基于云模型的綜合管廊規(guī)劃方案評(píng)價(jià)

李 銳，李 婷 ，景亞杰 ，張 弛

(1. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安710055；2.陜西冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安710032；3.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安710055)

城市綜合管廊的規(guī)劃是干線和支線規(guī)劃相互協(xié)調(diào)的過(guò)程，而且綜合管廊作為服務(wù)于城市的市政基礎(chǔ)設(shè)施，在規(guī)劃時(shí)需要考慮很多方面的因素，包括社會(huì)效益、建設(shè)成本、施工難易性等等，但是這些因素在規(guī)劃過(guò)程中很難同時(shí)考慮進(jìn)去，使其達(dá)到最優(yōu).所以有必要在初步規(guī)劃的基礎(chǔ)上對(duì)規(guī)劃方案做進(jìn)一步的分析與評(píng)價(jià).現(xiàn)階段，綜合管廊的評(píng)價(jià)體系主要是對(duì)管廊的路徑適建性、綜合管廊建設(shè)區(qū)位分析的評(píng)價(jià)，對(duì)綜合管廊規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)體系還較少，主要有Julian Canto-Perello等采用SWOT分析與AHP分析相結(jié)合的A′WOT混合法研究城市地下綜合管廊規(guī)劃，使用特征向量方法對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)先排序[1]，王海采用多因子疊加法初選，模糊數(shù)學(xué)分析法復(fù)選，最終確定綜合管廊規(guī)劃布局方案[2]，葉曉東等提出了基于GIS分析的綜合管廊規(guī)劃布局量化評(píng)價(jià)方法[3].

“云”的概念最早是1995年由我國(guó)工程院院士李德毅提出來(lái)的，這是一種不確定性推理技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)不確定性的定性知識(shí)與定量知識(shí)之間的轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型.云模型在傳統(tǒng)模糊集理論的核心——模糊性的基礎(chǔ)上融合了隨機(jī)性，實(shí)現(xiàn)了定性概念和定量數(shù)據(jù)的同時(shí)兼容和自由轉(zhuǎn)換[4].

本文以實(shí)現(xiàn)城市地下空間可持續(xù)發(fā)展為原則，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用“云模型”的理論構(gòu)建綜合管廊規(guī)劃方案評(píng)價(jià)模型.

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外城市地下市政綜合管廊規(guī)劃相關(guān)案例和文獻(xiàn)資料，綜合考慮綜合管廊規(guī)劃建設(shè)的主要影響因素，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)技術(shù)三方面，提出以下管廊規(guī)劃方案評(píng)價(jià)指標(biāo).

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵

“熵”是用來(lái)度量系統(tǒng)無(wú)序程度的一個(gè)量.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵，也被稱為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇?，就是度量?fù)雜網(wǎng)絡(luò)的序狀態(tài)的度量，它是定義在度分布上的[5].假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)vi的重要度為ki，可以定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵為

(1)

式中，Ii表示無(wú)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)vi的重要度；E表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵.

(2)連通度

在綜合管廊網(wǎng)絡(luò)中，連通度的大小反映了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的完善程度和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的順暢程度，用來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的完整程度[6].綜合管廊網(wǎng)絡(luò)的連通度可表示為

(2)

式中：C為表示規(guī)劃區(qū)域內(nèi)管廊網(wǎng)絡(luò)的連通度；L為表示規(guī)劃區(qū)域內(nèi)管廊網(wǎng)絡(luò)總長(zhǎng)度，km；ξ表示非直線系數(shù)；H表示節(jié)點(diǎn)之間的平均直線距離，km；A表示規(guī)劃區(qū)域面積，km2；N表示規(guī)劃區(qū)域連通的節(jié)點(diǎn)數(shù).

(3)非直線系數(shù)

線路長(zhǎng)度與起、終點(diǎn)之間空間直線距離之比稱為非直線系數(shù)[7].在管廊建設(shè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)彎交叉點(diǎn)等特殊節(jié)點(diǎn)處需要特殊處理，會(huì)額外增加其造價(jià).所以在規(guī)劃時(shí)就應(yīng)盡量做到平順直.非直線系數(shù)可表示為

(3)

式中：lij為路徑vi-vj的長(zhǎng)度，km；dij為路徑起、終點(diǎn)的空間直線距離，km.

1.2 社會(huì)效益指標(biāo)

(1)管網(wǎng)的道路等級(jí)水平

綜合管廊是沿著城市道路敷設(shè)的，不同道路的等級(jí)會(huì)對(duì)管廊的建設(shè)條件、效益發(fā)揮以及管廊的適建性產(chǎn)生影響.敷設(shè)管廊的路徑道路等級(jí)越高，管廊的建設(shè)條件就會(huì)越好.管網(wǎng)的道路等級(jí)水平可表示為[6]

(4)

式中：G表示管網(wǎng)的道路等級(jí)水平；Li表示管廊的總長(zhǎng)度，km；Gi表示敷設(shè)各管廊的道路等級(jí)；ηi表示技術(shù)修正系數(shù).

(2)適建性指標(biāo)

管廊的路徑適建性指標(biāo)[8]在對(duì)干線管廊進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，作為一個(gè)約束條件；在對(duì)支線綜合管廊進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，將其作為啟發(fā)信息.所以需要對(duì)整個(gè)管廊網(wǎng)絡(luò)的適建性進(jìn)行單獨(dú)分析，作為評(píng)價(jià)指標(biāo)之一.一段道路的管廊適建性指標(biāo)表示為該路段各路徑的管廊路徑適建性之和.

(3)管網(wǎng)沿線區(qū)域的開發(fā)強(qiáng)度[9]

該指標(biāo)主要考慮總規(guī)中的城市中心區(qū)的劃分，以及重點(diǎn)區(qū)域的發(fā)展定位.在重要功能區(qū)、城市高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)建設(shè)綜合管廊是十分必要的.管廊路徑所經(jīng)過(guò)的功能區(qū)越重要，評(píng)分越高[8].

1.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

(1)建設(shè)費(fèi)用

綜合管廊網(wǎng)絡(luò)中，干線綜合管廊和支線綜合管廊由于斷面大小不同、管廊內(nèi)部的設(shè)備不同，其造價(jià)也是不同.在對(duì)綜合管廊規(guī)劃方案的建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行分析時(shí)，按照干、支線各自的路徑長(zhǎng)度與各自的單價(jià)的乘積之和作為衡量建設(shè)費(fèi)用的指標(biāo).

(2)管網(wǎng)服務(wù)率

管網(wǎng)服務(wù)率用于評(píng)價(jià)支線綜合管廊路徑長(zhǎng)度服務(wù)的用戶需求量的大小.一個(gè)方案的管網(wǎng)服務(wù)率表示為各路徑的管廊服務(wù)效率之和.

(3)管網(wǎng)密度

管網(wǎng)密度表示綜合管廊網(wǎng)絡(luò)在城市用地面積中占的比例，管網(wǎng)密度反映了城市綜合管廊的普及程度，它是綜合管廊網(wǎng)絡(luò)宏觀控制的指標(biāo)之一[6].某種程度上而言，管網(wǎng)密度越大，表明城市的市政設(shè)施體系越完善，城市的發(fā)展水平越高.面積密度表示為管廊的路徑長(zhǎng)度之和與規(guī)劃區(qū)面積的比率.

(4)節(jié)省地下空間資源率

傳統(tǒng)直埋管線在規(guī)劃建設(shè)時(shí)，會(huì)大量占用地下空間資源，造成地下空間的無(wú)序利用.將管線統(tǒng)一收集于綜合管廊之中，可以極大地節(jié)省地下空間資源.節(jié)省地下空間資源率具體表達(dá)式如下所示[10].

(5)

其中:wJD為節(jié)省地下空間資源率；ZML為直埋管線所需地下空間資源量；GLL為建設(shè)綜合管廊所需地下空間資源量.

(5)地下改擴(kuò)建工程比率

地下改擴(kuò)建工程比率表示規(guī)劃的路徑中有地下改擴(kuò)建工程的路徑長(zhǎng)度占網(wǎng)絡(luò)總長(zhǎng)度的比值[10]，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：GKB為地下改擴(kuò)建工程比率；LD為有地下改擴(kuò)建工程規(guī)劃的路徑長(zhǎng)度，km；LZ為綜合管廊路徑總長(zhǎng)度，km.

2 基于云模型的綜合管廊規(guī)劃評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1 建立描述評(píng)價(jià)集云模型

根據(jù)第1節(jié)中構(gòu)建的指標(biāo)集U={U1,U2,…,Um}(m為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù))，建立評(píng)價(jià)集V={V1,V2,…,Vn}，Vi(i=1,2,…,n)是對(duì)指標(biāo)評(píng)語(yǔ)等級(jí)的模糊描述[11].

根據(jù)本文研究，將評(píng)價(jià)等級(jí)分成五級(jí)，即V={V1,V2,…,Vn}={很好，較好，一般，較差，很差}[7].根據(jù)云模型理論的黃金分割率中的云生成方法，確定評(píng)價(jià)狀態(tài)機(jī)中各評(píng)價(jià)等級(jí)的云數(shù)字特征及其在x軸上的范圍，中間等級(jí)的云模型參數(shù)為Ex3=0.5，He3=0.005，則各評(píng)價(jià)狀態(tài)的云模型參數(shù)如下[12].

對(duì)第二個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)“較好”，三個(gè)參數(shù)值為：Ex2=Ex3+(1-0.618)(xmax+xmin)/2=0.691：En2=(1-0.618)(xmax-xmin)/6=0.064；He2=He3/0.618=0.008 1.

對(duì)于第一個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)“很好”，參數(shù)為：Ex1=1；En1=En2/0.618=0.103;He1=He2/0.618=0.0131.

其余各評(píng)價(jià)狀態(tài)的云模型參數(shù)可類推.Ex4=0.309；En4=0.064；He4=0.0081；Ex5=0；En5=0.103；He5=0.0131.

2.2 指標(biāo)量化

定性指標(biāo)一般都是用專家咨詢法進(jìn)行打分賦值[6].云模型理論可以通過(guò)正向云、逆向云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)定性指標(biāo)與定量指標(biāo)的轉(zhuǎn)換，在定性指標(biāo)數(shù)值化時(shí)，可以很好地協(xié)調(diào)定性指標(biāo)的模糊性[13].本文結(jié)合專家意見，對(duì)每個(gè)方案的每項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分賦值，將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化成云模型表示.

本文將定性評(píng)價(jià)等級(jí)分為五個(gè)等級(jí).為“很好”、“較好”、“一般”、“較差”以及“很差”.每個(gè)評(píng)語(yǔ)等級(jí)均有1個(gè)對(duì)應(yīng)的云模型，則h個(gè)語(yǔ)言性評(píng)價(jià)值可表示為一個(gè)綜合云模型[13].

(7)

En=En1+En2+…+Enh

(8)

式中：Exi(i=1,2,…,h)為第i個(gè)專家認(rèn)為該指標(biāo)所屬評(píng)語(yǔ)等級(jí)的云模型期望值；Eni(i=1,2,…,h)為第i個(gè)專家認(rèn)為該指標(biāo)所屬評(píng)語(yǔ)等級(jí)的云模型的熵.

由此得到的每個(gè)定性指標(biāo)的期望值Ex即可作為該指標(biāo)的量化值，然后再根據(jù)定量指標(biāo)的無(wú)量綱公式對(duì)其進(jìn)行歸一化處理[13].

2.3 關(guān)聯(lián)度計(jì)算及綜合結(jié)果評(píng)判

k=exp[-(x-Ex)2/2(En′)2]

(9)

該關(guān)聯(lián)度k表示了指標(biāo)與各評(píng)價(jià)等級(jí)的符合程度.通過(guò)將每個(gè)云滴與每個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算，即可求得綜合評(píng)判矩陣Dm×n，其中Dij表示第i個(gè)云滴屬于第j個(gè)評(píng)語(yǔ)等級(jí)云的關(guān)聯(lián)度.

將評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量矩陣W與綜合評(píng)判矩陣D相乘，可以得到綜合評(píng)判結(jié)果矩陣B.

B=W×D=[b1,b2,…,bn]

(10)

式中，bi(i=1,2,…,n)表示第i個(gè)評(píng)價(jià)規(guī)劃方案屬于第i個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度.

最終可求得每個(gè)評(píng)價(jià)方案的評(píng)判結(jié)果得分r：

(11)

其中fi表示第i個(gè)等級(jí)的得分，按照等級(jí)1～5分別賦值5、4、3、2、1.

最后得到所有方案的總得分.將得分最高的方案作為最終的方案.

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文選用的研究區(qū)域是陜西南部某市的老城區(qū).該區(qū)因?yàn)樾枰M(jìn)行城區(qū)改造，且街道、管線老化較為嚴(yán)重，需要對(duì)城區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造.擬進(jìn)行綜合管廊建設(shè)，切實(shí)解決市政建設(shè)基礎(chǔ)問題.

在對(duì)干線綜合管廊和支線綜合管廊有了初步的規(guī)劃方案之后，本節(jié)對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行系統(tǒng)的分析和比選.

比選方案如圖1所示，其中紅色表示干線，綠色表示支線.

基于云模型的綜合管廊規(guī)劃評(píng)價(jià)模型，對(duì)三個(gè)管廊規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)價(jià)比選.

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)整理

根據(jù)相關(guān)資料，計(jì)算三個(gè)備選方案各指標(biāo)的無(wú)量綱值，并用熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表1所示.

圖1 比選方案Fig.1 Comparison scheme

一級(jí)指標(biāo)層二級(jí)指標(biāo)層指標(biāo)權(quán)重方案一方案二方案三網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫灾笜?biāo)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵0.17261.000.000.00連通度0.07860.000.401.00非直線系數(shù)0.00020.8840.9420.966社會(huì)效益指標(biāo)管網(wǎng)的道路等級(jí)水平0.14890.000.0361.00適建性指標(biāo)0.15381.000.02640.00管網(wǎng)沿線區(qū)域的開發(fā)強(qiáng)度0.00631.00.6910.50經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)建設(shè)費(fèi)用0.06380.000.9401.00管網(wǎng)服務(wù)率0.06881.000.000.5976管網(wǎng)密度0.17261.000.000.00節(jié)省地下空間資源率0.06621.000.6990.00地下改擴(kuò)建工程比率0.06821.000.61650.00

3.2 關(guān)聯(lián)度矩陣計(jì)算

3.3 綜合評(píng)判

將上述各方案的關(guān)聯(lián)度計(jì)算矩陣與權(quán)重矩陣相乘，得到最終的綜合評(píng)判結(jié)果向量B如表5所示.

表2 各比選方案評(píng)判結(jié)果向量

進(jìn)一步利用公式(11)得出最終的評(píng)判結(jié)果r為

方案一：r=W×D1=36.855 8；方案二：r=W×D2=24.889 7；方案三：r=W×D3=28.698 1.最終評(píng)價(jià)結(jié)果：方案一>方案三>方案二.

從以上案例可以看出，方案一雖然相對(duì)方案二、三路徑較長(zhǎng)，導(dǎo)致建設(shè)成本稍高，但是整個(gè)路徑的管廊適建性好，沿線的開發(fā)程度高，管網(wǎng)的服務(wù)率以及節(jié)省地下空間資源的比率都比較高，所以考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，方案一的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益最優(yōu).

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)綜合管廊規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究.從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲笜?biāo)、社會(huì)效益指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)三個(gè)方面建立了綜合管廊規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)體系；為了克服傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法不能結(jié)合指標(biāo)隨機(jī)性與模糊性的缺點(diǎn)，引入“云模型”理論建立了評(píng)價(jià)模型；并利用工程實(shí)例驗(yàn)證了所建模型的可行性.該模型的建立為綜合管廊規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)，具有較大參考價(jià)值.