基于动态模糊认知图的城市大型基础设施可持续性评价.pdf

第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:吕鹏洲()男河南郑州人工程师研究方向为土木工程施工及管理(:.)通讯作者:陈虹宇()女湖北武汉人博士研究生研究方向为土木工程施工及管理(:.)基金项目:国家重点研发项目()国家自然科学基金()基于动态模糊认知图的城市大型基础设施可持续性评价吕鹏洲 陈虹宇 徐 文 冯宗宝 覃亚伟(.中铁隧道集团有限公司 湖北 武汉 .香港理工大学 建设与环境学院 香港.华中科技大学 土木与水利工程学院 湖北 武汉.武汉华中科大检测有限公司 湖北 武汉)摘 要:随着我国大型基础设施的快速发展以及可持续发展理念的持续推进为了进一步促进基础设施形成良性可持续循环过程本文提出基于 学习规则的动态模糊认知图可持续评价模型用于城市大型基础设施的可持续性研究 首先基于文献和大量工程经验建立了地铁项目可持续性评价指标体系和评价标准然后通过问卷调查和历史数据查询分别获取定性和定量指标初始状态值运用三角模糊数法获取反映各指标之间因果关联强度的初始关联矩阵接着借助 规则进行推理考虑节点指标的变化关系使得关联矩阵在节点迭代变化过程中同时变化实现对地铁可持续性能的动态评价 最后以武汉地铁 号线和武汉天河机场为例运用该模型对地铁和航空可持续性能进行评价同时对地铁和航空未来可持续性问题进行有效预测验证了本方法在城市大型基础设施可持续评价方面的适用性关键词:可持续评价 动态模糊认知图 规则 大型基础设施中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.土木工程与管理学报 年 .:地铁、道路、桥梁以及机场等大型基础设施是国家和地区发展的基本条件其发展与经济、环境、社会等因素密切相关相互作用进而形成一个良性循环的可持续发展过程因此大型基础设施的可持续评价研究对于制定区域可持续发展战略是非常重要的目前国内外在可持续性评价方面已经进行了大量的研究工作 等以环境因素为研究对象分析了环境因素对城市可持续性能的影响 等从经济学和生态学的角度评估城市发展提出了在给定的城市区域中采用基于基准指标的方法并纳入当地各种问题的需求从而增强了城市的长期可持续性 和指出可持续性评价指标因地而异目前国外大多数方法都不强调局部性只是笼统地提出了评价体系没有考虑局部性、适应性和适用性 宋贤萍从经济、社会、环境三个维度出发构建城市基础设施可持续评价指标体系并利用灰色系统理论的灰色关联度方法构建了城市基础设施可持续评价模型 郭存芝等提出了 个一级指标 个二级指标 个三级指标的城市可持续发展评价指标体系利用 方法对其进行评价改进了层次分析法和灰色关联度方法的缺陷 马艳梅等提出了包含技术创新、社会福利、资源环境在内的可持续发展评价指标体系利用熵值法和象限图法进行城镇可持续评价研究城镇的可持续发展趋势 然而上述的评价城市基础设施可持续性的方法没有考虑到各指标之间存在相互影响将各指标孤立忽略了评价指标之间的关联动态对可持续评价的影响在进行大型基础设施项目可持续评价时经济、政策、环境、资源等因素不断在改变考虑这种变化情况使模型能够像真实情况一样适应环境改变动态地进行可持续性评价十分重要 传统的模糊认知图在基于专家知识进行因果关系推理方面具有一定优势但却难以描述这种动态变化对模型的影响因此本文引入动态模糊认知图方法()对城市大型基础设施进行动态评价 首先参考大量文献和工程实际情况构建地铁项目可持续性评价指标体系然后利用问卷调查和历史数据查询获得指标初始状态值运用三角模糊数法获得初始关联矩阵再基于 规则进行 推理得到地铁可持续性评价的动态模糊推理图实现对大型基础设施可持续性能的动态评价和预测 动态模糊认知图基础理论和推理机制 动态模糊认知图是一种无监督的推理模型它能够描述概念间的趋势效应帮助专家或者系统决策者更好地理解复杂系统中的因果关系 动态模糊认知图解决了模糊认知图不能表示概念间因果关系的动态依赖关系也不能表示概念间因果关系测度不确定的缺陷利用机器学习方法可以克服模糊认知图的短处并增强模糊认知图的鲁棒性.非线性 算法 年 等提出将非线性 学习规则和基于进化计算的微分算法引入到模糊认知图中消除了模糊认知图在自我学习方面的不足同时也提高了认知图模型的动力学特征目前在模糊认知图关联矩阵的研究中常用的方法一种是人工法另一种是基于数据学习的方法 人工法构造的关联矩阵的人力、财力消耗较高解决大系统的复杂问题时存在局限 基于数据学习的方法构造关联矩阵目前比较流行的方法有非线性()算法、遗传算法以及最小平方技术等但遗传算法没有能够及时利用网络的反馈信息故算法的搜索速度比较慢要得到较精确的解需要较多的训练时间而最小平方技术在数据量不足的时候难以学习出适当的模型使得这两种方法在工程应用中受到限制 因此本文将利用 算法来学习系统中节点之间的因果关联强度从而构建出关联矩阵 算法是一种无监督的权值学习方法在计算新的节点之间关联矩阵时将前一时 第 期吕鹏洲等:基于动态模糊认知图的城市大型基础设施可持续性评价刻节点状态值的改变量考虑进去并引入一个学习参数 的权值学习公式表示为:()()式中:为第 次推理迭代时节点 和节点 之间的因果关联强度为第 次推理迭代时的节点 和节点 之间的因果关联强度 是一个学习率参数其取值是(.)之间的一个非常小的正数为节点 在第 次的状态值为节点 在第 次的状态值 通过式()可以计算出在第 次迭代时用于计算的所有节点之间的因果关联强度得到下一时刻的关联矩阵 这就是 算法学习得到的新的权值关联矩阵.动态模糊认知图的推理机制动态模糊认知图的推理与模糊认知图的推理过程类似不同的是动态模糊认知图在推理过程中通过引入 学习规则动态更新关联矩阵的权值 模糊认知图的推理规则为:()()式中:为节点 在 时刻的状态值通过式()模糊认知图进行推理计算下一时刻的状态值每次迭代过程中为了将节点的状态值保持在()之间需要采用一个阈值函数 进行数据处理根据国内外在阈值选取方面的经验本文将选用 函数进行压缩处理如式()所示()()本文动态模糊认知图的推理规则将 学习算法引入其中在计算完每一次状态值之后重新通过式()计算指标之间的关联强度矩阵从而得到新一时刻的关联矩阵将新得到的关联矩阵再带回到式()中得到下一时刻的状态值两次迭代计算结束后比较新一时刻节点的状态向量与前一时刻的状态向量的差值找出各节点之间差值的最大值当差值的最大值达到预定的误差上限时迭代过程结束此时输出的节点的状态即为系统达到稳定时的状态当系统的状态值达到稳定状态时推理结束 基于动态模糊认知图的地铁项目可持续性评价方法 地铁项目的可持续发展是将城市轨道交通的建设与城市生态环境的保护、城市资源合理开发利用等众多因素结合起来考虑提高地铁项目在城市综合开发中的地位提高城市资源的利用水平争取用最少的资源消耗完成最大化的城市发展前景 但是目前在城市地铁项目可持续性评价方面的研究方法多为定性分析和静态研究没有一个量化的标准说明也没有考虑到各项指标之间复杂的影响因此为了对地铁项目进行动态可持续性评价同时在考虑复杂系统各项指标之间的复杂关联的前提下对地铁项目的可持续性问题进行预测本文引入动态模糊认知图方法将 学习算法和模糊认知图方法相融合提出了一种具体的城市大型基础设施可持续性评价方法具体可分为 个步骤:()模型设计()模型计算()模型应用 图 为所提出方法的流程.评价指标体系及标准的构建本文按照区域性原则、层次性原则、可操作性原则以及动态性原则参考大量的研究文献并结合武汉地铁的实际情况制定出符合武汉地铁实际情况的地铁项目可持续性评价指标体系 本文的地铁 项 目 可 持 续 性 评 价 指 标 体 系 从 环 境 保护、健康与安全、经济发展水平、资源节约与利用以及社会发展水平 个方面挑选出地铁项目可持续性评价指标体系?(?)?,?D-FCM?Hebbian?Hebbia?Step2:?Step3:?Step1:?图 基于动态模糊认知图大型基础设施可持续性评价流程 土木工程与管理学报 年 为了便于对大型基础设施可持续性进行评价本文根据大量工程实例及数据仿真分析对上述指标进行影响分析基于国内外其他学者关于地铁施工影响地铁可持续性评价指标的分类研究成果提出大型基础设施可持续性评价指标等级划分标准将可持续等级划分为 级级别越高反映评价指标的可持续性能越好 得到的评价指标及标准划分见表 表 地铁可持续性评价指标体系及评价标准一级指标二级指标三级指标可持续发展等级归一化处理.).).).).可持续性评价指标环境保护 光污染控制/(/).).).).).废水排放达标率/)大气污染控制情况/分)土壤污染控制情况().健康与安全 公共安全控制/)职业健康与安全/分)社会发展水平 社会公众参与/)基础设施发展/分)征地拆迁/分)经济发展水平 建设投入/分)经济效益/)资源节约与利用 材料节约与利用/分)水土节约与利用/分)可再生能源节约与利用/)注:采用内梅罗综合指数 来表示为土壤中单一污染物占污染物总量的比值为所有污染物占总污染物比值的最大值.获取指标初始状态值和初始关联矩阵.获取指标初始状态值在获取指标的初始状态值时考虑到本文存在定性指标和定量指标两种所以本文获取指标初始状态值的方法也分为两种 对于定性指标本文将采取问卷调查的方式获取指标的初始状态值 考虑到地铁项目可持续评价的评价对象是比较宏观的概念所以在进行问卷调查的时候将尽量考虑多层次的点差对象多角度的分析采用加权平均的方式根据研究对象信度的不同将不同的研究对象赋予不同的权重但保持所有研究对象的权重综合等于 即满足式():.()式中:为第 位调查对象的信度值为第 位调查对象对第 个节点初始状态的评价值对于定量的指标需要查询定量指标的历史数据根据历史数据确定定量指标的初始状态值具体计算方法为用实际测得的数据减去历史数据的最小值然后用其差值除以历史数据最大值与最小值的差值即满足式():()式中:为第 个节点的实际观测值为第 个节点的历史数据序列中的最小值为第 个节点的历史数据序列中的最大值通过式()()可以计算出所有概念节点的初始状态值这为动态模糊认知图的推理奠定了基础和前提 将通过式()()得到的概念节点的初始状态向量记为.获取初始关联矩阵本文提出三角模糊数获取初始关联矩阵的方法使用 点语言标度来表示语言变量影响项的模糊集 以 点语言量表为基础让专家根据自己的知识详细描述一个概念对另一个概念的影响然后辨别不同程度的影响 将通过三角模糊数方法获得的概念节点之间因果关联强度的初始矩阵记为 假设第 个专家对 个指标的因果关联强度的评价值为 则 个专家的意见融合结果为:()第 期吕鹏洲等:基于动态模糊认知图的城市大型基础设施可持续性评价式中:为所求的两个指标经过 个专家融合后的因果关联强度值为第 个专家对两个指标因果关联强度的隶属度 为参加评价的专家总人数.基于 规则的 推理在获取了地铁项目可持续性评价指标体系的初始状态值向量和初始关联矩阵 的基础上为了进一步推理出地铁项目的综合可持续性评价值需要借助 规则进行推理 将.中获取的指标初始状态向量和初始关联强度矩阵带入到式()中进行计算即可以得到基于 规则下的 推理 实例分析.工程背景本文以湖北省武汉市地铁 号线和武汉天河机场的专家访谈情况作为实例进行大型城市基础设施可持续性评价研究 据调查截止到 年武汉地铁集团总运营里程达 车站总数达 座而武汉天河机场作为武汉唯一的机场设施承担着国内外空中通行的重担因此它们都是武汉市大型基础设施项目中的代表性工程项目.获取指标初始状态和关联矩阵在获取指标初始状态值的时候为了尽可能全面了解武汉大型基础设施工程项目的相关评价情况本文选取工程领域 名专家、名高校教授进行访谈 在计算各指标的初始状态值时考虑到各专家在各自领域都是权威所以设置相同的信度值即所有专家的信度都为.例如在计算概念节点 时各专家的评价值如表 所示表 各专家对概念节点 初始状态的评价值评价专家 专家 专家 专家 专家 信度.评价值.通过式()计算得到概念节点 指标的初始状态值为.同样的方式得到所有概念节点的初始状态值组成的矩阵如式()所示:.().获取初始关联矩阵采用三角模糊数法从专家访谈过程中获取指标之间的初始关联矩阵为:.土木工程与管理学报 年式中:为动态模糊认知图各指标之间因果关联强度的初始矩阵为第 行指标对第 列指标的因果关联强度值关联强度的绝对值越大表示两节点之间的因果关联越强符号表示原因节点对结果节点的作用情况正号表示原因节点的增加会促进结果节点的增长负号表示原因节点增加会使得结果节点的状态值降低.基于 规则的 推理将.节中指标的初始状态值和第.节中通过专家访谈得到的指标之间初始因果关联矩阵描述到图中即可以得到地铁可持续性评价的动态模糊推理图如图 所示0.8750.8760.7350.3270.6870.4310.2310.8860.6450.3270.4620.8310.7570.3250.4870.4350.6890.880.5980.7430.876730.8790.1410.1310.2140.6580.870.6730.7760.4650.1260.9470.4740.2310.1050.2570.7850.743-0.3310.1310.8240.8320.6720.6540.7240.7410.4370.3520.4870.0150.4630.604-0.6530.657Z1Z2Z3ZSS1S2S3HH1H2H3H4AA1A2JJ1J2K图 大型基础设施可持续性评价的动态模糊认知图模型如图 所示图中每个节点代表影响地铁可持续性评价的一个指标箭线表示因果关系箭尾节点表示原因节点箭头节点表示结果节点箭线上的数字表示节点之间的因果关联其数值绝对值的大小表示因果关联的强度绝对值的数值越大表明两节点之间的因果关联强度越强因果关联前的符号表示原因节点对结果节点的作用情况正号表示原因节点对结果节点是促进的即原因节点的状态值增加结果节点的状态值也随之增加.地铁可持续性能动态评价.地铁可持续性能评价将各指标的初始状态值向量和指标之间的初始关联矩阵带入到式()中设置的学习率参数为.经过 次迭代系统中各项指标均达到稳定状态各指标稳定状态时的可持续评价值如式()所示:.()可见该地铁项目的综合可持续评价值为.在可持续等级划分标准中属于级可持续评价结果很好 为更加清楚分析各项指标在考虑相互之间因果关系后的变化情况将各指标的初末状态值刻画在一张雷达图中得到如图 所示1.21.00.80.60.40.200.2-HA1A2AJ1J2JZ1Z2Z3ZS1S2S3SKH1H2H3H4Initial valueSteady value图 大型基础设施项目可持续性评价初末状态雷达从图 中可以看到节点 的可持续评价等级均在级可见这些指标的可持续评价较高而 的可持续评价等级在级其可持续性能也比较高而(社会公众参与)的可持续评价等级在级可持续性评价较低是应该重视的因素 所以在进行城市大型基础设施的可持续发展方面要尽量吸引更多的公众参与到可持续建设中来从而提高城市的可持续发展能力.指标因果关联变化分析通过式()可以计算出指标之间的关联矩阵在每一次迭代计算过程中的情况通过 计算得到系统达到收敛状态时的关联矩阵为进一步分析各主要指标的关联强度变化情况将各二级指标之间的因果关联强度初末情况绘制成图如图 所示 第 期吕鹏洲等:基于动态模糊认知图的城市大型基础设施可持续性评价Initial causal weightFinal causal weight1.00.80.60.40.20H Z&H J&H A&S K&S Z&S J&S A&S H&Z K&Z S&Z J&Z A&Z H&H S&H K&A H&A J&A S&A K&J H&J A&J Z&A Z&J S&J K&图 二级指标关联强度初末变化从图中 可以看到相对于专家在初始状态给出的关联强度系统在达到稳定状态时关联强度发生了一些有规律的变化:()环境保护和健康与安全、经济发展水平、资源节约与利用的初始关联强度为正值当系统达到稳定时其强度值在初始强度值的基础上变大这说明随着环境保护力度的加强这些指标之间的关系也随之加强环境保护对这些指标的影响在进一步扩大 所以政策制定者在推进大型基础设施工程的可持续发展时可以考虑加大环境保护力度从而促进可持续发展()建设投入和经济效益的初始关联强度为负值当系统达到稳定状态时其强度的绝对值也变大 这说明随着建设投入的增加大型基础设施的经济效益在加速递减这也符合边际效益递减的规律进一步印证了模型的准确性()通过以上分析表明动态模糊认知图在对系统进行推理时对存在因果关联的指标加强这种关联从而使得系统能够更快达到稳定状态因此在进行大型基础设施的可持续性决策时要考虑到影响城市基础设施可持续评价影响因素在过程中的变化情况会对指标之间的因果关联产生影响将这些影响考虑进去进行动态规划从而使得所研究系统能够尽快达到可持续发展的标准 结 论()本文建立了基于动态模糊认知图的地铁可持续性评价方法该方法的主要步骤包括:评价指标的识别获取指标初始状态值和初始关联矩阵利用 规则进行动态推理等过程考虑了指标的动态变化对关联矩阵的动态影像为更加真实的评价地铁可持续性提供支持()通过对国内外文献进行阅读和梳理在传统的可持续性评价指标体系的基础上进行细化得到由环境保护、健康与安全、经济发展水平、资源节约与利用以及社会发展水平构成的城市大型基础设施可持续性评价指标体系和评价标准()借助武汉某地铁工程实例利用动态模糊认知图进行评价评价结果表明该地铁项目的综合可持续性评价等级为级其中社会公众参与指标的可持续性评价等级最低为级是该项目可持续性的短板需要得到重视其余指标的可持续评价结果均在级以上可持续性较好参考文献 甘 琳 申立银 傅鸿源.基于可持续发展的基础设施项目评价指标体系的研究.土木工程学报():.陈建国 孟 春.建筑业可持续建设模式研究.统计与决策():.:.():.():.:?.:.宋贤萍.我国城市基础设施建设可持续发展水平评价研究.重庆:重庆大学:.郭存芝 彭泽怡 丁继强.可持续发展综合评价的 指标构建.中国人口资源与环境():.马艳梅 吴玉鸣 吴柏钧.长三角地区城镇化可持续发展综合评价 基于熵值法和象限图法.经济地理 ():.():./.:.(下转第 页)第 期肖镇江等:基于区块链技术的装配式建筑供应链信息共享演化博弈 :.():.王红春 刘红云.装配式建筑供应链协同定价研究 基于 信息管理系统.建筑经济 ():.().:.():.闫文周 王莹 冯中帅.基于区块链的建筑供应链信息共享演化博弈研究.科技管理研究():.崔铁军 姚万焕.基于区块链技术的农产品供应链演化博弈研究.计算机应用研究 ():.杨学成 李业勤.区块链视角下供应链多主体数据共享意愿博弈研究.科技管理研究 ():.李佳铭 袁竞峰 张华.预制构件工厂供应链管理问题剖析与对策研究.建筑经济 ():.杨增科 樊瑞果 黄炜 等.政府干预下装配式建筑产业链核心企业协作策略研究/.中国管理科学:().:/././.(上接第 页).():.李学学.基于数据预处理和回归分析技术的数据挖掘算法及其应用研究.兰州:兰州交通大学:.():.():.陈 伟.轨道交通对土地经济价值的影响研究.中国管理信息化 ():.:.():.程亚新 金本良.城市环境可持续发展能力评价.能源与环境():.董晓娜 李春燕.基于主成分分析和熵权法的开封市水资源承载力评价.黄河水利职业技术学院学报 ():.():.冯 存.财务视角下城市轨道交通可持续发展研究 基于 家地铁公司的案例分析.会计师():.秦雪飞.北京市地面公交可持续发展综合评价研究.北京:北京交通大学:.杨冰洁.北京市轨道交通真实发展评价研究.北京:北京交通大学:.():.李 飏.公众参与可持续发展的作用机理研究.探求():.周 皓.流动人口社会融合的测量及理论思考.人口研究 ():./.:.