基于云模型的海绵城市项目绩效评价研究

李英攀

刘名强

王 芳

目前，中国城市面临严峻的水安全隐患，水生态、水污染和水资源短缺等问题严重制约城市绿色经济发展。面对气候变化、资源衰竭等挑战，国际上以弹性城市为落脚点展开了规划建设和相关研究，我国也提出了具有中国特色的“海绵城市”。在顶层设计的指导及技术与财政的支持下，我国各地方积极创建的海绵城市已初具规模[1]。科学准确地对海绵城市项目开展绩效考核，对今后我国海绵城市的规模推进具有重要意义。

国外的相关实践多通过水敏感城市设计评价标准[2]和雨水利用设施标准[3]来考核项目绩效，相关绩效评价的理论研究则提出多雷达分析法[4]、生态净效益货币量化框架[5]等方法，利用互联监测组件对项目技术产出效果进行统计[6]或利用历史数据进行仿真建模[7]是目前较为流行的预测方式，此外还有聚类分析回归[8]、敏感性分析和不确定性评价[9]等研究手段。我国在海绵城市的应用上起步较晚，目前对海绵城市规划控制方面的研究较多[10-13]。朱伟伟通过层次分析法构建了海绵城市评价指标体系[14]；程鸿群等采用群组评价法计算专家群组共识度来确定海绵城市建设效果[15]。被广泛运用在绩效评价领域的模糊综合评价法和专家评价法虽然能够在评价过程中让项目绩效的信息缺乏和定性指标模糊化问题得到一定程度的改善，但仍未考虑评价的随机性，尤其是对于海绵城市这种历史数据较少、经验相对缺乏的新型基础设施项目而言，常规评价方法很难客观准确地反映出项目的绩效水平。

因此，本文拟提出一种基于云模型的海绵城市项目绩效评价方法。在确立海绵城市项目绩效评价指标体系的基础上，结合层次分析法和熵权法，计算得到评价体系因素的主客观综合权重；采用云模型来描述评价结果和评价标准，最后依据云模型的相似度得到海绵城市项目绩效考核等级，以衡量其是否达到既定标准或预设目标。

1 云模型

我国学者李德毅提出了一种新型不确定性推理理论——云模型，该理论利用特征期望Ex、熵En和超熵He来定量表述一个不确定概念[16]，实现了定性概念与定量数值之间的不确定性转化，较好地揭示了评价对象具有的模糊性与随机性。

将云模型理论用于海绵城市项目绩效评价，其适用性和优势主要包括以下3点：1)云模型可接受的评价指标层面较广，海绵城市绩效涉及范围大，需要考虑的因素众多，多维云模型可以多角度综合分析其绩效情况；2)绩效评价设置的绩效等级属于定性评价，一个等级包含的分值跨度大，而与海绵城市项目绩效考核指标评价得分所对应的等级差别较低，利用云模型可使定性和定量之间的转换具有双向可逆性，考虑了其具有的模糊性；3)项目绩效考核的部分因素打分与评价者的实际感受密切相关，利用云模型能有效改善映射关系，考虑了其具有的随机性[17]。

2 海绵城市项目绩效评价指标体系

对海绵城市项目开展绩效评价有利于增强其改变城市粗放型开发格局的作用，科学、准确的评价结果是城市水系统技术创新和发展的重要动力。海绵城市项目绩效评价涉及多个方面，是一个复杂的系统问题，建立一个合理有效的绩效评价指标体系是海绵城市项目绩效评价的关键。

考虑到我国海绵城市的发展历史较短，工程案例资料与相关研究文献较少，目前尚未形成一套被广泛接受的海绵城市项目绩效评价指标体系，现阶段海绵城市绩效评价指标体系最权威的版本为住房和城乡建设部于2015年7月10日印发的《关于印发海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)的通知》，其中将影响海绵城市项目绩效的因素总结为六大类共18项，该影响因素体系宏观、全面、系统地对海绵城市项目提出了考核要求，故本文以此作为海绵城市项目绩效评价的指标体系(表1)。

3 基于云模型的海绵城市项目绩效评价方法

基于云模型的海绵城市项目绩效评价方法原理如图1所示。

3.1 确定评价标准S并邀请专家评价

根据海绵城市项目绩效考核精度，确定评价标准等级，建立绩效等级标准S={S1，S2，…，SP}，其中P为评价标准等级个数。邀请不少于9名来自建筑勘察设计部门、政府环境监测部门、水文水务与质管部门、海绵城市专项工作组以及科研单位等从事海绵城市专项工程实际管理及研究工作的专家参照指标体系U针对项目实际情况进行打分，同时对各指标完成两两重要性评价。

3.2 计算组合权重

分别利用层次分析法和熵权法确定各指标的主观权重αj和客观权重βj，再通过乘法归一确定指标的组合权重γj，在计算时可利用MATLAB程序现有模块完成，简化计算过程[18]。

3.3 确定评价标准云

设指标评价值的有效论域为U=[0，100]，按照确定的评价标准等级个数P将其划分成P个子区间，其中第i个子区间为[ ]，并且该子区间对应的标准云Couldi的数字特征值为(EXi，ENi，HEi)，其计算表达式分别为：

其中，k为常数，可根据变量的模糊阈度进行调整[16]。

3.4 确定评价因素云和综合云

对评审专家的打分结果Z=(zi1，zi2，…，zi18)，i=1，2，…，I进行处理，按式(2)～(4)计算得到所有指标评价云：第j个指标评价云为CUj(Exj，Enj，Hej)，j=1，2，…，18。

图1 基于云模型的海绵城市项目绩效评价方法

表1 海绵城市项目绩效评价指标体系

图2 评价等级标准云模型

图3 评价综合云模型

再把组合权重带入各个绩效评价指标云CUj的计算结果中，即可计算出海绵城市项目绩效评价专家打分综合评价云C(EX，EN，HE)，计算表达式为：

3.5 计算云相似度并确定绩效考核等级

通过计算综合评价云C(EX，EN，HE)与各评价等级标准云Couldi(EXi，ENi，HEi)之间的相似度δi，确定海绵城市项目绩效等级。相似度值越大意味着项目绩效等级与该评价等级越接近，取相似度最大的标准云对应的绩效评价级别作为海绵城市项目的绩效等级。相似度δi的计算步骤如下：

1)在综合评价云C中生成一个以EN为期望、为方差的正态随机数

2)在综合评价云C中生成一个以EX为期望、为方差的正态随机数

3)将xk代入某评价等级i的标准云Couldi的期望方程中，计算

4)重复步骤2)和3)，直到生成n个μk，一般取n=10～20，计算相似度

4 实例验证

本文以武汉市“十三五”重点工程青山区海绵城市建设示范区启动项目——武青堤堤防江滩综合整治工程为例，运用本文方法进行绩效评价，并与BP神经网络法、模糊综合评价法进行对比，验证本文方法的有效性和优势。

4.1 项目概况

作为武汉市青山区海绵城市建设示范区的启动项目，武青堤堤防江滩综合整治工程是武汉市两江四岸滨水区域建设的重要组成部分。项目属1级堤防工程，由武青堤罗家港至武丰闸，长约7.5km，工程整治范围堤外至水边，堤内至规划控制的40m宽临江大道内边线，占地总面积170hm2，项目总投资27亿元，是近年来武汉市青山区投资最大的市政项目。项目建设内容主要包括7.5km长的临江大道扩建和堤防岸坡改造，以及总面积约136hm2的滩地平整和江滩景观整治等。项目的实施对保障武汉河段的防洪安全、增强防洪能力、改善城市沿江环境景观及周边生态环境，以及推动滨江旧城改造工作、提升地区城市功能和城市形象、促进社会经济发展具有重要意义。

项目融入了“海绵城市”和“雨水花园”的建设理念，景观设计大量采用透水铺装材料，在场地内引入生态草溪、下沉绿地、跌级湿地、覆土绿化屋面等景观做法，生态化收集场地内地表水，充分贯彻自然积存、自然渗透、自然净化的理念并加强对雨水资源化利用。同时，在江滩内部植入防渗墙，严控覆土建筑面积，有效确保大堤防洪效果。为使防洪功能与城市景观实现无缝对接、自然融合，项目首创缓坡式生态堤防[19]，通过对原有土堤的改造，使堤顶到江边护岸顶部之间形成自然过渡的缓坡，同时建设覆土建筑、园林广场、运动场、亲水平台、木屋群、自行车骑行绿道等设施，打破传统堤防阻隔人水相亲的桎梏，实现城市、江滩、堤防三位一体的景观结构。项目年径流总量控制率达80%，面源污染消减率达70%，透水铺装率为60%。

4.2 确定评价标准S并计算评价标准云

根据绩效考核实际需求，将绩效评价标准划分为5个等级，即S={较差、合格、一般、较好、优秀}，评分区间为[0，100]，按式(1)计算各等级标准云模型Couldi的特征值(表2)。由此即可构成一个5级绩效评价标准云系统，利用MATLAB 7.0完成云图绘制(图2)。

表2 评价标准等级划分及对应云模型

表3 各指标权重值及评价云模型

表4 综合云与标准云的相似度

表5 几种方法的结果对比

4.3 采集专家评价数据并计算组合权重

编制指标定量打分表和指标重要性权重评价表，邀请从事海绵城市专项工程管理及研究工作的13位专家，参考本地水源水质状况报告、地表水环境质量状况、水土保持公报和环境质量状况公报对本工程进行评价，评价分值在[0，100]范围之内，100表示考核单项绩效等级最高。根据专家对各指标的两两重要性评价计算主观权重αj，搜集6个同类型项目的数据计算客观权重βj，进而得出各指标组合权重γj(表3第2～4列)。

4.4 计算各指标云和综合云

专家对各项指标评价结果构成评价矩阵Z，将评价矩阵Z的数据按照式(1)～(4)计算各项绩效评价指标的评价云CUj(Exj，Enj，Hej)，j=1，2，…，18。

以城市面源污染控制U22为例，13位专家对该指标的评价结果为Ziu22=(87，81，78，81，82，90，83，86，77，78，82，81，78)，带入计算可得ExU22=81.85、EnU22=3.65、HeU22=0.48，即得到指标云CU22(81.85，3.65，0.48)。同理，得出全体指标云(表3第5列)。

将全体指标云的数字特征与对应的组合权重γj带入式(5)中，得到EX=89.178、EN=3.092、HE=0.434，即该工程绩效评价综合云C(91.178，3.092，0.434)。综合云云图如图3所示。

4.5 计算相似度确定绩效评价等级

计算绩效评价综合云C(91.178，3.092，0.434)与各等级标准云Couldi的相似度δi，计算结果如表4所示。

由表4可以看出，绩效评价综合云C与标准云Could5的相似度δ5最大，同时从图3评价综合云与等级标准云的图像比较中可以看出其叠合情况，符合相似度的计算结果。故武青堤堤防江滩综合整治工程绩效评价等级结果为优秀。

4.6 案例小结

通过本方法对该工程进行绩效评价，得出其等级为优秀，与项目绩效评价实际情况(90分，优秀)一致。从图3中各等级标准云与绩效评价综合云的贴合情况也可直接得出此结论。结合专家意见与同类型项目数据计算出的组合权重可以看出，污水再生利用率、雨水资源利用率、城市暴雨内涝灾害防治和地下水位4项指标对本项目绩效的影响情况最为主要，是需要重点控制的对象。同时，根据表3可以看出，年径流总量控制率、地下水位、城市热岛效应和污水再生利用率是本工程得分较低的单项，后续应重点改进。

将计算结果与其他2种常用项目绩效评价方法的试算结果进行对比(表5)，试算结果基本吻合。由于云模型能够实现定性概念与定量数值之间的不确定性转化，而云图中评价云的跨幅和厚度可以直观地刻画出绩效评价过程中存在的模糊性和随机性，故本文提出的绩效评价方法可以将专家给出的绩效评分数值与绩效等级及标准划分客观地对应联系起来。计算结果采用相似度和云图2种方式，方便决策者对绩效评价结果的信息利用，也提高了各方对海绵城市项目绩效评价的客观认识。

5 结论

考虑到绩效评价过程中的模糊性和随机性，首次应用云模型理论对我国海绵城市项目的绩效考核进行了探索性研究，并结合实际工程算例分析，得出以下结论。

1)以云模型为原理的评价方法较好地处理了绩效评价中的模糊性和随机性等问题，实现了海绵城市项目绩效考核定性概念和定量数据间的转换，使评价更加客观合理，满足工程实际需求。

2)运用层次分析法和熵权法有机结合确定指标组合权重，一定程度上避免了单一赋权所带来的偏差和弊端，更为准确地体现出不同指标对项目绩效的重要程度，使评价更加科学合理。

3)较早提出对海绵城市项目开展绩效评价研究，通过本文方法对其进行绩效评价分析可得到直观、可被广泛利用和借鉴的数据，体现出项目的建设现状及其与目标的差距，为设计方案和技术的优化改进以及项目后评价提供科学的分析工具与决策手段，有利于海绵城市项目的规范化实施。

注：文中图片均由作者绘制。