基于可拓云模型的綠色生態(tài)型市政道路綜合評(píng)價(jià)方法應(yīng)用研究

何 佳，朱曉東，張興宇，郭麗蘋

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074）

0 引言

市政道路以其便捷性高、通達(dá)度廣、人車交互多等特點(diǎn)在城市交通運(yùn)輸系統(tǒng)中起著主導(dǎo)作用，是資源密集型和對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大的基礎(chǔ)設(shè)施。隨著國家生態(tài)文明建設(shè)的大力推進(jìn)，如何處理好市政道路工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系是當(dāng)前的重要任務(wù)。近年來較多綠色生態(tài)市政道路典型示范工程相繼實(shí)施，如上海楊浦濱江路、珠海琴海北路、重慶巴濱路等，建設(shè)形態(tài)逐漸從傳統(tǒng)樸素的集約利用資源，轉(zhuǎn)變?yōu)槿轿?、全領(lǐng)域、全壽命的綠色生態(tài)道路可持續(xù)發(fā)展。為更好引導(dǎo)市政道路高質(zhì)量建設(shè)，減少對(duì)環(huán)境的破壞，有必要構(gòu)建綠色生態(tài)市政道路評(píng)價(jià)方法。

對(duì)于綠色生態(tài)道路內(nèi)涵及其評(píng)價(jià)方法，國內(nèi)外諸多專家學(xué)者已展開交流與研究，主要評(píng)價(jià)模型有層次分析法、模糊評(píng)價(jià)法、主成分分析法、主觀賦值法等[1-5]。然而現(xiàn)有研究多集中于公路，難以體現(xiàn)市政道路斷面復(fù)雜、人車交互等特點(diǎn)，同時(shí)市政道路綜合評(píng)價(jià)涉及指標(biāo)較多，現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法往往是定量或定性單一評(píng)價(jià)，未能全面地反映綠色生態(tài)型道路評(píng)價(jià)過程的隨機(jī)性與模糊性。可拓云模型較好地將云模型與物元分析理論融合[6]，利用其在不確定推理方面的優(yōu)勢(shì)，可將綠色生態(tài)型道路評(píng)價(jià)中難以量化、模糊不清的因素通過云模型進(jìn)行量化，揭示綠色生態(tài)道路評(píng)價(jià)多目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，有效地規(guī)避了物元理論評(píng)估中將事物當(dāng)作定值描述的弊端[7-8]，可較好應(yīng)用于多目標(biāo)評(píng)價(jià)。

基于此，本文立足市政道路建設(shè)新形勢(shì)，將生態(tài)、綠色、安全、智慧等理念融入市政道路全壽命周期，開展綠色生態(tài)市政道路評(píng)價(jià)指標(biāo)分析研究，提出一種基于可拓云理論的綜合評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色生態(tài)市政道路定量、定性相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)，并以重慶廣陽大道為例，驗(yàn)證了模型的科學(xué)性與可操作性。

1 綠色生態(tài)市政道路評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 綠色生態(tài)市政道路內(nèi)涵

綠色生態(tài)市政道路是指在道路的全壽命周期內(nèi)，以低排放、低污染、高效能、高效益、高品質(zhì)為目標(biāo)，將道路建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)有機(jī)融合，最大限度地維護(hù)路域生態(tài)平衡，注重建設(shè)品質(zhì)提升與運(yùn)行效率提高，為人們提供安全、舒適、便捷、美觀的行車環(huán)境。綠色是指對(duì)環(huán)境無害，能充分利用自然資源，節(jié)能減排，廢物回收再利用，倡導(dǎo)以綠色交通為導(dǎo)向；而生態(tài)則是指要以人、自然和道路協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo)，在對(duì)周圍環(huán)境負(fù)影響最小的情況下建設(shè)道路[9-10]。

1.2 指標(biāo)體系

通過梳理國內(nèi)外綠色生態(tài)市政道路相關(guān)文獻(xiàn)，本文統(tǒng)籌生態(tài)環(huán)保、品質(zhì)提升、安全高效、綠色低碳、信息智慧五大要素領(lǐng)域構(gòu)建一級(jí)指標(biāo)，向下延伸出19個(gè)二級(jí)指標(biāo)。其中定量指標(biāo)一般以項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果作為依據(jù)，定性指標(biāo)則組織專家根據(jù)實(shí)際水平進(jìn)行評(píng)判，劃分為優(yōu)（90～100分）、良（75～90分）、中（50～75 分）、次（25～50 分）、差（0～25分）5個(gè)等級(jí)，具體指標(biāo)含義及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 綠色生態(tài)市政道路評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation indexes of green municipal road

1.3 指標(biāo)權(quán)重

本文選擇基于AHP—熵權(quán)法的組合賦權(quán)法進(jìn)行賦值計(jì)算，根據(jù)AHP[12]確定的主觀權(quán)重和熵值法確定的客觀權(quán)重，采用如下方式進(jìn)行組合賦權(quán)：

式中：ωi為指標(biāo)的綜合權(quán)重；ω'i為層次分析法得到的綠色生態(tài)型市政道路各個(gè)指標(biāo)的主觀權(quán)重；ωi''為熵權(quán)法得到的綠色生態(tài)型市政道路各個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重；α為偏向系數(shù)，本文取0.4。

2 綠色生態(tài)市政道路評(píng)價(jià)方法

2.1 云模型概念

云模型[13]是在概率論和模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上提出來的一種認(rèn)知計(jì)算模型，能夠反映所評(píng)價(jià)事物的模糊性和隨機(jī)性，主體采用期望（Ex）、熵（En）和超熵（He）三個(gè)參數(shù)來表征整體性能。在綠色生態(tài)市政道路評(píng)價(jià)中，云模型可以較好地描述模糊性及不確定性，能夠直觀反映指標(biāo)的落實(shí)程度，具有廣泛的普適性。

2.2 可拓云模型

可拓云模型是將云模型和可拓學(xué)中的物元分析理論深度融合，從而反映綠色生態(tài)市政道路評(píng)價(jià)中存在的模糊性和不確定性問題。在可拓學(xué)的物元分析理論[14]中，將評(píng)價(jià)事物的基本物元列為有序的三元組，記為：W=（N，C，R）。其中，N代表評(píng)價(jià)事物名稱，C代表具備的特征，R代表該特征對(duì)應(yīng)的數(shù)值，表達(dá)如下：

考慮到云模型在評(píng)價(jià)事物中可以反映模糊性和不確定性，用正態(tài)云（Ex，En，He）來替換物元分析中的R值，結(jié)合物元特征向量可得到如下的可拓云物元表示：

2.3 可拓云模型計(jì)算

基于可拓云模型對(duì)綠色生態(tài)市政道路指標(biāo)體系進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，總體步驟如下：

a.確定分析評(píng)價(jià)中的物元目標(biāo)。將綠色生態(tài)市政道路作為評(píng)價(jià)事物，將綠色生態(tài)程度等級(jí)作為待評(píng)價(jià)物元。

b.根據(jù)權(quán)威專家分析評(píng)判，對(duì)各個(gè)指標(biāo)各等級(jí)數(shù)值區(qū)間進(jìn)行劃分，根據(jù)轉(zhuǎn)化關(guān)系確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云。

c.確定待分析評(píng)價(jià)的事物和各類等級(jí)間評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度。假設(shè)xi∈W，則隸屬于定性概念xi（Ex，En，He）的隸屬度μi采用下式計(jì)算：

式中，E′n～N（En，He2）。

d.采用AHP—熵權(quán)組合賦值法進(jìn)行權(quán)重分配，并采用線性加權(quán)得到最終的權(quán)向量。

e.通過確定權(quán)系數(shù)，從而得到待評(píng)價(jià)事物的關(guān)聯(lián)度。待評(píng)價(jià)的事物相對(duì)于等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度kj采用下式計(jì)算：

式中，ωi為其相應(yīng)的綜合賦權(quán)指標(biāo)權(quán)重，kj（pj）表示待評(píng)價(jià)事物的指標(biāo)pj關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度。根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，由上式計(jì)算出的關(guān)聯(lián)度最大的kj對(duì)應(yīng)的j即為綠色公路評(píng)價(jià)所得的綠色等級(jí)。

可拓云模型計(jì)算整體流程如圖1所示。

圖1 可拓云模型計(jì)算整體流程Fig.1 The extension cloud model calculates the whole process

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

廣陽大道西起郭家沱長(zhǎng)江大橋橋下，沿廣陽灣東側(cè)蜿蜒環(huán)繞，東至東港片區(qū)華港路，項(xiàng)目全長(zhǎng)12.7 km，城市次干路，雙向四車道，紅線寬度32 m。項(xiàng)目以自然恢復(fù)為主，生態(tài)修復(fù)為輔，構(gòu)建生物綠橋2座，串聯(lián)割裂生態(tài)空間；提出長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)理念，全線車行道采用長(zhǎng)壽命排水瀝青路面，人行道采用降溫型透水路面，并采用廠拌冷再生技術(shù)實(shí)現(xiàn)舊路材料全部再生利用；綠化方面摒棄行道樹概念，將道路融入自然環(huán)境，打造一步一景；采用BIM協(xié)同設(shè)計(jì)，構(gòu)建廣陽大道BIM三維模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全過程應(yīng)用；搭建廣陽大道智慧交通運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，集成信號(hào)控制系統(tǒng)、交通信息采集、誘導(dǎo)發(fā)布等功能，實(shí)現(xiàn)智能管控。

3.2 可拓云模型分析評(píng)價(jià)

（1）確定界限云

根據(jù)廣陽大道項(xiàng)目實(shí)際情況獲取定量指標(biāo)值，并邀請(qǐng)5位專家對(duì)定性指標(biāo)給出考量結(jié)果，如表2所示。

表2 廣陽大道綠色生態(tài)道路評(píng)價(jià)指標(biāo)值Tab.2 Evaluation index value of green ecological road in Guangyang Avenue

本文采用5個(gè)等級(jí)進(jìn)行綠色生態(tài)市政道路區(qū)間劃分，通過咨詢專家，定量指標(biāo)根據(jù)指標(biāo)值分布范圍，定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為百分制，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)界限，如表3所示?；诖?，將綠色生態(tài)市政道路等級(jí)界限信息作為雙約束空間[Cmin，Cmax]，按照模糊性和不確定性進(jìn)行拓展，基于“50%關(guān)聯(lián)度”通過區(qū)間邊界信息轉(zhuǎn)換成的等級(jí)界限云模型參數(shù)表示如下：

表3 綠色生態(tài)市政道路等級(jí)評(píng)價(jià)界限Tab.3 Grade evaluation limits of green municipal roads

其中，s代表常數(shù)，由模型的隨機(jī)性和模糊性共同決定，可以適當(dāng)調(diào)整選取表現(xiàn)性能最佳的值。

按公式（6）計(jì)算，最后得到綠色生態(tài)市政道路等級(jí)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)界限云。

（2）確定隸屬度

采用Matlab軟件模擬正向云發(fā)生器，代入廣陽大道評(píng)價(jià)指標(biāo)值，生成以En為期望，He為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)隨機(jī)數(shù)E′n，再按公式（4）計(jì)算隸屬度，生成足夠數(shù)量的云滴。得到的廣陽大道與各指標(biāo)間的隸屬度結(jié)果如表4所示。

表4 廣陽大道各指標(biāo)間隸屬度Tab.4 Degree of membership among indicators of Guangyang Avenue

（3）確定權(quán)系數(shù)

邀請(qǐng)專家對(duì)指標(biāo)重要程度進(jìn)行打分，以層次分析法獲取主觀權(quán)重，并以重慶市巴濱路、開成路等5條市政道路作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到熵權(quán)法客觀權(quán)重。經(jīng)公式（1）組合賦值確定綠色生態(tài)型市政道路各指標(biāo)綜合權(quán)重，結(jié)果見表5。

表5 基于AHP—熵權(quán)法的綜合權(quán)重Tab.5 Comprehensive weight based on AHP—-entropy weight method

（4）綜合關(guān)聯(lián)度及等級(jí)評(píng)定

根據(jù)公式（5）及表4、表5，得到廣陽大道綠色生態(tài)型市政道路的綜合關(guān)聯(lián)度，如表6所示。根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，可以看出廣陽大道綠色生態(tài)型等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅴ級(jí)。

表6 廣陽大道綠色生態(tài)等級(jí)評(píng)價(jià)綜合關(guān)聯(lián)度及評(píng)價(jià)等級(jí)Tab.6 Comprehensive correlation degree and evaluation grade of green ecological grade evaluation of Guangyang Avenue

采用Matlab可拓云模型模擬得到的廣陽大道等級(jí)評(píng)價(jià)云圖如圖2所示，灰色云圖為廣陽大道評(píng)價(jià)結(jié)果，可以直觀地看出，廣陽大道綜合評(píng)價(jià)標(biāo)度中心位于0.78左右，綜合評(píng)價(jià)云滴處于Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)之間，偏向Ⅴ級(jí)，處于“非常好”范圍內(nèi)，與綜合關(guān)聯(lián)度對(duì)于Ⅴ級(jí)的最大關(guān)聯(lián)度一致，進(jìn)而得知，廣陽大道綠色生態(tài)指標(biāo)落實(shí)程度較高，是綠色生態(tài)型品質(zhì)工程。

圖2 廣陽大道可拓云評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Evaluation results of extension cloud of Guangyang Avenue

4 結(jié)論

（1）解析了綠色生態(tài)市政道路概念，明確了以生態(tài)環(huán)保、品質(zhì)提升、安全高效、綠色低碳、信息智慧為一級(jí)指標(biāo)的綠色生態(tài)市政道路評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定了指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在分析評(píng)價(jià)中，將計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的云模型與可拓學(xué)領(lǐng)域的物元分析方法相結(jié)合，建立了一套能夠定性、定量分析綠色生態(tài)水平的可拓云模型。該模型發(fā)揮了云模型在處理模糊邊界的評(píng)價(jià)指標(biāo)和指標(biāo)定性定量轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢(shì)，保留了物元可拓法的評(píng)價(jià)思路，同時(shí)體現(xiàn)了模糊區(qū)間指標(biāo)的隨機(jī)性和模糊性，在綠色生態(tài)市政道路評(píng)價(jià)中表現(xiàn)性能優(yōu)越，可行性強(qiáng)。

（3）選取重慶市廣陽大道作為評(píng)價(jià)案例，利用可拓云模型展開綜合分析評(píng)估，評(píng)價(jià)結(jié)果清晰，等級(jí)明確，符合實(shí)際情況，驗(yàn)證了可拓云模型對(duì)綠色生態(tài)市政道路等級(jí)評(píng)定具有科學(xué)性和可信度。