基于G1法和改進(jìn)DEA的鐵路綠色施工節(jié)能措施綜合效果研究

鮑學(xué)英，柴乃杰，王起才

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對能源的需求越來越大，使得能源的供需矛盾愈發(fā)突出。尤其在工程建設(shè)方面，每年能源的供給量已超過全國能源消費總量的25%[1]。因此，實施建設(shè)工程綠色施工，因地制宜地選用高效施工節(jié)能措施并大力推廣，緩解能源的供需矛盾，避免出現(xiàn)能源危機(jī)，已成為建設(shè)工程可持續(xù)發(fā)展的重要課題，也是實現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要保證[2]。

目前，綠色施工節(jié)能措施已越來越引起國內(nèi)政府部門及有關(guān)學(xué)者的關(guān)注，特別是在建筑方面，已取得不少成就。國家宏觀層面上，自2005年中華人民共和國建設(shè)部發(fā)布GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[3]，規(guī)定公共建筑節(jié)能率不應(yīng)低于50%的要求開始，到2007年國家建設(shè)部印發(fā)的建質(zhì)〔2007〕223號《綠色施工導(dǎo)則》[4]，再到后期出臺的一系列關(guān)于綠色施工的政策制度，為節(jié)能、環(huán)保提供了技術(shù)支撐和產(chǎn)品選型，推動了綠色施工技術(shù)措施的快速發(fā)展[5]。從企業(yè)微觀經(jīng)濟(jì)角度看，不少學(xué)者對此也進(jìn)行了較為深入的研究。文獻(xiàn)[6]通過分析國內(nèi)能源及建筑節(jié)能現(xiàn)狀，全面闡述了施工節(jié)能的含義及重要性，并結(jié)合節(jié)能技術(shù)措施，提出了施工節(jié)能方面的建議。文獻(xiàn)[7]參照一些行業(yè)定額的制定方法，提出了施工能耗評價體系，推薦使用單位面積的施工能耗來評價施工能耗水平。文獻(xiàn)[8]主要介紹綠色施工中的節(jié)能措施，包含施工機(jī)械設(shè)備(機(jī)具)的節(jié)能措施，施工建筑材料的節(jié)能措施，現(xiàn)場辦公、生活區(qū)的節(jié)能措施以及施工組織過程中所采用的節(jié)能措施，為綠色施工中常見的能源節(jié)約問題提供初步解決思路。

鑒于各種節(jié)能措施效果在建筑領(lǐng)域具有相對成熟的評價理論，而在鐵路領(lǐng)域的相關(guān)理論卻甚是缺失的現(xiàn)狀，本文借鑒建筑工程領(lǐng)域較成熟的評價方法及理論，結(jié)合鐵路工程綠色施工的特點，研究鐵路工程綠色施工中的節(jié)能措施綜合效果，為鐵路工程綠色施工項目擇優(yōu)選取高效、針對性強(qiáng)的綠色施工節(jié)能措施提供參考。

研究表明，由于施工環(huán)境、建設(shè)目標(biāo)的多樣性，節(jié)能措施的綜合效果在不同的地區(qū)所對應(yīng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)和程度均會有所不同。因此，本文將構(gòu)建節(jié)能措施綜合效果模型來衡量各節(jié)能措施對整體綠色施工節(jié)能的貢獻(xiàn)率?？紤]到目前常見的主觀權(quán)重確定方法主要依賴于專家根據(jù)自身知識、經(jīng)驗和偏好；而客觀權(quán)重確定方法雖源自數(shù)據(jù)本身，卻無法反映評價者的主觀偏好，不利于突出重要指標(biāo)的作用。對此，本文通過分析G1法和DEA模型的特點，引入G1法和改進(jìn)DEA模型對節(jié)能措施綜合效果進(jìn)行評價研究，以保證評價過程和結(jié)論的可靠性[9]。

1 評價指標(biāo)因素識別

投資者對施工節(jié)能措施的綜合效果評價，主要是根據(jù)節(jié)能措施自身方面、企業(yè)微觀經(jīng)濟(jì)方面和施工單位的技術(shù)承受能力方面來統(tǒng)籌考慮鐵路施工過程中節(jié)能措施的綜合效果。

從節(jié)能措施自身角度評價，投資主體將更加關(guān)注節(jié)能措施的綜合效果是否能夠達(dá)到擬建鐵路工程節(jié)能的預(yù)期目標(biāo)，采用此節(jié)能措施是否有成功的應(yīng)用案例或成熟的使用經(jīng)驗，以及應(yīng)用成本增加值是否超出投資者愿意承受的范圍，該節(jié)能措施是否對施工現(xiàn)場的安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)有特殊要求。

從企業(yè)微觀經(jīng)濟(jì)的角度看，施工方不僅需要考慮自身應(yīng)該選擇何種施工節(jié)能措施，而且還需要考慮的是如何實現(xiàn)此項節(jié)能措施，以及實現(xiàn)施工節(jié)能措施增加的人材機(jī)費用、管理成本、技術(shù)實施風(fēng)險、措施實施獲得的額外利潤等。

施工單位的技術(shù)承受力，是指根據(jù)現(xiàn)階段本地區(qū)及自身現(xiàn)有的技術(shù)研發(fā)水平、人才狀況、管理水平、物質(zhì)條件和節(jié)能技術(shù)與原有技術(shù)的相關(guān)性，確定是否有能力很快掌握并應(yīng)用該節(jié)能措施，是否有可靠的人力、物力作支撐。因此，施工主體應(yīng)依據(jù)相關(guān)節(jié)能技術(shù)信息和數(shù)據(jù)、自身的技術(shù)承受能力以及有關(guān)政府激勵政策等，選擇適當(dāng)?shù)木G色施工節(jié)能措施。

2 節(jié)能措施綜合效果評價指標(biāo)體系

鐵路綠色施工節(jié)能措施綜合效果評價是一個包含社會、環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工組織等多方面因素的復(fù)雜系統(tǒng)，且各類因素相互影響、相互制約。所以鐵路綠色施工節(jié)能措施效果評價也是基于對上述幾類影響因素的綜合分析來進(jìn)行評判的。考慮到節(jié)能措施綜合效果的評價指標(biāo)體系構(gòu)建，從本質(zhì)上是通過對一系列相互制約、相互影響且自成體系的指標(biāo)進(jìn)行有機(jī)組合來實現(xiàn)的，需要遵循合理的提取原則和嚴(yán)格的構(gòu)建步驟。因此，鐵路綠色施工節(jié)能措施綜合效果的評價指標(biāo)體系應(yīng)基于系統(tǒng)論進(jìn)行構(gòu)建。

通過第一章對評價指標(biāo)因素的識別，以及相應(yīng)內(nèi)容的分析，同時參考《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部綠色施工科技示范工程技術(shù)指標(biāo)》[10]，可以將綠色施工節(jié)能措施綜合效果評價分為技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境和其他5個方面的內(nèi)容。為進(jìn)一步準(zhǔn)確評估其綜合效果，需要以系統(tǒng)論為指導(dǎo)實現(xiàn)對其內(nèi)容的進(jìn)一步細(xì)化。且在細(xì)化的過程中需要防止指標(biāo)體系的各個層次之間指標(biāo)內(nèi)容出現(xiàn)重疊的可能性。

根據(jù)上述評價指標(biāo)體系構(gòu)建的方法和原則，在查閱了相關(guān)資料的基礎(chǔ)上[11-14]，建立鐵路綠色施工節(jié)能措施綜合效果評價指標(biāo)體系，見表1。

表1 綠色施工節(jié)能措施綜合效果評價指標(biāo)體系

3 施工現(xiàn)場基本節(jié)能措施

參考GB/T 50640—2010《建筑工程綠色施工評價標(biāo)準(zhǔn)》[15]中所提倡的節(jié)能措施，其主要包括臨時用電設(shè)施、機(jī)械設(shè)備、臨時設(shè)施、施工組織節(jié)能等4項內(nèi)容，但文中并未提出具體的定量計量方法。本文以此為依據(jù)，根據(jù)鐵路綠色施工的特點，對中鐵二十一局、中鐵十四局等具有資質(zhì)條件的綠色施工科研機(jī)構(gòu)及單位的25位具有高級職稱的施工技術(shù)專家進(jìn)行了問卷調(diào)查以及走訪座談。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各位專家綜合評分的結(jié)果，構(gòu)建了綠色施工節(jié)能措施綜合效果評價指標(biāo)體系。

(1)施工機(jī)械及設(shè)備節(jié)能：施工機(jī)械及設(shè)備是影響鐵路施工階段能耗的主要因素之一。參考GB 17167—2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》[16]的相關(guān)規(guī)定，在施工準(zhǔn)備階段，可通過對施工順序和工作面的合理安排及機(jī)具資源的共享，來減少作業(yè)區(qū)域機(jī)具的使用數(shù)量，提高各種機(jī)械的使用率和滿載率，實現(xiàn)降低其單位耗能量的目標(biāo)。在施工階段，考慮配置施工機(jī)械設(shè)備時，可盡量優(yōu)選高效節(jié)能型施工設(shè)備和機(jī)具，即選用國家和行業(yè)推薦的具有節(jié)能環(huán)保性的施工設(shè)備(機(jī)具)，同時還應(yīng)該有針對性地選擇效率與荷載相匹配的施工機(jī)械設(shè)備，燃料宜使用節(jié)能型油料添加劑。針對能耗大的設(shè)備，要在保證不影響使用效率的前提下，采取技術(shù)改造使其達(dá)到節(jié)能的目的，最常見的有利用變頻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造。最后，建立重點耗能設(shè)備的能源利用技術(shù)檔案，監(jiān)控其能源利用情況，并定期對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，確保其性能的可靠性及能源利用的高效性。

(2)可再生能源節(jié)能：我國部分地區(qū)擁有豐富的新能源和可再生能源，如風(fēng)能、太陽能等。而用可再生、清潔能源來替代傳統(tǒng)能源，一方面不僅具有良好的節(jié)能效果，另一方面還可以起到很好地保護(hù)環(huán)境的作用?？紤]到鐵路工程施工一般遠(yuǎn)離城市，是一個線狀工程，在施工的生活區(qū)利用太陽能熱水系統(tǒng)是比較成熟且易于操作的主要節(jié)能措施之一。而在對可再生、清潔能源節(jié)能效果進(jìn)行評價時，需統(tǒng)籌考慮掌握可再生、清潔能源相關(guān)運用技術(shù)的成熟度、經(jīng)濟(jì)成本以及對改良周圍環(huán)境的促進(jìn)程度等因素。

(3)臨時設(shè)施節(jié)能：鐵路現(xiàn)場的臨時設(shè)施與建筑工程具有相似性，可參考《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部綠色施工科技示范工程技術(shù)指標(biāo)》[10]的相關(guān)規(guī)定。例如在項目施工過程中，要優(yōu)選節(jié)能型燈具及電線，而且對生活區(qū)、辦公區(qū)、生產(chǎn)區(qū)等場所的節(jié)能照明燈具使用率要達(dá)到80%；同時，臨時用電設(shè)備采用自動控制裝置，即不同場所的照明系統(tǒng)采取分區(qū)、定時、感應(yīng)等自動照明節(jié)能控制措施，以實現(xiàn)降低照明能耗的效果。

臨時設(shè)施還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c、地理環(huán)境、日照以及風(fēng)向等自然條件，盡量利用自然采光、通風(fēng)和外窗遮陽設(shè)施等。

(4)施工組織節(jié)能：施工組織的設(shè)計對綠色施工節(jié)能效果的影響很大。所以在前期準(zhǔn)備階段，需要綜合考慮施工機(jī)械設(shè)備機(jī)具的選用、施工工藝和工序，對整個施工過程進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計和管理，在滿足既定施工目標(biāo)條件下，盡量做到均衡施工、流水施工。對能耗量相對較大的施工工藝還得制定專項節(jié)能降耗措施。在施工組織過程中，需要合理安排施工順序，盡可能實現(xiàn)相鄰作業(yè)區(qū)的周轉(zhuǎn)性資源能夠共享；優(yōu)先選擇能耗較少的施工工藝，或者對現(xiàn)有的陳舊施工工藝進(jìn)行節(jié)能改造。除此之外，加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，健全工區(qū)節(jié)能減排管理體系；加大監(jiān)測力度，提高節(jié)能減排各項指標(biāo)的監(jiān)測力度；經(jīng)常性組織開展宣傳培訓(xùn)，提高節(jié)能管理能力和意識也是施工組織節(jié)能的重要組成部分。

綜合以上分析，結(jié)合上述25位具有高級職稱的施工技術(shù)專家的評分，建立節(jié)能措施體系，見表2。

表2 施工現(xiàn)場基本節(jié)能措施

最后，構(gòu)建基于G1法[17]和改進(jìn)DEA的綜合評判模型[18]，計算有效決策單元的效率指數(shù)。

3 研究理論與方法

G1法能夠反映決策者的偏好，主觀性較強(qiáng)；而傳統(tǒng)DEA法確定公共權(quán)重太過客觀，通常出現(xiàn)指標(biāo)權(quán)重多組和不切實際的現(xiàn)象，本文通過改進(jìn)DEA法不僅能避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，而且還能增強(qiáng)各有效決策單元之間的可比性，提高其相互區(qū)分能力。

3.1 基于G1法的指標(biāo)權(quán)重的確定

為簡化主觀賦權(quán)的復(fù)雜性，這里采用G1法，該方法首先對評價指標(biāo)進(jìn)行定性排序，然后再對相鄰指標(biāo)間依次進(jìn)行比較判斷的一種主觀賦權(quán)方法，此過程無需構(gòu)造判斷矩陣及計算一致性檢驗，簡便直觀。具體步驟如下：

步驟1確定序關(guān)系

若節(jié)能措施綜合效果評價指標(biāo)Xi和Xj相對于有關(guān)評價準(zhǔn)則(或目標(biāo))具有如下關(guān)系式：Xi>Xj(i，j=1，2，…，n)時，則說明Xi重要程度大于(或不小于)Xj。

(1)

步驟3權(quán)重系數(shù)計算

根據(jù)rk的定義進(jìn)行求積，即

計算第n個評價指標(biāo)的權(quán)重，即

(2)

(3)

3.2 改進(jìn)DEA公共權(quán)重分析法

為進(jìn)一步對各節(jié)能措施所組成的有效決策單元加以區(qū)分和排序，同時避免多組權(quán)重值的出現(xiàn)，對傳統(tǒng)DEA方法進(jìn)行改進(jìn)[19]。

(1)定義有效決策單元

本文選取4項節(jié)能措施，故組成了4個決策單元DMUq(q=1，2，…，4)，從5個方面進(jìn)行節(jié)能措施綜合效果分析，即5個評價指標(biāo)，設(shè)每個決策單元輸入指標(biāo)數(shù)為v個，輸出指標(biāo)數(shù)為u個，則v+u=5。

假定第q個決策單元DMUq的輸入向量和輸出向量分別記為Xq、Yq，則有

(4)

式中：xs，q為決策單元DMUq的第s個輸入指標(biāo)值，s=1，2，…，v；yt，q為決策單元DMUq的第t個輸出指標(biāo)值，t=1，2，…，u。

設(shè)輸入指標(biāo)的權(quán)重向量為K，輸出指標(biāo)的權(quán)重向量為G，則有

(5)

構(gòu)造虛擬決策單元DMUm+1為最優(yōu)決策單元，DMUm+2為最劣決策單元，其中m代表實際決策單元數(shù)。

對于DMUm+1而言，輸入和輸出指標(biāo)值分別記為Xm+1和Ym+1。

(6)

其中，輸入和輸出指標(biāo)值分別取m個實際決策單元相應(yīng)指標(biāo)值的最小值和最大值，則有

(7)

同理，對于DMUm+2而言，輸入指標(biāo)值向量為Xm+2和輸出指標(biāo)值向量為Ym+2，而其輸入和輸出指標(biāo)值分別取m個實際決策單元相應(yīng)指標(biāo)值的最大值和最小值，即

(8)

(2)確定公共權(quán)重

以改進(jìn)的DEA模型為基礎(chǔ)，以最劣決策單元DMUm+2的效率指數(shù)最小為目標(biāo)，增加了最優(yōu)決策單元DMUm+1的效率指數(shù)hm+1最大的約束條件為

hm+1=1

即

(9)

即在滿足最優(yōu)決策單元DMUm+1的效率指數(shù)最大的前提下，使最劣決策單元DMUm+2的效率指數(shù)最小。它表示在對最優(yōu)決策單元最有利的無窮多組解中，篩選出使最劣決策單元效率指數(shù)最小的一組解，并以此作為公共權(quán)重。該模型可表示為

(10)

(11)

在建模之前計算各指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重，并對其進(jìn)行歸一化處理，可以得到

(12)

3.3 基于G1法和改進(jìn)DEA的綜合評判模型

本文在充分體現(xiàn)G1法和改進(jìn)DEA法優(yōu)點的基礎(chǔ)上，通過引入主觀偏好系數(shù)θ將兩種方法進(jìn)行組合，形成組合賦權(quán)法來確定指標(biāo)綜合權(quán)重W′[14]，具體計算公式為

W′=θW+(1-θ)W*

(13)

式中：W為G1法指標(biāo)權(quán)重；W*為改進(jìn)DEA指標(biāo)權(quán)重。

3.4 節(jié)能措施效率指數(shù)的確定

節(jié)能措施的效果通過計算效率指數(shù)來判定，效率指數(shù)最大[20]的節(jié)能措施為最優(yōu)節(jié)能措施。效率指數(shù)的計算公式為

(14)

4 評價流程

為了獲得更加科學(xué)客觀的評價結(jié)果，本文針對節(jié)能措施綜合效果評價指標(biāo)體系，將每一節(jié)能措施的評價系統(tǒng)看作是一個決策單元，首先針對某一典型的節(jié)能措施，從縱向角度分析，衡量該節(jié)能措施實施效果具體需要考核哪些指標(biāo)的情況；其次，在同一時段內(nèi)選取施工項目中4項典型的節(jié)能措施進(jìn)行橫向比較，獲取節(jié)能措施的優(yōu)劣排序。評價具體過程如圖1所示。

5 G1-改進(jìn)DEA模型在節(jié)能措施綜合效果評價中的應(yīng)用

現(xiàn)選取當(dāng)前我國鐵路綠色施工中4種常用的節(jié)能措施，即前面所提的施工機(jī)械及設(shè)備節(jié)能、可再生能源節(jié)能、臨時設(shè)施節(jié)能和施工組織節(jié)能，并分別記為節(jié)能措施A、B、C、D；然后運用本文所提出的方法，對甘肅地區(qū)某大型鐵路建設(shè)項目綠色施工過程中該4項節(jié)能措施的綜合效果進(jìn)行評價，以此為實例來說明該方法在解決如何選擇最佳節(jié)能措施問題上的實用性。

圖1 節(jié)能措施綜合效果評價流程

邀請5家具有資質(zhì)條件的綠色施工科研機(jī)構(gòu)及單位，共選派25位專家，按照表3所確定的的評價準(zhǔn)則及各節(jié)能措施的實際落實情況，對表1所構(gòu)建的衡量節(jié)能措施綜合效果的評價指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定量地評估，以百分制進(jìn)行打分，取其平均值。根據(jù)本文所構(gòu)建的模型對其節(jié)能措施效果進(jìn)行優(yōu)劣排序。共發(fā)放問卷25份，回收有效問卷25份，其4項措施綜合效果評價指標(biāo)集、具體平均評分，分別見表3、表4。

表3 節(jié)能措施綜合效果指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)集

表4 節(jié)能措施綜合效果評價指標(biāo)得分

5.1 基于G1法的指標(biāo)權(quán)重的確定

5.2 基于改進(jìn)DEA的公共權(quán)重的確定

節(jié)能措施在技術(shù)方面、社會方面和其他方面的效果評價為投入評價，分別記為v1、v2和v3，即取值越小越好，作為輸入指標(biāo)；而節(jié)能措施在經(jīng)濟(jì)方面、環(huán)境方面的效果評價為產(chǎn)出評價，分別記為u1和u2，即取值越大越好，作為輸出指標(biāo)。構(gòu)造兩個虛擬決策單元DMU5和DMU6，即構(gòu)造兩個虛擬節(jié)能措施A5和A6，前者表示最優(yōu)決策單元，后者表示最劣決策單元[14]。容易確定DMU5的輸入向量為X5=[68 75 55]T，輸出向量為Y5=[92 86]T；DMU6的輸入向量為X6=[90 80 79]T，輸出向量為Y6=[68 72]T。首先對原始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，形成新的矩陣A。

以矩陣A為基準(zhǔn)，構(gòu)建改進(jìn)的DEA模型為

minh6=0.137u1+0.149u2

5.3 綜合權(quán)重的確定

為了均衡主客觀權(quán)重的影響，本文選取主觀偏好系數(shù)θ為0.6[15]。根據(jù)式(13)可以計算出各評價指標(biāo)的綜合權(quán)重為

W′=θW+(1-θ)W*=0.6W+0.4W*=

0.6×[0.282 0.338 0.078 0.176 0.126]T+

0.4×[0 0.419 0 0 0.581]T=

[0.169 0.370 0.047 0.106 0.308]T

5.4 節(jié)能措施效率指數(shù)的確定

根據(jù)各個評價指標(biāo)的綜合權(quán)重，通過計算各項節(jié)能措施效率指數(shù)的大小進(jìn)行優(yōu)劣排序。根據(jù)式(14)可得

=1.0085

同理

由于h1>h2>h3>h4，代表節(jié)能措施A的效率指數(shù)最大，說明節(jié)能措施A的綜合效果最好。

6 結(jié)束語

為了衡量鐵路綠色施工節(jié)能措施的綜合效果，本文從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境和其他等5個方面，根據(jù)鐵路施工現(xiàn)場的常見節(jié)能措施，構(gòu)建了包含5個一級指標(biāo)，22個二級指標(biāo)的鐵路綠色施工節(jié)能措施綜合效果評價指標(biāo)體系，并將指標(biāo)分為效益型和成本性兩類。

為既能反映決策者的偏好，又能切合實際現(xiàn)象，提出一種基于G1法和改進(jìn)DEA的綜合評價模型，以此為基準(zhǔn)計算各節(jié)能措施的效率指數(shù)，通過比較其大小對該項目節(jié)能措施綜合效果進(jìn)行排序，為施工現(xiàn)場后期節(jié)能措施的優(yōu)選提供了一種新的方法和思路。