居民出行成本影響因素的改進(jìn)解釋結(jié)構(gòu)模型研究

章錫俏，袁亞龍，孫志超

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

?

居民出行成本影響因素的改進(jìn)解釋結(jié)構(gòu)模型研究

章錫俏，袁亞龍，孫志超

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

出行成本作為交通管理者調(diào)整居民出行結(jié)構(gòu)的一項經(jīng)濟杠桿，在交通需求管理中發(fā)揮重要作用。從系統(tǒng)科學(xué)的思維角度和理論出發(fā)，在界定影響居民出行成本的10項影響因素的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)的解釋結(jié)構(gòu)模型得到影響因素之間的主次關(guān)系與層級關(guān)系。結(jié)合改進(jìn)的解釋結(jié)構(gòu)模型的分析結(jié)果，將影響居民出行成本的因素分為可量化的硬性因素與心理感知的軟性因素，加深了對于居民出行成本影響因素之間關(guān)系的理解。最后根據(jù)因素間的遞階關(guān)系有向圖，給出了調(diào)整居民出行成本，優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)的建議。

交通運輸工程；出行成本；改進(jìn)的解釋結(jié)構(gòu)模型；遞階關(guān)系

0 引 言

通過改善居民可以感知的出行成本，優(yōu)化交通出行結(jié)構(gòu)，從根源上緩解交通擁堵，已經(jīng)成為交通領(lǐng)域研究的熱點之一。目前研究主要是通過分析與出行成本密切相關(guān)的影響因素，量化出行時間價值[1]與居民公交時間價值[2]、建立新效用函數(shù)[3]、經(jīng)濟方法調(diào)節(jié)出行成本[4]、邊際出行成本曲線[5]等方法，量化出行成本中的各種因素。這些研究對于居民出行成本進(jìn)行了有益的探究，為了完善出行成本的研究，筆者試圖通過系統(tǒng)科學(xué)的角度去建立相應(yīng)的改進(jìn)解釋結(jié)構(gòu)模型，研究居民出行成本影響因素之間的相互關(guān)系。

通過分析發(fā)現(xiàn)，居民出行成本受到多種因素影響，并且很多因素難以直接量化；另外，已有研究沒有系統(tǒng)地界定影響出行成本的因素，只是從微觀的角度嘗試解釋某一個或者兩個因素對出行成本的影響，故在不同文獻(xiàn)中，計算出行成本時會選取不同的影響因素；同時影響居民出行成本的因素之間存在著相互支持或相互制約的邏輯關(guān)系，這為進(jìn)一步精確計算居民出行成本帶來困難。筆者在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上界定影響居民出行成本的10個因素，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的知識，求出因素之間的關(guān)系鄰接矩陣；通過構(gòu)建居民出行成本的改進(jìn)解釋結(jié)構(gòu)模型，明確影響因素之間的主次關(guān)系與層級關(guān)系，通過系統(tǒng)科學(xué)的方法加深了對于出行成本的理解程度，為調(diào)整居民出行成本，優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)提供建議。

1 改進(jìn)解釋結(jié)構(gòu)模型

1.1 改進(jìn)解釋結(jié)構(gòu)模型描述

解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretive Structural Model，ISM)是結(jié)構(gòu)化模型技術(shù)的一種，由美國J·N·沃菲爾德教授于1973年作為分析復(fù)雜的社會經(jīng)濟系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題而開發(fā)的一種方法。由于系統(tǒng)因素之間的模糊關(guān)系，為了提高因素關(guān)系確定的準(zhǔn)確性，改進(jìn)的ISM引入模糊數(shù)學(xué)中模糊矩陣的概念，實現(xiàn)ISM中的因素關(guān)系確定從定性分析到定量分析的轉(zhuǎn)變，使分析結(jié)果更加合理與準(zhǔn)確[6-7]。

居民出行成本涉及許多影響因素，這些影響因素大多無法直接量化，并且因素之間存在著模糊的相互關(guān)系，因此可以使用改進(jìn)的解釋結(jié)構(gòu)模型對居民出行成本的影響因素進(jìn)行研究。

1.2 建立改進(jìn)解釋結(jié)構(gòu)模型步驟

改進(jìn)解釋結(jié)構(gòu)模型可以在建立目標(biāo)明確錯綜復(fù)雜的大型系統(tǒng)時，整理并且統(tǒng)一各種不同的意見。改進(jìn)解釋結(jié)構(gòu)模型的具體建模步驟如下：

1)明確研究問題的目標(biāo)并確定有關(guān)的影響因素；

2)組織專家小組成員對所有的影響因素Si與Sj進(jìn)行兩兩之間的關(guān)聯(lián)程度評分，分?jǐn)?shù)在0～1之間，并根據(jù)專家評分結(jié)果，建立模糊鄰接關(guān)系矩陣F；

3)根據(jù)實際情況，選取模糊隸屬度函數(shù)，計算關(guān)聯(lián)強度矩陣B；

4)確定閾值λ，推導(dǎo)鄰接矩陣A0并且計算可達(dá)矩陣M；

5)對可達(dá)矩陣M進(jìn)行分解。通過可達(dá)矩陣的區(qū)級間劃分和強連通塊劃分，確定系統(tǒng)骨架矩陣A′；

6)繪制系統(tǒng)多級遞階有向圖。根據(jù)步驟5得到的骨架矩陣?yán)L制多級遞階有向圖，最后進(jìn)行模型的解釋與說明[6-7]。

筆者按照上述步驟對居民出行成本的影響因素進(jìn)行改進(jìn)的解釋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建，并給出重要步驟的計算結(jié)果與解釋說明。

2 居民出行成本影響因素

任何系統(tǒng)都是由兩個及其以上的相互聯(lián)系、相互作用的要素組成的一個有機整體[8]。設(shè)系統(tǒng)由n(n≥2)個要素(S1,S2,S3,…,Sn)組成，其集合為S，則有S={S1,S2,S3,…,Sn}。

2.1 居民出行成本影響因素變量集合

將居民出行成本作為一個完整的，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，影響居民出行成本的因素作為其計算要素。通過對于居民出行特點分析，結(jié)合現(xiàn)有的影響因素和先驗知識，參考相應(yīng)的文章以及工程經(jīng)驗[9-11]，對影響居民出行成本的因素進(jìn)行歸納總結(jié)，見表1。選取影響居民出行成本的n=10個影響因素(S1,S2,S3,…,S10)，建立影響因素集合S={S1,S2,S3,…,S10}。

表1 居民出行成本影響因素

2.2 關(guān)聯(lián)因素評分，建立模糊鄰接矩陣

任意兩個要素之間可以存在影響、包含、隸屬，因果等多種關(guān)系[8,12]。實際生活中，僅僅通過兩個因素的定義是很難直接判斷兩個因素之間的確切關(guān)系，在改進(jìn)的ISM中把表示系統(tǒng)元素之間相互的0-1二元關(guān)系轉(zhuǎn)換成二元模糊關(guān)系。在對系統(tǒng)各要素之間關(guān)系的確定時，專家就可根據(jù)個人的經(jīng)驗與認(rèn)識，確定要素之間關(guān)聯(lián)程度，而不是絕對的確定其是否存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。

通過向交通工程、道路工程與管理工程的專家發(fā)送電子郵件，進(jìn)行專家打分評價，請專家執(zhí)行步驟2，初步判斷10項因素之間的影響關(guān)系大小，共發(fā)送電子問卷100份，收回95份，問卷回收率為95%。使用SPSS對于問卷的效度與信度進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)檢驗，其中克朗巴赫系數(shù)α= 0.74，KMO= 0.70，達(dá)到了統(tǒng)計學(xué)的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，證明專家問卷可信。使用平均法統(tǒng)計因素模糊關(guān)聯(lián)矩陣F，見表2。

表2 因素模糊關(guān)聯(lián)矩陣

3 建立改進(jìn)的解釋結(jié)構(gòu)模型

3.1 選取模糊隸屬度函數(shù)，確定關(guān)聯(lián)強度矩陣

選取隸屬度函數(shù)，如式(1)，計算得到關(guān)聯(lián)強度矩陣B，關(guān)聯(lián)強度矩陣B的實質(zhì)是聚類的過程，即把具有相似功能的特征聚集為一類：

bij=fij/(fi·+f·j-fij)

(1)

通過閾值λ對關(guān)聯(lián)強度矩陣B進(jìn)行篩選，閾值λ的選取越小，則系統(tǒng)劃分的越粗；選取的越大，則劃分的越細(xì)。系統(tǒng)劃分得過細(xì)與過粗都將影響到系統(tǒng)的總體性能，因此取值要適當(dāng)。通過實驗方法，選取閾值λ=0.08。結(jié)合關(guān)聯(lián)強度矩陣B，根據(jù)式(2)得到的鄰接矩陣A0：

(2)

將系統(tǒng)的目標(biāo)出行成本作為第11個要素S11加入到鄰接矩陣中，將出行時間、費用、安全性作為出行成本的直接影響因素，在不影響結(jié)果的同時，方便后續(xù)的運算。

本模型的目的是為精確計算個體居民出行成本提供參考，是在出行方式、出行目的，出行時間等相關(guān)因素已知的假設(shè)上面進(jìn)行建立，故出行成本作為系統(tǒng)的總目標(biāo)，對于這些因素的影響可以忽略不計。

3.2 可達(dá)矩陣與骨架矩陣的求解

可達(dá)矩陣M是指用矩陣形式來描述有向連接圖各節(jié)點之間，經(jīng)過一定長度的通路后可以到達(dá)的程度。設(shè)A1=A0+I，對矩陣A1依次進(jìn)行求冪布爾代數(shù)運算后，通過判別公式(3)得可達(dá)矩陣M：

(A1)1≠(A1)2≠(A1)3≠…≠(A1)r=(A1)r+1

(3)

由可達(dá)矩陣可知，{S1,S6,S9}和{S2,S8}互為強連通因素，縮減這幾個因素，只保留S1和S2，按照行中“1”的元素由少到多排列得到縮減矩陣M′后，去掉M′中的越級二元關(guān)系與反身性關(guān)系，得到系統(tǒng)之間影響因素的骨架矩陣A′：

3.3 因素層級劃分

通過式(4)和式(5)判斷矩陣因素Si的可達(dá)集合Ri和先行集Ai，使用判斷條件式(6)進(jìn)行分級，最后通過骨架矩陣得到劃分結(jié)果，見表3。

R(Si)={Sj|mij=1}，j=1,2,3,…,n

(4)

A(Si)={Sj|mji=1}，j=1,2,3,…,n

(5)

Ai∩Ri=Ri

(6)

表3 層級劃分結(jié)果

3.4 多級遞階結(jié)構(gòu)模型繪制

根據(jù)對可達(dá)矩陣的分解結(jié)果，得到不同層次的因素及其關(guān)系，通過繪制多級遞階結(jié)構(gòu)模型，還原被縮減掉的因素，將有向圖轉(zhuǎn)化為更容易理解的解釋結(jié)構(gòu)模型，給出出行成本影響因素的遞階結(jié)構(gòu)模型。

參照上述骨架矩陣A′與層級劃分結(jié)果，按照區(qū)域與級位從上到下依次排列各影響因素，繪制出骨架矩陣的級位圖，并將表示強連接關(guān)系的影響因素也還原到原圖中。用有向弧連接相鄰級別間的要素及同一級別的要素，可得到層次結(jié)構(gòu)圖，見圖1。通過圖1可以詳細(xì)分析各級別要素間的相互關(guān)系。

圖1 層次結(jié)構(gòu)Fig. 1 Hierarchal structure

將系統(tǒng)影響因素的名稱代入到層次結(jié)構(gòu)圖中，于是得到出行成本多層遞階解釋結(jié)構(gòu)模型，見圖2。

圖2 出行成本多層遞階解釋結(jié)構(gòu)模型Fig. 2 Hierarchal interpretative structural model of travel cost

從圖2中可知，影響居民出行成本的因素主要可以分為4個層次：硬性可量化因素層、軟性可感知因素層、過渡連接因素層與根本性因素層。使用有向弧對于層級之間與層級內(nèi)部的關(guān)系進(jìn)行連接。

4 模型解釋

根據(jù)多層遞階解釋結(jié)構(gòu)模型，出行成本的影響因素大致可以分為4個層次。結(jié)合出行成本現(xiàn)狀，對這個層次結(jié)構(gòu)做出解釋分析。

第1層次包括出行費用、車輛設(shè)施、出行安全性、出行便利性，出行時間這5個硬性可量化因素，前3個因素與后2個因素構(gòu)成強連通因素，表示彼此之間具有高度的互動，這些因素之間的部分效果通常是重復(fù)的，容易自成一個封閉的系統(tǒng)。結(jié)合出行成本現(xiàn)狀來看，說明出行時間與出行費用是影響居民出行成本的最直接因素，通過相應(yīng)的管理手段直接影響第1層因素，可以達(dá)到較為顯著地調(diào)整居民出行成本效果。另外，由于因素之間的強連通性，通過調(diào)整一個因素往往達(dá)不到整體改觀的作用，故需要對于第1層次的因素整體進(jìn)行改進(jìn)才會達(dá)到預(yù)期的效果。

第2層包括出行擁擠度與駕駛員態(tài)度這兩種居民的心理軟性可感知因素。說明居民選擇出行方式后，會根據(jù)先驗的知識或者已體驗的出行服務(wù)，在心理上產(chǎn)生一種判斷，這些心理因素會直接影響到居民對于出行成本的感知狀況。可見樹立交通方式的服務(wù)形象、改善交通的服務(wù)環(huán)境、改變居民的出行態(tài)度，對降低居民的出行感知成本，進(jìn)而減少居民的實際出行成本至關(guān)重要。

第3層只包括出行方式這種過渡連接因素。說明選擇者的自身屬性與被選擇交通方式的屬性之間，通過出行方式進(jìn)行連接。通過交通方式的形式，具體體現(xiàn)出二者的特性。對交通管理者而言，往往通過需求管理的方法去改變出行者的出行方式，達(dá)到調(diào)整交通結(jié)構(gòu)的目的。

第4層包括出行者的出行目的與出行者收入這兩個因素，可見這兩個因素是影響出行成本的根本性因素，同時它們也是出行者自身的屬性。交通管理者應(yīng)該首先明確所要調(diào)整的人群的屬性，針對特定的人群制定相應(yīng)的管理措施。例如對于以通勤出行為主要目的的不同收入居民，應(yīng)該根據(jù)其出行特性，制定擁擠收費政策或者為通勤乘客提供專線快車服務(wù)等，以達(dá)到社會福利最優(yōu)的目標(biāo)。

5 結(jié) 論

通過改進(jìn)的解釋結(jié)構(gòu)模型，對出行成本的影響因素進(jìn)行分析。建立出行成本系統(tǒng)解釋結(jié)構(gòu)模型，探討影響出行成本的各因素的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系，為出行成本的計算，調(diào)整與改進(jìn)提供了新思路。

1)出行成本的解釋結(jié)構(gòu)模型為出行成本的統(tǒng)計模型提供了良好可靠的理論結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)。缺少理論基礎(chǔ)的統(tǒng)計模型并沒有實際意義，本模型從系統(tǒng)學(xué)的視角出發(fā)，通過模糊數(shù)學(xué)的處理，在保留因素之間豐富信息的基礎(chǔ)上，整理因素之間的相互關(guān)系。為結(jié)構(gòu)方程模型等數(shù)理統(tǒng)計模型的載荷因子標(biāo)定提供可靠的初始模型基礎(chǔ)。

2)為公交票價的制定、擁擠收費，停車收費等政策提供基礎(chǔ)參考。居民出行成本作為影響居民出行的核心要素，通過構(gòu)建的解釋結(jié)構(gòu)模型，從理論根源上對出行成本的內(nèi)涵進(jìn)行詳細(xì)的說明，為交通政策的制定與修改奠定基礎(chǔ)。

3)為改善公共交通服務(wù)質(zhì)量，吸引潛在的公交需求者提供理論指導(dǎo)。通過層次分析結(jié)果中的可量化的硬性指標(biāo)與心理感知的軟性指標(biāo)的分類，深入分析了出行者的出行需求層次。交通管理部門可以有的放矢，找到服務(wù)短板，從全局入手，系統(tǒng)地改善公交服務(wù)質(zhì)量。

[1] MACKIE P J, JARA-DAZ S, FOWKES A S. The value of travel time savings in evaluation[J].TransportationResearchPartELogistics&TransportationReview, 2001, 37(2/3): 91-106.

[2] WARDMAN M. Public transport values of time[J].TransportPolicy, 2004, 11(4):363-377.

[3] 徐婷,藍(lán)臻,胡大偉. 出行成本對居民出行方式的影響[J]. 交通運輸工程學(xué)報,2013,13(1) :1-3. XU Ting, LAN Zhen, HU Dawei. Influence of trip cost on trip mode for resident[J].JournalofTrafficandTransportationEngineering, 2013, 13(1): 1-3.

[4] 楊忠偉,劉小明.城市交通出行成本對出行結(jié)構(gòu)的影響[J]. 交通運輸系統(tǒng)工程與信息,2012,12(2):2-4. YANG Zhongwei, LIU Xiaoming.The effect of urban travel cost on travel structure[J].JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology, 2012, 12(2): 2-4.

[5] 李軍,賴信君,黃琳. 個人邊際出行成本的大都市交通分擔(dān)率分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2014,38(4):1-2. LI Jun, LAI Xinjun, HUANG Lin.Share rate analysis of urban transportation mode based on individual marginal cost [J].JournalofWuhanUniversityofTechnology(TransportationScience&Engineering), 2014, 38(4):1-2.

[6] 李曉爭.基于解釋結(jié)構(gòu)模型的鐵路智能運輸系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2007:34-36. LI Xiaozheng.TheSystemArchitectureStudyofRITSBasedonISM[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2007: 34-36.

[7] WANG Zhongtuo.IntroductionofSystemEngineering[M]. Beijing: Publishing Company of Electronic Industry, 1991: 80-88.

[8] 孫慧, 周穎, 范志清. 基于解釋結(jié)構(gòu)模型的公交客流量影響因素分析[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版), 2010, 12(1):29-32. SUN Hui, ZHOU Ying, FAN Zhiqing.An analysis of the influencing factors of public transportation passenger flow on the base of interpretive structural model[J].JournalofBeijingInstituteofTechnology(SocialSciencesEdition), 2010, 12(1): 29-32.

[9] RICHARDSON T. Estimating individual values of time in stated preference surveys[J].Road&TransportResearch, 2006, 15(1): 44-53.

[10] LEMP J D, KOCKELMAN K M. Quantifying the external costs of vehicle use: evidence from America’s top-selling light-duty models[J].TransportationResearchPartDTransport&Environment, 2008, 13(8): 491-504.

[11] 邵敏華,李田野,孫立軍.常規(guī)公交居民對車內(nèi)擁擠感知阻抗調(diào)查與建模[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2012,40(7):2-4 SHAO Minhua, LI Tianye, SUN Lijun. Survey method and model of passengers’ cost perception of crowding level in bus[J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience), 2012, 40(7): 2-4.

[12] 黃煒,張黎明. 基于解釋結(jié)構(gòu)模型的夯土墻質(zhì)量影響因素分析[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014,46(3):1-3. HUANG Wei, ZHANG Liming. Analysis on quality influencing factors of the rammed-earth wall based on an interpretative structural model[J].JournalofXi’anUniversityofArchitecture&Technology(NaturalScienceEdition), 2014, 46(3):1-3.

(責(zé)任編輯：譚緒凱)

Improved Interpretive Structural Model of Influencing Factors of Resident Travel Cost

ZHANG Xiqiao, YUAN Yalong, SUN Zhichao

(School of Transportation Science and Engineering , Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, P. R. China)

Travel cost as an economic lever is used to adjust the travel structure of residents by traffic administrator, and it plays an important role in the traffic supply and demand management system. From the point view of system science thinking and theory, the primary and secondary relationship as well as the hierarchy of the influencing factors was obtained by the improved interpretative structural model, on the basis of defining ten factors which affected residents’ travel cost. With the analysis results of the improved interpretative structural model, the influencing factors of residents’ travel cost could be divided into two kinds: the quantifiable hard factors and the psychological perception soft factors, which improved the understanding of the relationship among the influencing factors of residents’ travel cost. Finally, according to the directional graph of hierarchical relations among the factors, some suggestions were given to adjust residents’ travel cost and optimize the travel structure.

traffic and transportation engineering; travel cost; improved interpretative structural model; hierarchical relationship

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.07.17

2016-06-04；

2016-12-07

黑龍江省交通廳科技項目(MH20150031)

章錫俏(1978—)，男，遼寧沈陽人，講師，博士，主要從事公交運輸規(guī)劃與管理方面的研究。E-mail：zxq103@126.com。

袁亞龍(1993—)，男，甘肅會寧人，碩士，主要從事公交運輸規(guī)劃與管理方面的研究。E-mail：tonnyuan@126.com。

U491

A

1674-0696(2017)07-101-05