基于GT-ET的黑龙江省绿色公路评价方法
2021-06-21赵云贺席建锋丛晓丽刘天宇
赵云贺，席建锋，丛晓丽，李 卉，刘天宇
(1.吉林大学 交通学院，长春 130022；2.黑龙江省公路科学研究院，哈尔滨 150100；3.吉林省高速公路管理局梅河管理分局，吉林 梅河口 135000)
美国、日本、加拿大等国家在公路建设过程中，较早重视人与自然的和谐，强调保存自然和历史原貌，保持生物的连续性。在环境污染逐渐恶化、资源匮乏短缺、生态系统持续退化的背景下，绿色公路建设已然成为中国公路交通提质增效、转型升级的重要抓手，同时也是“保护环境、尊重生态、顺应自然”的可持续发展战略目标的根本要求。
近年来，国内外学者分别对绿色公路的设计环节、建设技术以及评价方法等进行研究[1-3]；马中南等基于绿色交通和绿色公路的概念提出绿色公路评价指标体系的专题技术内容[4]；王晋等从绿色低碳角度对评价绿色公路的指标体系进行分析[5]；王新岐等从绿色公路建设的关键控制指标和指标评估两个方面进行研究[6]；其他学者也分别从全寿命周期、建设内容等角度提出新的绿色公路评价指标体系[7-8]。在评价方法上，王爽等采用AHP和熵权法建立评价模型，对装配式建筑进行绿色评价[9]。
在总结一批绿色公路示范工程经验基础上，2018年交通运输部发布《JT/T1199.1-2018绿色交通设施评估技术要求》(下文简称《要求》)，其中，“第1部分绿色公路”明确提出绿色公路的评价思路与评价指标体系，该评价体系具有覆盖范围广、系统全面的优点[10]。
1 问题与解决思路
1.1 问题
根据建立黑龙江省绿色公路评价指标体系的需要，现有研究及规范存在以下几点问题：
1)《要求》中评价指标数量过多，三级指标项之间存在含义重叠、概念交叉的情况，侧重点不明确且不反映地域特性，因此，需要对各指标项的含义进行剖析，以选出适用于黑龙江省的关键评价指标，避免操作繁琐、工作量大、代表性差等问题。
2)由于绿色公路内涵丰富、评价内容较多，且影响因子复杂，许多评价指标和影响因子是模糊的概念，不便以数值形式表达，但如果单纯地或简单地采用打分评价的方式，会给绿色公路的评价工作带来一定的偏差及困难，且《要求》中指标项的分值比例无法较好地体现各省份地域特点、气候和地理位置等对绿色公路的建设与运营的影响，以及绿色公路本身的建设应用目标。
3)《要求》中未明确绿色公路的等级分值划分，需要结合黑龙江省的绿色公路发展经验、建设工程实际及未来发展理念与需求，明确绿色公路评价结果的等级划定标准。
1.2 解决思路
为更好地满足黑龙江省地域特点和评价可操作性要求，在黑龙江省绿色公路评价的指标体系和评价方法构建时应着重考虑黑龙江省的地域、气候、自然资源、风土人情、建设技术难点等特色。
由于所构建的评价体系中部分指标难以数值形式进行比较，同时绿色公路等级评价应兼顾地域经验和工程建设实际情况，为了减少采用打分法可能会带来的主观性与随意性，增加一定的客观性和科学性，本文采用层次分析法(AHP)和熵权法分别计算指标权重，并根据博弈论组合赋权法将指标项的具体分值经过客观地计算分析再确定指标组合权重。这是一个综合考虑主观和客观赋权因素计算评价指标组合权重的过程，其中，层次分析法可综合考虑地域发展经验，熵权法可结合实际数据将指标权重进行量化。
最后，引入可拓理论，建立基于博弈-可拓理论的绿色公路评价模型。可拓理论的优点在于可以应用指标权重计算待评绿色公路物元的等级关联度，直观地反映公路绿色等级。
绿色公路等级评价流程见图1。
图1 绿色公路等级评价流程
2 绿色公路评价指标体系构建
2.1 黑龙江省地域特点
黑龙江省的区域特殊性尤为突出：1)自然资源禀赋优越，有全国最大的林业、农耕地，同时又是矿产资源大省，且水资源丰富；2)旅游资源丰富，较高冰雪旅游价值，国家级自然保护区等自然景观众多，边境开放旅游趋势明显；3)多种少数民族特色汇集，拥有独特的历史遗迹和民俗风情；4)低温严寒、冰雪等气候条件对公路建设与交通安全影响显著。
2.2 黑龙江省绿色公路建设现状
近年来，黑龙江省基于绿色公路理念和省情，结合交通运输部对公路绿色环保提出的新要求，截止目前共建成2条绿色公路示范工程，共计254.3 km。该工程将资源节约利用、生态保护、污染防治、品质服务理念融入公路规划、设计、建设、运营、管理、服务全过程，通过实践绿色环保先进技术，如高寒地区钢混组合梁力学特性分析应用技术、高寒林区及敏感水体路段公路建设生态环境保护技术等，创新探索并形成具有本省特点的绿色公路建设实践经验，极大地提升黑龙江省公路绿色发展水平。
2.3 黑龙江省绿色公路发展理念
通过与黑龙江省公路规划设计、建设施工、运营管理、维修养护部门的专业人员及建设环保方面专家进行座谈与问卷调查，总结出黑龙江省绿色公路的发展理念及需求，主要包括：
1)生态环保为首要目标。黑龙江省自然资源丰富，少数民族风情突出，旅游特点显著，保护当地水系、动物鱼类生活原貌、植被原生态恢复、当地冰雪和自然景观旅游特色尤为重要。
2)重点考虑资源节约利用。黑龙江省是中国农业、林业大省，提高土地资源集约利用率、改扩建工程旧路材料利用率，土地生态原貌恢复应为重点，最大程度减少建设项目的资源浪费。
3)提升工程品质与服务。最大程度利用互联网信息技术，提升设计选线合理性，工程建设—运营管理—维修养护系统性，同时拓展边境旅游服务品质。
4)加强能源节约措施。施工养护过程使用集中供电、声控、光控等措施及变频技术等设备，或利用太阳能、风能等清洁可再生能源。
2.4 绿色公路评价指标体系
通过实地勘察调研黑龙江省地域特殊性，在《要求》的基础上，依据简明、实用的指标集构建原则，筛选适用于评价黑龙江省绿色公路发展的指标。最终确定从绿色公路的“资源集约利用”“生态环保”“节能低碳”“品质服务”四方面遴选出14个指标项，并将各项控制指标分层级归类，建立3层评价指标体系(见图2)。
图2 黑龙江省绿色公路评价指标体系
其中，“资源集约利用”涉及绿色公路发展对自然资源的占用情况；“生态环保”涉及绿色公路发展对自然生态环境的影响；“节能低碳”涉及绿色公路发展对能源消耗和碳排放的控制情况；“品质服务”涉及绿色公路发展的新趋势，以及绿色公路发展对公路服务模式的拓展情况。
3 评价模型与方法
3.1 绿色等级评价模型
根据待评绿色公路Nj的各项指标参数ci进行评价指标体系的设计，利用可拓物元理论[11-13]，待评绿色公路Nj、指标参数ci及其量值Vji组成的有序三元组构成待评绿色公路等级物元Rj
(1)
确定待评物元Rj的经典域Ro和节域Rp为
(2)
(3)
式中:vo为标准事物No关于其特征ci的量值范围；aoi和boi分别为上限和下限；vp为节域事件Np关于其特征ci的相应标准全部的量值范围；api和bpi分别为上限和下限。
计算Nj的第i个指标关于等级t的关联度
kti(vtj)=
(4)
式中:vji为待评绿色公路Nj关于其评价指标ci所确定的取值范围，即经典域
(5)
计算Nj关于等级t的加权关联度kti(Nj)
(6)
根据关联度最大识别原则，如果Nj满足式(7)，则可判定其绿色等级属于t0。
kt0i(Nj)=max{kti(Nj)|t=1,2,…,l}.
(7)
3.2 评价指标权重计算
3.2.1 层次分析法
层次分析法(AHP)是一种主观赋权方法[14]，适用于难以定量描述的评价指标权重的确定。建立分层级的结构模型，利用1～9标度法，根据指标项之间两两相关的重要度构造判断矩阵，经过归一化处理后计算权重值，再通过一致性检验验证所计算的权重值是否合理。
3.2.2 熵权法
熵权法是一种客观赋权方法[15]，对指标项所蕴藏的客观信息进行权衡，通过熵值衡量某一评价指标在不同评价方案中的差异程度，熵值越大，说明信息越丰富，即重要性越高。
3.2.3 博弈论组合赋权法
博弈论组合赋权法[16]的实质是通过对不同方法计算的基本权重与组合权重间的偏差极小化，在不同方法确定的基本权重之间谋求1个最优组合状态，见式(8)、(9)。
(8)
(9)
式中：w为任一组合权重集；βk为组合系数，βk>0；L为不同计算方法数；wg为第g种方法计算得到的基本权重集。
根据矩阵微分性质，以求取最优组合系数，经归一化处理后代入式(10)，计算评价指标的组合权重。
(10)
4 实例应用
选取黑龙江省2017—2019年期间建设的2条示范公路工程作为实例分析对象，对本文所建立的模型及方法进行验证和应用。
4.1 等级评价物元
结合现阶段公路建设工程实际与参考专家经验，将黑龙江省绿色公路等级划分为5个等级，分别为优秀[90～100]、良好[80～90)、中等[70～80)、合格[60～70)、不合格(0～60)。
绿色公路等级划分的经典域为
Ro=
(11)
绿色公路等级划分的节域为
(12)
将选取的2条公路工程定义为N1,N2工程。通过对5名专家进行问卷调查得到2条公路的各评价指标值，从而得到待评绿色公路等级物元为
(13)
4.2 评价指标权重计算
采用层次分析法与熵权法分别得到指标权重值，见表1的第二列与第三列。再根据博弈论组合赋权法确定权重向量的最优线性组合系数(β1,β2)，归一化处理后为(0.625 8，0.374 2)，计算得到各评价指标的组合权重，见表1的第四列。
表1 黑龙江省绿色公路评价指标权重
4.3 评价指标关于等级的关联度计算
根据所建立的绿色等级评价模型计算得到黑龙江省绿色公路等级t的关联度K，再结合上述计算得到的各评价指标最终的组合权重向量，最终得到N1，N2工程关于等级t的加权关联度(见表2)。
表2 N1，N2工程关于等级t的加权关联度
依据关联度最大识别原则，确定N1工程绿色等级为中等，N2工程绿色等级为良好。
4.4 评价结果分析
通过确定评价指标权重(见图3)，在14个指标项中，“土地资源节约利用”指标权重占比较高，说明黑龙江省公路建设过程中在土地节约利用方面较为重视，着重考虑了本省作为农业、林业大省的地域特殊性；同时，“野生动物保护”“土体保护及污染防护”“植被保护恢复”3项指标权重占比较高，表明在公路设计建设过程中应把土体污染流失防护、自然生态资源保护作为要点。
图3 指标权重对比
虽然“清洁能源利用”“施工标准化”指标权重值最大，“水资源节约利用”指标权重值居中，但在工程建设中此3项指标建设情况不足；“旅游服务拓展”指标权重占比偏低，但在工程设计与建设中采
取了较多针对性措施。可见，具体工程建设与评价指标体系的侧重点有一定偏离，表明黑龙江省绿色公路现阶段发展中存在考虑不周的问题，在未来绿色公路规划建设中应加强利用现代施工新技术，以节约资源成本为前提，充分发挥本省旅游资源价值和地方少数民族风情特色的同时，尽早融入低碳、节能、可持续发展理念。
5 结 论
1)依据黑龙江省地域特点与公路绿色建设的发展方向，构建1个包括4个一级指标、14个二级指标的黑龙江省绿色公路评价指标体系。
2)采用层次分析法(AHP)和熵权法分别计算指标权重，运用博弈论组合赋权法从主观和客观2个角度计算指标组合权重，量化反映黑龙江省公路工程在绿色公路建设方面的具体情况。
3)建立的基于博弈-可拓理论的绿色公路评价方法，能在全面准确评价公路绿色发展程度的同时，找出评价对象现阶段绿色发展中的优势和存在的短板。
