基于DEMATEL- ISM 模型的生態道路綜合評價指標篩選

曾小清，賀俊翔，陸 陽，馮棟梁，王奕曾

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市 201804；2.上海市市政工程建設發展有限公司，上海市 200025）

0 引 言

近年來，隨著我國人民物質生活需求逐步被滿足，人們對精神文化需求同樣不斷提出更高的要求，其中最常被提起的就是對良好的居住環境的需求。同時，黨和國家也將綠色生態規劃為我國城市建設的主要發展方向，并分別于十八大和十八屆三中全會提出“推進綠色發展、循環發展、低碳發展”和“建設美麗中國”的構想，于十九大報告強調“生態文明、生態建設、生態保護”，其中“生態”二字在報告正文中更是共計出現42 次。由此可見，生態文明建設已經發展成為我國重要的國家發展戰略。

交通領域的生態文明建設進程同樣至關重要。交通運輸部[1]在2017 年印發的《推進交通運輸生態文明建設實施方案》中對交通運輸生態文明建設的總體要求、目標及基本原則進行了闡述，并從四個方向出發提出并制定了15 項重點任務和3 項保障措施來推進交通運輸行業的生態文明建設。在交通運輸行業的生態文明建設推進過程中，生態道路是其中必不可少的一部分，也是實現城市道路可持續發展的必然選擇。

綜上所述，建立合理生態道路指標體系有重要的意義。一方面符合居民對美好生活環境的向往，另一方面填補從業人員在該領域研究的空白。本文通過征集多位專家的意見，總結了4 個大項69 個小項的標準庫，并使用DEMATEL-ISM 模型進行選擇，篩選出最符合要求的一系列標準。

1 基本方法

1.1 DEMATEL-IS M 模型的介紹

決策試驗和評估實驗法DEMATEL[2-11]（Decision Making Trial And Evaluation Laboratory）是由日內瓦研究中心Battelle 協會在1972 年提出的一種面向復雜系統因素分析的算法，并于世界范圍被廣泛使用。該算法是一種使用圖論與矩陣工具對系統要素進行分析的方法。本文使用這種方法能夠充分利用專家的經驗和知識來處理生態道路生命周期中資源、社會、環境等因素組成的復雜的系統問題，能夠對生態道路的相互影響關系做出科學性研究。但DEMATEL 算法不能劃分生態道路評價指標的結構層次，也不能識別評價指標體系中的基礎性指標，因此需要引入ISM模型彌補上述的不足。

解釋結構模型ISM[12-25]（Interpretative Structural Modeling Method） 是J.N.Warfield 在A.F.Osborne 于1939 年提出的“集體思考（brainstorming）”的基礎上發展而來的一種階層構造化的方法。此方法先把作為分析對象的系統拆分成多個子系統，然后分析因素與因素間的二元影響關系，通過布爾邏輯運算得出系統的邏輯結構，得到簡潔的層次化結構的有向拓撲圖。

DEMATEL 和ISM 都是適用于關鍵和復雜情況下的分析和決策，將兩者結合可以更加科學地做出決策，相互補充對方的不足。DEMATEL 用于確定因素間的相互作用關系，并有助于ISM 將各個因素間的因果組織架構可視化的呈現。ISM 則用于將復雜的評價對象系統拆分為多個簡單的子系統。

1.2 DEMATEL-IS M 理論步驟

在這一小節中，DEMATEL-ISM 方法的詳細理論步驟將被按照順序依次展示。

（1）建立初始直接影響矩陣A。本文邀請了14名專業領域的學者對生態道路評價統一模塊的m 個指標間的相互影響關系進行了打分（0～4 分制，0 分代表無影響，1 分代表弱的影響，2 分代表一般影響，3 分代表強的影響，4 分代表很強的影響），共回收了14 份有效數據，并將所有指標的集合設為G。為使回收數據更加科學合理，將14 份數據進行了平均計算，最終得到了生態道路評價的初始直接影響矩陣A=[aij]m×m，其中aij代表指標i 對指標j 的影響程度。

（2）計算規范化直接影響矩陣N。首先將初始直接影響矩陣A 規范化，分別計算初始直接影響矩陣的各行和與各列和，對比找出最大值并將該值記為，然后將初始直接影響矩陣A 除以這個最大值之后得到的矩陣即為規范化直接影響矩陣N，數學表達式如下：

（3）計算綜合影響矩陣T。規范化直接影響矩陣N 表示了各標價指標之間的直接影響關系，但在實際問題中還需要考慮相互之間的間接影響與相互影響關系。綜合影響矩陣表示各因素對系統最終綜合影響水平，其計算公式如下：

式中：I 為單位矩陣。

（4）確定中心度和原因度。首先分別計算矩陣T各行ri和以及各列和ci，其中ri為對應指標對其他指標的直接影響與間接影響的總和，即為影響度；ci為對應指標i 受其他指標影響程度的總和，即為被影響度。故中心度ei和fi原因度的計算公式如下：

其中，中心度ei越大，說明該指標在指標體系中處于越重要的位置及其所起到的作用也就越大；當原因度fi大于0 時，說明該指標對其他指標影響力大于受到的影響，故稱為原因指標。當原因度fi小于0 時，說明該指標對其他指標影響力小于受到的影響，故稱為結果指標。

（5）計算整體影響矩陣H。整體影響矩陣的計算公式如下：

式中：I 為單位矩陣。

（6）建立可達矩陣D。可達矩陣D 的建立與閾值λ 的大小有關，而閾值λ 可通過計算綜合影響矩陣T所有元素的平均值來得到。當整體影響矩陣H 中的元素hij大于閾值時，則將相應的dij判定為1，反之判定為0，故可達矩陣中的0 和1 可理解為是否可到達的關系，其計算公式如下：

（7）進行區域分解。R（gi）為可達矩陣D 中第行為1 對應的指標關系，即為指標gi所能到達的其他指標；A（gi）為可達矩陣中第i 列為1 對應的指標關系，即為可以到達指標gi的其他指標。設T（gi）=｛gi∈G｜R（gi）∩A（gi）=A（gi）｝，其中T（gi）是最始發出層的指標集。

假設存在gk，gt∈T（gi）。當R（gk）∩R（gt）=φ 時，說明存在兩個互相無法到達的區域，并且這兩個區域分別從指標gk，gt出發；當R（gk）∩R（gt）≠φ 時，說明這整個區域都是可以相互到達的。

（8）進行層級分解。與區域分解類似，令S（gi）=｛gt∈G｜R（gi）∩A（gi）=R（gi）｝，則S（gi）為最終接受層的指標集。找出S（gi）后，從原指標集G1中去掉S1中的指標，構成新的指標集G2，即G2=G1-S1。重復以上步驟，直到找不到新的S（gi），至此結束。

（9）進行指標篩選。首先，互相無法到達的區域內指標需要單獨選取。指標來自不同區域說明指標類型互相不包含，相互之間差異性較大，每個區域指標需要選擇一個以上的指標。

第二步，選擇來自最始發出層的指標。因為通過最始發出層的指標可以推理出（到達）其他指標，其具有代表性。而且最始發出層中任意兩個指標之間沒有影響關系。

第三步，選擇部分最終到達層指標。最始發出層指標不可以完全代替最終到達層指標，最終到達層指標是整個評價指標體系的精髓的提煉，相比與最始發出層指標，其所包含的信息經過了進一步的拓展。最后，根據專家意見對上述步驟篩選出的指標進行改動。經過DEMETAL-ISM 模型以及上述三條原則的篩選可以獲得大部分合理的指標，但生態道路本身具有特殊性，所以應在篩選完成前詢問專家意見，根據意見對其進行補充與調整。

2 算例分析

2.1 生態道路評價指標庫的建立

通過采用文獻研究法，利用國內外較為權威的文獻檢索工具收集相關文獻45 篇，并對文獻中提出的指標進行整理與歸納形成較為龐大的指標庫[26-45]。在采用系統分析法詳盡分析生態道路本身系統層次特點的同時結合生態道路的定義與目標、生態道路評價指標體系的目標與范圍，將生態道路評價指標庫內的指標分為5 大類共計113 個指標：資源節約類、生態環保類、品質建設類、智慧管理類、服務人文類。使用調研研究法以及頻度分析法等方法對上文搭建的生態道路指標庫內的指標進行初步篩選，同時注意整理評價內容相近的指標，選取重要指標、合并評價內容相近的指標、剔除不重要的指標，最后余下69 個指標（見表1）。

表1 初步篩選后的生態道路評價指標體系

上述通過初篩得到的含有69 項指標的生態道路評價體系雖內容較為豐富，但因指標過多，評價工作會較為繁瑣，有違可操作性原則，故引入DEMATEL-ISM 數理模型對其進行進一步的指標篩選工作。

2.2 計算實例

初步搭建的生態道路評價指標體系涵蓋69 項指標，較好地滿足了全面性的原則，但也因為指標數量大而影響指標體系在實際工作中的實用性，因此必須對69 項指標進行篩選，并確保篩選后的指標獨立性強，內涵豐富。

本章將以指標數量為15 的“生態環?！弊鳛樗憷?，使用DEMATEL-ISM 模型進行指標篩選工作。

首先邀請專家按照德菲爾法的要求對生態環保分類下的15 項二級指標間影響力的大小進行打分，將問卷調查的結果進行整理得到初始直接影響矩陣A（見表2）。

表2 初始直接影響矩陣A

利用式（1）以及初始直接影響矩陣A 建立規范化直接影響矩陣N（見表3）。

表3 規范化直接影響矩陣N

基于式（2）、式（3）以及規范化直接影響矩陣N建立綜合影響矩陣T（見表4）。

表4 綜合影響矩陣T

利利用綜合影響矩陣算出其各行和以及各列和，隨后利用式（4）、式（5）計算中心度和原因度，可以繪制各指標的中心度和原因度分布圖（見圖1）。再利用式（6）建立整體影響矩陣（見表5）。

表5 整體影響矩陣

圖1 生態環保初篩指標中心度和原因度分布圖

利用整體影響矩陣H 和式（7）算出可達矩陣（見表6），閾值λ 由計算綜合影響矩陣T 所有元素的均值得到。

表6 可達矩陣D

根據區域劃分原則，得到生態環保指標可達到與可接受分布表（見表7）。易得不存在互不連通區域。

表7 生態環保指標可達到與可接受分布表

4 結 論

在前文的基礎上，同理對其他四個方面的指標也通過上述步驟進行篩選，選出最具有代表性的指標，最終結果整理如下（見表8），作為生態道路綜合評價指標體系的構成。

表8 生態道路綜合評價指標體系

5 結 語

本文基于調研研究法收集國內外與生態道路評價相關的文獻資料并形成生態道路評價指標庫，將指標庫內指標的評價內容拆解并結合頻度分析法初步篩選指標形成生態道路評級體系的雛形。利用DEMATEL-ISM 模型分析經過初篩的生態道路評級體系中各指標間的相互影響關系和層次結構，根據模型計算結果進一步篩選指標，形成包含五大類、36項具體指標的生態道路綜合評價指標體系。