枢纽互通立交设计综合评价体系及方法研究

第８卷第６期　２０１１年１２月　现代交避技术　Ｍｏｄｅｍ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶＯＩ．８　ＮＯ．６　Ｄｅｃ．２０１１　枢纽互通立交设计综合评价体系及方法研究　薛　岭ｔ，丁健华　，林　雨　，陈雨人　（１．江苏省交通工程建设局，江苏南京２１０００４；２．江苏省交通规戈　设计院有限公司，江苏南京２１０００５）　摘要：该文针对枢纽互通立交设计多方案比选问题，从枢纽工程规模、运营使用效率、交通安全等３方面择优　筛选了ｌ２项具体评价指标，建立了一套综合评价体系，研究了基于投影寻踪法的客观评价方法，为今后大型枢　纽互通立交设计项目的多方案比选提供了新思路。　关键词：枢纽互通；综合评价；投影寻踪法；技术指标　中圈分类号：Ｕ４１２．３５２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９８８９（２０１１）０６—００１０－０４　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｔｅｒｍｉｎａｌ　Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘｕｅ　Ｌｉｎｇ￣，Ｄｉｎｇ　Ｊｉａｎｈｕａ２，ＬｉｎＹｕ３，Ｃｈｅｎ　Ｙｕｒｅｎ。　（１．Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｉｔｏｎｓ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｈｏｓｅｓ　１２　ｂｅｔｔｅｒ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘｅｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｒｅｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ，ｓｕｃｈ　８ｔ８　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，　ｃｉｒｃｕｌａｔｅ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｒａｎｓｐｏｒｆｔａｔｉｏｎ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ，ｓｅｔｓ　ｕｐ　ａ　ｓｅｔ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｓｔｕｄｉｅｓ　ａ　ｓｏｒｔ　ｏｆ　ｉｍｐｅｒｓｏｎａｌ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｐｕｒｓｕｉｔ．＇ｌｌａｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｏｆｆｅｒ　ａ　ｎｅｗ　ｉｄｅａ　ｆｏｒ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｍｊｅｃｔｓ　ｏｆ　ｂｉｇ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ　ｉｎ　ｆｕｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｐｕｒｓｕｉｔ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎｄｅｘ　在枢纽互通立交设计项目中，一般需对多个不　同设计方案进行综合比选，以获得相对最优的设计　方案。但枢纽互通立交设计方案涉及到的功能、技　本文介绍枢纽课题中的综合评价体系等研究　成果，并结合枢纽工程实例验证该体系及方法的可　行性，以期为类似枢纽互通立交设计的多方案比选　提供借鉴或参考。　ｌ综合评价体系的建立　术、经济、环境、管理等影响因素较多，且每个设计方　案的优缺点各不相同。设计人员在多方案比选过程　中难免会受主观倾向的干扰，人为强调或弱化了部　分影响因素的权重．导致了最终比选结论客观公正　建立综合评价体系应充分考虑全面性、科学　性、实用性和可操作性等原则，体系中各个评价指　标的选取应考虑枢纽互通立交的使用功能。还应兼　顾其技术、经济、环境、管理等多方面的要求。枢纽　课题对枢纽设计中与规模、功能、安全密切相关的　一性的降低。如何在多方案比选中兼顾各种主要影响　因素，获得更科学、更客观、更合理的比选结论，是目　前各大型枢纽互通立交设计项目中的关键难题。　为此，江苏省交通科学研究计划项目——“枢　纽互通立交设计主要技术指标选用研究”（下文简　些主要技术指标进行了深入系统的分析研究，在　称“枢纽课题”）中对枢纽互通立交设计的综合评价　及方法进行了探索和尝试，在详细研究各主要技术　指标的基础上建立了一套综合评价体系，研究了基　于投影寻踪法的客观评价方法，为今后大型枢纽互　通立交设计项目的多方案比选提供了新思路。　此基础上将枢纽评价指标归纳为工程规模指标、运　营使用效率指标和交通安全指标等３个方面，并择　优筛选了ｌ２项具体评价指标建立了“枢纽互通设　计主要技术指标综合评价体系”，如图ｌ所示。　枢纽的工程规模评价指标由枢纽用地、工程造　作者简介：薛玲（１９８ｏ．），男，江苏人，工程师，主要从事高速公路设计、计划管理、合同管理、招标管理及前期工作管理等。　第６期　薛岭，等：枢纽互通立交设计综合评价体系及方法研究　・１１・　价、桥梁总长度、匝道总长度和土石方数量等指标　构成。各指标的取值可由设计文件计算汇总获得。　运营使用效率指标由总行程时间、服务水平和　通行能力等指标构成。总行程时间是各匝道长度与　其设计速度比值的总和；服务水平取预测转向交通　量与通行能力的比值。　交通安全评价指标由匝道平均车速、加速车道　长度、减速车道长度、出人口间距等指标构成。匝道　平均车速为各匝道设计速度对匝道长度的加权平　均值：加、减速车道为方案中各加、减速车道长度与　枢纽课题建议值做差后的平均值；出入口间距为各　处理。　ｘｑ￣　－ｘ￣　：　，ｍｎ　（１）　式中：‰峨０、　分别为第　个指标样本的最大值和　最小值。　设４＝（口　，ｏ，２，…，‰）为单位投影方向向量，将‰　按式（２）进行线性投影为一维投影特征值　，即：　．　吩　卢１　（２）　（２）构造投影指标函数　加速车道长度　构造类间距离：　厂ｉ———————一　出人口间距与枢纽课题建议值做差后的平均值。　面　藏　函　工程规模评价指标ｌ　Ｉ运营使用效率评价指标ｌＩ交通安全评价指标　匝　ｓ（口）：＼，／∑　）　２／（　）　ｔ　（３）　（４）　　．（５）　构造类内密度：　ｄ（口）：∑∑（Ｒ一　）　一　）　则投影指标函数：　Ｑ（口）：＝ｓ（口）・ａ（ａ）　枢　纽　用　地　道　亚　均　查　速　∑ｚ　圈１枢纽互通设计主要技术指标综合评价体系示意图　式中：　为，１个样本　的均值，即　＝　；　为投　２综合评价方法研究　综合评价属于多目标、多因素决策问题，为获　得更客观公正的评价结论，必须采用多因素分析的　综合评价方法。枢纽课题中采用了基于投影寻踪法　（Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　Ｐｕｒｓｕｉｔ）的综合评价方法．属于客观评价　法，该法将各评价指标样本进行线性投影，按照一　定原则寻求最优投影方向向量，最优投影方向向量　反映了各评价指标的重要程度（即客观权重），并以　此建立综合评价指数Ｉ进行综合评价。　２．１投影寻踪算法　２０世纪７０年代。Ｆｒｉｅｄｍａｎ提出了投影寻踪　法［１－２３。它是一种多元数据分析的统计方法，迄今为　止，在理论研究和实际应用中都得到了重大突破，　其基本思路是将高维数据向低维空间进行投影，通　过低维投影特征信息来研究高维数据的结构特征。　２．２评价过程　影特征值　与　两两之间的距离，　＝ｌｌ　一　Ｊｌ（ｉ＝ｌ，　２，…，ｎ；ｋ＝ｌ，２，…，ｎ）；　为密度窗口半径，其选取　既要保证包含在窗口内的投影点平均个数不能太　少，避免滑动平均偏差太大，也要保证Ｒ不能随着ｎ　的增大而增加太多，这里取尺＝ｍ；ｆ（Ｒ一　）为单位阶　跃函数，当Ｒ－ｒ￣＞Ｏ时，，（Ｒ—　）＝ｌ，反之为０。　（３）优化投影指标函数　当指标样本数据确定时，投影指标函数Ｑ（口）只　随投影方向ａ的变化而变化。不同的投影方向反映　不同的结构数据特征，最佳投影方向口　就是最大　可能暴露高维数据某类特征结构的投影方向，故可　通过求解投影指标函数最大化问题来估计最优投　影方向，求解出Ｑ（口）的最大值即找到了最优投影方　向口￥。　目标函数：　ｍａｘＱ（ａ）＝ｓ（ａ）・ｄ（ａ）　（６）　假设某枢纽互通立交有ｎ个不同设计方案需　约束条件：　ｓ．ｔ．　卢ｌ　要比选，且每个方案均有ｍ个评价指标，基于投影　寻踪法找出综合评价相对最优的设计方案，其评价　过程主要包括４个步骤：　（１）样本数据归一化　设第ｉ个方案的第　个指标为　（　＝ｌ，２，…，　；　ｊ＝ｌ，２，…，ｍ），因各指标样本　的量纲或数值范围　相差较大，故先采用式（１）对样本数据进行归一化　１　（７）　（４）构建综合评价指数，　在第（３）步骤中，优化得到的最优投影方向向　量口木反映了各指标的不同重要程度，且它是单位　投影方向向量，满足平方和为Ｉ。故可将　＝（口。：，０．２２，　…，　）作为各评价指标的权重，构建综合评价指数　・１２・　瑗代交叠技木　２０１１年　－，，如式（８）所示：　，＿±　ｊ＝ｌ　系，优化了平、纵面线形。　（８）　第２次优化：施工图设计阶段，对平面指标、纵　断面指标、是否设置辅助车道等进行了进一步论　证，根据互通特点灵活选用，并充分挖掘地形有利　条件，降低控制道路标高，有效节约了工程造价。　式中：正极性指标为＋，负极性的指标为一。正负极性　定义为：指标数据越小且对于方案比选越有利的为　正极性指标，反之为负极性指标。　通过以上步骤。将复杂的枢纽互通设计主要技　术指标综合评价问题转化为简洁的“综合评价指数　，”。评价操作更便捷，即综合评价指数，越小，则表　明该设计方案相对越优。　２．３投影指标函数的优化　（ａ）方案１（原．工可设计方案）　（ｂ）方案２（初步设计推荐方案）　投影指标函数优化问题是投影寻踪法能否成　功的关键，此问题较复杂，若需比选的方案数量越　多。则优化计算量也越大。枢纽课题中采用ＲＡＧＡ　实码加速遗传算法［３－４］（Ｒｅａｌ　ｃｏｄｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　Ａｃｃｅｌｅｒ　ａｔｉｎｇ　Ｇｅｎｅｔｉｃ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）对投影指标函数进行了优　化。并采用Ｍａｔｌａｂ　７．０编制了相应计算程序，有效解　决了高维数据全局寻优的难题。基于实码加速遗传　算法优化投影指标函数的算法如下：　第１步：在ｍ维空间中按种群规模随机选取ｋ　组０～１区间的随机数ｂｉ（江１，２，…，ｍ）作为优化编　码．每１组编码对应１个投影方向；　第２步：将每ｌ组随机数ｂｉ单位化，得到投影　一一　（ｃ）方案３（施二￡图设计方案）　（ｄ）枢纽竣工实景　圈２工程实例的不同设计方案　３．２综合评价验证　首先。根据综合评价体系中的３方面ｌ２项评　价指标对３个方案进行量化比较，见表１。　表１各设计方案主要评价指标比较表　项目　主要指标　方案１　方案２　方案３　９６０　８３２　方向向量　，即－－　指标Ｑ（８）；　，然后按照式（２）～（５）计算投影　枢纽工程枢纽用地指标／亩　１　１９１　工程造价／万元　７９０００　５８０００　３００００　第３步：按有利于投影指标增大的原则，通过　选配、杂交、变异等操作，获得３组共３　个解，从中　选出．ｊ｝个投影指标较大的编码后，返回第２步重复　优化循环：　第４步：根据高维数据结构的复杂性决定初始　规模评价　桥梁总长／ｍ　４２０６．５　４　８７３．９　１　９６０．５　指标　匝道总长度，ｍ　８　７１５　８４１２　６　３２３　土石方数量／ｍ　２０３３　６１１　１　８７６０６０　９３２　１４１　总行程时间／ｓ　５３５　５２９　４０５　投影方向的个数以及优化循环次数，也可根据主观　目的确定优化次数。　３工程实例验证　指标　篝器　服务水平　。．５８　。．４９　。．５。　行　６９０００　６４０２７　５１　９７４　匝道平均车速，　／Ｉ　５．根据上文介绍的综合评价体系及评价方法，下　文将结合枢纽工程实例对不同设计方案进行综合　评价．以验证该综合评价体系及方法的可行性。　３．１工程实例简介　篓　．－　．Ｌ－Ｉ　Ｓ　１５２　８７　．６　５　７．２　６．２５　５０　９５．８　出入１３间距／ｍ　３９１　３４３　１３５　本课题选取了南京某大型枢纽作为工程实例，　在该枢纽互通设计过程中，根据研究的结论性成果对　然后，采用基于投影寻踪法的Ｍａｎａｂ程序，设　置迭代运算５００次，优化得到最优投影方向向量　ａ　：（＿０．２９６　０，－－０．３０９　０，－－０．２７８　７，－－０．３１９　６，－－０．３１７　８，　－原工可设计方案进行了前后２次优化，如图２所示。　第１次优化：在初步设计阶段，结合交通量的　重新预测，从互通选型上进行了比选，优化了枢纽　０．３３４　３，－０．２３４　２，－０．３０５　１，－０．２９７　４，－０．０６８　４，　一０．２９１　９，－０．３１３　１），投影指标函数最大值ｍａｘ　Ｑ（ａ）＝　１５６．０，投影指标函数优化收敛情况见图３．各评价　互通立交的形式，同时调整了主线与被交线跨越关　指标的权重及评价计算数据见表２。　第６期　薛岭。等：枢纽互通立交设计综合评价体系及方法研究　・１３・　４结语　本文简要介绍了枢纽课题研究成果中的枢纽　互通设计主要技术指标综合评价体系及方法，该综　合评价体系及方法优点突出，总结如下：　（１）该综合评价体系重点考虑了枢纽设计中与　规模、功能、安全密切相关的一些主要技术指标，将　复杂的综合评价问题转化为简洁的“综合评价指数　叠代次数　，”，化繁为简，为实际枢纽互通设计的多方案比选提　图３投影指标函数优化收敛情况　供了一种新思路，其评价方法较传统方法更科学、　计算显示，方案３的综合评价指数／＝０．００３　３　合理、快捷。　最小，方案２较小，方案１最大，表明方案３的综合　（２）基于投影寻踪法的综合评价方法属于客观　评价相对最优，应为推荐方案。其综合评价结论与　评价法，避免了其它传统评价方法中评价指标权重　实际枢纽设计优化比选过程相符，验证了该综合评　的确定易存在主观依赖或赋权干扰等问题，经工程　价体系及方法是可行的。　实例验证，其评价结论更客观、可信。　表２各评价指标权重及评价计算数据　（３）采用ＲＡＧＡ实码加速遗传算法对投影指标　Ｖｉｒｇｉｎｉａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００４，３５：１０７－１１４．　函数进行优化，并编制了Ｍａｆｌａｂ计算程序，有效解　［３］Ｊｏｅ　Ｂａｒｅｄ，Ｇｒｅｇ　Ｌ　Ｇｉｅｒｉｎｇ，Ｄａｖｅｙ　Ｌ　Ｗａｒｒｅｎ．　Ｓａｆｅｔｙ　决了高维数据全局寻优的难题。　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　Ｉ．Ａｔｎｅ　Ｌｅｎｇｔｈｓ　［Ｊ］．ＩＴＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００５：５０－５４．　参考文献　［４］Ａｈｍ￣ｄ　Ｋｈｏｒａｓｈａｄｉ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｒａｍｐ　Ｔｙｐｅ　ｎａｄ　Ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ｏｎ　［１］Ｄｏｍｉｎｉｑｕｅ　ＬｏＩｄ，Ｊ　Ｂｏｎｎｅｓｏｎ．　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ａｃｃｉｄｅｎｔｓ．ＦＨＷＡ／ＣＡ／ＴＥ－９８／１３［Ｒ］．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　Ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　Ｒａｍｐ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，１９９８。　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ，Ｐａｐｅｒ　ＴＲＢ０５－０９１２［Ｒ］．Ｔｅｘａｓ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　［５］ＪＴＧ　Ｂ０１－２００３公路工程技术标准［Ｓ］．　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　１５ｔｈ，２ＯＯ４：１－１６．　［６］Ｊ１．Ｇ　Ｄ２０－－２００６公路路线设计规范ＩＳ］．　［２］Ａｎｎｅ　Ｔ　ＭｃＣａｒｔｔ，Ｖｅｒｏｎｉｋａ　Ｓｈａｂａｎｏｖａ　Ｎｏｒｔｈｒｕｐ，Ｒｉｃｈａｒｄ　Ａ　［７］泰州市华通公路工程有限公司，扬州大学建工学院．枢纽　Ｒｅｔｔｉｎｇ．Ｔｙｐｅｓ　ａｎｄ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｒａｍｐ－ｒｅｌａｔｅｄ　Ｍｏｔｏｒ　互通立交设计主要技术指标选用研究报告［Ｒ］．２００９．　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｃｒａｓｈｅｓ　ｏｎ　Ｕｒｂａｎ　Ｉｎｔｅｒｓｔａｔｅ　Ｒｏａｄｗａｙｓ　ｉｎ　Ｎｏｒｔｈｅｒｎ　（收稿日期：２０ｌｌ—０６一ｌ３）