基于AHP法的行車沖切道路面層水毀評價模型及應用

楊義輝

(重慶公共運輸職業學院 重慶 402247 )

0 引言

隨著我國交通建設事業的迅猛發展,城市內澇日益嚴重,道路遭受著不同程度的水毀,同時由于行車的沖切作用,使得水毀加劇,每年造成巨大的經濟損失,加強道路水毀的防治勢在必行。眾多學者對公路洪水災害、城市道路水毀作了研究,并取得一定成果。齊洪亮等[1]從降雨量、地表切割密度、河網密度等方面對公路水毀的危險性評價進行了分級;尚高鵬等[2]結合典型工程案例,擬定了單個工點水毀評價定量指標和定性指標,并建立了分析模型;李孟芳[3]運用層次分析法與主成分分析法,構建了公路水毀風險評估模型;趙孟云[4]采用影像技術,確定水毀受災區范圍等。以上研究成果集中在對公路整體水毀的研究和評價。對于瀝青路面的水毀評價,卻鮮有成果,如孫建國等[5]采用模糊綜合評判法對影響水損害的因素進行了分析;王高峰等[6]簡述了3種室內試驗方法在瀝青混合料水損害評價方面的特點。

基于AHP法基本原理,考慮行車沖切作用對路面的損傷,選取相應指標,將定性描述和定量水毀強度指數相結合,構建了適用于行車沖切荷載作用下的道路面層水毀評價模型,并完成了對高新區縱五路某段路面的水毀評價。

1 AHP法基本原理及結構圖

1.1 層次分析法(AHP法)原理

AHP法是一種結合運籌思想的定性與定量分析相結合的多目標決策分析方法[7],通過構造層次結構,綜合各因素之間的相互影響關系及其在系統中的作用,來確定各因素的相對重要性,并在遞階層次結構內進行合成,得到決策因素對于目標重要性的總排序[8]。作為一種簡單數學的工具,廣泛應用于各類評價中[9]。

路面水毀所造成的路面病害,一個典型的多指標、多屬性的問題 ,它不僅受制于道路分類等條件,還和交通情況、氣候等方面的因素有關。結合已有研究成果,考慮行車沖切作用下面層的力學響應,暴雨對瀝青路面的沖刷作用,形成有序的遞階層次結構如圖1所示。

圖1 行車沖切道路面層水毀層次結構圖

1.2 評價因素集

在深入研究和分析的基礎上,按照各因素的不同屬性,根據所建立的層次結構圖,將道路水毀評價因素論域U劃分成三個互不相交的子因素集,即U={U1,U2,U3},U1代表道路條件,U2代表交通情況,U3代表氣象條件。其中,第i個因素Ui根據第二個層次中下屬因素決定,即Ui={u1j,u2j,…,uij}。3個第一層因素下共10個第二層因素,表達如下:

第一層次因素集:

U={U1,U2,U3}={道路條件,交通情況,氣象條件}。

第二層次因素集:

U1={u11,u12,u13,u14}={道路分類,承載能力,路面平整度,排水及透水能力}。

U2={u21,u22,u23}={交通量統計,重載車輛情況,人類活動干擾}。

U3={u31,u32,u33}={暴雨頻率,暴雨強度,降雨時長}。

1.3 評語集

用以上控制因素來計算水毀強度指數Zp,并建立水毀強度指數與水毀等級之間的對應關系。通過計算水毀強度指數Zp,根據Zp所在的區間找到對應的路面水毀等級,從而完成對行車道路面層的水毀評價。行車道路面層水毀強度指數[10]表達式為:

Zp=∑AijQij

(1)

(1)式中:Zp為水毀強度指數;Aij(i=1,2,3;j=1,2,3,4)為二級評價指標分級值;Qij(i=1,2,3;j=1,2,3,4)為二級評價指標綜合權重。

沈水進[10]將暴雨型公路水毀的環境區域劃分為三個等級,并給出了相應的水毀環境標準值區間,分別為:低度易發(0,0.30]、中度易發(0.30,0.60]、高度易發(0.60,1.00]。李煥強[11]根據水毀對路基的損毀程度,將水毀劃分為:輕度水毀、中度水毀、較嚴重水毀、嚴重水毀。結合研究成果及專家意見,初步建立了水毀強度指數與水毀等級之間的對應關系,見表1。

表1 水毀強度指數與水毀等級對應表

2 評價模型的構建

2.1 評價標準

根據前述水毀強度指數與水毀等級,結合研究區內的評價因素和環境特征,在國內外道路水毀研究的基礎上,考慮行車沖切作用,按照評價水毀等級建立水毀評價標準,如表2所示。

表2 行車沖切道路面層水毀評價標準

2.2 評價模型與實現流程

基于AHP法基本原理,并借鑒模糊綜合評價法,建立因素集、評語集、權重集。區別于模糊綜合評價法利用隸屬度得出評價結論[8],此模型通過水毀強度指數的定量計算,轉換為對行車道面層水毀等級的評價。其中,將水毀強度指數計算中的二級評價指標分級值定義為路況調查結論最多的歸一化數列。該評價模型實現主流程如圖2所示。

圖2 行車沖切面層水毀評價模型實現流程圖

3 工程應用

3.1 工程概況

所選取評價目標路段位于高新區縱五路,是軌道尖頂坡站往南的一條次干路,為雙向四車道,局部地段為雙向兩車道,沿途兩側分布有商業、餐飲、汽修、學校以及居民區等。途徑學校主要包括:重慶大學城樹人小學校、重慶科學城高橋學校、重慶巴蜀科學城中學校,并與重慶大學虎溪校區相連[12]。道路交通工具有公交車、私家車、摩托車,偶有工程車輛及大貨車,行人過街設施主要是紅綠燈和斑馬線。

3.2 路況調查

對所選取的路段,采用網絡與實地相結合的方式,進行交通調查[13]。此次路況調查起點為:縱五路與松樹堡路交匯紅綠燈處,沿縱五路向南,途經徑科尚房產、鏈家地產、高橋學校。調查的終點為:縱五路與重大南路交匯紅綠燈處,調查路段長度為468m。路段在暴雨工況下,經行車沖切道路面層水毀實景如圖3、4所示。

圖3 行車沖切水毀路面積水

圖4 行車沖切水毀路面裂縫

根據所構建模型的評價因素,對道路條件、交通情況、氣象條件進行調查。隨機選取連續30m長度作為一個調查單元,根據行車沖切道路面層水毀評價標準,共進行了15次調查填表。將出現次數最多的調查結果進行匯總,并對調查結果進行歸一化處理,計算出二級評價指標分級值如表3所示。

表3 行車沖切水毀路面路況調查與二級評價指標分級值計算表

3.3 權重計算與一致性檢驗

根據評價指標的重要程度,基于AHP法的基本原理,運用Saaty標度法,建立第一層因素間的判斷關系矩陣,并進行歸一化處理,得到權向量。由于判斷關系矩陣的賦值具有隨機性,因此需對判斷矩陣進行一致性檢驗以保證關系的合理性[14]。一致性檢驗規則為:當CR<0.1時,表明所建立判斷矩陣滿足一致性檢驗要求。第一層因素判斷矩陣及歸一化權向量計算如表4所示。

表4 第一層因素判斷矩陣及歸一化權向量計算表

3.4 水毀評價

各二層因素關系矩陣如下所示:

歸一化,得

計算行車沖切道路面層水毀強度指數Zp=∑AijQij=0.658。根據表1,該路段為“中等水毀”。

4 結語

以考慮行車沖切作用對路面的損傷,基于AHP法基本原理,建立以道路條件、交通情況、氣象條件為第一層因素,道路分類等為第二層因素的行車沖切道路面層水毀層次結構,并應用所構建的評價模型對高新區縱五路某路段進行水毀評價,得出以下結論:

(1)道路面層水毀評價涉及多方面,從道路條件、交通情況、氣象條件三方面構建評價體系是合理的,在一定程度上彌補了現有道路水毀評價方法上的不足。

(2)通過挖掘城市道路瀝青路面的水毀因素的層次性,構建行車沖切道路面層水毀層次結構圖。通過建立判斷矩陣和一致性檢驗,確保權重賦值的有效性和科學性。

(3)通過實地調查,得出所評價路段的初始值,并建立起其與二級評價指標分級值之間的對應關系,為定量計算水毀強度指數提供依據。

(4)所建立的評價模型,結合定性描述和定量計算的優點,將水毀強度指數與水毀等級之間建立對應關系,并且考慮行車的制動等沖切作用,更符合現場交通實際情況,更有利于路面水毀養護決策。