基于層次分析法的城市交通網絡可達性評價方法研究

馮柏盛，殷瑋川

（北京聯合大學城市軌道交通與物流學院，北京 100101）

1 引言

近年來，隨著城市經濟的迅猛增長，人口的大規模流入，城市發展出現集中化和規模化的趨勢。在城市高速擴張過程中，城市交通擁堵問題是困擾城市發展的關鍵問題。城市交通擁堵問題的產生會造成運營成本提高，交通服務的質量和水平下降，對城市經濟增長以及社會發展產生阻礙影響。而研究城市交通網絡可達性，則可以提升城市整體交通網絡的運輸效率，增強城市交通網絡的服務水平，在城市交通網絡設計與規劃方面具有良好的應用前景。

國外學者對于城市交通網絡可達性相關理論研究較早，1959年，Hansen首次給出交通網絡可達性的明確定義，是指網絡中各個節點間的相互作用機會的大小，研究期間建立重力模型探究可達性與城市土地利用的相關聯系。2015年，F. Rotoli通過測定鐵路網的可達性指標，研究高速鐵路線路布局對區域可達性的影響。國內學者對城市交通網絡可達性也進行相應研究，如張亦漢等采用Arc GIS技術，將廣州地鐵作為分析實例，探討時間因素下的交通網絡可達性；李穎基于對層次分析法的改進，認為可通過加強軌道交通的準時快捷和提高設施設備的質量、數量來提高軌道交通服務質量，進一步提高乘客的滿意度；郭謙等人以北京市軌道交通網絡為案例，提出一套評價軌道交通網絡可達性的方法；趙路敏等人通過分析軌道交通網絡可達性影響因素對軌道交通2種可達類型的算法進行研究；夏宇基于空間句法和可達性理論，選用4個指標對軌道交通線網的可達性進行評價；程秀昌等人基于空間句法對北京市軌道交通線路的可達性進行評價；羅欽等人基于列車運行圖的時間約束條件，提出網絡動態可達性的銜接模型及推算流程；鄧羽等人對北京城區時間可達性的綜合度量和其空間特征進行了分析；吳紅波等人基于GIS對城市公交車路網可達性進行研究；王國華等人分析城市地鐵交通網絡可達性與社會經濟關系。

目前，交通網絡可達性的研究多聚焦于單一交通方式網絡，且所構建的評價指標體系也有待完善。本文考慮綜合交通發展背景下，針對交通網絡可達性評價研究的單一性，重點研究城市綜合交通網絡的可達性評價方法，通過構建綜合性的評價指標體系，評價城市交通網絡可達性的優劣，并選取北京、上海和重慶為案例進行研究。

2 城市交通網絡可達性評價指標體系分析

本文采用層次分析法對城市交通網絡可達性進行評價。層次分析法（AHP）最初是由美國運籌學家L. T. Saaty等人提出處理復雜決策問題的方法。本文首先構建出與決策目標相關的影響因素，將主觀想法依照真實數據客觀地進行表達，來確定多種中間層要素在目標中的權重，最后決策出適合的備選方案，并通過Yaahp軟件進行層次分析法模型建立及計算。

2.1 指標分析

本文把可達性定義為城市交通網絡中區域之間的吸引強度，強度越高，可達性越容易實現。本文選取6個二級指標，22個三級指標對城市交通網絡可達性進行評價。二級指標包括居民出行需求、經濟發展水平、交通服務水平、資源配置效率、土地利用程度與線網開發強度。

2.1.1 居民出行需求（B1）

可達性是空間相互作用的強度，主要反映出行目的地對出行人群的吸引力。良好的城市交通網絡可達性能夠提高生活質量，帶來可持續的經濟發展。其次，人是城市經濟社會活動的載體和城市化進程中最活躍的因素，是城市交通網絡服務對象和最直接的參與者。目前軌道交通出行方式因其為人們提供便利、安全服務等特點深受大眾青睞。將軌道交通站點布置在學校、大型商場、醫院等人員密集場所周邊，對居民出行需求有正向促進作用，進而增強交通網絡可達性。綜上所述，本文選擇居民出行需求反映城市交通網絡可達性水平。提出下文4個三級指標進一步分析。

（1）軌道交通旅客運輸量（C11）：軌道交通運送乘客的總人次，包括付費乘客和不付費乘客人次。

（2）公共汽電車客運量 （C12）：公共汽電車運送乘客的總人次，包括付費乘客和不付費乘客人次，包括在城市道路和公路完成的客運量。

（3）地區機場旅客吞吐量 （C13）：一定時期內飛機起降次數和旅客運送數量，該指標可反映機場規模和旅客運送能力。

（4）旅客周轉量（C14）：一定時期內，由多種運輸工具運送的旅客數量與其相應運輸距離的乘積之總和。

2.1.2 經濟發展水平（B2）

國外學者研究可達性時構建測算的勢能模型將經濟、人口等要素帶入其公式，計算兩點間的可達性，受此公式啟發，同時依據可達性基本特征具有社會和經濟基本價值，本文提出社會經濟發展作為二級指標。不同城市的社會經濟發展水平不同，經統計調查得出的國內生產總值（GDP）也就不同，應用在交通領域建設的資金也不一致，例如城市軌道交通網絡覆蓋不同，引起沿線住宅價格也不盡相同。剛開通城市軌道交通沿線區域周邊的基礎設施的完備情況、娛樂設施數量、房地產開發等都要與城市經濟水平相結合。因此，經濟發展水平的指標內容包括以下幾項。

（1）GDP （C21）：國內生產總值，也是衡量一個國家或地區經濟狀況和發展水平的重要指標。

（2）人均地區生產總值（C22）：衡量國家人民生活的標準，反映經濟發展程度。

（3）居民人均可支配收入 （C23）：更具體的反映人們經濟水平，不同收入水平的居民對交通出行需求也各不相同，部分居民注重出行成本，把價格低廉的出行方式作為優先選擇方式，而有些居民則更注重出行舒適度。

2.1.3 交通服務水平（B3）

交通服務水平指的是各種運輸形式在其所服務的地區范圍內的實際轉運能力，是運輸服務質量優劣的直接體現。交通服務水平的指標內容包括以下幾項。

（1）安全（C31）：統計某地區近5年的交通事故發生總數，將其劃分為5個檔位并對應5個分數，本文應用此種方式來衡量安全程度。

（2）單程通勤時耗 （C32）：從家到工作地點，全方式出行所用時間的平均值。

（3）客流強度 （C33）：依據每年的軌道交通客運量計算出每日的客流量，再用客流量除以城市的軌道交通運營里程，得出客流強度，依據此指標反映運輸線路的繁忙程度。

（4）平均通勤距離 （C34）：就業人員從家中往返工作地的平均距離。

其中，平均通勤距離和單程通勤時耗這2種指標密不可分，通勤耗時與距離有很大關系，是城市空間、交通效率、宜居水平的綜合體現，反映城市的內部結構。

2.1.4 資源配置效率（B4）

城市交通網絡所包含的各種運輸手段方式，可間接反映出區域內部以及區域之間的交通網絡結構和可達性強弱，也間接反映出網絡的運輸效率。資源配置效率指標內容包括以下幾項。

（1）公共汽電車運營數量（C41）：由政府交通運輸主管部門按照車輛實際經營范圍和用途等界定的，在城市中按照核定的線路、站點、票價和時刻表營運，供乘客乘坐的經營性客運汽車和無軌電車數量。

（2）出租汽車數量 （C42）：城市內合法上路的出租車數量。

（3）公共汽電車運營條數（C43）：在城市中核定的經營性客運汽車和無軌電車線路數量。

上述3種指標都是城市特有運載工具發揮交通運輸作用的載體。

2.1.5 土地利用程度（B5）

土地利用程度是城市基礎設施建設水平的反映，土地利用程度高則城市基礎設施建設水平就高。土地開發利用與不同公共交通設施的建立有著密切聯系，城市交通網絡可達性服務的對象是城市中的居民，可達性程度可以通過居民的出行體驗進行反映。如果土地利用不合理會造成城市交通擁堵，進而導致城市交通網絡可達性不高，因此優化城市交通網絡，需把土地的開發利用與城市交通網絡系統相互協調。因此，土地利用程度指標內容包括以下幾項。

（1）年末常駐人口（C51）：人員流動借助交通網絡實現空間轉移和流通，一段時間內的城市人口數量會對土地開發利用起到支配作用，比如工作時位于中心城區和下班時位于住宅區人口的數量都會對土地開發程度起到決定作用，影響程度和范圍隨著距中心區距離的拉大而變大。

（2）建成區面積（C52）：建成區指城市行政區內實際已成片開發建設、市政公用設施和公共設施基本具備的區域，也就是城市實際建設用地所達到的范圍，與土地利用有關聯。

（3）城市綠地面積（C53）：城市綠地面積指用作園林和綠化的各種綠地面積，包括公園綠地、生產綠地、防護綠地、附屬綠地和其他綠地的面積。開發利用土地的同時，也應注意到綠色環保節能減排，以及土地資源的可持續發展情況。

2.1.6 線網開發強度 （B6）

把城市獨立的各種交通運輸方式通過互聯互通的形式組成城市交通網絡，需考慮整體區域覆蓋問題，所以選取線網開發強度作為二級指標，其指標內容包括以下幾項。

（1）軌道交通運營里程（C61）：包括地面、地下、高架等線路起點到終點的公里數。

（2）公共汽電車運營線路總長度 （C62）：此指標與C61求和等于運營線路總長度。

（3）鐵路營業里程（C63）：也稱營業長度，指投入客貨運輸正式營業或臨時營業的線路長度，按營業線路的正線兩車站中心間的實際長度計算。

（4）平均地鐵站點間距（C64）：計算此指標時，選取北京、上海和重慶各自最長線路的地鐵，用總線路的長度除以途徑總站點數，作為分析結果。

（5）軌道交通運營條數 （C65）：包括地面、地下、高架等線路開通的條數。

以上指標均為與城市基礎交通設施相關的三級指標，能夠明顯反映出可達性基本特征，即可達性衡量特定的起點和終點之間的關系。

3 城市交通網絡可達性指標體系的構建

3.1 建立層次結構模型

本文構建的城市交通網絡可達性指標體系設有決策目標，中間層要素6個，備選方案22個，城市交通網絡可達性評價指標體系見圖1。

圖1 城市交通網絡可達性評價指標體系

3.2 構造判斷矩陣

在層次結構模型基礎上，要對同一層次的指標進行兩兩比較，比較出同一層次指標之間的相對重要性。如表1所示，判斷矩陣中的每一個元素aij（ i，j = 1，2，3，…，n ）的數值表示因素i相對于因素j的重要性，而aji（i，j =1，2，3，…，n ）的數值則表示因素j相對于因素i的重要性；為反映兩個因素的互反關系，層次分析法規定aij=1/aji（i，j = 1，2，3，…，n ）， 其中，當 i = j 時，aij= aji= 1。

3.3 計算判斷矩陣的權重

根據判斷矩陣計算最大特征值與特征向量，采用求和法計算特征值的近似值。

3.4 一致性檢驗

一致性檢驗是衡量判斷矩陣質量好壞的標準，可以有效避免判斷過程中的邏輯錯誤。通過最大特征根m計算判斷矩陣偏離的一致性指標CI，CI =（m - n）/（n - 1），n為判斷矩陣的階數。一致性指標CI與同階平均隨機一致性指標RI之比為隨機一致性比例CR，CR = CI / RI。 當CR = 0時，說明判斷矩陣具有很好的一致性；當CR＜0.1時，說明判斷矩陣一致性較好； 當CR≥0.1時，說明判斷矩陣的一致性不好，應對矩陣的各項取值進行修改，直到CR＜0.1。

經一致性檢驗計算，本文構建的二級和三級指標權重符合判斷矩陣要求，具體的計算參數和指標權重數值見表2～表6。上海和重慶市近5年數據并取其平均值，百分制指標中，指標數值最優記100分，其他指標數值按照與最優數值比例依次計分。其中三級指標中部分指標的計分規則如下。

表2 對交通網絡可達性，經濟發展水平的權重

表6 各個三級指標權重

單程通勤時耗（C32）：選取2020年數據，用時20 min之 內 記100分，20～40 min 記80分，40～60 min記 60分。

平均地鐵站點間距（C64）：選取北京、上海和重慶市各自最長線路，用總長度除以該線路總站點數計算出

4 案例分析

選取北京、上海和重慶的交通網絡進行實例分析。按照所構建的指標體系中的二級和三級指標具體計分規則，選取北京、

表3 對交通服務水平，線網開發強度的權重

結果。

表4 對資源配置效率，土地利用程度的權重

表5 對居民出行需求的權重

軌道交通運營線路（C65）：選取北京、上海和重慶市最近一年的數據最大值計為100分，其他數值按照與此值比例轉換成百分制計分。

安全（C31）：將北京、上海和重慶市發生交通事故的次數劃分為5個擋位ABCDE，依次表示每年發生事故次數為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000例，百分制得分為100、80、60、40、20。

客流強度（C33）：計算出北京、上海和重慶市每日客流量除以對應北京、上海和重慶市的軌道交通運營里程得到客流強度。

為更好的研究北京、上海和重慶的交通網絡可達性情況，本文對所建指標體系設置4種參數方案，探究不同權重下的最終得分情況。由表7可見，經濟發展水平（B2）與線網開發強度（B6）在二級指標中權重占比較高，是城市交通網絡可達性的關鍵因素。

表7 4種參數方案下各個指標權重值

4種參數方案下北京交通網絡可達性評價綜合得分均為第一。當把所有指標的權重調為1時與只把三級指標權重都調為1時作比較，北京和上海交通網絡可達性評價綜合得分相對穩定，且呈現小幅度增長。重慶交通網絡可達性評價綜合得分則是呈現明顯下降趨勢。當二級指標經濟水平發展權重升高0.3時，重慶交通網絡可達性評價綜合得分有所下降。

通過4種參數方案，進行加權計算得出北京、上海和重慶的綜合得分見圖2。

圖2 北京、上海、重慶城市交通網絡可達性得分折線圖

通過案例分析，發現北京交通網絡可達性方面存在某些不足，如城市綠地面積覆蓋率不高，需依據城市規劃進一步擴大。案例分析結果也反映出大中城市仍需因地制宜地發展城市交通體系，同時加強綠色基礎設施建設，加快形成綠色低碳交通運輸方式，才是實現可持續發展的長久之策。

綜上所述，經濟發展水平是影響城市交通網絡可達性的重要因素之一。北京、上海的經濟發展水平在全國各大城市排名靠前，為交通網絡建設奠定堅實的經濟基礎，可以較好的提升城市交通網路可達性水平。通過對城市交通網絡可達性評價研究，有助于推動今后多層次軌道交通網絡可達性評價研究。

5 結論

本文基于層次分析法構建城市交通網絡可達性的評價指標體系，并以北京、上海和重慶市為案例進行驗證分析。研究表明影響城市交通網絡可達性的因素較多，利用層次分析法可以對多種指標定量分析，解決各層次之間的指標分配權重等問題。雖然利用大數據進行評價能降低一定的誤差，但如何進一步精細化城市交通網絡可達性評價工作將是下一步研究的方向。