基于FAHP-改進TOPSIS法的慢行交通服務質量評價研究

畢學鑫, 王淑華, 趙 琦, 修偉杰, 王 強

(1.北方工業大學電氣與控制工程學院, 北京 100043; 2.星禾環?？萍?江蘇)有限公司, 江蘇 222066;3.北京市城市道路養護管理中心, 北京 100071)

0 引言

慢行交通是城市中居民解決中短距離出行的主要交通方式. 創建完善、舒適的慢行交通環境,有利于居民提高慢行出行比例,減少機動車出行意愿,從而減少碳排放,推動城市低碳高質量發展. 科學評價慢行交通系統服務質量,通過評價結果確定需要改善的慢行交通路段和區域,有利于交通管理部門高效、有針對性地實現動態管理,具有重要的實踐意義.

圖1 慢行交通系統服務質量評價指標體系

王若琳[1]從使用者主觀角度出發,對研究區域慢行系統使用后滿意度做了評價研究. 卓國斌[2]基于結構方程模型并引入滿意度理論,從公眾主觀角度構建了1套慢行交通系統公眾評價體系. 閆欣欣等[3]利用熵權-TOPSIS模型建立了慢行交通與城市設計協調性評價模型,并研究了熵權-TOPSIS模型在兩者協調性評價上的合理性和適用性. 李雅琪[4]通過聚類分析和因子分析對評價指標進行篩選,分別建立了航城居住區步道和非機動車道服務水平評價模型. 可看出,現有大多數研究中的慢行交通系統評價不是基于道路寬度和路網密度等客觀調研數據就是基于問卷調查得到的主觀出行滿意度數據[7],而僅依靠單一角度得到的數據進行評價并不能科學、全面地反映城市慢行交通系統的服務質量. 客觀方面的慢行交通系統設施數據反映現狀慢行交通建設是否達到了相關標準文件的要求,主觀方面的出行滿意度數據反映慢行出行者的具體感受,兩者都很重要. 本文在考慮慢行系統設施和交通流狀況的基礎上加入出行滿意度這一主觀數據,將兩者有機結合,建立主客觀相結合的綜合慢行指標體系,該指標體系普遍適用于城市主干路、次干路和快速路輔路的慢行系統.

陳仁鵬等[5]提出了1種基于模糊層次分析法(FAHP)和區間數改進優劣解距離(TOPSIS)法相結合的風險評估方法用于評估盾構隧道施工對鄰近建筑物的影響. 劉康康等[6]提出1種基于組合賦權-理想解法的電能質量綜合評價方法,結合FAHP和熵權法確定評估指標的最終權重,使用基于夾角余弦的距離度量方式取代傳統的歐式距離公式,來改進TOPSIS法. FAHP-TOPSIS法在多個學科的工程評價領域應用廣泛,但是傳統TOPSIS法存在逆序問題,在像慢行交通系統這種需要定期評價并對比不同時期的數據以查看優化效果的應用上并不適用. 本文將FAHP-TOPSIS法首次應用于慢行交通服務質量評價,并且為解決傳統TOPSIS法存在的逆序問題,引入絕對理想解對其進行了改進.

1 慢行交通系統服務質量指標體系

本文按照“層次關系分析—所有指標的初步選擇—指標的初步篩選—指標體系的確定”4個步驟中構建了1個多層級、多指標的城市慢行交通系統服務質量評價指標體系,該指標體系被分為4個層級,分別為目標層、慢行出行方式層、慢行需求層和具體指標層[8-10],如圖1所示.

第1層是目標層,即城市慢行交通系統在各種因素綜合作用下的服務質量綜合評價結果;第2層為慢行出行方式層,慢行交通是出行速度不大于 15 km/h交通方式,包括步行和非機動車交通;第3層是慢行需求層,根據慢行交通的特點以及出行者對慢行交通系統的需求,分為安全性、便捷性和舒適性3個方面. 安全性是最基本的要求,便捷性主要表現在路線便捷,即繞行距離小,舒適性則是通過美化慢行出行環境優化慢行出行體驗,從而提高公眾的慢行出行意愿;第4層是具體的指標層,將以上安全性、便捷性和舒適性3個方面進一步細分為多個具體的指標,可分為定性指標和定量指標兩類. 在指標體系所包含的21個指標中,非機動車道隔離設施和安全性、便捷性、舒適性滿意度為定性指標,其數值判定標準[11]如表1和表2所示;其余指標均為定量指標,各項指標的計算方法如表3所示.

表1 非機動車道隔離設施指標數值判定標準

表2 各項滿意度指標數值判定標準

表3 各項定量指標計算方法

2 慢行交通系統服務質量評價模型

2.1 運用模糊層次分析法(FAHP)計算指標權重

模糊層次分析法(FAHP)是在傳統層次分析法基礎上,引入模糊數學理論得到的1種主觀賦權方法. 模糊層次分析法改進了傳統層次分析法中諸如判斷一致性與矩陣一致性相異、一致性檢驗困難與缺乏科學性等問題,提高了評價的可靠性[12]. 模糊層次分析法分為2種,1種是基于模糊數的FAHP,另1種是基于模糊一致矩陣的FAHP. 本文采用的是基于模糊一致矩陣的FAHP,其具體步驟如下:

表4 標度的具體含義

1)建立模糊互補判斷矩陣.明確各指標之間的相對重要性,對同層次同隸屬關系的各指標進行兩兩比較,并按照表4采用0.1～0.9標度來衡量兩者間的重要性,根據打分結果構造n階模糊互補判斷矩陣:

式中,aij為指標xi與xj的重要程度比,且矩陣A=(aij)n×n滿足aii=0.5,aij+aji=1.

(1)

3)計算指標權重.將模糊一致矩陣R中的元素按行求和,按以下公式計算,得到各指標權重wi,

(2)

組織多位專家對21個指標進行打分,根據專家打分建立模糊互補判斷矩陣,再根據式(1)計算得到各層次間的模糊一致矩陣,最后根據式(2)計算得到各級指標的初始權重,如表5所示.通過對單個指標和6個慢行需求層的初始權重組合計算得到了城市慢行交通系統服務質量各項評價指標的最終權重,如表6所示.

2.2 改進TOPSIS法

FAHP法中模糊互補判斷矩陣的確定依靠專家打分,具有一定的主觀局限性. 為保證研究結果更具有可靠性,本文采用改進逼近理想解排序法(TOPSIS)結合調研數據對各評價對象進行綜合評價并排序,從而使評價結果更為客觀全面.

2.2.1 傳統TOPSIS法

1)構造原始評價矩陣.針對m個評價對象,分別對應n個評價指標,構造原始評價矩陣X=(xij)m×n.

2)構造正向化矩陣.對原始評價矩陣進行正向化處理,就是將各指標均轉換為極大型指標,統一指標類型,得到正向化矩陣Y=(yij)m×n.指標類型主要分為4種,包括極大型(效益型)指標、極小型(成本型)指標、中間性指標和區間型指標.

設{xi}是1組極小型指標序列,那么正向化為:

(3)

設{yi}是1組中間型指標序列,且最佳的數值為ybest,那么正向化的公式為:

(4)

設{zi}是1組區間型指標序列,且最佳的區間為[a,b],那么正向化的公式為:

(5)

3)構造標準化矩陣.對已經正向化的矩陣進行標準化,消除不同指標量綱的影響,得到標準化矩陣Z=(zij)m×n.

表5 各級指標初始權重

(6)

4)確定理想解和負理想解.根據標準化矩陣,找到理想解R+和負理想解R-,分別為

(7)

(8)

5)計算各評價方案與理想解和負理想解的距離.

到理想解的距離為

(9)

到負理想解的距離為

(10)

6)計算相對接近度Si,并按照相對貼近度的大小對評價結果進行排序.

(11)

2.2.2 絕對理想解改進TOPSIS法

傳統TOPSIS法在實際應用中存在著逆序問題. 所謂逆序問題,就是當在TOPSIS法中修改原有評價對象或增加新的評價對象時,如果影響到理想點的改變,原有的排序就會發生變化. 產生逆序問題的本質實際上是評價標準發生了變化[13-14]. 引入絕對理想解,即制定1個適用于此類評價的固定不變的評價標準,以此來改進傳統TOPSIS法可解決逆序問題.

改進TOPSIS法的具體步驟如下:

其中1)～3)與傳統TOPSIS法的步驟相同.

表6 慢行交通系統服務質量評價指標最終權重

5)計算各評價方案與絕對正(負)理想解的距離.

到絕對理想解的距離為

(12)

到絕對負理想解的距離為

(13)

(14)

7)由于在此次評價中將絕對理想解設為向量1n*1=(1,1,…1)T,絕對負理想解設為向量0n*1=(0,0,…0)T,從而導致評價值整體偏小,因此對評價值整體進行以下調整,得到最終評分結果.

(15)

3 實例分析和驗證

基于北京市海淀區2018年慢行交通整治工程實施前和實施后實地調研數據,選取了整治工程中的8條道路作為研究對象,應用上述FAHP-改進TOPSIS評價模型對其進行慢行交通服務質量評價.

本研究以北京市海淀區2018年慢行交通整治工程中的8條道路作為案例,該工程項目通過拓寬步道、更換步道鋪裝、增加非機動車道隔離護欄等措施來提升慢行系統服務質量. 我們收集了工程實施前后的慢行設施數據、交通流數據和慢行出行滿意度問卷數據,利用FAHP-改進TOPSIS評價模型去評價這8條道路整治前和整治后的慢行交通系統服務質量,通過對比整治前后的評價結果來驗證所提方法的有效性. 調查路段范圍如表7所示.

表7 調查路段范圍

在利用FAHP確定了指標權重之后,基于2018年慢行交通整治工程中8條道路整治前和整治后的數據,利用絕對理想解改進TOPSIS法進行綜合評價,得到了這8條道路整治前和整治后的慢行交通系統服務質量評分,如表8所示.

為驗證本文提出改進TOPSIS法的強保序性,將其與傳統TOPSIS法進行對比,計算各條道路的評分及排名情況,見表9.

比較表9中傳統TOPSIS法的2個排序結果可發現,在僅評價整治前數據時,長春橋路的評分優于阜成門外大街,而在加入整治后數據一起評價后,變成了阜成門外大街的整治前評分優于長春橋路,出現了逆序,顯然前后矛盾. 引入絕對理想解后的改進TOPSIS法則解決了這個問題,各條道路的整治前評分在加入整治后數據后仍與僅評價整治前數據時保持一致. 絕對理想解改進TOPSIS法比起傳統TOPSIS法具有強保序性,不會因評價對象的增加或改變影響評價結果的順序,在諸如慢行交通系統這種需要定期進行評價并將不同時期的數據進行對比以查看優化效果的應用上具有顯著優勢,其實用性大大提升. 此外,比起傳統TOPSIS法,改進TOPSIS法的標準差值更大,說明評價結果區分更加明顯,更易區分排名.

表8 整治前后得分對比

圖2 整治前后得分對比

表9 各條道路整治前評分排序情況

從圖2可看出,整治后每條道路的慢行交通服務質量評分都有明顯提升,其中八達嶺高速輔路的評分提升幅度最大,首體南路的評分提升幅度最小. 在這8條道路的慢行整治工程實際建設中,八達嶺高速輔路慢行交通系統的改造內容及施工量最多,包括新建步道、機非隔離護欄、彩鋪、完善盲道、更換路緣石、新增B型及C型人行道樁、新建慢行交通標識牌等,因此評分提升幅度最大;首體南路慢行交通系統的改造內容及施工量最少,包括拆除人行護欄、新建人行道樁、新建慢行交通標識牌和增設盲道,因此評分提升幅度最小. 這說明以上評價結果與實際情況相符,驗證了FAHP-改進TOPSIS評價模型在城市慢行交通系統服務質量評價的可行性和有效性.

圖3 低分道路各方面得分

圖4 整治后現場調查照片

在整治后的道路評分中,仍存在慢行交通服務質量評分相對較低的道路,例如紫竹院路和首體南路等,這說明這些道路的慢行交通系統還有較大的提升空間,可對其作進一步分析. 以紫竹院路和首體南路為例,如圖 3所示. 可看出,紫竹院路的步行和非機動車交通系統在安全性和舒適性2方面的評分均較低,在便捷性方面的評分較高且非機動車系統的評分優于步行系統;首體南路的步行系統在舒適性方面評分較低,非機動車系統在安全性和舒適性方面均有所欠缺. 從整治后現場調查拍攝的照片來看,紫竹院路仍存在少數機動車侵入步道的現象,部分路段仍為機非混行,沒有設置機非隔離護欄,這些都影響了該道路步行和非機動車系統的安全性和舒適性;首體南路在地鐵口附近的路段經常出現非機動車侵占步道的現象,非機動車道一側大多都設置了停車位,這增加了早晚高峰時段機動車與非機動車發生沖突的可能性,極大地影響了該道路慢行交通系統的安全性和舒適性. 通過對評價結果作進一步分析找到了尚未完善的地方,可為今后城市慢行系統的優化改造及服務管理提供合理的指導及建議.

4 結論

通過參考相關文獻規范及咨詢專家意見,確定了城市慢行交通系統服務質量的3個主要影響因素——安全性、便捷性、舒適性,構建了包含慢行系統設施、交通流狀況和出行滿意度的評價體系. 該評價體系主觀與客觀數據相結合,相較于以往的評價體系更加科學,由此得出的評價結果更加可靠.

首次將絕對理想解改進TOPSIS法應用于慢行交通系統服務質量評價中,引入絕對理想解,解決了傳統TOPSIS法存在的逆序問題,能更好地反映實際工程情況. 結合模糊層次分析法、和絕對理想解改進TOPSIS法形成了新的工程評價方法,評價過程均采用量化方式,相較于傳統工程評價方法準確性更高,受主觀因素影響較少,客觀性更強. 將該方法應用于2018年慢行整治工程中選出的8條道路,評價結果與實際相符,證明了該評價方法的有效性,可為慢行交通系統服務質量評價和其他類似工程質量評價提供參考.