基于熵权物元模型的客运站城市交通可达性评价研究

刘宇成

(兰州交通大学交通运输学院，甘肃　兰州　730070)

基于熵权物元模型的客运站城市交通可达性评价研究

刘宇成

(兰州交通大学交通运输学院，甘肃兰州730070)

国家自然基金项目(51 468035)

摘要：文章以客运站的城市交通可达性作为研究对象，并以兰州西站为例，运用物元分析模型，分别从空间可达性、时间可达性和综合交通环境影响3个大方面选取了经由车站的公共交通线路数、公交车平均等待时间、周边路段饱和度等10个指标，同时利用熵权法计算出各个指标的权重对兰州西站城市交通可达性进行了评价研究。

关键词：城市交通；熵权；物元模型；客运站；可达性；评价研究

0引言

截止到2014年底，我国已运营高速铁路里程达1.3万公里，到2015年末将建成四纵四横高速铁路网。高速铁路列车车次相比既有线旅客列车发车车次更加频繁，目前已经开通的高速铁路线高峰期发车间隔都在半小时之内，而火车站作为铁路线路在城市的节点和旅客乘火车出行的第一站，其城市交通可达性直接影响了旅客乘车效率。因此旅客对高速铁路车站的可达性要求比普通车站更高，所以有必要对客运站进行城市交通可达性评价。随着兰新高铁于2014-12-26全线开通，兰州西站正式投入使用，作为西北客运枢纽，兰州西站有宝兰客运专线、兰新铁路第二双线、兰渝(成兰)铁路、陇海(包兰)铁路、兰新(兰青、兰合)铁路、兰州经中川至张掖城际铁路等6条10个方向的客运线路交汇于此，是铁道部规划的十大区域性客运中心之一。因此选择兰州西站为例对客运站的城市交通可达性进行研究是具有代表性的。

物元模型是我国学者蔡文于20世纪80年代初创立的，由于该模型能够解决不相容的复杂问题，多用来进行多因子评价。目前该方法已广泛应用于火车站交通影响、土地生态安全、高速公路诱导信息有效性、航道通航风险等多个学科领域的评价[1，4，5，6]。熵值法[4，6，7]能比较客观地对各项指标取权重，能够避免层次分析法等方法对指标赋权值时主观性较强而影响评价结果。本文建立了兰州西站城市交通可达性的物元模型，用熵权法对各个指标赋予权重，对兰州西站建成后的城市交通可达性做出了评价。

1物元模型的原理及其方法

1.1　构造客运站的城市交通可达性物元

1.2　确定经典域和节域物元矩阵

待评对象的经典域可以表示为Rj=(Nj，Ci，Vji)，其中Rj为待评对象的经典域物元，Nj为所划分城市交通可达性的第j(j=1，2，…，m)个评价等级，Ci代表第i(i=1，2，…，n)个评价指标。所以，待评对象的经典域物元矩阵可以表示为：

(1)

式中(ajn，bjn)为相应评价等级j中第i个评价指标的量值范围，即是经典域。

同样的，待评对象的节域物元矩阵可以表示为Rp=(Np，Ci，Vpi)，其中p表示待评对象的所有评价等级的并集，所以相应的节域物元矩阵可表示为：

(2)

1.3　确定关联函数和关联度

待评对象的指标关联函数kj(vi)可定义为：

(3)

其中：

(4)

式中：ρ(V，V0)——点v与有限区间V0=[a0，b0]的距离；

ρ(V，Vp)——点v与有限区间Vp=[ap，bp]的距离；

|V0|——待评物元的模，|V0|=|a0，b0|。

1.4　计算综合关联度确定评价等级

待评对象Nv(v=1，2，3，…，n)关于等级j的综合关联度Kj(Nv)为：

(5)

式中：Kj(Nv)——待评对象Nv关于等级j的综合关联度；

kj(vi)——待评对象Nv关于等级j的单指标关联度；

λf——为待评对象的第i项指标的权重。

若

Kji=max[kj(vi)]，j=1，2，…m

(6)

则待评对象第i指标属于待评对象的标准等级j。

Kjv=max[Kj(Nv)]，j=1，2，…m

(7)

则待评对象Nv属于待评对象的标准等级j。

1.5　确定各项特征指标的权重

通常确定权重系数的方法有层次分析法(AHP)、德尔菲法(Delphi)、主成份分析法等，本文采用了主观因素影响较小的熵权法。当某项指标的值变异程度越大时信息熵就越小，因此该指标提供的信息量也就越大、相应权重也越大，反之亦然[4]。熵权法通过考察各项指标的变异程度来计算各项指标的权重主观性较少，为多指标综合评价提供相对客观可靠的依据。其具体步骤如下：

1.5.1标准化

(8)

式中：kj(vi)——指标关于各评价等级归属度；

rji——关联函数kj(vi)的标准化值。

1.5.2计算各指标的熵值

(9)

1.5.3确定各指标权重

(10)

其中，gi=1-ei。

2客运站的城市交通可达性评价指标的选取及其诠释

客运站的城市交通可达性评价指标的选取应该遵循全面性、代表性、独立性、易量化性的特点，评价指标涵盖影响城市交通可达性的主要因素的同时也应选取有代表性的特殊情况，以提高可达性评价的全面性。但是也应当注意所选取的指标不应过于细化、繁杂，这样不但提高了计算的复杂程度也使指标丧失了一般性。

2.1　空间可达性评价指标

客运站的空间可达性直接反应了克服空间阻隔的难易程度[8，12]，也就是火车站与城市路网连通性的好坏。考虑到以火车站为出行目的地的特殊性，如需要携带行李、一般为单行程等，因此出行者从城市某一地点去往火车站所乘坐的交通工具设定为公共交通工具(地铁、轻轨、公交车)和小汽车(出租车、私家车)两大类而不考虑自行车等交通工具，因此空间可达性评价指标以经由火车站的公共交通线路数和评价车辆可达性的道路衔接数为主。另外一个值得考虑的因素是长途汽车和火车的换乘问题，因为公路运输相比铁路运输具有线路覆盖面广、可达性好、乘坐便捷等特点，选择从周边县市搭乘省内长途汽车到兰州西站搭乘高铁的客流也具有相当的规模，因此本文选择了周边长途汽车站离火车站的距离作为评价指标之一。

(1)经由火车站的公交线路数[8，9]和城市轨道交通线路数是重要的评价对象，公共交通作为城市主要出行方式特别是针对去往火车站这种外来人口占比较大的出行流其重要地位更加突出。而且通过相关交通调查发现，即使是拥有私家小汽车的城市居民若以搭乘火车为目的而去往火车站，考虑到出行的单行程性给私家车停放带来的问题也多选择公共交通出行。因此这两项指标是可达性评价的重要指标。文章对经由线路数的定义指的是在火车站设置停靠站点的公交线和城市轨道交通线。

(2)火车站衔接的城市干道数量直接影响到火车站与周边路网的连通性以及乘私家车出行、乘出租车出行人员的可达性。同时火车站衔接的城市干道数量还会影响周边道路饱和度、紧急疏散能力等多个方面，衔接数越多则出行者路径选择越多，准点到达火车站的可靠度越高，因此这也是重要的评价指标之一。文章中衔接道路指的是火车站所在地块周边衔接的城市道路数量，包括城市快速路、干道、次干道等。

(3)虽然我国近些年大力修建高速铁路线，在东部、南部部分地区已经成网，但是还是难以整体覆盖我国众多县市，特别是在西部省份，高速铁路线网更加稀疏。但是随着国家公路网的不断完善，国道及其以上公路对县一级的行政区覆盖率很高且路况条件也大大提高，300 km内行驶时间误差很小，并且高速铁路发车频率较普通列车高很多而出行时间点的选择大大提高，周边县市出行人员完全能搭乘长途汽车再换乘合适时间的高铁车次。长途汽车换乘高铁列车成了一个不可忽视的因素，因此把长途汽车站离火车站的距离纳入评价指标是很必要的。

2.2　时间可达性评价指标

时间可达性反映的是从城市某一地点到达客运站的时效性，随着现代社会节奏越来越快、效率越来越高，这一指标占据的分量也越来越重。由于城市轨道交通公司对准点率要求非常严格并多以此作为对司机的考核标准，而且最关键的是城市轨道交通拥有独立的不受干扰的运营线路，因此准点率非常高，所以文章主要考察了公路交通等待与延误时间[10]及换乘的衔接性。

(1)公交车作为公共交通出行的主要工具之一，受路面交通流、行人流影响较大，其时效性指标直接影响到出行者特别是搭乘火车的出行者的经济效益。作为城市公共交通的重要组成部分，其时间可靠性直接影响了城市交通的时间可达性，而时间可靠性的最直接表现就是公交车的正点率、平均等待时间两方面，因此选取了这两项作为评价指标。

(2)平均换乘次数指的是从城市某一地点(已覆盖公交线路)到火车站的平均换乘次数，所取地点应具普遍性和代表性，如住宅小区、学校等。由于换乘需要耗费换乘站间衔接时间、等待时间和不确定性因素耗时，因此平均换乘次数是客运站时间可达性评价最直接的指标。

(3)出租车作为城市公共交通的补充，满足了城市公共交通线网覆盖不全处和追求时效性、舒适性的出行者的出行需求。由于乘出租车出行的线路由出行者决定且在乘坐期间出租车提供的位移属于私人物品范畴，因此其时间可达性指标主要表现为出租车平均等待时间。

2.3　综合交通环境影响评价指标

综合交通环境或直接或间接都对客运站可达性产生影响，如客运站周边路段的拥堵程度、行人过街设施是立体还是平面等，因此综合交通环境也是重要的影响因素之一[11]。

(1)行人过街设施分为立体过街设施(人行天桥、人行地道)、平面过街设施(灯控人行横道、人行横道)，一般来说对立体过街设施的评价应大于平面过街设施，特别是对火车站周边干路来说路段饱和度较高更应该偏向于立体过街设施。文章选取兰州西站周边路段的行人过街设施作为评价对象来进行评价，其划分标准参照文献[1]中城市道路服务水平指标进行等级划分，评价方法是考察各种过街设施所占比例及数量，通过对过街设施的换算数量与人流量对比看能否满足过街人流量需求。

(2)周边路段饱和度直接反映了道路的拥挤程度，是交通环境影响的重要指标，路段饱和度越小则对周边交通环境的影响越小，可达性也越好。

(3)停车场泊位数量受客运站所在城市的经济发展水平、公共交通线网条件、城市出租车运营环境、政府交通政策等因素影响。参考文献[13]中“社会车辆载客数基本为3.5人，各种车辆在停车场的停留时间以0.5 h最为适宜”，另外社会车辆载客人数中平均接送人员数量取1.5人为宜，高峰系数取0.12，所需停车场泊位数量的计算可以按：

所需停车场泊位数=

计算。考察兰州市经济、社会状况，去往兰州西站旅客使用各类交通工具比重可按社会车辆20%、出租车15%、公交车35%、城市轨道交通30%计算。

3算例分析

3.1　兰州西站城市交通可达性指标的确定

通过前文对客运站城市交通可达性评价指标的分析，针对兰州西站得出具体的指标及指标性质(见表1)。

表1　兰州西站交通可达性评价指标体系表

3.2　确定兰州西站城市交通可达性评价经典域、节域物元矩阵

经典域确定了各评价等级的取值范围是物元评价的基础，能否准确地划分经典域直接影响到评价的准确性。根据相关规范、规定及对各项指标调查所得的数据进行整理，本文将兰州西站交通可达性分为四个评价等级，分别表示为：优、良、中、差。其经典域矩阵R优、R良、R中、R差和节域矩阵Rp分别表示如下：

各相关的特征指标取值如表2所示。

表2　兰州西站城市交通可达性指标的取值表

2.3　兰州西站城市交通可达性评价的结果及分析

首先，根据式(1)、(4)可以计算出兰州西站城市交通可达性各个指标与各个评价等级之间的关联度，再通过式(6)可以确定各评价指标隶属的评价等级，计算过程不再赘述，其结果见表3。

表3　兰州西站城市交通可达性评价指标关联度、评价等级表

表4　各评价指标归一化权重表

最后，根据式(5)综合关联度可得兰州西站城市交通可达性综合关联度矩阵：

Kj(vi)=[-0.122 30.077 2-0.249 9-0.584 3]

从综合关联度计算来看，根据式(7)可以判断兰州西站的交通可达性与评价等级2级的关联度最大，即兰州西站的交通可达性为良。但是通过分析能发现，兰州西站的城市交通可达性在出租车平均等待时间和周边路段饱和度这两个指标上还有所欠缺，有待进一步加强。

4结语

高速铁路车站是旅客出行的第一站，其可达性直接关系到乘车效率，兰州西站作为西部高速铁路枢纽承担着西部地区与内地的客运，因此对其城市交通可达性的评价能为政府、出行者提供经验借

鉴。文章利用熵权物元模型对兰州西站的城市交通可达性做出了评价，结果显示在相应的配套工程陆续完工后，其城市可达性水平良好符合相关预期。但是随着车站使用情况的不断变化，影响可达性的主要矛盾可能会产生相应变化，因此将来有必要对评价指标进行相应的修正和重新赋权，以便进行再评价。

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Evaluation Study of Urban Transportation Accessibility of Passenger Terminals Based on Entropy Matter Element Model

LIU Yu-cheng

(School of Traffic & Transportation，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu，730070)

Abstract：With urban transportation accessibility of passenger terminals as the research object，with Lanzhou West Railway Station as example，and by using the matter-element analysis model，this article respectively selected 10 indicators such as public transit line number via this station，average bus wait-ing time，and saturation degree of surrounding roads from three major aspects of space accessibility，time accessibility and integrated transport environmental impact，while it conducted the evaluation study on the urban transportation accessibility of Lanzhou West Railway Station by calculating the weight of each index through entropy method.

Keywords：Urban transportation；Entropy；Matter-element model；Passenger terminal；Accessibility；Evaluation study

文章编号：1673-4874(2015)12-0058-06

中图分类号：U492.4+2

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.014

基金项目

作者简介
刘宇成(1988—)，硕士研究生，研究方向：交通运输规划与管理。