居民出行成本影響因素的改進解釋結構模型研究

章錫俏，袁亞龍，孫志超

(哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

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居民出行成本影響因素的改進解釋結構模型研究

章錫俏，袁亞龍，孫志超

(哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

出行成本作為交通管理者調整居民出行結構的一項經濟杠桿，在交通需求管理中發揮重要作用。從系統科學的思維角度和理論出發，在界定影響居民出行成本的10項影響因素的基礎上，通過改進的解釋結構模型得到影響因素之間的主次關系與層級關系。結合改進的解釋結構模型的分析結果，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系的理解。最后根據因素間的遞階關系有向圖，給出了調整居民出行成本，優化交通結構的建議。

交通運輸工程；出行成本；改進的解釋結構模型；遞階關系

0 引 言

通過改善居民可以感知的出行成本，優化交通出行結構，從根源上緩解交通擁堵，已經成為交通領域研究的熱點之一。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[3]、經濟方法調節出行成本[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，筆者試圖通過系統科學的角度去建立相應的改進解釋結構模型，研究居民出行成本影響因素之間的相互關系。

通過分析發現，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系，這為進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上界定影響居民出行成本的10個因素，應用模糊數學的知識，求出因素之間的關系鄰接矩陣；通過構建居民出行成本的改進解釋結構模型，明確影響因素之間的主次關系與層級關系，通過系統科學的方法加深了對于出行成本的理解程度，為調整居民出行成本，優化交通結構提供建議。

1 改進解釋結構模型

1.1 改進解釋結構模型描述

解釋結構模型(Interpretive Structural Model，ISM)是結構化模型技術的一種，由美國J·N·沃菲爾德教授于1973年作為分析復雜的社會經濟系統結構問題而開發的一種方法。由于系統因素之間的模糊關系，為了提高因素關系確定的準確性，改進的ISM引入模糊數學中模糊矩陣的概念，實現ISM中的因素關系確定從定性分析到定量分析的轉變，使分析結果更加合理與準確[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系，因此可以使用改進的解釋結構模型對居民出行成本的影響因素進行研究。

1.2 建立改進解釋結構模型步驟

改進解釋結構模型可以在建立目標明確錯綜復雜的大型系統時，整理并且統一各種不同的意見。改進解釋結構模型的具體建模步驟如下：

1)明確研究問題的目標并確定有關的影響因素；

2)組織專家小組成員對所有的影響因素Si與Sj進行兩兩之間的關聯程度評分，分數在0～1之間，并根據專家評分結果，建立模糊鄰接關系矩陣F；

3)根據實際情況，選取模糊隸屬度函數，計算關聯強度矩陣B；

4)確定閾值λ，推導鄰接矩陣A0并且計算可達矩陣M；

5)對可達矩陣M進行分解。通過可達矩陣的區級間劃分和強連通塊劃分，確定系統骨架矩陣A′；

6)繪制系統多級遞階有向圖。根據步驟5得到的骨架矩陣繪制多級遞階有向圖，最后進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行改進的解釋結構模型構建，并給出重要步驟的計算結果與解釋說明。

2 居民出行成本影響因素

任何系統都是由兩個及其以上的相互聯系、相互作用的要素組成的一個有機整體[8]。設系統由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，復雜的結構體，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，結合現有的影響因素和先驗知識，參考相應的文章以及工程經驗[9-11]，對影響居民出行成本的因素進行歸納總結，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 關聯因素評分，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系，在改進的ISM中把表示系統元素之間相互的0-1二元關系轉換成二元模糊關系。在對系統各要素之間關系的確定時，專家就可根據個人的經驗與認識，確定要素之間關聯程度，而不是絕對的確定其是否存在關聯關系。

通過向交通工程、道路工程與管理工程的專家發送電子郵件，進行專家打分評價，請專家執行步驟2，初步判斷10項因素之間的影響關系大小，共發送電子問卷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行統計學檢驗，其中克朗巴赫系數α= 0.74，KMO= 0.70，達到了統計學的檢驗標準，證明專家問卷可信。使用平均法統計因素模糊關聯矩陣F，見表2。

表2 因素模糊關聯矩陣

3 建立改進的解釋結構模型

3.1 選取模糊隸屬度函數，確定關聯強度矩陣

選取隸屬度函數，如式(1)，計算得到關聯強度矩陣B，關聯強度矩陣B的實質是聚類的過程，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對關聯強度矩陣B進行篩選，閾值λ的選取越小，則系統劃分的越粗；選取的越大，則劃分的越細。系統劃分得過細與過粗都將影響到系統的總體性能，因此取值要適當。通過實驗方法，選取閾值λ=0.08。結合關聯強度矩陣B，根據式(2)得到的鄰接矩陣A0：

(2)

將系統的目標出行成本作為第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，在不影響結果的同時，方便后續的運算。

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，出行時間等相關因素已知的假設上面進行建立，故出行成本作為系統的總目標，對于這些因素的影響可以忽略不計。

3.2 可達矩陣與骨架矩陣的求解

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

(A1)1≠(A1)2≠(A1)3≠…≠(A1)r=(A1)r+1

(3)

由可達矩陣可知，{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′中的越級二元關系與反身性關系，得到系統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的可達集合Ri和先行集Ai，使用判斷條件式(6)進行分級，最后通過骨架矩陣得到劃分結果，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 層級劃分結果

3.4 多級遞階結構模型繪制

根據對可達矩陣的分解結果，得到不同層次的因素及其關系，通過繪制多級遞階結構模型，還原被縮減掉的因素，將有向圖轉化為更容易理解的解釋結構模型，給出出行成本影響因素的遞階結構模型。

參照上述骨架矩陣A′與層級劃分結果，按照區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，可得到層次結構圖，見圖1。通過圖1可以詳細分析各級別要素間的相互關系。

圖1 層次結構Fig. 1 Hierarchal structure

將系統影響因素的名稱代入到層次結構圖中，于是得到出行成本多層遞階解釋結構模型，見圖2。

圖2 出行成本多層遞階解釋結構模型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部的關系進行連接。

4 模型解釋

根據多層遞階解釋結構模型，出行成本的影響因素大致可以分為4個層次。結合出行成本現狀，對這個層次結構做出解釋分析。

第1層次包括出行費用、車輛設施、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的，容易自成一個封閉的系統。結合出行成本現狀來看，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，通過相應的管理手段直接影響第1層因素，可以達到較為顯著地調整居民出行成本效果。另外，由于因素之間的強連通性，通過調整一個因素往往達不到整體改觀的作用，故需要對于第1層次的因素整體進行改進才會達到預期的效果。

第2層包括出行擁擠度與駕駛員態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，會根據先驗的知識或者已體驗的出行服務，在心理上產生一種判斷，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?？梢姌淞⒔煌ǚ绞降姆招蜗蟆⒏纳平煌ǖ姆窄h境、改變居民的出行態度，對降低居民的出行感知成本，進而減少居民的實際出行成本至關重要。

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，通過出行方式進行連接。通過交通方式的形式，具體體現出二者的特性。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，達到調整交通結構的目的。

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。交通管理者應該首先明確所要調整的人群的屬性，針對特定的人群制定相應的管理措施。例如對于以通勤出行為主要目的的不同收入居民，應該根據其出行特性，制定擁擠收費政策或者為通勤乘客提供專線快車服務等，以達到社會福利最優的目標。

5 結 論

通過改進的解釋結構模型，對出行成本的影響因素進行分析。建立出行成本系統解釋結構模型，探討影響出行成本的各因素的結構層次關系，為出行成本的計算，調整與改進提供了新思路。

1)出行成本的解釋結構模型為出行成本的統計模型提供了良好可靠的理論結構模型基礎。缺少理論基礎的統計模型并沒有實際意義，本模型從系統學的視角出發，通過模糊數學的處理，在保留因素之間豐富信息的基礎上，整理因素之間的相互關系。為結構方程模型等數理統計模型的載荷因子標定提供可靠的初始模型基礎。

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

3)為改善公共交通服務質量，吸引潛在的公交需求者提供理論指導。通過層次分析結果中的可量化的硬性指標與心理感知的軟性指標的分類，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，找到服務短板，從全局入手，系統地改善公交服務質量。

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(責任編輯：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劃與管理方面的研究。E-mail：tonnyuan@126.com。

U491

A

1674-0696(2017)07-101-05