基于層次分析理論的高速公路隧道消防水源方案評價指標體系

錢經緯, 楊順生

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

在目前的高速公路隧道消防水源方案評價中，依靠主觀判斷從單一或若干指標進行決策。通過從內部因素和外部因素羅列評價指標，并定性的評價方案確實可以規避掉一些主觀隨意性，但仍然不能建立較為客觀且實用的評價方法。從最初的高速公路隧道消防水源方案的偏主觀選擇與介紹，到后來引入SWOT矩陣分析法從優勢、劣勢、機會、威脅四個方面闡述五種取水方案進行選擇，盡可能的避免主觀偏好進行水源方案選擇。隨著高速公路隧道消防水源方案比選研究不斷深入，建立一套方案評價指標體系越來越重要。

1 水源方案評價指標體系

建立一個科學的指標體系應滿足全面性、合理性、系統性、可比性及差異性五個基本要求。根據指標的自身屬性和性質篩選為定性與定量兩大類，在總結大廣高速黃龍帶隧道、渝廣高速華鎣山隧道、成自瀘高速吉口隧道等國內多條重點高速公路隧道消防工程項目設計經驗，并征求專家意見后建立起評價指標體系。羅列消防水源選取及必選的關鍵性指標，分類并整理后將消防水源方案指標體系劃分為4大準則層：技術方案、經濟性、環境影響、運營及管理。

技術方案是體系的核心，因為其不僅與經濟性密切相關，也直接影響運營及管理。技術方案分為技術條件和主要工程量，并向下繼續細分指標；經濟性包含土建工程投資費用、設備材料購置費用(含電力自控等電氣設備安裝及購置費用)、相關工程費用；環境影響包含對生態系統的影響和對水環境影響；運營及管理包含后期運營和后期管理及維護。

2 評價指標體系指標權重的確定

為確定各準則層和指標之間的重要性，采用賦權的方法來確定。其中層次分析法(AHP)通過對指標兩兩比較相對重要性程度，并利用矩陣運算各指標在該準則層內的權重值，最終得出指標在評價體系中的權重值。建立判斷矩陣A={axy},其中aij的含義為第x個指標與第y個指標進行比較，第y個因素與第x個因素的相對重要性。兩個基本指標相對于總目標的重要性取值采用1～9標度法。采用MATLAB對判斷矩陣求解出權向量，然后對矩陣進行一致性檢驗。當一致性比例指標CR不具有滿意一致性時，將重新調整判斷矩陣中各個指標的相對重要性及取值，直到能夠具備滿意一致性。

2.1 準則層對于總目標的相互比較及權重計算

采用1～9標度法，關于4個子則層和總目標重要性比較的結果如表1所示。

表1 4個子準則層和總目標重要性比較

對應的判斷矩陣為：

計算采用軟件Matlab7.0，結果為λmax=4.072。

為保證4個準則層權重向量和為1，針對特征值λmax對應的特征向量進行歸一計算的權重向量V={0.2707,0.4182,0.1906,0.1205}。

2.2 子準則層內相對重要性比較

采用1～9標度法用如上的方法先依次開展子準則層內指標相互比較，再依次計算指標相對于總目標及相對于子準則層的權重值。

2.2.1 技術方案準則層

技術方案準則層分為技術條件和主要工程量兩個子準則層，先計算子準則層相對于技術方案的權重值(表2)，再依次對技術條件和主要工程量兩個子準則層內開展比較和權重計算(表3、表4)。

表2 兩個子準則層對技術方案的相對重要性比較

表3 技術條件子準則層內指標的相對重要性比較

表4 技術條件子準則層各指標的相對重要性比較

2.2.2 經濟性準則層

經濟性準則層內指標的相對重要性比較見表5。

表5 經濟性準則層內指標的相對重要性比較

2.2.3 環境影響準則層

環境影響準則層內指標的相對重要性比較見表6。

表6 環境影響準則層內指標的相對重要性比較

2.2.4 運營及管理準則層

運營及管理準則層內指標的相對重要性比較見表7。

表7 運營及管理準則層內指標的相對重要性比較

2.3 各指標對于總目標的權重計算

采用2.1節描述的方法和2.2節相對重要性比較結果，計算出各指標對于總目標的權重及子準則層對于總目標的權重(表8)。

表8 消防水源評價指標權重

3 評價指標體系指標權重表的分析運用

14個基本指標根據其性質可以分為兩類：定量指標和定性指標。其中關于技術方案和經濟性準則層主要為定量指標，其指標來源于設計基礎數據；關于環境影響和運營及管理準則層主要為定性指標，其指標影響效果來源于綜合評價。根據水源方案評價指標體系并結合層次分析法，定義各指標對方案的評價過程為一級模糊綜合評價，4個一級準則層內指標對于方案的評價為二級綜合評價。

對于技術方案和經濟性這2個一級準則層，指標基本為定量指標且可以根據方案設計數據定量化處理，針對技術方案和經濟性2個一級準則層內的定量指標，適合采用灰色理論分析。如先基于模糊理論將定量指標數值模糊化，則原可定量化指標模糊化且帶有主觀偏好性了，影響最終的分析判斷?；疑P聯度法可直接利用待評價方案的各定量指標計算數值，通過確定理想最優方案的指標效果評價向量，并計算各方案相對于理想最優方案的灰色關聯度，開展方案排序。

3.1 模糊層次分析

水源方案的一級模糊綜合評價過程即為單指標對總目標 的評價，或多指標對總目標的評價。設第i類的第j個指標為Aij，Aij對于第k個方案的模糊隸屬度為Aijk。由此得出單個指標的評判隸屬度矩陣，即向量Rij={rij1，rij2，...}。其中隸屬度的含義為當僅考慮Aij指標時，評價結果選取第K個方案的合理程度。同理適用于二級模糊綜合評價過程，即多指標對于總目標的影響。

3.2 灰色關聯度分析

相對而言，技術方案和經濟性采用的是相對確定的數值，可以采用灰色關聯度法將待評價方案的某個定量指標計算數值。通過確定最優方案的指標評價矩陣計算該方案對理想最佳方案的灰色關聯度，并根據數值大小繼續排序。

4 小結

隧道消防水源方案的綜合評價過程是一項復雜的且受多方面影響的系統價值工程，根據實際復雜情況(如地質、地下水情況或業主偏好等)的水源方案需要考慮的側重點也不同。