城市道路交通抗擁堵能力模糊評(píng)價(jià)模型

劉新民,李之鵬,丁黎黎,閆 春

(山東科技大學(xué)a.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院;b.信息與電氣工程學(xué)院;c.信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266510)

城市道路交通抗擁堵能力模糊評(píng)價(jià)模型

劉新民*a,李之鵬b,丁黎黎a,閆 春c

(山東科技大學(xué)a.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院;b.信息與電氣工程學(xué)院;c.信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266510)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通抗擁堵能力的識(shí)別和定位,為解決城市交通擁堵問題提供參考,本文從城市道路交通抗擁堵能力的影響因素入手,借助大規(guī)模樣本數(shù)據(jù),采用探索性因子分析法,借助SPSS軟件構(gòu)建了城市道路交通抗擁堵能力的三層指標(biāo)體系,提出了抵抗交通擁堵的4種能力和8項(xiàng)指標(biāo);利用vague集的模糊評(píng)判思想和層次熵分析法,建立了城市道路交通抗擁堵能力的模糊評(píng)價(jià)模型.結(jié)果表明,交通社會(huì)化理念作為本文提出的一項(xiàng)新的、宏觀的指標(biāo),在抗擁堵能力評(píng)估中開始發(fā)揮較大作用;實(shí)例分析的結(jié)果說明了青島市內(nèi)七區(qū)抗擁堵能力不高的現(xiàn)狀,同時(shí)驗(yàn)證了vague模糊評(píng)判結(jié)果的合理性.

城市交通;抗擁堵能力;聚類分析;模糊評(píng)價(jià)

1 引 言

城市交通系統(tǒng)是現(xiàn)代城市經(jīng)濟(jì)生活和社會(huì)發(fā)展的動(dòng)脈紐帶,近年來愈發(fā)嚴(yán)重的城市擁堵問題嚴(yán)重影響著整個(gè)城市的良性發(fā)展和人民生活水平.現(xiàn)階段,交通擁堵已經(jīng)成為世界性的“城市病”,美國每年因交通擁堵造成的損失約為680億美元,英國約為43億英鎊,而根據(jù)中國科學(xué)院可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究組發(fā)布的數(shù)據(jù),我國僅15座主要城市每天由于交通擁堵而造成的經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)到10億元.除此之外,交通擁堵還會(huì)帶來資源利用率低下、社會(huì)生產(chǎn)效率低下、降低城市居民生活質(zhì)量及危害市民身心健康等諸多弊病.因此,研究抗擁堵能力的影響因素以及抗擁堵能力的評(píng)價(jià)手段,對(duì)于城市和社會(huì)發(fā)展具有重要的參考意義.

從當(dāng)前的研究狀況來看,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市道路交通擁堵的評(píng)價(jià)研究已經(jīng)比較豐富.Meyer等提出了針對(duì)城市主要區(qū)域的部分交通擁堵指標(biāo),但是由于其無法比較不同時(shí)間地點(diǎn)發(fā)生的擁堵而受到很大的限制;Schrank、Mekky等對(duì)擁堵的評(píng)價(jià)方法以及相關(guān)指標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì),基于充分的數(shù)據(jù)調(diào)查,提出了包含不同路段和城市區(qū)域特點(diǎn)的研究思路.黃良彪從城市道路規(guī)劃、交通管理、居民交通出行行為等方面分析了交通擁堵的成因,并給出了一定的治理對(duì)策[1].但是前面的研究在評(píng)價(jià)指標(biāo)選取、評(píng)價(jià)方法采用方面顯得比較分散,沒有形成統(tǒng)一有效的評(píng)價(jià)體系.

而近年來,隨著數(shù)學(xué)科學(xué)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,模糊評(píng)判方法開始出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域的評(píng)價(jià)應(yīng)用當(dāng)中,特別是信息容量更大的Vague集思想,已成為近幾年模糊評(píng)價(jià)的新生力量.

呂靜蕓、韓富春(2008)建立了架空輸電線路各部件運(yùn)行狀態(tài)的狀態(tài)指標(biāo)體系,利用Vague集理論將線路的運(yùn)行狀態(tài)分為三個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)[1,1]、[0,1]、[0,0]三種Vague值作為三個(gè)狀態(tài)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值,建立了各部件實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的Vague集模型,分別求出實(shí)際Vague集與標(biāo)準(zhǔn)Vague集之間的加權(quán)相似度,認(rèn)為某一運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估模型之間的相似度量值越大,則待檢測部件就越接近該運(yùn)行狀態(tài)[2].

暢明琦、劉俊萍、黃強(qiáng)(2008)利用Vague集理論對(duì)山西水資源安全評(píng)估和預(yù)警體系進(jìn)行了設(shè)計(jì),構(gòu)建了包含1個(gè)總體層,7個(gè)系統(tǒng)層,共計(jì)21個(gè)指標(biāo)的水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,獲取了山西省11個(gè)區(qū)市的指標(biāo)數(shù)據(jù),通過專家打分確定了各指標(biāo)的滿意度下界和不滿意度的上界,在此基礎(chǔ)上求得了各個(gè)區(qū)市的水資源安全狀況的真、假隸屬度和各區(qū)市的Vague函數(shù)值,從而判別出了各區(qū)市水資源安全狀況的優(yōu)劣[3].

綜上所述,一方面,目前對(duì)城市交通擁堵評(píng)價(jià)沒有形成統(tǒng)一科學(xué)的方法體系,對(duì)抗擁堵能力的評(píng)價(jià)特別是抗擁堵能力評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究更是稀少[4-6];另一方面,模糊評(píng)判的方法因其評(píng)判更加全面、結(jié)果更加可信,而在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.本文基于擁堵消散即抗擁堵的思想,研究抗擁堵能力的影響因素和Vague模糊評(píng)判方法,并將二者有機(jī)結(jié)合,形成城市道路交通抗擁堵能力的系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系.

2 城市道路交通抗擁堵能力指標(biāo)體系的構(gòu)建

為了建立科學(xué)合理的道路交通抗擁堵能力指標(biāo)體系,我們利用李可特五點(diǎn)量表,設(shè)計(jì)出了“城市道路交通擁堵調(diào)查問卷”,問卷的內(nèi)容主要包括被調(diào)查者的出行信息,以及40項(xiàng)影響交通擁堵形成的描述性觀測因素.我們按小組分赴青島、日照、濰坊3個(gè)城市進(jìn)行問卷調(diào)查,共發(fā)放問卷500份,回收480份,剔除無效問卷后得到有效數(shù)據(jù)321分,并以此作為城市道路抗擁堵能力影響因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

2.1 探索性因子分析

借助Spss軟件,進(jìn)行了14次探索性因子分析后,確定提取的因子數(shù)量為8.所提取的因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率即解釋的變異為55.33%,可以較好地反映數(shù)據(jù)的總體信息,如表1所示;并且對(duì)各個(gè)觀測項(xiàng)指標(biāo)變量都基本實(shí)現(xiàn)了0.45以上的信息提取率,保證了數(shù)據(jù)分析是全面、合理的[7].根據(jù)各因子包含的觀測項(xiàng)內(nèi)容,我們依次將8個(gè)因子命名為城市路網(wǎng)規(guī)劃合理度、城市交通社會(huì)化理念、城市居民交通文明意識(shí)、城市道路配套設(shè)施完善程度、主要交通工具運(yùn)輸效率、城市交通工具結(jié)構(gòu)、城市道路暢通能力、城市交通出行量的集中度.

表1 總方差解釋Table 1 Total variance explained

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

采用克朗巴赫系數(shù)α作為測度準(zhǔn)則對(duì)量表的內(nèi)部一致性信度進(jìn)行檢驗(yàn),每個(gè)因子對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目基本都達(dá)到了0.65以上;同時(shí),各項(xiàng)目指標(biāo)與所屬維度的相關(guān)值在0.001的水平上也都是顯著的,因此認(rèn)為該量表是有效和可靠的.

基于問卷調(diào)查的數(shù)據(jù)和探索性因子分析的結(jié)果,將城市道路交通抗擁堵能力的主要影響因素進(jìn)行聚類.在此基礎(chǔ)上,我們推演出城市道路交通抗擁堵能力的指標(biāo)體系,如表2所示.

表2 城市道路交通抗擁堵能力指標(biāo)體系Table 2 Urban road traffic anti-congestion capacity index system

(1)交通行為因素.

交通行為決定交通現(xiàn)象,對(duì)城市道路交通抗擁堵能力產(chǎn)生直接影響.交通行為因素包含交通參與者所采取的個(gè)體交通行為因素、交通環(huán)境中非交通參與者的其他影響行為因素,我們采用居民交通文明意識(shí)和交通出行集中度來進(jìn)行考量.

(2)交通工具因素.

交通工具是居民進(jìn)行城市交通活動(dòng)的載體,居民會(huì)根據(jù)自身偏好和實(shí)際需求等對(duì)交通工具進(jìn)行選擇.現(xiàn)階段,城市道路交通系統(tǒng)中的主要交通工具可以分為:公交車和公共汽車、出租車、私家車、摩托車、自行車和電動(dòng)自行車等.這些交通工具因?yàn)檫\(yùn)載能力、行駛速度及其對(duì)道路資源的利用率差異而影響著城市道路的抗擁堵能力.在這種情況下,采用交通工具運(yùn)輸效率和交通工具結(jié)構(gòu)合理度來對(duì)其進(jìn)行測度.

(3)交通供給因素.

交通供給是交通系統(tǒng)良性運(yùn)轉(zhuǎn)的后盾和保障,交通供給不能滿足交通需求這一矛盾是交通擁堵產(chǎn)生的根源因素.城市中的各種道路是實(shí)現(xiàn)交通供給最主要的方面,城市道路的相關(guān)配套設(shè)施也是實(shí)現(xiàn)道路供給功能的重要因素.交通供給因素包括路網(wǎng)規(guī)劃能力、道路暢通能力和道路配套設(shè)施質(zhì)量.

(4)交通理念因素.

城市的交通理念決定著交通文化,影響著交通現(xiàn)象的形成和發(fā)展方向,是城市道路交通抗擁堵能力的重要組成部分.城市交通社會(huì)化理念的目標(biāo)是形成交通系統(tǒng)中各個(gè)層次和環(huán)節(jié)的科學(xué)統(tǒng)一、合理協(xié)動(dòng),應(yīng)該包括交通戰(zhàn)略理念、交通管理理念、交通組織理念及交通參與理念.目前,交通社會(huì)化理念的欠缺正在對(duì)城市道路交通擁堵的形成發(fā)揮著越來越重要的影響.

3 模型建立與分析

式中 U是決策空間,x為決策變量,若決策空間由有限個(gè)決策變量組成,即U={x1,x2,…,xn}; f(xj)=(f(x)1,f(x)2,…,f(x)m)T(j=1,2,…, n)表示方案xj的目標(biāo)值向量.記fij=fi(xj)(i=1, 2,…,m;j=1,2,…,n),則fij表示方案xj的第i個(gè)目標(biāo)值.本文以城市道路交通抗擁堵能力指標(biāo)體系為決策空間,構(gòu)建具有多個(gè)目標(biāo)等級(jí)的城市道路交通抗擁堵能力模糊評(píng)價(jià)模型.

3.1 指標(biāo)權(quán)重確立

目前確定指標(biāo)權(quán)重的方法比較多,由于本文采用的指標(biāo)都是定性指標(biāo),因此選用主觀賦權(quán)法中AHP法和Delphi法相結(jié)合的方法.該方法將復(fù)雜的多指標(biāo)評(píng)價(jià)問題看作一個(gè)系統(tǒng),基本思想是將總目標(biāo)分解為多指標(biāo)的若干層次,根據(jù)之前設(shè)定的分目標(biāo)或準(zhǔn)則,通過模糊定量化的方法計(jì)算層次單排序以及總排序,得出多目標(biāo)、多方案優(yōu)化決策問題中各指標(biāo)的權(quán)重.

城市道路交通抗擁堵能力的評(píng)價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜

vague集是一種相對(duì)普通模糊集信息更為全面的模糊理論,基于vague集的多目標(biāo)模糊決策是決策者要在約束條件的限制下,做出最佳抉擇.多目標(biāo)決策的一般模型可描述為而龐大的工作,由于指標(biāo)的繁雜和數(shù)據(jù)的難獲取,至今沒有形成統(tǒng)一科學(xué)的評(píng)價(jià)體系.本文所采取的指標(biāo)都是主觀指標(biāo),是以城市中交通參與者的感知和判定為基礎(chǔ)的,因此需要一個(gè)更好的提取主觀信息的分析方法.而該方法正是由于可以充分利用每一個(gè)社會(huì)人的分析、判斷和綜合能力,因而被看做是一種對(duì)定性問題作定量分析的有效方法,并且在結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、決策準(zhǔn)則較多且不易量化的決策問題中,被廣泛應(yīng)用為指標(biāo)權(quán)重的確定方法.

(1)將判斷矩陣的元素按行相乘.

(2)將相乘的結(jié)果開n次根.

采用幾何平均法來作為權(quán)向量的計(jì)算方法,首先建立二級(jí)指標(biāo)的4×4權(quán)重判別矩陣,然后分別建立每一組三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重判別矩陣,最終求得各指標(biāo)權(quán)重如表3所示.

表3 抗擁堵能力指標(biāo)權(quán)重Table 3 Anti-congestion capacity index weight values

3.2 判定模型構(gòu)建

我們將城市道路抗擁堵能力劃分為5個(gè)級(jí)別,分別為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)、五級(jí),級(jí)別越高表明城市道路的抗擁堵能力越強(qiáng).對(duì)應(yīng)的,結(jié)合上節(jié)建立的指標(biāo)體系,我們用1-5來分別作為五個(gè)等級(jí)觀測項(xiàng)中指標(biāo)的最優(yōu)解.

(1)根據(jù)因子得分矩陣C=[Cij]40×8,求得模型的決策矩陣F=[Fij]8×5;

(3)將各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重向量代入模型,求解模型的目標(biāo)決策矩陣K=[Kij]8×5,其中kij=μij+μwiij-1(i=1,2,…,8;j=1,2,…,5);

(4)邀請(qǐng)了省交通廳和市交通局的交通管理工作者、多所高校從事交通擁堵研究的教授、副教授等專家對(duì)指標(biāo)滿意度上下界進(jìn)行打分,得到交通參與者對(duì)于各指標(biāo)能夠接受的滿意度下界λU,及能夠接受的不滿意度上界為λL;

(5)求解各個(gè)抗擁堵能力級(jí)別所對(duì)應(yīng)的vague值;

(6)構(gòu)造S函數(shù)為SA(x)=tA(x)-fA(x),并選取如下的相似度測量公式:

(7)建立城市道路交通抗擁堵能力模糊判別模型.

基于vague集模糊多方案決策方法,我們分別求出城市道路交通抗擁堵能力五個(gè)級(jí)別的vague值,如表4所示.進(jìn)一步,結(jié)合vague集之間的相似度測量公式,我們構(gòu)建城市道路交通抗擁堵能力評(píng)價(jià)模型,如圖1所示.

表4 各等級(jí)vague值Table 4 Vague values of all levels

圖1 城市道路交通抗擁堵能力模糊評(píng)價(jià)模型Fig.1 Fuzzy evaluation model of urban road traffic capacity of anti-congestion

模型以五個(gè)抗擁堵能力等級(jí)的vague值所組成的矩陣為參考矩陣,以現(xiàn)實(shí)中城市(區(qū)域)或者城市(區(qū)域)群的抗擁堵能力vague值矩陣為待測矩陣,利用vague集的相似度測量算法,能夠從真隸屬度和假隸屬度兩個(gè)方面更準(zhǔn)確地獲得待測城市(區(qū)域)的道路交通抗擁堵能力水平.

4 算例分析

為了獲得青島市內(nèi)7個(gè)區(qū)的抗擁堵能力影響因素?cái)?shù)據(jù),我們分7個(gè)小組分別到市南區(qū)、市北區(qū)、四方區(qū)、李滄區(qū)、嶗山區(qū)、城陽區(qū)和黃島區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,被測對(duì)象為交通工作者、出租車司機(jī)、常住市民等熟悉道路交通情況的群體,共發(fā)放問卷340份,回收323份,有效問卷305份.將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理后代入模型,求得青島市內(nèi)7個(gè)區(qū)的城市道路交通抗擁堵能力vague值,如表5所示.

表5 青島市各區(qū)抗擁堵能力vague值Table 5 Vague values of districts'anti-congestion capacity of Qingdao

進(jìn)一步,我們對(duì)7個(gè)區(qū)數(shù)據(jù)和參考矩陣進(jìn)行相似度測量,并根據(jù)相似度最大原則對(duì)7個(gè)區(qū)的抗擁堵級(jí)別進(jìn)行判定,結(jié)果如表6所示.由結(jié)果可以看出,除了跨海大橋另一端的黃島區(qū)之外,青島市內(nèi)其他6個(gè)區(qū)的抗擁堵能力等級(jí)都在三級(jí)及以下水平,這可能與青島市人口密集,以及老城區(qū)在路網(wǎng)規(guī)劃方面的不合理有關(guān).其中,市南區(qū)的道路交通抗擁堵能力評(píng)價(jià)等級(jí)為一級(jí),即抗擁堵能力最差等級(jí),原因可能是市南區(qū)內(nèi)有青島火車總站、八大關(guān)等知名景區(qū)等大規(guī)模交通誘導(dǎo)場所;四方、李滄近幾年發(fā)展建設(shè)速度很快,區(qū)內(nèi)學(xué)校等基礎(chǔ)設(shè)施較多,其抗擁堵能力等級(jí)均為二級(jí)抗擁堵;路網(wǎng)相對(duì)規(guī)范的市北區(qū)及嶗山、城陽兩個(gè)地域相對(duì)較為廣闊的區(qū),其抗擁堵能力等級(jí)均為三級(jí);黃島區(qū)作為青島的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū),城市建設(shè)和人口密集度相對(duì)老城區(qū)都比較滯后,而且與老城區(qū)之間有膠州灣相隔,受老城區(qū)的交通影響較小,因而該區(qū)的道路交通抗擁堵能力為四級(jí),屬于抗擁堵能力較強(qiáng)的級(jí)別.

表6 青島市各區(qū)抗擁堵能力相似度判定結(jié)果Table 6 Qingdao districts'anti-congestion capacity similarity judgment result

5 研究結(jié)論

本文以城市道路交通抗擁堵能力為研究對(duì)象,應(yīng)用因子分析方法建立了抗擁堵能力評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系.通過AHP層次熵分析法獲得了各指標(biāo)權(quán)重,利用vague集模糊評(píng)判理論建立了城市道路抗擁堵能力評(píng)價(jià)模型.從結(jié)果可以看出:第一,交通社會(huì)理念所包含的指標(biāo)數(shù)量位居所有因子的首位,其權(quán)重排進(jìn)了前四位,超過了道路暢通能力、出行者文明意識(shí)、交通工具運(yùn)輸效率和交通出行集中度,說明有更多的人已經(jīng)不再將交通擁堵問題單純的認(rèn)定為某一類交通參與者的責(zé)任,而是更加傾向于認(rèn)為交通擁堵問題應(yīng)該提高到全社會(huì)的高度來看待和解決;第二,采用vague集建立的抗擁堵能力評(píng)價(jià)模型,可以對(duì)城市或者區(qū)域的抗擁堵能力進(jìn)行等級(jí)評(píng)判,評(píng)判結(jié)果比較合理,與實(shí)際情況基本相符,并且,vague集自身的信息處理優(yōu)勢使得評(píng)價(jià)模型具有很大的靈活性和很強(qiáng)的可移植性,可以為更多城市或者地方的抗擁堵能力評(píng)價(jià)提供參考.

由于本文是以宏觀指標(biāo)構(gòu)建的城市交通抗擁堵能力評(píng)價(jià)體系,所以只對(duì)區(qū)域的交通抗擁堵能力進(jìn)行了研究評(píng)定,下一步可考慮對(duì)微觀指標(biāo)體系下的具體道路的抗擁堵能力進(jìn)行研究.

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Fuzzy Evaluation Model of Urban Road Traffic Capacity of Anti-congestion

LIU Xin-mina,LI Zhi-pengb,DING Li-lia,YAN Chunc
(a.College of Economics and Management;b.College of Information and Electric Engineering; c.College of Information Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510,Shangdong,China)

This paper identifies and categorizes the causes of traffic congestion through the factor analysis method and SPSS.It is beneficial for locating the ability of congestion resistance of road traffic,and providing a reference to solve the problem of urban traffic congestion.With the large-scale sample data,the study starts from analyzing influencing factors of the anti-congestion ability,The index system consisting of 3-level indicators is teased,which also includes four kinds of capacity and eight indicators of resistance to traffic congestion.Then,using vague set of fuzzy judge ideology and hierarchy entropy analysis method,the paper formulates the fuzzy evaluation model of urban road traffic capacity of anti-congestion.The results show that as the new macro indicators,the traffic socialization concept plays an increasingly important role in assessing the anti-congestion ability.The causes of the poor status of the anti-congestion ability are alsoanalyzed for seven districts in Qingdao,China,and the feasibility of the vague fuzzy evaluation results are also illustrated.

urban traffic;capacity of anti-congestion;clustering analysis;fuzzy evaluation

U491.1Document code: A

U491.1

A

1009-6744(2013)04-0114-06

2013-01-09

2013-03-29錄用日期:2013-04-07

國家自然科學(xué)基金(71001057);山東省博士基金(2010BSE06034);山東科大杰出青年和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2011KYJQ103;2011KYTD104).

劉新民(1965-),男,山東莒南人,教授,博士生導(dǎo)師.

*通訊作者:liu-xinmin@163.com