基于群体可拓模糊综合理论的绿色低碳高速公路评价研究

胡万欣 胡 骥 刘艳 刘玉露 蒋晶尧

1. 武汉铁路职业技术学院，武汉 430205

2. 西南交通大学，交通运输与物流学院，成都 610031

3. 湖北楚天高速公路股份有限公司，武汉430074

4. 湖北省交通运输厅，随岳高速公路管理处，武汉 430050

5. 玉林市城乡规划设计院，广西玉林 537000

0 引 言

绿色低碳高速公路发展模式是现代交通可持续化不可或缺的重要组成部分，也是现在交通发展的重要方向。随着对“绿色低碳”理念的不断重视，高速公路运营正走向环保发展之路。欧美发达国家的高速公路管理模式经过50多年的调整已经向安全、舒适、节能与环保的方向前进。例如：日本的三级垂直管理体系；法国、意大利、西班牙等国家的特许公司制；英国则以低碳环保为核心进行高速公路运营[1,2]。相比于欧美发达国家，虽然我国高速公路里程成为世界第一，但是绿色低碳公路的评价问题，研究成果还很少，绿色低碳的发展模式仍然在不断探索中。马中南、高建刚分析了绿色公路的内涵，探讨了绿色公路的体系[2]。王健、朝晖、曹海波建立了公路绿色施工属性指标体系，构建了公路绿色施工属性识别评价模型[3]。刘丽芳对高速公路绿色施工进行了探讨，希望能完善绿色施工评价过程[4]。夏波、王晋采用层次分析法（AHP）分析了绿色低碳公路指标的权重，采用模糊数学法建立了体评价方法[5,6]。上述分析中，对于绿色低碳公路的评价问题，还没有建立评价指标体系规范，评价结果的有效性和准确性也难以保证。AHP可以将众多复杂因素和决策者个人因素结合起来，适应于现阶段我国绿色低碳的高速公路评价特点，是近期比较可行的方法。使用层次分析法时，决策方法由某位专家给出判断矩阵，这样可能由于专家的失误从而造成方案选择的失当，影响评价结果的有效性。为了减小每位专家的主观性对决策的影响，集合不同专家意见，提升决策的有效性，故文章使用了AHP群决策方法（GAHP）。同时，绿色低碳评价指标之间存在着模糊性、多目标性，且基础数据样本较少，故引入模糊综合评价理论，期望提高高速公路绿色低碳评价的有效性，从而正确辨别高速公路的低碳发展程度，优化高速公路管理方法。

1 绿色低碳高速公路评价过程

绿色低碳高速公路是指将“绿色低碳”理念运用到整个管理过程中，最大程度地合理保护环境，形成“安、畅、舒、美”的和谐之路。高速公路绿色低碳评价就是合理地分析现役的高速公路“绿色低碳”等级，以便查找高速公路运营管理中存在的问题，从而采取措施来提升高速公路的综合效益。绿色低碳高速公路评价的主要研究内容有：（1）评价体系的建立——选择何种指标评价高速公路的绿色低碳性；（2）评价方法——如何选择适用的评价方法；（3）高速公路绿色低碳程度的综合解读——如何根据评价等级调整高速公路的管理。其中，绿色低碳高速公路评价流程示意如图1所示。

2 绿色低碳高速公路评价指标集的确定

建立绿色低碳高速公路评价指标，本质就是要寻找能全面反映低碳高速公路各方面特征的指标。为提高绿色低碳高速公路评价的准确性，尽可能选取可以量化的指标。否则，会影响评价的效率及准确性。指标根据高速公路运营中产生节能减排量或起到生态、环保、循环效果的来划分，本文从绿色低碳高速公路中的综合运营指标、能源环境指标以及养护管理指标3个方面构建评价体系。结合实际的养护工程以及文献[2-6]构建如图2的评价体系。

图1 绿色低碳高速公路评价流程Fig.1 Green and low-carbon expressway evaluation process

图2 低碳绿色高速公路评价指标体系Fig. 2 Green and low-carbon evaluation index system of a expressway

3 群体可拓模糊综合理论的评价分析

3.1 群体可拓层次法确定指标权重

3.1.1 层次分析法初步确定权重

由于绿色低碳的高速公路评价具有多因素、多目标、多层次的特点，AHP方法用排序向量表示不同因素的相对重要性可分为四个基本步骤：

（1）层次结构模型建立。结构中包括目标层、准则层、分准则层。（2）构造判断矩阵。结合实际问题采用Delphi法和1-9标度法来两两判断矩阵。（3）层次单排序。（4）一致性检验。（5）层次总排序。具体构建过程可参考文献[10]。

3.1.2 可拓综合理论的权重修正

引入 GAHP，选取 m位（m≥3）专家，客观考虑不同专家偏好的一致性并据此将反映权重的定量信息和定性信息进行集成，建立一种基于 AHP的群决策模型[7-10]。可拓分析理论将决策者作为样本，以每个专家AHP计算的权重作为分析因素，进行可拓分析得到专家权重。设有m位决策者对n个指标使用AHP得到判断矩阵ijU，然后根据ijU得到权重系数ijδ。其中，ijδ表示第i个U通过一致性检验后的第j个决策指标的权重。

基于AHP的可拓理论的多人决策权重的步骤如下：① 确定经典域物元ojR：

式中，ojR为第j个指标的经典域物元。

② 确定节域物元PjR ：

式中：PjR 为第j个指标的节域物元。

⑤ 确定关联函数复合物元0R：

⑥ 确定专家的离散系数 k：

⑦ 确定专家的效度系数iφ：

3.2 模糊评价理论的绿色低碳高速公路综合评价

3.2.1 评价指标的量化

（1）定量指标无量纲化

由于定量指标的不太相同，为了能够判定指标等级，对其无量纲化处理。设评价指标uij的定义域为uij∈ [Aij,Bij]，Aij＞ 0 ，Bij＞ 0 ，Aij＜Bij，yij为无量纲化后的结果。成本型指标和效益型指标的无量纲化函数如下式：

成本型指标：

（2）定性指标量化

定性指标采用评价等级隶属度的方法来确定。本文将定性评价指标分为5个等级。

3.2.2 建立模糊评价矩阵

3.2.3 模糊综合评价

模糊综合评价结果向量Y中，yt表示公路隶属于绿色低碳评价等级程度，Y中最大的yt对应的等级表示被评价高速公路最适合于该等级，可作为评价结果。

4 计算分析

4.1 案例描述

湖北荆州某高速公路于2010年12月完全通车，此段有长江大桥连接湖北与湖南 2省。该桥长度为4302.5m，双向六车道，全封闭、全立交，设计速度为100km/h，桥涵设计荷载为公路I级。2014年10月对此路段进行了调研。调查发现：8月维修桥面系时应用了双层 SMA技术。沿线建筑设施污水处理和中水回用等资源循环生态环保项目都已经建立，部分车道已使用ETC车道。具体的绿色低碳指标调查如表1。

表1 某高速公路绿色低碳指标调查情况Tab. 1 Green and low carbon indicators of an expressway

4.2 AHP初步确定权重

对此段高速公路的低碳绿色评价，建立如图1的分析结构。依据文献[11]对由3名公路养护研究人员及 5名养护工程师的权重进行集结并进行一致性检验，权重见表2。

4.3 基于可拓分析的权重修正

（1）根据公式(1)～(6)计算得到关联函数复合物元R0如表3所示。

表2 不同专家的权重（ijδ）Tab.2 Weights of the different experts

表3 关联函数复合物元R0Tab.3 Correlation function composite element

此处以11( )Kδ为例进行计算分析：

由公式（8）～式（9）计算修正后的权重专家权重，结果如表5所示。

表4 专家的离散系数k(i)Tab.4 Discrete coefficients of the different experts

（3）由式（11）计算修正后的指标权重，结果如表6所示。

表5 修正后的权重专家权重Tab.5 The modified weights of experts

表6 修正后的指标权重Tab.6 The modified index weights

此处以1u为例进行分析：

4.4 确定因素集和评语集

根据绿色低碳高速公路评价的程度，将其划分为优、良、中、次、差5个级别，所有指标的节域为[0，100]。所有绿色低碳高速公路评价指标的评估级别为U={U1,U2,U3,U4,U5}={优、良、中、次、差}。绿色低碳高速公路评价指标隶属度表如表7所示。

4.5 建立评价矩阵

利用绿色低碳公路评价指标隶属度建立评价矩阵，如表1所示。在数据处理中对定量指标通过查阅工程资料获得，对定性指标采取专家打分法获得。定性指标得分如表8所示。

表7 绿色低碳指标隶属度Tab. 7 Green and low carbon index membership degrees

表8 定性指标得分Tab. 8 The qualitative index score

依据式（13）评价矩阵如下所示：

4.6 模糊综合评价

依据式（14）知综合评价为：H1=W21·R1=（0.086 2，0.114 2，0.116 3，0，0）；H2=W22·R2=（0.076 0，0.123 7，

4.7 结果分析

依据最大隶属度原则，养护管理指标（0.114 2）为良好等级；能源环境指标（0.151 8）为中等等级；综合运营指标（0.118 5）为中等等级；高速公路整体绿色低碳（0.386 6）属于中等等级。通过综合评价计算可知，日常养护管理中需要进一步引入先进的、环保的材料来进行养护维修，可再生能源以及材料需要作为重点项目放在养护管理中；该段高速公路在以后的运营过程还需要做到节约能源、提高节能设备的普及；综合管理中该高速公路管理处会推进 ETC车道普及来提高运管效率。

该段的高速公路公路刚刚经历了中修工程，一些绿色低碳的设备、设施在不断的完善中，以后的管理中许多低碳措施会得到改善和突破。

5 结束语

高速公路绿色低碳水平评价是一个多准则、多属性的问题，有效的评价该等级是一个工作。文章用以群决策可拓层次分析法为基础的指标权重计算方法，客服了决策人员因失误或者偏好等使权重出现偏差的问题，为最终绿色低碳评价提供了依据。同时，由于评该价具有模糊性和不确定性，文章基于多级模糊理论，建立了高速公绿色低碳评级模型，能准确判定高速公路的绿色低碳等级，可以指导养护管理的实际工作。由于绿色低碳评价因素多，不确性条件较多，群决策多级可拓评估模型中的一些定性因素还不能有效的定量化，这也是以后需要改进的地方。

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