基于DEMATEL- ISM 模型的生态道路综合评价指标筛选

曾小清，贺俊翔，陆 阳，冯栋梁，王奕曾

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海市 201804；2.上海市市政工程建设发展有限公司，上海市 200025）

0 引 言

近年来，随着我国人民物质生活需求逐步被满足，人们对精神文化需求同样不断提出更高的要求，其中最常被提起的就是对良好的居住环境的需求。同时，党和国家也将绿色生态规划为我国城市建设的主要发展方向，并分别于十八大和十八届三中全会提出“推进绿色发展、循环发展、低碳发展”和“建设美丽中国”的构想，于十九大报告强调“生态文明、生态建设、生态保护”，其中“生态”二字在报告正文中更是共计出现42 次。由此可见，生态文明建设已经发展成为我国重要的国家发展战略。

交通领域的生态文明建设进程同样至关重要。交通运输部[1]在2017 年印发的《推进交通运输生态文明建设实施方案》中对交通运输生态文明建设的总体要求、目标及基本原则进行了阐述，并从四个方向出发提出并制定了15 项重点任务和3 项保障措施来推进交通运输行业的生态文明建设。在交通运输行业的生态文明建设推进过程中，生态道路是其中必不可少的一部分，也是实现城市道路可持续发展的必然选择。

综上所述，建立合理生态道路指标体系有重要的意义。一方面符合居民对美好生活环境的向往，另一方面填补从业人员在该领域研究的空白。本文通过征集多位专家的意见，总结了4 个大项69 个小项的标准库，并使用DEMATEL-ISM 模型进行选择，筛选出最符合要求的一系列标准。

1 基本方法

1.1 DEMATEL-IS M 模型的介绍

决策试验和评估实验法DEMATEL[2-11]（Decision Making Trial And Evaluation Laboratory）是由日内瓦研究中心Battelle 协会在1972 年提出的一种面向复杂系统因素分析的算法，并于世界范围被广泛使用。该算法是一种使用图论与矩阵工具对系统要素进行分析的方法。本文使用这种方法能够充分利用专家的经验和知识来处理生态道路生命周期中资源、社会、环境等因素组成的复杂的系统问题，能够对生态道路的相互影响关系做出科学性研究。但DEMATEL 算法不能划分生态道路评价指标的结构层次，也不能识别评价指标体系中的基础性指标，因此需要引入ISM模型弥补上述的不足。

解释结构模型ISM[12-25]（Interpretative Structural Modeling Method） 是J.N.Warfield 在A.F.Osborne 于1939 年提出的“集体思考（brainstorming）”的基础上发展而来的一种阶层构造化的方法。此方法先把作为分析对象的系统拆分成多个子系统，然后分析因素与因素间的二元影响关系，通过布尔逻辑运算得出系统的逻辑结构，得到简洁的层次化结构的有向拓扑图。

DEMATEL 和ISM 都是适用于关键和复杂情况下的分析和决策，将两者结合可以更加科学地做出决策，相互补充对方的不足。DEMATEL 用于确定因素间的相互作用关系，并有助于ISM 将各个因素间的因果组织架构可视化的呈现。ISM 则用于将复杂的评价对象系统拆分为多个简单的子系统。

1.2 DEMATEL-IS M 理论步骤

在这一小节中，DEMATEL-ISM 方法的详细理论步骤将被按照顺序依次展示。

（1）建立初始直接影响矩阵A。本文邀请了14名专业领域的学者对生态道路评价统一模块的m 个指标间的相互影响关系进行了打分（0～4 分制，0 分代表无影响，1 分代表弱的影响，2 分代表一般影响，3 分代表强的影响，4 分代表很强的影响），共回收了14 份有效数据，并将所有指标的集合设为G。为使回收数据更加科学合理，将14 份数据进行了平均计算，最终得到了生态道路评价的初始直接影响矩阵A=[aij]m×m，其中aij代表指标i 对指标j 的影响程度。

（2）计算规范化直接影响矩阵N。首先将初始直接影响矩阵A 规范化，分别计算初始直接影响矩阵的各行和与各列和，对比找出最大值并将该值记为，然后将初始直接影响矩阵A 除以这个最大值之后得到的矩阵即为规范化直接影响矩阵N，数学表达式如下：

（3）计算综合影响矩阵T。规范化直接影响矩阵N 表示了各标价指标之间的直接影响关系，但在实际问题中还需要考虑相互之间的间接影响与相互影响关系。综合影响矩阵表示各因素对系统最终综合影响水平，其计算公式如下：

式中：I 为单位矩阵。

（4）确定中心度和原因度。首先分别计算矩阵T各行ri和以及各列和ci，其中ri为对应指标对其他指标的直接影响与间接影响的总和，即为影响度；ci为对应指标i 受其他指标影响程度的总和，即为被影响度。故中心度ei和fi原因度的计算公式如下：

其中，中心度ei越大，说明该指标在指标体系中处于越重要的位置及其所起到的作用也就越大；当原因度fi大于0 时，说明该指标对其他指标影响力大于受到的影响，故称为原因指标。当原因度fi小于0 时，说明该指标对其他指标影响力小于受到的影响，故称为结果指标。

（5）计算整体影响矩阵H。整体影响矩阵的计算公式如下：

式中：I 为单位矩阵。

（6）建立可达矩阵D。可达矩阵D 的建立与阈值λ 的大小有关，而阈值λ 可通过计算综合影响矩阵T所有元素的平均值来得到。当整体影响矩阵H 中的元素hij大于阈值时，则将相应的dij判定为1，反之判定为0，故可达矩阵中的0 和1 可理解为是否可到达的关系，其计算公式如下：

（7）进行区域分解。R（gi）为可达矩阵D 中第行为1 对应的指标关系，即为指标gi所能到达的其他指标；A（gi）为可达矩阵中第i 列为1 对应的指标关系，即为可以到达指标gi的其他指标。设T（gi）=｛gi∈G｜R（gi）∩A（gi）=A（gi）｝，其中T（gi）是最始发出层的指标集。

假设存在gk，gt∈T（gi）。当R（gk）∩R（gt）=φ 时，说明存在两个互相无法到达的区域，并且这两个区域分别从指标gk，gt出发；当R（gk）∩R（gt）≠φ 时，说明这整个区域都是可以相互到达的。

（8）进行层级分解。与区域分解类似，令S（gi）=｛gt∈G｜R（gi）∩A（gi）=R（gi）｝，则S（gi）为最终接受层的指标集。找出S（gi）后，从原指标集G1中去掉S1中的指标，构成新的指标集G2，即G2=G1-S1。重复以上步骤，直到找不到新的S（gi），至此结束。

（9）进行指标筛选。首先，互相无法到达的区域内指标需要单独选取。指标来自不同区域说明指标类型互相不包含，相互之间差异性较大，每个区域指标需要选择一个以上的指标。

第二步，选择来自最始发出层的指标。因为通过最始发出层的指标可以推理出（到达）其他指标，其具有代表性。而且最始发出层中任意两个指标之间没有影响关系。

第三步，选择部分最终到达层指标。最始发出层指标不可以完全代替最终到达层指标，最终到达层指标是整个评价指标体系的精髓的提炼，相比与最始发出层指标，其所包含的信息经过了进一步的拓展。最后，根据专家意见对上述步骤筛选出的指标进行改动。经过DEMETAL-ISM 模型以及上述三条原则的筛选可以获得大部分合理的指标，但生态道路本身具有特殊性，所以应在筛选完成前询问专家意见，根据意见对其进行补充与调整。

2 算例分析

2.1 生态道路评价指标库的建立

通过采用文献研究法，利用国内外较为权威的文献检索工具收集相关文献45 篇，并对文献中提出的指标进行整理与归纳形成较为庞大的指标库[26-45]。在采用系统分析法详尽分析生态道路本身系统层次特点的同时结合生态道路的定义与目标、生态道路评价指标体系的目标与范围，将生态道路评价指标库内的指标分为5 大类共计113 个指标：资源节约类、生态环保类、品质建设类、智慧管理类、服务人文类。使用调研研究法以及频度分析法等方法对上文搭建的生态道路指标库内的指标进行初步筛选，同时注意整理评价内容相近的指标，选取重要指标、合并评价内容相近的指标、剔除不重要的指标，最后余下69 个指标（见表1）。

表1 初步筛选后的生态道路评价指标体系

上述通过初筛得到的含有69 项指标的生态道路评价体系虽内容较为丰富，但因指标过多，评价工作会较为繁琐，有违可操作性原则，故引入DEMATEL-ISM 数理模型对其进行进一步的指标筛选工作。

2.2 计算实例

初步搭建的生态道路评价指标体系涵盖69 项指标，较好地满足了全面性的原则，但也因为指标数量大而影响指标体系在实际工作中的实用性，因此必须对69 项指标进行筛选，并确保筛选后的指标独立性强，内涵丰富。

本章将以指标数量为15 的“生态环保”作为算例，使用DEMATEL-ISM 模型进行指标筛选工作。

首先邀请专家按照德菲尔法的要求对生态环保分类下的15 项二级指标间影响力的大小进行打分，将问卷调查的结果进行整理得到初始直接影响矩阵A（见表2）。

表2 初始直接影响矩阵A

利用式（1）以及初始直接影响矩阵A 建立规范化直接影响矩阵N（见表3）。

表3 规范化直接影响矩阵N

基于式（2）、式（3）以及规范化直接影响矩阵N建立综合影响矩阵T（见表4）。

表4 综合影响矩阵T

利利用综合影响矩阵算出其各行和以及各列和，随后利用式（4）、式（5）计算中心度和原因度，可以绘制各指标的中心度和原因度分布图（见图1）。再利用式（6）建立整体影响矩阵（见表5）。

表5 整体影响矩阵

图1 生态环保初筛指标中心度和原因度分布图

利用整体影响矩阵H 和式（7）算出可达矩阵（见表6），阈值λ 由计算综合影响矩阵T 所有元素的均值得到。

表6 可达矩阵D

根据区域划分原则，得到生态环保指标可达到与可接受分布表（见表7）。易得不存在互不连通区域。

表7 生态环保指标可达到与可接受分布表

4 结 论

在前文的基础上，同理对其他四个方面的指标也通过上述步骤进行筛选，选出最具有代表性的指标，最终结果整理如下（见表8），作为生态道路综合评价指标体系的构成。

表8 生态道路综合评价指标体系

5 结 语

本文基于调研研究法收集国内外与生态道路评价相关的文献资料并形成生态道路评价指标库，将指标库内指标的评价内容拆解并结合频度分析法初步筛选指标形成生态道路评级体系的雏形。利用DEMATEL-ISM 模型分析经过初筛的生态道路评级体系中各指标间的相互影响关系和层次结构，根据模型计算结果进一步筛选指标，形成包含五大类、36项具体指标的生态道路综合评价指标体系。