基于AHP-Cloud方法的城中湖隧道關(guān)鍵適用技術(shù)績效評價(jià)研究

胡韞頻，仲天昀，陳 偉，高崇博

(1.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢地產(chǎn)開發(fā)投資集團(tuán)，湖北 武漢 430022)

城中湖隧道是典型的復(fù)雜工程項(xiàng)目，投資額大，技術(shù)集成度高，社會(huì)影響大，需要運(yùn)用諸多關(guān)鍵技術(shù)保障項(xiàng)目在不影響城市景觀和生態(tài)環(huán)境的前提下，充分利用地下空間，跨越自然湖河的分隔，以達(dá)到提高城市交通通行能力的目的。而這些關(guān)鍵技術(shù)在項(xiàng)目建設(shè)全生命周期中運(yùn)作具有不確定性，且技術(shù)本身又具有研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)性，會(huì)嚴(yán)重影響關(guān)鍵適用技術(shù)價(jià)值的長遠(yuǎn)發(fā)揮，因此，對關(guān)鍵技術(shù)的績效進(jìn)行有效測度成為亟待解決的問題。

近年來，針對隧道工程關(guān)鍵技術(shù)績效測度方面的研究成果主要集中在技術(shù)研究層面，如CIOCANEA等[1]研究了通風(fēng)口與汽車之間的影響，明晰了阻塞工況下風(fēng)機(jī)工作和關(guān)閉時(shí)隧道污染物的分布情況；馬建等[2]系統(tǒng)地梳理了中國隧道工程運(yùn)營與安全的研究進(jìn)展，為隧道火災(zāi)、水災(zāi)防治技術(shù)研究提供新的視角；鄧?yán)鞯萚3]最先報(bào)道了武漢市首條湖底隧道的關(guān)鍵技術(shù)對城市生態(tài)與景觀風(fēng)貌的影響，表現(xiàn)出和諧設(shè)計(jì)與綠色施工的良好收益。也有學(xué)者嘗試基于技術(shù)產(chǎn)業(yè)宏觀角度考量技術(shù)進(jìn)步的貢獻(xiàn)作用，如CRISPOLTI等[4]第一次基于1980—2000年45個(gè)發(fā)展中國家的面板數(shù)據(jù)計(jì)量分析了FDI的技術(shù)溢出作用對全要素生產(chǎn)率的影響；李忠富等[5]首次采用DEA-Malmquist結(jié)合方法對建筑業(yè)全要素生產(chǎn)率進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)建筑業(yè)技術(shù)效率增長率的波動(dòng)具有較強(qiáng)的規(guī)律性；賴小東等[6]以系統(tǒng)管理角度構(gòu)建的建筑產(chǎn)業(yè)低碳技術(shù)指標(biāo)體系，能較好地評價(jià)建設(shè)項(xiàng)目的低碳技術(shù)集成創(chuàng)新的總體績效。但這些成果在工程技術(shù)貢獻(xiàn)準(zhǔn)確測評方面仍具有局限性，未能對城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效提供全面的評價(jià)，難以客觀地反映出關(guān)鍵性技術(shù)在工程項(xiàng)目建設(shè)過程中貢獻(xiàn)績效。

鑒于此，筆者提出一種城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效評價(jià)方法，在建立多維指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，采用云模型描述評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)結(jié)果，并依據(jù)相似度確定關(guān)鍵技術(shù)績效等級，搜索關(guān)鍵不利績效指標(biāo)，以期為科學(xué)地評價(jià)城中湖隧道關(guān)鍵適用技術(shù)績效提供理論依據(jù)。

1 云模型理論與應(yīng)用

云模型是在概率論和模糊數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，引入期望Ex(expected value)、熵En(entropy)、超熵He(hyper entropy)3個(gè)數(shù)字特征，結(jié)合特定的算法，通過服從泛正態(tài)分布的隨機(jī)樣本點(diǎn)即云滴，從而實(shí)現(xiàn)定性概念與定量數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換，深刻揭示了客觀對象具有的隨機(jī)性、模糊性及其關(guān)聯(lián)性[7]。云模型已在智能控制、數(shù)據(jù)挖掘、系統(tǒng)評估、圖像處理、信號處理、知識建模等領(lǐng)域取得成功的應(yīng)用[8]，并形成了正態(tài)云模型、gamma-云模型、改進(jìn)粗糙集-云模型、組合權(quán)-云模型等方法。正態(tài)云模型具有普適性[9]，可揭示描述二八定律的事物現(xiàn)象。鑒于城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)數(shù)量大、應(yīng)用領(lǐng)域多的特點(diǎn)，其技術(shù)體系的績效表現(xiàn)近似服從高斯分布，可將正態(tài)云模型應(yīng)用到城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效評價(jià)中。

設(shè)論域U表示關(guān)鍵技術(shù)績效評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的定量區(qū)間，定性概念P則表示評價(jià)區(qū)間對應(yīng)的等級概念。若定量數(shù)值x∈U表示概念P的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x對P的確定度μ(x)∈[0,1]是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)：μ(x):U→[0,1]，?x∈U，滿足x=RN(Ex,|y|)，y=RN(En,He)，且隸屬度函數(shù)：μ(x)=exp(-(x-Ex)2/2y2)，則所有云滴構(gòu)成隨機(jī)變量X的分布稱為正態(tài)云。由城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效云滴生成的正態(tài)云記為C(Ex,En,He)，期望Ex代表技術(shù)績效云滴在績效標(biāo)準(zhǔn)空間的基本水平，熵En反映技術(shù)績效水平的不確定性，超熵He則反映熵的隨機(jī)性與模糊性。

2 城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效評價(jià)指標(biāo)體系

從相關(guān)研究成果中分析適用技術(shù)績效評價(jià)的基本要素，基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)工程、低碳交通多維視角，結(jié)合東湖通道工程建設(shè)目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況，在相關(guān)專家意見修正的基礎(chǔ)上，提煉出“功能-工期-費(fèi)用-安全-環(huán)境”5個(gè)基本維度的城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效評價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

(1)功能。功能是技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)物[10]，城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)城市通道功能的必要條件。通道建設(shè)包含了交通疏解、隧道空氣凈化、隧道通風(fēng)、水污染環(huán)境處置、植被景觀生態(tài)修復(fù)等專業(yè)工程，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用顯得十分重要。因此，該指標(biāo)可用技術(shù)屬性指標(biāo)來衡量。

(2)工期。關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)需在工程進(jìn)展層面協(xié)同，才能及時(shí)地對東湖通道工程的建設(shè)起到支撐性作用。因此，該指標(biāo)可基于項(xiàng)目管理者和科研工作者對各專業(yè)工程的整體把握與進(jìn)度控制的角度來衡量。

(3)費(fèi)用。資金是關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的物質(zhì)基礎(chǔ)，在考慮各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)投資收益的情況下，需合理地設(shè)置費(fèi)用控制點(diǎn)以維持研發(fā)與應(yīng)用活動(dòng)，保障通道建設(shè)的順利進(jìn)行。因此，該指標(biāo)基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度來衡量。

(4)安全。安全貫穿于隧道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的全生命周期，技術(shù)安全是隧道安全有力的保障，湖底隧道的安全是城市交通安全的重要保障。因此，該指標(biāo)基于隧道安全性能要求標(biāo)準(zhǔn)來衡量。

(5)環(huán)境。由于隧道施工位于城區(qū)內(nèi)，因此不可避免地會(huì)對周邊環(huán)境產(chǎn)生破壞，為消除和減輕負(fù)面影響，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需著重考慮對環(huán)境的保護(hù)與改善。因此，該指標(biāo)基于生態(tài)工程的角度來衡量。

圖1 城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效評價(jià)指標(biāo)體系

3 技術(shù)績效評價(jià)云模型

在建立指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效打分量表，通過專家評分，確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重及評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)績效云與綜合績效云，通過計(jì)算云相似度確定技術(shù)績效等級。在此基礎(chǔ)上，通過不利績效值搜索分析，搜索關(guān)鍵技術(shù)的不利績效指標(biāo)。關(guān)鍵技術(shù)績效評價(jià)云模型流程圖如圖2所示。

圖2 城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效評價(jià)云模型流程圖

3.1 正態(tài)云模型的評價(jià)步驟

(1)運(yùn)用層次分析法(AHP法)計(jì)算城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效指標(biāo)權(quán)重[11]。運(yùn)用Yaahp軟件計(jì)算得到各一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的權(quán)重。

(1)

(3)通過逆向云算法確定城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)評價(jià)指標(biāo)績效云和綜合績效云。采用基于一階絕對中心矩的逆向云算法(SBCT-1stM)[13]處理指標(biāo)數(shù)據(jù)。第j個(gè)指標(biāo)對應(yīng)輸入N個(gè)績效值x，得到輸出指標(biāo)績效云

(2)

(3)

(4)相似度系數(shù)計(jì)算?；诮换ナ降脑频未_定度計(jì)算法[14]計(jì)算綜合績效云與各等級標(biāo)準(zhǔn)績效云的相似度θi，從而確定城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效等級。相似度越大則意味著技術(shù)績效等級與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級越接近。

(4)

式中：normrnd是以云特征值為參數(shù)的正態(tài)隨機(jī)數(shù)生成器；CloudDt(1,i)為綜合績效云滴的取值；CloudDt(2,i)為綜合績效云滴在標(biāo)準(zhǔn)績效云中的隸屬度；T取100次。

3.2 最不利績效指標(biāo)搜索分析

(5)

4 實(shí)證分析

4.1 關(guān)鍵技術(shù)概況

選取東湖通道項(xiàng)目前期開展的5個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研究為分析對象。該項(xiàng)目是武漢市大東湖地區(qū)的重點(diǎn)道路交通工程，具有完善區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、緩解交通擁堵、景區(qū)過境交通分流、過江交通快捷通道等多重功能[16]。作為中國最長的湖底隧道，面對環(huán)境、景觀、文化功能要求與建設(shè)難題，需要對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行績效評價(jià)。

該項(xiàng)目需評價(jià)的核心關(guān)鍵技術(shù)為：技術(shù)1，以東湖通道與配套工程為對象進(jìn)行交通疏解與路網(wǎng)方案專項(xiàng)技術(shù)研究。技術(shù)2，以重度人工干擾下水環(huán)境污染為對象進(jìn)行突發(fā)性水污染快速處置技術(shù)與景觀水體污染長效凈化技術(shù)研究。技術(shù)3，以重度人工干擾區(qū)植被景觀為對象進(jìn)行水體、陸地景觀生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究。技術(shù)4，以東湖湖底隧道氣體污染物為對象進(jìn)行空氣凈化系統(tǒng)技術(shù)研究。技術(shù)5，以風(fēng)景區(qū)湖底隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)為對象進(jìn)行自然通風(fēng)與通風(fēng)排煙技術(shù)研究。

4.2 云模型評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置

按照評估要求，采用百分制形式，則定量論域U=[0，100]，描述城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效評語P={差、較差、良好、較優(yōu)、優(yōu)秀}。由P→U，依據(jù)3∶3∶2∶1∶1的比例，將績效標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間劃分為[0,30](差)、[30,60](較差)、[60,80](良好)、[80,90](較優(yōu))、[90,100](優(yōu)秀)5個(gè)等級。

由式(1)計(jì)算得到等級標(biāo)準(zhǔn)績效云模型Cloudi特征參數(shù)，即“差”Cloud 1(15,12.70,0.5)、“較差”Cloud 2(45,12.70,0.5)、“良好”Cloud 3(70,8.50,0.5)、“較優(yōu)”Cloud 4(85,4.25,0.5)、“優(yōu)秀”Cloud 5(95,4.25,0.5)。

4.3 指標(biāo)賦值及正態(tài)云模型分析

表1 城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效云模型測算

4.4 績效評價(jià)分析

技術(shù)1相似度向量θ1為(0.000 1,0.003 0,0.069 7,0.497 9,0.429 3)，可以看出綜合績效云CI與標(biāo)準(zhǔn)績效云Cloud 4相似程度最大，評價(jià)可得績效等級為“較優(yōu)”。同理，技術(shù)2“優(yōu)秀”、技術(shù)3“優(yōu)秀”、技術(shù)4“良好”、技術(shù)5“較優(yōu)”，可反映出技術(shù)1、2、3、5在工程應(yīng)用中具有較高的適用性。以技術(shù)2和技術(shù)4為例，繪制其綜合績效云圖，如圖3所示。

圖3 城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)綜合績效云圖

(2)不利績效指標(biāo)搜索。通過式(5)對指標(biāo)績效云數(shù)據(jù)序列的損失系數(shù)進(jìn)行計(jì)算搜索分析，發(fā)現(xiàn)城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)的不利績效指標(biāo)主要集中于“技術(shù)4”的功能績效、安全績效及環(huán)境績效等方面。不利績效指標(biāo)損失系數(shù)具體如表2所示。

表2 不利績效指標(biāo)損失系數(shù)

由上述計(jì)算結(jié)果可知：技術(shù)4綜合績效評價(jià)為中等水平，其主要的不利績效指標(biāo)表現(xiàn)為：技術(shù)功能穩(wěn)定度、技術(shù)安全市場調(diào)查的可靠度、技術(shù)應(yīng)用對景觀環(huán)境的保護(hù)與改善、技術(shù)實(shí)施的可行性，需要采取不同措施加強(qiáng)應(yīng)對。其中，技術(shù)功能穩(wěn)定屬性的損失度最高，也與隧道工程后期長久穩(wěn)定運(yùn)營的第一要求相匹配。在實(shí)際工程中，技術(shù)4的研發(fā)成果也并未被全部應(yīng)用，導(dǎo)致了其技術(shù)綜合貢獻(xiàn)價(jià)值低于其他4項(xiàng)技術(shù)。初步設(shè)計(jì)中的隧道空氣凈化裝置“碳凈化技術(shù)”，其活性炭功能屬性與本隧道后期建設(shè)與運(yùn)營不適用，難以發(fā)揮實(shí)效性能，不利績效指標(biāo)因素需重新考量。在環(huán)境敏感度高的東湖景區(qū)施工，技術(shù)2與技術(shù)3的應(yīng)用成功減弱重度人工干擾，其功能與環(huán)境績效表現(xiàn)突出；面對特長湖底隧道建設(shè)高要求，技術(shù)1與技術(shù)5的應(yīng)用成功保障隧道結(jié)構(gòu)功能優(yōu)化與區(qū)域交通路網(wǎng)改善，其功能與安全績效表現(xiàn)較優(yōu)。

5 結(jié)論

筆者首先建立基于城中湖隧道工程項(xiàng)目“功能、工期、費(fèi)用、安全、環(huán)境”多目標(biāo)項(xiàng)目前期關(guān)鍵技術(shù)績效評價(jià)指標(biāo)體系，通過對武漢東湖通道工程進(jìn)行實(shí)證分析表明，該指標(biāo)體系能全面反映關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用狀況。然后借助云模型構(gòu)建的城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)績效評價(jià)模型，綜合考慮指標(biāo)的模糊性和隨機(jī)性，進(jìn)行定性信息與定量數(shù)據(jù)規(guī)律相互轉(zhuǎn)換，生成云圖使得評價(jià)結(jié)果更具直觀性與科學(xué)性。最后通過不利績效指標(biāo)搜索，找出城中湖隧道關(guān)鍵技術(shù)實(shí)際研發(fā)與應(yīng)用中的薄弱點(diǎn)，制定針對性的解決措施，有助于為建設(shè)單位進(jìn)一步完善以研究為基礎(chǔ)的技術(shù)制度，也為提升關(guān)鍵適用技術(shù)績效以及增強(qiáng)項(xiàng)目整體效益提供決策支持。

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