基于AHP三角模糊數(shù)和可變模糊集理論的綠色施工評價研究

胡龍偉，孫 雨，章 俊，王 雪，孫 賀

(1.青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院，青島 266525；2.青島昆泉建設(shè)工程有限公司，青島 266500)

建筑行業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著社會綠色環(huán)保意識的提高，建設(shè)工程消耗自然資源、破壞自然環(huán)境、污染空氣等問題的出現(xiàn)引起了社會的重視。21世紀(jì)以來，綠色施工的字眼陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)，政府與企業(yè)加大了對綠色施工的研究，對我國建筑業(yè)的發(fā)展起到了推動作用。《綠色施工導(dǎo)則》中對綠色施工給出了較為詳盡的定義，但是目前對于綠色施工的評價沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的體系，因此，為保證建筑業(yè)的綠色發(fā)展，評價體系的建立至關(guān)重要。

綠色施工的理念最早由維克多·奧吉亞提出，在之后的研究過程當(dāng)中國外學(xué)者提出了施工生命周期評估法和施工過程分析方法。KUBBA介紹了工程管理過程以及評價方法[1]；LI Xing對綠色評價系統(tǒng)的評分進行了研究，構(gòu)建了評分系統(tǒng)框架。我國的綠色施工起步晚，但是有關(guān)學(xué)者也進行了大量的研究，提出了一些行之有效的評價體系和方法。李英攀等[2]利用人工BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對綠色施工體系進行評價，并結(jié)合實際案例分析，驗證可行性。段春偉[3]和崔浩等[4]在施工階段建立了評價體系，把評價指標(biāo)分為TM和L兩類，為承包商綠色施工管理提供了參考。晉良海等[5]為消除個別評判專家主觀因素造成的不公平，建立了OWGA和CWGA的集成方法對綠色施工進行科學(xué)的評價。薛松[6]與邵必林[7]等利用模糊物元法進行評價，使得樣本的隸屬度更為精準(zhǔn)。

綜上所述，國內(nèi)外的學(xué)者們運用不同的方法建立起了評價指標(biāo)體系，并建立了模型。但是大多數(shù)評價結(jié)論只能得出工程的綠色施工等級或者綜合分?jǐn)?shù)，對等級的判定不夠精確，但是可變模糊集理論可以很好地解決這個問題，可以得到評價對象隸屬于某個等級的概率。因此本文依據(jù)可變模糊集理論建立綜合評價計算模型。

1 評價指標(biāo)體系及其指標(biāo)權(quán)重的確定

1.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

為使評價體系具有實用性和可操作性，參考了一些學(xué)者的評價體系，見表1。同時對現(xiàn)場工作人員與管理層進行問卷調(diào)查，進行指標(biāo)的篩選，使得指標(biāo)的確定有現(xiàn)實依據(jù)，最終通過對專家的咨詢，確定指標(biāo)。經(jīng)有關(guān)技術(shù)人員論證可行后，根據(jù)我國綠色建筑施工的特點以及綠色施工國家標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，將評價指標(biāo)體系分成了五類：資源的合理利用，施工技術(shù)的實施，施工企業(yè)的管理，對環(huán)境的影響，成本的投入。對每一類進行細分，形成了18個影響因素指標(biāo)，由此形成的評價指標(biāo)體系如圖1所示。

表1 文獻統(tǒng)計綠色施工影響因素

圖1 綠色施工評價指標(biāo)體系

1.2 評價指標(biāo)體系指標(biāo)權(quán)重的確定

目前，指標(biāo)權(quán)重已有若干種確定方法，大體可分為客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法兩種，根據(jù)綠色施工的特點以及借鑒之前學(xué)者的研究，本文采用AHP三角模糊數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重，層次分析法，可利用專家在此領(lǐng)域的寶貴經(jīng)驗，更加接近實際，但是會過度依附于專家的打分，主觀因素影響大，而且判斷區(qū)間不連續(xù)，因此判斷結(jié)果的客觀真實性會受到質(zhì)疑，三角模糊數(shù)的引用，改善了AHP判斷區(qū)間不連續(xù)的缺點，具有較強的實用性。

1.2.1 構(gòu)造模糊評價矩陣

按照評價指標(biāo)上下級之間的隸屬關(guān)系，如表2—7所示，對準(zhǔn)則層與指標(biāo)層的因素進行兩兩比較。構(gòu)造語言集I={很不重要，不重要，同樣重要，重要，很重要}。根據(jù)三角模糊數(shù)的計算規(guī)則，分別建立準(zhǔn)則層與指標(biāo)層的模糊評價矩陣。

表2 準(zhǔn)則層因素模糊判斷矩陣及相對權(quán)重

表3 指標(biāo)層B1子因素模糊判斷矩陣及相對權(quán)重

表4 指標(biāo)層B2子因素模糊判斷矩陣及相對權(quán)重

表5 指標(biāo)層B3子因素模糊判斷矩陣及相對權(quán)重

表6 指標(biāo)層B4子因素模糊判斷矩陣及相對權(quán)重

表7 指標(biāo)層B5子因素模糊判斷矩陣及相對權(quán)重

以上結(jié)果均通過一致性檢驗。

1.2.2 合成指標(biāo)絕對權(quán)重

C層指標(biāo)元素的絕對權(quán)重為B層指標(biāo)的相對權(quán)重與C層指標(biāo)相對權(quán)重之積。按照表8中的數(shù)據(jù)對絕對權(quán)重進行計算，例如C16=0.1120×0.0588=0.0066，以此類推可以得到綠色施工評價指標(biāo)體系的權(quán)重。

表8 綠色施工評價指標(biāo)體系

2 基于可變模糊集理論的評價模型

2.1 可變模糊集理論

對綠色施工等級的確定有多種方法，常見的有AHP模糊綜合評價法[11]，灰色綜合評價法[12]，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[13]等。AHP模糊綜合評價法能夠?qū)Τ尸F(xiàn)模糊性的資料做出比較科學(xué)合理的評價，但是僅僅能得到評價對象隸屬于哪個等級，不能得到誰的隸屬度更高。灰色模型程序簡單實用，容易操作，精度較高，但是，它的分析受到所選擇的白化函數(shù)的影響。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有良好的自學(xué)和自適應(yīng)能力，能夠?qū)W(xué)習(xí)內(nèi)容記憶于網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值中，并且具有一定的容錯能力，但是隨著BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，也暴露了很多不足，譬如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇沒有統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，過大或者過小都會對結(jié)果產(chǎn)生影響，其次是受訓(xùn)練樣本的影響很大，對樣本具有依賴性。因此這三類常用的方法都會使評價等級不精確。2005年陳守煜教授首次提出了可變模糊集的概念，在水資源和水質(zhì)評價上的應(yīng)用最常見[14]，方法簡便易懂，而且各個領(lǐng)域都具有模糊性，符合實際，因此得到了廣泛應(yīng)用。可變模糊集理論不僅可以得到評價對象的等級，且可以得到等級的隸屬度，偏向于哪一級，可以為后續(xù)采取措施提供參考依據(jù)。

2.2 基于可變模糊集理論的評價步驟

1)確定樣本特征值矩陣。 假設(shè)評價對象Xi有n個評價指標(biāo)，每個指標(biāo)特征值構(gòu)成向量Xi={x1,x2,x3,…,xn}，xij為樣本j的第i個特征向量，則樣本特征值矩陣為

(1)

其中，i=1,2，…，m；j=1,2，…，n。

2)確定指標(biāo)評價區(qū)間矩陣Iab。指標(biāo)的評價等級分為四級：優(yōu)、良、合格、不合格。通過查閱相關(guān)規(guī)范，參考標(biāo)準(zhǔn)進行打分，打分前提是項目已通過強制性檢驗，指標(biāo)中有定量指標(biāo)與定性指標(biāo)，定量指標(biāo)可按實際測得數(shù)據(jù)劃分等級判斷區(qū)間，若涉及到定性評價指標(biāo)，定性指標(biāo)采用百分制，參考當(dāng)?shù)厥┕ぐl(fā)展水平以及實際施工情況進行打分，得到等級判斷區(qū)間，由于綠色施工評價的特殊性和復(fù)雜性，因此指標(biāo)多以定性指標(biāo)為主。

(2)

式中：m為指標(biāo)個數(shù)；n為劃分的等級區(qū)間；a為等級區(qū)間的上界；b為等級區(qū)間的下界。

3)確定可變區(qū)間矩陣Icd。

確定依據(jù):[cij,dij]=[ai(j-1),bi(j+1)],j-1>0,j

(3)

(4)

4)確定[aij,bij]中相對隸屬度為1的點，即矩陣M。

確定依據(jù):

(5)

(6)

5)將評價對象的特征值矩陣Xij與矩陣Mij進行比較，確定相對隸屬函數(shù)，形成m個評價指標(biāo)對n個評價等級的相對隸屬矩陣U(xij)。

當(dāng)xij落在mij的左邊，相對隸屬函數(shù)為

(7)

當(dāng)xij落在mij的右邊，相對隸屬函數(shù)為

(8)

由此可得：

(9)

6)確定綜合評價模型。

依據(jù)公式：

(10)

其中，ρ取1和2時分別對應(yīng)海明距離和歐氏距離，α取1和2時分別對應(yīng)最小一乘方和最小二乘方準(zhǔn)則。兩者結(jié)合可得到四種計算結(jié)果，分別對應(yīng)著一個綜合相對隸屬度矩陣U[u(x),]。將其歸一化后得到相對隸屬度矩陣U[u(x)]。

7)識別可變模糊集，計算級別特征值：

(11)

式中：n為劃分級別數(shù)目。

8)得出最終的綜合評價結(jié)果：

(12)

式中：t為四種組合方式 。

表9 評價指標(biāo)特征值

3 案例分析

3.1 確定指標(biāo)特征值

針對濟南市某高層建筑，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研以及問詢，了解工程項目的綠色施工概況，且項目已通過強制性檢驗。通過八位相關(guān)專家對綠色施工評價體系所確定的18個指標(biāo)進行打分、量化。對于定性指標(biāo)而言，以八位專家打分得到的平均值作為指標(biāo)特征值。對于定量指標(biāo)，通過以現(xiàn)實施工水平?jīng)Q定特征值，通過查閱綠色施工導(dǎo)則、相關(guān)規(guī)范以及該地區(qū)的平均施工水平確定判斷區(qū)間。其中定性指標(biāo)有C3,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13,C14,C16；定量指標(biāo)有C1,C2,C4,C15,C17,C18。特征值結(jié)果見表9。

3.2 確定指標(biāo)評價區(qū)間矩陣Iab

3.3 確定可變區(qū)間矩陣Icd

3.4 確定M矩陣

根據(jù)式(5)，形成下列矩陣：

3.5 形成相對隸屬矩陣

根據(jù)評價對象特征值矩陣X與評價等級中的M矩陣相比較，求得相對隸屬函數(shù)，得到四個等級的相對隸屬矩陣U(x)：

3.6 計算綜合隸屬度

根據(jù)式(10)得：

1)當(dāng)α=1，ρ=1時，綜合隸屬度為

將其歸一化后得到相對隸屬度：

2)當(dāng)α=1，ρ=2時，綜合隸屬度為

將其歸一化后得到相對隸屬度：

3)當(dāng)α=2，ρ=1時，綜合隸屬度為

將其歸一化后得到相對隸屬度：

4)當(dāng)α=2，ρ=2時，綜合隸屬度為

將其歸一化后得到相對隸屬度：

3.7 綜合評價結(jié)果的計算

計算每種組合的級別特征值，得到：

4 結(jié)論

1) 從資源的合理利用，施工技術(shù)的實施，施工企業(yè)的管理，對環(huán)境的影響，成本投入這五個因素進行權(quán)重的分析以及對下一層次的指標(biāo)給予特征值，分析后得到該施工項目的綠色等級為2級-良，且偏向3級-合格。

2) 施工技術(shù)的實施這一項權(quán)重相對較低，且下含指標(biāo)得分也較低，因此可以從這一方面入手，提高施工技術(shù)的實施這一分項權(quán)重，且加強對綠色施工技術(shù)的引進及實施，通過倡導(dǎo)和實行建筑工業(yè)化來改變以往傳統(tǒng)的施工方式；其次對環(huán)境的影響這一分項權(quán)重較高，但是其中粉塵和污水的排放控制特征值不高，后續(xù)可以對污水處理與粉塵控制采取措施，提高該項目的綠色施工等級。

3) 采用可變模糊集理論的方法來評價綠色施工等級，可以全面考慮各影響因素對等級的判定，通過對定量因素、定性因素的劃分，使得評判更加準(zhǔn)確。且通過實例分析驗證了可信度，不僅可以得到項目的綠色施工等級，而且可以判斷出項目屬于各等級的概率，為管理人員后續(xù)制定綠色施工計劃提供了參考，因此該方法有一定的實際意義。