基于层次分析理论的高速公路隧道消防水源方案评价指标体系

钱经纬, 杨顺生

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

在目前的高速公路隧道消防水源方案评价中，依靠主观判断从单一或若干指标进行决策。通过从内部因素和外部因素罗列评价指标，并定性的评价方案确实可以规避掉一些主观随意性，但仍然不能建立较为客观且实用的评价方法。从最初的高速公路隧道消防水源方案的偏主观选择与介绍，到后来引入SWOT矩阵分析法从优势、劣势、机会、威胁四个方面阐述五种取水方案进行选择，尽可能的避免主观偏好进行水源方案选择。随着高速公路隧道消防水源方案比选研究不断深入，建立一套方案评价指标体系越来越重要。

1 水源方案评价指标体系

建立一个科学的指标体系应满足全面性、合理性、系统性、可比性及差异性五个基本要求。根据指标的自身属性和性质筛选为定性与定量两大类，在总结大广高速黄龙带隧道、渝广高速华蓥山隧道、成自泸高速吉口隧道等国内多条重点高速公路隧道消防工程项目设计经验，并征求专家意见后建立起评价指标体系。罗列消防水源选取及必选的关键性指标，分类并整理后将消防水源方案指标体系划分为4大准则层：技术方案、经济性、环境影响、运营及管理。

技术方案是体系的核心，因为其不仅与经济性密切相关，也直接影响运营及管理。技术方案分为技术条件和主要工程量，并向下继续细分指标；经济性包含土建工程投资费用、设备材料购置费用(含电力自控等电气设备安装及购置费用)、相关工程费用；环境影响包含对生态系统的影响和对水环境影响；运营及管理包含后期运营和后期管理及维护。

2 评价指标体系指标权重的确定

为确定各准则层和指标之间的重要性，采用赋权的方法来确定。其中层次分析法(AHP)通过对指标两两比较相对重要性程度，并利用矩阵运算各指标在该准则层内的权重值，最终得出指标在评价体系中的权重值。建立判断矩阵A={axy},其中aij的含义为第x个指标与第y个指标进行比较，第y个因素与第x个因素的相对重要性。两个基本指标相对于总目标的重要性取值采用1～9标度法。采用MATLAB对判断矩阵求解出权向量，然后对矩阵进行一致性检验。当一致性比例指标CR不具有满意一致性时，将重新调整判断矩阵中各个指标的相对重要性及取值，直到能够具备满意一致性。

2.1 准则层对于总目标的相互比较及权重计算

采用1～9标度法，关于4个子则层和总目标重要性比较的结果如表1所示。

表1 4个子准则层和总目标重要性比较

对应的判断矩阵为：

计算采用软件Matlab7.0，结果为λmax=4.072。

为保证4个准则层权重向量和为1，针对特征值λmax对应的特征向量进行归一计算的权重向量V={0.2707,0.4182,0.1906,0.1205}。

2.2 子准则层内相对重要性比较

采用1～9标度法用如上的方法先依次开展子准则层内指标相互比较，再依次计算指标相对于总目标及相对于子准则层的权重值。

2.2.1 技术方案准则层

技术方案准则层分为技术条件和主要工程量两个子准则层，先计算子准则层相对于技术方案的权重值(表2)，再依次对技术条件和主要工程量两个子准则层内开展比较和权重计算(表3、表4)。

表2 两个子准则层对技术方案的相对重要性比较

表3 技术条件子准则层内指标的相对重要性比较

表4 技术条件子准则层各指标的相对重要性比较

2.2.2 经济性准则层

经济性准则层内指标的相对重要性比较见表5。

表5 经济性准则层内指标的相对重要性比较

2.2.3 环境影响准则层

环境影响准则层内指标的相对重要性比较见表6。

表6 环境影响准则层内指标的相对重要性比较

2.2.4 运营及管理准则层

运营及管理准则层内指标的相对重要性比较见表7。

表7 运营及管理准则层内指标的相对重要性比较

2.3 各指标对于总目标的权重计算

采用2.1节描述的方法和2.2节相对重要性比较结果，计算出各指标对于总目标的权重及子准则层对于总目标的权重(表8)。

表8 消防水源评价指标权重

3 评价指标体系指标权重表的分析运用

14个基本指标根据其性质可以分为两类：定量指标和定性指标。其中关于技术方案和经济性准则层主要为定量指标，其指标来源于设计基础数据；关于环境影响和运营及管理准则层主要为定性指标，其指标影响效果来源于综合评价。根据水源方案评价指标体系并结合层次分析法，定义各指标对方案的评价过程为一级模糊综合评价，4个一级准则层内指标对于方案的评价为二级综合评价。

对于技术方案和经济性这2个一级准则层，指标基本为定量指标且可以根据方案设计数据定量化处理，针对技术方案和经济性2个一级准则层内的定量指标，适合采用灰色理论分析。如先基于模糊理论将定量指标数值模糊化，则原可定量化指标模糊化且带有主观偏好性了，影响最终的分析判断。灰色关联度法可直接利用待评价方案的各定量指标计算数值，通过确定理想最优方案的指标效果评价向量，并计算各方案相对于理想最优方案的灰色关联度，开展方案排序。

3.1 模糊层次分析

水源方案的一级模糊综合评价过程即为单指标对总目标 的评价，或多指标对总目标的评价。设第i类的第j个指标为Aij，Aij对于第k个方案的模糊隶属度为Aijk。由此得出单个指标的评判隶属度矩阵，即向量Rij={rij1，rij2，...}。其中隶属度的含义为当仅考虑Aij指标时，评价结果选取第K个方案的合理程度。同理适用于二级模糊综合评价过程，即多指标对于总目标的影响。

3.2 灰色关联度分析

相对而言，技术方案和经济性采用的是相对确定的数值，可以采用灰色关联度法将待评价方案的某个定量指标计算数值。通过确定最优方案的指标评价矩阵计算该方案对理想最佳方案的灰色关联度，并根据数值大小继续排序。

4 小结

隧道消防水源方案的综合评价过程是一项复杂的且受多方面影响的系统价值工程，根据实际复杂情况(如地质、地下水情况或业主偏好等)的水源方案需要考虑的侧重点也不同。