基于集对分析的城市道路工程可持续性评价

李重阳，方 俊

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

为了满足急剧增长的出行需求，我国各大城市正在大规模进行城市道路工程建设。展开城市道路工程可持续性评价研究，可以显著提升城市道路工程的建设水平和运营品质，进而提高城市道路工程及其周边区域的可持续发展能力。

目前有不少学者就工程项目可持续性课题展开了一定深度的研究。谭建蓉[1]采用层次分析法评价了农村饮水工程项目的可持续性，但基于层次分析法的权重计算结果受专家主观意见影响较大。曹吉鸣[2]系统地研究了工程项目可持续管理框架，强调了可持续理念在工程管理领域的重要性。赵越[3]采用层次分析法计算天然气管道工程项目可持续性评价指标权重，并采用基于灰色关联分析的模糊综合评价方法确定评价等级。该方法虽然较好地处理了可持续性评价中的模糊性，但隶属度计算无法全面准确地刻画可持续评价复杂性，容易丢失大量有价值的评价信息并导致评价结果错误。南智斐[4]综合运用层次分析法与模糊综合评价法建立风电工程项目后评价模型。唐斌斌[5]从建设过程、整体目标、社会影响和环境影响四个方面系统地构建了水电开发工程项目的后评价指标体系。目前工程项目可持续评价的研究对象主要有饮水工程、天然气管道工程、风电工程和水电工程等，但没有针对城市道路工程的可持续性评价成果。相关研究成果主要采用层次分析法和模糊综合评价等方法构建评价模型，存在主观性较强、难以处理可持续评价复杂性等不足。

因此，该文综合采用文献调研和专家调查法构建了完整的指标体系，采用C-OWA算子计算各指标权重以实现客观合理的权重运算，采用集对分析处理可持续评价中的复杂性和不确定性。

1 城市道路工程可持续性评价指标体系的建立

通过对关键词为“基础设施工程”、“可持续性”和“城市道路”的典型研究成果[2-6]的归纳总结，该文搜集到36个二级指标，并采用专家调查法保留重要性得分高于平均分的20个二级指标，最终构建了完整的评价指标体系，如表1所示。

表1 城市道路工程可持续性评价指标体系

2 城市道路工程可持续性评价模型的构建

2.1 基于C-OWA算子的指标权重计算方法

C-OWA(Combination Ordered Weighted Averaging，组合数有序加权算子)是一种基于组合数改进加权向量的赋权法[7]，其基本步骤如下：

1)评价数据的获取和重排序。邀请工程项目管理领域的n位专家对m个评价指标的相对重要程度进行打分，得到初始决策数据aij(i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n)。将第i个指标重要性得分数据集(ai1,ai2,…,aij)重新编号，由大到小排序得到新数列(b1,b2,…,bn)。

(1)

3)归一化处理。得出第i个指标的相对权重值ωi[7]

(2)

从其赋权过程可以看出，每个指标重要性数据的位置变化都会影响指标权重大小，因此专家主观意见的极大值和极小值均被调整到了对权重影响程度小的位置上，从而降低了专家极端意见对权重结果的影响。

2.2 基于集对分析的城市道路工程可持续性评价方法

集对分析可以较好地处理城市道路工程可持续评价指标的随机、模糊和不完整等困难[8]，具体的评价步骤如下：

1)构成集对。将各指标与可持续性等级标准构成一个集对[8]

(3)

其中，ωi为第i个指标的综合权重;A表示同一度;B表示差异度;D表示对立度;e表示差异度系数;f表示对立度系数;K表示联系数的元数。

2)计算联系度。越小越优指标的联系度为[9]

(4)

其中，s表示指标评价区间的界限;sK-1表示K-1的下限，同时也是K-2的上限。

越大越优指标的联系度为[9]

(5)

3)确定可持续性等级。采用置信度来确定可持续性等级[8,9]

hK=(f1+f2+…+fK)>λ

(6)

3 案例分析

森林大道工程位于武汉市东湖新技术开发区，是连接武汉三环线到武鄂高速的重要道路工程。该项目设计长度为18 391.94 m，包括道路、桥梁、排水、交通、绿化、照明、电力、通讯、给水、征地、拆迁工程及其他配套工程。该项目的投融资运作方式为BT模式，实际竣工日期为2019年9月，实际总投资为50 443.77万元，目前正处于项目后评价阶段。

邀请20名专家(7名来自中信工程设计建设有限公司，8名来自武汉理工大学，5名来自武汉东湖新技术开发区管委会)对该项目指标重要性进行打分，将指标重要性得分代入式(2)中即可得到所有二级指标权重ω，如表2所示。

表2 森林大道工程可持续性评价计算结果

根据表2的计算结果可知，设计可持续性(A11)的权重最大，这表明在设计阶段准确合理地预测未来交通量并采取一定措施应对是提升城市道路工程可持续性的关键；融资模式(A25)的权重排名第二，项目业主方应在项目规划阶段充分调研、认真研究并慎重选择BT(Build-Transfer，建设-移交)、BOT(Build-Operate-Transfer，建设-经营-转让)、TOT(Transfer-Operate-Transfer，移交-经营-移交)等项目融资管理模式以有效降低项目投资或提高项目效益；运维成本合理性(A22)的权重排名第三，项目业主方应在运营维护阶段重点制定控制运维资金使用计划，提高运维资金使用效率，降低运维成本。

参考前人研究成果[4-6]、行业评价标准和森林大道工程项目管理的实践需求，该文将可持续性等级分为五个等级，很好(Ⅰ级)、较好(Ⅱ级)、一般(Ⅲ级)、较差(Ⅳ级)和极差(Ⅴ级)，各指标得分用百分制数表示为很好[0,20)、较好[20,40)、一般[40,60)、较差[60,80)、极差[80,100)。邀请参与权重得分的20名专家对该项目的各二级指标进行打分，采用式(3-5)计算各二级指标的加权后联系数(A、B1、B2、B3和D)，计算结果如表2所示。

通过表2中各二级指标的联系数计算结果求和，可以得到该项目的五元联系数计算结果分别为很好(f1=0.294 0)、较好(f2=0.394 7)、一般(f3=0.243 3)、较差(f4=0.091 5)和极差(f5=0.013 6)。当λ为0.6时，该项目的可持续性为较好(Ⅱ)。这表明该项目的可持续性较好，但项目管理单位可以考虑采取进一步措施提高其可持续性。

基于集对分析模型得到的森林大道工程可持续性评价结果与该项目实际情况基本一致。1)自武汉市森林大道项目建设并投入使用以来，该项目的公众满意度调查结果良好，项目实施过程中资本金总量由原来的56 261.54万元减少为50 443.77万元，累计节约资金5 817.77万元；2)该项目选用的各项技术符合规范要求，环境保护实施效果满足相关法律法规要求，有效地降低了能源消耗；3)该项目改善和提高了交通运输能力，改善了沿线居民的出行条件，提升了沿线土地综合开发价值。但该项目未能按时完成项目进度目标，值得进一步提高。

4 结 语

城市道路工程建设和运营的可持续性对城市发展具有重要意义，该文采用文献调研和专家访谈法识别并构建了完整的城市道路工程可持续性评价指标体系，完善了相关研究工作的不足。综合采用C-OWA算子和集对分析构建了城市道路工程可持续评价的数学模型，对武汉市森林大道项目展开了实证研究，找出了影响该项目可持续发展的关键因素，为提高城市道路工程的可持续发展能力提供了依据。