基于突变级数法的绿色铁路客站施工评价模型

王明慧，张桥，凌飞翔，倪少权



基于突变级数法的绿色铁路客站施工评价模型

王明慧1,2,3，张桥3，凌飞翔1，倪少权1

(1. 西南交通大学 交通运输与物流学院四川 成都 610031；2. 西南政法大学 经济学院，重庆 401120；3. 渝万铁路有限责任公司，重庆 400014)

针对我国绿色铁路客站施工尚未形成一套完整的绿色客站施工评价体系的情况，提出突变级数法，探讨适合我国国情的绿色铁路客站施工管理评价方法，为规范我国绿色铁路客站施工管理评价提供理论支撑。对绿色铁路客站施工管理评价目标进行多层次分解，然后将底层评价因素进行无量纲化、归一化处理，运用不同突变模型的归一公式进行计算，得到突变级数值，给出评价等级。实例研究表明：突变级数法法可避免人为确定权重的主观性，且计算简单、可靠性高，评价结果更趋于实际，可作为绿色铁路客站施工管理评价的理论参考。

铁路；客站；绿色施工；评价；突变级数法

为了贯彻落实绿色发展理念，实施可持续发展战略，《建筑工程绿色施工评价标准》( GB /T 50640—2010)等法律、法规、标准规范的逐步实施，使绿色施工评价逐步走向标准化管理轨道。同时，我国也提出了绿色铁路这一概念，颁布了《绿色铁路客站评价标准》(TB/T10429—2014)，包含了节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用以及室内环境质量、施工管理和运行管理等7个方面[1−2]。但标准中尚未充分体现对绿色施工管理的评价，绿色铁路客站施工管理评价的研究处于探索阶段。现有施工管理评价方法主要有层次分析方法[3]、模糊理论方法[4−5]、灰色理论方法[6−8]和集对分析方法[9−10]等。上述方法均不同程度地存在或多或少的缺陷，层次分析方法主要依靠评判专家的主观意识、个人偏向和工作习惯，在进行各指标重要性比较分析、建立判断矩阵的过程中，因为客观上存在评价对象的复杂性和信息量的不足，使得评判专家难以对2个指标或方案的重要性给出明确的结论；模糊数学方法需评判专家对评价指标或方案进行全部排序，由于评判专家主观有限性和客观复杂性，难以对指标或方案进行全部排序；灰色理论的关联分析方法过度依赖于实际收集的数据，缺乏对评判专家主观意识的体现；价值工程方法在确定评价指标权重和评价对象的功能系数时存在一定的局限性，当评价指标或方案具有模糊特性，或指标过于繁多，或指标分层次时，主观意识偏差就会随之偏大；集对分析方法不足之处是和的细化问题，原创联系度((A−)=++) 虽然可以对研究对象所处状态空间进行“一分为三”的划分，但显得有点粗糙。针对上述问题，本文试图将突变理论和模糊数学结合产生的突变级数法应用于绿色铁路客站施工管理评价。该方法优点在于没有评价指标权重，但它考虑了各指标间的相对重要性，从而减少了主观人为性，又不失科学性和合理性，使评价和分析结果更趋于实际，且计算简易准确，应用范围广阔，很值得推广应用。

1 突变级数法及其步骤

1.1 突变理论

20世纪70年代，法国数学家勒内·托姆 (Rene Thom)提出了研究突变(质变)现象的新兴数学−突变理论[11]，它是源于拓扑学、奇点理论和结构稳定性等数学理论。基于突变理论的突变级数法是将评价体系分解为若干个目标，由下层指标向上层指标逐层综合，将每层的控制变量代入对应的突变模型()中，用归一公式逐层计算，得到各层的突变隶属函数值，经过递阶运算，最后得到评价对象的突变级数值，将突变级数值进行排序，最大值对应的评价对象为最优方案。在计算过程中，针对评价指标运用“非互补”(舍大取小)或“互补”(取平均值)的原则。

1.2 突变级数法及其步骤

1.2.1 评价指标体系

对评价指标体系按层次、分主次顺序进行分解，形成树状层次结构，将评价目标指标到下层指标逐级分层，每一个指标的控制变量一般不超过4个，按照主次顺序进行排序，直至达到可以定量的子指标为止，如图1所示。

图1 递阶层次结构

1.2.2 突变模型

突变理论一般是指托姆提出的自然界7种突变模型形式，一般常用的有4种，即折叠、尖点、燕尾和蝴蝶突变模型，如图2所示，其表达式分别为：

式中：x为突变模型中的一个状态变量；f(x)为突变模型中状态变量x的控制变量。

1.2.3 评价指标的无量纲化处理

对于评价指标，一般分为2类：一类为定性指标，可以通过专家评判法等方法进行评判，相应赋值；一类为定量指标，可以用极差变换法等方法进行处理。定量指标按其性质分为正向指标和逆向指标。对于正向指标，其数值越大越好；对于逆向指标，其数值越小越好。正向指标表达式为：

逆向指标表达式为：

式中：y为极差变换后的数据；x为原始数据；max(j)为行数据最大值；min(j)为行数据最小值。

1.2.4 突变模型的归一化公式

根据突变理论，突变模型的势函数为()，平衡曲面方程通过()一阶导数求得，即()0；奇点集方程通过()二阶导数求得，即()0。分歧点集方程通过()0和()0联立求得。进而得到折叠、尖点、燕尾和蝴蝶突变4种突变模型的归一化公式分别为：

式中：x，x，x和x分别为各式中，，和对应的值。

1.2.5 利用归一化公式进行综合评价

2 基于突变级数法的绿色铁路客站施工管理评价

2.1 绿色铁路客站施工管理评价指标体系

绿色铁路是指以环境价值为尺度，运用各种绿色技术，在确保高速铁路运输安全、快捷、高效的条件下，最大程度低降低高速铁路及其配套设施对生态环境的负面影响，使铁路成为具有良好的社会经济益和可持续发展的交通运输工具。绿色铁路客站施工是绿色铁路整体研究的一部分，该评价指标体系可分为目标层、多级层。结合铁路客站施工实践，以科学性、可操作性、实用性为准则，与《绿色铁路客站评价标准》相比，考虑到可操作性和实际情况，减少了人员安全与健康评价和运营评价内容，增加了绿色施工质量管理、重要结构及材料监管、施工安全及薄弱环节管理的内容，首先确定环境保护、资源节约和施工过程管理3个1级指标，选取了与之相关的9个2级指标建立3层指标评价体系[12−13]。如图1所示。为便于与改进神经网络法进行比较，也以兰州铁路西站为例，该站于2014−12−26正式启用，总建筑面积23.3万m2，其中站房工程面积为10万m2，共13台26线。根据评价目标的要求，选择20位客站建设、设计、监理、运营单位的高级职称以上专家，由专家根据评价标准对施工管理进行一维打分，将每个评价指标的等级划分为优、良、中、一般和差5个等级，分别对应A，B，C，D和E 5个标准，分别对应数值为0.9，0.7，0.5，0.3和0.1，其中A表示满足评价标准90%的要求，为最优状态；B 表示满足评价标准的70%要求；C 表示满足评价标准的50%要求；D表示满足评价标准的30%要求；E表示该指标完全不满足预定要求，为最差状态，如表1所示，每项指标评定如表2所示[14−15]。

图3 绿色铁路客站施工管理评价指标体系

表1 指标评定标准及取值

2.2 绿色铁路客站施工评价的突变级数模型

根据图1的评价指标体系和图2的典型模型系统构成，各指标评价采用的突变模型分别为：

1)1，2，3，4与1分别构成蝴蝶突变模型，1，2，3和4互补。

2)5，6与2分别构成尖点突变模型，1和2非互补。

3)7，8，9与3分别构成燕尾突变模型，7，8和9非互补。

4)1，2，3与分别构成燕尾突变模型，1，2和3非互补。

2.3 评价指标的无量纲化

对表1中的各项指标数据先取平均值，再进行无量纲化处理，所有指标均为正向指标，采用式(1)计算，结果见表2。

2.4 计算突变隶属函数值

1)1，2，3，4与1分别构成蝴蝶突变模型，按式(6)计算并考虑“互补”原则，则

2)5，6与2分别构成尖点突变模型，按式(4)计算并考虑“非互补”原则，则

3)7，8，9与3分别构成燕尾突变模型，按式(5)计算并考虑“非互补”原则，则

表2 指标评定分值及无量纲化值

注：表中(+)表示下一层指标遵循“互补”原则，(−)表示其下层指标遵循“非互补”原则

2.5 计算突变级数值

根据2.4计算结果并考虑“非互补”原则，可得该铁路客站绿色施工评价的突变级数值为

根据表1，计算结果对应的等级为“良”，与改进神经网络法[14]的评价等级一致。

3 结论

1) 该方法不需考虑各指标的权重值，只需将各指标按照传统的重要程度进行排序，评价等级与改进神经网络法一致，证明该方法的有效性。

2) 该方法避免了主观因素的干扰和随意性，因而评价结果的公认度较高，流程更加清晰，可操作性更强。

[1] GB/T 50640—2010, 建筑工程绿色施工评价标准[S]. GB/T 50640—2010, Evaluation standard for green construction of buildings[S].

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Evaluation model of railway station construction based on catastrophe progression method

WANG Minghui1,2,3, ZHANG Qiao3, LING Feixiang1, NI Shaoquan1

(1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Economics, Southwest University of Political Science and Law, Chongqing 401120, China; 3. Chongqing-Wanzhou Railway Co., Ltd, Chongqing 400014, China)

At present, there is no integrated evaluation system for construction of green railway station. According to the actual situation in China，this paper discussed the establishment of a set of evaluation criteria for green construction of railway station catastrophe progression method, which has a strong guiding role to regulate green railway station construction. Firstly, the multi-layer evaluation objects were analyzed in this method，and standard quantization of bottom evaluation indexes was performed. Then, the ultimate catastrophe function was obtained through quantitative computation by the normalization formula of different catastrophe models. Lastly, the comprehensive evaluation of alternative was realized. The result of an evaluation example indicates that the presented method can not only avoid the subjective quantification of assessment indexes, but also be easy to perform and obtain high reliability, which improved the practicability of the catastrophe progression method. Theresearch conclusion can provide a theoretical reference for green construction evaluation of high-speed railway station.

railway station; green construction; evaluation; catastrophe progression method

TU528

A

1672 − 7029(2018)01 − 0263 − 06

2016−11−30

重庆市科技计划资助项目(cstc2016shmszx30007)

王明慧(1964−)，男，湖北京山人，教授级高级工程师，博士，从事交通运输规划与管理，铁路建设管理工作；E−mail：crccll@126.com