一种基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法

技术领域

本发明涉及公路工程技术领域，具体地，涉及一种基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法。

背景技术

随着城市化的快速发展，高速公路改扩建项目存在大量既有结构设施的拆除，如何处置利用拆除固废是改扩建项目面临的一项重要难题。一方面，拆除的固废乱堆乱放，直接或简单破碎填埋，不仅占用土地资源，损害城市市容环境，经济价值也低；另一方面，建筑固废经破碎筛分处理后作为骨料用于基层，再生混凝土铺装，水泥路面，护栏、挡墙、水沟、护坡等各种中小预制构件，经济价值得以提高，但拆除物破碎和回收利用过程中对能源和资源的消耗及建筑固废的处理又会带来二次污染和成本增加，不同方案的技术可行性及安全适用性也具有不确定性；同时，为提升固物废弃物的再生利用率，缓解再生利用过程的冲突点，需将周边城市建筑物纳入固废再生利用的范围，涉及范围和数量进一步增加。因此，需要确定多因素影响下基于优选目标方案的高速公路改扩建工程固体废弃物再利用决策方法。

目前，针对高速公路固废资源的利用主要采用定性或简单的经济成本计算，应用场景也多为单一的低值化路基填料与基层集料。高速公路改扩建项目建设不确定性因素众多、目标和标准的多样化，造成方案比较优劣的工作复杂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法和系统，适用于公路工程建设方在对路域固废资源再利用时，根据加工产物适用的分部分项工程，进行模糊层次分析(FAHP)，以进一步进行拆除固废利用方案决策。

根据本发明的一个方面，提供一种基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法，包括：

根据公路改扩建工程固体废弃资源化利用评判的各项指标，建立固废利用的层次结构模型；

采用九级标度法对所述层次结构模型标度，得到判断矩阵；

基于所述判断矩阵，计算相对权重并进行一致性检验；

基于所述相对权重，计算合成权重并进行一致性检验；

基于所述层次结构模型建立对象集，基于所述相对权重和合成权重建立因素集和权值集；建立评语集；

通过所述对象集、因素集和权值集，建立隶属矩阵R，并结合所述评语集进行多级模糊评价，计算得到所述对象集中每个评价对象的综合分值，根据所述综合分值大小排序得到优选方案，作为再利用决策。

优选地，所述层次结构模型包括目标层、准则层、指标层和方案层；

所述目标层包括最优方案；

所述准则层基于所述目标层分为若干个一级指标；

所述指标层分为若干个二级指标；

每个所述准则层包括若干个量化的指标层中的二级指标，针对具体的固体废弃物资源利用模式进行适应性评价；

所述方案层包括供选择的若干个方案对象；

其中，所述一级指标包括经济指标B

所述准则层中对应经济指标的二级指标包括：人工费C

所述准则层中对应环境指标的二级指标包括：资源利用率C

所述准则层中对应技术指标的二级指标包括：交通组织模式C

所述准则层中对应社会指标的二级指标包括：国家政策C

优选地，所述采用九级标度法对所述层次结构模型标度，得到判断矩阵，包括：

采用九级标度法对各个一级指标两两之间进行比较判断，获得目标层A的判断矩阵，目标层A的判断矩阵的第i行第j列的元素的数据值B

采用九级标度法对各个二级指标两两之间进行比较判断，获得一级指标B

优选地，所述相对权重是在层次分析法中由单一判断矩阵计算指标之间的相对重要性权重；

所述相对权重的计算过程，包括：

BW＝λ

计算判断矩阵第i个指标与其他各个指标的标度的几何平均值

计算第i个指标的归一化标度值ω

得到ω＝(ω

计算判断矩阵的最大特征值λ

其中，(Bω)

根据层次分析法原理，利用矩阵的理论最大特征值λ

式中：CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标；CR为随机一致性比例；

当CR小于设定阈值时，就认为判断矩阵符合一致性要求；否则，需要重新赋予标度值调整判断矩阵，直到一致性符合要求为止；

判断矩阵相对权重一致性检验满足要求，取ω＝(ω

优选地，所述合成权重是计算最下层次所有元素对于目标层的权重，其计算过程，包括：

在对各判断矩阵进行计算获得特征向量后，自上而下逐层计算各层次对于最上层元素的合成权重；

α

式中：α

优选地，所述基于所述层次结构模型建立对象集，基于所述相对权重和合成权重建立因素集和权值集；建立评语集，包括：

基于所述层次结构模型的方案层建立对象集S＝(S

基于所述相对权重，建立因素集U＝(B

基于所述合成权重，建立权值集A＝(α

建立评语集V＝(优，中，劣)，用于模糊指标评价计算。

优选地，所述通过所述对象集、因素集和权值集，建立隶属矩阵R，并结合所述评语集进行多级模糊评价，计算得到所述对象集中每个评价对象的综合分值，根据分值大小排序得到优选方案，作为再利用决策，包括：

基于所述对象集和因素集，建立隶属矩阵R；

将所述权值集与所述对象集中每个对象的隶属矩阵进行模糊运算，得到模糊综合评判指标B＝A·R；

对所述评语集中不同的评语v，规定各自不同的权重w

根据本发明的第二个方面，提供一种基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策系统，包括：

层级结构模块，该模块根据公路改扩建工程固体废弃资源化利用评判的各项指标，建立固废利用的层次结构模型；

判断矩阵模块，该模块采用九级标度法对所述层次结构模型标度，得到判断矩阵；

相对权重模块，该模块基于所述判断矩阵，计算相对权重并进行一致性检验；

合成权重模块，该模块基于所述相对权重，计算合成权重并进行一致性检验；

集合模块，该模块基于所述层次结构模型建立对象集，基于所述相对权重和合成权重建立因素集和权值集；建立评语集；

决策模块，该模块通过所述对象集、因素集和权值集，建立隶属矩阵R，并结合所述评语集进行多级模糊评价，计算得到所述对象集中每个评价对象的综合分值，根据分值大小排序得到优选方案，作为再利用决策。

根据本发明的第三个方面，提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行所述的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法，或，运行所述的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策系统。

根据本发明的第四个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行所述的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法，或，运行所述的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策系统。

与现有技术相比，本发明实施例至少具有如下的一项有益效果：

本发明实施例中的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法和系统，将实际经验与层析分析以及模糊评价技术应用于决策当中，按照最优化原则，对于多目标决策问题选取合适的方法来进行方案评价，选出最适合高速公路改扩建工程实施的固废再利用决策模式。解决了当前固废利用决策思路不清，不成体系，利用随意性和盲目性的问题；不同于现有的层次分析法，本方法融合了模糊评价，是一种考虑更为全面的系统方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法的流程图；

图2为本发明一实施例中的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策系统的框架图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例中的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法的流程图，该方法步骤如下：

S100，根据公路改扩建工程固体废弃资源化利用评判的各项指标，建立固废利用的层次结构模型；

S200，采用九级标度法对层次结构模型标度，得到判断矩阵；

S300，基于判断矩阵，计算相对权重并进行一致性检验；

S400，基于相对权重，计算合成权重并进行一致性检验；

S500，基于层次结构模型建立对象集，基于相对权重和合成权重建立因素集和权值集；建立评语集；

S600，通过对象集、因素集和权值集，建立隶属矩阵R，并结合评语集进行多级模糊评价，计算得到对象集中每个评价对象的综合分值，根据综合分值大小排序得到优选方案，作为再利用决策。

本实施例基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法，有助于缓解现有公路改扩建工程项目拆除固废再利用思路不清晰、决策盲目性的问题，为公路固废的高值化再利用决策提供依据。

在本发明的一个优选实施例中，实施S100,根据公路改扩建工程固体废弃物资源化利用评判的各项指标，建立固废利用的层次结构模型，如表1所示：

表1层次结构模型

层次结构模型包括目标层A、准则层B、指标层C和方案层S。目标层为最优方案，准则层根据目标层特点进行细分，包括：经济指标B

每个准则层下包含若干个量化的指标层中的二级指标，针对具体的固体废弃物资源化利用模式进行适应性评价；方案层包括供选择的若干个方案对象。

具体为，准则层中对应经济指标的二级指标包括：人工费C

准则层中对应环境指标的二级指标包括：资源利用率C

准则层中对应技术指标的二级指标包括：交通组织模式C

准则层中对应社会指标的二级指标包括：国家政策C

在本发明的一个优选实施例中，实施S200，根据S100建立的层次结构模型，采用九级标度法对层次结构模型标度，得到判断矩阵，包括：

采用九级标度法对各个一级指标两两之间进行比较判断，获得目标层A的判断矩阵，目标层A的判断矩阵的第i行第j列的元素的数据值为第i个一级指标和第j个一级指标的标度值，A的判断矩阵如表2所示；

表2 A的判断矩阵

采用九级标度法对各个二级指标两两之间进行比较判断，获得一级指标B

表3 B

在本发明的其他实施例中，在判断矩阵的建立过程中，也会考虑项目实际情况，比如项目建设等级、项目所在区域的经济发展现状与规划、项目所在区域的材料与人工价格情况、项目所在地区的相关规定、项目周边的环境敏感点等。

本实施例中，采用表4的标度获得判断矩阵。当然，在其他实施例中，可以采用其他的标度及描述获得判断矩阵。

表4标度及其描述

在发明的一个优选实施例中，实施S300，计算相对权重并进行一致性检验。

相对权重是在层次分析中由单一判断矩阵计算指标之间相对重要性权重，其计算过程如下：

BW＝λ

式中:λ

计算判断矩阵第i个指标与其他各个指标的标度的几何平均值

计算第i个指标的归一化标度值ω

得到ω＝(ω

计算判断矩阵的最大特征值λ

其中，(Bω)

根据层次分析法原理，利用矩阵的理论最大特征值λ

一致性指标：

式中:CI为一致性指标；

RI为平均随机一致性指标，取值见表5；

CR为随机一致性比例。

表5平均随机一致性指标RI

一般地，当CR≤0.10时，就认为判断矩阵具有令人满意的一致性；否则，当CR>0.10时，就需要重新赋予标度值来调整判断矩阵，直到一致性满意为止。

判断矩阵相对权重一致性检验满足要求，可计算得到相对权重值，即采用式(3)作为相对权重。即可以通过上述公式(1)-(6)，计算所有判断矩阵的相对权重值。

在本发明的一个优选实施中，实施S400，计算合成权重并进行一致性检验。合成权重是计算最下层次所有元素对于目标层权重。在对各判断矩阵进行计算获得特征向量后，便可由上而下逐层计算各层次对于最上层元素的合成权重。

α

式中：α

其判断一致性的过程与步骤S300的中判断一致性的方法一致，在此不作赘述。

在本发明的一个优选实施例中，实施S500，建立对象集、因素集、评语集和权值集：从层次结构模型的方案层，根据项目实际情况，确定评价的对象集S＝(S

在本发明的一个优选实施中，实施S600，通过所述对象集、因素集和权值集，建立隶属矩阵R，并结合所述评语集进行多级模糊评价，计算得到所述对象集中每个评价对象的综合分值，根据分值大小排序得到优选方案，作为再利用决策。具体为：

S601，基于所述对象集和因素集，建立隶属矩阵R。具体为：将判断矩阵中各指标与方案集中的各个方案联系，从而将各个影响因素对每个方案的重要性程度进行排序，根据统一的标准按照排序进行赋值，得到模糊判断矩阵表；从而得到隶属矩阵R；

S602,将权值集与所述对象集中每个对象的隶属矩阵进行模糊运算，得到模糊综合评判指标B＝A•R；

S603,对所述评语集中不同的评语v，规定各自不同的权重w

基于相同的发明构思，本发明的其他实施例中，还提供一种基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策系统，其框架结构如图2所示，包括层级结构模块、判断矩阵模块、相对权重模块、合成权重模块、集合模块和决策模块。层级结构模块根据公路改扩建工程固体废弃资源化利用评判的各项指标，建立固废利用的层次结构模型；判断矩阵模块采用九级标度法对所述层次结构模型标度，得到判断矩阵；相对权重模块基于所述判断矩阵，计算相对权重并进行一致性检验；合成权重模块基于所述相对权重，计算合成权重并进行一致性检验；集合模块基于所述层次结构模型建立对象集，基于所述相对权重和合成权重建立因素集和权值集；建立评语集；决策模块通过所述对象集、因素集和权值集，建立隶属矩阵R，并结合所述评语集进行多级模糊评价，计算得到所述对象集中每个评价对象的综合分值，根据分值大小排序得到优选方案，作为再利用决策。

基于相同的发明构思，本发明的其他实施例中，还提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行所述的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法，或，运行所述的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策系统。

基于相同的发明构思，本发明的其他实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行所述的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法，或，运行所述的基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策系统。

下面结合具体实施例对本发明进一步详细说明。

基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法，包括如下步骤：

步骤1、根据项目特点(项目建设等级、项目所在区域的城镇化水平与发展规划、项目所在区域的材料与人工价格情况、项目所在地区的相关规定、项目周边的环境敏感点等)，建立公路固体废弃物资源化利用模式的评价指标体系的层次结构模型，见表6。

表6公路改扩建固体废弃物资源化利用方案的层次结构模型

步骤2、采用上述表4的1━9标度法构建公路改扩建固体废弃物资源化利用方案的各层因素之间的两两判断矩阵，以准则层4个指标为例，进行两两比较，得到4个一级指标B

表7 A的判断矩阵A-B

步骤3、计算相对权重并进行一致性检验：采用上述式(1)～(6)进行相对权重计算及一致性检验，一致性检验结果如表8所示。

表8一致性检验结果

由上表所示，CR≤0.10，认为判断矩阵具有令人满意的一致性。

步骤4、计算合成权重及一致性检验：采用上述式(7)进行合成权重计算及一致性检验，经计算得到的相对权重值及合成权重值如表9所示。

表9权重计算表

合成权重也需要进行一致性检验，检验方法与相对权重一致性检验相同。经计算合成权重一致性检验满足要求。

步骤5、建立对象集、因素集、评语集和权值集。

表6中，针对公路改扩建固体废弃物资源化利用的适用方案包含水泥路面、桥面整体化层、新泽西护栏、小构件、挡土墙、基层、垫层、路基等，建立对象集S＝(S

基于准则层相对权重，建立因素集U＝(B

基于指标层相对权重，建立因素集u

建立评语集V＝(优，中，劣)，W＝(95,75,30)为打分集，分别对应优中劣三个等级；

对因素集u

步骤6、建立隶属矩阵R，进行多级模糊评价。

S6.1，将判断矩阵中各指标与方案集中的各个方案联系，从而将各个影响因素对每个方案的重要性程度进行排序，根据统一的标准按照排序进行赋值，得到模糊判断矩阵表；从而得到隶属矩阵R。

具体地，将对象集中每个方案对各个影响因素(指标层C的18个影响因素)重要性程度进行排序，根据统一的标准按照排序进行赋值，赋值标准如表10所示。为方便对比分析及计算，统计整理为模糊判断矩阵表，见表11。从表11得到隶属矩阵R＝(R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8)。

因素(指标)集合评价(等级)集赋值原则：将八个方案分成八个等级，每一个等级根据表10有对应的权重值，将8个方案在各个指标下进行评价获得各方案在各指标下的权重(评价排序表，见表12)，根据评价排序表参照表10对因素(指标)集合评价(等级)集进行赋值。

表10赋值标准

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/>

S6.2，将权值集与所述对象集中每个对象的隶属矩阵进行模糊运算，得到模糊综合评判指标B＝A·R。

具体地，各模式模糊评价指标计算：

S6.3，对所述评语集中不同的评语v，规定各自不同的权重w

/>

通过基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策方法对固体废弃物资源化利用方案评判，得到各方案在考虑多种影响因素下的适用性评价结果，各方案最终得分如表13所示，可以看出方案S4用于小构件得分最高为86.7分，其次为水泥路面84.1分、挡土墙82.2分、基层81.4分，因此可以认为将固体废弃物优先用于小构件，其次用于水泥路面、挡墙、基层是较为合理的；对于缺乏这几种应用方案的场景可以将固废按照垫层→新泽西护栏→路基→桥面整体化层的优先级顺序进行再利用。

表13基于模糊层次分析的公路固体废弃物再利用决策评价得分

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。