基于G1法和改進DEA的鐵路綠色施工節能措施綜合效果研究

鮑學英，柴乃杰，王起才

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

隨著社會經濟的不斷發展，人們對能源的需求越來越大，使得能源的供需矛盾愈發突出。尤其在工程建設方面，每年能源的供給量已超過全國能源消費總量的25%[1]。因此，實施建設工程綠色施工，因地制宜地選用高效施工節能措施并大力推廣，緩解能源的供需矛盾，避免出現能源危機，已成為建設工程可持續發展的重要課題，也是實現我國經濟快速發展的重要保證[2]。

目前，綠色施工節能措施已越來越引起國內政府部門及有關學者的關注，特別是在建筑方面，已取得不少成就。國家宏觀層面上，自2005年中華人民共和國建設部發布GB 50189—2005《公共建筑節能設計標準》[3]，規定公共建筑節能率不應低于50%的要求開始，到2007年國家建設部印發的建質〔2007〕223號《綠色施工導則》[4]，再到后期出臺的一系列關于綠色施工的政策制度，為節能、環保提供了技術支撐和產品選型，推動了綠色施工技術措施的快速發展[5]。從企業微觀經濟角度看，不少學者對此也進行了較為深入的研究。文獻[6]通過分析國內能源及建筑節能現狀，全面闡述了施工節能的含義及重要性，并結合節能技術措施，提出了施工節能方面的建議。文獻[7]參照一些行業定額的制定方法，提出了施工能耗評價體系，推薦使用單位面積的施工能耗來評價施工能耗水平。文獻[8]主要介紹綠色施工中的節能措施，包含施工機械設備(機具)的節能措施，施工建筑材料的節能措施，現場辦公、生活區的節能措施以及施工組織過程中所采用的節能措施，為綠色施工中常見的能源節約問題提供初步解決思路。

鑒于各種節能措施效果在建筑領域具有相對成熟的評價理論，而在鐵路領域的相關理論卻甚是缺失的現狀，本文借鑒建筑工程領域較成熟的評價方法及理論，結合鐵路工程綠色施工的特點，研究鐵路工程綠色施工中的節能措施綜合效果，為鐵路工程綠色施工項目擇優選取高效、針對性強的綠色施工節能措施提供參考。

研究表明，由于施工環境、建設目標的多樣性，節能措施的綜合效果在不同的地區所對應的衡量標準和程度均會有所不同。因此，本文將構建節能措施綜合效果模型來衡量各節能措施對整體綠色施工節能的貢獻率。考慮到目前常見的主觀權重確定方法主要依賴于專家根據自身知識、經驗和偏好；而客觀權重確定方法雖源自數據本身，卻無法反映評價者的主觀偏好，不利于突出重要指標的作用。對此，本文通過分析G1法和DEA模型的特點，引入G1法和改進DEA模型對節能措施綜合效果進行評價研究，以保證評價過程和結論的可靠性[9]。

1 評價指標因素識別

投資者對施工節能措施的綜合效果評價，主要是根據節能措施自身方面、企業微觀經濟方面和施工單位的技術承受能力方面來統籌考慮鐵路施工過程中節能措施的綜合效果。

從節能措施自身角度評價，投資主體將更加關注節能措施的綜合效果是否能夠達到擬建鐵路工程節能的預期目標，采用此節能措施是否有成功的應用案例或成熟的使用經驗，以及應用成本增加值是否超出投資者愿意承受的范圍，該節能措施是否對施工現場的安全生產和環境保護有特殊要求。

從企業微觀經濟的角度看，施工方不僅需要考慮自身應該選擇何種施工節能措施，而且還需要考慮的是如何實現此項節能措施，以及實現施工節能措施增加的人材機費用、管理成本、技術實施風險、措施實施獲得的額外利潤等。

施工單位的技術承受力，是指根據現階段本地區及自身現有的技術研發水平、人才狀況、管理水平、物質條件和節能技術與原有技術的相關性，確定是否有能力很快掌握并應用該節能措施，是否有可靠的人力、物力作支撐。因此，施工主體應依據相關節能技術信息和數據、自身的技術承受能力以及有關政府激勵政策等，選擇適當的綠色施工節能措施。

2 節能措施綜合效果評價指標體系

鐵路綠色施工節能措施綜合效果評價是一個包含社會、環境、技術、經濟、施工組織等多方面因素的復雜系統，且各類因素相互影響、相互制約。所以鐵路綠色施工節能措施效果評價也是基于對上述幾類影響因素的綜合分析來進行評判的。考慮到節能措施綜合效果的評價指標體系構建，從本質上是通過對一系列相互制約、相互影響且自成體系的指標進行有機組合來實現的，需要遵循合理的提取原則和嚴格的構建步驟。因此，鐵路綠色施工節能措施綜合效果的評價指標體系應基于系統論進行構建。

通過第一章對評價指標因素的識別，以及相應內容的分析，同時參考《住房和城鄉建設部綠色施工科技示范工程技術指標》[10]，可以將綠色施工節能措施綜合效果評價分為技術、經濟、社會、環境和其他5個方面的內容。為進一步準確評估其綜合效果，需要以系統論為指導實現對其內容的進一步細化。且在細化的過程中需要防止指標體系的各個層次之間指標內容出現重疊的可能性。

根據上述評價指標體系構建的方法和原則，在查閱了相關資料的基礎上[11-14]，建立鐵路綠色施工節能措施綜合效果評價指標體系，見表1。

表1 綠色施工節能措施綜合效果評價指標體系

3 施工現場基本節能措施

參考GB/T 50640—2010《建筑工程綠色施工評價標準》[15]中所提倡的節能措施，其主要包括臨時用電設施、機械設備、臨時設施、施工組織節能等4項內容，但文中并未提出具體的定量計量方法。本文以此為依據，根據鐵路綠色施工的特點，對中鐵二十一局、中鐵十四局等具有資質條件的綠色施工科研機構及單位的25位具有高級職稱的施工技術專家進行了問卷調查以及走訪座談。在此基礎上，根據各位專家綜合評分的結果，構建了綠色施工節能措施綜合效果評價指標體系。

(1)施工機械及設備節能：施工機械及設備是影響鐵路施工階段能耗的主要因素之一。參考GB 17167—2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》[16]的相關規定，在施工準備階段，可通過對施工順序和工作面的合理安排及機具資源的共享，來減少作業區域機具的使用數量，提高各種機械的使用率和滿載率，實現降低其單位耗能量的目標。在施工階段，考慮配置施工機械設備時，可盡量優選高效節能型施工設備和機具，即選用國家和行業推薦的具有節能環保性的施工設備(機具)，同時還應該有針對性地選擇效率與荷載相匹配的施工機械設備，燃料宜使用節能型油料添加劑。針對能耗大的設備，要在保證不影響使用效率的前提下，采取技術改造使其達到節能的目的，最常見的有利用變頻技術進行節能改造。最后，建立重點耗能設備的能源利用技術檔案，監控其能源利用情況，并定期對設備進行維護和保養，確保其性能的可靠性及能源利用的高效性。

(2)可再生能源節能：我國部分地區擁有豐富的新能源和可再生能源，如風能、太陽能等。而用可再生、清潔能源來替代傳統能源，一方面不僅具有良好的節能效果，另一方面還可以起到很好地保護環境的作用。考慮到鐵路工程施工一般遠離城市，是一個線狀工程，在施工的生活區利用太陽能熱水系統是比較成熟且易于操作的主要節能措施之一。而在對可再生、清潔能源節能效果進行評價時，需統籌考慮掌握可再生、清潔能源相關運用技術的成熟度、經濟成本以及對改良周圍環境的促進程度等因素。

(3)臨時設施節能：鐵路現場的臨時設施與建筑工程具有相似性，可參考《住房和城鄉建設部綠色施工科技示范工程技術指標》[10]的相關規定。例如在項目施工過程中，要優選節能型燈具及電線，而且對生活區、辦公區、生產區等場所的節能照明燈具使用率要達到80%；同時，臨時用電設備采用自動控制裝置，即不同場所的照明系統采取分區、定時、感應等自動照明節能控制措施，以實現降低照明能耗的效果。

臨時設施還應結合當地的氣候特點、地理環境、日照以及風向等自然條件，盡量利用自然采光、通風和外窗遮陽設施等。

(4)施工組織節能：施工組織的設計對綠色施工節能效果的影響很大。所以在前期準備階段，需要綜合考慮施工機械設備機具的選用、施工工藝和工序，對整個施工過程進行系統設計和管理，在滿足既定施工目標條件下，盡量做到均衡施工、流水施工。對能耗量相對較大的施工工藝還得制定專項節能降耗措施。在施工組織過程中，需要合理安排施工順序，盡可能實現相鄰作業區的周轉性資源能夠共享；優先選擇能耗較少的施工工藝，或者對現有的陳舊施工工藝進行節能改造。除此之外，加強組織領導機構，健全工區節能減排管理體系；加大監測力度，提高節能減排各項指標的監測力度；經常性組織開展宣傳培訓，提高節能管理能力和意識也是施工組織節能的重要組成部分。

綜合以上分析，結合上述25位具有高級職稱的施工技術專家的評分，建立節能措施體系，見表2。

表2 施工現場基本節能措施

最后，構建基于G1法[17]和改進DEA的綜合評判模型[18]，計算有效決策單元的效率指數。

3 研究理論與方法

G1法能夠反映決策者的偏好，主觀性較強；而傳統DEA法確定公共權重太過客觀，通常出現指標權重多組和不切實際的現象，本文通過改進DEA法不僅能避免上述現象的發生，而且還能增強各有效決策單元之間的可比性，提高其相互區分能力。

3.1 基于G1法的指標權重的確定

為簡化主觀賦權的復雜性，這里采用G1法，該方法首先對評價指標進行定性排序，然后再對相鄰指標間依次進行比較判斷的一種主觀賦權方法，此過程無需構造判斷矩陣及計算一致性檢驗，簡便直觀。具體步驟如下：

步驟1確定序關系

若節能措施綜合效果評價指標Xi和Xj相對于有關評價準則(或目標)具有如下關系式：Xi>Xj(i，j=1，2，…，n)時，則說明Xi重要程度大于(或不小于)Xj。

(1)

步驟3權重系數計算

根據rk的定義進行求積，即

計算第n個評價指標的權重，即

(2)

(3)

3.2 改進DEA公共權重分析法

為進一步對各節能措施所組成的有效決策單元加以區分和排序，同時避免多組權重值的出現，對傳統DEA方法進行改進[19]。

(1)定義有效決策單元

本文選取4項節能措施，故組成了4個決策單元DMUq(q=1，2，…，4)，從5個方面進行節能措施綜合效果分析，即5個評價指標，設每個決策單元輸入指標數為v個，輸出指標數為u個，則v+u=5。

假定第q個決策單元DMUq的輸入向量和輸出向量分別記為Xq、Yq，則有

(4)

式中：xs，q為決策單元DMUq的第s個輸入指標值，s=1，2，…，v；yt，q為決策單元DMUq的第t個輸出指標值，t=1，2，…，u。

設輸入指標的權重向量為K，輸出指標的權重向量為G，則有

(5)

構造虛擬決策單元DMUm+1為最優決策單元，DMUm+2為最劣決策單元，其中m代表實際決策單元數。

對于DMUm+1而言，輸入和輸出指標值分別記為Xm+1和Ym+1。

(6)

其中，輸入和輸出指標值分別取m個實際決策單元相應指標值的最小值和最大值，則有

(7)

同理，對于DMUm+2而言，輸入指標值向量為Xm+2和輸出指標值向量為Ym+2，而其輸入和輸出指標值分別取m個實際決策單元相應指標值的最大值和最小值，即

(8)

(2)確定公共權重

以改進的DEA模型為基礎，以最劣決策單元DMUm+2的效率指數最小為目標，增加了最優決策單元DMUm+1的效率指數hm+1最大的約束條件為

hm+1=1

即

(9)

即在滿足最優決策單元DMUm+1的效率指數最大的前提下，使最劣決策單元DMUm+2的效率指數最小。它表示在對最優決策單元最有利的無窮多組解中，篩選出使最劣決策單元效率指數最小的一組解，并以此作為公共權重。該模型可表示為

(10)

(11)

在建模之前計算各指標相應的權重，并對其進行歸一化處理，可以得到

(12)

3.3 基于G1法和改進DEA的綜合評判模型

本文在充分體現G1法和改進DEA法優點的基礎上，通過引入主觀偏好系數θ將兩種方法進行組合，形成組合賦權法來確定指標綜合權重W′[14]，具體計算公式為

W′=θW+(1-θ)W*

(13)

式中：W為G1法指標權重；W*為改進DEA指標權重。

3.4 節能措施效率指數的確定

節能措施的效果通過計算效率指數來判定，效率指數最大[20]的節能措施為最優節能措施。效率指數的計算公式為

(14)

4 評價流程

為了獲得更加科學客觀的評價結果，本文針對節能措施綜合效果評價指標體系，將每一節能措施的評價系統看作是一個決策單元，首先針對某一典型的節能措施，從縱向角度分析，衡量該節能措施實施效果具體需要考核哪些指標的情況；其次，在同一時段內選取施工項目中4項典型的節能措施進行橫向比較，獲取節能措施的優劣排序。評價具體過程如圖1所示。

5 G1-改進DEA模型在節能措施綜合效果評價中的應用

現選取當前我國鐵路綠色施工中4種常用的節能措施，即前面所提的施工機械及設備節能、可再生能源節能、臨時設施節能和施工組織節能，并分別記為節能措施A、B、C、D；然后運用本文所提出的方法，對甘肅地區某大型鐵路建設項目綠色施工過程中該4項節能措施的綜合效果進行評價，以此為實例來說明該方法在解決如何選擇最佳節能措施問題上的實用性。

圖1 節能措施綜合效果評價流程

邀請5家具有資質條件的綠色施工科研機構及單位，共選派25位專家，按照表3所確定的的評價準則及各節能措施的實際落實情況，對表1所構建的衡量節能措施綜合效果的評價指標進行準確定量地評估，以百分制進行打分，取其平均值。根據本文所構建的模型對其節能措施效果進行優劣排序。共發放問卷25份，回收有效問卷25份，其4項措施綜合效果評價指標集、具體平均評分，分別見表3、表4。

表3 節能措施綜合效果指標評價標準集

表4 節能措施綜合效果評價指標得分

5.1 基于G1法的指標權重的確定

5.2 基于改進DEA的公共權重的確定

節能措施在技術方面、社會方面和其他方面的效果評價為投入評價，分別記為v1、v2和v3，即取值越小越好，作為輸入指標；而節能措施在經濟方面、環境方面的效果評價為產出評價，分別記為u1和u2，即取值越大越好，作為輸出指標。構造兩個虛擬決策單元DMU5和DMU6，即構造兩個虛擬節能措施A5和A6，前者表示最優決策單元，后者表示最劣決策單元[14]。容易確定DMU5的輸入向量為X5=[68 75 55]T，輸出向量為Y5=[92 86]T；DMU6的輸入向量為X6=[90 80 79]T，輸出向量為Y6=[68 72]T。首先對原始指標數據進行歸一化處理，形成新的矩陣A。

以矩陣A為基準，構建改進的DEA模型為

minh6=0.137u1+0.149u2

5.3 綜合權重的確定

為了均衡主客觀權重的影響，本文選取主觀偏好系數θ為0.6[15]。根據式(13)可以計算出各評價指標的綜合權重為

W′=θW+(1-θ)W*=0.6W+0.4W*=

0.6×[0.282 0.338 0.078 0.176 0.126]T+

0.4×[0 0.419 0 0 0.581]T=

[0.169 0.370 0.047 0.106 0.308]T

5.4 節能措施效率指數的確定

根據各個評價指標的綜合權重，通過計算各項節能措施效率指數的大小進行優劣排序。根據式(14)可得

=1.0085

同理

由于h1>h2>h3>h4，代表節能措施A的效率指數最大，說明節能措施A的綜合效果最好。

6 結束語

為了衡量鐵路綠色施工節能措施的綜合效果，本文從技術、經濟、社會、環境和其他等5個方面，根據鐵路施工現場的常見節能措施，構建了包含5個一級指標，22個二級指標的鐵路綠色施工節能措施綜合效果評價指標體系，并將指標分為效益型和成本性兩類。

為既能反映決策者的偏好，又能切合實際現象，提出一種基于G1法和改進DEA的綜合評價模型，以此為基準計算各節能措施的效率指數，通過比較其大小對該項目節能措施綜合效果進行排序，為施工現場后期節能措施的優選提供了一種新的方法和思路。