基于可拓云模型的绿色生态型市政道路综合评价方法应用研究

何 佳，朱晓东，张兴宇，郭丽苹

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）

0 引言

市政道路以其便捷性高、通达度广、人车交互多等特点在城市交通运输系统中起着主导作用，是资源密集型和对生态环境影响较大的基础设施。随着国家生态文明建设的大力推进，如何处理好市政道路工程建设与环境保护的关系是当前的重要任务。近年来较多绿色生态市政道路典型示范工程相继实施，如上海杨浦滨江路、珠海琴海北路、重庆巴滨路等，建设形态逐渐从传统朴素的集约利用资源，转变为全方位、全领域、全寿命的绿色生态道路可持续发展。为更好引导市政道路高质量建设，减少对环境的破坏，有必要构建绿色生态市政道路评价方法。

对于绿色生态道路内涵及其评价方法，国内外诸多专家学者已展开交流与研究，主要评价模型有层次分析法、模糊评价法、主成分分析法、主观赋值法等[1-5]。然而现有研究多集中于公路，难以体现市政道路断面复杂、人车交互等特点，同时市政道路综合评价涉及指标较多，现有评价方法往往是定量或定性单一评价，未能全面地反映绿色生态型道路评价过程的随机性与模糊性。可拓云模型较好地将云模型与物元分析理论融合[6]，利用其在不确定推理方面的优势，可将绿色生态型道路评价中难以量化、模糊不清的因素通过云模型进行量化，揭示绿色生态道路评价多目标之间的关联性，有效地规避了物元理论评估中将事物当作定值描述的弊端[7-8]，可较好应用于多目标评价。

基于此，本文立足市政道路建设新形势，将生态、绿色、安全、智慧等理念融入市政道路全寿命周期，开展绿色生态市政道路评价指标分析研究，提出一种基于可拓云理论的综合评价模型，实现对绿色生态市政道路定量、定性相结合的综合评价，并以重庆广阳大道为例，验证了模型的科学性与可操作性。

1 绿色生态市政道路评价指标体系构建

1.1 绿色生态市政道路内涵

绿色生态市政道路是指在道路的全寿命周期内，以低排放、低污染、高效能、高效益、高品质为目标，将道路建设与生态环境保护有机融合，最大限度地维护路域生态平衡，注重建设品质提升与运行效率提高，为人们提供安全、舒适、便捷、美观的行车环境。绿色是指对环境无害，能充分利用自然资源，节能减排，废物回收再利用，倡导以绿色交通为导向；而生态则是指要以人、自然和道路协调发展为目标，在对周围环境负影响最小的情况下建设道路[9-10]。

1.2 指标体系

通过梳理国内外绿色生态市政道路相关文献，本文统筹生态环保、品质提升、安全高效、绿色低碳、信息智慧五大要素领域构建一级指标，向下延伸出19个二级指标。其中定量指标一般以项目设计成果作为依据，定性指标则组织专家根据实际水平进行评判，划分为优（90～100分）、良（75～90分）、中（50～75 分）、次（25～50 分）、差（0～25分）5个等级，具体指标含义及评判标准见表1。

表1 绿色生态市政道路评价指标Tab.1 Evaluation indexes of green municipal road

1.3 指标权重

本文选择基于AHP—熵权法的组合赋权法进行赋值计算，根据AHP[12]确定的主观权重和熵值法确定的客观权重，采用如下方式进行组合赋权：

式中：ωi为指标的综合权重；ω'i为层次分析法得到的绿色生态型市政道路各个指标的主观权重；ωi''为熵权法得到的绿色生态型市政道路各个指标的客观权重；α为偏向系数，本文取0.4。

2 绿色生态市政道路评价方法

2.1 云模型概念

云模型[13]是在概率论和模糊数学理论基础上提出来的一种认知计算模型，能够反映所评价事物的模糊性和随机性，主体采用期望（Ex）、熵（En）和超熵（He）三个参数来表征整体性能。在绿色生态市政道路评价中，云模型可以较好地描述模糊性及不确定性，能够直观反映指标的落实程度，具有广泛的普适性。

2.2 可拓云模型

可拓云模型是将云模型和可拓学中的物元分析理论深度融合，从而反映绿色生态市政道路评价中存在的模糊性和不确定性问题。在可拓学的物元分析理论[14]中，将评价事物的基本物元列为有序的三元组，记为：W=（N，C，R）。其中，N代表评价事物名称，C代表具备的特征，R代表该特征对应的数值，表达如下：

考虑到云模型在评价事物中可以反映模糊性和不确定性，用正态云（Ex，En，He）来替换物元分析中的R值，结合物元特征向量可得到如下的可拓云物元表示：

2.3 可拓云模型计算

基于可拓云模型对绿色生态市政道路指标体系进行分析评价，总体步骤如下：

a.确定分析评价中的物元目标。将绿色生态市政道路作为评价事物，将绿色生态程度等级作为待评价物元。

b.根据权威专家分析评判，对各个指标各等级数值区间进行划分，根据转化关系确定评价标准云。

c.确定待分析评价的事物和各类等级间评价指标的隶属度。假设xi∈W，则隶属于定性概念xi（Ex，En，He）的隶属度μi采用下式计算：

式中，E′n～N（En，He2）。

d.采用AHP—熵权组合赋值法进行权重分配，并采用线性加权得到最终的权向量。

e.通过确定权系数，从而得到待评价事物的关联度。待评价的事物相对于等级j的关联度kj采用下式计算：

式中，ωi为其相应的综合赋权指标权重，kj（pj）表示待评价事物的指标pj关于评价等级j的关联度。根据关联度最大原则，由上式计算出的关联度最大的kj对应的j即为绿色公路评价所得的绿色等级。

可拓云模型计算整体流程如图1所示。

图1 可拓云模型计算整体流程Fig.1 The extension cloud model calculates the whole process

3 案例分析

3.1 项目概况

广阳大道西起郭家沱长江大桥桥下，沿广阳湾东侧蜿蜒环绕，东至东港片区华港路，项目全长12.7 km，城市次干路，双向四车道，红线宽度32 m。项目以自然恢复为主，生态修复为辅，构建生物绿桥2座，串联割裂生态空间；提出长寿命路面设计理念，全线车行道采用长寿命排水沥青路面，人行道采用降温型透水路面，并采用厂拌冷再生技术实现旧路材料全部再生利用；绿化方面摒弃行道树概念，将道路融入自然环境，打造一步一景；采用BIM协同设计，构建广阳大道BIM三维模型，实现设计、施工、运维全过程应用；搭建广阳大道智慧交通运营平台，集成信号控制系统、交通信息采集、诱导发布等功能，实现智能管控。

3.2 可拓云模型分析评价

（1）确定界限云

根据广阳大道项目实际情况获取定量指标值，并邀请5位专家对定性指标给出考量结果，如表2所示。

表2 广阳大道绿色生态道路评价指标值Tab.2 Evaluation index value of green ecological road in Guangyang Avenue

本文采用5个等级进行绿色生态市政道路区间划分，通过咨询专家，定量指标根据指标值分布范围，定性指标转化为百分制，得到各评价指标的等级界限，如表3所示。基于此，将绿色生态市政道路等级界限信息作为双约束空间[Cmin，Cmax]，按照模糊性和不确定性进行拓展，基于“50%关联度”通过区间边界信息转换成的等级界限云模型参数表示如下：

表3 绿色生态市政道路等级评价界限Tab.3 Grade evaluation limits of green municipal roads

其中，s代表常数，由模型的随机性和模糊性共同决定，可以适当调整选取表现性能最佳的值。

按公式（6）计算，最后得到绿色生态市政道路等级各项评价指标的标准界限云。

（2）确定隶属度

采用Matlab软件模拟正向云发生器，代入广阳大道评价指标值，生成以En为期望，He为标准差的正态随机数E′n，再按公式（4）计算隶属度，生成足够数量的云滴。得到的广阳大道与各指标间的隶属度结果如表4所示。

表4 广阳大道各指标间隶属度Tab.4 Degree of membership among indicators of Guangyang Avenue

（3）确定权系数

邀请专家对指标重要程度进行打分，以层次分析法获取主观权重，并以重庆市巴滨路、开成路等5条市政道路作为基础数据，计算得到熵权法客观权重。经公式（1）组合赋值确定绿色生态型市政道路各指标综合权重，结果见表5。

表5 基于AHP—熵权法的综合权重Tab.5 Comprehensive weight based on AHP—-entropy weight method

（4）综合关联度及等级评定

根据公式（5）及表4、表5，得到广阳大道绿色生态型市政道路的综合关联度，如表6所示。根据关联度最大原则，可以看出广阳大道绿色生态型等级评价结果为Ⅴ级。

表6 广阳大道绿色生态等级评价综合关联度及评价等级Tab.6 Comprehensive correlation degree and evaluation grade of green ecological grade evaluation of Guangyang Avenue

采用Matlab可拓云模型模拟得到的广阳大道等级评价云图如图2所示，灰色云图为广阳大道评价结果，可以直观地看出，广阳大道综合评价标度中心位于0.78左右，综合评价云滴处于Ⅴ级和Ⅳ级之间，偏向Ⅴ级，处于“非常好”范围内，与综合关联度对于Ⅴ级的最大关联度一致，进而得知，广阳大道绿色生态指标落实程度较高，是绿色生态型品质工程。

图2 广阳大道可拓云评价结果Fig.2 Evaluation results of extension cloud of Guangyang Avenue

4 结论

（1）解析了绿色生态市政道路概念，明确了以生态环保、品质提升、安全高效、绿色低碳、信息智慧为一级指标的绿色生态市政道路评价指标体系，确定了指标评价标准。

（2）在分析评价中，将计算机领域的云模型与可拓学领域的物元分析方法相结合，建立了一套能够定性、定量分析绿色生态水平的可拓云模型。该模型发挥了云模型在处理模糊边界的评价指标和指标定性定量转化的优势，保留了物元可拓法的评价思路，同时体现了模糊区间指标的随机性和模糊性，在绿色生态市政道路评价中表现性能优越，可行性强。

（3）选取重庆市广阳大道作为评价案例，利用可拓云模型展开综合分析评估，评价结果清晰，等级明确，符合实际情况，验证了可拓云模型对绿色生态市政道路等级评定具有科学性和可信度。