公交調度智能化水平評價指標體系構建

陳維亞，陳 鑫，章 雍，方曉平

（中南大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410075）

1 研究背景

公交調度優化合理是公交優先、提高運輸效率、緩解城市交通擁堵的有效途徑。隨著計算機網絡、云計算、人工智能等技術的不斷發展，國內外許多城市利用全球定位系統（GPS）、通用分組無線服務技術（GPRS）、地理信息系統（GIS）等先進技術產品先后建立了公交智能調度系統，公交運營調度智能化建設取得了迅速的發展［1-3］。公交調度智能化是一個由手工驅動的傳統調度模式向數據驅動的智能調度模式過度的過程，這是一個復雜的系統工程。而如何利用現有的先進技術發展公交企業調度智能化，以及為實現公交調度智能化還需要引入哪些技術，是我們亟待探索的問題。制定一套合理的公交調度技術智能化水平評價指標體系，能幫助公交企業定位自身運營調度的智能化水平，發現自身的優勢與不足，并為今后升級方向提供指導準則；與此同時，該指標體系能幫助政府對公交企業進行智能化考核，從而在分配城市公共交通資源時為決策提供科學依據。

縱觀國內外學者對公交智能調度評價理論方面的研究，主要集中在對公交智能調度運營效果評價指標的選取和評價方法的探討［4-6］，但公交調度技術智能化水平評價與公交智能運營調度評價不同，前者是衡量公交調度過程中調度技術的智能化發展水平，而后者是基于對公交企業運營調度結果的效益評價，兩者評價的角度不同，導致評價的指標差異較大。隨著先進技術的不斷發展，系統產品的智能水平在不斷提高，對于智能化水平的評價成為了國內外學者研究的熱點。針對智能化水平評價的研究，目前主要集中在兩方面：（1）廣義智能評價理論的研究。如劉東等［7］提出用1個定義、2個標準、3個規范來對智能系統的廣義智能定性評價；Vadinsky［8］提出用智商算法評估智能系統的廣義智能定量評價方法。（2）智能化水平評價的實踐運用。如Najmi 等［9］將能力成熟度評價模型（CMMI）運用到商務智能（BI）領域，并通過調查問卷收集指標數據，提出了銀行商務智能化水平評價指標體系；黃震等［10］將電網智能化劃分為信息化、自動化、互動化三大特征，同時結合電網智能化建設要求提出了電網智能化建設水平評價指標體系；劉東等［11］將廣義智能評價應用到家電智能標準中，從思維層面、感知層面、行為層面分別對應洗衣機控制器、傳感器和執行器來綜合評價洗衣機的智能化水平。

目前在城市智能化、國家電網智能化、工業制造智能化等領域都形成了較成熟的評價方法，而國內外對于公交調度智能化水平評價的研究還比較缺乏，導致公交行業無法定位自身智能調度的智能化水平，更難以作出具體的升級計劃的現狀。無論是公交企業評估和改進自身的調度智能化水平，還是政府或社會有效地配置公共交通資源，都需要一個科學有效的評價標準作為決策依據。因此，本文以中國城市客運標準化技術委員會［12］2015年制定的《城市公共交通智能化應用示范工程技術要求》（以下簡稱《技術要求》）中規定的公交智能調度技術為基礎，基于人工智能的角度構建了公交調度智能化水平的評價指標體系。首先對公交調度智能化水平的內涵加以闡釋；其次通過綜合運用文獻分析法提出初級評價指標，通過大規模問卷調查和主成分分析法進行定量篩選，并采用結構方程模型驗證指標體系的合理性，并確定權重，得到最終的評價指標體系。

2 公交調度智能化的內涵

正確認識公交調度智能化的內涵，有必要首先探討智能化的本質。至今為止，國內外學術界對于“智能化”的定義尚未達成共識。斯坦福大學的Nilsson［13］提出人工智能是關于知識的科學，即知識的表示、知識的獲取以及知識的運用。北京科技大學的劉東等［7］提出智能化是具有了某些擬人的智能特性或者采用了人工智能的理論、方法和技術。涂序彥［14］提出智能系統或者產品具有思維能力、自行為能力、感知能力的智能特性。綜合學者們的觀點，本研究認為智能化是指一個系統或產品通過使用人工智能理論或技術，使得其具備了知識的思維能力、自行為能力和感知能力。由此推斷，公交調度的智能化應該具備公交調度知識的思維能力、自行為能力和感知能力。

對于公交智能調度的技術要求，Li［1］提出了一個基于實時數據的公交調度優化控制系統，該系統包括數據采集、制定調度方案、遠程網絡監控、運營數據統計分析4項功能。《技術要求》中公交智能調度系統包括基礎信息管理、智能調度、運行監控、統計分析與輔助決策4個模塊［12］。隨著技術的發展，公交調度智能化逐漸聚焦于將大數據、定位技術等新技術運用到公交調度的數據采集、統計分析、調度規劃、運行監控等自身業務上，使公交調度具備自組織、自控制、自學習和自適應能力。因此，本研究中公交調度智能化是指智能感知公交調度過程中客流、公交車輛、調度系統等信息，基于信息的處理對公交調度作出全面的智能思維判斷以及精準的控制、組織，并實時發布調度信息。

3 公交調度智能化水平評價指標選取

3.1 初步構建評價指標體系

根據公交調度智能化的內涵和綜合評價指標體系的構建原則［15］，通過深入分析公交智能運營調度技術在感知層、思維層、行為層3個層面的因素，本研究形成一個反映公交調度智能化水平全部性能特征的綜合指標全集。具體分析如下：

（1）智能感知層面。智能感知具有自感知、自認知、自識別、自辨識等特性［16］40，它要求不僅需要感知信息，還需要能夠對信息識別、辨識，因此公交調度在智能感知層面應包括數據的采集與數據的識別兩個因素。GB/T 36344—2018《信息技術 數據質量評價指標》從數據的規范性、完整性、準確性、一致性、時效性、可訪問性6個方面對數據的采集評價提出具體的評價指標［17］。對于數據識別的具體評價指標，在公交運營調度過程中主要是對異常情況的識別，《技術要求》中要求公交調度系統能及時識別并響應調度過程中的異常情況［12］，因此本文分別從識別異常情況的時效性、準確性、全面性3個方面來選取評價指標。

（2）智能思維層面。思維能力是指利用已有的知識對信息進行分析、計算、推理、決策的能力。智能思維具有自處理、自尋優、自規劃等特性［16］41，因此公交調度的智能思維應包括參數處理、數據分析優化、調度方案的決策規劃3個因素。公交參數的處理是公交智能化運營調度的基礎，《技術要求》中規定調度系統應具有海量數據高并發處理能力［12］，要求不能低于平均500條/s、峰值1 000條/s，因此對于參數處理的評價，本文從并發處理能力和合理性兩個方面來選取評價指標。《技術要求》中要求公交調度系統設置統計分析與輔助決策模塊，并提出了具體的要求［12］，因此對于數據分析優化的評價，本文從報表生成、統計分析、輔助決策所體現的準確性、時效性、完整性3個方面來選取評價指標。調度方案決策規劃是指能夠根據感知參數的處理、運營數據分析優化后的結果生成完整的調度方案，故調度方案的合理性與參數處理、分析優化有很大的聯系，為了避免評價指標的重復性與相關性，對于調度方案決策規劃的評價，本文從調度方案編制的合理性、時效性來選取評價指標。

（3）智能行為層面。智能行為具有自適應、自組織、自鎮定、自修復、自表示等特性［16］41，它要求公交調度能夠適應實時資源環境、自行組織、故障情況進行修復并實時發布調度信息。根據《技術要求》中對智能調度過程中的自適應、自組織、自修復、自表示的要求［12］，本文從公交調度在根據當日調度資源及現場發車情況調整運營調度、自動組織執行調度決策、修復調度故障、實時發布調度信息4個方面所體現的準確性、時效性、完整性來選取具體的評價指標。

綜上分析，本文通過文獻梳理，深入分析公交調度在智能感知、智能思維、智能行為3個層面的9個因素，形成了一個能反映公交調度智能化水平全部性能特征的評價指標體系；進一步通過咨詢相關專家、公交企業調度人員，綜合考慮評價指標的重要性、可衡量性、數據可獲取性，采取指標合并、剔除等策略，最后確定了19個測量指標。具體指標解釋如表1所示。本文提出的公交調度智能化水平評價指標包含的具體技術內容可參照《技術要求》，如線路信息包括總配車數、運營車輛數、車輛分布情況等，異常情況包括車輛故障、路段擁堵、大客流等［12］。

表1 公交調度智能化水平評價指標

3.2 定量篩選指標

由于初步構建階段注重追求評價指標的全面性和完備性，易引起評價指標信息冗余、專家主觀思想影響等問題，因此需要對初步構建的評價指標體系進行定量篩選［15］。因子載荷的絕對值反映了指標與公因子的相關性，其值越大，表明該指標對評價結果的影響越顯著，越應當保留，否則越小則應當剔除［19］。本研究采用大規模調查問卷來收集上述評價指標的數據，然后運用SPSS軟件對所得數據采用主成分分析法，通過計算各指標因子負荷的絕對值來定量篩選。

3.2.1 問卷調查發放與回收

本次問卷調查旨在了解公交調度智能化水平的影響因素，主要是針對公交企業調度人員、智能公共交通研究學者。一是因為他們熟知公交調度業務，具有豐富的調度經驗，其意見具有一定的現實意義，有助于評價指標的內涵更貼近于實際業務；二是他們當中有以智能公共交通、公交調度優化為主要研究方向的資深教授，這類專家對整個評價指標體系的構架的把握起著重要作用。問卷內容共分兩部分：第一部分為受訪者個人經濟社會統計特征，包括是否從事公交行業、職業、職務；第二部分則關于智能化水平評價指標題項，以B1—B21作為題項構建問卷。王艷娟［20］提出如果從模型觀察變量數來分析樣本人數，則樣本數與觀察變量數的比例至少為10∶1或15∶1。由于本次調查的觀察變量為21個，因此決定抽取300個有效樣本量。采用控制回收總量的方法，實際發放問卷350份，剔除無效問卷，總計有效問卷300份，有效回收率為85.7%。

3.2.2 主成分分析法

為了使問卷的可靠性和穩定性得到保障，需要優先進行信度分析。本研究數據的內部一致性是通過具有高使用率的克朗巴赫系數（Cronbach's alpha）（以下簡稱“α系數”）來檢驗。問卷各維度及總體的內部一致性信度如表2所示。各維度的α系數值最低要在0.50以上，最好能高于0.60；而整份問卷量表的α系數最低要在0.70以上，最好能高于0.8。本研究問卷各維度的α系數值均大于0.7，表明問卷的整體信度較高。

表2 公交調度智能化水平評價指標問卷信度分析

表2 （續）

在進行因子分析之前，需檢驗各題項之間是否適合做因子分析，本研究選取KMO樣本測度和Bartlett's球狀檢驗來驗證。KMO值大于0.8表示適合做因子分析，大于0.90表示非常適合；Bartlett's球狀檢驗的統計量越大越好，其伴隨的P值小于0.05表示可進行因子分析［21］。檢驗結果如表3所示，KMO檢驗系數為0.941，Sig為0，拒絕了球形假設，因此本研究的各題項適合作因子分析。

表3 公交調度智能化水平評價指標測量問卷的KMO和Bartlett檢驗結果

本研究采用主成分分析法進行因子分析，并以正交旋轉的方法提取公因子，所有指標落入3個公因子中，可解釋總變異變量的70.332%。根據因子分析對因子負荷量的要求，當樣本量為300時，因子負荷量須達到0.4以上。經檢驗，本研究中調度自組織時間與異常情況識別準確率的因子負荷量均低于0.4，因此剔除這兩個指標；剔除后KMO檢驗系數為0.943，通過了Bartlett球狀檢驗，Sig為0，拒絕了球形假設，指標的因子載荷均得到明顯提升。經主成分分析法定量篩選指標之后，公交調度智能化水平評價指標體系包括17項測量指標，總累計解釋變異量為75.870%（見表4）。

表4 公交調度智能化水平測量指標的主成分分析結果

3.3 指標體系的驗證

結構方程模型可以檢驗觀察變量與潛變量之間的關系，考察理論模型與測量模型的適配程度，進而驗證理論模型的可靠性。本研究運用Amos22.0工具軟件，通過加權最小平方法進行指標體系的驗證。根據理論架構與定量篩選的結果，在此構建一級指標與二級指標的路徑模型，如圖1所示。

圖1 公交調度智能化水平評價指標體系假設模型

由圖1可見，經檢驗，公交調度智能化水平評價指標體系的整體模型與測量模型沒有達到適配標準，可見原始模型結構效度欠佳。通過對修正指數分析發現，B4與B7、B10與B14這兩對指標間存在較大的相關性。B4與B7，前者是要求數據字段符合標準要求，與后者要求數據記錄完整有所交叉，并且在一定程度上數據字段與數據記錄可以通過數據的全面性來表示，因此將B4與B7合并，命名為數據的全面性，指采集數據的格式、類型、精度等符合公交調度業務需求的程度；B10與B14，前者表示調度分析優化能力，后者表示報表準確率，從實際公交智能調度來看，報表生成的準確與否與調度優化具有很大的關聯性，專家也建議將二者作為整體進行評價。調整后的模型適配度指標如表5所示。

表5 公交調度智能化水平評價指標體系的結構方程模型適配度指標

經修正后，測量模型各項適配度指標都達到了標準要求，在此基礎上本文構建公交調度智能化水平評價指標體系一階因子模型。如圖2所示，箭頭上的數字是指各指標的因子載荷，檢驗發現絕大部分指標的因子載荷在0.5以上，均達到了顯著性水平［22］；所有維度之間的相關系數也都通過了顯著性檢驗，且各維度之間存在一種相互促進的關系，符合3個維度共同反映公交調度智能化水平的假設模型。綜合分析表明，本研究最終得到的公交調度智能化水平評價指標體系合理。

圖2 公交調度智能化水平評價指標體系一階因子模型參數估計

4 公交調度智能化水平評價指標體系

經過上述對評價指標初步構建、定量篩選、合理性檢驗3個階段，最終形成了一套公交調度智能化水平評價指標體系。在常用確定評價指標權重的方法中，通過驗證性因子分析確定權重既可以兼顧主客觀的意見，又能避免主客觀賦權法的缺陷［23］。主要方法在于對同一層面內指標的標準化系數進行歸一化處理，從而確定其權重。計算公式為：

如數據準確率的權重為：

同理可得其他指標的權重，從而形成公交調度智能化水平評價指標體系，如表6所示。在智能化水平的影響因子中，公交調度的行業人員認為最為重要的是智能感知層面，其次是智能思維、智能行為，這是由于在公交智能化運營調度中，信息的采集與處理技術是最為核心的內容，調度方案的制定與調整以及各種功能的應用都要以采集的信息為中心展開［4］。在智能感知層，權重最大的為數據延時，這表明在公交運營調度過程中，應注重提高采集信息傳輸的頻率，它直接影響公交行車計劃制定的時效性與合理性。在智能思維層面，權重最大的為調度分析優化能力，這說明公交調度系統模型和算法的優化能力對智能化水平影響較大，公交企業應注重提高優化發車頻率的建模和算法分析能力。在智能行為層面，權重最大的為人工干預比例，公交調度的智能化是一個由手工驅動的傳統調度模式向數據驅動的智能調度模式過渡的過程，運營調度的自動化水平越高，其智能化水平越高。

表6 公交調度智能化水平評價指標體系

5 結論

智能化將是未來各行業的發展方向，城市公交運營調度也不例外。公交調度的智能化是一個公交企業與公交需求和技術發展相適配的逐級進化的過程，科學合理的公交調度智能化評價有利于公交企業判定當前自身的智能化水平，使其智能化建設之路變得更加清晰。鑒于當下關于構建公交調度智能化水平評價指標體系的方法仍不夠科學嚴謹，本研究結合人工智能理論和公交智能調度技術要求，對城市公交調度智能化水平評價指標的構建進行了全方位探討，在研究過程中按照綜合評價指標體系構建的流程和原則，采用了嚴格的統計學方法、主成分因子分析法和結構方程模型驗證性因子分析法。通過上述分析，獲得如下結論：

（1）公交調度智能化水平評價指標體系量表具有良好的信度與結構效度，基本符合初步構建的理論假設模型，各指標具有良好的適用性和一定的代表性。在信度方面，不論是3個維度層面還是整體量表，Cronbach's alpha系數均大于0.7，達到了理想值，說明量表具有較好的穩定性。在結構效度方面，評價指標落入3個公因子中，所有評價指標都能歸入智能感知、智能思維、智能行為之中，說明量表關于維度的選擇和各題項的設計符合理論模型的涵義。

（2）智能感知、智能思維、智能行為3個維度之間具有較高的相關性，符合理論模型中3個維度共同反映智能化水平的架構體系，也符合系統、產品智能化的特征。3個維度兩兩之間的相關關系是一種相互促進的作用，當一個因素對智能化水平的貢獻變化時，會引起另一個相關的因素對智能化水平貢獻發生變化，因此從3個維度的相關關系來看，公交調度智能化的發展需要同時納入智能感知、智能思維、智能行為的相關因素，缺一不可。然而，當前國內公交調度智能化的建設還主要集中在智能思維上，較少涉及智能感知，基本沒有涉及智能行為的要素，導致目前公交智能調度的建設并沒有做到真正智能化，比如：由于不能實時感知、識別客流、車流、路況的數據，制定的智能調度方案與實際情況不符合，公交串車、乘客等車時間長的現象仍很常見；而且對公交調度智能化水平的評價主要集中在對運營調度結果的評價上，并沒有涉及到調度技術的智能化水平，導致不能清晰地認識到造成運營調度效果差的根本原因。所以，需要轉變理念，著眼“以公交調度為主體，以智能調度技術為中心”的評價理念，從評價智能調度技術的運營效果轉向評價運營調度具體智能技術的水平。

（3）經過專家咨詢法初步篩選、主成分因子分析定量篩選、結構方程模型修正后的評價指標體系模型的擬合度較好，符合理論假設模型，并且利用驗證性因子分析確定指標權重，既兼顧了主客觀的意見，又避免了賦權法的缺陷，具有一定的兼容性與科學性。根據求得的權重，各維度在指標系統模型中的重要程度平分秋色，智能感知被賦予的權重最大，智能思維、智能行為次之。由此可見，對智能感知的評價相對于其他指標顯得尤為重要，這無疑聚焦了公交調度智能化建設中的著力點。

當我們在加快城市公交智能化的發展建設時，應著眼于公交企業智能調度技術，著力于智能調度技術水平的評價，通過評價的導向作用引導公交企業智能化建設。本研究構建的公交企業調度技術智能化水平評價指標體系具有堅實的理論基礎，同時兼顧了實際調度業務經驗的觀點，并通過了嚴格統計學方法的篩選與檢驗，具有一定的科學性、合理性與有效性，可以作為公交企業改進和完善智能化調度建設的有效工具，同時也提供了評價公交企業調度智能化水平的依據，為政府和社會公眾分配公共交通資源時起到一定的參考決策作用。