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(píng)價(jià)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(guó)家自然基金項(xiàng)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(duì)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(shí)間可達(dá)性和綜合交通環(huán)境影響3個(gè)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(shí)間、周邊路段飽和度等10個(gè)指標(biāo)，同時(shí)利用熵權(quán)法計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重對(duì)蘭州西站城市交通可達(dá)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)研究

0引言

截止到2014年底，我國(guó)已運(yùn)營(yíng)高速鐵路里程達(dá)1.3萬(wàn)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(kāi)通的高速鐵路線高峰期發(fā)車間隔都在半小時(shí)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(duì)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(duì)客運(yùn)站進(jìn)行城市交通可達(dá)性評(píng)價(jià)。隨著蘭新高鐵于2014-12-26全線開(kāi)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(gè)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(duì)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(guó)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(wèn)題，多用來(lái)進(jìn)行多因子評(píng)價(jià)。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(xiǎn)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的評(píng)價(jià)[1，4，5，6]。熵值法[4，6，7]能比較客觀地對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)取權(quán)重，能夠避免層次分析法等方法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)值時(shí)主觀性較強(qiáng)而影響評(píng)價(jià)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(duì)各個(gè)指標(biāo)賦予權(quán)重，對(duì)蘭州西站建成后的城市交通可達(dá)性做出了評(píng)價(jià)。

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(píng)對(duì)象的經(jīng)典域可以表示為Rj=(Nj，Ci，Vji)，其中Rj為待評(píng)對(duì)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(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，Ci代表第i(i=1，2，…，n)個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。所以，待評(píng)對(duì)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(píng)價(jià)等級(jí)j中第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值范圍，即是經(jīng)典域。

同樣的，待評(píng)對(duì)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(píng)對(duì)象的所有評(píng)價(jià)等級(jí)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(píng)對(duì)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(píng)物元的模，|V0|=|a0，b0|。

1.4　計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度確定評(píng)價(jià)等級(jí)

待評(píng)對(duì)象Nv(v=1，2，3，…，n)關(guān)于等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(Nv)為：

(5)

式中：Kj(Nv)——待評(píng)對(duì)象Nv關(guān)于等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度；

kj(vi)——待評(píng)對(duì)象Nv關(guān)于等級(jí)j的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度；

λf——為待評(píng)對(duì)象的第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

若

Kji=max[kj(vi)]，j=1，2，…m

(6)

則待評(píng)對(duì)象第i指標(biāo)屬于待評(píng)對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)j。

Kjv=max[Kj(Nv)]，j=1，2，…m

(7)

則待評(píng)對(duì)象Nv屬于待評(píng)對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)j。

1.5　確定各項(xiàng)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?tīng)柗品?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(xiàng)指標(biāo)的值變異程度越大時(shí)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(guò)考察各項(xiàng)指標(biāo)的變異程度來(lái)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重主觀性較少，為多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)提供相對(duì)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(píng)價(jià)等級(jí)歸屬度；

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

1.5.2計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)的選取及其詮釋

客運(yùn)站的城市交通可達(dá)性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)涵蓋影響城市交通可達(dá)性的主要因素的同時(shí)也應(yīng)選取有代表性的特殊情況，以提高可達(dá)性評(píng)價(jià)的全面性。但是也應(yīng)當(dāng)注意所選取的指標(biāo)不應(yīng)過(guò)于細(xì)化、繁雜，這樣不但提高了計(jì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)以經(jīng)由火車站的公共交通線路數(shù)和評(píng)價(jià)車輛可達(dá)性的道路銜接數(shù)為主。另外一個(gè)值得考慮的因素是長(zhǎng)途汽車和火車的換乘問(wèn)題，因?yàn)楣愤\(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(zhǎng)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(zhǎng)途汽車站離火車站的距離作為評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)對(duì)象，公共交通作為城市主要出行方式特別是針對(duì)去往火車站這種外來(lái)人口占比較大的出行流其重要地位更加突出。而且通過(guò)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(lái)的問(wèn)題也多選擇公共交通出行。因此這兩項(xiàng)指標(biāo)是可達(dá)性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。文章對(duì)經(jīng)由線路數(shù)的定義指的是在火車站設(shè)置停靠站點(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(shí)火車站銜接的城市干道數(shù)量還會(huì)影響周邊道路飽和度、緊急疏散能力等多個(gè)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(píng)價(jià)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(guó)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(guó)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(guó)家公路網(wǎng)的不斷完善，國(guó)道及其以上公路對(duì)縣一級(jí)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(shí)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(shí)間點(diǎn)的選擇大大提高，周邊縣市出行人員完全能搭乘長(zhǎng)途汽車再換乘合適時(shí)間的高鐵車次。長(zhǎng)途汽車換乘高鐵列車成了一個(gè)不可忽視的因素，因此把長(zhǎng)途汽車站離火車站的距離納入評(píng)價(jià)指標(biāo)是很必要的。

2.2　時(shí)間可達(dá)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

時(shí)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(shí)效性，隨著現(xiàn)代社會(huì)節(jié)奏越來(lái)越快、效率越來(lái)越高，這一指標(biāo)占據(jù)的分量也越來(lái)越重。由于城市軌道交通公司對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)率要求非常嚴(yán)格并多以此作為對(duì)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(yíng)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(shí)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(shí)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(shí)間可靠性直接影響了城市交通的時(shí)間可達(dá)性，而時(shí)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(shí)間兩方面，因此選取了這兩項(xiàng)作為評(píng)價(jià)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(shí)間、等待時(shí)間和不確定性因素耗時(shí)，因此平均換乘次數(shù)是客運(yùn)站時(shí)間可達(dá)性評(píng)價(jià)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(shí)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(shí)間可達(dá)性指標(biāo)主要表現(xiàn)為出租車平均等待時(shí)間。

2.3　綜合交通環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜合交通環(huán)境或直接或間接都對(duì)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(guò)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(guò)街設(shè)施分為立體過(guò)街設(shè)施(人行天橋、人行地道)、平面過(guò)街設(shè)施(燈控人行橫道、人行橫道)，一般來(lái)說(shuō)對(duì)立體過(guò)街設(shè)施的評(píng)價(jià)應(yīng)大于平面過(guò)街設(shè)施，特別是對(duì)火車站周邊干路來(lái)說(shuō)路段飽和度較高更應(yīng)該偏向于立體過(guò)街設(shè)施。文章選取蘭州西站周邊路段的行人過(guò)街設(shè)施作為評(píng)價(jià)對(duì)象來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(jí)劃分，評(píng)價(jià)方法是考察各種過(guò)街設(shè)施所占比例及數(shù)量，通過(guò)對(duì)過(guò)街設(shè)施的換算數(shù)量與人流量對(duì)比看能否滿足過(guò)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(duì)周邊交通環(huán)境的影響越小，可達(dá)性也越好。

(3)停車場(chǎng)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(yíng)環(huán)境、政府交通政策等因素影響。參考文獻(xiàn)[13]中“社會(huì)車輛載客數(shù)基本為3.5人，各種車輛在停車場(chǎng)的停留時(shí)間以0.5 h最為適宜”，另外社會(huì)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(chǎng)泊位數(shù)量的計(jì)算可以按：

所需停車場(chǎng)泊位數(shù)=

計(jì)算。考察蘭州市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)狀況，去往蘭州西站旅客使用各類交通工具比重可按社會(huì)車輛20%、出租車15%、公交車35%、城市軌道交通30%計(jì)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(guò)前文對(duì)客運(yùn)站城市交通可達(dá)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，針對(duì)蘭州西站得出具體的指標(biāo)及指標(biāo)性質(zhì)(見(jiàn)表1)。

表1　蘭州西站交通可達(dá)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系表

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

經(jīng)典域確定了各評(píng)價(jià)等級(jí)的取值范圍是物元評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，能否準(zhǔn)確地劃分經(jīng)典域直接影響到評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。根據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)定及對(duì)各項(xiàng)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(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，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(píng)價(jià)的結(jié)果及分析

首先，根據(jù)式(1)、(4)可以計(jì)算出蘭州西站城市交通可達(dá)性各個(gè)指標(biāo)與各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)之間的關(guān)聯(lián)度，再通過(guò)式(6)可以確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬的評(píng)價(jià)等級(jí)，計(jì)算過(guò)程不再贅述，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　蘭州西站城市交通可達(dá)性評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度、評(píng)價(jià)等級(jí)表

表4　各評(píng)價(jià)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(jì)算來(lái)看，根據(jù)式(7)可以判斷蘭州西站的交通可達(dá)性與評(píng)價(jià)等級(jí)2級(jí)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(guò)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(shí)間和周邊路段飽和度這兩個(gè)指標(biāo)上還有所欠缺，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

4結(jié)語(yǔ)

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(duì)其城市交通可達(dá)性的評(píng)價(jià)能為政府、出行者提供經(jīng)驗(yàn)借

鑒。文章利用熵權(quán)物元模型對(duì)蘭州西站的城市交通可達(dá)性做出了評(píng)價(jià)，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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，因此將來(lái)有必要對(duì)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)。

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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(hào)：1673-4874(2015)12-0058-06

中圖分類號(hào)：U492.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.014

基金項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)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。