发达沿海地区，煤炭产地与消费区域的地理位置相距较大，由此也导致了“北煤南运”“西煤东运”的情况出现。虽然煤炭运输以铁路为主、公路为辅，但由于部分区域铁路不发达以及我国中小型煤矿数量较多等原因，公路运煤的方式也十分普遍。

目前我国已有学者从不同角度或方法对运煤道路的路线进行比选。孙英华[2]综合考虑线路长度、工程投资、地质条件与实施难度、相关部门意见等方面，经过多方案比选后提出蒙华铁路煤运通道襄阳至荆门段和合理线路方案；
艾世勃[3]在对干河煤矿运煤公路路基边坡设计方案比选中，以结构安全为主，同时也考虑了技术经济指标，将安全、经济和美观进行结合；
艾世勃[4]考虑了从矿井运煤道路跨续鲁河现场的实际条件，从安全、经济和合理三个方面对过水路面、多孔涵洞方案和原规划的桥梁方案进行比选。我国学者进行运煤道路方案比选时，通常采取直接对比的方法，且在对比方法较为单一，主观性较强，对比时也常将各指标拆分对比，整体性较差。因此，在对运煤高速公路路线进行比选时，可采用综合评价的方法，从而提高方案比选过程的客观性、综合性以及整体性。

在对工程方案进行对比或者评价时，常将多种评价方法进行结合，其中以模糊综合评价与其他方法结合居多，包括AHP[5-7]、熵权法[8]、数据包络分析[9]和可拓理论[10]，此外还有学者采用AHP-DEMATEL和云模型[11]、AHP和TOPSIS法[12]等。而在对运煤公路的选线方案进行评价时，需要构建合适的评价体系并选用合适的评价方法，从综合角度对运煤公路不同选线方案进行评价。因此，本文将线路方案的交通安全水平作为评价重点，以运煤高速公路为评价对象，选取了与交通安全相关的平纵线形指标，构建了基于密切值法的选线方案评价体系，并根据密切值法的计算结果可确定交通安全水平最优的线路方案。

运煤公路中的交通事故致因主要源于四个方面，即道路、环境、车辆以及人员因素[13]，其中，环境、人员及车辆因素通常采取交通安全设施和交通管理措施进行考虑。道路因素是引发交通事故的关键因素之一，道路中的各个要素对车辆行驶具有不同程度的影响。其中道路类型、平纵线形条件、交叉口类型、路面条件等均是道路因素中的重要内容。在平纵线形条件方面主要有以下规定，例如：直线路段的长度不宜过长，这是由于过长的直线路段容易使驾驶员出现单调感，从而引起驾驶员疲劳；
宜采用较大的圆曲线半径，弯道半径过小、频繁出现对行车安全极为不利，易使驾驶员操纵车辆难度增大；
在上坡路段时，大货车由于爬坡动力不足而导致速度降低，与小客车的速度差增大，在较大的速度差之下小客车驾驶员的频繁超车行为易导致事故发生；
在下坡路段时，大货车的制动性能易受到影响，可能出现刹车失灵导致重大交通事故；
此外，路面平整度、抗滑性、结构强度对行车安全均有重要影响。

1.1 评价指标体系构建

道路因素需在路线设计中综合考虑平、纵、横三方面，使行驶的安全性、舒适性、视觉的连续性和公路沿线景观相行协调。其中，平面指标的选用应充分结合地形、地物进行，在工程量增加不大的条件下，尽量采用较高的技术指标，但同时也不片面地追求高标准；
纵断面指标不宜太低，并注重线形指标的均衡性与连续性。

结合运煤公路的特点以及公路设计中常见的主要指标，构建了针对运煤公路路线方案设计的综合评价指标体系。本研究中将评价指标分为两个层级，即一级指标和二级指标，两个层级下均分别对应若干个指标，具体评价指标见表1。

表1 综合评价指标体系

1.2 评价模型构建密切值法步骤

密切值法可用于对多个目标进行决策，是系统工程学领域中广泛使用的一种方法，该方法能够实现对多个指标进行综合，从而根据综合结果对方案进行优劣排序[14]。密切值法的主要原理为：在多个目标中提取出各个指标的“最优值”和“最差值”，并计算出各指标值分别距离该指标和“最优值”和“最差值”之间的欧氏距离，再通过一定计算式将欧式距离进行换算，从而得到最终的密切值，根据密切值的数值即可对多个方案进行优劣排序[15]。密切值越小则说明方案评价效果越优。密切值法具有客观性强、步骤简单、适用范围广的优点，并且还能够将不同量纲的指标进行综合[16]。

密切值法的计算步骤可以分为以下五步[15]：

1)构建评价指标矩阵。设某个系统中有n个方案需要对其进行决策，选取的指标共有m个，从而构建出n×m阶的评价指标矩阵Y：

式中，m为评价指标的数量；
n为评价方案的数量；
anm为第n个方案中第m个指标的数值。

2)处理指标的方向性并进行标准化。由于各指标的属性存在差异，即正向或负向，为便于后续的统一，因此将负向属性的指标取值为负。其次，为克服量纲存在的差异，因此将各指标的数据按照式(2)进行标准化处理，得到标准化后的指标矩阵R：

式中，i=1，2，…，n；
j=1，2，…，m。

3)提取指标最优及最劣点。从各指标的数值中提取出最优值以及最劣值，并分别将其组合为最优点矩阵A+以及最劣点矩阵A-。

其中，最优点和最劣点的计算方法为式(3)和式(4)。

5)计算密切值。通过欧式距离计算各方案的密切值C，并根据密切值C的大小对方案进行排序，密切值C的计算方法为式(7)，其中d+和d-计算方法分别为式(8)和式(9)。

2.1 项目工程概况

荣成至乌海高速公路十七沟至大饭铺段(下文简称本项目)起于内蒙古自治区与山西省交界的十七沟村，与荣成至乌海高速公路山西境山阴—平鲁段终点相接，终点与荣成至乌海高速公路大饭铺至东胜段起点相接，总体呈东西走向(图1)。荣乌高速是国家高速公路网中18条东西横线的第四条。本项目分为三段：起点—大准铁路段(K61+890—K70+836.075)、大准铁路—点岱沟段(K70+836.075—K78+339.633)、点岱沟—终点段(K78+339.633—K85+840)。起点—大准铁路起于清水河县黄河东岸，沿清大公路北侧、水源路南侧布线，在柳青梁村前下穿清大公路、水源路后再沿清大公路南侧布线行进至大准铁路，路线长度约为8.836km；
大准铁路—点岱沟段向西北方向前行，在设置大准铁路特大桥跨过黑岱沟煤场堆场和大准铁路、二号公路后，路线折向西南，于K73+800处设置永兴店互通式立交连接周边路网，路线继续沿点岱沟北岸前行，设置点岱沟大桥跨越点岱沟后折向西北方向；
点岱沟—终点段布线于点岱沟北坡，继续西行，向西设大桥跨越黑岱沟与准东铁路，顺接至终点东大高速。

图1 路线方案

本文选取本项目点岱沟—终点段(K78+339.633—K85+840)对路线安全性进行评价。两个方案如图2所示。

图2 K线与B线方案

K线：K线跨过点岱沟后，路线向西前行，在薛魏线收费站北侧1.2km处下穿薛魏线，跨越黑岱沟和酸刺沟运煤铁路顺接于路线终点G109高速。

B线：B线在穿过张家圪旦村后，受点岱沟建设布局及在建的清大公路影响，线位选择在点岱沟南岸进行布线，跨过点岱沟后，路线折向西南，在薛魏公路收费站南侧120m处穿越薛魏公路，后路线转向西北，在黑岱沟北坡布线，跨越准东运煤铁路接于路线终点G109高速。

2.2 运煤高速公路方案综合评价

参考采用密切值法对广西天等县境内某二级公路实际项目选线方案评价[15]，根据1.1章节中已选取的指标，对2.1章节中两个方案的指标进行比较并确定指标属性，当指标数值越大其线型状况更好时，该指标为正向指标，反之为负向指标，其中路线长度考虑驾驶员疲劳程度以及工程经济费用，因此本文将路线长度作为负向指标。对两个方案中的各个指标及其数据、属性进行汇总，具体见表2。

表2 不同选线方案参数对比情况

根据步骤1)可得到2×10阶的评价指标矩阵Y：

根据步骤2)可得到标准化后的指标矩阵R：

根据步骤③可得到最优点矩阵A+和最劣点矩阵A-：

根据步骤5)计算得到两个方案的密切值，K线的密切值为0.480，B线的密切值为0，根据密切值大小对两种选线方法进行比较可知，B线整体线形指标优于K线，因此推荐方案为B线。

在实际工程中，常需对多条路线方案进行比选。本文从交通安全的角度对于运煤高速公路的平纵线型指标进行评价，评价方法采用密切值法，根据最终计算得到的密切值选取最优的路线方案。本文将以上选线评价方法应用于工程实例中，评价路段为荣成至乌海高速公路十七沟至大饭铺段SDTJ-2合同段路线方案中的点岱沟—终点段(K78+339.633—K85+158.630)，对K线和B线方案进行评价，密切值法的评价结果说明B线在整体线型上比K线更优。在本工程实例中，采用密切值选取的方案与该项目实际选取的方案一致，说明密切值法可较好地应用于道路选线中。

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