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        基于AHP-Fuzzy的大型公共建筑可持續(xù)性評價研究

        2014-03-29 02:00:54高婧于軍琪
        計算機工程與應用 2014年13期
        關鍵詞:公共建筑可持續(xù)性一致性

        高婧,于軍琪

        西安建筑科技大學信息與控制工程學院,西安710055

        1 引言

        近年來,大型公共建筑在城鎮(zhèn)建筑中的比例迅速增加[1]。據(jù)統(tǒng)計,大型公建占城鎮(zhèn)建筑總面積的比例約為5%,但是其用能強度是普通公共建筑的4~6倍,是居住建筑的10倍以上[2],且在逐年增加,而在造成溫室效應和臭氧層破壞的氣體中,約50%的氟利昂、二氧化碳來源于與建筑相關的活動[3]。為此,建設部文件指出“到2020年,我國公共建筑使用的能源資源消耗水平要接近或達到現(xiàn)階段中等發(fā)達國家水平”,我國“十二五規(guī)劃”中也明確提出“單位GDP能耗和二氧化碳排放降低16%和17%”。因此,資源節(jié)約、環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展成為建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢。建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是追求降低環(huán)境負荷,減少能源、資源消耗,保護環(huán)境,確保自然、社會和諧共生,其中大型公共建筑的可持續(xù)性[4]研究至關重要,而可持續(xù)性評價是可持續(xù)性研究從理論進入實踐操作的重要環(huán)節(jié)。

        本文參考國內外已有成果[5],結合自身特征,著重能源與環(huán)境可持續(xù)關鍵性能指標,提出基于AHP-Fuzzy的可持續(xù)性評價方法,將AHP法和問卷調查相結合建立可持續(xù)性評價體系,確定指標權重,利用Fuzzy[6]理論,建立綜合評價模型從而進行可持續(xù)性評價。該方法結合計算機編程,不僅降低了計算的復雜性,而且提高了可持續(xù)性評價的效率及準確性。

        2 AHP-Fuzzy綜合評價方法

        AHP-Fuzzy綜合評價方法是利用模糊數(shù)學的方法來判別事物的優(yōu)劣,其原理是先按某一屬性將事物分成若干因素,然后對其中某一因素通過構建一個模糊綜合評價[7]的數(shù)學模型進行模糊變換得出評價結果,最后將結果整合。AHP-Fuzzy綜合評價法的數(shù)學模型簡單,且將定性、定量分析有機結合,提高了評價的科學性,對多因素、多層次的復雜問題評價效果比較好。其評價流程如圖1所示。

        圖1 AHP-Fuzzy綜合評價流程圖

        2.1 評價指標體系的建立

        利用AHP原理分析各指標之間的關系,建立系統(tǒng)的遞階層次結構[8]。即在該結構下,復雜問題由若干指標組成,這些指標又按其屬性分成若干組,形成不同層次。同一層次的指標作為準則對下一層次的某些指標起支配作用,同時又受上一層指標的支配。

        對于可持續(xù)建筑,世界經濟合作與發(fā)展組織(OECD)給出了4個原則:資源的應用效率原則、能源的使用效率原則、污染的防止原則及環(huán)境的和諧原則。基于以上原則結合問卷調查,本文主要從能源、水資源、材料資源、土地、交通、室外環(huán)境質量、室內環(huán)境質量7個方面構建指標體系,這7個方面即為準則層,然后針對每個準則進行詳細的分析,得到具體的指標體系,見圖2。

        2.2 建立評價對象指標集、評語集

        設U={u1,u2,…,um}為表述被評價對象的評價指標集;V={v1,v2,…,vn}為表述每一指標所處的n種狀態(tài)的評語集(即評價等級)。這里,m為評價指標的個數(shù);n為評語的個數(shù)。評價等級分為4個等級:優(yōu)秀、良好、合格、不合格。對各級評語分別賦值,得到各級評價等級對應的分值為s=[1 0.7 0.4 0]。

        2.3 問卷調查+AHP法確定評價指標權重

        權重是指標相對重要性的量度,不同的權重往往會導致評價結果的差異很大。問卷調查[9]是一種有效的確定權重的方法,由調查人員事先將調查因素制定表格,聘請相關專業(yè)人士(設計師、工程師等)、建筑物使用者等就各因素的重要程度發(fā)表意見。但是這種方法不能避免個人主觀因素的影響,具有一定局限性。AHP法[10]是美國運籌學家Stssty TL在20世紀70年代提出的一種定性和定量相結合的決策分析方法,適合用于多準則、多目標復雜問題的分析,它能夠在個人的主觀判斷與數(shù)學的邏輯嚴密性之間建立可量化通道。因此在本文中,權重的確定采用問卷調查與層次分析法(AHP)相結合的方法。權重確定步驟如下:

        圖2 大型公共建筑可持續(xù)性評價指標體系

        (1)制定問卷調查表,同層指標兩兩比較,比較結果以9標度法表示,見表1。運用表1的數(shù)字標度,就可以得到如下判斷矩陣:

        表1 AHP法9標度涵義

        (2)意見匯總,得出最終的判斷矩陣,方法如圖3。

        圖3 問卷調查+AHP法相結合

        其中:

        (3)計算指標權重Wi:

        (4)計算判斷矩陣B的最大特征值λmax:

        (5)一致性檢驗。首先確定一致性指標CI:

        然后查同階矩陣平均一致性指標Ri,見表2。

        表2 平均隨機一致性指標

        當CR<0.1時,則認為判斷矩陣的一致性是可以接受的;否則應對其進行適當修改。

        以上計算出的是單一準則下的相對權重,最終需要計算同一層次所有指標對于目標層的相對重要性,由最高層到最低層逐層進行。若上一層指標A相對于目標層的層次單排序權重為ai(i=1,2,…,m),下一層指標B相對于上一層指標A的單排序權重為b1i,b2i,…,bni,則B層指標相對于目標層的總排序權重為:

        接著計算一致性比率CR:

        層次總排序后,根據(jù)上述步驟(5)進行總排序的一致性檢驗。

        2.4 建立Fuzzy綜合評價矩陣

        首先對指標集中的單因素ui作評價,給出該因素對評價等級vk的隸屬度為rij,則可得到單因素評價矩陣Ri:

        本文中隸屬度采用模糊統(tǒng)計的方法來確定,模糊統(tǒng)計的方法是讓參與評價的人士按預先規(guī)定的評語集V給各評價指標劃分等級,再統(tǒng)計各評價指標屬于各評價等級的頻數(shù)m,即

        tij表示評價指標,uij隸屬于評價等級的隸屬度。

        2.5 Fuzzy綜合評價

        當權重和單因素評判矩陣確定時,可采用模糊數(shù)學中的合成算法[11]進行綜合評價。如果把綜合評判矩陣看做一個模糊變換器,那么每當輸入一個權重集,通過模糊變換器就可以輸出一個相應地綜合評判結果。如圖4所示。

        圖4 模糊綜合評價原理圖

        在三層結構中,首先對第二級評價指標作綜合評價,一般令

        其中,*為算子符號,稱為模糊變換,Wi(權重集)稱為輸入,Zi稱為輸出。在多級模糊綜合評價中,每個下級評價的結果實際上就是相鄰上級的單因素評價,在三層結構的情況下,一級模糊綜合評價即是按第二層次的所有因素uij進行的評價,再對第一級指標作綜合評價:

        其中R=(Z1;Z2;…;Zn)。

        其后對綜合評價結果進行打分:

        最后判斷綜合評價最終等級。

        3 應用實例

        現(xiàn)應用上述AHP-Fuzzy綜合評價方法對西安某大型公共建筑的可持續(xù)性進行評價。經實際調研,共收回15份有效問卷調查表。

        3.1 建立評價指標體系

        本例選用圖2所示的評價指標體系。

        3.2 建立評價指標集和評語集

        (1)如表4所示,指標集U={U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7},U1={U11,U12,U13},U2={U21,U22,U23},U3={U31,U32,U33},U4={U41,U42,U43},U5={U51,U52,U53},U6={U61,U62,U63},U7={U71,U72,U73,U74}。

        (2)評語集2.2節(jié)給出。

        3.3 確定評價指標權重

        根據(jù)問卷調查的結果結合2.3節(jié)所示方法,得出最終判斷矩陣。由于篇幅有限,這里僅列出準則層相對于目標層的判斷矩陣,見表3。

        表3 準則層判斷矩陣

        通過M atlab編程計算得出各級指標權重,并做一致性檢驗,結果見表4。經驗證,隨機一致性比率CR均<0.1。

        表4 基于能源與環(huán)境的大型公共建筑可持續(xù)性評價指標權重

        3.4 建立Fuzzy綜合評價矩陣

        根據(jù)15份問卷調查表得到評價票數(shù),如表5所示。

        由前文所示方法即可得到各指標隸屬度,例如,U1中3個指標對于各級評語的隸屬度為:

        則其Fuzzy評價矩陣:

        同理可得R2~R7評價矩陣。

        表5 問卷調查評價票數(shù)統(tǒng)計

        3.5 Fuzzy綜合評價

        由式(11)得一級綜合評判Z1=W1*R1=[0.185 0 0.452 6 0.778 2 0.049 5],同理可得Z2~Z7。則

        由式(12)得:

        由式(13)得:

        綜上所述,該大型公共建筑可持續(xù)性綜合評價結果為良好。

        4 結語

        文中提出的AHP-Fuzzy綜合評價方法結合了各自的優(yōu)點:在大型公共建筑可持續(xù)性評價指標體系的建立上,將問卷調查與AHP法結合,避免了指標之間的信息重疊和丟失,較全面地反應了大型公建的可持續(xù)性能,進而準確確定了各級指標權重;利用Fuzzy理論,通過評價結果的量化,較大程度上避免了定性評價方法的主觀性對評價結果的影響;便于計算機編程,確保了大型公建可持續(xù)性評價的準確性。實例驗證評價結果符合實際情況,表明AHP-Fuzzy綜合評價方法的可靠性與實用性。

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