基于层次分析法的互通方案多目标优选研究_范泽.pdf
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1、第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20230110基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JQ336)作者简介:范泽(1991),男,陕西渭南人,硕士.(asherfz )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.06.027基于层次分析法的互通方案多目标优选研究范泽(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安710043)摘要:为解决交通工程中立交互通设计方案的多目标优化比选
2、问题,依托实际枢纽互通设计方案比选实例,开发了基于层次分析法(AHP)的逼近理想解排序法(TOPSIS)优选评价模型。首先,以打分形式将专家长期工程设计经验引入决策评价体系,基于 AHP 确定了指标权重,融合 TOPSIS 法构建了综合考虑主客观因素的多目标优选模型并提出了互通方案优选决策方法。其次,以某枢纽互通方案比选案例为对象,与熵权法优选决策模型进行了对比分析。最后,通过复杂指标方案比选实例验证了决策模型的性能。结果表明:所提出评价模型可以科学地实现主客观因素的融合,方法理论概念清晰,易于实现;在对比分析中,由 AHP 确定的方案 1 为最优,贴近度为 66.24%,而熵权法确定的方案
3、3 为最优,贴进度为 51.35%,AHP 的决策结果更符合实际工程目标导向,与最终方案决选结果一致,模型评价结果可靠;在复杂指标方案比选模型验证中,结合 10 个指标因素并综合专家打分输入模型,即可得到方案优选决策结果,且以数值形式展现;最终模型评价结果同实际工程决选一致,证明所建立的基于层次分析加权的TOPSIS 优选决策模型具有逻辑严谨、计算简易、适用性强等特点,符合实际工程评价需求,能够有效解决多目标优选决策问题。关键词:交通工程;多目标优选模型;层次分析法;逼近理想解排序法;互通方案比选中图分类号:U412.35+2文献标识码:A文章编号:10020268(2023)06020209
4、Study on Multi-objective Optimization of Interchange Scheme Based on AHPFAN Ze(China ailway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi an Shaanxi 710043,China)Abstract:In order to solve the multi-objective optimization,comparison and selection of interchange designschemes in traffic enginee
5、ring,relying on the example of actual hub interchange design scheme comparisonand selection,a TOPSIS optimization evaluation model based on AHP is developed.First,the long-termengineering design experience of experts is introduced into the decision-making evaluation system in the formof scoring,the
6、indicator weights are determined based on AHP,and a multi-objective optimization model thatcomprehensively considers subjective and objective factors is constructed by integrating TOPSIS method,anda decision-making method for interchange scheme optimization is proposed.Second,the comparison andselec
7、tion of a hub interchange scheme as the object,a comparative analysis is conducted with the entropyweight optimization decision model.Finally,the performance of the decision model is verified by thecomparison and selection of complex indicator schemes.The result shows that(1)The proposed evaluationm
8、odel can scientifically integrate subjective and objective factors,and the theoretical concepts of the methodare clear and easy to implement.(2)In the comparative analysis,Option 1 determined by AHP is optimalwith closeness of 66.24%,while Option 3 determined by entropy weight is optimal with closen
9、ess of 51.35%The decision-making result of AHP is more in line with the actual engineering goal orientation,consistent第 5 期范泽:基于层次分析法的互通方案多目标优选研究with the final scheme selection result,and the model evaluation result is reliable.(3)In the verification ofthe complex indicator scheme comparison model,t
10、he decision result for scheme selection can be obtained bycombining 10 indicator factors and integrating expert scoring input into the model,and presented in numericalform.(3)The final model evaluation result is consistent with the actual engineering decision,proving thatthe TOPSIS optimization deci
11、sion-making model based on AHP has the characteristics of rigorous logic,simple calculation and strong applicability,which meets the needs of actual engineering evaluation and caneffectively solve multi-objective optimization decision-making problems.Key words:traffic engineering;multi-objective opt
12、imization model;Analytic Hierarchy Process(AHP);Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution(TOPSIS);comparison and selection ofinterchange schemes0引言随着我国高速路网建设的进一步发展,对现有互通立交进行合理优化改造成为路网项目成功的关键,选择合适的互通设计方案是确保安全施工和经济效益的重要环节。早期互通工程实践受设计者经验及规范局限性限制,部分节点项目随着交通量的日渐增长暴露出一定缺陷,极大地制约了国民经
13、济发展12。因此,开展互通方案优选评价方法的研究具有重要的工程意义和社会价值34。互通方案的比选受到不同层面的多个因素影响,是一个多目标优选问题。以往主要依靠主观经验进行类比选择 56,这种方法既缺乏严谨的逻辑判断,更无法直观地量化比较互通方案的优劣性,且通常只适用于个别工程案例,可推广性和应用性较差。因此,采用多目标优化方法是实现设计指标综合最优考虑的有效手段 78。逼近理想解排序法(Technique for Order Preference bySimilarity to an Ideal Solution,TOPSIS)是一种可考虑多目标、多指标的决策方法910,既可计算出不同方案的量
14、化贴近度指标值并优选出最佳方案,也可对优化设计方案进行后验评价,具有较好的工程适用性1113。现有研究主要基于客观因素选取影响优化结果的关键控制指标14,采用熵权法计算指标权重,综合考虑指标响应进行方案优化15。这一方法在具有较好逻辑性及可操作性的同时,也存在一定不足,即忽略了长期设计经验对控制指标选取的影响,并且在基于熵权法确定客观指标权重时,变化幅度较大的指标必然占较大权重,在部分情况下并不符合决策要求。立交方案等工程设计项目中对工程实践经验具有一定要求,设计者长期的经验积累同样可在优化设计中发挥重要价值1617。尽管学者们针对多目标优化比选问题进行了不同的改进和尝试18,但截至目前尚未建
15、立融合专家设计经验结合主客观因素的优化设计方法。针对以上不足,本研究以公路互通立交设计为工程背景,综合考虑主客观因素建立一种多目标优选决策模型,以提高方案决策的科学性。首先通过在TOPSIS 方法中引入层次分析法(Analytic HierarchyProcess,AHP),考虑主观经验确定评价指标权重,融合主客观因素建立公路工程交流互通方案优选决策模型。其次,以某工程项目为背景,对比 AHP 与熵权法对指标权重及优选结果的影响。最后通过复杂设计案例说明该优选决策模型的应用效果。1基于 AHP 的 TOPSIS 优选决策模型1.1TOPSIS 优选决策模型TOPSIS 法能充分利用原始数据信息
16、,选出各指标的最优值(最差值)组成各方案正、负理想向量,并根据各方案到正、负理想向量的距离来确定方案的优劣程度19,其步骤如下。构建多指标决策矩阵 Y。设有 n 个待评价方案,而每个评价方案有 m 个评价指标,则矩阵 Y 为:Y=y11y1myn1ynm,(1)式中 yij为第 i 个待评价方案下第 j 个评价指标的值。对多指标决策矩阵 Y 内的各指标因素进行判断,确定并统一指标类型。一般转换为极大型指标,进行正向化处理,得到正向化的指标决策矩阵 X,再对其进行标准化处理消除量纲的影响,获得标准化决策矩阵 Z,可表示为:Z=z11z1mzn1znm。(2)标准化公式为:302公路交通科技第 4
17、0 卷zij=xij/ni=1x2ij,(3)式中 xij为正向化后指标决策矩阵的每个元素。随后,找到有限方案中的最优与最劣解,分别计算各评价对象与最优、最劣方案间的距离,作为优选评价的依据。基于标准化后评价对象的正、负理想向量值为15:C+=(maxzij|j J1),(minzij|j J2)C=(minzij|j J1),(maxzij|j J2),(4)式中,C+为正理想向量值;C为负理想向量值;J1为越大越优型指标集合;J2为越小越优型指标集合。D+i=nj=1(zij c+j)2Di=nj=1(zij cj)2,(5)式中,D+和 D分别为评价方案与正、负理想向量之间的距离,c+j
18、与 cj分别为向量值 C+与 C中的元素。根据评价对象与正、负理想向量之间的距离可计算得出与正理想向量的贴近度(式 6)。最终可依据贴近度优选出枢纽互通立交方案。T+i=DiD+i+Di,(6)式中 T+i为贴近度,且 T+i 0,1,当其趋于 1 时,表明该方案与正理想向量的距离较小;趋于 0 时,表明与负理想向量的距离较小。1.2AHP 改进优选决策方法现有改进 TOPSIS 评价方法多基于熵权法计算指标权重并将其引入决策矩阵构建过程中。熵权法主要根据指标原始数据之间的关系确定权重,计算结果具有较强的数学理论依据,但计算方法繁琐,且可能出现权重大小与指标实际重要程度相悖的情况,对主观因素的
19、考虑不足,忽略了方案决策过程中的多尺度影响。为实现评价过程与主观经验的结合,选用 AHP 改进 TOPSIS 优选方法,并在这一过程中引入专家打分确定指标权重,实现主观设计经验与客观指标的融合2021。计算步骤如下:首先,根据专家主观工程设计经验,对不同指标因素进行比较打分,打分过程仅评价各因素相互间的重要程度,不直接给出权重值而是明确各指标的相对重要性关系。用 i,j表示被评价因素,ij为指标标度矩阵的元素,表示 i相对于 j的重要程度,且满足 ji=1ij,i,j=1,2,n,n 为指标因素个数。按照此原则及专家打分建立 n 维指标标度矩阵 A,用以计算各指标因素的权重。在进行计算时,选用
20、几何平均法计算指标权重。A=11121j1n21222j2ni1i2ijinn1n2njnn。(7)依据指标因素标度表(表 1)对指标标度矩阵各元素进行赋值22。各指标因素权重 i可根据式(7)进行计算,对判断矩阵做归一化处理以获取控制指标权重。表 1指标因素标度表Tab.1Indicator factor scale table标准值定义注释1同等重要因素 i和 j同样重要3稍微重要因素 i和 j稍微重要5明显重要因素 i和 j明显重要7强烈重要因素 i和 j强烈重要9绝对重要因素 i和 j绝对重要2,4,6,8上述 2 个相邻判断的中值i=(nj=1ij)1n(i=1,2,n)i=ink=
21、1nj=1ij()1n(i=1,2,n),(8)式中,i为求解权重的判断矩阵,i为归一化后的指标权重。专家打分仅针对指标重要性进行两两判断,忽略了整体逻辑的合理性,可能会出现矛盾情况。例如,专家打分确定 AB,BC 而 A=C,存在逻辑矛盾。因此引入一致矩阵概念,将判断矩阵向一致矩阵靠拢,定义一致性指标 CI 与一致性检验指标 C,只要 C 不超过特定范围,则判断矩阵有效。基于所确定的指标权重,通过计算判断矩阵的最大特征值 max和一致性指标 CI,根据式(8)进行一致性检验:max=ni=1(Ai)(ni)jCI=max nn 1C=CII=max nI(n 1),(9)402第 5 期范泽
22、:基于层次分析法的互通方案多目标优选研究式中,I 为随机一致性指标(可由表 2 查询);C为一致性检验指标,若 C0.1,则认为通过一致性检验,权重计算有效。表 2随机一致性指标Tab.2andom consistency indicatorsn123456I000.580.91.121.24n7891011I1.321.411.451.491.51在上述基础上,为进一步提升评价结果的准确性,将指标权重系数引入 TOPSIS 方法,融合各指标权重构建加权决策矩阵:D=d11d1mdn1dnm=1z11mz1m1zn1mznm。(10)AHP 具有操作简单、适用性强的特点,考虑多参数指标,可处理
23、多因素、多层次问题,将复杂问题层次化,定性问题定量化。将专家打分引入 AHP可确定考虑主观经验判断的指标权重,综合改进分析决策评价23。在 TOPSIS 优选决策模型中引入基于 AHP 计算得出的参数指标权重,实现客观指标与主观经验的结合,综合比选方案,避免了基于特定指标对方案评估的局限性,符合实际评价的需要。同时,可根据工程需要调整指标因素及权重,实现方案决策的程序化及规范化。2基于改进 AHP 的互通方案优选决策方法2.1立交设计要点互通方案比选过程存在多指标、多尺度因素影响,且不同项目的工程建设目标不同,对指标因素的侧重也不同。在方案参数方面,不同参数间存在一定相关性,且参数类型也较为多
24、样,既有客观的量化指标,也有基于经验设计的主观指标。在互通立交方案设计过程中,结合工程周边地形地貌条件及实际交通流预测情况,需要满足诸多要求,其关键控制因素包含以下方面。(1)交通量需求:基于工程预测交通量确定交通流主次方向及立交选型,包括主匝道参数、立交形式、匝道数量等。(2)工程规模及投资:根据工程周边地形地貌条件、实际交通现状及既有交通线路结构形式,确定方案施工影响范围及工程投资,包括占地面积、项目金额、拆迁安置等。(3)对既有交通线路的利用:结合工程周边路网布设情况,尽可能利用已有线路,包括交织长度、线路接口形式等。(4)桥梁参数:结合工程地理条件与已有路网布置,判定是否有桥梁跨越地形
25、或既有线路。桥梁参数的确定需考虑多方面因素,包括桥涵数量、桥梁长度、跨越净空高度等。(5)对现有环境的影响:设计方案应尽量依托现有地理环境和工程条件,减少对周边环境现状的破坏及扰动,包括拆迁、挖填土方、施工保通等。2.2基于 AHP 的互通方案优选决策流程上述研究已建立了基于 AHP 的多目标优选决策模型,结合立交设计要点及关键设计因素,可构建互通设计方案优选决策框架,其基本设计流程见图1。首先设计多种立交方案用于工程决策,针对工程特点选定决策控制指标,通过专家打分确定决策指标标度矩阵,计算基于 AHP 的各指标因素权重。其次,将各指标权重系数引入优选模型决策矩阵中,构建加权决策矩阵。最后,计
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