基于AHP-FCE的运营公路隧道照明能耗动态评价

为解决公路隧道照明在运营期能耗高且无法实时动态反映能耗水平的问题，本文通过参考建筑能耗评价相关研究，建立了运营公路隧道照明能耗水平动态评价模型。首先，根据能耗影响因素选取评价指标；其次，将指标进行动静态分类，并依据规范和经验划分各指标的分级判定标准；然后，采用层次分析法，计算各层次中的指标权重；最后，采用模糊统计法和柯西分布函数计算各指标的隶属度，建立模糊综合评价模型，通过置信度识别原则确定能耗水平。1、构建评价指标体系及评价标准1.1确定评价指标体系按照定性与定量相结合的思想，遵循层次性、系统性、有效性、可计量性等原则，考虑获取数据的便利性、重要性、可简化性等方面，同时考虑保证交通安全，要在安全运营的前提下进行照明能耗评价（各项相关技术指标应符合JTG/TD70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》等的要求）。在查阅资料、实地调研、现场测试的基础上，选择从土建特征、照明设施、交通环境、运营管理4个方面展开研究，最终确定了13个指标作为运营公路隧道照明能耗水平评价指标，如图1所示。图1运营公路隧道照明能耗水平评价指标体系（1）土建特征主要包括洞口形式、墙面反射系数、隧道通透率这3个指标。对一个隧道的能耗水平进行评价，应着重于在同等长度、车道数等客观条件下相似隧道的评价。①洞口形式。隧道洞门若采用削竹式或遮光棚，有利于节能。②墙面反射系数。随着墙面反射系数的增加，路面增亮效果加大，有利于隧道节能。③隧道通透率。通透率表示隧道光线穿透能力，通透率越好，照明能耗越小。（2）照明设施主要包括照明布灯方式、照明灯具光强分布、照明灯具光效、照明控制方式4个指标。①照明布灯方式。不仅要考虑灯具效能的发挥，还要同时考虑维护维修的便利性。②照明灯具光强分布。不同的照明灯具光强分布对路面亮度影响较大，合理选择灯具的配光曲线，有利于照明节能。③照明灯具光效，是衡量其隧道照明光源效率优劣的指标。优先选用LED光效高的灯具作为照明光源，以加强隧道照明节能性，减轻运营成本。④照明控制方式。采用按需控制实时调整照明系统，减少不必要的浪费。（3）交通环境包括洞外亮度、交通量2个指标。①洞外亮度。对于没有动态调光的隧道来说，洞外亮度参数取值不当，会造成运营中能耗的巨大浪费；对于有动态调光的隧道来说，洞外亮度低，需要的照明就少，洞外亮度高，就需要更高的照明条件满足行车需要。②交通量。对于没有动态调光的隧道，尤其初期，交通量预测值与实际值的误差越大，能耗浪费越多；对于有动态调光的隧道，交通量的大小直接影响照明所需要的规模，交通量越大，能耗越大。（4）运营管理包括日常节能管理规章制度、灯具清洁频率、节能宣传及培训情况、能耗的智能监测4个指标。①日常节能管理规章制度的制订，是进行节能管理工作的基础，以保障节能管理工作有依有据。②灯具清洁频率，主要是考察灯具清洁频率是否有利于隧道照明节能。③节能宣传及培训情况，主要考察隧道运营管理的工作人员受节能培训的程度，提高节能减排意识。④能耗的智能监测，主要考察能否独立计量每座隧道、各能耗设备的分项耗能情况以及自动监测情况。1.2指标动静态分类与分级标准为提高评价的准确性和合理性，将指标进行动静态归类，随时间相对变化的指标为动态指标，包括洞外亮度、交通量；基本不变的指标为静态指标。对于指标分级标准，结合实地调研，参照《公路隧道照明设计细则》（JTG/TD70/2-01—2014），并运用专家访谈法进行论证。因此，全部指标划分为5个等级并确定各指标值范围，如表1所示。表1运营公路隧道照明能耗水平评价指标分级标准2、确定评价指标权重2.1层次分析法AHP是一种解决多目标问题的研究方法，能统一处理定性和定量指标，用决策者的经验判断各指标的相对重要程度，进而计算权重。2.2AHP主要步骤（1）构造判断矩阵本文邀请了20名参与隧道运营管理的专家，采用1～9标度法进行打分，见表2，构造判断矩阵A。以专家1为例，其准则层的指标重要性程度构造的判断矩阵见表3。表21～9标度法表3专家1准则层判断矩阵（2）求最大特征值及特征向量过渡段进行n阶矩阵一致的充分必要条件为最大特征值λmax=n。

式中，A为判断矩阵；λ为特征值；ω为特征向量。（3）一致性检验为了避免人为打分构建的判断矩阵出现与客观事实的误差，需要对判断矩阵进行一致性检验，以下列出一致性检验的计算步骤。第一步，计算一致性指标CI:第二步，查找随机一致性指标RI，取值如表4所示。表4RI取值第三步，计算一致性比例CR:如果CR<0.1，则可认为判断矩阵的一致性通过；否则需要重新修改判断矩阵。经计算，表3判断矩阵的一致性比例为0.0757，符合一致性要求。2.3层次单排序与层次总排序层次单排序，即单独某一层指标相比于上一层指标的相对重要性权值。每一位专家的单排序只能代表专家个人，故选择算术平均法对20位专家的重要性评价结果进行群决策的集结处理。层次总排序，即利用层次单排序的结果，计算各层次的所有指标对最高层的权重，从最高层到最底层进行合成。模糊综合评价的权重是经过群决策处理后的层次总排序，准则层指标的权重见表5。表5准则层各指标总排序权重根据准则层因素的权重结果可知，机电设备是最重要的评价要素，交通环境和土建特征其次，运营管理是最次要的因素。指标层因素的权重见表6。表6指标层各指标总排序权重根据权重计算结果，照明控制方式、洞外亮度、照明灯具、交通量、墙面反射率是运营公路隧道能耗的重点评价因素，也是隧道节能改造目前首要考虑的重要措施。3、建立综合评价模3.1模糊综合评价模糊综合评价是一种借助模糊数学把不易定量的模糊对象定量化，用于解决模糊事物等级状况的一种综合评价方法。通过上文的AHP法确定各因素权重后，邀请专家对评价对象各层指标进行等级评价，根据隶属度理论构成模糊评判矩阵，最后与权重向量结合计算出模糊综合评价结果。3.2建立评价指标集与评语集评价的指标集是评价对象的评价指标所构成的集合,一般指标论域U中n个评价指标，即U={u1,u2,···，un}。评语集是评价者对评价对象的各种评价结果的集合，本研究中包含5个评价等级，依次为优秀、良好、一般、合格、不合格，即V={u1，u2，u3，u4，u5}。3.3指标隶属度确定（1）定量指标隶属度确定不同的隶属度函数的隶属度数值差异较大，评价结果的可靠性也会产生较大差异。其中定量指标根据表1的评判依据建立柯西分布隶属度函数。偏小型隶属度函数为：居中型隶属度函数为：偏大型隶属度函数为：式中，f（x）为隶属度；α，β为调整函数的参数，其中，β取值为2，α一般由实践经验确定。居中型隶属度函（数中a和α按）式（7）取值：式中，xmax,xmin分别对应级别相应参数的上下界限值。（2）定性指标隶属度确定通过模糊统计的方法确定定性指标的隶属度。模糊统计是让参与评价的专家，按规定的评价等级划分评价指标等级，然后依此统计各指标等级的频数，统计结果即为定性指标的隶属度。3.4单因素模糊评价，建立模糊关系矩阵单因素模糊评价是以单个因素为评价的出发点，通过确定评语集V与评价对象对应的函数关系，得到相应的隶属程度指标。评价每个指标ui得到其对评价各等级模糊子集υj的隶属度rij，得到模糊关系矩阵R。3.5多因素模糊评价将利用层次分析法得到的权向量A与模糊关系矩阵R合成，得到各评价对象的模糊综合评价结果向量B。3.6综合评价结果确定（1）置信度识别确定评价等级对于评价结果的确定，本文选用置信度识别原则。因为最大隶属度原则会丢失除最大隶属度以外的全部隶属度信息，造成评级结果出现误差，故通过置信度识别原则来评判评价结果。置信度识别原则：设评价类（υ1，υ2，υ3，υ4，υ5）为有序分割，置信度为λ（0.5<λ<1）,Fj（V）表示评价集中第j个等级的评价得分，令：则判断评价结果属于第k0个等级vk0。本研究中隧道照明能耗水平等级vk0分级情况为优秀、良好、一般、较差、差，k0与等级的对应关系如表7所示。表7k0与隧道照明能耗水平等级υk0的对应关系（2）评价向量单值化将评价向量进行单值化处理，与隧道照明能耗水平等级对应，评价能耗水平节能情况。给评语υ1，υ2，υ3，υ4，υ5分别赋值5,4,3,2,1，按照式（11）计算得分值。4、实例分析4.1凹垌隧道概况以G78汕昆高速河池段凹垌隧道为例验证评价模型，该隧道2021年单位能耗为434kW⋅h/m，在其运营单位所管辖的隧道中，该隧道单位耗电量较大，利用所建模型评价其照明能耗水平并提出改进意见。该隧道仅170m，但其弯曲程度很大，采用单向双车道设计。洞外亮度设计值L20（S）为3000cd/m2，因采集动态指标数据时间为非夏季晴天，根据JTG/TD70/2-01—2014，照明调光分级建议洞外亮度设计值为0.5L20（S），即此时洞外亮度设计值取1500cd/m2。交通量设计值通过项目可行性研究报告提供的设计平均日交通量进行换算，结果为562veh/（h·In）。静态定量指标根据实际数据确定，静态定性指标由20名现场运营管理人员依据评估标准结合实际情况打分；动态定量指标则通过洞外亮度仪、车检器等传感器获得。各指标数据如表8所示，其中因为该隧道采用分级调光控制，这里洞外亮度与交通量的动态指标采用设计值与实际值的误差计算。表8凹垌隧道照明能耗水平评价指标数据4.2综合评价（1）模糊综合评价根据表1，结合上文柯西分布隶属函数确定理论求得指标的隶属度函数，归一化后得到各指标的隶属度矩阵为R：由上文可知各评价指标权重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}；根据式（9），求得凹垌隧道的综合评价向量B={0.2512,0.2036,0.4089,0.0545,0.0820}。（2）综合评价结果确定本文取置信度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级为一般,对应隧道照明能耗水平分数F=3.49。4.3评价结果分析与应用为验证动态变化的数据对评估结果的影响，调整相关动态指标数据，主要是模拟隧道照明在中午与夜间的状况，对比分析调整前后的评价结果，从而验证.准确性。调整前后的数据见表9，调整后得到分数F=2.69。表9动态指标数据调整表从整个评估结果分析，凹垌隧道能耗水平为一般，其中洞口形式评价结果为差，这是目前首要考虑节能的环节；隧道墙面反射系数、照明布设方式、照明控制方式等为一般，是该隧道照明能耗管理中较薄弱的环节。从调整数据后的结果分析，能耗水平得分减少，这一结果与夜间洞外亮度减少，交通量减少，照明需求相应减少，但误差