基于AHP-FCE的運(yùn)營公路隧道照明能耗動態(tài)評價(jià)

為解決公路隧道照明在運(yùn)營期能耗高且無法實(shí)時(shí)動態(tài)反映能耗水平的問題，本文通過參考建筑能耗評價(jià)相關(guān)研究，建立了運(yùn)營公路隧道照明能耗水平動態(tài)評價(jià)模型。首先，根據(jù)能耗影響因素選取評價(jià)指標(biāo)；其次，將指標(biāo)進(jìn)行動靜態(tài)分類，并依據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)劃分各指標(biāo)的分級判定標(biāo)準(zhǔn)；然后，采用層次分析法，計(jì)算各層次中的指標(biāo)權(quán)重；最后，采用模糊統(tǒng)計(jì)法和柯西分布函數(shù)計(jì)算各指標(biāo)的隸屬度，建立模糊綜合評價(jià)模型，通過置信度識別原則確定能耗水平。1、構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.1確定評價(jià)指標(biāo)體系按照定性與定量相結(jié)合的思想，遵循層次性、系統(tǒng)性、有效性、可計(jì)量性等原則，考慮獲取數(shù)據(jù)的便利性、重要性、可簡化性等方面，同時(shí)考慮保證交通安全，要在安全運(yùn)營的前提下進(jìn)行照明能耗評價(jià)（各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合JTG/TD70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》等的要求）。在查閱資料、實(shí)地調(diào)研、現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，選擇從土建特征、照明設(shè)施、交通環(huán)境、運(yùn)營管理4個(gè)方面展開研究，最終確定了13個(gè)指標(biāo)作為運(yùn)營公路隧道照明能耗水平評價(jià)指標(biāo)，如圖1所示。圖1運(yùn)營公路隧道照明能耗水平評價(jià)指標(biāo)體系（1）土建特征主要包括洞口形式、墻面反射系數(shù)、隧道通透率這3個(gè)指標(biāo)。對一個(gè)隧道的能耗水平進(jìn)行評價(jià)，應(yīng)著重于在同等長度、車道數(shù)等客觀條件下相似隧道的評價(jià)。①洞口形式。隧道洞門若采用削竹式或遮光棚，有利于節(jié)能。②墻面反射系數(shù)。隨著墻面反射系數(shù)的增加，路面增亮效果加大，有利于隧道節(jié)能。③隧道通透率。通透率表示隧道光線穿透能力，通透率越好，照明能耗越小。（2）照明設(shè)施主要包括照明布燈方式、照明燈具光強(qiáng)分布、照明燈具光效、照明控制方式4個(gè)指標(biāo)。①照明布燈方式。不僅要考慮燈具效能的發(fā)揮，還要同時(shí)考慮維護(hù)維修的便利性。②照明燈具光強(qiáng)分布。不同的照明燈具光強(qiáng)分布對路面亮度影響較大，合理選擇燈具的配光曲線，有利于照明節(jié)能。③照明燈具光效，是衡量其隧道照明光源效率優(yōu)劣的指標(biāo)。優(yōu)先選用LED光效高的燈具作為照明光源，以加強(qiáng)隧道照明節(jié)能性，減輕運(yùn)營成本。④照明控制方式。采用按需控制實(shí)時(shí)調(diào)整照明系統(tǒng)，減少不必要的浪費(fèi)。（3）交通環(huán)境包括洞外亮度、交通量2個(gè)指標(biāo)。①洞外亮度。對于沒有動態(tài)調(diào)光的隧道來說，洞外亮度參數(shù)取值不當(dāng)，會造成運(yùn)營中能耗的巨大浪費(fèi)；對于有動態(tài)調(diào)光的隧道來說，洞外亮度低，需要的照明就少，洞外亮度高，就需要更高的照明條件滿足行車需要。②交通量。對于沒有動態(tài)調(diào)光的隧道，尤其初期，交通量預(yù)測值與實(shí)際值的誤差越大，能耗浪費(fèi)越多；對于有動態(tài)調(diào)光的隧道，交通量的大小直接影響照明所需要的規(guī)模，交通量越大，能耗越大。（4）運(yùn)營管理包括日常節(jié)能管理規(guī)章制度、燈具清潔頻率、節(jié)能宣傳及培訓(xùn)情況、能耗的智能監(jiān)測4個(gè)指標(biāo)。①日常節(jié)能管理規(guī)章制度的制訂，是進(jìn)行節(jié)能管理工作的基礎(chǔ)，以保障節(jié)能管理工作有依有據(jù)。②燈具清潔頻率，主要是考察燈具清潔頻率是否有利于隧道照明節(jié)能。③節(jié)能宣傳及培訓(xùn)情況，主要考察隧道運(yùn)營管理的工作人員受節(jié)能培訓(xùn)的程度，提高節(jié)能減排意識。④能耗的智能監(jiān)測，主要考察能否獨(dú)立計(jì)量每座隧道、各能耗設(shè)備的分項(xiàng)耗能情況以及自動監(jiān)測情況。1.2指標(biāo)動靜態(tài)分類與分級標(biāo)準(zhǔn)為提高評價(jià)的準(zhǔn)確性和合理性，將指標(biāo)進(jìn)行動靜態(tài)歸類，隨時(shí)間相對變化的指標(biāo)為動態(tài)指標(biāo)，包括洞外亮度、交通量；基本不變的指標(biāo)為靜態(tài)指標(biāo)。對于指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研，參照《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TD70/2-01—2014），并運(yùn)用專家訪談法進(jìn)行論證。因此，全部指標(biāo)劃分為5個(gè)等級并確定各指標(biāo)值范圍，如表1所示。表1運(yùn)營公路隧道照明能耗水平評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)2、確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重2.1層次分析法AHP是一種解決多目標(biāo)問題的研究方法，能統(tǒng)一處理定性和定量指標(biāo)，用決策者的經(jīng)驗(yàn)判斷各指標(biāo)的相對重要程度，進(jìn)而計(jì)算權(quán)重。2.2AHP主要步驟（1）構(gòu)造判斷矩陣本文邀請了20名參與隧道運(yùn)營管理的專家，采用1～9標(biāo)度法進(jìn)行打分，見表2，構(gòu)造判斷矩陣A。以專家1為例，其準(zhǔn)則層的指標(biāo)重要性程度構(gòu)造的判斷矩陣見表3。表21～9標(biāo)度法表3專家1準(zhǔn)則層判斷矩陣（2）求最大特征值及特征向量過渡段進(jìn)行n階矩陣一致的充分必要條件為最大特征值λmax=n。

式中，A為判斷矩陣；λ為特征值；ω為特征向量。（3）一致性檢驗(yàn)為了避免人為打分構(gòu)建的判斷矩陣出現(xiàn)與客觀事實(shí)的誤差，需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以下列出一致性檢驗(yàn)的計(jì)算步驟。第一步，計(jì)算一致性指標(biāo)CI:第二步，查找隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，取值如表4所示。表4RI取值第三步，計(jì)算一致性比例CR:如果CR<0.1，則可認(rèn)為判斷矩陣的一致性通過；否則需要重新修改判斷矩陣。經(jīng)計(jì)算，表3判斷矩陣的一致性比例為0.0757，符合一致性要求。2.3層次單排序與層次總排序?qū)哟螁闻判颍磫为?dú)某一層指標(biāo)相比于上一層指標(biāo)的相對重要性權(quán)值。每一位專家的單排序只能代表專家個(gè)人，故選擇算術(shù)平均法對20位專家的重要性評價(jià)結(jié)果進(jìn)行群決策的集結(jié)處理。層次總排序，即利用層次單排序的結(jié)果，計(jì)算各層次的所有指標(biāo)對最高層的權(quán)重，從最高層到最底層進(jìn)行合成。模糊綜合評價(jià)的權(quán)重是經(jīng)過群決策處理后的層次總排序，準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重見表5。表5準(zhǔn)則層各指標(biāo)總排序權(quán)重根據(jù)準(zhǔn)則層因素的權(quán)重結(jié)果可知，機(jī)電設(shè)備是最重要的評價(jià)要素，交通環(huán)境和土建特征其次，運(yùn)營管理是最次要的因素。指標(biāo)層因素的權(quán)重見表6。表6指標(biāo)層各指標(biāo)總排序權(quán)重根據(jù)權(quán)重計(jì)算結(jié)果，照明控制方式、洞外亮度、照明燈具、交通量、墻面反射率是運(yùn)營公路隧道能耗的重點(diǎn)評價(jià)因素，也是隧道節(jié)能改造目前首要考慮的重要措施。3、建立綜合評價(jià)模3.1模糊綜合評價(jià)模糊綜合評價(jià)是一種借助模糊數(shù)學(xué)把不易定量的模糊對象定量化，用于解決模糊事物等級狀況的一種綜合評價(jià)方法。通過上文的AHP法確定各因素權(quán)重后，邀請專家對評價(jià)對象各層指標(biāo)進(jìn)行等級評價(jià)，根據(jù)隸屬度理論構(gòu)成模糊評判矩陣，最后與權(quán)重向量結(jié)合計(jì)算出模糊綜合評價(jià)結(jié)果。3.2建立評價(jià)指標(biāo)集與評語集評價(jià)的指標(biāo)集是評價(jià)對象的評價(jià)指標(biāo)所構(gòu)成的集合,一般指標(biāo)論域U中n個(gè)評價(jià)指標(biāo)，即U={u1,u2,···，un}。評語集是評價(jià)者對評價(jià)對象的各種評價(jià)結(jié)果的集合，本研究中包含5個(gè)評價(jià)等級，依次為優(yōu)秀、良好、一般、合格、不合格，即V={u1，u2，u3，u4，u5}。3.3指標(biāo)隸屬度確定（1）定量指標(biāo)隸屬度確定不同的隸屬度函數(shù)的隸屬度數(shù)值差異較大，評價(jià)結(jié)果的可靠性也會產(chǎn)生較大差異。其中定量指標(biāo)根據(jù)表1的評判依據(jù)建立柯西分布隸屬度函數(shù)。偏小型隸屬度函數(shù)為：居中型隸屬度函數(shù)為：偏大型隸屬度函數(shù)為：式中，f（x）為隸屬度；α，β為調(diào)整函數(shù)的參數(shù)，其中，β取值為2，α一般由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。居中型隸屬度函（數(shù)中a和α按）式（7）取值：式中，xmax,xmin分別對應(yīng)級別相應(yīng)參數(shù)的上下界限值。（2）定性指標(biāo)隸屬度確定通過模糊統(tǒng)計(jì)的方法確定定性指標(biāo)的隸屬度。模糊統(tǒng)計(jì)是讓參與評價(jià)的專家，按規(guī)定的評價(jià)等級劃分評價(jià)指標(biāo)等級，然后依此統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)等級的頻數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果即為定性指標(biāo)的隸屬度。3.4單因素模糊評價(jià)，建立模糊關(guān)系矩陣單因素模糊評價(jià)是以單個(gè)因素為評價(jià)的出發(fā)點(diǎn)，通過確定評語集V與評價(jià)對象對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，得到相應(yīng)的隸屬程度指標(biāo)。評價(jià)每個(gè)指標(biāo)ui得到其對評價(jià)各等級模糊子集υj的隸屬度rij，得到模糊關(guān)系矩陣R。3.5多因素模糊評價(jià)將利用層次分析法得到的權(quán)向量A與模糊關(guān)系矩陣R合成，得到各評價(jià)對象的模糊綜合評價(jià)結(jié)果向量B。3.6綜合評價(jià)結(jié)果確定（1）置信度識別確定評價(jià)等級對于評價(jià)結(jié)果的確定，本文選用置信度識別原則。因?yàn)樽畲箅`屬度原則會丟失除最大隸屬度以外的全部隸屬度信息，造成評級結(jié)果出現(xiàn)誤差，故通過置信度識別原則來評判評價(jià)結(jié)果。置信度識別原則：設(shè)評價(jià)類（υ1，υ2，υ3，υ4，υ5）為有序分割，置信度為λ（0.5<λ<1）,Fj（V）表示評價(jià)集中第j個(gè)等級的評價(jià)得分，令：則判斷評價(jià)結(jié)果屬于第k0個(gè)等級vk0。本研究中隧道照明能耗水平等級vk0分級情況為優(yōu)秀、良好、一般、較差、差，k0與等級的對應(yīng)關(guān)系如表7所示。表7k0與隧道照明能耗水平等級υk0的對應(yīng)關(guān)系（2）評價(jià)向量單值化將評價(jià)向量進(jìn)行單值化處理，與隧道照明能耗水平等級對應(yīng)，評價(jià)能耗水平節(jié)能情況。給評語υ1，υ2，υ3，υ4，υ5分別賦值5,4,3,2,1，按照式（11）計(jì)算得分值。4、實(shí)例分析4.1凹垌隧道概況以G78汕昆高速河池段凹垌隧道為例驗(yàn)證評價(jià)模型，該隧道2021年單位能耗為434kW?h/m，在其運(yùn)營單位所管轄的隧道中，該隧道單位耗電量較大，利用所建模型評價(jià)其照明能耗水平并提出改進(jìn)意見。該隧道僅170m，但其彎曲程度很大，采用單向雙車道設(shè)計(jì)。洞外亮度設(shè)計(jì)值L20（S）為3000cd/m2，因采集動態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)間為非夏季晴天，根據(jù)JTG/TD70/2-01—2014，照明調(diào)光分級建議洞外亮度設(shè)計(jì)值為0.5L20（S），即此時(shí)洞外亮度設(shè)計(jì)值取1500cd/m2。交通量設(shè)計(jì)值通過項(xiàng)目可行性研究報(bào)告提供的設(shè)計(jì)平均日交通量進(jìn)行換算，結(jié)果為562veh/（h·In）。靜態(tài)定量指標(biāo)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)確定，靜態(tài)定性指標(biāo)由20名現(xiàn)場運(yùn)營管理人員依據(jù)評估標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合實(shí)際情況打分；動態(tài)定量指標(biāo)則通過洞外亮度儀、車檢器等傳感器獲得。各指標(biāo)數(shù)據(jù)如表8所示，其中因?yàn)樵撍淼啦捎梅旨壵{(diào)光控制，這里洞外亮度與交通量的動態(tài)指標(biāo)采用設(shè)計(jì)值與實(shí)際值的誤差計(jì)算。表8凹垌隧道照明能耗水平評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)4.2綜合評價(jià)（1）模糊綜合評價(jià)根據(jù)表1，結(jié)合上文柯西分布隸屬函數(shù)確定理論求得指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，歸一化后得到各指標(biāo)的隸屬度矩陣為R：由上文可知各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重A={0.0456,0.0803,0.0292,0.0573,0.0564,0.1198,0.2024,0.1879,0.1131,0.0176,0.0311,0.0141,0.0454}；根據(jù)式（9），求得凹垌隧道的綜合評價(jià)向量B={0.2512,0.2036,0.4089,0.0545,0.0820}。（2）綜合評價(jià)結(jié)果確定本文取置信度λ=0.6，由式（10），得k0=min{k|0.2512+0.2036+0.4089>0.6}=3，由表7可得凹垌隧道能耗水平等級為一般,對應(yīng)隧道照明能耗水平分?jǐn)?shù)F=3.49。4.3評價(jià)結(jié)果分析與應(yīng)用為驗(yàn)證動態(tài)變化的數(shù)據(jù)對評估結(jié)果的影響，調(diào)整相關(guān)動態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)，主要是模擬隧道照明在中午與夜間的狀況，對比分析調(diào)整前后的評價(jià)結(jié)果，從而驗(yàn)證.準(zhǔn)確性。調(diào)整前后的數(shù)據(jù)見表9，調(diào)整后得到分?jǐn)?shù)F=2.69。表9動態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)調(diào)整表從整個(gè)評估結(jié)果分析，凹垌隧道能耗水平為一般，其中洞口形式評價(jià)結(jié)果為差，這是目前首要考慮節(jié)能的環(huán)節(jié)；隧道墻面反射系數(shù)、照明布設(shè)方式、照明控制方式等為一般，是該隧道照明能耗管理中較薄弱的環(huán)節(jié)。從調(diào)整數(shù)據(jù)后的結(jié)果分析，能耗水平得分減少，這一結(jié)果與夜間洞外亮度減少，交通量減少，照明需求相應(yīng)減少，但誤差