城市道路交通網絡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 經濟管理學院，山東 青島 266590； 2. 山東科技大學 數學與系統科學學院，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術界致力探討和解決的問題，而穩健的城市道路交通網絡則是保障居民順暢出行和緩解交通擁堵的有效手段之一。交通系統是由“人-車-路”組成的復雜系統，路網中某些節點或路段可靠性系數較低，時有交通擁擠、安全事故等發生，會對居民出行造成不同程度的影響。評價路網脆弱性有助于識別城市道路網絡中的脆弱路段，并對應急管理系統提供理論指導，故研究道路交通網絡脆弱性對緩解交擁擠、提高路網服務水平有著重要意義。

道路交通網絡脆弱性概念是由K.BERDICA[1]最早提出，他認為道路交通網絡是“易受影響的”、“敏感的”，脆弱性體現為受突發事件影響后導致路網服務水平下降的屬性。目前國內外學者對脆弱性研究大都集中在指標構建上。雖未形成統一指標，但總體上將脆弱性指標分為3大類，即：靜態指標、動態指標和混合指標[2-13]。目前，很多學者采用物元模型、云模型等方法進行等級評價[14-19]。其中，黃勇輝等[14]利用可拓學理論對城市道路交通管理可持續發展進行評價；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行實證分析；李小靜等[19]利用云理論和雷達圖評價了路網可靠度。

縱觀現有研究，將物元模型和云模型相結合的云物元模型應用已相對成熟，但缺乏將云物元模型運用到城市道路網絡評價方面的應用研究。筆者通過構建綜合考慮道路交通網絡的基礎設施、服務水平及交通管理部門監管職能指標體系，將物元模型與云理論相結合，建立了可實現定性分析與定量分析的云物元模型，并采用主觀賦權與客觀賦權相結合的確定綜合權重，用來評價城市道路交通網絡脆弱性等級。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

青島市位于山東半島藍色經濟區的核心位置，經濟發展迅速，但是隨之而來的環境污染、交通擁擠等問題日益嚴重。據2016年統計數據顯示：青島市常住人口920.4萬人，機動車保有量233.9萬輛；根據相繼公布的《青島市城市軌道交通近期建設規劃(2013—2018年)》和《青島市“十三五”城市道路基礎設施建設規劃》顯示：規劃城市快速路、新建或改建主干路、新建或改建立交節點、建設獨立公共停車泊位、實施市區“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。青島市整體交通設施現狀較發達城市稍顯滯后，盡管公交覆蓋率較高，但高峰時段道路擁堵較為嚴重。

1.2 指標體系與數據來源

城市交通路網脆弱性是評價道路運行狀態的重要標志之一。評價道路網絡脆弱性需要將動態及靜態指標相結合的方式進行分析，靜態指標包括密度指標和路網級配比例等；動態指標包括交叉口阻塞率和高峰時段車速等。因此，筆者認為其主要影響因素為：道路網絡基礎設施、政府監管和路網服務水平?；诖?，筆者依據文獻[20]并兼顧以上原則選取合適指標，構建文中城市交通網絡脆弱性指標體系，見表1。

表1 城市道路交通網絡脆弱性評價指標體系Table 1 Evaluation index system of vulnerability of urban road trafficnetwork

筆者以青島市中心城區數據為主，采用科學性定量評價與專家經驗判斷相組合方法，根據《青島市統計年鑒(2016)》和《山東省統計年鑒(2016)》獲得基礎設施等數據；服務水平中所涉及阻塞率和平均車速等指標則是由青島市公安交通信息出行網獲取；交通影響評價和交通綜合協調機構等指標采取專家打分法獲得。

2 評價模型

影響城市路網脆弱性的因素眾多，對其進行評價也是一個復雜過程。云物元模型是在修正物元模型[21]和云模型[22]不足基礎上，實現定性分析與定量分析相結合的綜合評價方法。通過云物元模型構建路網脆弱性評價指標體系，綜合反映路網狀態。

物元分析理論將有序3元組(事物N、特征C、量值V)相結合，從而形成可表現事物的基本元，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特優勢，將V值用正態云(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絡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隨機性，其值越大，表示不確定性越大。

云物元模型實質是將物元模型與云模型相結合，采用云模型對物元進行重新構造，首先通過一般物元方法，對待評價事物進行描述和分析。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體系(2012版)》中對相關指標規定范圍為標準，建立起青島市道路交通網絡脆弱性等級評價區間，如表2。道路交通網絡脆弱性評價，將Rcloud分為Ⅰ(最弱)、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ(最強)這5個等級。

表2 青島市道路交通網絡脆弱性評價等級區間Table 2 Grade interval of road traffic network vulnerabilityevaluation in Qingdao

(續表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 評價指標等級界限標準云確定

將區間值對道路交通網絡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性和模糊性并對其進行適度擴展，再通過區間數值與正態云模型轉換關系計算出路網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，可結合相應指標模糊性和隨機性進行調整。

最后得到青島市道路交通網絡脆弱性指標正態云標準，如表3。

表3 青島市道路交通網絡脆弱性指標正態云標準Table 3 Normal cloud criteria of road traffic network vulnerability index in Qingdao

3.3 脆弱性等級關聯度

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

1)產生一個均值為En、標準差為He的正態隨機數E′n；

2)令該確定性數值為xi，則(xi,μi)稱為云滴；

3)計算關聯度，如式(4)：

(4)

k為數值xi屬于這個云的確定度，即該數值表示事物指標與這個云表示事物指標之間的關聯度。

k=

3.4 綜合權重

筆者采用客觀和主觀賦權法組合的方法進行權重確定。其中：客觀賦權法采用熵值法，該方法可剔除指標體系中對評價結果貢獻率較小的指標。計算步驟如下：

1)計算出指標值xij在指標j下的權重，如式(5)：

(5)

2)計算指標j的熵值，如式(6)：

(6)

3)熵權的確定，如式(7)：

(7)

式中：pij為每種狀態出現的概率，即j項在i項中的指標值比重；xij為指標值；ej為i指標的熵值；ωj為j指標的熵權。

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

λj=αωj+(1-α)φj

(8)

式中：α為主觀偏好系數，α∈[0, 1]，文中α=0.6。

則青島市綜合權重結果如表4。

表4 主客觀綜合評價權重Table 4 Weight of subjective and objective comprehensive evaluation

3.5 等級評定

3.5.1 單維度關聯度

單維度關聯度計算如式(9)：

(9)

式中：kmj(pm)為第i個準則層對第j個脆弱性等級的關聯度；kj(vi)為第i個準則層對應的第vi個指標層對脆弱性等級j的關聯度；ωij為其相應的指標權重。

3.5.2 綜合關聯度

綜合關聯度即是事物p關于等級j的關聯度，如式(10)：

(10)

根據隸屬度最大原則進行綜合等級評價。若有kj=maxkj(p)，則評定p屬于等級j。結合式(9)～(10)，可得到青島市道路網絡脆弱性結果，如表5。

表5 青島市道路交通網絡脆弱性評價結果Table 5 Evaluation results of road traffic network vulnerabilityin Qingdao

由表5可知，k4=maxk4(p) =0.059 1，青島市道路交通網絡脆弱性等級評價為Ⅳ，道路交通網絡脆弱性等級相對較高。其中，青島市基礎設施處于Ⅲ級，服務水平屬于Ⅳ級，政府監管職能屬于Ⅰ級。

政府監督職能等級處于Ⅰ級，說明政府對道路交通網絡重視度較高，制定了合適的規章政策，在此后發展中需繼續保持；基礎設施等級為Ⅲ級，屬于中間狀態，但是Ⅱ級為0.062 6，說明有基礎設施等級有向Ⅱ級發展趨勢，需要加強交通基礎設施投資，實際上，青島市政府對交通設施投資年均增長15%，因此是符合現實的；服務水平等級屬于Ⅳ級，該指標主要評價道路擁擠狀態等，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比較嚴重，因而造成服務水平指標對路網的整體脆弱性影響較大。總體來說，青島市基礎設施建設和政府監管職能基本實現協調發展，道路服務水平指標所對應的方面還有待進一步提高。

4 結 論

筆者在分析道路交通網絡脆弱性影響因素基礎上，選取基礎設施、服務水平和政府職能監督作為評價因子，構建了道路交通脆弱性指標評價體系，采用物元模型與云模型相結合的云物元模型，并給出了具體的評估步驟。

同時，筆者選取主觀賦權(專家打分法)與客觀賦權(熵權法)融合方法確定權重，對青島市道路交通網絡脆弱性進行評價，得到該地區脆弱性水平為“Ⅳ”，說明青島市整體脆弱性偏高，結果與事實相符。云物元模型考慮了各指標因素總體和動態關聯性，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絡脆弱性評價結果，可給出更為具體地針對性整改措施，進而有效改善道路交通網絡的運行狀態。

在未來的發展規劃中，為降低道路交通網絡脆弱性，需要提高路網運行狀態，大力發展軌道交通、公共交通，增加交通基礎設施投資的同時，還要采取提高交叉口服務質量、限號、收費等手段進行管控。