基于Delphi和改進模糊層次分析法的自動檢票閘機通行能力評價指標體系*

周慧娟 馮延偉 趙 宇 潘 勇 范青藍

(1.北方工業(yè)大學城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室,100144,北京; 2.交通運輸部公路科學研究院智能交通技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,100088,北京∥第一作者，副教授)

基于Delphi和改進模糊層次分析法的自動檢票閘機通行能力評價指標體系*

周慧娟1，2馮延偉1趙 宇1潘 勇2范青藍2

(1.北方工業(yè)大學城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室,100144,北京; 2.交通運輸部公路科學研究院智能交通技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,100088,北京∥第一作者，副教授)

針對城市軌道交通車站出入口自動檢票閘機評價指標涉及因素多、范圍廣,以交通供求關系為出發(fā)點,構(gòu)建閘機通行能力評價指標集。采用Delphi法和改進模糊層次分析法(FAHP)集成的方法，篩選出閘機自身性能、數(shù)量、閘機位置、客流特征4個一級指標中的13個二級指標，構(gòu)建城市軌道交通閘機通行能力評價指標體系。以北京地鐵1號線復興門站閘機組為例,計算影響閘機通行能力的多項指標,并重點分析閘機數(shù)量、乘客熟知程度和閘機故障率3個指標。實例驗證結(jié)果表明,該評價體系能客觀反映實際情況,具有較強的可操作性和實用性。

城市軌道交通; 閘機通行能力; 評價指標; Delphi法; 模糊層次分析法

First-author′s address Beijing Key Lab of Urban Intelligent Traffic Control Technology,North China University of Technology,100144,Beijing China

自動檢票閘機是地鐵站內(nèi)重要的服務設施,其通行能力對增大車站客運量、提高車站運營效率起著關鍵作用。因此,對閘機通行能力的評價愈顯重要。

關于城市軌道交通閘機通行能力的研究主要涉及兩類:一類是從閘機自身出發(fā),包括閘機自身參數(shù)、數(shù)量等；另一類是通過除閘機自身外的其它影響因素研究,如客流特征、基礎設施布局等。文獻[1]提出通過合理調(diào)整閘機自身參數(shù)適應乘客的通行習慣及升級軟件優(yōu)化閘機性能指標兩個措施,來提高閘機的通行速度。文獻[2]從閘機配置數(shù)量的角度對閘機通行能力、服務水平和運營成本進行分析,確定進站閘機最優(yōu)配置方案。文獻[3]指出應分析具體車站的客流特征,根據(jù)車站客流特點對客流量進行定性判斷和定量分析,進而對閘機進行具體配置和布局。文獻[4]對閘機組使用不均衡性進行研究,根據(jù)閘機組與客流方向的位置關系,從乘客視覺感受角度調(diào)整閘機與樓梯的相對布局，并提出相應改進方案，解決閘機利用不均衡問題。

目前，針對城市軌道交通閘機通行能力的研究,多從某一個或某幾個因素入手,缺少對閘機通行能力多因素的研究。本文以城市軌道交通運營供求關系為出發(fā)點,從多個具有代表性和關鍵性的指標對閘機通行能力進行研究,采用Delphi法從評價指標集中遴選出關鍵性指標，來構(gòu)建閘機通行能力評價指標體系,利用改進模糊層次分析法(FAHP)確定體系中各指標的權(quán)重,并以實際的地鐵站數(shù)據(jù)對該體系進行驗證,以期能對城市軌道交通閘機通行能力做出準確評價,為城市軌道交通閘機通行能力評價提供參考。

1 評價指標集構(gòu)建

交通擁堵的根本原因在于交通供求關系的不平衡,即交通需求大于交通供給。解決此矛盾要從交通供給和交通需求兩方面入手[5]。城市軌道交通亦是如此。因此,本文以交通供給、交通需求兩方面為指標篩選原則,初步篩選出影響閘機通行能力的指標以建立評價指標集。

影響閘機通行能力的因素多而雜,這些因素本身模糊且復雜,因素之間又相互制約和影響?？偨Y(jié)起來,其特點主要包含三個方面:① 多樣性,對閘機通行能力的評價是一個多指標綜合評價問題,不同指標分別從不同方面、不同程度來表征對閘機通行能力的影響大??；② 層次性,鑒于各因素間存在相關性,須將這些因素系統(tǒng)化、層次化,建立指標分級體系；③ 模糊性,由于指標本身具有模糊性,指標之間也存在模糊關系,因此需要將定性化的指標定量化。

在已有學者研究基礎上[9-13],結(jié)合城市軌道交通運營供求關系,確定閘機自身性能、數(shù)量、閘機位置、客流特征作為一級指標,并初步選擇出16個二級指標來建立閘機通行能力評價指標集。

從供求關系角度看,閘機是供給方,影響其供給能力的主要因素是閘機自身性能和數(shù)量這2個一級指標。它們是反映閘機通行能力的主要參數(shù)。閘機自身性能包括車票讀寫時間、閘機規(guī)格型號、讀寫單元可靠性、單程票回收速度、閘機控制系統(tǒng)、故障率等6個二級指標。閘機數(shù)量是站廳檢票設備配置的核心,應綜合考慮客流量和投資運營成本來合理設置,以最大限度提高閘機實際利用率,使閘機均衡利用。

人作為軌道交通的參與者,是需求方,人的行為特征是影響閘機通行能力的主要原因。初選閘機位置和客流特征作為表征人的行為特征的2個一級指標。閘機位置的影響因素包括步行距離、閘機朝向與客流流線關系、付費區(qū)與非付費區(qū)空間占有比例3個二級指標?？土魈卣髦饕ㄟ^乘客步行速度表現(xiàn)出來,初選性別、年齡、攜帶行李、乘客熟悉程度4個二級指標。

城市軌道交通閘機通行能力評價指標集如表1所示。

表1 閘機通行能力評價指標集

2 評價方法選取

選用不同評價方法得出的評價結(jié)果不完全一樣。評價對象和內(nèi)容的屬性與評價方法的屬性相匹配是評價方法選擇的關鍵[6]。城市軌道交通閘機通行能力評價體系的重點是評價指標體系的建立和體系中各指標權(quán)重的確定,為分析影響閘機通行能力指標的屬性特點,需要分別選擇合適的方法來建立評價指標體系和確定各指標權(quán)重。

2.1 Delphi法構(gòu)建評價指標體系

閘機通行能力評價指標集是構(gòu)建評價體系的關鍵,指標選取的好壞直接決定了評價體系的準確性和可信性。Delphi法是一種利用專家集體智慧來確定各評價因素重要程度的方法,能有效解決評價因素、評價專家較多時評價結(jié)果不統(tǒng)一問題。利用此方法可以很好地遴選出影響城市軌道交通閘機通行能力的代表性和關鍵性指標。因此，本文用Delphi法構(gòu)建閘機通行能力評價指標體系。

Delphi法具體操作步驟如下:

(1) 初步選取備選指標。本文中備選指標即表1中的16個二級指標。

(2) 確定專家組。邀請與本研究課題相關、有一定經(jīng)驗、對研究感興趣的30名專家組成專家組。

(3) 設計專家咨詢問卷。咨詢問卷設計完成后,發(fā)放到每位專家手中認真填寫。

(4) 收回咨詢問卷進行統(tǒng)計分析,遴選出代表性和關鍵性指標。

2.2 改進FAHP確定指標權(quán)重

根據(jù)影響閘機通行能力指標的屬性特點,選出能確定指標權(quán)重的最匹配的評價方法。一方面,由于評價指標的多樣性和復雜性,需要將各指標劃分為若干有序?qū)哟?，而層次分析法特別適合于將復雜問題系統(tǒng)化、層次化。另一方面,由于絕大部分指標為定性指標,不能通過數(shù)據(jù)直接將其定量化,即指標具有模糊性,而模糊數(shù)學可以將定性化指標定量化。從以上兩方面綜合分析,FAHP[7]比較合適。但FAHP的一個缺點是判斷矩陣很難滿足一致性條件,而改進FAHP[8]可有效解決這一問題。綜合考慮,本文采用改進FAHP確定指標權(quán)重。

改進FAHP操作步驟如下:

(1) 建立層次結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)指標間層次關系,將其劃分層次。

(2) 建立優(yōu)先關系矩陣F。為了更容易地作出兩指標間的重要程度比較,提高辨析的客觀性[15],采用三標度法建立優(yōu)先關系矩陣F=(fij)n×m。其中

式中：

ci——指標fi的相對重要性程度；

cj——指標fj的相對重要性程度。

(4) 利用方根法求排序向量W(0)=(w1,w2,…,wn)T。

(5) 利用公式eij=rij/rji將R變換為互反型矩陣E=(eij)n×m。

(6) 以W(0)作為特征值法的迭代初值V0，利用迭代公式V(k+1)=EV(k)(V(k)、V(k+1)分別表示經(jīng)k、k+1次的迭代值)求得V(k+1)以及V(k+1)的無窮范數(shù)‖V(k+1)‖。若滿足<ε(ε為計算精度，ε≤0.001),則‖V(k+1)‖即為最大特征值λmax,并將V(k+1)歸一化處理,處理后的向量即為最終排序向量W(k),W(k)=V(k+1),迭代結(jié)束。否則,即以V(k+1)=V(k+1)/‖V(k+1)‖,將V(k+1)規(guī)范化得到V(k+1),并將其作為新初值,再次迭代。

(7) 計算子指標層中各指標最終權(quán)重。

3 實例驗證

復興門站是北京地鐵1號線和2號線的換乘車站,位于復興門內(nèi)、外大街及復興門南、北大街交匯處,附近區(qū)域包含學校、超市、娛樂休閑等場所,配套成熟,客流量大,具有代表性和典型性。以復興門站閘機為例,運用Delphi法和改進FAHP對其通行能力進行分析和評價。

3.1 構(gòu)建評價指標體系

在初選指標和專家組確定后,結(jié)合復興門站實際運營情況,對專家咨詢問卷進行了詳細設計,將表1中16個二級指標全部設計到問卷內(nèi)。問卷的主要內(nèi)容包括指標重要性程度、專家對指標的熟悉程度及專家評價依據(jù)。為提高問卷準確性，對專家判斷影響程度按實際情況進行合理賦值。咨詢問卷各主要內(nèi)容的量化賦值表見表2。咨詢問卷設計完成后,發(fā)放到每位專家成員手中認真填寫。

表2 咨詢問卷各主要內(nèi)容量化賦值表

式中：

n——問卷數(shù)量；

xi——第i個專家對二級指標的賦值大小。

3.2 確定指標權(quán)重

(1) 將遴選得到的評價指標根據(jù)指標間關系劃分層次,得到層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

表3 咨詢問卷最終調(diào)查結(jié)果表

圖1 城市軌道交通閘機通行能力評價指標體系

(2) 根據(jù)圖1,對各層次指標的重要性進行比較,建立各層次的優(yōu)先關系矩陣如下：

式中：

FU——指標層優(yōu)先關系矩陣；

FUi——子指標層優(yōu)先關系矩陣。

(3) 以指標層為例進行計算,先將優(yōu)先關系矩陣FU轉(zhuǎn)換為互補型判斷矩陣RU:

再利用方根法求得指標層的排序向量W(0):

(4) 同樣以指標層為例進行計算,將互補型判斷矩陣RU轉(zhuǎn)化為互反型判斷矩陣EU。

3.3 結(jié)果分析

從子指標層中各指標權(quán)重分布可以看出,影響復興門站閘機通行能力的首要因素是閘機數(shù)量(權(quán)重0.225 0),其次是乘客熟知程度(權(quán)重0.150 2)和閘機故障率(權(quán)重0.149 6)。根據(jù)復興門站閘機實際運營情況來看,本文提出的閘機通行能力評價體系比較符合實際。進一步分析可知,從交通運營供求關系角度,提高閘機通行能力的關鍵在于處理好供給雙方的關系。從供給方看,增加閘機數(shù)量是最有效的辦法,但考慮到地鐵運營經(jīng)濟效益和通道寬度固定的限制,增加閘機數(shù)量比較困難。因此,在閘機數(shù)量不能改變的情況下,減小閘機故障率非常必要,這就需要不定期對閘機進行檢修，排除隱患,以便減小閘機故障率。從需求方看,要盡量增加乘客熟悉程度,可以通過規(guī)范車站內(nèi)信息服務(如路線指示，一卡通或單程票使用方法宣傳等),減少乘客在站內(nèi)徘徊時間,使乘客有序、高效通過閘機。

表4 各指標最終權(quán)重

4 結(jié)語

本文從交通供求關系角度出發(fā),采用Delphi法和改進FAHP集成的方法篩選出閘機自身性能、數(shù)量、閘機位置、客流特征4個一級指標中的13個二級指標，構(gòu)建城市軌道交通閘機通行能力評價指標體系。Delphi法使評價體系中各項指標的選取具有關鍵性和代表性,改進FAHP則使各項指標權(quán)重的設置更具合理性。以北京地鐵1號線復興門站閘機組為例,對其閘機通行能力進行評價,尋找出影響城市軌道交通閘機通行能力的關鍵因素。結(jié)合供求關系,對影響城市軌道交通閘機通行能力的指標進行了分析,為提高閘機通行能力提供科學依據(jù)。由于影響城市軌道交通閘機通行能力的因素多、內(nèi)容復雜,相關評價標準還不完善,其評價方法還需進一步探索。

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Evaluation System for Gate Capacity in Urban Rail Traffic Based on Delphi and Improved FAHP

ZHOU Huijuan, FENG Yanwei, ZHAO Yu, PAN Yong, FAN Qinglan

The evaluation index of gate capacity in urban rail transit involves a wide range and many factors.From the aspect of supply-demand relationship,an evaluation system for gate capacity of urban rail transit is constructed,which integrates Delphi method and the improved FAHP.Four first level indices and thirteen second level indices related to gate capacity are selected to form an evaluation index.Fuxingmen Station on Beijing metro Line 1 is taken as an example to computer the indices affecting the gate capacity, in which three indices of gate number,passenger familiarity and gate failure rate are emphasized.The research provesthat the evaluation system has strong operability and availability in reflecting the real conditions of the automatic fare gate.

urban rail transit; gate capacity; evaluation index; Delphi method; fuzzy analytichierarchy process (FAHP)

*北京市教委科技計劃 (KM20140009002),智能交通技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室開放課題(PXM2016_014212-000030)

U 293.22

10.16037/j.1007-869x.2016.07.004

2014-09-03)