基于多層次灰色關(guān)聯(lián)度分析的公路綠色選線研究

王 立， 云 凌， 徐重岐， 曾俊偉

(1.蘭州交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué) 后勤集團， 甘肅 蘭州 730070； 3.蘭州交大工程咨詢有限責(zé)任公司， 甘肅 蘭州 730070)

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基于多層次灰色關(guān)聯(lián)度分析的公路綠色選線研究

王 立1， 云 凌2， 徐重岐3， 曾俊偉1

(1.蘭州交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué) 后勤集團， 甘肅 蘭州 730070； 3.蘭州交大工程咨詢有限責(zé)任公司， 甘肅 蘭州 730070)

公路建設(shè)對沿線的生態(tài)環(huán)境有著復(fù)雜影響，綠色選線作為一種生態(tài)公路建設(shè)形式，是與當(dāng)前應(yīng)對環(huán)境問題的可持續(xù)發(fā)展理念一脈相承的。在原有公路選線的基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境影響因素，構(gòu)建了公路綠色選線評價指標體系；通過層次分析法(AHP)將定性、定量分析相結(jié)合，合理確定各指標權(quán)重。運用多層次灰色關(guān)聯(lián)分析模型分層次計算出各評價方案與理想方案的關(guān)聯(lián)度并排序，進而確定最優(yōu)方案，并通過引入實例進一步驗證了該評價方法的科學(xué)性和實用性，為公路綠色選線決策提供參考依據(jù)。

公路選線； 環(huán)境影響； 灰色關(guān)聯(lián)度分析； 評價指標體系； 方案優(yōu)選

1 概述

當(dāng)前我國面臨的環(huán)境問題十分突出，可持續(xù)發(fā)展理念的欠缺和長期以來高污染、高能耗等傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的沿用是環(huán)境問題形成的重要原因。環(huán)境問題的出現(xiàn)，嚴重影響到了人們正常的生產(chǎn)生活和身體健康。黨的十八大報告提出將“大力推進生態(tài)文明建設(shè)”作為全面建設(shè)小康社會的新要求，生態(tài)文明建設(shè)理念已上升為國家戰(zhàn)略[1]。

隨著我國國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展以及拉動內(nèi)需政策的持續(xù)帶動，我國的公路建設(shè)近年來取得了蓬勃發(fā)展，高等級公路大量建造，公路運營里程逐年增多，但公路在施工建設(shè)和運營管理過程中也在以不同形式對沿線自然景觀、植被、水資源、土地、空氣環(huán)境等環(huán)境要素造成破壞和污染，加劇了公路沿線的環(huán)境壓力[2]。研究表明，公路項目在施工和運營過程中因大量能耗和污染物排放帶來了嚴重的生態(tài)負效應(yīng)，交通建設(shè)引起的生態(tài)破壞已成為生態(tài)環(huán)境不斷惡化的主要原因之一[3]。因此，公路線路的選擇非常重要，尤其是在那些自然生態(tài)本身就很脆弱的地區(qū)。在公路選線過程中，要堅持可持續(xù)發(fā)展觀，盡可能地減少公路建設(shè)對沿線環(huán)境的影響，實現(xiàn)公路與沿線環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，這也是公路綠色選線的重要內(nèi)容。

2 公路綠色選線的定義

公路綠色選線，又被稱為環(huán)境選線，一般是指從可持續(xù)發(fā)展和保護自然環(huán)境的角度出發(fā)，對公路項目進行選線設(shè)計，保證不因公路建設(shè)而使沿線周邊環(huán)境受到破壞，盡量使之保持原有水平，甚至還要有一定的改善[4]。作為一種全新的理念，公路綠色選線是近年來伴隨著環(huán)境污染而被提出的，是與解決環(huán)境問題的可持續(xù)發(fā)展理念一脈相承的。在對公路建設(shè)方案進行比選和決策時，經(jīng)濟指標固然重要，但并不唯一，加之公路項目一般投資規(guī)模大、運營周期長，因此決策時更應(yīng)統(tǒng)籌綜合考量，尤其是在大力推進生態(tài)文明建設(shè)的當(dāng)下，更應(yīng)積極從環(huán)境保護的角度對公路建設(shè)項目可能給沿線環(huán)境帶來的影響進行評估，進而為選線方案的比選提供依據(jù)[5]。本文首先構(gòu)建出公路綠色選線評價指標體系，運用層次分析法(AHP)確定各指標權(quán)重值，然后利用多層次灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對各選線方案進行綜合評價、排序和優(yōu)選。

3 層次分析法(AHP)

即Analytic Hierarchy Process(簡稱AHP)，是一種將定性判斷和定量分析有機結(jié)合在一起的多準則決策方法，最早由美國著名管理運籌學(xué)家T.L.Satty等人于上世紀70年代提出，該方法是把人的主觀判斷作量化處理，并以此為基礎(chǔ)開展定量分析，具有分層漸進的特點[6]。AHP適用性很強，作為一個決策工具，被廣泛應(yīng)用于解決各種復(fù)雜的多準則決策問題。在實際工作中具體運用該方法時，需先將問題層次化，即把一個復(fù)雜的決策問題先分解為目標、準則、指標等小的層次，構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)模型，然后再對每一層中各元素相對于上一層元素的重要性做定量描述，并根據(jù)各元素的重要程度依次進行賦值。通過對復(fù)雜系統(tǒng)各層次的分析，導(dǎo)出對整個問題的分析判斷，做出最終決策。這里依據(jù)AHP思想先構(gòu)建公路選線環(huán)境評價指標體系，隨后再確定各指標權(quán)重值。

3.1 構(gòu)建公路綠色選線評價指標體系

構(gòu)建科學(xué)合理的評價指標體系是進行綜合評價的基礎(chǔ)，合理選取一系列適合的評價指標對綜合評價結(jié)果至關(guān)重要。公路綠色選線是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，評價一個公路選線方案的優(yōu)劣涉及到多方面因素，需要運用科學(xué)的方法統(tǒng)籌考量才行。在遵循評價指標選取基本原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合新建公路所在區(qū)域的實際環(huán)境特點，本文擬從4大方面構(gòu)建公路綠色選線評價指標體系，如圖1所示，在該層次結(jié)構(gòu)模型中，目標層為A，準則層包括B1、B2、B3和B4，指標層包括C1、C2、…、C13等13項具體指標。

圖1 公路綠色選線評價指標體系Figure 1 Evaluation index system of green highway alignment selection

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

A表示目標集，ai為評價因素(i=1,2,…,m)，對同一層次的指標兩兩比較其相對重要性，得到相對權(quán)重的比值ωi/ωj；用aij表示aj相對于ai的重要性數(shù)值(j=1,2,…,n)，根據(jù)各評價因素的重要程度進行排序，構(gòu)建評價指標的判斷矩陣A，如下式：

在判斷矩陣中，通常使用1～9標準度法將一個元素相對于另一個元素的相對重要性進行量化表述。具體兩元素相比較所得的數(shù)字標度如表1所示，它解釋了遞階層次結(jié)構(gòu)中低層元素相較于高層(準則層)元素兩兩比較時，采用1～9的不同數(shù)值所表達的強弱程度[7]。

表1 1～9標度法Table1 1～9scalemethod重要程度(Cij賦值)定義含義表述1同等重要i,j兩元素作用相同3稍強i元素比j元素稍重要5強i元素比j元素明顯重要7很強i元素比j元素強烈重要9絕對重要i元素比j元素絕對、極端重要2,4,6,8其他標度相對值倒數(shù)值當(dāng)i與j相比較時被賦予以上某標度值,則當(dāng)j與i比較時的權(quán)重即為那個標度值的倒數(shù)。

3.3 計算判斷矩陣的權(quán)重向量

權(quán)重值的確定一般有冪法、和法和方根法。這里采用方根法來計算判斷矩陣的權(quán)重向量，主要步驟如下：

(1) 計算判斷矩陣每一行元素的乘積Mi：

則W=[w1，w2，…，wn]T即為權(quán)重向量。

(4) 計算判斷矩陣A=(aij)m×n的最大特征根λmax：

3.4 一致性檢驗

表2 平均隨機一致性標度RI值Table2 AveragerandomconsistencyindexRIvaluenRInRI30.3791.3240.67101.3750.91111.4161.07121.4371.19131.4581.28141.46

4 多層次灰色關(guān)聯(lián)度分析的基本模型

公路項目綠色選線系統(tǒng)是一個信息不完全確知的灰色系統(tǒng)，首先是因為影響公路選線的環(huán)境因素太多且復(fù)雜，在進行評價時只能選擇有限的主要指標進行分析；其次，所選取的評價指標的數(shù)據(jù)有些是已知的，可從現(xiàn)有資料中獲取，但有些指標的數(shù)據(jù)卻是未知的，無法從統(tǒng)計資料中直接獲取。因此，公路綠色選線系統(tǒng)具有“灰色”的特征，運用灰色理論對其開展評價研究是適宜的。

灰色關(guān)聯(lián)度分析是一種定量分析某復(fù)雜系統(tǒng)中兩因素間相互關(guān)聯(lián)程度的數(shù)學(xué)方法。基本思路為：以決策方案的最優(yōu)指標值作為參考數(shù)列X0的各實體x0k，被評價方案的各指標作為比較數(shù)列Xi的各實體xik，計算參考數(shù)列與比較數(shù)列之間的灰色關(guān)聯(lián)度ri[8]。依據(jù)計算出的灰色關(guān)聯(lián)度ri的大小即可判定各評價方案與理想方案(最優(yōu)方案)之間的貼近程度，進而可確定出各方案的優(yōu)劣次序。具體步驟如下。

4.1 構(gòu)造參考數(shù)列

對一個由m個評價對象，n個評價指標的系統(tǒng)，有如下矩陣：

其中：i為第i個評價對象的序號，i=1,2,…,m；k為第k個評價指標的序號，k=1,2,…,n；vik表示第i個方案的第k個指標的評價值?，F(xiàn)將m個評價方案中的各評價指標的最優(yōu)值v0k挑選出來，即v0k=Optimum(vik)，構(gòu)成參考數(shù)列V0，即V0=(V01，V02，…，V0n)[9]。

4.2 對指標值進行規(guī)范化處理

為使各指標兩兩之間便于比較，按下式(1)對指標作規(guī)范化處理：

(1)

規(guī)范化處理后得到矩陣：

(2)

4.3 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

將數(shù)列Xi=(Xi1，Xi2，…，Xin)(i=1,2,…,m)作為比較數(shù)列，X0=(X01，X02，…，X0n)作為參考數(shù)列，二者間的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζik可通過下式(3)計算獲得。

(3)

(4)

4.4 計算單層次的關(guān)聯(lián)度

R= (ri)1×m=(r1，r2，…，rm)=WET

(5)

4.5 計算多層次評價系統(tǒng)的最終關(guān)聯(lián)度

設(shè)一評價系統(tǒng)共L層，其最終關(guān)聯(lián)度的計算如下： 首先合成第k層各指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)，從而得到系統(tǒng)上一層即第(k-1)層的關(guān)聯(lián)度；然后以該層關(guān)聯(lián)度為基礎(chǔ)，繼續(xù)向上一層即第(k-2)層進行合成計算，以此類推，最終求出系統(tǒng)最高層指標的關(guān)聯(lián)度，即為該系統(tǒng)的最終關(guān)聯(lián)度[10]。按照系統(tǒng)最終關(guān)聯(lián)度ri(i=1,2,…,m)的大小排序，即可確定各方案的優(yōu)劣次序，從而達到方案優(yōu)選的目的。

5 實例

某公路建設(shè)項目正處于勘察設(shè)計階段，有不同線路走向的備選設(shè)計方案A、B、C 3個，現(xiàn)以該公路綠色選線方案比選為例，按照圖1所示的評價指標體系，根據(jù)1～9標度法，組織專家打分并綜合考慮各方面因素構(gòu)造出判斷矩陣，通過一致性檢驗后，確定出評價指標體系中各層次指標權(quán)重值如下：

wAB=(0.139， 0.095， 0.251， 0.515)；

wB1C=(0.667， 0.333)；

wB2C=(0.300， 0.350， 0.350)；

wB3C=(0.143， 0.143， 0.571， 0.143)；

wB4C=(0.221， 0.146， 0.528， 0.105)。

5.1 計算單層關(guān)聯(lián)度

依據(jù)公路綠色選線評價指標體系，邀請熟悉該領(lǐng)域的專家組采用10分制分別對A、B、C 3個備選方案進行打分，各指標分值Vik(i=1,2,3;k=1,2,…,13)及各指標的最佳值V0k列于表3所示。

表3 公路綠色選線方案評價指標值及最佳值Table3 Evaluationindexvalueandthebestvalueofgreenhighwayalignmentselectionschemes指標方案ABC最佳值C17677C28788C37877C48866C55675C67878C79789C88799C97767C106766C116585C127676C136776

由表3可得: 參考數(shù)列V0=(7,8,7,6,5,8,9,9,7,6,5,6,6)，按照式(1)對表3中的各指標值進行規(guī)范化處理后，可求得關(guān)聯(lián)系數(shù)ζik(i=1,2,3;k=1,2,…,13)如表4所示。

5.2 多層次結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度合成

根據(jù)式(5)可求得B層各指標的關(guān)聯(lián)度：

表4 關(guān)聯(lián)系數(shù)值Table4 Correlationcoefficientvalue指標方案ABCζi111/31ζi211/31ζi311/31ζi41/31/31ζi511/21/3ζi61/311/3ζi711/31/2ζi81/21/31ζi9111/3ζi1011/31ζi113/511/3ζi121/311/3ζi1311/31/3

上式中，EB1C、EB2C、EB3C、EB4C分別為表4中對應(yīng)數(shù)據(jù)所組成的矩陣，進一步可求得最高層指標A的關(guān)聯(lián)度：

WAB·[RB1,RB2,RB3,RB4]T=

5.3 方案優(yōu)選

根據(jù)RA的計算結(jié)果可知: 就環(huán)境影響視角而言，A，B，C 3個備選方案的優(yōu)劣次序為：A>C>B，則應(yīng)優(yōu)選方案A。

6 結(jié)語

本文運用AHP和灰色關(guān)聯(lián)度分析法來對公路綠色選線方案進行優(yōu)選，將定性分析和定量分析做了有效的結(jié)合。運用科學(xué)的數(shù)學(xué)方法將備選方案進行量化處理，通過兩兩比較確定各指標的權(quán)重值，并在決策信息不確切和不完備的條件下，通過引入多層次灰色關(guān)聯(lián)度分析法對評價方案進行分析，在一定程度上擴大了信息源，提高了決策的可靠度及準確性[11]。實例計算表明，該模型具有良好的實用價值，特別是在評價方案的影響因素多，所需信息缺失且不確切，僅憑人的主觀分析和判斷很難進行取舍時，采用該模型進行方案比選的輔助決策非常適合。

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Study of Green Highway Alignment Selection Based on Multi-Hierarchical Gray Correlation Analysis

WANG Li1， YUN Ling2， XU Zhongqi3， ZENG Junwei1

(1.School of Traffic and Transportation, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou， Gansu 730070, China； 2.Lanzhou Jiaotong University Logistics Group, Lanzhou, Gansu 730070,China； 3.Lanzhou Jiaotong University Engineering Consultation Co.Ltd, Lanzhou, Gansu 730070,China)

The highway traffic construction has a complex impact on the ecological environment along highway line. The green highway alignment selection as a form of ecological highway construction, is the same strain with the current concept of sustainable development to solve the environment problem. Based on the original highway alignment selection, combined with environmental impact factors, the evaluation index system of green highway alignment selection was constructed.Through AHP combining qualitative and quantitative analysis, the weight of indexes was reasonably determined. The correlation degree was calculated and sequenced between each evaluation scheme and ideal scheme by using multilevel gray relational analysis model, and then determined the optimal solution. And the scientificity and practicability of the evaluation method was further verified by introducing examples, providing a reference basis for the decision of green highway alignment selection.

highway alignment selection; environmental impact; gray correlation analysis;evaluation index system; scheme optimization

2015 — 04 — 14

教育部博士點(新教師)基金項目(20136204120007)；甘肅省自然科學(xué)基金項目(1308RJZA128)；甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項目(JK2013-21)；蘭州交通大學(xué)青年科學(xué)研究基金(2012056)

王 立(1981 — )，男，安徽蕭縣人，碩士研究生，講師，研究方向：工程經(jīng)濟與項目決策，安全技術(shù)及工程。

U 412.32

A

1674 — 0610(2016)05 — 0028 — 05