基于AHP的高速公路智能交通管理系統(tǒng)模糊綜合評價*

封春房 董開帆 李志林

1. 公安部交通管理科學(xué)研究所 2. 現(xiàn)代城市交通技術(shù)江蘇高校協(xié)同創(chuàng)新中心

引言

高速公路在促進經(jīng)濟增長、改善投資環(huán)境、有效配置資源等方面發(fā)揮了重要作用，但高速公路交通安全形勢仍不容樂觀，2017年，高速公路發(fā)生較大以上交通事故178起，占總數(shù)的26.2%，高速公路發(fā)生交通事故死亡人數(shù)占總數(shù)的9.01%[1]。為有效緩解高速公路交通管理面臨的壓力，各地紛紛加強了高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)對轄區(qū)內(nèi)道路交通的指揮、控制、服務(wù)[2]。高速公路智能交通管理系統(tǒng)作為公安交通指揮系統(tǒng)概念的提升和擴展，是極具中國特色的公安交通指揮系統(tǒng)在內(nèi)涵和外延上的擴充[3]。但是，由于各地經(jīng)濟和科技發(fā)展水平不一，高速公路智能交通管理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用水平參差不齊，存在盲目跟風(fēng)建設(shè)的現(xiàn)象，亟需在全面了解高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對其做出專業(yè)和客觀的評價，可以更有針對性地指導(dǎo)各地高速公路智能交通管理系統(tǒng)的建設(shè)，提高各地系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用水平。

本文將結(jié)合我國智能交通管理系統(tǒng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從標(biāo)準(zhǔn)符合性的角度，對高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用水平進行綜合評價，為各地高速公路智能交通管理系統(tǒng)的發(fā)展提供指引。

一、綜合評價指標(biāo)體系

為使選擇的評價指標(biāo)具有代表性、可操作性，本文將從系統(tǒng)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)符合性出發(fā)，重點參照《公安交通指揮系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》、《道路交通信息監(jiān)測記錄設(shè)備設(shè)置規(guī)范》[18]等現(xiàn)有的ITMS標(biāo)準(zhǔn)選取評價指標(biāo)，將高速公路智能交通管理系統(tǒng)劃分為指揮中心、中心應(yīng)用平臺、交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)、交通違法行為監(jiān)測記錄系統(tǒng)、交通信息發(fā)布系統(tǒng)、道路車輛智能監(jiān)測記錄系統(tǒng)、管理維護、其他應(yīng)用系統(tǒng)、單警裝備等九個一級指標(biāo)項，具體如表1所示。

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二、ITMS評價層次分析

采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[19]確定高速公路智能交通管理系統(tǒng)的各組成子系統(tǒng)對于高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用水平綜合評價的權(quán)值。

（一）建立評價層次模型

高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用評價指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)分為目標(biāo)層（A）、準(zhǔn)則層（B）和方案層（C）三個層次。目標(biāo)層為高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用評價，準(zhǔn)則層為9個子項，方案層包括21個評價指標(biāo)，每個子項對應(yīng)不同的評價指標(biāo)，如指揮中心評價子項包括中心大廳、機房、分控中心、安全性能等4個指標(biāo)[19]，具體如圖1所示。

（二）構(gòu)造判斷矩陣

建立起層次結(jié)構(gòu)之后，對于上一層次有關(guān)因素的相對重要性，各因素指標(biāo)之間兩兩比較判斷，構(gòu)造判斷矩陣，通常采用T. L. Saaty建議的1~9標(biāo)度法。具體采用與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?、技術(shù)人員、實戰(zhàn)單位人員面談和問卷調(diào)查的方式，廣泛征求高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用評價指標(biāo)項和相對重要性。準(zhǔn)則層包括指揮中心（B1）、中心應(yīng)用平臺（B2）、交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)（B3）、交通違法行為監(jiān)測記錄系統(tǒng)（B4）、交通信息發(fā)布系統(tǒng)（B5）、道路車輛智能監(jiān)測記錄系統(tǒng)（B6）、管理維護（B7）、其他應(yīng)用系統(tǒng)（B8）、單警裝備（B9）9個子項，得到九階判斷矩陣。

同理，可得到各方案層判斷矩陣，指揮中心（B1）方案層、中心應(yīng)用平臺（B2）方案層為四階判斷矩陣，管理維護（B7）方案層為三階判斷矩陣，交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)（B3）方案層、交通違法行為監(jiān)測記錄系統(tǒng)（B4）方案層、交通信息發(fā)布系統(tǒng)（B5）方案層、道路車輛智能監(jiān)測記錄系統(tǒng)（B6）方案層為二階判斷矩陣，其他應(yīng)用系統(tǒng)（B8）方案層、單警裝備（B9）方案層為一階判斷矩陣。實際中，一階、二階判斷矩陣具有完全一致性，其余判斷矩陣則需進行一致性檢驗。

（三）層次單排序

理論上講，層次單排序計算問題可歸結(jié)為計算判斷矩陣的最大特征根及其特征向量的問題。研究采用矩陣最大特征根及其對應(yīng)特征向量的方根法計算權(quán)重值[20]。經(jīng)過計算，高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用評價準(zhǔn)則層λmax=9.666，指揮中心（B1）方案層λmax=4.1086，中心應(yīng)用平臺（B2）方案層λmax= 4.2688， 管理維護（B7）方案層λmax=3。

（四）判斷矩陣一致性檢驗

建立判斷矩陣時，由于主體認(rèn)識的多樣性以及客觀事物的復(fù)雜性，判斷矩陣不可能具有完全一致性。設(shè)最大特征根為λmax，判斷矩陣為n階，則有度量判斷矩陣偏離一致性的指標(biāo)CI（Consistency Index）。

式（2）中：

CI——判斷矩陣一致性指標(biāo)；

λmax——判斷矩陣的最大特征值；

n— —判斷矩陣的階數(shù)。

當(dāng)判斷矩陣的階數(shù)n較大時，則引入隨機一致性指標(biāo)RI（Random Index）進行修正，常見的RI數(shù)值如表2所示，經(jīng)修正的一致性指標(biāo)用CR表示。

式（3）中，RI為隨機一致性指標(biāo)，當(dāng)CR＜0.1時，排序結(jié)果具有滿意一致性，否則需調(diào)整判斷矩陣的元素值。

經(jīng)過計算，高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用評價準(zhǔn)則層CR=0.0574＜0.1，指揮中心（B1）方案層CR=0.0402＜0.1，中心應(yīng)用平臺（B2）方案層CR=0.0996＜0.1，管理維護（B7）方案層CR=0＜0.1，表明判斷矩陣的結(jié)果可以接受。

依次沿階梯層次結(jié)構(gòu)逐層計算，即可計算出底層因素相對于高層的相對重要性或者相對優(yōu)劣的排序值。具體如表3所示，其中w、h表示各指標(biāo)所占的權(quán)重。

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三、模糊綜合評價

利用模糊綜合評價方法重構(gòu)評價模型，其基本思想是在確定評價指標(biāo)的綜合權(quán)重值的基礎(chǔ)上，運用模糊集合的變換原理，以隸屬度描述各評價指標(biāo)的模糊界限，構(gòu)造模糊評價矩陣，通過多層的復(fù)合運算，最終確定評價對象的綜合分值和所屬等級[21]。

（一）確定評價因素集

將高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用水平分為五類，分別為較差、一般、中等、良好、優(yōu)秀，即評價集U={較差，一般，中等，良好，優(yōu)秀}，選擇三角形函數(shù)來表達隸屬函數(shù)[22]，對應(yīng)評價集確定的隸屬函數(shù)如下：

式（4）～式（8）中，表示方案層各評價指標(biāo)（C1～C21）的實際得分。

（二）一級綜合評判

評價項目分為準(zhǔn)則層9個子項、方案層21個評價指標(biāo)。對應(yīng)的權(quán)重如表2所示，其中w1, w2, …,w9為準(zhǔn)則層9個子項的權(quán)重，h1, h2, …,h21為方案層21個評價指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)具體得分情況和隸屬函數(shù)，得到一級綜合評判矩陣J=[J1, J2, …,J9] 。R1, R2, …,R9表示準(zhǔn)則層9個子項評價指標(biāo)對評判等級的隸屬程度所得到的評判矩陣。本文中評語級為5級，矩陣均為5列矩陣，行數(shù)為準(zhǔn)則層子項包含的方案層評價指標(biāo)數(shù)量。

以R1為例：

式（9）中，rij表示方案層第i個評價指標(biāo)的實際得分根據(jù)上述隸屬函數(shù)的計算所得到的對評判等級的隸屬程度。

一級綜合模糊評判為：

以Ji為例：

（三）二級綜合評判

將一級綜合判斷矩陣構(gòu)造為二級綜合判斷矩陣。

（四）模糊綜合計算

歸一化處理，將模糊評語轉(zhuǎn)化為總得分，對評價集中各元素賦予相應(yīng)的分值。本文中給定各評價因素的分值分布為{優(yōu)秀=90，良好=80，中等=70，一般=60，較差=50}，根據(jù)式（13）計算高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的綜合得分，確定所屬等級。

四、實例分析

本文選取韶關(guān)市高速公路智能交通管理系統(tǒng)作為評價對象，包括京港澳高速公路韶關(guān)北段和樂廣高速公路韶關(guān)段。研究人員對韶關(guān)市高速公路智能交通管理系統(tǒng)進行了調(diào)研，在核實資料、現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合建設(shè)和應(yīng)用的實際情況對各評價指標(biāo)進行打分，具體打分情況如表4所示。

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（1）根據(jù)具體得分情況，利用隸屬度函數(shù)，計算各指標(biāo)的隸屬度。

（2）構(gòu)造一級綜合評判矩陣，經(jīng)計算：

形成一級綜合判斷矩陣

（3）構(gòu)造二級綜合判斷矩陣

（4）得到綜合得分和所屬等級

韶關(guān)市高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用評價總得分為70.8分∈[70,80]，為中等水平，基本符合系統(tǒng)使用者的評價期望。

五、結(jié)語

本文提出了符合中國特色的高速公路智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用評價指標(biāo)體系，通過層次分析法和模糊綜合評價法，構(gòu)建了高速公路智能交通管理系統(tǒng)評價模型，并在河北、廣東兩省公安交管部門組織的全省智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用評價中進行了實際應(yīng)用。

評價完成后，兩省各級政府及公安交管部門均看到自身在智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用中的不足，紛紛進行了系統(tǒng)的升級改造工作，包括補充建設(shè)違法抓拍設(shè)備、建設(shè)交通動態(tài)信息采集系統(tǒng)、構(gòu)建完善信息傳輸網(wǎng)絡(luò)、升級改造交通指揮中心等，智能交通管理系統(tǒng)的建設(shè)水平得到了較大提高；同時，各地結(jié)合本地實際情況，制定了相應(yīng)的工作規(guī)范和工作流程，智能交通管理系統(tǒng)的應(yīng)用水平也得到了較大改善?？傊?，各地在公安交通科技建設(shè)中均取得了豐碩成果，有效提高了交警的指揮調(diào)度和應(yīng)急處置能力，提升了高速公路交通管理水平，降低了交通事故發(fā)生率。

應(yīng)用結(jié)果表明，本文構(gòu)建的評價方法可操作性較強，可用于客觀合理地評價高速公路智能交通管理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用水平。