基于Delphi和改进模糊层次分析法的自动检票闸机通行能力评价指标体系*

周慧娟 冯延伟 赵 宇 潘 勇 范青蓝

(1.北方工业大学城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室,100144,北京; 2.交通运输部公路科学研究院智能交通技术交通行业重点实验室,100088,北京∥第一作者，副教授)

基于Delphi和改进模糊层次分析法的自动检票闸机通行能力评价指标体系*

周慧娟1，2冯延伟1赵 宇1潘 勇2范青蓝2

(1.北方工业大学城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室,100144,北京; 2.交通运输部公路科学研究院智能交通技术交通行业重点实验室,100088,北京∥第一作者，副教授)

针对城市轨道交通车站出入口自动检票闸机评价指标涉及因素多、范围广,以交通供求关系为出发点,构建闸机通行能力评价指标集。采用Delphi法和改进模糊层次分析法(FAHP)集成的方法，筛选出闸机自身性能、数量、闸机位置、客流特征4个一级指标中的13个二级指标，构建城市轨道交通闸机通行能力评价指标体系。以北京地铁1号线复兴门站闸机组为例,计算影响闸机通行能力的多项指标,并重点分析闸机数量、乘客熟知程度和闸机故障率3个指标。实例验证结果表明,该评价体系能客观反映实际情况,具有较强的可操作性和实用性。

城市轨道交通; 闸机通行能力; 评价指标; Delphi法; 模糊层次分析法

First-author′s address Beijing Key Lab of Urban Intelligent Traffic Control Technology,North China University of Technology,100144,Beijing China

自动检票闸机是地铁站内重要的服务设施,其通行能力对增大车站客运量、提高车站运营效率起着关键作用。因此,对闸机通行能力的评价愈显重要。

关于城市轨道交通闸机通行能力的研究主要涉及两类:一类是从闸机自身出发,包括闸机自身参数、数量等；另一类是通过除闸机自身外的其它影响因素研究,如客流特征、基础设施布局等。文献[1]提出通过合理调整闸机自身参数适应乘客的通行习惯及升级软件优化闸机性能指标两个措施,来提高闸机的通行速度。文献[2]从闸机配置数量的角度对闸机通行能力、服务水平和运营成本进行分析,确定进站闸机最优配置方案。文献[3]指出应分析具体车站的客流特征,根据车站客流特点对客流量进行定性判断和定量分析,进而对闸机进行具体配置和布局。文献[4]对闸机组使用不均衡性进行研究,根据闸机组与客流方向的位置关系,从乘客视觉感受角度调整闸机与楼梯的相对布局，并提出相应改进方案，解决闸机利用不均衡问题。

目前，针对城市轨道交通闸机通行能力的研究,多从某一个或某几个因素入手,缺少对闸机通行能力多因素的研究。本文以城市轨道交通运营供求关系为出发点,从多个具有代表性和关键性的指标对闸机通行能力进行研究,采用Delphi法从评价指标集中遴选出关键性指标，来构建闸机通行能力评价指标体系,利用改进模糊层次分析法(FAHP)确定体系中各指标的权重,并以实际的地铁站数据对该体系进行验证,以期能对城市轨道交通闸机通行能力做出准确评价,为城市轨道交通闸机通行能力评价提供参考。

1 评价指标集构建

交通拥堵的根本原因在于交通供求关系的不平衡,即交通需求大于交通供给。解决此矛盾要从交通供给和交通需求两方面入手[5]。城市轨道交通亦是如此。因此,本文以交通供给、交通需求两方面为指标筛选原则,初步筛选出影响闸机通行能力的指标以建立评价指标集。

影响闸机通行能力的因素多而杂,这些因素本身模糊且复杂,因素之间又相互制约和影响。总结起来,其特点主要包含三个方面:① 多样性,对闸机通行能力的评价是一个多指标综合评价问题,不同指标分别从不同方面、不同程度来表征对闸机通行能力的影响大小；② 层次性,鉴于各因素间存在相关性,须将这些因素系统化、层次化,建立指标分级体系；③ 模糊性,由于指标本身具有模糊性,指标之间也存在模糊关系,因此需要将定性化的指标定量化。

在已有学者研究基础上[9-13],结合城市轨道交通运营供求关系,确定闸机自身性能、数量、闸机位置、客流特征作为一级指标,并初步选择出16个二级指标来建立闸机通行能力评价指标集。

从供求关系角度看,闸机是供给方,影响其供给能力的主要因素是闸机自身性能和数量这2个一级指标。它们是反映闸机通行能力的主要参数。闸机自身性能包括车票读写时间、闸机规格型号、读写单元可靠性、单程票回收速度、闸机控制系统、故障率等6个二级指标。闸机数量是站厅检票设备配置的核心,应综合考虑客流量和投资运营成本来合理设置,以最大限度提高闸机实际利用率,使闸机均衡利用。

人作为轨道交通的参与者,是需求方,人的行为特征是影响闸机通行能力的主要原因。初选闸机位置和客流特征作为表征人的行为特征的2个一级指标。闸机位置的影响因素包括步行距离、闸机朝向与客流流线关系、付费区与非付费区空间占有比例3个二级指标。客流特征主要通过乘客步行速度表现出来,初选性别、年龄、携带行李、乘客熟悉程度4个二级指标。

城市轨道交通闸机通行能力评价指标集如表1所示。

表1 闸机通行能力评价指标集

2 评价方法选取

选用不同评价方法得出的评价结果不完全一样。评价对象和内容的属性与评价方法的属性相匹配是评价方法选择的关键[6]。城市轨道交通闸机通行能力评价体系的重点是评价指标体系的建立和体系中各指标权重的确定,为分析影响闸机通行能力指标的属性特点,需要分别选择合适的方法来建立评价指标体系和确定各指标权重。

2.1 Delphi法构建评价指标体系

闸机通行能力评价指标集是构建评价体系的关键,指标选取的好坏直接决定了评价体系的准确性和可信性。Delphi法是一种利用专家集体智慧来确定各评价因素重要程度的方法,能有效解决评价因素、评价专家较多时评价结果不统一问题。利用此方法可以很好地遴选出影响城市轨道交通闸机通行能力的代表性和关键性指标。因此，本文用Delphi法构建闸机通行能力评价指标体系。

Delphi法具体操作步骤如下:

(1) 初步选取备选指标。本文中备选指标即表1中的16个二级指标。

(2) 确定专家组。邀请与本研究课题相关、有一定经验、对研究感兴趣的30名专家组成专家组。

(3) 设计专家咨询问卷。咨询问卷设计完成后,发放到每位专家手中认真填写。

(4) 收回咨询问卷进行统计分析,遴选出代表性和关键性指标。

2.2 改进FAHP确定指标权重

根据影响闸机通行能力指标的属性特点,选出能确定指标权重的最匹配的评价方法。一方面,由于评价指标的多样性和复杂性,需要将各指标划分为若干有序层次，而层次分析法特别适合于将复杂问题系统化、层次化。另一方面,由于绝大部分指标为定性指标,不能通过数据直接将其定量化,即指标具有模糊性,而模糊数学可以将定性化指标定量化。从以上两方面综合分析,FAHP[7]比较合适。但FAHP的一个缺点是判断矩阵很难满足一致性条件,而改进FAHP[8]可有效解决这一问题。综合考虑,本文采用改进FAHP确定指标权重。

改进FAHP操作步骤如下:

(1) 建立层次结构模型。根据指标间层次关系,将其划分层次。

(2) 建立优先关系矩阵F。为了更容易地作出两指标间的重要程度比较,提高辨析的客观性[15],采用三标度法建立优先关系矩阵F=(fij)n×m。其中

式中：

ci——指标fi的相对重要性程度；

cj——指标fj的相对重要性程度。

(4) 利用方根法求排序向量W(0)=(w1,w2,…,wn)T。

(5) 利用公式eij=rij/rji将R变换为互反型矩阵E=(eij)n×m。

(6) 以W(0)作为特征值法的迭代初值V0，利用迭代公式V(k+1)=EV(k)(V(k)、V(k+1)分别表示经k、k+1次的迭代值)求得V(k+1)以及V(k+1)的无穷范数‖V(k+1)‖。若满足<ε(ε为计算精度，ε≤0.001),则‖V(k+1)‖即为最大特征值λmax,并将V(k+1)归一化处理,处理后的向量即为最终排序向量W(k),W(k)=V(k+1),迭代结束。否则,即以V(k+1)=V(k+1)/‖V(k+1)‖,将V(k+1)规范化得到V(k+1),并将其作为新初值,再次迭代。

(7) 计算子指标层中各指标最终权重。

3 实例验证

复兴门站是北京地铁1号线和2号线的换乘车站,位于复兴门内、外大街及复兴门南、北大街交汇处,附近区域包含学校、超市、娱乐休闲等场所,配套成熟,客流量大,具有代表性和典型性。以复兴门站闸机为例,运用Delphi法和改进FAHP对其通行能力进行分析和评价。

3.1 构建评价指标体系

在初选指标和专家组确定后,结合复兴门站实际运营情况,对专家咨询问卷进行了详细设计,将表1中16个二级指标全部设计到问卷内。问卷的主要内容包括指标重要性程度、专家对指标的熟悉程度及专家评价依据。为提高问卷准确性，对专家判断影响程度按实际情况进行合理赋值。咨询问卷各主要内容的量化赋值表见表2。咨询问卷设计完成后,发放到每位专家成员手中认真填写。

表2 咨询问卷各主要内容量化赋值表

式中：

n——问卷数量；

xi——第i个专家对二级指标的赋值大小。

3.2 确定指标权重

(1) 将遴选得到的评价指标根据指标间关系划分层次,得到层次结构模型，如图1所示。

表3 咨询问卷最终调查结果表

图1 城市轨道交通闸机通行能力评价指标体系

(2) 根据图1,对各层次指标的重要性进行比较,建立各层次的优先关系矩阵如下：

式中：

FU——指标层优先关系矩阵；

FUi——子指标层优先关系矩阵。

(3) 以指标层为例进行计算,先将优先关系矩阵FU转换为互补型判断矩阵RU:

再利用方根法求得指标层的排序向量W(0):

(4) 同样以指标层为例进行计算,将互补型判断矩阵RU转化为互反型判断矩阵EU。

3.3 结果分析

从子指标层中各指标权重分布可以看出,影响复兴门站闸机通行能力的首要因素是闸机数量(权重0.225 0),其次是乘客熟知程度(权重0.150 2)和闸机故障率(权重0.149 6)。根据复兴门站闸机实际运营情况来看,本文提出的闸机通行能力评价体系比较符合实际。进一步分析可知,从交通运营供求关系角度,提高闸机通行能力的关键在于处理好供给双方的关系。从供给方看,增加闸机数量是最有效的办法,但考虑到地铁运营经济效益和通道宽度固定的限制,增加闸机数量比较困难。因此,在闸机数量不能改变的情况下,减小闸机故障率非常必要,这就需要不定期对闸机进行检修，排除隐患,以便减小闸机故障率。从需求方看,要尽量增加乘客熟悉程度,可以通过规范车站内信息服务(如路线指示，一卡通或单程票使用方法宣传等),减少乘客在站内徘徊时间,使乘客有序、高效通过闸机。

表4 各指标最终权重

4 结语

本文从交通供求关系角度出发,采用Delphi法和改进FAHP集成的方法筛选出闸机自身性能、数量、闸机位置、客流特征4个一级指标中的13个二级指标，构建城市轨道交通闸机通行能力评价指标体系。Delphi法使评价体系中各项指标的选取具有关键性和代表性,改进FAHP则使各项指标权重的设置更具合理性。以北京地铁1号线复兴门站闸机组为例,对其闸机通行能力进行评价,寻找出影响城市轨道交通闸机通行能力的关键因素。结合供求关系,对影响城市轨道交通闸机通行能力的指标进行了分析,为提高闸机通行能力提供科学依据。由于影响城市轨道交通闸机通行能力的因素多、内容复杂,相关评价标准还不完善,其评价方法还需进一步探索。

[1] 方锦煌.提高地铁自动售检票系统设备的技术性能[J].城市轨道交通研究,2007,10(9):58.

[2] 屈鹏举,陈京荣,王龙.轨道交通车站闸机配置仿真与评价[J].交通科技与经济,2012,14(5):60.

[3] 何洁.城市轨道交通自动检票机配置数量的研究[J].中国建设信息,2008(16):36.

[4] 冯建栋,吴娇蓉,金昱,等.轨道交通自动检票闸机组利用不均衡度研究[J].城市交通,2010(3):28.

[5] 陆化普.城市交通供给策略与交通需求管理对策研究[J].城市交通,2012,10(3):1.

[6] 徐明强,谈毅,仝允桓.基于属性的技术评价方法匹配研究[J].中国管理科学,2005,13(1):48.

[7] 张吉军.模糊层次分析法(FAHP)[J].模糊系统与数学,2000,14(2):80.

[8] 李永,胡向红,乔箭.改进的模糊层次分析法[J].西北大学学报(自然科学版),2005,35(1):11.

[9] 王子甲,陈峰,罗诚.轨道交通车站检票闸机布局的仿真优化[J].北京交通大学学报(自然科学版),2011,35(6):28.

[10] 杨建新.进出站闸机优化布局对地铁车站客流疏导的案例分析[J].城市轨道交通研究,2012,14(12):108.

[11] 叶臻,关宏志.城市轨道交通枢纽换乘供需的分形综合评价[J].长安大学学报(自然科学版),2014(1):17.

[12] 高勃,祝凌曦,肖雪梅.城市轨道交通路网运营设备安全状态评估方法[J].交通科学与工程,2014(1):98.

[13] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.地铁设计规范：GB 50157—2003[S].北京:中国计划出版社,2003.

[14] 闫冬梅,向红艳,邵毅明.城市轨道交通换乘站运行效率评价[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2013(1)：99.

[15] 吕跃进,张维.指数标度在AHP标度系统中的重要作用[J].系统工程学报,2003(5)：452.

Evaluation System for Gate Capacity in Urban Rail Traffic Based on Delphi and Improved FAHP

ZHOU Huijuan, FENG Yanwei, ZHAO Yu, PAN Yong, FAN Qinglan

The evaluation index of gate capacity in urban rail transit involves a wide range and many factors.From the aspect of supply-demand relationship,an evaluation system for gate capacity of urban rail transit is constructed,which integrates Delphi method and the improved FAHP.Four first level indices and thirteen second level indices related to gate capacity are selected to form an evaluation index.Fuxingmen Station on Beijing metro Line 1 is taken as an example to computer the indices affecting the gate capacity, in which three indices of gate number,passenger familiarity and gate failure rate are emphasized.The research provesthat the evaluation system has strong operability and availability in reflecting the real conditions of the automatic fare gate.

urban rail transit; gate capacity; evaluation index; Delphi method; fuzzy analytichierarchy process (FAHP)

*北京市教委科技计划 (KM20140009002),智能交通技术交通行业重点实验室开放课题(PXM2016_014212-000030)

U 293.22

10.16037/j.1007-869x.2016.07.004

2014-09-03)