基于組合權重的城市軌道交通項目效益評價

林新宇,畢鳳陽,劉長喜,王曉宏,姜 旭

(1.黑龍江工程學院 學術理論研究部,哈爾濱 150050;2.黑龍江工程學院 機電工程學院,哈爾濱 150050;3.黑龍江工程學院 工程訓練中心,哈爾濱 150050)

由于城市軌道交通具有投資大、建設周期長、投資回收久的特點,建設費用通常高達7～8億·km-1。因此,在城市軌道交通項目建設前期(即規劃階段)或者可行性研究階段對項目進行詳細、準確的效益分析,可以確保資金投入效益最大化。

對于城市軌道交通的效益分析國內外目前已有許多研究。Jing[1]利用條件價值評估法(CVM)對上海城市軌道交通的社會效益進行了評價,結果表明CVM克服了傳統市場價值評估法的不足,為評價城市軌道交通的社會效益提供了一種新方法。Zhang等[2]從經營者、公眾和政府三個利益相關者的角度探討了公共交通服務的綜合效益,通過檢測中國36個中心城市,開發了一套能夠量化服務效應、生產效率和環境效應的綜合效益評價工具,并進行了檢驗。Jiang等[3]提出了一種基于松弛度量(SBM)的數據包絡分析方法(DEA)用以評價2015—2017年交通運輸業的環境和經濟績效,結果表明模型可以確定低效決策單元,并最終對低效領域提出改進建議。Henke等[4]在綜合運用成本效益分析(CBA) 和多準則分析(MCA) 以及利益相關者參與的基礎上,提出一個可持續的運輸部門投資評估流程, 研究結果表明,評價分析(CBA 和 MCA)的應用允許從可持續、技術和共享的角度選擇最合理的方案。Khamuradov[5]從交通部門投資政策的角度進行研究,揭示政策吸引投資和提高投資吸引力的相關性和重要性的同時,通過分析吸引區內固定資本投資的情況,提出了完善該地區投資政策的建議。Pekka等[6]探討了商業模式、價值鏈和商業生態系統之間的關系并建立了涉及深入吸收新技術、與運輸相關服務的新信息密集型運輸系統服務元模型經濟評價辦法,為交通系統經濟評價提供了新思路。Liu等[7]從價值工程的角度出發,引入社會效益量化,提出新的軌道交通量化評估體系,為相關政策制定提供寶貴參考。Wang等[8]在對多利益相關者評價應用場景和評價方法進行比較的基礎上,采用了最佳最差方法和大規模群體評價技術,建立了一個量化模型,用以評估城市軌道交通公私營伙伴關系項目的運作表現。Yin等[9]采用結構方程建模的方法探討地鐵與生活滿意度之間的關系,結果表明,站區規劃和設計需要與地鐵部署協調,以最大限度地提高地鐵的福祉效益。Tu等[10]從建立地鐵媒體服務體系的角度,研究了旅客出行目的與廣告位置的對應關系, 運用新的交互設計方法實施地鐵廣告策略,提高地鐵廣告的經濟效益和社會影響。Tian等[11]以地鐵開通帶來的房地產價格溢價為研究對象,探討房地產價值效應的時間動力學和非均質機制,估算地鐵對房地產價值的影響,有助于更好地評估公共交通投資的效益。Peng[12]從工程監管方面,研究了項目管理過程對實現預期的經濟效益和社會效益的影響。Benardos等[13]運用成本-收益分析法評估項目決策過程中提供支撐的對象,通過比較事前和事后評估的結果,確定了主要的區別因素、相似之處和不足之處,特別是在發展的成本方面以及對效益的準確評估和估價方面,對整個過程的認識比最初認為的更符合社會需要。 Jing等[14]研究了城市軌道交通項目建設的時間序列和線路的網絡效應,基于復雜網絡理論,構建了城市軌道交通建設時間序列的評價指標,優化了建設資源分配,使得線網效益達到最大化。王博格[15]在進行軌道交通對土地價值的研究時,構建了價值增益的城市模型,研究了土地價值的影響因素,降低了城市軌道交通的投入成本,增加了回報收入。聶思[16]分析了城市軌道交通對沿線土地、站內空間的影響以及軌道交通自身的空間特性,得出城市軌道交通對資源空間具有增值效益,對周邊商圈具有經濟輻射效應。姜韡等[17]主要對城市軌道交通項目的社會效益和環境效益進行了分析,細分社會效益和環境效益項目,研究了各效益項目的貨幣化計算方法,得出軌道交通項目總體造價比城市地面交通項目造價低的結論。陳嫚嫚等[18]在城市軌道交通項目社會效益的研究中利用了福利經濟學理論與可持續發展理論,將社會效益分成了社會福利、社會環境、社會經濟和自然環境4項,并分析了各個項目子指標,建立了城市軌道交通項目的社會效益評價指標計量模型。姚敏峰等[19]重點研究了城市軌道交通車站的核心區設計,在分析成本效益的基礎上,探討建立城市軌道交通車站對核心區帶來的經濟效益、車站和城市的銜接方式和環境量化影響,在成本效益分析的基礎上,創建了市郊城市軌道交通核心區的城市設計評價模型。劉興全等[20]研究了成都城市軌道交通運營為社會經濟帶來的影響,分別從改變城市、改變成都經濟格局、改變民眾生活、改變成都交通方式入手,總結了成都城市軌道交通運營的問題以及改進方法。楊二杰[21]通過定性分析的方式對成都城市軌道交通進行分析,證明了城市軌道交通才是城市交通科學發展的選擇。張朋杰[22]在研究城市軌道交通線網效益評價方法時分別從投入和產出兩個角度進行分析,并基于項目屬性、效益的特點、產生與作用機理,通過DEA法對城市軌道交通項目產生的效益進行評估,從而提高資源利用率。

如今評價方法已經有很多種,主要分為主觀賦權法和客觀賦權法兩類。主觀權重法主要依靠決策者的經驗和偏好,主觀對各個指標的時序強度進行判斷并排序,即可獲取評價體系內所有指標的權重矩陣。主觀賦權具有操作簡單,人為主觀性強、可提前規避因數據突變所引起的結果震蕩等特點。但也因為其主觀性的原因,在面對不同規模、類型的評價模型時常常會缺乏科學依據,導致輸出結果隨意性過大。目前常用的主觀賦權方法包括:二項系數法、專家打分法、層次分析法等[23-24]?？陀^賦權法是基于一定數學模型理論,權重強度完全取決于數據信息,此原則保證了方法的絕對客觀性。但此類方法應用需要大量數據集支撐,當指標數據量較小時,常常會因個別數據的突變影響全局權重分布,從而與實際情況相悖。同時在使用客觀法賦權時,因為方法的全數據主導特性,往往都將其建立在其他數學模型上,以達到各領域的通用性[25]。近年來主流的客觀賦權法包括熵值法、變異系數法和利用機器學習算法賦權等。

綜上所述,城市軌道交通效益評價多是對某一方面或某一要素研究,缺乏多角度綜合性衡量。并且城市軌道交通效益研究多是對既有線路的總結,缺乏線路規劃或可研階段的判斷。而城市軌道交通項目的建設因其投入大、周期長,建設前的效益研究可以輔助完善設計方案,做好資金分配,具有重要的現實意義。在評價方法上,由于客觀賦權法存在對數據過度依賴,缺乏實際判斷,而主觀賦權法則存在人為干預過多,主觀性過強,可能有失公允等問題,因此,在構建評價體系過程中,采用組合權重方法彌補主、客觀賦權方法的缺陷,保證公允的同時不會脫離實際。文中按交通效益、環境效益和社會效益將軌道交通項目效益分為三類,選取9項評價指標,構建了AHP(層次分析法)與CRITIC(客觀賦權法)組合權重模型,即AHP-CRITIC模型,對評價指標進行賦權重,通過模型確定的權重,判斷城市軌道交通建設的重點投入方向,為設計重點項目、建設資金分配等建設前期研究提供參考。

1 評價指標的選取

1.1 評價指標分類

城市軌道交通項目效益一般可以按四類標準進行劃分[26],具體如表1所示。

表1 城市軌道交通項目效益分類

鑒于城市軌道交通項目效益評價具有全面性、客觀性要求,文中以受益的主體作為標準進行分類,即從交通效益、環境效益和社會效益三方面進行指標選取。

1.2 交通效益

城市軌道交通的交通效益主要是軌道交通為城市居民和交通系統所帶來的效益,在為居民出行提供便捷交通方式的同時,也可以對交通堵塞有所緩解,從而優化城市交通結構。由此可以看出,交通效益的主要受益體為城市居民和城市交通系統。對于城市居民而言,城市軌道交通可以有效節約居民的出行時間,提高出行的安全系數,吸引城市居民綠色出行;對于城市交通系統而言,城市軌道交通可以擴大城市交通系統運輸能力,降低地面交通運載量壓力,優化城市交通系統結構,平衡城市交通系統的供求關系。因此,在構建評價指標體系的交通效益方面,選取節約乘客出行時間、減少交通事故、誘增客流3個指標進行分析。

1.3 環境效益

城市軌道交通項目的環境效益主要是在城市環境發展中帶來的效益,主要表現就是節能環保。因軌道交通列車由電力驅動,因此基本不會產生污染。并且由于吸引了大量乘客,從而減少了私家車出行數量,進而減少汽車尾氣排放量。此外,軌道交通有部分線路在地上運行,對附近居民會有噪聲影響,進而破壞周圍環境,降低環境效益。因此,在構建評價指標體系的環境效益方面,選取節約能源、減少環境污染、減少噪聲影響3個指標進行分析。

1.4 社會效益

城市軌道交通項目的社會效益主要是指在城市的社會發展中,軌道交通帶來的效益。城市軌道交通項目在挖掘未開發土地潛力的同時,可以為沿線商業服務、房地產開發等相關企業帶來很好效益空間,進而增加整個城市就業機會,提高社會的穩定性,鞏固城市經濟基礎建設。因此,在構建評價指標體系的社會效益方面,選取發掘經濟潛力、促進國土增值、增加就業機會3個指標進行分析。

2 評價方法

文中選取成都軌道交通1、2號線,利用近幾年的統計數據,基于文獻[27]中關于地鐵效益指標的測算方法,測算出各個效益的數據作為實驗原始數據。

2.1 CRITIC方法及分析結果

CRITIC權重法是一種常用的客觀賦權法。其主要是基于對比強度和沖突性指標2個指標進行權重分配。對比強度一般用標準差來表示,若數據標準差越大說明指標波動性越大,分配的權重會越高;沖突性一般用相關系數來表示,若指標之間的相關系數值越大,說明沖突性越小,則分配的權重也就越低。具體步驟如下。

1)對數據進行無量綱處理

對于正向指標,所用值越大越好。

(1)

對于逆向指標,所用值越小越好。

(2)

2)計算第j個指標和其他指標變異的量化指標

(3)

(4)

3)計算各個指標的相關系數rij

(5)

式中:Cov(x,y)為x和y間的的協方差;Var[x]為x的方差;Var[y]為y的方差。

4)計算第j個指標和其他指標沖突性的量化指標fj

(6)

式中:rij為評價指標i和j之間的量化關系。

5)計算第j個指標的信息量cj

(7)

6)計算第j個指標的權重wj

(8)

根據文獻[27]各個效益指標測算方法,對成都軌道交通1、2號線2020—2022年各效益指標測算的原始數據如表2所示,在SPASS中進行歸一化處理后,根據CRITIC計算原理得到各指標權重分配結果如表3所示。

表2 成都軌道交通1、2號線各效益指標原始數據 萬元

表3 權重分配結果

2.2 AHP方法及分析結果

AHP 是一種應用較多的典型的客觀權重法,通過將問題分層、各層的有序遞進,在同一層的兩個元素之間的重要程度關系采用一定的數值表示,利用專家的經驗對各指標比較打分,將所有元素中的重要程度定量化,結果即為權重。方法主要分4個步驟,即建立層次結構模型,構造判斷矩陣(也叫成對比較矩陣),計算權重以及一致性檢驗。具體如下。

2.2.1 建立層次結構模型

指標體系分為目標層、準則層、評價層,結合文中第1章的指標選取可建立評價層為誘增客流、節約乘客出行時間、減少交通事故、能源節約、減少環境污染、減少噪聲影響、促進國土增值、增加就業機會、發掘經濟潛力;準則層為交通效益、環境效益、社會效益的評價體系,如圖1所示。

圖1 評價指標體系

2.2.2 構造判斷矩陣

在指標體系的第二層,對于從屬于上一層每個因素的同一層各個因素,進行判斷矩陣的構造,以此類推直到最下一層。判斷矩陣表示的是該層所有因素對于上一層對應因素的相對重要性比較。構造判斷矩陣,對矩陣中兩兩元素比較重要程度并打分。打分參照1～9標度法,如表4所示。

表4 1～9標度法

2.2.3 計算矩陣的權重

計算判斷矩陣的最大特征向量,對其進行標準化來得到權重矩陣。

2.2.4 一致性檢驗

計算一致性指標CI,如式(9)所示。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(9)

式中:λmax表示最大特征值;n為階數。

計算一致性比例CR,對比較矩陣的一致性進行測量,一般CR≤0.1時,比較矩陣滿足一致性檢驗。CR計算方法為

CR=CI/RI

(10)

式中:RI為隨機性指標,數值取決于比較的因素的數量,可通過查表得到。

2.2.5AHP分析結果及數據處理

文中選取專家、地鐵工作人員、乘客三方人群進行打分以保證打分的全面性,最終分析結果如表5所示。

表5 AHP分析結果

一致性檢驗結果如表6所示。

表6 AHP一致性檢驗結果

由表6可知,各層指標均通過檢驗,即得出的權重值可用。

為統一評價層即B11～B13、B21～B23、B31～B33的權重使其具有可比較性,對數據進行如下處理:

[B11 B12 B13]=0.51*[0.47 0.15 0.38]=[0.24 0.08 0.19]

[B21 B22 B23]=0.14*[0.33 0.26 0.41]=[0.04 0.04 0.06]

[B31 B32 B33]=0.35*[0.43 0.10 0.47]=[0.15 0.04 0.16]

處理后的權重如表7所示。

表7 處理后的各指標權重

3 組合權重

組合賦權方法是根據主觀權重和客觀權重的特點將主、客觀方法相結合,從而對評價層指標和各方案的組合權重進行計算,如式(11)所示。

0≤θ≤1;1≤k≤q

(11)

式中:q為賦權方法種類數,文中q=2;θ為決策者偏好度的相對重要性,取θ=0.56;λk為決策這對權重方法的偏好度,文中對層次分析法的偏好度λ1取 0.7,對 CRITIC賦權法的偏好度λ2取0.3,λ1+λ2=1;βk為賦權法一致性系數,文中為2種賦權方法,通過Spearman等級相關系數得到的賦權方法一致性系數β1=β2=0.5;wk為單一賦權法的權重,w1為層次分析法權重,w2為CRITIC賦權法的權重。

將ATP和CRITIC權重進行組合,得到最終權重值如表8所示。

表8 組合權重結果

4 結果分析

通過數據對比可以發現,在CRITIC法中,權重由大到小排列順序為促進國土增值、發掘經濟潛力、減少環境污染、減少噪聲影響、節約乘客出行時間、節約能源、增加就業機會、誘增客流、減少交通事故;在AHP法中,權重由大到小順序為節約乘客出行時間、促進國土增值、發掘經濟潛力、減少噪聲影響、誘增客流、節約能源、減少環境污染、減少交通事故、增加就業機會。前者基于數據波動性原理客觀反映效益指標重要性的同時忽視了人們關心的出行時間、誘增客流、就業等方面的重要性,后者基于人們打分主觀反映效益指標重要性的同時忽視了客觀經濟、環境等人們熟悉度不高的方面。而組合權重基于將兩者結合,對軌道交通項目效益指標進行綜合打分,兼顧主客觀要求,使得最終評價更具完整性、實踐性。

由組合權重結果可以發現節約乘客出行時間、發掘經濟潛力、促進國土增值排在軌道交通項目效益權重前三的位置,分別為0.26、0.19、0.13,三者占據總權重的58%,超過一半,可見重要性。因此,在新建地鐵的規劃、設計期間應重點關注這三個方面,并將建設資源向這三方面傾斜。在節約乘客出行時間方面,車站設計應符合客流量預測,各個通道、樓梯、扶梯、直梯等設施位置、規模應滿足大客流疏散要求。同時,在滿足客流預測的前提下盡可能優化通信、信號設備,提高客車容量,提高運營后的旅客運輸效率。在發掘經濟潛力方面,可以利用地鐵出入口設計、上蓋開發等自身條件,對接沿線商服、車輛段等空間進行再開發,提高已開發經濟區域的經濟價值。在促進國土增值方面,線路規劃時應考慮未開發土地的經濟價值,配合城市規劃,優先對未來有城市經濟規劃的區域設計線路。同時,對旅游資源、人文資源豐富卻交通不便地區也應重點考量,以提高資源利用率,發掘經濟潛力。

5 結 論

文中主要對軌道交通項目效益評價方法做了如下工作。

1)篩選評價指標,構建評價體系。分別在交通效益、環境效益、社會效益三個方面,選取節約乘客出行時間、減少交通事故、誘增客流、節約能源、減少環境污染、減少噪聲的影響、發掘經濟潛力、促進國土增值、增加就業機會等9個指標構建了評價體系。

2)構建組合權重評價方法,進行組合權重評價。在分別分析了AHP和CRITIC兩種評價方法的基礎上,根據各自特點,設計組合權重方法,綜合各自結果得到9項效益指標的組合權重。

3)分析權重排在前三的指標即節約乘客出行時間、發掘經濟潛力、促進國土增值效益,對三者在建設前期的設計提出一定的參考建議。

但隨著軌道交通功能和定位復雜性的增加,文中指標選取會缺乏全面性。在今后的研究中,可以根據軌道交通的城市定位,進一步補充完善。