Multilevel-fuzziness-comprehensiveness evaluation model of waterway net planning
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摘要: 为解决目前航道网规划评价中存在主观影响因素过多, 各评价指标权重不确定性等问题, 分析了航道网布局影响因素, 结合层次分析法, 提出了航道网规划方案的多目标、多级模糊综合评判方法。运用层次分析法确定各层次评价指标的权重, 运用模糊统计方法确定非定量指标的隶属度, 对于定量评价指标的隶属度, 则按效益型指标、适中型指标和成本型指标分别予以确定。对苏州市航道网规划方案评价结果表明, 该方法可客观地给出反映航道网实际情况的量化指标, 能够对航道网规划效果作出合理的定性评价。Abstract: There are many subjective factors and their weights can not been reasonably decided in current evaluation model for waterway net planning. Based on analyzing various factors affecting waterway net planning, a kind of multiobject and multi-layer fuzzy model for comprehensive assessment was proposed. Combined with AHP, the weights of the assessment indices were determined. With statistical method of fuzziness, the membership grades of non-quantitative indices were determined. The benefit index, the neutral index and the cost index were applied to define the memberships of quantitative indices. The evaluation result for Suzhou waterway net planning indicates that the model can provide quantitative indices of waterway net actual case objectively and evaluate the waterway net planning accurately.
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0. 引言
航道网规划是水运总体布局规划中最重要的内容之一, 它集中体现了多级别航道在空间上的合理分布, 在功能上的相互协调和能力上的有机统一, 但是, 对航道网规划评价和决策分析目前国内还没有学者深入地进行探讨和研究[1]。在航道网规划方案中, 如何对众多的评价指标进行合理选取, 如何将各指标作为一个整体对航道网规划方案进行评价, 并提出一套切实可行的评价方法, 是每一位航道网规划人员面临的问题。
如果单纯应用模糊综合评判法对规划方案进行评价与决策, 虽然可以为指标体系的选取提供一种量化工具, 但存在一个严重不足: 对指标权重的确定缺乏有效的手段, 只能凭人们的主观意志而定[2]。20世纪70年代, 美国数学家Satty教授提出一种系统分析方法——层次分析法(AHP)(也称多层次权重分析法), 可以使决策者对复杂问题的思维过程系统化、模型化、数学化。如将层次分析法(AHP)引入模糊综合评判法中, 可使两者有效地结合起来, 上述问题便可迎刃而解。基于此, 本文提出航道网规划方案多级模糊综合评价方法, 通过运用层次分析法(AHP)建立评价指标体系结构, 确定综合评价所选用的指标和相应的权重; 运用模糊统计法确定各评价指标的隶属度, 然后对每一相同层次中的各个评价指标进行模糊综合评判, 最后再对评判结果在各层次之间进行高一层次的综合评判。该方法既改变了以往航道网评价中单纯以经济为指标的评价方法, 避免了文献[1~4]中采用单层指标所带来的问题, 在权重分配时, 由于权向量的每个分量都要求较小, 会出现“泯灭”单因素评判矩阵的情况。
1. 评价指标体系的确立
对航道网布局规划的评价涉及到建设投资、货运需求、对环境的影响、水资源综合利用和与综合运输之间的协调关系等一系列复杂的因素, 因此评价指标系统必须建立在科学分析的基础上, 能够客观、全面地反映实际情况, 并且可以对不同的布局方案进行统一评价和选优。为了避免指标之间的交叉性或包含关系, 评价指标选取时还要注意到各指标必须具有系统性、独立性、可操作性和可比性, 为此, 通过分析、筛选, 最终确定层次评价体系见图 1。
2. 多级模糊综合评价方法
鉴于航道网评价指标体系中评价指标的不同类别和层次结构, 需建立多层次模糊评价模型[5]。由目标层设立的指标集U为{U1, U2, U3}, 其中指标Ui(i=1, 2, 3)是准则层的第i个指标, 它由指标层中的j个子指标uij决定。根据每一层次中各指标的重要程度, 再分别对每一指标给出相应的权数, 于是得到各层次的指标权重向量为: 准则层W为(W1, W2, W3); 指标层wi为(wi1, wi2, …, wij)。航道网评语集Q为{优, 良, 一般, 较差, 差}。对于Ui的每一评价指标uij用单层次评价模型作模糊综合评判: 设uijq为Ui中评价指标uij关于评价集Q中第q(q=1, 2, 3, 4, 5)个评价语的隶属度, 则指标层的评判矩阵可表示为
Ri=[Ri1Ri2⋯Rij]Τ=(uqij)j⋅m (1)
第1级模糊综合评判结果为
R=wi˚Ri=[W1˚R1W2˚R2W3˚R3] (2)
对指标层的每一评价指标uij均作出评价后, 对准则层各指标进行二级模糊综合评价, 最后得出总评判矩阵为
B=W˚R=(W1,W2,W3)˚[W1˚R1W2˚R2W3˚R3]=(b1,b2,b3,b4,b5) (3)
式中: “º”为合成运算符。最后进行归一化运算, 得
B*=(b1∑bi‚
计算S(C矩阵由评语集Q确定), 得出航道网规划方案综合评判结果, 最后根据S值确定航道网规划方案所属评价等级。
3. 评价指标隶属度的确立
为了方便模糊评价, 增加指标间的可比性, 在进行综合评价前应先使各指标具有相同的量纲, 即计算隶属度。对于那些难以用数量来表达的指标, 如对区域经济的促进作用、与生产力布局的关系和对环境的影响能力等, 采用模糊统计方法来确定其隶属度; 对于评价指标体系中定量指标隶属度的确定方法, 可以将其分成效益型指标(越大越好型, 如航道网覆盖度、航道连通度等)、适中型指标和成本型指标(越小越好型, 如航道负荷度、航道建设投资等)3种情况。
3.1 模糊统计法
将难以确切给出评价标准的指标定量化是典型的模糊系统[6]。模糊评价统计方法是让参与评价的各位专家按事先规定的评价集Q给各个评价指标划分等级, 再依次统计各个评价指标uij属于各个评价等级Vq(q=1, 2, 3, 4, 5)的频数nijq, 由频数nijq可计算出评价因素隶属于评价等级Vq的隶属度uijq与单评价值Rij, 计算公式如下
uijq=nijq/n (5)
Rij=uij1/V1+uij2/V2+…+uij5/V5 (6)
式中: n为专家人数。
3.2 定量分析法
在对航道网综合评价时, 预先确定对应于评价集Q中各评价等级Vq的临界值v6~v1, 再通过Zadeh式(7)~(9)计算出已量化的指标uij隶属于各评价等级的隶属度[7]。
效益型指标隶属度为
适中型指标隶属度为
成本型指标隶属度为
4. 评价指标权重的确立
评价指标权重的确定方法有统计法、成对比较法、熵值法、AHP法和专家估测法等[8]。专家估测法渗入专家主观意识较多; 熵值法与AHP法工作量较大, 但所得结果较为客观。本文结合航道网规划方案评价指标体系, 采用AHP方法确定评价指标的权重。
在层次分析法中, 判断矩阵的权数可通过求出正规化的特征向量而得。这里有3种计算方法, 即几何平均法、算术平均法和逐次逼近法。前两种是近似计算方法, 后一种方法精确度高, 适合计算机计算。由于判断矩阵本身已经带有不少误差, 并不需要很高的精度, 故采用算术平均法, 计算步骤如下。
将判断矩阵的每一列正规化
按每一行进行加总
再正规化加总后的, 得权值Wi
为了检验一致性, 在各判断矩阵获得相应因素的权值后, 需计算λmax与CI
式中: A为判断矩阵; pij为A中各评价指标的比值; W为其特征向量; (AW)i为向量AW的第i个分量。最后, 查找相对应的平均一致性指标RI进行一致性检验, 在通过一致性检验后, 最终可获得各层次因素权重。
5. 实例分析
试运用多级模糊评价方法对2003年与2010年苏州市航道网规划方案[9]进行优劣评价, 层次评价体系构建见图 1。
5.1 指标层各评价指标隶属度的确定
评价集Q为{优、良、一般、较差、差}; 评价临界值设立: 90~100之间为优, 80~90之间为良, 70~80之间为一般, 60~70之间为较差, 60以下为差。经计算, 各评价指标分属各评价等级的隶属度见表 1。
表 1 各评价指标隶属度Table 1. Membership grades of evaluation factors5.2 评价指标权重的确定
通过咨询国内多位航运、规划等方面专家后, 建立各层次的比较判断矩阵为
基于上述各判断矩阵, 可以计算出各层次的指标权重及一致性检验, 限于篇幅, 仅给出计算结果。
对于目标层, 判断矩阵Aii的权重及一致性检验结果: W为(0.448, 0.245, 0.307), λmax为3.002, CI为0.001 1, RI为0.52, CR为0.002 < 0.1, 说明矩阵具有满意的一致性。
对于准则层, 判断矩阵A1j的权重及一致性检验结果: w1为(0.249, 0.253, 0.242, 0.256), λmax为3.04, CI为0.065, RI为0.89, CR为0.007 3 < 0.1, 说明矩阵具有满意的一致性。
判断矩阵A2j的计算结果: w2为(0.393, 0.333, 0.274), λmax为3.04, CI为0.02, RI为0.52, CR为0.039 < 0.1, 说明矩阵具有满意的一致性。
判断矩阵A3j的计算结果: w3为(0.247, 0.226, 0.213, 0.155, 0.159), λmax为5.015, CI为0.003 6, RI为1.12, CR为0.003 < 0.1, 说明矩阵具有满意的一致性。
5.3 对2003年苏州市航道网进行综合评判
第1级模糊评判为
第2级模糊评判为
B归一化为
综合评判为
S=B*CT=(0.48, 0.29, 0.23, 0, 0)(95, 85, 75, 65, 55)T=87.5
由此可判定2003年苏州市航道网规划所属等级为良, 需要调整航道网规划方案或采取措施, 进一步加强航道网建设的力度。
5.4 对2010年苏州市航道网进行综合评判
在2010年航道网的规划中, 苏州市通过采取提升骨干航道的等级, 加强支线航道间的连通和对碍航桥梁整治与船闸扩建等措施, 使整个航道网布置满足社会与经济的要求, 反映在评价指标的隶属度值有了很大的改善, 航道网的综合评价结果最终达到优, 计算如下。
第1级模糊评判为
第2级模糊评判为
对B归一化为
综合评判为
即2010年苏州市航道网规划为优。
6. 结语
(1) 多级模糊综合评判法运用了层次分析法和模糊综合评判的原理和方法, 其评价原理科学, 逻辑合理, 航道网布局规划结论可信。
(2) 采用多目标、多层次的评价指标体系, 可以更加清楚地分析各个影响因素之间的关系, 从而实现对众多评价指标的筛选, 减少选取工作量。
(3) 应用层次分析推求权重, 可进行思维的一致性检验, 从而避免了思维判断中出现矛盾, 在一定程度上减少权重人为分配的任意性。
(4) 运用模糊决策分析方法, 可以使那些很难用数量表示的非定量指标达到类似于定量指标的定量化表示, 为决策者提供更多的帮助。
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表 1 各评价指标隶属度
Table 1. Membership grades of evaluation factors
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