基于云模型的海綿城市項目績效評價研究

李英攀

劉名強

王 芳

目前，中國城市面臨嚴峻的水安全隱患，水生態(tài)、水污染和水資源短缺等問題嚴重制約城市綠色經(jīng)濟發(fā)展。面對氣候變化、資源衰竭等挑戰(zhàn)，國際上以彈性城市為落腳點展開了規(guī)劃建設(shè)和相關(guān)研究，我國也提出了具有中國特色的“海綿城市”。在頂層設(shè)計的指導及技術(shù)與財政的支持下，我國各地方積極創(chuàng)建的海綿城市已初具規(guī)模[1]。科學準確地對海綿城市項目開展績效考核，對今后我國海綿城市的規(guī)模推進具有重要意義。

國外的相關(guān)實踐多通過水敏感城市設(shè)計評價標準[2]和雨水利用設(shè)施標準[3]來考核項目績效，相關(guān)績效評價的理論研究則提出多雷達分析法[4]、生態(tài)凈效益貨幣量化框架[5]等方法，利用互聯(lián)監(jiān)測組件對項目技術(shù)產(chǎn)出效果進行統(tǒng)計[6]或利用歷史數(shù)據(jù)進行仿真建模[7]是目前較為流行的預(yù)測方式，此外還有聚類分析回歸[8]、敏感性分析和不確定性評價[9]等研究手段。我國在海綿城市的應(yīng)用上起步較晚，目前對海綿城市規(guī)劃控制方面的研究較多[10-13]。朱偉偉通過層次分析法構(gòu)建了海綿城市評價指標體系[14]；程鴻群等采用群組評價法計算專家群組共識度來確定海綿城市建設(shè)效果[15]。被廣泛運用在績效評價領(lǐng)域的模糊綜合評價法和專家評價法雖然能夠在評價過程中讓項目績效的信息缺乏和定性指標模糊化問題得到一定程度的改善，但仍未考慮評價的隨機性，尤其是對于海綿城市這種歷史數(shù)據(jù)較少、經(jīng)驗相對缺乏的新型基礎(chǔ)設(shè)施項目而言，常規(guī)評價方法很難客觀準確地反映出項目的績效水平。

因此，本文擬提出一種基于云模型的海綿城市項目績效評價方法。在確立海綿城市項目績效評價指標體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法，計算得到評價體系因素的主客觀綜合權(quán)重；采用云模型來描述評價結(jié)果和評價標準，最后依據(jù)云模型的相似度得到海綿城市項目績效考核等級，以衡量其是否達到既定標準或預(yù)設(shè)目標。

1 云模型

我國學者李德毅提出了一種新型不確定性推理理論——云模型，該理論利用特征期望Ex、熵En和超熵He來定量表述一個不確定概念[16]，實現(xiàn)了定性概念與定量數(shù)值之間的不確定性轉(zhuǎn)化，較好地揭示了評價對象具有的模糊性與隨機性。

將云模型理論用于海綿城市項目績效評價，其適用性和優(yōu)勢主要包括以下3點：1)云模型可接受的評價指標層面較廣，海綿城市績效涉及范圍大，需要考慮的因素眾多，多維云模型可以多角度綜合分析其績效情況；2)績效評價設(shè)置的績效等級屬于定性評價，一個等級包含的分值跨度大，而與海綿城市項目績效考核指標評價得分所對應(yīng)的等級差別較低，利用云模型可使定性和定量之間的轉(zhuǎn)換具有雙向可逆性，考慮了其具有的模糊性；3)項目績效考核的部分因素打分與評價者的實際感受密切相關(guān)，利用云模型能有效改善映射關(guān)系，考慮了其具有的隨機性[17]。

2 海綿城市項目績效評價指標體系

對海綿城市項目開展績效評價有利于增強其改變城市粗放型開發(fā)格局的作用，科學、準確的評價結(jié)果是城市水系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展的重要動力。海綿城市項目績效評價涉及多個方面，是一個復雜的系統(tǒng)問題，建立一個合理有效的績效評價指標體系是海綿城市項目績效評價的關(guān)鍵。

考慮到我國海綿城市的發(fā)展歷史較短，工程案例資料與相關(guān)研究文獻較少，目前尚未形成一套被廣泛接受的海綿城市項目績效評價指標體系，現(xiàn)階段海綿城市績效評價指標體系最權(quán)威的版本為住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2015年7月10日印發(fā)的《關(guān)于印發(fā)海綿城市建設(shè)績效評價與考核辦法(試行)的通知》，其中將影響海綿城市項目績效的因素總結(jié)為六大類共18項，該影響因素體系宏觀、全面、系統(tǒng)地對海綿城市項目提出了考核要求，故本文以此作為海綿城市項目績效評價的指標體系(表1)。

3 基于云模型的海綿城市項目績效評價方法

基于云模型的海綿城市項目績效評價方法原理如圖1所示。

3.1 確定評價標準S并邀請專家評價

根據(jù)海綿城市項目績效考核精度，確定評價標準等級，建立績效等級標準S={S1，S2，…，SP}，其中P為評價標準等級個數(shù)。邀請不少于9名來自建筑勘察設(shè)計部門、政府環(huán)境監(jiān)測部門、水文水務(wù)與質(zhì)管部門、海綿城市專項工作組以及科研單位等從事海綿城市專項工程實際管理及研究工作的專家參照指標體系U針對項目實際情況進行打分，同時對各指標完成兩兩重要性評價。

3.2 計算組合權(quán)重

分別利用層次分析法和熵權(quán)法確定各指標的主觀權(quán)重αj和客觀權(quán)重βj，再通過乘法歸一確定指標的組合權(quán)重γj，在計算時可利用MATLAB程序現(xiàn)有模塊完成，簡化計算過程[18]。

3.3 確定評價標準云

設(shè)指標評價值的有效論域為U=[0，100]，按照確定的評價標準等級個數(shù)P將其劃分成P個子區(qū)間，其中第i個子區(qū)間為[ ]，并且該子區(qū)間對應(yīng)的標準云Couldi的數(shù)字特征值為(EXi，ENi，HEi)，其計算表達式分別為：

其中，k為常數(shù)，可根據(jù)變量的模糊閾度進行調(diào)整[16]。

3.4 確定評價因素云和綜合云

對評審專家的打分結(jié)果Z=(zi1，zi2，…，zi18)，i=1，2，…，I進行處理，按式(2)～(4)計算得到所有指標評價云：第j個指標評價云為CUj(Exj，Enj，Hej)，j=1，2，…，18。

圖1 基于云模型的海綿城市項目績效評價方法

表1 海綿城市項目績效評價指標體系

圖2 評價等級標準云模型

圖3 評價綜合云模型

再把組合權(quán)重帶入各個績效評價指標云CUj的計算結(jié)果中，即可計算出海綿城市項目績效評價專家打分綜合評價云C(EX，EN，HE)，計算表達式為：

3.5 計算云相似度并確定績效考核等級

通過計算綜合評價云C(EX，EN，HE)與各評價等級標準云Couldi(EXi，ENi，HEi)之間的相似度δi，確定海綿城市項目績效等級。相似度值越大意味著項目績效等級與該評價等級越接近，取相似度最大的標準云對應(yīng)的績效評價級別作為海綿城市項目的績效等級。相似度δi的計算步驟如下：

1)在綜合評價云C中生成一個以EN為期望、為方差的正態(tài)隨機數(shù)

2)在綜合評價云C中生成一個以EX為期望、為方差的正態(tài)隨機數(shù)

3)將xk代入某評價等級i的標準云Couldi的期望方程中，計算

4)重復步驟2)和3)，直到生成n個μk，一般取n=10～20，計算相似度

4 實例驗證

本文以武漢市“十三五”重點工程青山區(qū)海綿城市建設(shè)示范區(qū)啟動項目——武青堤堤防江灘綜合整治工程為例，運用本文方法進行績效評價，并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評價法進行對比，驗證本文方法的有效性和優(yōu)勢。

4.1 項目概況

作為武漢市青山區(qū)海綿城市建設(shè)示范區(qū)的啟動項目，武青堤堤防江灘綜合整治工程是武漢市兩江四岸濱水區(qū)域建設(shè)的重要組成部分。項目屬1級堤防工程，由武青堤羅家港至武豐閘，長約7.5km，工程整治范圍堤外至水邊，堤內(nèi)至規(guī)劃控制的40m寬臨江大道內(nèi)邊線，占地總面積170hm2，項目總投資27億元，是近年來武漢市青山區(qū)投資最大的市政項目。項目建設(shè)內(nèi)容主要包括7.5km長的臨江大道擴建和堤防岸坡改造，以及總面積約136hm2的灘地平整和江灘景觀整治等。項目的實施對保障武漢河段的防洪安全、增強防洪能力、改善城市沿江環(huán)境景觀及周邊生態(tài)環(huán)境，以及推動濱江舊城改造工作、提升地區(qū)城市功能和城市形象、促進社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

項目融入了“海綿城市”和“雨水花園”的建設(shè)理念，景觀設(shè)計大量采用透水鋪裝材料，在場地內(nèi)引入生態(tài)草溪、下沉綠地、跌級濕地、覆土綠化屋面等景觀做法，生態(tài)化收集場地內(nèi)地表水，充分貫徹自然積存、自然滲透、自然凈化的理念并加強對雨水資源化利用。同時，在江灘內(nèi)部植入防滲墻，嚴控覆土建筑面積，有效確保大堤防洪效果。為使防洪功能與城市景觀實現(xiàn)無縫對接、自然融合，項目首創(chuàng)緩坡式生態(tài)堤防[19]，通過對原有土堤的改造，使堤頂?shù)浇呑o岸頂部之間形成自然過渡的緩坡，同時建設(shè)覆土建筑、園林廣場、運動場、親水平臺、木屋群、自行車騎行綠道等設(shè)施，打破傳統(tǒng)堤防阻隔人水相親的桎梏，實現(xiàn)城市、江灘、堤防三位一體的景觀結(jié)構(gòu)。項目年徑流總量控制率達80%，面源污染消減率達70%，透水鋪裝率為60%。

4.2 確定評價標準S并計算評價標準云

根據(jù)績效考核實際需求，將績效評價標準劃分為5個等級，即S={較差、合格、一般、較好、優(yōu)秀}，評分區(qū)間為[0，100]，按式(1)計算各等級標準云模型Couldi的特征值(表2)。由此即可構(gòu)成一個5級績效評價標準云系統(tǒng)，利用MATLAB 7.0完成云圖繪制(圖2)。

表2 評價標準等級劃分及對應(yīng)云模型

表3 各指標權(quán)重值及評價云模型

表4 綜合云與標準云的相似度

表5 幾種方法的結(jié)果對比

4.3 采集專家評價數(shù)據(jù)并計算組合權(quán)重

編制指標定量打分表和指標重要性權(quán)重評價表，邀請從事海綿城市專項工程管理及研究工作的13位專家，參考本地水源水質(zhì)狀況報告、地表水環(huán)境質(zhì)量狀況、水土保持公報和環(huán)境質(zhì)量狀況公報對本工程進行評價，評價分值在[0，100]范圍之內(nèi)，100表示考核單項績效等級最高。根據(jù)專家對各指標的兩兩重要性評價計算主觀權(quán)重αj，搜集6個同類型項目的數(shù)據(jù)計算客觀權(quán)重βj，進而得出各指標組合權(quán)重γj(表3第2～4列)。

4.4 計算各指標云和綜合云

專家對各項指標評價結(jié)果構(gòu)成評價矩陣Z，將評價矩陣Z的數(shù)據(jù)按照式(1)～(4)計算各項績效評價指標的評價云CUj(Exj，Enj，Hej)，j=1，2，…，18。

以城市面源污染控制U22為例，13位專家對該指標的評價結(jié)果為Ziu22=(87，81，78，81，82，90，83，86，77，78，82，81，78)，帶入計算可得ExU22=81.85、EnU22=3.65、HeU22=0.48，即得到指標云CU22(81.85，3.65，0.48)。同理，得出全體指標云(表3第5列)。

將全體指標云的數(shù)字特征與對應(yīng)的組合權(quán)重γj帶入式(5)中，得到EX=89.178、EN=3.092、HE=0.434，即該工程績效評價綜合云C(91.178，3.092，0.434)。綜合云云圖如圖3所示。

4.5 計算相似度確定績效評價等級

計算績效評價綜合云C(91.178，3.092，0.434)與各等級標準云Couldi的相似度δi，計算結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，績效評價綜合云C與標準云Could5的相似度δ5最大，同時從圖3評價綜合云與等級標準云的圖像比較中可以看出其疊合情況，符合相似度的計算結(jié)果。故武青堤堤防江灘綜合整治工程績效評價等級結(jié)果為優(yōu)秀。

4.6 案例小結(jié)

通過本方法對該工程進行績效評價，得出其等級為優(yōu)秀，與項目績效評價實際情況(90分，優(yōu)秀)一致。從圖3中各等級標準云與績效評價綜合云的貼合情況也可直接得出此結(jié)論。結(jié)合專家意見與同類型項目數(shù)據(jù)計算出的組合權(quán)重可以看出，污水再生利用率、雨水資源利用率、城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害防治和地下水位4項指標對本項目績效的影響情況最為主要，是需要重點控制的對象。同時，根據(jù)表3可以看出，年徑流總量控制率、地下水位、城市熱島效應(yīng)和污水再生利用率是本工程得分較低的單項，后續(xù)應(yīng)重點改進。

將計算結(jié)果與其他2種常用項目績效評價方法的試算結(jié)果進行對比(表5)，試算結(jié)果基本吻合。由于云模型能夠?qū)崿F(xiàn)定性概念與定量數(shù)值之間的不確定性轉(zhuǎn)化，而云圖中評價云的跨幅和厚度可以直觀地刻畫出績效評價過程中存在的模糊性和隨機性，故本文提出的績效評價方法可以將專家給出的績效評分數(shù)值與績效等級及標準劃分客觀地對應(yīng)聯(lián)系起來。計算結(jié)果采用相似度和云圖2種方式，方便決策者對績效評價結(jié)果的信息利用，也提高了各方對海綿城市項目績效評價的客觀認識。

5 結(jié)論

考慮到績效評價過程中的模糊性和隨機性，首次應(yīng)用云模型理論對我國海綿城市項目的績效考核進行了探索性研究，并結(jié)合實際工程算例分析，得出以下結(jié)論。

1)以云模型為原理的評價方法較好地處理了績效評價中的模糊性和隨機性等問題，實現(xiàn)了海綿城市項目績效考核定性概念和定量數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換，使評價更加客觀合理，滿足工程實際需求。

2)運用層次分析法和熵權(quán)法有機結(jié)合確定指標組合權(quán)重，一定程度上避免了單一賦權(quán)所帶來的偏差和弊端，更為準確地體現(xiàn)出不同指標對項目績效的重要程度，使評價更加科學合理。

3)較早提出對海綿城市項目開展績效評價研究，通過本文方法對其進行績效評價分析可得到直觀、可被廣泛利用和借鑒的數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出項目的建設(shè)現(xiàn)狀及其與目標的差距，為設(shè)計方案和技術(shù)的優(yōu)化改進以及項目后評價提供科學的分析工具與決策手段，有利于海綿城市項目的規(guī)范化實施。

注：文中圖片均由作者繪制。