陳虎

(蘭州鐵道設計院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

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綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境評價方法的研究

陳虎

(蘭州鐵道設計院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

鐵路客站是國家鐵路網(wǎng)的交匯中心，具有集散、運輸、中轉(zhuǎn)客流等多項功能，是滿足城市運輸發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。綠色鐵路客站的評價包括了節(jié)地與室外環(huán)境、節(jié)能與能源利用、節(jié)水與水資源利用、節(jié)材與材料資源利用、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、施工管理、運行管理等七類。針對綠色鐵路客站的節(jié)地與室外環(huán)境建立多層指標體系，采用灰色關(guān)聯(lián)與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡縱向相結(jié)合的方法，構(gòu)建新的綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境評價模型，消除傳統(tǒng)“打分法”評價過程中人為不確定性。最后通過具體的實例進行驗證，得出該評價模型在綠色鐵路客站節(jié)點與室外環(huán)境評價中具有一定的應用價值。

綠色鐵路客站；節(jié)地；室外環(huán)境；灰色關(guān)聯(lián)；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡

21世紀以來，我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，鐵路行業(yè)的建設迎來了發(fā)展的黃金期[1]。鐵路客站作為城市運輸過程中重要的環(huán)節(jié)，在正確選取鐵路客站的位置、提高運輸能力、滿足城市發(fā)展等方面都有了更高的要求。然而，隨著城市的快速發(fā)展，加強環(huán)境整治、改善和保護生態(tài)環(huán)境、提高能源利用率等就顯得尤為重要[2-3]。因此，為了實現(xiàn)我國鐵路長期的可持續(xù)發(fā)展，提出了“綠色鐵路”的概念。并結(jié)合我國現(xiàn)行綠色建筑評價標準、綠色施工評價標準等，國家鐵路局頒布了《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T10429—2014)行業(yè)規(guī)范文件。

“綠色鐵路”是以環(huán)境價值為尺度，運用各種綠色技術(shù)，提高鐵路運輸?shù)纳鐣б?、生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，使我國鐵路網(wǎng)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展[4]?！毒G色鐵路客站評價標準》主要包括了節(jié)地與室外環(huán)境、節(jié)能與能源利用、節(jié)水與水資源利用、節(jié)材與材料資源利用、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、施工管理以及運行管理7個類別。根據(jù)規(guī)范性文件，本文主要是從選址、土地利用、室外環(huán)境、交通等角度采用灰色關(guān)聯(lián)與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的方法對綠色鐵路客站的節(jié)地與室外環(huán)境進行評價，既結(jié)合了專家的經(jīng)驗，又避免了評價過程中人為的主觀隨意性[5],并通過具體實例進行驗證，得出該方法對綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境的評價具有指導作用。

1　方法介紹

1.1灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析作為灰色系統(tǒng)理論的一種技術(shù)方法，應用非常廣泛。它通過對數(shù)據(jù)的一定處理，根據(jù)評價因素發(fā)展態(tài)勢的相似程度，找出各個評價因素之間的關(guān)聯(lián)程度來判定主要影響因素[6]，以解決實際的問題。本文建立的綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境涉及多個評價指標，而且各個指標之間的關(guān)聯(lián)性很不明確，因此采用灰色關(guān)聯(lián)的方法來確定一級指標的權(quán)值。具體的步驟如下[7]：

1)各指標的無量綱化。將原始數(shù)據(jù)第一個作為基數(shù)，用每個指標的實際值除以第一個數(shù)據(jù)，則得到新的無量綱數(shù)據(jù)。

2)求解差序列及兩級最大、最小差

(1)

(2)

(3)

3)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

(4)

式中：γ0i(k)代表第k個時刻比較曲線x1與參考曲線x0的相對差值，也就是x1對x0在k時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)。式中，ζ是分辨系數(shù)，本文中取0.5。

4)計算關(guān)聯(lián)度

(5)

5)求解指標權(quán)重值。對評價指標各個關(guān)聯(lián)度進行求和，再根據(jù)不同指標的關(guān)聯(lián)度大小分配權(quán)值。

(6)

1.2T-S模糊模型

模糊數(shù)學是一種用來描述和處理具有模糊特征問題的數(shù)學方法。其中，T-S模糊系統(tǒng)是模糊數(shù)學中一種自適應能力很強的模糊系統(tǒng)[8]。通過建立模糊集，數(shù)據(jù)不斷地自動更新，設計和修訂模糊子集的隸屬函數(shù)，應用“if-then”的規(guī)則形式來定義[9-10]，使其網(wǎng)絡輸入部分模糊，輸出部分是確定的。

假設輸入向量為x=[x1,x2,…,xk]，根據(jù)模糊規(guī)則確定各個輸入向量的隸屬度為：

(7)

將各個隸屬度采用連乘算子進行模糊計算，得模糊規(guī)則的適應度為wi,見下式：

(8)

最后根據(jù)模糊計算結(jié)果求解T-S模糊模型的輸出值yi，見下式：

(9)

1.3T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡

將T-S模糊模型與人工神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合，形成T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡，共有四層組成。第一層為輸入層，與輸入向量x=[x1,x2,…,xk]連接；第二層為模糊化層，采用隸屬度函數(shù)對輸入值進行模糊得到隸屬度；第三層為模糊規(guī)則計算層，采用連乘算子得到適應度；第四層即為輸出層[5]，具體算法流程見圖1所示。

圖1　模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法流程Fig.1 Fuzzy neural network algorithm process

T-S模糊神網(wǎng)絡的學習主要包括有3個步驟：

1)誤差計算

(10)

式中：yd為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡期望輸出值，yc為實際輸出值。

2)系數(shù)修正

(11)

3)參數(shù)修正

(13)

(14)

2　灰色關(guān)聯(lián)分析與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的綜合評價模型

2.1節(jié)地與室外環(huán)境評價指標體系的建立

通過查閱國家鐵路局新頒布的《綠色鐵路客站評價標準》規(guī)范以及大量國內(nèi)外參考文獻，建立綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境評價指標體系[11]。首先選取了選址、土地利用與場地設計、室外環(huán)境、室外交通組織4個一級指標[12]，并確定了與4個一級指標相關(guān)的17個二級指標構(gòu)建了三層評價指標，具體指標體系見圖2所示。

圖2　綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境評價指標體系Fig.2 Evaluation index system of green railway station in landsaving and outside environment

圖2綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境評價中，選址主要考慮了與城鄉(xiāng)發(fā)展的協(xié)調(diào)以及場地安全等方面的因素[1]；土地利用與場地設計主要是根據(jù)場地的情況，合理高效地利用土地資源，減少破壞，建筑功能多元化；室外環(huán)境指的是不影響周邊的建筑環(huán)境，并在滿足規(guī)劃的條件下竟可能的提高周邊的綠化等；室外交通組織則表示鐵路客站遵循公共交通的原則，體系綜合交通樞紐的特點[13-14]。

2.2灰色關(guān)聯(lián)分析和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的綜合評價

參照綠色鐵路客站的設計評價審閱及項目可行性研究報告對客站的節(jié)地與室外環(huán)境進行評價[15]，為了客觀合理的對綠色客站進行評價，降低傳統(tǒng)“打分法”的主觀隨意性，采用灰色關(guān)聯(lián)的方法對一級指標進行賦權(quán)。首先選取相關(guān)領域的若干專家對一級指標的重要性進行評分，采用10分制的原則，最后再通過灰色關(guān)聯(lián)法確定一級指標最終權(quán)值[16]。

采用T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的方法，建立綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境的二級指標到一級指標客觀的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型。輸入層為對模糊信息進行預處理，輸入節(jié)點數(shù)為17個，輸出層為4個節(jié)點(選址、土地利用與場地設計、室外環(huán)境、室外交通組織)。在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型中，根據(jù)《綠色鐵路客站評價標準》對綠色鐵路客站的二級指標確定模糊隸屬度，將每一個因素分成非綠色、淺綠色、準綠色、綠色以及深綠色五個評價等級[17]。利用足夠多的樣本訓練網(wǎng)絡，使其網(wǎng)絡輸出值接近期望值。最后再結(jié)合一級指標權(quán)重值得出綠色鐵路客站的評價結(jié)果。

3　實例驗證

西安北客站是國家特大型鐵路旅客站，也是亞洲最大的高鐵車站之一。它是鐵路、城市軌道、城市道路交通為一體的現(xiàn)代化特大型交通樞紐站。西安北站占地面積達到53.3萬m2，規(guī)劃整體建筑面積為42.5萬m2，是西安“三主兩輔”重要中心樞紐車站之一。本文則選取西安北客站為例，對綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境保護進行評定。

3.1一級指標權(quán)重確定

分別邀請相關(guān)決策人員、設計人員、環(huán)保人員等領域8位專家根據(jù)自身的經(jīng)驗及西安北客站的設計特點等對綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境保護一級指標的重要性進行評定，總分為10分[18]。由于是對一級指標的重要性進行評定，則不需要對結(jié)果進行量鋼化處理。8位專家對一級指標的重要性評分結(jié)果見表1所示。

表1　一級指標重要性評定

表2　一級指標權(quán)重值

3.2模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型設置

鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境二級指標評價量度分為非綠色、淺綠色、準綠色、綠色以及深綠色五個評價等級，分別與0.1，0.3，0.5，0.7和0.9相對應，對于界于兩者之間的情況可選取0.2，0.4，0.6和0.8。利用Matlab7.0建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡，輸入層為評審專家根據(jù)項目可研報告和現(xiàn)場核實情況對二級指標的評定結(jié)果，即輸入層節(jié)點數(shù)為17；輸出層為西安北客站選址、土地利用與場地設計、室外環(huán)境、室外交通組織4個一級指標的實際評價結(jié)果。采用隨機初始化模糊隸屬度函數(shù)中心c，寬度b以及系數(shù)p0～p6。選取若各組數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡學習樣本，獲得模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的權(quán)值和閾值，對已訓練好的網(wǎng)絡進行二級指標的模擬。

3.3灰色關(guān)聯(lián)與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的評審結(jié)果

將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出值與通過灰色關(guān)聯(lián)法確定的一級指標權(quán)重值經(jīng)過加權(quán)計算，得到采用該模型的最終評定結(jié)果，并將模型評定結(jié)果與專家評審結(jié)果進行比較，結(jié)果見表3所示。

表3　綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境評定結(jié)果

從上表對西安北客站節(jié)地與室外環(huán)境評定結(jié)果可以看出，所建灰色關(guān)聯(lián)與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的模型評審結(jié)果與專家評定結(jié)果進行比較，相對誤差為0.491%，說明該評價方法效果好，能夠得到滿意的效果，對綠色鐵路客站節(jié)點與室外環(huán)境評定具有一定的指導作用。

4　結(jié)論

1)通過查閱相關(guān)規(guī)范和文獻，建立了較為完整的綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境評價指標體系，對后期綠色鐵路指標的評定具有一定的指導作用。

2)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的方法對綠色鐵路客站節(jié)地與室外環(huán)境進行評價，與傳統(tǒng)的方法相比誤差較小，并能夠科學客觀的對各個指標進行評定，為后期綠色鐵路的評價提供了依據(jù)。

3)綠色鐵路評價過程中，利用Matlab數(shù)學軟件建立方法模型，減少了人為的重復操作，大大地提高了工作的效率。

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Land Conservation and Outdoor environment evaluation method ofgreen railway station

CHENHu

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute CO.,LTD, Lanzhou730000, China)

Railwaystationistheintersectionofnationalrailwaynetworkandhasmanyfunctionssuchasdistribution,transportation,transitpassengerflow.Italsoformsaveryimportantpartofurbantransportationdevelopment.Theevaluationofrailwaystationincludeslandconservationandoutdoorenvironment,energysavingandenergyconsumption,waterconservationandwaterresourcesutilization,savingmaterialandmaterialresourcesutilization,indoorenvironmentquality,constructionmanagement,andoperationmanagement.Thisarticlewasmainlyaimedatthelandconservationandoutdoorenvironmentofgreenrailwaystationtobuildmulti-levelindexsystem,andthegreyrelationandfuzzyneuralnetworkmethodwereusedtobuildanewgreenrailwaystationinlandconservationandoutdoorenvironmentevaluationmodel.Thismodelcouldeliminatethetraditional"gradingsystem"foruncertaintyevaluationprocess.Finally,thismethodisverifiedbyanexample.Itisconcludedthatthisevaluationmodelinlandconservationandoutdoorenvironmentofgreenrailwaystationhasacertainapplicationvalue.

greenrailwaystation;landsaving;outsideenvironment;greycorrelation;fuzzyneuralnetwork

2015-11-22

陳虎(1973-)，男，甘肅武威人，高級工程師，從事綠色鐵路、建設項目管理及經(jīng)濟評價研究；E-mail：13909315113@139.com

TU528

A

1672-7029(2016)07-1433-06