基于熵權(quán)物元模型的客運(yùn)站城市交通可達(dá)性評價研究

劉宇成

(蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅　蘭州　730070)

基于熵權(quán)物元模型的客運(yùn)站城市交通可達(dá)性評價研究

劉宇成

(蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅蘭州730070)

國家自然基金項目(51 468035)

摘要：文章以客運(yùn)站的城市交通可達(dá)性作為研究對象，并以蘭州西站為例，運(yùn)用物元分析模型，分別從空間可達(dá)性、時間可達(dá)性和綜合交通環(huán)境影響3個大方面選取了經(jīng)由車站的公共交通線路數(shù)、公交車平均等待時間、周邊路段飽和度等10個指標(biāo)，同時利用熵權(quán)法計算出各個指標(biāo)的權(quán)重對蘭州西站城市交通可達(dá)性進(jìn)行了評價研究。

關(guān)鍵詞：城市交通；熵權(quán)；物元模型；客運(yùn)站；可達(dá)性；評價研究

0引言

截止到2014年底，我國已運(yùn)營高速鐵路里程達(dá)1.3萬公里，到2015年末將建成四縱四橫高速鐵路網(wǎng)。高速鐵路列車車次相比既有線旅客列車發(fā)車車次更加頻繁，目前已經(jīng)開通的高速鐵路線高峰期發(fā)車間隔都在半小時之內(nèi)，而火車站作為鐵路線路在城市的節(jié)點(diǎn)和旅客乘火車出行的第一站，其城市交通可達(dá)性直接影響了旅客乘車效率。因此旅客對高速鐵路車站的可達(dá)性要求比普通車站更高，所以有必要對客運(yùn)站進(jìn)行城市交通可達(dá)性評價。隨著蘭新高鐵于2014-12-26全線開通，蘭州西站正式投入使用，作為西北客運(yùn)樞紐，蘭州西站有寶蘭客運(yùn)專線、蘭新鐵路第二雙線、蘭渝(成蘭)鐵路、隴海(包蘭)鐵路、蘭新(蘭青、蘭合)鐵路、蘭州經(jīng)中川至張掖城際鐵路等6條10個方向的客運(yùn)線路交匯于此，是鐵道部規(guī)劃的十大區(qū)域性客運(yùn)中心之一。因此選擇蘭州西站為例對客運(yùn)站的城市交通可達(dá)性進(jìn)行研究是具有代表性的。

物元模型是我國學(xué)者蔡文于20世紀(jì)80年代初創(chuàng)立的，由于該模型能夠解決不相容的復(fù)雜問題，多用來進(jìn)行多因子評價。目前該方法已廣泛應(yīng)用于火車站交通影響、土地生態(tài)安全、高速公路誘導(dǎo)信息有效性、航道通航風(fēng)險等多個學(xué)科領(lǐng)域的評價[1，4，5，6]。熵值法[4，6，7]能比較客觀地對各項指標(biāo)取權(quán)重，能夠避免層次分析法等方法對指標(biāo)賦權(quán)值時主觀性較強(qiáng)而影響評價結(jié)果。本文建立了蘭州西站城市交通可達(dá)性的物元模型，用熵權(quán)法對各個指標(biāo)賦予權(quán)重，對蘭州西站建成后的城市交通可達(dá)性做出了評價。

1物元模型的原理及其方法

1.1　構(gòu)造客運(yùn)站的城市交通可達(dá)性物元

1.2　確定經(jīng)典域和節(jié)域物元矩陣

待評對象的經(jīng)典域可以表示為Rj=(Nj，Ci，Vji)，其中Rj為待評對象的經(jīng)典域物元，Nj為所劃分城市交通可達(dá)性的第j(j=1，2，…，m)個評價等級，Ci代表第i(i=1，2，…，n)個評價指標(biāo)。所以，待評對象的經(jīng)典域物元矩陣可以表示為：

(1)

式中(ajn，bjn)為相應(yīng)評價等級j中第i個評價指標(biāo)的量值范圍，即是經(jīng)典域。

同樣的，待評對象的節(jié)域物元矩陣可以表示為Rp=(Np，Ci，Vpi)，其中p表示待評對象的所有評價等級的并集，所以相應(yīng)的節(jié)域物元矩陣可表示為：

(2)

1.3　確定關(guān)聯(lián)函數(shù)和關(guān)聯(lián)度

待評對象的指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)kj(vi)可定義為：

(3)

其中：

(4)

式中：ρ(V，V0)——點(diǎn)v與有限區(qū)間V0=[a0，b0]的距離；

ρ(V，Vp)——點(diǎn)v與有限區(qū)間Vp=[ap，bp]的距離；

|V0|——待評物元的模，|V0|=|a0，b0|。

1.4　計算綜合關(guān)聯(lián)度確定評價等級

待評對象Nv(v=1，2，3，…，n)關(guān)于等級j的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(Nv)為：

(5)

式中：Kj(Nv)——待評對象Nv關(guān)于等級j的綜合關(guān)聯(lián)度；

kj(vi)——待評對象Nv關(guān)于等級j的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度；

λf——為待評對象的第i項指標(biāo)的權(quán)重。

若

Kji=max[kj(vi)]，j=1，2，…m

(6)

則待評對象第i指標(biāo)屬于待評對象的標(biāo)準(zhǔn)等級j。

Kjv=max[Kj(Nv)]，j=1，2，…m

(7)

則待評對象Nv屬于待評對象的標(biāo)準(zhǔn)等級j。

1.5　確定各項特征指標(biāo)的權(quán)重

通常確定權(quán)重系數(shù)的方法有層次分析法(AHP)、德爾菲法(Delphi)、主成份分析法等，本文采用了主觀因素影響較小的熵權(quán)法。當(dāng)某項指標(biāo)的值變異程度越大時信息熵就越小，因此該指標(biāo)提供的信息量也就越大、相應(yīng)權(quán)重也越大，反之亦然[4]。熵權(quán)法通過考察各項指標(biāo)的變異程度來計算各項指標(biāo)的權(quán)重主觀性較少，為多指標(biāo)綜合評價提供相對客觀可靠的依據(jù)。其具體步驟如下：

1.5.1標(biāo)準(zhǔn)化

(8)

式中：kj(vi)——指標(biāo)關(guān)于各評價等級歸屬度；

rji——關(guān)聯(lián)函數(shù)kj(vi)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

1.5.2計算各指標(biāo)的熵值

(9)

1.5.3確定各指標(biāo)權(quán)重

(10)

其中，gi=1-ei。

2客運(yùn)站的城市交通可達(dá)性評價指標(biāo)的選取及其詮釋

客運(yùn)站的城市交通可達(dá)性評價指標(biāo)的選取應(yīng)該遵循全面性、代表性、獨(dú)立性、易量化性的特點(diǎn)，評價指標(biāo)涵蓋影響城市交通可達(dá)性的主要因素的同時也應(yīng)選取有代表性的特殊情況，以提高可達(dá)性評價的全面性。但是也應(yīng)當(dāng)注意所選取的指標(biāo)不應(yīng)過于細(xì)化、繁雜，這樣不但提高了計算的復(fù)雜程度也使指標(biāo)喪失了一般性。

2.1　空間可達(dá)性評價指標(biāo)

客運(yùn)站的空間可達(dá)性直接反應(yīng)了克服空間阻隔的難易程度[8，12]，也就是火車站與城市路網(wǎng)連通性的好壞?？紤]到以火車站為出行目的地的特殊性，如需要攜帶行李、一般為單行程等，因此出行者從城市某一地點(diǎn)去往火車站所乘坐的交通工具設(shè)定為公共交通工具(地鐵、輕軌、公交車)和小汽車(出租車、私家車)兩大類而不考慮自行車等交通工具，因此空間可達(dá)性評價指標(biāo)以經(jīng)由火車站的公共交通線路數(shù)和評價車輛可達(dá)性的道路銜接數(shù)為主。另外一個值得考慮的因素是長途汽車和火車的換乘問題，因為公路運(yùn)輸相比鐵路運(yùn)輸具有線路覆蓋面廣、可達(dá)性好、乘坐便捷等特點(diǎn)，選擇從周邊縣市搭乘省內(nèi)長途汽車到蘭州西站搭乘高鐵的客流也具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，因此本文選擇了周邊長途汽車站離火車站的距離作為評價指標(biāo)之一。

(1)經(jīng)由火車站的公交線路數(shù)[8，9]和城市軌道交通線路數(shù)是重要的評價對象，公共交通作為城市主要出行方式特別是針對去往火車站這種外來人口占比較大的出行流其重要地位更加突出。而且通過相關(guān)交通調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即使是擁有私家小汽車的城市居民若以搭乘火車為目的而去往火車站，考慮到出行的單行程性給私家車停放帶來的問題也多選擇公共交通出行。因此這兩項指標(biāo)是可達(dá)性評價的重要指標(biāo)。文章對經(jīng)由線路數(shù)的定義指的是在火車站設(shè)置?？空军c(diǎn)的公交線和城市軌道交通線。

(2)火車站銜接的城市干道數(shù)量直接影響到火車站與周邊路網(wǎng)的連通性以及乘私家車出行、乘出租車出行人員的可達(dá)性。同時火車站銜接的城市干道數(shù)量還會影響周邊道路飽和度、緊急疏散能力等多個方面，銜接數(shù)越多則出行者路徑選擇越多，準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)火車站的可靠度越高，因此這也是重要的評價指標(biāo)之一。文章中銜接道路指的是火車站所在地塊周邊銜接的城市道路數(shù)量，包括城市快速路、干道、次干道等。

(3)雖然我國近些年大力修建高速鐵路線，在東部、南部部分地區(qū)已經(jīng)成網(wǎng)，但是還是難以整體覆蓋我國眾多縣市，特別是在西部省份，高速鐵路線網(wǎng)更加稀疏。但是隨著國家公路網(wǎng)的不斷完善，國道及其以上公路對縣一級的行政區(qū)覆蓋率很高且路況條件也大大提高，300 km內(nèi)行駛時間誤差很小，并且高速鐵路發(fā)車頻率較普通列車高很多而出行時間點(diǎn)的選擇大大提高，周邊縣市出行人員完全能搭乘長途汽車再換乘合適時間的高鐵車次。長途汽車換乘高鐵列車成了一個不可忽視的因素，因此把長途汽車站離火車站的距離納入評價指標(biāo)是很必要的。

2.2　時間可達(dá)性評價指標(biāo)

時間可達(dá)性反映的是從城市某一地點(diǎn)到達(dá)客運(yùn)站的時效性，隨著現(xiàn)代社會節(jié)奏越來越快、效率越來越高，這一指標(biāo)占據(jù)的分量也越來越重。由于城市軌道交通公司對準(zhǔn)點(diǎn)率要求非常嚴(yán)格并多以此作為對司機(jī)的考核標(biāo)準(zhǔn)，而且最關(guān)鍵的是城市軌道交通擁有獨(dú)立的不受干擾的運(yùn)營線路，因此準(zhǔn)點(diǎn)率非常高，所以文章主要考察了公路交通等待與延誤時間[10]及換乘的銜接性。

(1)公交車作為公共交通出行的主要工具之一，受路面交通流、行人流影響較大，其時效性指標(biāo)直接影響到出行者特別是搭乘火車的出行者的經(jīng)濟(jì)效益。作為城市公共交通的重要組成部分，其時間可靠性直接影響了城市交通的時間可達(dá)性，而時間可靠性的最直接表現(xiàn)就是公交車的正點(diǎn)率、平均等待時間兩方面，因此選取了這兩項作為評價指標(biāo)。

(2)平均換乘次數(shù)指的是從城市某一地點(diǎn)(已覆蓋公交線路)到火車站的平均換乘次數(shù)，所取地點(diǎn)應(yīng)具普遍性和代表性，如住宅小區(qū)、學(xué)校等。由于換乘需要耗費(fèi)換乘站間銜接時間、等待時間和不確定性因素耗時，因此平均換乘次數(shù)是客運(yùn)站時間可達(dá)性評價最直接的指標(biāo)。

(3)出租車作為城市公共交通的補(bǔ)充，滿足了城市公共交通線網(wǎng)覆蓋不全處和追求時效性、舒適性的出行者的出行需求。由于乘出租車出行的線路由出行者決定且在乘坐期間出租車提供的位移屬于私人物品范疇，因此其時間可達(dá)性指標(biāo)主要表現(xiàn)為出租車平均等待時間。

2.3　綜合交通環(huán)境影響評價指標(biāo)

綜合交通環(huán)境或直接或間接都對客運(yùn)站可達(dá)性產(chǎn)生影響，如客運(yùn)站周邊路段的擁堵程度、行人過街設(shè)施是立體還是平面等，因此綜合交通環(huán)境也是重要的影響因素之一[11]。

(1)行人過街設(shè)施分為立體過街設(shè)施(人行天橋、人行地道)、平面過街設(shè)施(燈控人行橫道、人行橫道)，一般來說對立體過街設(shè)施的評價應(yīng)大于平面過街設(shè)施，特別是對火車站周邊干路來說路段飽和度較高更應(yīng)該偏向于立體過街設(shè)施。文章選取蘭州西站周邊路段的行人過街設(shè)施作為評價對象來進(jìn)行評價，其劃分標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[1]中城市道路服務(wù)水平指標(biāo)進(jìn)行等級劃分，評價方法是考察各種過街設(shè)施所占比例及數(shù)量，通過對過街設(shè)施的換算數(shù)量與人流量對比看能否滿足過街人流量需求。

(2)周邊路段飽和度直接反映了道路的擁擠程度，是交通環(huán)境影響的重要指標(biāo)，路段飽和度越小則對周邊交通環(huán)境的影響越小，可達(dá)性也越好。

(3)停車場泊位數(shù)量受客運(yùn)站所在城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、公共交通線網(wǎng)條件、城市出租車運(yùn)營環(huán)境、政府交通政策等因素影響。參考文獻(xiàn)[13]中“社會車輛載客數(shù)基本為3.5人，各種車輛在停車場的停留時間以0.5 h最為適宜”，另外社會車輛載客人數(shù)中平均接送人員數(shù)量取1.5人為宜，高峰系數(shù)取0.12，所需停車場泊位數(shù)量的計算可以按：

所需停車場泊位數(shù)=

計算?？疾焯m州市經(jīng)濟(jì)、社會狀況，去往蘭州西站旅客使用各類交通工具比重可按社會車輛20%、出租車15%、公交車35%、城市軌道交通30%計算。

3算例分析

3.1　蘭州西站城市交通可達(dá)性指標(biāo)的確定

通過前文對客運(yùn)站城市交通可達(dá)性評價指標(biāo)的分析，針對蘭州西站得出具體的指標(biāo)及指標(biāo)性質(zhì)(見表1)。

表1　蘭州西站交通可達(dá)性評價指標(biāo)體系表

3.2　確定蘭州西站城市交通可達(dá)性評價經(jīng)典域、節(jié)域物元矩陣

經(jīng)典域確定了各評價等級的取值范圍是物元評價的基礎(chǔ)，能否準(zhǔn)確地劃分經(jīng)典域直接影響到評價的準(zhǔn)確性。根據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)定及對各項指標(biāo)調(diào)查所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，本文將蘭州西站交通可達(dá)性分為四個評價等級，分別表示為：優(yōu)、良、中、差。其經(jīng)典域矩陣R優(yōu)、R良、R中、R差和節(jié)域矩陣Rp分別表示如下：

各相關(guān)的特征指標(biāo)取值如表2所示。

表2　蘭州西站城市交通可達(dá)性指標(biāo)的取值表

2.3　蘭州西站城市交通可達(dá)性評價的結(jié)果及分析

首先，根據(jù)式(1)、(4)可以計算出蘭州西站城市交通可達(dá)性各個指標(biāo)與各個評價等級之間的關(guān)聯(lián)度，再通過式(6)可以確定各評價指標(biāo)隸屬的評價等級，計算過程不再贅述，其結(jié)果見表3。

表3　蘭州西站城市交通可達(dá)性評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)度、評價等級表

表4　各評價指標(biāo)歸一化權(quán)重表

最后，根據(jù)式(5)綜合關(guān)聯(lián)度可得蘭州西站城市交通可達(dá)性綜合關(guān)聯(lián)度矩陣：

Kj(vi)=[-0.122 30.077 2-0.249 9-0.584 3]

從綜合關(guān)聯(lián)度計算來看，根據(jù)式(7)可以判斷蘭州西站的交通可達(dá)性與評價等級2級的關(guān)聯(lián)度最大，即蘭州西站的交通可達(dá)性為良。但是通過分析能發(fā)現(xiàn)，蘭州西站的城市交通可達(dá)性在出租車平均等待時間和周邊路段飽和度這兩個指標(biāo)上還有所欠缺，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

4結(jié)語

高速鐵路車站是旅客出行的第一站，其可達(dá)性直接關(guān)系到乘車效率，蘭州西站作為西部高速鐵路樞紐承擔(dān)著西部地區(qū)與內(nèi)地的客運(yùn)，因此對其城市交通可達(dá)性的評價能為政府、出行者提供經(jīng)驗借

鑒。文章利用熵權(quán)物元模型對蘭州西站的城市交通可達(dá)性做出了評價，結(jié)果顯示在相應(yīng)的配套工程陸續(xù)完工后，其城市可達(dá)性水平良好符合相關(guān)預(yù)期。但是隨著車站使用情況的不斷變化，影響可達(dá)性的主要矛盾可能會產(chǎn)生相應(yīng)變化，因此將來有必要對評價指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的修正和重新賦權(quán)，以便進(jìn)行再評價。

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Evaluation Study of Urban Transportation Accessibility of Passenger Terminals Based on Entropy Matter Element Model

LIU Yu-cheng

(School of Traffic & Transportation，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu，730070)

Abstract：With urban transportation accessibility of passenger terminals as the research object，with Lanzhou West Railway Station as example，and by using the matter-element analysis model，this article respectively selected 10 indicators such as public transit line number via this station，average bus wait-ing time，and saturation degree of surrounding roads from three major aspects of space accessibility，time accessibility and integrated transport environmental impact，while it conducted the evaluation study on the urban transportation accessibility of Lanzhou West Railway Station by calculating the weight of each index through entropy method.

Keywords：Urban transportation；Entropy；Matter-element model；Passenger terminal；Accessibility；Evaluation study

文章編號：1673-4874(2015)12-0058-06

中圖分類號：U492.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.014

基金項目

作者簡介
劉宇成(1988—)，碩士研究生，研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。