基于群體可拓模糊綜合理論的綠色低碳高速公路評價(jià)研究

胡萬欣 胡 驥 劉艷 劉玉露 蔣晶堯

1. 武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430205

2. 西南交通大學(xué)，交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031

3. 湖北楚天高速公路股份有限公司，武漢430074

4. 湖北省交通運(yùn)輸廳，隨岳高速公路管理處，武漢 430050

5. 玉林市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣西玉林 537000

0 引 言

綠色低碳高速公路發(fā)展模式是現(xiàn)代交通可持續(xù)化不可或缺的重要組成部分，也是現(xiàn)在交通發(fā)展的重要方向。隨著對“綠色低碳”理念的不斷重視，高速公路運(yùn)營正走向環(huán)保發(fā)展之路。歐美發(fā)達(dá)國家的高速公路管理模式經(jīng)過50多年的調(diào)整已經(jīng)向安全、舒適、節(jié)能與環(huán)保的方向前進(jìn)。例如：日本的三級垂直管理體系；法國、意大利、西班牙等國家的特許公司制；英國則以低碳環(huán)保為核心進(jìn)行高速公路運(yùn)營[1,2]。相比于歐美發(fā)達(dá)國家，雖然我國高速公路里程成為世界第一，但是綠色低碳公路的評價(jià)問題，研究成果還很少，綠色低碳的發(fā)展模式仍然在不斷探索中。馬中南、高建剛分析了綠色公路的內(nèi)涵，探討了綠色公路的體系[2]。王健、朝暉、曹海波建立了公路綠色施工屬性指標(biāo)體系，構(gòu)建了公路綠色施工屬性識別評價(jià)模型[3]。劉麗芳對高速公路綠色施工進(jìn)行了探討，希望能完善綠色施工評價(jià)過程[4]。夏波、王晉采用層次分析法（AHP）分析了綠色低碳公路指標(biāo)的權(quán)重，采用模糊數(shù)學(xué)法建立了體評價(jià)方法[5,6]。上述分析中，對于綠色低碳公路的評價(jià)問題，還沒有建立評價(jià)指標(biāo)體系規(guī)范，評價(jià)結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性也難以保證。AHP可以將眾多復(fù)雜因素和決策者個(gè)人因素結(jié)合起來，適應(yīng)于現(xiàn)階段我國綠色低碳的高速公路評價(jià)特點(diǎn)，是近期比較可行的方法。使用層次分析法時(shí)，決策方法由某位專家給出判斷矩陣，這樣可能由于專家的失誤從而造成方案選擇的失當(dāng)，影響評價(jià)結(jié)果的有效性。為了減小每位專家的主觀性對決策的影響，集合不同專家意見，提升決策的有效性，故文章使用了AHP群決策方法（GAHP）。同時(shí)，綠色低碳評價(jià)指標(biāo)之間存在著模糊性、多目標(biāo)性，且基礎(chǔ)數(shù)據(jù)樣本較少，故引入模糊綜合評價(jià)理論，期望提高高速公路綠色低碳評價(jià)的有效性，從而正確辨別高速公路的低碳發(fā)展程度，優(yōu)化高速公路管理方法。

1 綠色低碳高速公路評價(jià)過程

綠色低碳高速公路是指將“綠色低碳”理念運(yùn)用到整個(gè)管理過程中，最大程度地合理保護(hù)環(huán)境，形成“安、暢、舒、美”的和諧之路。高速公路綠色低碳評價(jià)就是合理地分析現(xiàn)役的高速公路“綠色低碳”等級，以便查找高速公路運(yùn)營管理中存在的問題，從而采取措施來提升高速公路的綜合效益。綠色低碳高速公路評價(jià)的主要研究內(nèi)容有：（1）評價(jià)體系的建立——選擇何種指標(biāo)評價(jià)高速公路的綠色低碳性；（2）評價(jià)方法——如何選擇適用的評價(jià)方法；（3）高速公路綠色低碳程度的綜合解讀——如何根據(jù)評價(jià)等級調(diào)整高速公路的管理。其中，綠色低碳高速公路評價(jià)流程示意如圖1所示。

2 綠色低碳高速公路評價(jià)指標(biāo)集的確定

建立綠色低碳高速公路評價(jià)指標(biāo)，本質(zhì)就是要尋找能全面反映低碳高速公路各方面特征的指標(biāo)。為提高綠色低碳高速公路評價(jià)的準(zhǔn)確性，盡可能選取可以量化的指標(biāo)。否則，會影響評價(jià)的效率及準(zhǔn)確性。指標(biāo)根據(jù)高速公路運(yùn)營中產(chǎn)生節(jié)能減排量或起到生態(tài)、環(huán)保、循環(huán)效果的來劃分，本文從綠色低碳高速公路中的綜合運(yùn)營指標(biāo)、能源環(huán)境指標(biāo)以及養(yǎng)護(hù)管理指標(biāo)3個(gè)方面構(gòu)建評價(jià)體系。結(jié)合實(shí)際的養(yǎng)護(hù)工程以及文獻(xiàn)[2-6]構(gòu)建如圖2的評價(jià)體系。

圖1 綠色低碳高速公路評價(jià)流程Fig.1 Green and low-carbon expressway evaluation process

圖2 低碳綠色高速公路評價(jià)指標(biāo)體系Fig. 2 Green and low-carbon evaluation index system of a expressway

3 群體可拓模糊綜合理論的評價(jià)分析

3.1 群體可拓層次法確定指標(biāo)權(quán)重

3.1.1 層次分析法初步確定權(quán)重

由于綠色低碳的高速公路評價(jià)具有多因素、多目標(biāo)、多層次的特點(diǎn)，AHP方法用排序向量表示不同因素的相對重要性可分為四個(gè)基本步驟：

（1）層次結(jié)構(gòu)模型建立。結(jié)構(gòu)中包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、分準(zhǔn)則層。（2）構(gòu)造判斷矩陣。結(jié)合實(shí)際問題采用Delphi法和1-9標(biāo)度法來兩兩判斷矩陣。（3）層次單排序。（4）一致性檢驗(yàn)。（5）層次總排序。具體構(gòu)建過程可參考文獻(xiàn)[10]。

3.1.2 可拓綜合理論的權(quán)重修正

引入 GAHP，選取 m位（m≥3）專家，客觀考慮不同專家偏好的一致性并據(jù)此將反映權(quán)重的定量信息和定性信息進(jìn)行集成，建立一種基于 AHP的群決策模型[7-10]。可拓分析理論將決策者作為樣本，以每個(gè)專家AHP計(jì)算的權(quán)重作為分析因素，進(jìn)行可拓分析得到專家權(quán)重。設(shè)有m位決策者對n個(gè)指標(biāo)使用AHP得到判斷矩陣ijU，然后根據(jù)ijU得到權(quán)重系數(shù)ijδ。其中，ijδ表示第i個(gè)U通過一致性檢驗(yàn)后的第j個(gè)決策指標(biāo)的權(quán)重。

基于AHP的可拓理論的多人決策權(quán)重的步驟如下：① 確定經(jīng)典域物元ojR：

式中，ojR為第j個(gè)指標(biāo)的經(jīng)典域物元。

② 確定節(jié)域物元PjR ：

式中：PjR 為第j個(gè)指標(biāo)的節(jié)域物元。

⑤ 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)復(fù)合物元0R：

⑥ 確定專家的離散系數(shù) k：

⑦ 確定專家的效度系數(shù)iφ：

3.2 模糊評價(jià)理論的綠色低碳高速公路綜合評價(jià)

3.2.1 評價(jià)指標(biāo)的量化

（1）定量指標(biāo)無量綱化

由于定量指標(biāo)的不太相同，為了能夠判定指標(biāo)等級，對其無量綱化處理。設(shè)評價(jià)指標(biāo)uij的定義域?yàn)閡ij∈ [Aij,Bij]，Aij＞ 0 ，Bij＞ 0 ，Aij＜Bij，yij為無量綱化后的結(jié)果。成本型指標(biāo)和效益型指標(biāo)的無量綱化函數(shù)如下式：

成本型指標(biāo)：

（2）定性指標(biāo)量化

定性指標(biāo)采用評價(jià)等級隸屬度的方法來確定。本文將定性評價(jià)指標(biāo)分為5個(gè)等級。

3.2.2 建立模糊評價(jià)矩陣

3.2.3 模糊綜合評價(jià)

模糊綜合評價(jià)結(jié)果向量Y中，yt表示公路隸屬于綠色低碳評價(jià)等級程度，Y中最大的yt對應(yīng)的等級表示被評價(jià)高速公路最適合于該等級，可作為評價(jià)結(jié)果。

4 計(jì)算分析

4.1 案例描述

湖北荊州某高速公路于2010年12月完全通車，此段有長江大橋連接湖北與湖南 2省。該橋長度為4302.5m，雙向六車道，全封閉、全立交，設(shè)計(jì)速度為100km/h，橋涵設(shè)計(jì)荷載為公路I級。2014年10月對此路段進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：8月維修橋面系時(shí)應(yīng)用了雙層 SMA技術(shù)。沿線建筑設(shè)施污水處理和中水回用等資源循環(huán)生態(tài)環(huán)保項(xiàng)目都已經(jīng)建立，部分車道已使用ETC車道。具體的綠色低碳指標(biāo)調(diào)查如表1。

表1 某高速公路綠色低碳指標(biāo)調(diào)查情況Tab. 1 Green and low carbon indicators of an expressway

4.2 AHP初步確定權(quán)重

對此段高速公路的低碳綠色評價(jià)，建立如圖1的分析結(jié)構(gòu)。依據(jù)文獻(xiàn)[11]對由3名公路養(yǎng)護(hù)研究人員及 5名養(yǎng)護(hù)工程師的權(quán)重進(jìn)行集結(jié)并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，權(quán)重見表2。

4.3 基于可拓分析的權(quán)重修正

（1）根據(jù)公式(1)～(6)計(jì)算得到關(guān)聯(lián)函數(shù)復(fù)合物元R0如表3所示。

表2 不同專家的權(quán)重（ijδ）Tab.2 Weights of the different experts

表3 關(guān)聯(lián)函數(shù)復(fù)合物元R0Tab.3 Correlation function composite element

此處以11( )Kδ為例進(jìn)行計(jì)算分析：

由公式（8）～式（9）計(jì)算修正后的權(quán)重專家權(quán)重，結(jié)果如表5所示。

表4 專家的離散系數(shù)k(i)Tab.4 Discrete coefficients of the different experts

（3）由式（11）計(jì)算修正后的指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表6所示。

表5 修正后的權(quán)重專家權(quán)重Tab.5 The modified weights of experts

表6 修正后的指標(biāo)權(quán)重Tab.6 The modified index weights

此處以1u為例進(jìn)行分析：

4.4 確定因素集和評語集

根據(jù)綠色低碳高速公路評價(jià)的程度，將其劃分為優(yōu)、良、中、次、差5個(gè)級別，所有指標(biāo)的節(jié)域?yàn)閇0，100]。所有綠色低碳高速公路評價(jià)指標(biāo)的評估級別為U={U1,U2,U3,U4,U5}={優(yōu)、良、中、次、差}。綠色低碳高速公路評價(jià)指標(biāo)隸屬度表如表7所示。

4.5 建立評價(jià)矩陣

利用綠色低碳公路評價(jià)指標(biāo)隸屬度建立評價(jià)矩陣，如表1所示。在數(shù)據(jù)處理中對定量指標(biāo)通過查閱工程資料獲得，對定性指標(biāo)采取專家打分法獲得。定性指標(biāo)得分如表8所示。

表7 綠色低碳指標(biāo)隸屬度Tab. 7 Green and low carbon index membership degrees

表8 定性指標(biāo)得分Tab. 8 The qualitative index score

依據(jù)式（13）評價(jià)矩陣如下所示：

4.6 模糊綜合評價(jià)

依據(jù)式（14）知綜合評價(jià)為：H1=W21·R1=（0.086 2，0.114 2，0.116 3，0，0）；H2=W22·R2=（0.076 0，0.123 7，

4.7 結(jié)果分析

依據(jù)最大隸屬度原則，養(yǎng)護(hù)管理指標(biāo)（0.114 2）為良好等級；能源環(huán)境指標(biāo)（0.151 8）為中等等級；綜合運(yùn)營指標(biāo)（0.118 5）為中等等級；高速公路整體綠色低碳（0.386 6）屬于中等等級。通過綜合評價(jià)計(jì)算可知，日常養(yǎng)護(hù)管理中需要進(jìn)一步引入先進(jìn)的、環(huán)保的材料來進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，可再生能源以及材料需要作為重點(diǎn)項(xiàng)目放在養(yǎng)護(hù)管理中；該段高速公路在以后的運(yùn)營過程還需要做到節(jié)約能源、提高節(jié)能設(shè)備的普及；綜合管理中該高速公路管理處會推進(jìn) ETC車道普及來提高運(yùn)管效率。

該段的高速公路公路剛剛經(jīng)歷了中修工程，一些綠色低碳的設(shè)備、設(shè)施在不斷的完善中，以后的管理中許多低碳措施會得到改善和突破。

5 結(jié)束語

高速公路綠色低碳水平評價(jià)是一個(gè)多準(zhǔn)則、多屬性的問題，有效的評價(jià)該等級是一個(gè)工作。文章用以群決策可拓層次分析法為基礎(chǔ)的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法，客服了決策人員因失誤或者偏好等使權(quán)重出現(xiàn)偏差的問題，為最終綠色低碳評價(jià)提供了依據(jù)。同時(shí)，由于評該價(jià)具有模糊性和不確定性，文章基于多級模糊理論，建立了高速公綠色低碳評級模型，能準(zhǔn)確判定高速公路的綠色低碳等級，可以指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)管理的實(shí)際工作。由于綠色低碳評價(jià)因素多，不確性條件較多，群決策多級可拓評估模型中的一些定性因素還不能有效的定量化，這也是以后需要改進(jìn)的地方。

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