基于AHP-Cloud方法的城中湖隧道关键适用技术绩效评价研究

胡韫频，仲天昀，陈 伟，高崇博

(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070；2.武汉地产开发投资集团，湖北 武汉 430022)

城中湖隧道是典型的复杂工程项目，投资额大，技术集成度高，社会影响大，需要运用诸多关键技术保障项目在不影响城市景观和生态环境的前提下，充分利用地下空间，跨越自然湖河的分隔，以达到提高城市交通通行能力的目的。而这些关键技术在项目建设全生命周期中运作具有不确定性，且技术本身又具有研发风险性，会严重影响关键适用技术价值的长远发挥，因此，对关键技术的绩效进行有效测度成为亟待解决的问题。

近年来，针对隧道工程关键技术绩效测度方面的研究成果主要集中在技术研究层面，如CIOCANEA等[1]研究了通风口与汽车之间的影响，明晰了阻塞工况下风机工作和关闭时隧道污染物的分布情况；马建等[2]系统地梳理了中国隧道工程运营与安全的研究进展，为隧道火灾、水灾防治技术研究提供新的视角；邓利明等[3]最先报道了武汉市首条湖底隧道的关键技术对城市生态与景观风貌的影响，表现出和谐设计与绿色施工的良好收益。也有学者尝试基于技术产业宏观角度考量技术进步的贡献作用，如CRISPOLTI等[4]第一次基于1980—2000年45个发展中国家的面板数据计量分析了FDI的技术溢出作用对全要素生产率的影响；李忠富等[5]首次采用DEA-Malmquist结合方法对建筑业全要素生产率进行评价，发现建筑业技术效率增长率的波动具有较强的规律性；赖小东等[6]以系统管理角度构建的建筑产业低碳技术指标体系，能较好地评价建设项目的低碳技术集成创新的总体绩效。但这些成果在工程技术贡献准确测评方面仍具有局限性，未能对城中湖隧道关键技术绩效提供全面的评价，难以客观地反映出关键性技术在工程项目建设过程中贡献绩效。

鉴于此，笔者提出一种城中湖隧道关键技术绩效评价方法，在建立多维指标体系的基础上，采用云模型描述评价标准和评价结果，并依据相似度确定关键技术绩效等级，搜索关键不利绩效指标，以期为科学地评价城中湖隧道关键适用技术绩效提供理论依据。

1 云模型理论与应用

云模型是在概率论和模糊数学理论的基础上，引入期望Ex(expected value)、熵En(entropy)、超熵He(hyper entropy)3个数字特征，结合特定的算法，通过服从泛正态分布的随机样本点即云滴，从而实现定性概念与定量数据的双向转换，深刻揭示了客观对象具有的随机性、模糊性及其关联性[7]。云模型已在智能控制、数据挖掘、系统评估、图像处理、信号处理、知识建模等领域取得成功的应用[8]，并形成了正态云模型、gamma-云模型、改进粗糙集-云模型、组合权-云模型等方法。正态云模型具有普适性[9]，可揭示描述二八定律的事物现象。鉴于城中湖隧道关键技术数量大、应用领域多的特点，其技术体系的绩效表现近似服从高斯分布，可将正态云模型应用到城中湖隧道关键技术绩效评价中。

设论域U表示关键技术绩效评价标准的定量区间，定性概念P则表示评价区间对应的等级概念。若定量数值x∈U表示概念P的一次随机实现，x对P的确定度μ(x)∈[0,1]是具有稳定倾向的随机数：μ(x):U→[0,1]，∀x∈U，满足x=RN(Ex,|y|)，y=RN(En,He)，且隶属度函数：μ(x)=exp(-(x-Ex)2/2y2)，则所有云滴构成随机变量X的分布称为正态云。由城中湖隧道关键技术绩效云滴生成的正态云记为C(Ex,En,He)，期望Ex代表技术绩效云滴在绩效标准空间的基本水平，熵En反映技术绩效水平的不确定性，超熵He则反映熵的随机性与模糊性。

2 城中湖隧道关键技术绩效评价指标体系

从相关研究成果中分析适用技术绩效评价的基本要素，基于技术经济、生态工程、低碳交通多维视角，结合东湖通道工程建设目标和关键技术实际应用情况，在相关专家意见修正的基础上，提炼出“功能-工期-费用-安全-环境”5个基本维度的城中湖隧道关键技术绩效评价指标体系，如图1所示。

(1)功能。功能是技术应用的产物[10]，城中湖隧道关键技术是实现城市通道功能的必要条件。通道建设包含了交通疏解、隧道空气净化、隧道通风、水污染环境处置、植被景观生态修复等专业工程，各项关键技术的研发与应用显得十分重要。因此，该指标可用技术属性指标来衡量。

(2)工期。关键技术研发需在工程进展层面协同，才能及时地对东湖通道工程的建设起到支撑性作用。因此，该指标可基于项目管理者和科研工作者对各专业工程的整体把握与进度控制的角度来衡量。

(3)费用。资金是关键技术应用的物质基础，在考虑各项关键技术投资收益的情况下，需合理地设置费用控制点以维持研发与应用活动，保障通道建设的顺利进行。因此，该指标基于技术经济角度来衡量。

(4)安全。安全贯穿于隧道设计、施工、运营的全生命周期，技术安全是隧道安全有力的保障，湖底隧道的安全是城市交通安全的重要保障。因此，该指标基于隧道安全性能要求标准来衡量。

(5)环境。由于隧道施工位于城区内，因此不可避免地会对周边环境产生破坏，为消除和减轻负面影响，各项关键技术需着重考虑对环境的保护与改善。因此，该指标基于生态工程的角度来衡量。

图1 城中湖隧道关键技术绩效评价指标体系

3 技术绩效评价云模型

在建立指标体系的基础上，设计城中湖隧道关键技术绩效打分量表，通过专家评分，确定评价指标的权重及评价等级标准绩效云与综合绩效云，通过计算云相似度确定技术绩效等级。在此基础上，通过不利绩效值搜索分析，搜索关键技术的不利绩效指标。关键技术绩效评价云模型流程图如图2所示。

图2 城中湖隧道关键技术绩效评价云模型流程图

3.1 正态云模型的评价步骤

(1)运用层次分析法(AHP法)计算城中湖隧道关键技术绩效指标权重[11]。运用Yaahp软件计算得到各一级指标和二级指标的权重。

(1)

(3)通过逆向云算法确定城中湖隧道关键技术评价指标绩效云和综合绩效云。采用基于一阶绝对中心矩的逆向云算法(SBCT-1stM)[13]处理指标数据。第j个指标对应输入N个绩效值x，得到输出指标绩效云

(2)

(3)

(4)相似度系数计算。基于交互式的云滴确定度计算法[14]计算综合绩效云与各等级标准绩效云的相似度θi，从而确定城中湖隧道关键技术绩效等级。相似度越大则意味着技术绩效等级与评价标准等级越接近。

(4)

式中：normrnd是以云特征值为参数的正态随机数生成器；CloudDt(1,i)为综合绩效云滴的取值；CloudDt(2,i)为综合绩效云滴在标准绩效云中的隶属度；T取100次。

3.2 最不利绩效指标搜索分析

(5)

4 实证分析

4.1 关键技术概况

选取东湖通道项目前期开展的5个关键技术研究为分析对象。该项目是武汉市大东湖地区的重点道路交通工程，具有完善区域路网结构、缓解交通拥堵、景区过境交通分流、过江交通快捷通道等多重功能[16]。作为中国最长的湖底隧道，面对环境、景观、文化功能要求与建设难题，需要对其关键技术进行绩效评价。

该项目需评价的核心关键技术为：技术1，以东湖通道与配套工程为对象进行交通疏解与路网方案专项技术研究。技术2，以重度人工干扰下水环境污染为对象进行突发性水污染快速处置技术与景观水体污染长效净化技术研究。技术3，以重度人工干扰区植被景观为对象进行水体、陆地景观生态修复技术研究。技术4，以东湖湖底隧道气体污染物为对象进行空气净化系统技术研究。技术5，以风景区湖底隧道通风设计为对象进行自然通风与通风排烟技术研究。

4.2 云模型评价标准参数设置

按照评估要求，采用百分制形式，则定量论域U=[0，100]，描述城中湖隧道关键技术绩效评语P={差、较差、良好、较优、优秀}。由P→U，依据3∶3∶2∶1∶1的比例，将绩效标准区间划分为[0,30](差)、[30,60](较差)、[60,80](良好)、[80,90](较优)、[90,100](优秀)5个等级。

由式(1)计算得到等级标准绩效云模型Cloudi特征参数，即“差”Cloud 1(15,12.70,0.5)、“较差”Cloud 2(45,12.70,0.5)、“良好”Cloud 3(70,8.50,0.5)、“较优”Cloud 4(85,4.25,0.5)、“优秀”Cloud 5(95,4.25,0.5)。

4.3 指标赋值及正态云模型分析

表1 城中湖隧道关键技术绩效云模型测算

4.4 绩效评价分析

技术1相似度向量θ1为(0.000 1,0.003 0,0.069 7,0.497 9,0.429 3)，可以看出综合绩效云CI与标准绩效云Cloud 4相似程度最大，评价可得绩效等级为“较优”。同理，技术2“优秀”、技术3“优秀”、技术4“良好”、技术5“较优”，可反映出技术1、2、3、5在工程应用中具有较高的适用性。以技术2和技术4为例，绘制其综合绩效云图，如图3所示。

图3 城中湖隧道关键技术综合绩效云图

(2)不利绩效指标搜索。通过式(5)对指标绩效云数据序列的损失系数进行计算搜索分析，发现城中湖隧道关键技术的不利绩效指标主要集中于“技术4”的功能绩效、安全绩效及环境绩效等方面。不利绩效指标损失系数具体如表2所示。

表2 不利绩效指标损失系数

由上述计算结果可知：技术4综合绩效评价为中等水平，其主要的不利绩效指标表现为：技术功能稳定度、技术安全市场调查的可靠度、技术应用对景观环境的保护与改善、技术实施的可行性，需要采取不同措施加强应对。其中，技术功能稳定属性的损失度最高，也与隧道工程后期长久稳定运营的第一要求相匹配。在实际工程中，技术4的研发成果也并未被全部应用，导致了其技术综合贡献价值低于其他4项技术。初步设计中的隧道空气净化装置“碳净化技术”，其活性炭功能属性与本隧道后期建设与运营不适用，难以发挥实效性能，不利绩效指标因素需重新考量。在环境敏感度高的东湖景区施工，技术2与技术3的应用成功减弱重度人工干扰，其功能与环境绩效表现突出；面对特长湖底隧道建设高要求，技术1与技术5的应用成功保障隧道结构功能优化与区域交通路网改善，其功能与安全绩效表现较优。

5 结论

笔者首先建立基于城中湖隧道工程项目“功能、工期、费用、安全、环境”多目标项目前期关键技术绩效评价指标体系，通过对武汉东湖通道工程进行实证分析表明，该指标体系能全面反映关键技术应用状况。然后借助云模型构建的城中湖隧道关键技术绩效评价模型，综合考虑指标的模糊性和随机性，进行定性信息与定量数据规律相互转换，生成云图使得评价结果更具直观性与科学性。最后通过不利绩效指标搜索，找出城中湖隧道关键技术实际研发与应用中的薄弱点，制定针对性的解决措施，有助于为建设单位进一步完善以研究为基础的技术制度，也为提升关键适用技术绩效以及增强项目整体效益提供决策支持。

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