基于模糊层次分析法的集装化生活垃圾转运系统后评估

沈 聪，邱 铤，曲 波，李 旻，赵学鹏，张大伟，赵由才，陈 彧

(1.上海环境物流有限公司，上海 200063； 2.上海环境物流有限公司一分公司，上海 200231；3.同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室和上海污染控制与生态安全研究院，上海 200092)

1 前 言

城市生活垃圾收运过程是城市生活垃圾收运处置全流程中一个重要的环节。收运过程通常包括收集、运输和转运三个部分。通常垃圾运输过程中存在着许多二次污染现象，例如恶臭飘散、垃圾抛洒、渗滤液溢流等，严重影响道路、河流的环境安全，破坏周边市容市貌，也给城市居民带来诸多不适。在我国环卫收运标准及评估研究体系尚不完善的情况下，发展完善收运系统后评估优化方法是城市环境卫生管理发展提升的必要环节[1]。生活垃圾集装化转运系统是一种先进、环保的生活垃圾转运方式[2]。上海市率先采用生活垃圾集装化转运系统取代原有的散装垃圾水陆联运方式，对该系统进行评估模型的建立，对垃圾转运行业发展有着积极意义。

2 方法概述

2.1 模糊层次分析法基本原理及特点

集装化转运系统的综合后评估可以视作为对若干层次、若干不同指标的综合评价，适应使用模糊层次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process， FAHP)。模糊层次分析法是美国著名运筹学家T.·L.·Saaty提出的一种定性与定量相结合的系统分析方法，其本质为结合模糊综合评价的一种改进层次分析法[3]。传统层次分析法将总决策目标分解为目标、准则、方案等不同层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法，在电力分配、应急研究、石油价格预测等问题上运用广泛[4]。该方法的具体流程是通过对评价目标进行逐层分解，细化指标，在对相关指标进行评判得分，并乘以相应权数后得出最终结论。指标权重的确认一般使用专家经验法，为了避免主观干扰，设定一致性检验环节。模糊综合评价法使用广泛，可从总体上对被评价主体的优秀程度做出判断。其原理是将复杂对象分解为多个要素，把这些要素构成的集合叫做因素集U。通过具体情况分析，构建要素的评估级别，将这些评估级别构成一个集合叫做评语集V，确定每个级别本身的隶属度[5]，通过加权计算最终得到数量化的评估结果。

模糊层次分析法结合了两种方法的优点，该以层次的视角对多个评价目标进行解析[6]。特点为:①对复杂对象进行分层评估时，得到的数据可循环利用;②该评估方法给予评估主体的信息量较为全面;③该方法既能对数量化的数据进行评估也能对个体的主观意识进行评估，因此具有良好的普适性。综合以上优点，采用模糊层次分析法进行对生活垃圾集装化转运系统的后评估。

2.2 模糊综合分析法步骤

运用模糊综合分析法进行生活垃圾集装化转运系统，可以通过构建层次化指标体系、权重分析计算、评价标准确定、指标分解分析、模糊综合计算几个步骤来实现[7](见图1)。

图1 模糊综合分析法步骤Fig.1 Steps of fuzzy analytic hierarchy process (FAHP)

层次化指标体系构建是根据评价目的和系统结构，选取关键评价因素，分层次建立完成具有代表性的指标体系，并逐层细化评价指标。权重分析计算是指利用专家经验[8]得到判断矩阵，对每一层中具体指标下的所有因素进行重要程度两两比较，通过判断矩阵结合层次分析法的理论知识获取每个因素的权重值，并进行一致性检验避免权重的不合理分配。评价标准确定是根据评价需要确定具体评价中的因素集、评语集及对应隶属度。指标分解分析是结合系统具体运营情况对基础层次中的具体指标进行评价。模糊综合计算是指利用模糊数学的思想，计算得到最终综合评价的数值和隶属范围，在此基础上可对现有系统进行具体分析。

3 集装化转运系统后评估模型的构建

3.1 集装化转运系统评价指标体系构建

为综合分析生活垃圾集装化转运系统，可选取压缩中转、调度管理、设备运行、环境保护和作业安全5个指标来度量系统运行现状，评价指标体系的总体目标为垃圾集装化转运系统后评估，适用于已建成的集装化压缩垃圾水陆联运体系。具体指标结构如下。

压缩中转:①压缩负荷:两个站点现有压缩能力是否满足相应原生垃圾压缩需求;②转运负荷:两个码头现有转运能力是否满足集装箱转运任务需求;③区域分配:从地理分配、压缩任务分配和转运任务分配3个不同的方面，可分析现有集装化转运系统任务分配的合理性。

调度管理:①自动化监控:集装化转运系统的机械自动化程度和监控范围;②日常调度管理:正常及高峰作业时段基地各种运营，包括设备修理上报、外集卡及生活垃圾车在基地各种协调、船舶运营和老港卸货等;③突发情况调度管理:应对例如集装箱超重、关键设备故障等突发情况的调度管理。

设备运行:①关键设备运行:集装箱、压缩机、桥吊设备的使用情况，主要包括设备使用率、设备故障率;②车辆运行:集装箱专用运输车(内集卡、外集卡)以及正面吊等车辆的设备使用率和故障情况;③船舶运行:360、500、600吨级等不同船型的垃圾集运船使用率及故障情况。

环境保护:①臭气控制:设备、场地、船舶上臭气污染控制措施、处理情况及效果;②噪音控制:噪音控制措施和控制效果;③污水控制:场内污水收集处理情况及渗滤液滴漏情况;④废弃物控制:洒落废弃物产生和应对情况，拖挂废弃物产生和应对情况;⑤蚊蝇控制:场地及船舶蚊蝇滋生情况。

作业安全:①场地作业安全:场地作业安全制度和安全事故情况;②船运作业安全:船运作业安全制度和安全事故情况。

3.2 指标权重确定

一般根据专家经验法，对各层指标进行权重分析。假设同一目标下有n个因素，可根据指标间两两相互比较，构建一个n阶矩阵A(见式1)。采用1-9标度对各个因素之间的相对重要性进行赋值，设定度量表为:

Aij=1，元素i与元素j对上一层次因素的重要性相同;

Aij=3，元素i比元素j略重要;

Aij=5，元素i比元素j重要;

Aij=7，元素i比元素j重要得多;

Aij=9，元素i比元素j的极其重要;

Aij=2n，n=1，2，3，4，元素i与j的重要性介于Aij=2n-1与Aij=2n+1之间。

反之则有，Aji=1/Aij。

Aij=1/3，元素i比元素j不太重要;

Aij=1/5，元素i比元素j不重要;

Aij=1/7，元素i比元素j很不重要;

Aij=1/9，元素i比元素j的极不重要[9]。

(1)

将A矩阵分别对各列和各行进行归一化处理即可得到由n个指标对应权重组成的n阶向量W。再利用数学公式进行一致性检验。如通过检验，则分析、计算得到的权重可用。一致性检验，先通过计算得到矩阵的最大特征值λmax，继而按照式2和式3计算一致性指标(C.I.)和随机一致性比率(C.R.)[10]。

(2)

(3)

其中R.I.表示平均随机一致性指标，可查表得到[11]。通过比较随机一致性比率与0.1的大小，可得到一致性检验结论。若C.R.<0.1，则对比矩阵保持一致性，权重有效、可用。

3.3 实例分析

根据模糊层次分析法及本文构建的集装化转运系统评价指标体系，进行上海市市区生活垃圾集装化转运系统后评估。为改变上海市原有的水陆联运散装生活垃圾运输方式的工艺缺陷，上海市在2008年将市区生活垃圾内河集装化转运系统列入上海市三年环保行动计划。该系统以市区的蕴藻浜码头、徐浦码头和老港码头为主要转运基地，建设环卫码头及中转站，符合国际通用集装箱规格的20 ft垃圾专用集装箱，利用360吨级、500吨级、600吨级的大型垃圾集运船，经由黄浦江、大治河、老港环卫专用航道将上海市区内的生活垃圾压缩后进行集装化装箱，转运至老港固废综合利用基地进行最终处置[12～14]，系统总流程图见图2所示。

图2 上海市生活垃圾集装化转运总流程图Fig.2 Flow chart of Shanghai municipal waste containerized transfer system

通过专家经验法可得到各层次因素判断矩阵，进而计算各因素的权重。在此工程分析过程中，选取上海环境物流有限公司技术专家及固废领域专家若干名对一级指标及每项一级指标下的二级指标利用2.2节中所述的方法进行评价。该过程中，取专家的综合评价平均值作一致性检验，若通过一致性检验，则视数据有效、可靠，不通过则要求专家重新进行评定。最终所得有效判断矩阵如公式(4)、(6)、(8)、(10)、(12)、(14)所示。

2.3.1 一级指标权重确定

准则层中共有压缩中转、调度管理、设备运行、环境保护、作业安全五个一级指标，现确定这五个指标的相对权重，构建判断矩阵AI见式4所示。

(4)

对矩阵AI进行归一化处理可以得到权重矩阵WI见式(5)。

(5)

C.R.经计算为0.050，C.R.<0.1，则对比矩阵保持一致性，权重有效、可用。

3.3.2 二级指标权重确定

首先对一次指标压缩中转中的压缩负荷、转运负荷、区域分配三个二次指标进行判断矩阵构建，构建判断矩阵A1见式(6)所示。

(6)

对矩阵A1进行归一化处理可以得到权重矩阵W1见式(7)。

(7)

C.R.经计算为0.031，C.R.<0.1，则对比矩阵保持一致性，权重有效、可用。

对一次指标调度管理中的自动化监控、日常调度管理、突发情况调度管理三个二次指标进行判断矩阵构建，构建的判断矩阵A2见式(8)所示。

(8)

对矩阵A2进行归一化处理可以得到权重矩阵W2见式(9)。

(9)

C.R.经计算为0.004，C.R.<0.1，则对比矩阵保持一致性，权重有效、可用。

对一次指标设备运行中的关键设备运行、车辆运行、船舶运行三个二次指标进行判断矩阵构建，构建判断矩阵A3见式(10)所示。

(10)

对矩阵A进行归一化处理可以得到权重矩阵W3。见式(11)

(11)

C.R.经计算为0.037，C.R.<0.1，则对比矩阵保持一致性，权重有效、可用。

对一次指标环境保护中的臭气控制、噪音控制、污水控制、废弃物控制和蚊蝇控制五个二次指标进行判断矩阵构建，构建判断矩阵A4见式(12)所示。

(12)

对矩阵A4进行归一化处理可以得到权重矩阵W4见式(13)。

(13)

C.R.经计算为0.045，C.R.<0.1，则对比矩阵保持一致性，权重有效、可用。

首先对指标作业安全中的场地作业安全、船运作业安全两个二次指标进行判断矩阵构建，构建判断矩阵A5见式(14)所示。

(14)

对矩阵A进行归一化处理可以得到权重矩阵W5见式(15)。

(15)

C.R.经计算为0，C.R.<0.1，则对比矩阵保持一致性，权重有效、可用。

设因素集U代表多目标决策的多种因素组成的集合，为指标体系中每个具体目标下所有指标的集合;V为评语集或评判集，表示多种决策目标构成的集合。评语等级集V是评价主体对按目标作出的总体评估结果的集合[15]，将上海市市区生活垃圾集装化转运系统后评估的评价最终结果分为5个层级:v1=非常好，v2=优秀，v3=良好，v4=中等，v5=较差。

将评语等级进行赋值。

v1赋值95分，其最大隶属度范围为[90，100];

v2赋值85分，其最大隶属度范围为[80，90];

v3赋值75分，其最大隶属度范围为[70，80];

v4赋值65分，其最大隶属度范围为[60，70];

v5赋值55分，其最大隶属度范围为[50，60];

结合系统实际运行情况，各指标具体评价值及对应指标权重见下表所示。

根据评价模型中各层次的权重分布和分析现状所得的平均评价值，可以求得准则层A中5个因素——压缩中转、调度管理、设备运行、环境保护、作业安全的平均评价值分别为83.71、92.36、73.37、77.82、95.00。根据准则层中各因素的权重，可以计算得上海市市区生活垃圾集装化转运系统的平均评价值为87.10，由确定的评语集可知该结果隶属于区间[80，90]，故模糊评价评语等级为优秀水平。

表 指标权重及平均评价值表Tab. Index weights and average evaluation value of Shanghai municipal waste containerized transfer system

4 结论与建议

4.1 利用模糊层次分析法对生活垃圾集装化转运系统进行评估可行、有效。可以综合不同因素的定性、定量分析，便于得到综合评价结论。

4.2 从评价过程分析，集装化转运系统较为薄弱的环节为设备运行和环境保护。其主要原因为现有系统设备运行时间过长，故系统现阶段需要进一步提升设备规模、及时更新设备，并对现有因设备老化造成的环境问题增设解决手段。

4.3 根据本文所建立的评价模型分析，上海市生活垃圾集装化转运系统压缩中转、调度管理、设备运行、环境保护、作业安全五个基本因素的平均评价值分别为83.71、92.36、73.37、77.82、95.00。系统综合评价值为87.10，由确定的评语集可知该结果隶属于区间[80，90]，故模糊评价评语等级为优秀水平，具有高水平的技术价值。

致谢：本工作受到上海环境实业有限公司和上海污染与生态安全研究院的资助，特此感谢。