基于IAHP的低碳綠色高速公路評估研究

胡萬欣，劉玉露，周則程，劉艷，張艷

（1.武漢鐵路職業技術學院，湖北武漢430205；2.湖北省交通運輸廳隨岳高速公路管理處，湖北武漢430050；3.西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031）

基于IAHP的低碳綠色高速公路評估研究

胡萬欣1，劉玉露2，周則程1，劉艷3，張艷3

（1.武漢鐵路職業技術學院，湖北武漢430205；2.湖北省交通運輸廳隨岳高速公路管理處，湖北武漢430050；3.西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031）

摘要：為準確分析綠色低碳高速公路的應用程度，基于高速公路實際的運營情況，構建區間層次模糊低碳綠色評價模型。首先引入區間層次分析法分析了綠色低碳高速公路的權重，其次利用模糊綜合評價法建立綠色低碳高速公路評價模型。然后，基于運營實際從高速公路綜合運營指標、能源環境指標以及養護管理指標3個方面構建了指標組成的評價體系。最后通過案例，以某段高速公路為例對其綠色低碳程度進行評價，結果顯示模型能夠有效地解決多屬性的綠色低碳高速公路評價問題。

關鍵詞：高速公路；綠色低碳；區間層次分析法（IAHP）；模糊綜合評價

基作金者項簡目介：胡萬欣（1989—），男，助教，主要研究方向為交通規劃，交通運輸經濟。

作

通者訊簡作介者：周則程（1982—），男，高級工程師，主要研究方向為運輸規劃與管理。

隨著我國對綠色低碳理念的重視，高速公路運營正走向環保發展之路。所以，探索如何對高速公路進行綠色低碳評價，是創建綠色低碳高速公路的迫切需要。歐美許多發達國家高速公路管理模式經過50多年的調整已經向節能與環保的方向前進。例如：日本的三級垂直管理體系；法國、意大利、西班牙等國家的特許公司制；英國則以綠色低碳環保為核心進行高速公路管理運營［1-2］。相比于歐美發達國家，我國高速公路發展時間較短，以綠色低碳為核心的發展模式仍然在不斷探索中。馬中南等（2006）探討了綠色公路的評價體系［2］。王健等（2011）構建了公路綠色施工屬性識別評價模型［3］。劉麗芳（2011）對高速公路綠色施工進行了探討［4］。夏波（2012），王晉（2014）采用層次分析法（AHP）分析了綠色低碳公路指標的權重，采用模糊數學法建立了體評價方法［5-6］。目前我國高速公路里程已經成為世界第一，但對于綠色低碳公路的評價問題，研究成果還很少，也缺少廣泛認同的指標體系。上述分析中，灰色系統理論需要大量因素的數據統計分析，現階段關于綠色低碳的數據積累不足，該方法實施效果不夠理想。屬性識別需要給出一個判斷準則，使用時需要結合其它方法時才能進行有效地評價高速公路綠色低碳的程度。我國現階段的高速公路低碳綠色評估的基礎數據仍然在積累當中，進行評價時還需要結合主觀經驗。而層次分析理論可以將眾多復雜因素和決策者個人因素結合起來，適應于現階段我國的評價特點，是近期比較可行的方法。但是應用AHP時，有時元素之間影響的高低的程度很難用一個精確的數來表達（例如：如果綜合結果介于“稍微重要”與“明顯重要”之間時），可以用區間數來表示判斷的結果更加合理。因此，文章引入區間層次分析法（IAHP）比較區間數大小的相對優勢度排序方法，避免評估時信息丟失，提高高速公路決策結果的合理性。鑒于綠色低碳評價指標之間存在著模糊性、多目標性，使用模糊綜合評價理論，期望為高速公路綠色低碳評價提供參考，以提高高速公路綠色低碳評價的有效性。

1　綠色低碳高速公路評價過程

綠色低碳高速公路是指將綠色低碳理念運用到整個管理過程中，最大程度地合理保護環境，形成“安、暢、舒、美”的和諧之路。高速公路綠色低碳評價就是合理分析現役高速公路“綠色低碳”等級，以便查找高速公路運營管理中存在的問題，從而采取措施來提升高速公路的綜合效益。綠色低碳高速公路評價主要需要考慮3個方面：①選擇何種指標評價高速公路的綠色低碳特性；②如何選擇適用的評價方法；③如何根據評價等級調整高速公路的管理。其中，綠色低碳高速公路評價流程示意圖如圖1所示。

2　區間層次模糊綜合理論的評價分析

圖1　綠色低碳高速公路評價流程Fig.1 Low-carbon green highway evaluation process

由于綠色低碳高速公路發展的不確定性，評價指標在現階段很難用精確的結果來評判。灰色系統理論主要是解決包含未知因素的特殊領域問題。該方法根據大量因素的數據統計分析，定量研究并且比較系統之間的相對變化。相似權法確定權重需要能取得多個同種評價的樣本，而且需要結合其它評價方法才能進行綜合評價。因此，本文引入IAHP進行綠色低碳高速公路的評估，以此提高綠色低碳高速公路評估結果的客觀性和有效性。

2.1基于區間層析理論確定指標權重

第1步：與AHP方法相似，構建目標層A，準則層B及指標層C。

第2步：構造一致性區間互補判斷矩陣。此處參照文獻［11］利用1/10—9/10標度法來構造互補判斷矩陣R(xij)

其中：xij為第i行第j列的區間數，為第i行第j列的區間數下界，為第i行第j列的區間數上界。

第3步：一致性檢驗。計算區間一致性的判斷矩陣R(rij)n×n

第4步：層次排序計算。

首先對R(rij)n×n層次單排序，得到C相對于B的權重向量(w1,w2,…,wn)為判斷矩陣進行按行求和，即

通過公式（4）和公式（5）計算指標層C對于其準則層B中j的權重wji，準則層B中j相對于目標層的權重j。然后進行層次總排序，計算總層次區間權重wi

第5步：區間權重的比較［11］。利用公式（5）對wi進行兩兩比較，得到相對優勢度矩陣p

最后，利用式（1）—式（5）得到相對優勢度的指標排序。

2.2模糊評價理論的綠色低碳高速公路綜合評價

2.2.1評價指標的量化

1）定量指標無量綱化。由于定量指標的不太相同，為了能夠判定指標等級，對其進行無量綱化處理［12］。設評價指標為μij，其定義域為μij[Aij,Bij]，Aij>0，Bij>0，Aij

成本型指標

效益型指標

2）定性指標量化。針對定性指標采用評價等級隸屬度的方法來進行確定，本文將定性評價指標分為5個等級。為了克服單人評分可能帶來的偏差，采用三角模糊打分法結合群決策方法共同確定。

2.2.2建立模糊評價矩陣

指標uij對評價等級vt(t=1,2,…,w)的隸屬度為lijt。uij的評判集為lij=(lij1,lij2,…,lijw)，其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,ni。可得到m個二級指標的評價矩陣Ri

2.2.3模糊綜合評價

第i個一級指標的二級評價特征向量設為W2i(i=1,2,…,m)，則第i個一級指標的模糊綜合評價集Hi=W2i·Ri；設綜合評價矩陣為W1，則最終模糊綜合評價結果向量Y為

模糊綜合評價結果向量Y中，yt表示公路隸屬于綠色低碳評價等級程度，Y中最大的yt對應的等級表示被評價高速公路最適合于該等級，可作為評價結果。

3　綠色低碳高速公路評價指標集的確定

建立綠色低碳高速公路評價指標，本質就是要尋找能全面反映低碳高速公路各方面特征的指標。為提高綠色低碳高速公路評價的準確性，盡可能選取可以量化的指標。指標根據高速公路運營中產生節能減排量或起到生態、環保、循環效果的來劃分，本文從綠色低碳高速公路中的綜合運營指標、能源環境指標以及養護管理指標3個方面構建評價體系。結合實際的養護工程以及文獻［2-6］構建如圖2的評價體系。

圖2　低碳綠色高速公路評價指標體系Fig. 2 Evaluation system of low-carbon green expressway

4　案例分析

4.1案例描述

荊州市某高速公路于2010年12月完全通車，此段有長江大橋連接湖南省。該橋長度為4 302.5 m，全封閉、全立交，橋梁設計速度為100 km·h-1，橋涵設計荷載為公路-Ⅰ級。2014年10月對此高速公路進行了詳細的調研。調查發現：2014年8月時該路面使用了雙層SMA技術進行了中修維護，沿線建筑設施污水處理和中水回用等資源循環生態環保項目都已經建立，部分車道已使用ETC車道。綠色低碳指標調查如表1。

表1　某高速公路綠色低碳指標調查情況Tab.1 Green low carbon index of an expressway

4.2區間層次計算分析

4.2.1構造單層判斷矩陣

依據圖2建立12個指標。依據該橋梁養護工程師以及綠色低碳養護科研人員的分別構造區間層次判斷矩陣，分別見表2—表5。

表2　A-B判斷矩陣Tab.2 Judgment matrix of A-B

表3　B1-C判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix of B1-C

表4　B2-C判斷矩陣Table 4 Judgment matrix of B2-C

表5　B3-C判斷矩陣Tab.5 Judgment matrix of B3-C

根據式（1）—式（2）對表2—表5進行轉化，再使用式（3）—式（4）得到WA、WB1WB1、WB2、WB3的排序。

4.2.2區間層次總排序

然后對求得Wi利用公式（7）求p

最后，利用式（1）—式（5）得到相對優勢度的指標排序。權重如下

4.3模糊綜合評價

4.3.1確定因素集和評語集

根據綠色低碳高速公路評價的程度，將其劃分為優、良、中、次、差5個級別。所有指標的節域為［0，100］。所有綠色低碳高速公路評價指標的評估級別為U={U1,U2,U3,U4,U5}={優,良,中,次,差}。綠色低碳高速公路評價指標隸屬度如表6所示。

表6　綠色低碳指標隸屬度Tab.6 Low-carbon green index membership

4.3.2建立評價矩陣

利用綠色低碳公路評價指標隸屬度建立評價矩陣，如表1所示，在數據處理中對定量指標通過查閱工程資料獲得，對定性指標采取專家打分法獲得。定性指標得分如表7所示。

表7　定性指標得分Tab.7 Qualitative index score

依據式（11），評價矩陣為

4.3.3模糊綜合評價

依據式（16），綜合評價為

4.4結果分析

根據最大隸屬度原則，養護管理指標（max=0.092 4）為優秀等級；能源環境指標（max=0.210 2）為中等等級；綜合運營指標（max=0.085 1）為中等等級；高速公路整體綠色低碳（max=0.362 4）屬于中等等級。通過1級評價計算可知，日常養護管理中需要進一步引入先進的、環保的材料來進行養護維修，可再生能源以及材料需要作為重點項目放在養護管理中；該段高速公路在以后的運營過程還需要做到節約能源、提高節能設備的普及；綜合管理中該高速公路管理處會推進ETC車道普及，來提高運管效率。該段的高速公路公路剛剛經歷了中修工程，一些綠色低碳的設備、設施在不斷的完善中，以后的管理中許多低碳措施會得到改善和突破。

5　結束語

高速公路綠色低碳水平評價是一個多準則、多屬性的問題，有效的評價該等級是一個復雜的工作。研究結論如下：

1）針對目前高速公路綠色低碳評價缺少合理的綜合評價指標體系的問題，綜合已有文獻，以IAHP為基礎的指標權重計算方法，客服了決策人員因失誤或者偏好等使權重出現偏差的問題，為最終綠色低碳評價提供了依據。同時，由于綠色低碳高速公路評估具有模糊性和不確定性，建立了高速公綠色低碳的多級模糊理論評級模型。

2）運用IAHP多級模糊評價模型對荊州市某高速公路的綠色低碳程度進行了評價，得出高速公路的綠色低碳的評價等級，從計算過程和結果可以看出該方法不僅能夠科學合理地進行現狀評價，而且能夠反映高速公路低碳的等級，計算過程簡便、易懂，說明該方法有效。

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（責任編輯姜紅貴）

Evaluation of Green and Low Carbon Highway Based on Interval Analytical Hierarchy Process

Hu Wanxin1, Liu Yulu2, Zhou Zechen1, Liu Yan3, Zhang Yan3
(1. Wuhan Railway Vocational College of Technology, Wuhan 430205,China; 2. Suiyue Expressway Management Office of Hubei Provincial Department of Transportation, Wuhan 430050, China; 3. College of Traffic & Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:In order to accurately analyze the application of low-carbon green highways, this study constructs green interval level fuzzy evaluation model of low carbon based on the actual operations of highways. Firstly, it uses the interval analytic hierarchy process to analyze the weight of low-carbon green highways. Secondly, by the use of the fuzzy comprehensive evaluation method it builds up a low-carbon green highway evaluation model. Then, the eval?uation system is constructed based on the actual operations including integrated operational metrics highway, ener?gy and environmental indicators and indicators for conservation management. Finally, with the case study of a cer?tain highway it evaluates the extent of green carbon, whose results show the proposed model can effectively solve the problem of green and low carbon highway.

Key words:expressway; green and low carbon; interval analytical hierarchy process(IAHP); fuzzy theory

收稿日期：2015-01-23

文章編號：1005-0523（2015）03-0070-08

中圖分類號：U418.6

文獻標志碼：A