基于层次分析法的城市交通网络可达性评价方法研究

冯柏盛，殷玮川

（北京联合大学城市轨道交通与物流学院，北京 100101）

1 引言

近年来，随着城市经济的迅猛增长，人口的大规模流入，城市发展出现集中化和规模化的趋势。在城市高速扩张过程中，城市交通拥堵问题是困扰城市发展的关键问题。城市交通拥堵问题的产生会造成运营成本提高，交通服务的质量和水平下降，对城市经济增长以及社会发展产生阻碍影响。而研究城市交通网络可达性，则可以提升城市整体交通网络的运输效率，增强城市交通网络的服务水平，在城市交通网络设计与规划方面具有良好的应用前景。

国外学者对于城市交通网络可达性相关理论研究较早，1959年，Hansen首次给出交通网络可达性的明确定义，是指网络中各个节点间的相互作用机会的大小，研究期间建立重力模型探究可达性与城市土地利用的相关联系。2015年，F. Rotoli通过测定铁路网的可达性指标，研究高速铁路线路布局对区域可达性的影响。国内学者对城市交通网络可达性也进行相应研究，如张亦汉等采用Arc GIS技术，将广州地铁作为分析实例，探讨时间因素下的交通网络可达性；李颖基于对层次分析法的改进，认为可通过加强轨道交通的准时快捷和提高设施设备的质量、数量来提高轨道交通服务质量，进一步提高乘客的满意度；郭谦等人以北京市轨道交通网络为案例，提出一套评价轨道交通网络可达性的方法；赵路敏等人通过分析轨道交通网络可达性影响因素对轨道交通2种可达类型的算法进行研究；夏宇基于空间句法和可达性理论，选用4个指标对轨道交通线网的可达性进行评价；程秀昌等人基于空间句法对北京市轨道交通线路的可达性进行评价；罗钦等人基于列车运行图的时间约束条件，提出网络动态可达性的衔接模型及推算流程；邓羽等人对北京城区时间可达性的综合度量和其空间特征进行了分析；吴红波等人基于GIS对城市公交车路网可达性进行研究；王国华等人分析城市地铁交通网络可达性与社会经济关系。

目前，交通网络可达性的研究多聚焦于单一交通方式网络，且所构建的评价指标体系也有待完善。本文考虑综合交通发展背景下，针对交通网络可达性评价研究的单一性，重点研究城市综合交通网络的可达性评价方法，通过构建综合性的评价指标体系，评价城市交通网络可达性的优劣，并选取北京、上海和重庆为案例进行研究。

2 城市交通网络可达性评价指标体系分析

本文采用层次分析法对城市交通网络可达性进行评价。层次分析法（AHP）最初是由美国运筹学家L. T. Saaty等人提出处理复杂决策问题的方法。本文首先构建出与决策目标相关的影响因素，将主观想法依照真实数据客观地进行表达，来确定多种中间层要素在目标中的权重，最后决策出适合的备选方案，并通过Yaahp软件进行层次分析法模型建立及计算。

2.1 指标分析

本文把可达性定义为城市交通网络中区域之间的吸引强度，强度越高，可达性越容易实现。本文选取6个二级指标，22个三级指标对城市交通网络可达性进行评价。二级指标包括居民出行需求、经济发展水平、交通服务水平、资源配置效率、土地利用程度与线网开发强度。

2.1.1 居民出行需求（B1）

可达性是空间相互作用的强度，主要反映出行目的地对出行人群的吸引力。良好的城市交通网络可达性能够提高生活质量，带来可持续的经济发展。其次，人是城市经济社会活动的载体和城市化进程中最活跃的因素，是城市交通网络服务对象和最直接的参与者。目前轨道交通出行方式因其为人们提供便利、安全服务等特点深受大众青睐。将轨道交通站点布置在学校、大型商场、医院等人员密集场所周边，对居民出行需求有正向促进作用，进而增强交通网络可达性。综上所述，本文选择居民出行需求反映城市交通网络可达性水平。提出下文4个三级指标进一步分析。

（1）轨道交通旅客运输量（C11）：轨道交通运送乘客的总人次，包括付费乘客和不付费乘客人次。

（2）公共汽电车客运量 （C12）：公共汽电车运送乘客的总人次，包括付费乘客和不付费乘客人次，包括在城市道路和公路完成的客运量。

（3）地区机场旅客吞吐量 （C13）：一定时期内飞机起降次数和旅客运送数量，该指标可反映机场规模和旅客运送能力。

（4）旅客周转量（C14）：一定时期内，由多种运输工具运送的旅客数量与其相应运输距离的乘积之总和。

2.1.2 经济发展水平（B2）

国外学者研究可达性时构建测算的势能模型将经济、人口等要素带入其公式，计算两点间的可达性，受此公式启发，同时依据可达性基本特征具有社会和经济基本价值，本文提出社会经济发展作为二级指标。不同城市的社会经济发展水平不同，经统计调查得出的国内生产总值（GDP）也就不同，应用在交通领域建设的资金也不一致，例如城市轨道交通网络覆盖不同，引起沿线住宅价格也不尽相同。刚开通城市轨道交通沿线区域周边的基础设施的完备情况、娱乐设施数量、房地产开发等都要与城市经济水平相结合。因此，经济发展水平的指标内容包括以下几项。

（1）GDP （C21）：国内生产总值，也是衡量一个国家或地区经济状况和发展水平的重要指标。

（2）人均地区生产总值（C22）：衡量国家人民生活的标准，反映经济发展程度。

（3）居民人均可支配收入 （C23）：更具体的反映人们经济水平，不同收入水平的居民对交通出行需求也各不相同，部分居民注重出行成本，把价格低廉的出行方式作为优先选择方式，而有些居民则更注重出行舒适度。

2.1.3 交通服务水平（B3）

交通服务水平指的是各种运输形式在其所服务的地区范围内的实际转运能力，是运输服务质量优劣的直接体现。交通服务水平的指标内容包括以下几项。

（1）安全（C31）：统计某地区近5年的交通事故发生总数，将其划分为5个档位并对应5个分数，本文应用此种方式来衡量安全程度。

（2）单程通勤时耗 （C32）：从家到工作地点，全方式出行所用时间的平均值。

（3）客流强度 （C33）：依据每年的轨道交通客运量计算出每日的客流量，再用客流量除以城市的轨道交通运营里程，得出客流强度，依据此指标反映运输线路的繁忙程度。

（4）平均通勤距离 （C34）：就业人员从家中往返工作地的平均距离。

其中，平均通勤距离和单程通勤时耗这2种指标密不可分，通勤耗时与距离有很大关系，是城市空间、交通效率、宜居水平的综合体现，反映城市的内部结构。

2.1.4 资源配置效率（B4）

城市交通网络所包含的各种运输手段方式，可间接反映出区域内部以及区域之间的交通网络结构和可达性强弱，也间接反映出网络的运输效率。资源配置效率指标内容包括以下几项。

（1）公共汽电车运营数量（C41）：由政府交通运输主管部门按照车辆实际经营范围和用途等界定的，在城市中按照核定的线路、站点、票价和时刻表营运，供乘客乘坐的经营性客运汽车和无轨电车数量。

（2）出租汽车数量 （C42）：城市内合法上路的出租车数量。

（3）公共汽电车运营条数（C43）：在城市中核定的经营性客运汽车和无轨电车线路数量。

上述3种指标都是城市特有运载工具发挥交通运输作用的载体。

2.1.5 土地利用程度（B5）

土地利用程度是城市基础设施建设水平的反映，土地利用程度高则城市基础设施建设水平就高。土地开发利用与不同公共交通设施的建立有着密切联系，城市交通网络可达性服务的对象是城市中的居民，可达性程度可以通过居民的出行体验进行反映。如果土地利用不合理会造成城市交通拥堵，进而导致城市交通网络可达性不高，因此优化城市交通网络，需把土地的开发利用与城市交通网络系统相互协调。因此，土地利用程度指标内容包括以下几项。

（1）年末常驻人口（C51）：人员流动借助交通网络实现空间转移和流通，一段时间内的城市人口数量会对土地开发利用起到支配作用，比如工作时位于中心城区和下班时位于住宅区人口的数量都会对土地开发程度起到决定作用，影响程度和范围随着距中心区距离的拉大而变大。

（2）建成区面积（C52）：建成区指城市行政区内实际已成片开发建设、市政公用设施和公共设施基本具备的区域，也就是城市实际建设用地所达到的范围，与土地利用有关联。

（3）城市绿地面积（C53）：城市绿地面积指用作园林和绿化的各种绿地面积，包括公园绿地、生产绿地、防护绿地、附属绿地和其他绿地的面积。开发利用土地的同时，也应注意到绿色环保节能减排，以及土地资源的可持续发展情况。

2.1.6 线网开发强度 （B6）

把城市独立的各种交通运输方式通过互联互通的形式组成城市交通网络，需考虑整体区域覆盖问题，所以选取线网开发强度作为二级指标，其指标内容包括以下几项。

（1）轨道交通运营里程（C61）：包括地面、地下、高架等线路起点到终点的公里数。

（2）公共汽电车运营线路总长度 （C62）：此指标与C61求和等于运营线路总长度。

（3）铁路营业里程（C63）：也称营业长度，指投入客货运输正式营业或临时营业的线路长度，按营业线路的正线两车站中心间的实际长度计算。

（4）平均地铁站点间距（C64）：计算此指标时，选取北京、上海和重庆各自最长线路的地铁，用总线路的长度除以途径总站点数，作为分析结果。

（5）轨道交通运营条数 （C65）：包括地面、地下、高架等线路开通的条数。

以上指标均为与城市基础交通设施相关的三级指标，能够明显反映出可达性基本特征，即可达性衡量特定的起点和终点之间的关系。

3 城市交通网络可达性指标体系的构建

3.1 建立层次结构模型

本文构建的城市交通网络可达性指标体系设有决策目标，中间层要素6个，备选方案22个，城市交通网络可达性评价指标体系见图1。

图1 城市交通网络可达性评价指标体系

3.2 构造判断矩阵

在层次结构模型基础上，要对同一层次的指标进行两两比较，比较出同一层次指标之间的相对重要性。如表1所示，判断矩阵中的每一个元素aij（ i，j = 1，2，3，…，n ）的数值表示因素i相对于因素j的重要性，而aji（i，j =1，2，3，…，n ）的数值则表示因素j相对于因素i的重要性；为反映两个因素的互反关系，层次分析法规定aij=1/aji（i，j = 1，2，3，…，n ）， 其中，当 i = j 时，aij= aji= 1。

3.3 计算判断矩阵的权重

根据判断矩阵计算最大特征值与特征向量，采用求和法计算特征值的近似值。

3.4 一致性检验

一致性检验是衡量判断矩阵质量好坏的标准，可以有效避免判断过程中的逻辑错误。通过最大特征根m计算判断矩阵偏离的一致性指标CI，CI =（m - n）/（n - 1），n为判断矩阵的阶数。一致性指标CI与同阶平均随机一致性指标RI之比为随机一致性比例CR，CR = CI / RI。 当CR = 0时，说明判断矩阵具有很好的一致性；当CR＜0.1时，说明判断矩阵一致性较好； 当CR≥0.1时，说明判断矩阵的一致性不好，应对矩阵的各项取值进行修改，直到CR＜0.1。

经一致性检验计算，本文构建的二级和三级指标权重符合判断矩阵要求，具体的计算参数和指标权重数值见表2～表6。上海和重庆市近5年数据并取其平均值，百分制指标中，指标数值最优记100分，其他指标数值按照与最优数值比例依次计分。其中三级指标中部分指标的计分规则如下。

表2 对交通网络可达性，经济发展水平的权重

表6 各个三级指标权重

单程通勤时耗（C32）：选取2020年数据，用时20 min之 内 记100分，20～40 min 记80分，40～60 min记 60分。

平均地铁站点间距（C64）：选取北京、上海和重庆市各自最长线路，用总长度除以该线路总站点数计算出

4 案例分析

选取北京、上海和重庆的交通网络进行实例分析。按照所构建的指标体系中的二级和三级指标具体计分规则，选取北京、

表3 对交通服务水平，线网开发强度的权重

结果。

表4 对资源配置效率，土地利用程度的权重

表5 对居民出行需求的权重

轨道交通运营线路（C65）：选取北京、上海和重庆市最近一年的数据最大值计为100分，其他数值按照与此值比例转换成百分制计分。

安全（C31）：将北京、上海和重庆市发生交通事故的次数划分为5个挡位ABCDE，依次表示每年发生事故次数为1 000、2 000、3 000、4 000、5 000例，百分制得分为100、80、60、40、20。

客流强度（C33）：计算出北京、上海和重庆市每日客流量除以对应北京、上海和重庆市的轨道交通运营里程得到客流强度。

为更好的研究北京、上海和重庆的交通网络可达性情况，本文对所建指标体系设置4种参数方案，探究不同权重下的最终得分情况。由表7可见，经济发展水平（B2）与线网开发强度（B6）在二级指标中权重占比较高，是城市交通网络可达性的关键因素。

表7 4种参数方案下各个指标权重值

4种参数方案下北京交通网络可达性评价综合得分均为第一。当把所有指标的权重调为1时与只把三级指标权重都调为1时作比较，北京和上海交通网络可达性评价综合得分相对稳定，且呈现小幅度增长。重庆交通网络可达性评价综合得分则是呈现明显下降趋势。当二级指标经济水平发展权重升高0.3时，重庆交通网络可达性评价综合得分有所下降。

通过4种参数方案，进行加权计算得出北京、上海和重庆的综合得分见图2。

图2 北京、上海、重庆城市交通网络可达性得分折线图

通过案例分析，发现北京交通网络可达性方面存在某些不足，如城市绿地面积覆盖率不高，需依据城市规划进一步扩大。案例分析结果也反映出大中城市仍需因地制宜地发展城市交通体系，同时加强绿色基础设施建设，加快形成绿色低碳交通运输方式，才是实现可持续发展的长久之策。

综上所述，经济发展水平是影响城市交通网络可达性的重要因素之一。北京、上海的经济发展水平在全国各大城市排名靠前，为交通网络建设奠定坚实的经济基础，可以较好的提升城市交通网路可达性水平。通过对城市交通网络可达性评价研究，有助于推动今后多层次轨道交通网络可达性评价研究。

5 结论

本文基于层次分析法构建城市交通网络可达性的评价指标体系，并以北京、上海和重庆市为案例进行验证分析。研究表明影响城市交通网络可达性的因素较多，利用层次分析法可以对多种指标定量分析，解决各层次之间的指标分配权重等问题。虽然利用大数据进行评价能降低一定的误差，但如何进一步精细化城市交通网络可达性评价工作将是下一步研究的方向。