城市道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性的云物元綜合評價

劉新民，孫 璐，孫秋霞

(1. 山東科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山東 青島 266590； 2. 山東科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引 言

城市道路交通擁擠一直是交通管理部門和學(xué)術(shù)界致力探討和解決的問題，而穩(wěn)健的城市道路交通網(wǎng)絡(luò)則是保障居民順暢出行和緩解交通擁堵的有效手段之一。交通系統(tǒng)是由“人-車-路”組成的復(fù)雜系統(tǒng)，路網(wǎng)中某些節(jié)點或路段可靠性系數(shù)較低，時有交通擁擠、安全事故等發(fā)生，會對居民出行造成不同程度的影響。評價路網(wǎng)脆弱性有助于識別城市道路網(wǎng)絡(luò)中的脆弱路段，并對應(yīng)急管理系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)，故研究道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性對緩解交擁擠、提高路網(wǎng)服務(wù)水平有著重要意義。

道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性概念是由K.BERDICA[1]最早提出，他認(rèn)為道路交通網(wǎng)絡(luò)是“易受影響的”、“敏感的”，脆弱性體現(xiàn)為受突發(fā)事件影響后導(dǎo)致路網(wǎng)服務(wù)水平下降的屬性。目前國內(nèi)外學(xué)者對脆弱性研究大都集中在指標(biāo)構(gòu)建上。雖未形成統(tǒng)一指標(biāo)，但總體上將脆弱性指標(biāo)分為3大類，即：靜態(tài)指標(biāo)、動態(tài)指標(biāo)和混合指標(biāo)[2-13]。目前，很多學(xué)者采用物元模型、云模型等方法進(jìn)行等級評價[14-19]。其中，黃勇輝等[14]利用可拓學(xué)理論對城市道路交通管理可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行評價；王紅梅等[15]利用物元模型對公共交通乘客滿意度進(jìn)行評價；陳繼紅等[17]利用模糊物元模型對交通事故主要因素進(jìn)行實證分析；李小靜等[19]利用云理論和雷達(dá)圖評價了路網(wǎng)可靠度。

縱觀現(xiàn)有研究，將物元模型和云模型相結(jié)合的云物元模型應(yīng)用已相對成熟，但缺乏將云物元模型運(yùn)用到城市道路網(wǎng)絡(luò)評價方面的應(yīng)用研究。筆者通過構(gòu)建綜合考慮道路交通網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)水平及交通管理部門監(jiān)管職能指標(biāo)體系，將物元模型與云理論相結(jié)合，建立了可實現(xiàn)定性分析與定量分析的云物元模型，并采用主觀賦權(quán)與客觀賦權(quán)相結(jié)合的確定綜合權(quán)重，用來評價城市道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性等級。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

青島市位于山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心位置，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但是隨之而來的環(huán)境污染、交通擁擠等問題日益嚴(yán)重。據(jù)2016年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：青島市常住人口920.4萬人，機(jī)動車保有量233.9萬輛；根據(jù)相繼公布的《青島市城市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃(2013—2018年)》和《青島市“十三五”城市道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》顯示：規(guī)劃城市快速路、新建或改建主干路、新建或改建立交節(jié)點、建設(shè)獨(dú)立公共停車泊位、實施市區(qū)“未貫通”道路打通工程和超期服役道路改造工程等項目33項。青島市整體交通設(shè)施現(xiàn)狀較發(fā)達(dá)城市稍顯滯后，盡管公交覆蓋率較高，但高峰時段道路擁堵較為嚴(yán)重。

1.2 指標(biāo)體系與數(shù)據(jù)來源

城市交通路網(wǎng)脆弱性是評價道路運(yùn)行狀態(tài)的重要標(biāo)志之一。評價道路網(wǎng)絡(luò)脆弱性需要將動態(tài)及靜態(tài)指標(biāo)相結(jié)合的方式進(jìn)行分析，靜態(tài)指標(biāo)包括密度指標(biāo)和路網(wǎng)級配比例等；動態(tài)指標(biāo)包括交叉口阻塞率和高峰時段車速等。因此，筆者認(rèn)為其主要影響因素為：道路網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、政府監(jiān)管和路網(wǎng)服務(wù)水平?；诖?，筆者依據(jù)文獻(xiàn)[20]并兼顧以上原則選取合適指標(biāo)，構(gòu)建文中城市交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性指標(biāo)體系，見表1。

表1 城市道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system of vulnerability of urban road trafficnetwork

筆者以青島市中心城區(qū)數(shù)據(jù)為主，采用科學(xué)性定量評價與專家經(jīng)驗判斷相組合方法，根據(jù)《青島市統(tǒng)計年鑒(2016)》和《山東省統(tǒng)計年鑒(2016)》獲得基礎(chǔ)設(shè)施等數(shù)據(jù)；服務(wù)水平中所涉及阻塞率和平均車速等指標(biāo)則是由青島市公安交通信息出行網(wǎng)獲取；交通影響評價和交通綜合協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)等指標(biāo)采取專家打分法獲得。

2 評價模型

影響城市路網(wǎng)脆弱性的因素眾多，對其進(jìn)行評價也是一個復(fù)雜過程。云物元模型是在修正物元模型[21]和云模型[22]不足基礎(chǔ)上，實現(xiàn)定性分析與定量分析相結(jié)合的綜合評價方法。通過云物元模型構(gòu)建路網(wǎng)脆弱性評價指標(biāo)體系，綜合反映路網(wǎng)狀態(tài)。

物元分析理論將有序3元組(事物N、特征C、量值V)相結(jié)合，從而形成可表現(xiàn)事物的基本元，記為R=(N,C,V)，如式(1)：

(1)

筆者利用云模型具有處理事物雙重不確定性的獨(dú)特優(yōu)勢，將V值用正態(tài)云(Ex,En,He)取代。其中：Ex用來刻畫定性概念的值；En用來刻畫道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性等級界限概念模糊性；He用來刻畫脆弱性評價樣本出現(xiàn)隨機(jī)性，其值越大，表示不確定性越大。

云物元模型實質(zhì)是將物元模型與云模型相結(jié)合，采用云模型對物元進(jìn)行重新構(gòu)造，首先通過一般物元方法，對待評價事物進(jìn)行描述和分析。若其量值只能用自然語言值描述，可引用云來表示定性概念的自然語言值，于是形成了“事物、特征、云量值”的有序3元組，稱為云物元，如式(2)：

(2)

3 模型等級評價

3.1 評價指標(biāo)實際值及等級界限確定

筆者以《城市道路交通管理評價指標(biāo)體系(2012版)》中對相關(guān)指標(biāo)規(guī)定范圍為標(biāo)準(zhǔn)，建立起青島市道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性等級評價區(qū)間，如表2。道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價，將Rcloud分為Ⅰ(最弱)、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ(最強(qiáng))這5個等級。

表2 青島市道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價等級區(qū)間Table 2 Grade interval of road traffic network vulnerabilityevaluation in Qingdao

(續(xù)表2)

ⅠⅡⅢⅣⅤA1413.00(35,40)(30,35)(25, 30)(20, 25)(0, 20)A2184.60(90, 100)(85, 90)(80, 85)(75, 80)(0, 75)A220.93(0.4,0.5)(0.5,0.67)(0.67,1)(1,1.25)(1.25,2)A2311.51(0, 2)(2, 5)(5, 8)(8, 11)(11,14)A2421.80(25, 30)(22, 25)(19, 22)(16, 19)(0, 16)A2521.60(5, 2)(8, 5)(12, 8)(16, 12)(30, 16)A2676.50(75, 85)(65, 75)(55, 65)(45, 55)(0, 45)A315.00(5.5, 6.5)(4.5, 5.5)(3.5, 4.5)(3, 3.5)(0, 3)A323.03(3, 4)(2.5, 3)(2, 2.5)(1.5, 2)(0,1.5)A3383.00(95, 100)(85, 95)(75, 85)(65, 75)(0, 65)A346.00(5.5, 6.5)(4.5, 5.5)(3.5, 4.5)(3, 3.5)(0, 3)

3.2 評價指標(biāo)等級界限標(biāo)準(zhǔn)云確定

將區(qū)間值對道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性分類等級界限作為一個雙約束空間[Cmin,Cmax]處理，綜合考慮約束空間邊界值的隨機(jī)性和模糊性并對其進(jìn)行適度擴(kuò)展，再通過區(qū)間數(shù)值與正態(tài)云模型轉(zhuǎn)換關(guān)系計算出路網(wǎng)脆弱性等級界限云模型的期望值Ex、熵En、超熵He，如式(3)：

(3)

式中：s為常數(shù)，可結(jié)合相應(yīng)指標(biāo)模糊性和隨機(jī)性進(jìn)行調(diào)整。

最后得到青島市道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性指標(biāo)正態(tài)云標(biāo)準(zhǔn)，如表3。

表3 青島市道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性指標(biāo)正態(tài)云標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Normal cloud criteria of road traffic network vulnerability index in Qingdao

3.3 脆弱性等級關(guān)聯(lián)度

在計算等級關(guān)聯(lián)度時，云物元模型涉及到云引入，因此一般物元理論中關(guān)聯(lián)度計算方法不再適用。確定各指標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)云各評判等級云指標(biāo)間關(guān)聯(lián)度，即將確定性的指標(biāo)值看作一個云滴，問題就轉(zhuǎn)化為求該云滴代表云的確定度。具體步驟如下：

1)產(chǎn)生一個均值為En、標(biāo)準(zhǔn)差為He的正態(tài)隨機(jī)數(shù)E′n；

2)令該確定性數(shù)值為xi，則(xi,μi)稱為云滴；

3)計算關(guān)聯(lián)度，如式(4)：

(4)

k為數(shù)值xi屬于這個云的確定度，即該數(shù)值表示事物指標(biāo)與這個云表示事物指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度。

k=

3.4 綜合權(quán)重

筆者采用客觀和主觀賦權(quán)法組合的方法進(jìn)行權(quán)重確定。其中：客觀賦權(quán)法采用熵值法，該方法可剔除指標(biāo)體系中對評價結(jié)果貢獻(xiàn)率較小的指標(biāo)。計算步驟如下：

1)計算出指標(biāo)值xij在指標(biāo)j下的權(quán)重，如式(5)：

(5)

2)計算指標(biāo)j的熵值，如式(6)：

(6)

3)熵權(quán)的確定，如式(7)：

(7)

式中：pij為每種狀態(tài)出現(xiàn)的概率，即j項在i項中的指標(biāo)值比重；xij為指標(biāo)值；ej為i指標(biāo)的熵值；ωj為j指標(biāo)的熵權(quán)。

主觀賦權(quán)由專家打分法得出，其結(jié)果表示為φj。則最終得到綜合權(quán)重為主觀賦權(quán)與客觀熵權(quán)的線性加權(quán)，如式(8)：

λj=αωj+(1-α)φj

(8)

式中：α為主觀偏好系數(shù)，α∈[0, 1]，文中α=0.6。

則青島市綜合權(quán)重結(jié)果如表4。

表4 主客觀綜合評價權(quán)重Table 4 Weight of subjective and objective comprehensive evaluation

3.5 等級評定

3.5.1 單維度關(guān)聯(lián)度

單維度關(guān)聯(lián)度計算如式(9)：

(9)

式中：kmj(pm)為第i個準(zhǔn)則層對第j個脆弱性等級的關(guān)聯(lián)度；kj(vi)為第i個準(zhǔn)則層對應(yīng)的第vi個指標(biāo)層對脆弱性等級j的關(guān)聯(lián)度；ωij為其相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。

3.5.2 綜合關(guān)聯(lián)度

綜合關(guān)聯(lián)度即是事物p關(guān)于等級j的關(guān)聯(lián)度，如式(10)：

(10)

根據(jù)隸屬度最大原則進(jìn)行綜合等級評價。若有kj=maxkj(p)，則評定p屬于等級j。結(jié)合式(9)～(10)，可得到青島市道路網(wǎng)絡(luò)脆弱性結(jié)果，如表5。

表5 青島市道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價結(jié)果Table 5 Evaluation results of road traffic network vulnerabilityin Qingdao

由表5可知，k4=maxk4(p) =0.059 1，青島市道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性等級評價為Ⅳ，道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性等級相對較高。其中，青島市基礎(chǔ)設(shè)施處于Ⅲ級，服務(wù)水平屬于Ⅳ級，政府監(jiān)管職能屬于Ⅰ級。

政府監(jiān)督職能等級處于Ⅰ級，說明政府對道路交通網(wǎng)絡(luò)重視度較高，制定了合適的規(guī)章政策，在此后發(fā)展中需繼續(xù)保持；基礎(chǔ)設(shè)施等級為Ⅲ級，屬于中間狀態(tài)，但是Ⅱ級為0.062 6，說明有基礎(chǔ)設(shè)施等級有向Ⅱ級發(fā)展趨勢，需要加強(qiáng)交通基礎(chǔ)設(shè)施投資，實際上，青島市政府對交通設(shè)施投資年均增長15%，因此是符合現(xiàn)實的；服務(wù)水平等級屬于Ⅳ級，該指標(biāo)主要評價道路擁擠狀態(tài)等，說明路口渠化率較低，且高峰期交叉路口阻塞率較高，青島市道路擁擠狀態(tài)比較嚴(yán)重，因而造成服務(wù)水平指標(biāo)對路網(wǎng)的整體脆弱性影響較大。總體來說，青島市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和政府監(jiān)管職能基本實現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展，道路服務(wù)水平指標(biāo)所對應(yīng)的方面還有待進(jìn)一步提高。

4 結(jié) 論

筆者在分析道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性影響因素基礎(chǔ)上，選取基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)水平和政府職能監(jiān)督作為評價因子，構(gòu)建了道路交通脆弱性指標(biāo)評價體系，采用物元模型與云模型相結(jié)合的云物元模型，并給出了具體的評估步驟。

同時，筆者選取主觀賦權(quán)(專家打分法)與客觀賦權(quán)(熵權(quán)法)融合方法確定權(quán)重，對青島市道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性進(jìn)行評價，得到該地區(qū)脆弱性水平為“Ⅳ”，說明青島市整體脆弱性偏高，結(jié)果與事實相符。云物元模型考慮了各指標(biāo)因素總體和動態(tài)關(guān)聯(lián)性，計算相對簡單方便，實用有效。同時基于該方法的道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價結(jié)果，可給出更為具體地針對性整改措施，進(jìn)而有效改善道路交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。

在未來的發(fā)展規(guī)劃中，為降低道路交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性，需要提高路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，大力發(fā)展軌道交通、公共交通，增加交通基礎(chǔ)設(shè)施投資的同時，還要采取提高交叉口服務(wù)質(zhì)量、限號、收費(fèi)等手段進(jìn)行管控。