城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)長效能力預(yù)測模型研究

摘要 城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)應(yīng)與經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)相互耦合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間相互匹配和相互 促 進(jìn)，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，實(shí)現(xiàn)功能安全，促使其在不斷演化中實(shí)現(xiàn)長效。城市基礎(chǔ)設(shè) 施系統(tǒng)長效能力是衡量城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)長效性的重要指標(biāo)，表征了基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜系統(tǒng)在全 壽命周期與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)適應(yīng)和主動(dòng)尋優(yōu)的能力。在界定城市基礎(chǔ)設(shè) 施系統(tǒng)長效能力內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行了定量描述，并采用灰色GM(1 ，N)模型 以實(shí)現(xiàn)對(duì)小樣本、貧信息且具有不確定性的城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)長效能力的預(yù)測。根據(jù)該預(yù)測 模型可以有效判斷城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展水平和未來發(fā)展趨勢，以確定城市基礎(chǔ)設(shè)施系 統(tǒng)是否處于長效發(fā)展態(tài)勢，為制定科學(xué)的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目決策提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 基礎(chǔ)設(shè)施長效能力；模糊數(shù)學(xué)；GM(1，N)模型；預(yù)測

中圖分類號(hào) F294 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1002-2104（2008）04-0020-04

城市是一個(gè)集社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和基礎(chǔ)設(shè)施等四個(gè)子系統(tǒng)于一體的復(fù)雜巨系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的 相互影響和相互作用，決定了城市的現(xiàn)實(shí)發(fā)展?fàn)顟B(tài)和未來發(fā)展趨勢。作為城市系統(tǒng)的重要組 成部分，基礎(chǔ)設(shè)施是城市綜合服務(wù)功能的物質(zhì)載體， 城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，具有自身特有的演化規(guī)律和行為模式。從系統(tǒng)科 學(xué)角度，可將城市基礎(chǔ)設(shè)施分為六大系統(tǒng)：城市能源動(dòng)力系統(tǒng)、城市水資源及供水排水系統(tǒng) 、城市道路交通系統(tǒng)、城市郵電通信系統(tǒng)、城市生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和城市防災(zāi)系統(tǒng)等［1］ 。城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)一般具有以下特點(diǎn)：服務(wù)的公共性和兩重性；效益的間接性和綜合性 ；運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)性和協(xié)調(diào)性；建設(shè)的超前性和形成的同步性；經(jīng)營的多樣性和壟斷性［2 ］。這必然要求基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不僅強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益，也應(yīng)重視社會(huì)效益和環(huán)境效益；不僅 要考慮局部效益，更要考慮其對(duì)城市整體及區(qū)域發(fā)展的推動(dòng)作用。因此，應(yīng)將基礎(chǔ)設(shè)施置于 經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài)復(fù)雜開放巨系統(tǒng)之中，考慮基礎(chǔ)設(shè)施與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)的相互作用 機(jī)理，促使系統(tǒng)達(dá)到長效。

1 城市基礎(chǔ)設(shè)施長效能力

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施長效性問題研究較少，也沒有較明確的定義。普遍認(rèn)為長效性是 一個(gè)模糊、不確定和多形態(tài)的概念。Bossel［3］認(rèn)為長效性是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，約 束條件為：社會(huì)發(fā)展程度、物質(zhì)條件和自然規(guī)律。評(píng)價(jià)長效性的兩類指標(biāo)為：一個(gè)系統(tǒng)的生 存發(fā)展和此系統(tǒng)對(duì)另一系統(tǒng)性能的影響?；A(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域目前把長效性簡單描述為基礎(chǔ)設(shè)施效 益產(chǎn)出相對(duì)投入的滯后性［4］或者基礎(chǔ)設(shè)施具有足夠長的使用壽命和很高的性價(jià)比 ［5～6］；Halla R. Sahely， Christopher A. Kennedy， Barry J. Adams ［7］ 認(rèn)為基礎(chǔ)設(shè)施長效性應(yīng)涉及：①?zèng)Q策制定：投資計(jì)劃和設(shè)施資產(chǎn)管理；②環(huán)境因 素；③有效提供維持和提高生活質(zhì)量的服務(wù)。實(shí)現(xiàn)長效性的計(jì)劃應(yīng)是一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部要素交互 與整合以及外部不同系統(tǒng)之間的交互作用，其他的社會(huì)系統(tǒng)（如金融和健康系統(tǒng)）也應(yīng)被考 慮。 Shovini Dasgupta， Edwin K.L. Tam［8］認(rèn)為城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的長效性應(yīng) 通過其生命周期的三個(gè)階段來保證：設(shè)計(jì)階段、執(zhí)行階段和運(yùn)營階段。歸結(jié)起來，目前對(duì)基 礎(chǔ)設(shè)施長效性的研究僅僅關(guān)注長效性在宏觀層面不同維度的描述和設(shè)定寬泛的目標(biāo)；往往側(cè) 重于某一特定類型基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展問題，沒有更多地考慮基礎(chǔ)設(shè)施與社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境發(fā) 展的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。且以宏觀分析和描述性論述居多， 缺少具體的定量研究。作為度量基礎(chǔ)設(shè) 施長效性的關(guān)鍵指標(biāo)，城市基礎(chǔ)設(shè)施長效能力的定量表達(dá)已成為指導(dǎo)具體項(xiàng)目決策的關(guān)鍵。

城市基礎(chǔ)設(shè)施長效能力可定義為在滿足基本功能需求的前提下，基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜系統(tǒng)在全壽命 周期與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)適應(yīng)和主動(dòng)尋優(yōu)的能力。動(dòng)態(tài)適應(yīng)要求系統(tǒng)之間 實(shí)現(xiàn)耦合，保證系統(tǒng)的良性發(fā)展；主動(dòng)尋優(yōu)指基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)應(yīng)從外部不斷獲取物質(zhì)、信息和 能量，并通過調(diào)節(jié)自身的結(jié)構(gòu)和行為方式，引起新層次的產(chǎn)生和分化，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)從低層 級(jí)向高層級(jí)，從不成熟到成熟的演化。因此，應(yīng)著力培養(yǎng)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)自我生長、自我優(yōu)化 的能力，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，實(shí)現(xiàn)功能安全，促使其在不斷演化中達(dá)到長效。城市基 礎(chǔ)設(shè)施長效能力并非越強(qiáng)越好，長效能力過高，資源利用未能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化；長效能力不足， 阻礙經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。因此，在全壽命過程中，基礎(chǔ)設(shè)施的階段目標(biāo)要與區(qū)域的社會(huì)需求、經(jīng) 濟(jì)規(guī)模、技術(shù)水平、自然資源、生態(tài)環(huán)境的階段發(fā)展相適應(yīng)，并適度領(lǐng)先經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展， 同時(shí)注重各方面資源的集約和使用效率。

作為一類社會(huì)服務(wù)機(jī)構(gòu)，政府應(yīng)弱化對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)發(fā)展的行政干預(yù)，轉(zhuǎn)為關(guān)注服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的 制定、質(zhì)量監(jiān)管和投資引導(dǎo)，改變目前經(jīng)營性與非經(jīng)營性項(xiàng)目捆綁經(jīng)營及政企不分的投資管 理格局，使政府在城市基礎(chǔ)設(shè)施上的經(jīng)營功能和監(jiān)管功能相分離。另外，城市基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè) 應(yīng)引入競爭機(jī)制，建立規(guī)范的法人治理結(jié)構(gòu)，形成科學(xué)、合理的組織管理模式，構(gòu)建一套有 效的激勵(lì)和約束機(jī)制，保證基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)長效。為正確判斷基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)前發(fā)展水平和未來發(fā) 展趨勢，以指導(dǎo)具體的項(xiàng)目決策，城市基礎(chǔ)設(shè)施長效能力預(yù)測已成為一個(gè)重要問題。

2 城市基礎(chǔ)設(shè)施長效能力預(yù)測

2.1 城市基礎(chǔ)設(shè)施長效能力的定量表達(dá)

選擇經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境作為描述基礎(chǔ)設(shè)施長效性的維度，亦據(jù)此三個(gè)維度構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)指 標(biāo)體系對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)長效能力進(jìn)行有效度量。被選指標(biāo)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)整體特性以及基礎(chǔ)設(shè) 施與經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系有較強(qiáng)的反映能力。評(píng)價(jià)體系應(yīng)包括系統(tǒng) 層、系統(tǒng)屬性層和底層指標(biāo)層，且具有遞階層次結(jié)構(gòu)特征。

采用L.A.Zadeh提出的模糊隸屬度函數(shù)的方法對(duì)指標(biāo)體系底層因子進(jìn)行無量綱化處理。

對(duì)于正向指標(biāo)，采用半升梯形模糊隸屬度函數(shù)進(jìn)行量化：

對(duì)于逆向指標(biāo)，采用半降梯形模糊隸屬度函數(shù)進(jìn)行量化：

2.2 城市基礎(chǔ)設(shè)施長效能力預(yù)測建模

灰色系統(tǒng)是黑箱概念的一種推廣，是指既包含已知信息又包含未知信息的系統(tǒng)。城市基礎(chǔ)設(shè) 施系統(tǒng)不是客觀實(shí)體，而是一個(gè)抽象的對(duì)象，并沒有明確的“內(nèi)”、“外”關(guān)系，難以分析 輸入對(duì)輸出的影響，因此缺乏模型信息。城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)部及其與經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài)復(fù) 雜系統(tǒng)之間存在著模糊性、不確定性、信息不完全性和隨機(jī)性，因此可以看作是灰色系統(tǒng)。 為了對(duì)小樣本、貧信息且具有不確定性的城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)長效能力進(jìn)行預(yù)測，可以采用灰 色GM(1，N)模型實(shí)現(xiàn)。

給定不同時(shí)間t后，根據(jù)公式（1），即可求出不同時(shí)刻城市基礎(chǔ)設(shè)施長效能力。設(shè)城市基礎(chǔ) 設(shè)施長效能力原始數(shù)據(jù)序列為：

稱a[KG*2][HT5]^[HT9.5SS]為GM(1，4)模型的發(fā)展系數(shù)，它是系 統(tǒng)要素內(nèi)在發(fā)展特征的量化結(jié)果， 是系統(tǒng)要素在目前和未來發(fā)展過程中起決定作用的參數(shù)。相對(duì)于特征序列所傳達(dá)信息的原始 性、離散性和無規(guī)律性，發(fā)展系數(shù)所表示的是內(nèi)在的、本質(zhì)的和白化的信息。對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施 系統(tǒng)而言，不僅應(yīng)考慮系統(tǒng)長效能力的現(xiàn)狀，更應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)內(nèi)在動(dòng)力和發(fā)展態(tài)勢，即基礎(chǔ)設(shè) 施系統(tǒng)長效能力的發(fā)展特征。若a[KG*2][HT5]^[HT9.5]≥0，則a [KG*2][HT5]^[HT9.5SS]越小，基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)長效能力發(fā)展態(tài)勢越 良好。

稱bi（i=2，3，4）為GM(1，4)模型的協(xié)調(diào)系數(shù)。若某個(gè)bi≥0（i=2，3，4），則稱系統(tǒng) 的作用變量Xi（經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)）對(duì)系統(tǒng)的行為變量X1（城市基礎(chǔ)設(shè)施長效能力 ）起正向推動(dòng)作用；若所有bi≥0（i=2，3，4），則稱基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài) 復(fù)雜系統(tǒng)能相互協(xié)調(diào)。bi（i=2，3，4）越大，該因子變量對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施長效能力的協(xié)調(diào)作 用越顯著。

在建立GM(1，4)模型時(shí)，通常要對(duì)原始數(shù)據(jù)作初值化處理。因此，若X(0)1(k)＞1， 則表明基礎(chǔ)設(shè)施長效能力是增長的，反之則是衰減的；若X(0)1(k)恒大于1，且增 長率恒為正時(shí)，表明基礎(chǔ)設(shè)施長效能力持續(xù)增長；若X(0)1(k)大于1，但增長率恒 為負(fù)時(shí)，表明基礎(chǔ)設(shè)施長效能力是衰減的，基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是非長效的。

3 結(jié) 語

基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)并非孤立系統(tǒng)，不斷與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)、信息和能量的交流。 良好的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)不僅要求內(nèi)部子系統(tǒng)具有旺盛的生命力，更需實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)與外部 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的耦合，形成功能耦合網(wǎng)，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長效。作為衡量系統(tǒng)長效性的重要指標(biāo)，城 市基礎(chǔ)設(shè)施長效能力定量描述了基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展水平及城市各子系統(tǒng)耦合程度。系統(tǒng) 長效能力發(fā)展是動(dòng)態(tài)的，在特定的時(shí)期，需要與經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)相匹配的長效 能力。因此，用灰色系統(tǒng)模型預(yù)測基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)長效能力發(fā)展，可為制定科學(xué)的項(xiàng)目決策提 供依據(jù)。

（編輯：王興杰）

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