基于層次分析法的城市智慧交通管理系統綜合評價

謝春榮，何林儒，趙桂香

(華藍設計(集團)有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

隨著科技的發展，城市智慧化已經成為未來城市建設的一個重要目標[1]。當前，城市管理服務能力得到提升，成績顯著。但加快城市智慧化建設，依然是高水平推進治理體系和治理能力現代化的重要抓手[2]。

在發達國家,智慧城市作為應對城市人口增長和破解城市化問題的戰略手段，于20世紀90年代被提出。經過10多年的發展,智慧城市取得了一定研究成果,并在實踐環節有所突破。在國內，學者對智慧城市的關注始于2009年IBM公司提出的"智慧地球"概念。目前，對智慧城市的研究尚處于起步階段[3]。城市現代化建設的目的是帶給人們更多的便利。如果不能解決當前的城市交通問題，那么城市化和現代化的發展進程將會很難持續推進[4]。在互聯網和大數據技術逐漸普及的大環境下，以物聯網為核心技術的智慧城市概念被提出，通過萬物互聯和大數據分析，可以解決許多城市問題。智慧交通系統(smart transportation system，STS)就是在智慧城市的基礎上延伸而來的。以現代信息技術結合大數據智能分析，可以很好地緩解交通管理系統的巨大壓力[5]。

本文通過探索大數據技術的應用推進城市智慧化的發展，從而讓大數據更好地為智慧城市的建設提供技術支撐[6]。本文首先對智慧化城市理論進行了挖掘，然后通過智慧化城市理論設計了基于層次分析法(analytical hierarchy process，AHP)的模糊評價體系，最終通過智慧城市模糊評價體系對A市智慧化程度進行評估，從而研究如何構建更加完善的現代智慧化城市。該研究能夠為未來城市智慧化建設提供技術支持，并且為城市發展作出重要貢獻。

1 城市智慧交通管理的發展及特征

1.1 智慧交通的概念和評價理論

智慧交通廣義上涉及智能交通、車聯網以及智慧城市建設等多個領域，而狹義上主要是利用互聯網技術對城市交通系統進行數據管理和評級，側重于技術的升級、發展理念的更新以及應用范圍的延伸[7]。根據智慧交通的核心理論，對城市交通系統的評級主要包括以下四個方面。

①基礎設施評價。智慧交通的實現必須以現代化的設備為基礎，如監控器、道路終端傳感器以及道路檢測等。這些基礎設施向智慧交通系統提供數據上的支持和技術上的保障，所以基礎設施的評價是智慧交通系統的重要內容[8]。

②信息服務水平評價。智慧交通的技術支持以互聯網和大數據為主，同時提供物聯網服務，所以信息服務水平是判斷智慧交通發展水平的重要依據[9]。

③交通管理水平評價。智慧交通系統的目的是實現智能化的管理，不僅能節約人力資源，而且可以做到零失誤。這既是智慧交通的發展要求，又是重要的評價內容。

④道路安全狀況評價。為了保證城市交通系統的正常運轉，必須時刻對道路安全進行監控。只有保持道路時刻暢通和安全，才能從根本上避免重大交通事故的發生[10]。

1.2 智慧交通評價方法的選取

1.2.1 AHP

AHP是一種常見的、由定性分析和定量分析相結合的分層次評價方法[11]。在AHP的過程中，最重要的步驟就是各層級對總體的權重向量計算。而常用的方法具體可以表述如下。

這類分層次評價方法依托判斷矩陣，以列向量為基礎，實現權重向量的歸一化處理；之后取得均值，以函數方式來表達。

(1)

式中：aij為判斷矩陣中的元素；j和k為矩陣中元素的具體位置。

期望最大化(expectation-maximum,EM)算法又稱特征根法，以判斷矩陣為對象，求解最大特征根；同時，需要對其右特征向量作出界定，并對該結果作歸一化處理[12]；此外，還需要闡明一致性檢驗的條件問題。

①求解一致性函數表達具體如下：

(2)

式中：C為一致性函數;λ為矩陣中的參數；n為參數的量。

②1～9階正互反矩陣的平均隨機一致性指標隨機索引(random index,RI)根據不同的屬性確定相應的平均隨機一致性指標。設R為RI值，則R的取值如表1所示。

表1 R的取值

③計算一致性比率(consistency ratio,CR)。

(3)

式中：P為一致性比率。

當C<0.1時，能找到矩陣達到一致性的條件；否則，要對其加以修改，直到達到要求為止。

1.2.2 模糊評價法

模糊評價是基于模糊集合與特征函數的一種處理模糊現象的數學方法[13]。進行模糊評價前，首先要針對各個層次建立模糊子集；然后鎖定其隸屬函數、隸屬度，針對上述提到的指標加以處理；最后對這些提取的評價指標加以變換，將得到的值作為模糊綜合評價的結果[14]。

進行模糊評價時，首先設定一個模糊集合Ω和子集A。其中，子集A的隸屬函數μA(x)滿足的條件為：

0≤μA(x)≤1

(4)

具體評價步驟如下。

①確定評價因素的集合：

0≤μp(x)≤1

(5)

式中：p為評價因素的個數。

②確定每一個層級的模糊集合的隸屬函數和隸屬度。

③建立模糊矩陣R：

(6)

式中：rpm為第p行第m列元素，在矩陣中指該元素對上一級函數存在的隸屬度。

依托模糊矩陣的建立，可以準確地對某一元素的重要程度給予評價。該方法所得結果相對更為準確[15]。

④針對評價元素關聯的權重向量，對A作進一步界定：

A=(a1,a2,…,ap)

(7)

式中：ap為ui對被評價元素重要性隸屬度問題。

在本研究中，針對評價指標的權重值，選定的是AHP。所以，需要咨詢專家組的意見，并按照自身判斷各對層次指標給出分值；形成判斷矩陣，繼而開展一致性分析[16]。

⑤計算模糊綜合評價的結果向量。

將權重向量A與模糊矩陣進行合成：

(8)

式中：B為被評價元素的模糊綜合評價結果向量。

該結果關聯的等級，就是被評價元素所處的等級[17]。

1.3 智慧交通評價模型的設計和指標體系的建立

對于智慧交通評價體系而言，其并非面向單一目標，而是一類多目標評價機制。因此，需要搭建一個具備層次的模型作為分析基礎，引入模糊綜合評價法，為評價提供方法。指標體系在布置上選定的是塔式結構，具體設定為以下三個層次[18]。

①目標層。目標層既是評價模型的直接評價對象，又是被評價對象的預期，一般只有一個最重要的核心元素。

②準則層。準則層處在目標層之下，是實現目標層給定目標不能脫離的規范與約束。

③方案層。方案層可以理解為準則層的拓展，是支撐目標層實現的具體路徑、辦法與干預舉措。

模糊評價模型如圖1所示。

圖1 模糊評價模型

智慧交通管理系統可以設定三級評價指標[19]。

根據AHP，城市智慧交通管理系統的層次是建立其系統的重要基礎。

AHP評價結構如圖2所示。

圖2 AHP評價結構圖

本文在構建智慧交通評價指標時，主要借助以下五種途徑來選擇指標：①互聯網、智慧城市、智慧交通等相關的文獻資料；②綠色交通發展指標體系；③國務院發布的可持續性發展戰略報告；④智慧城市的建設及發展目標；⑤當地政府部門的相關政策和條例。

根據評價指標的來源和選取規則，通過走訪A市當地的公交公司、交通管理局以及交警大隊，結合中國主要城市的道路交通分析報告等資料，確定了A市的智慧交通管理評價指標的初選結果。其中，二級指標涵蓋了四個層面。除了基礎的道路安全狀況、交通管理水平之外，還引入了信息服務水平、基礎設施水平兩個指標。

智慧交通管理評價三級指標如圖3所示。

圖3 智慧交通管理評價三級指標

2 以A市為例的智慧交通管理評價結果分析

2.1 智慧交通評價指標得分

A市的智慧交通管理系統中，基礎設施水平的評價結果如圖4所示。

由圖4可知，A市的交通基礎設施中，公交牌的智能普及率最低，僅為3.3%，因此公交牌的智能化水平評價也是最低的。同時，其他三個指標的得分也都低于90分，由此可以說明公共設施的整體水平較低。

圖4 基礎設施水平的評價結果

信息服務水平的評價結果如圖5所示。

圖5 信息服務水平的評價結果

由圖5可知，交通信息的覆蓋率、市民的關注度和出行滿意度都非常高，并且信息發布的渠道也非常多樣化。市民的關注度分值是最高的，為95分。

交通管理水平指標評價結果如圖6所示。

圖6 交通管理水平指標評價結果

由圖6可知，路口的渠化率很高，但交通信號的協調率很低；而高峰期的擁堵指數和出行時長保持在較低的水平。整體的評價得分除交通信號協調率之外都高于70分。

道路安全狀況指標評價結果如圖7所示。

圖7 道路安全狀況指標評價結果

由圖7可知，A市的道路安全狀況水平較高，萬車死亡率以及重大安全交通事故的數量維持在較低的水平，兩個指標評價得分均高于90分。這說明道路安全狀況發展良好。

2.2 評價因素的權向量分析

根據三級指標的評價得分建立模糊矩陣，通過計算得到權向量，具體可得參考相應的數據設置?；诙壷笜说脑u價分析如表2所示。

表2 基于二級指標的評價分析

由表2可知，總體評價B=[0.25 0.14 0.3 0.31]。

通過上述計算，結合最大隸屬原則，可知在這一智慧交通管理系統中：基礎設施建設的評價等級為“差”；信息服務水平和交通管理水平的評價等級為“中等”；道路安全狀況的評價等級為“優”；總體交通管理水平的評價等級在中等偏下。該結果較為符合A市的城市智慧發展現狀。

3 結論

本文在互聯網的背景下，對城市交通管理系統進行了智慧化的分析，在查閱大量的文獻和資料、走訪許多城市交通管理機構的基礎上，以AHP、模糊綜合評價法以及智慧交通評價理論構建相關的模型，針對實例進行了實證分析。實證分析結果較為符合A市的城市智慧發展的現狀。

鑒于許多三級指標數據無法直接獲取，本研究對其予以忽略。這可能造成評價結果的不公正性。后續研究還需要借助物聯網大數據技術進一步獲取交通數據，從而得出更加準確的評價。隨著智慧城市概念逐漸深入人心，基于互聯網的智慧交通管理系統也將繼續得到完善，從而加快城市的現代化進程。