基于FAHP-改进TOPSIS法的慢行交通服务质量评价研究

毕学鑫, 王淑华, 赵 琦, 修伟杰, 王 强

(1.北方工业大学电气与控制工程学院, 北京 100043; 2.星禾环保科技(江苏)有限公司, 江苏 222066;3.北京市城市道路养护管理中心, 北京 100071)

0 引言

慢行交通是城市中居民解决中短距离出行的主要交通方式. 创建完善、舒适的慢行交通环境,有利于居民提高慢行出行比例,减少机动车出行意愿,从而减少碳排放,推动城市低碳高质量发展. 科学评价慢行交通系统服务质量,通过评价结果确定需要改善的慢行交通路段和区域,有利于交通管理部门高效、有针对性地实现动态管理,具有重要的实践意义.

图1 慢行交通系统服务质量评价指标体系

王若琳[1]从使用者主观角度出发,对研究区域慢行系统使用后满意度做了评价研究. 卓国斌[2]基于结构方程模型并引入满意度理论,从公众主观角度构建了1套慢行交通系统公众评价体系. 闫欣欣等[3]利用熵权-TOPSIS模型建立了慢行交通与城市设计协调性评价模型,并研究了熵权-TOPSIS模型在两者协调性评价上的合理性和适用性. 李雅琪[4]通过聚类分析和因子分析对评价指标进行筛选,分别建立了航城居住区步道和非机动车道服务水平评价模型. 可看出,现有大多数研究中的慢行交通系统评价不是基于道路宽度和路网密度等客观调研数据就是基于问卷调查得到的主观出行满意度数据[7],而仅依靠单一角度得到的数据进行评价并不能科学、全面地反映城市慢行交通系统的服务质量. 客观方面的慢行交通系统设施数据反映现状慢行交通建设是否达到了相关标准文件的要求,主观方面的出行满意度数据反映慢行出行者的具体感受,两者都很重要. 本文在考虑慢行系统设施和交通流状况的基础上加入出行满意度这一主观数据,将两者有机结合,建立主客观相结合的综合慢行指标体系,该指标体系普遍适用于城市主干路、次干路和快速路辅路的慢行系统.

陈仁鹏等[5]提出了1种基于模糊层次分析法(FAHP)和区间数改进优劣解距离(TOPSIS)法相结合的风险评估方法用于评估盾构隧道施工对邻近建筑物的影响. 刘康康等[6]提出1种基于组合赋权-理想解法的电能质量综合评价方法,结合FAHP和熵权法确定评估指标的最终权重,使用基于夹角余弦的距离度量方式取代传统的欧式距离公式,来改进TOPSIS法. FAHP-TOPSIS法在多个学科的工程评价领域应用广泛,但是传统TOPSIS法存在逆序问题,在像慢行交通系统这种需要定期评价并对比不同时期的数据以查看优化效果的应用上并不适用. 本文将FAHP-TOPSIS法首次应用于慢行交通服务质量评价,并且为解决传统TOPSIS法存在的逆序问题,引入绝对理想解对其进行了改进.

1 慢行交通系统服务质量指标体系

本文按照“层次关系分析—所有指标的初步选择—指标的初步筛选—指标体系的确定”4个步骤中构建了1个多层级、多指标的城市慢行交通系统服务质量评价指标体系,该指标体系被分为4个层级,分别为目标层、慢行出行方式层、慢行需求层和具体指标层[8-10],如图1所示.

第1层是目标层,即城市慢行交通系统在各种因素综合作用下的服务质量综合评价结果;第2层为慢行出行方式层,慢行交通是出行速度不大于 15 km/h交通方式,包括步行和非机动车交通;第3层是慢行需求层,根据慢行交通的特点以及出行者对慢行交通系统的需求,分为安全性、便捷性和舒适性3个方面. 安全性是最基本的要求,便捷性主要表现在路线便捷,即绕行距离小,舒适性则是通过美化慢行出行环境优化慢行出行体验,从而提高公众的慢行出行意愿;第4层是具体的指标层,将以上安全性、便捷性和舒适性3个方面进一步细分为多个具体的指标,可分为定性指标和定量指标两类. 在指标体系所包含的21个指标中,非机动车道隔离设施和安全性、便捷性、舒适性满意度为定性指标,其数值判定标准[11]如表1和表2所示;其余指标均为定量指标,各项指标的计算方法如表3所示.

表1 非机动车道隔离设施指标数值判定标准

表2 各项满意度指标数值判定标准

表3 各项定量指标计算方法

2 慢行交通系统服务质量评价模型

2.1 运用模糊层次分析法(FAHP)计算指标权重

模糊层次分析法(FAHP)是在传统层次分析法基础上,引入模糊数学理论得到的1种主观赋权方法. 模糊层次分析法改进了传统层次分析法中诸如判断一致性与矩阵一致性相异、一致性检验困难与缺乏科学性等问题,提高了评价的可靠性[12]. 模糊层次分析法分为2种,1种是基于模糊数的FAHP,另1种是基于模糊一致矩阵的FAHP. 本文采用的是基于模糊一致矩阵的FAHP,其具体步骤如下:

表4 标度的具体含义

1)建立模糊互补判断矩阵.明确各指标之间的相对重要性,对同层次同隶属关系的各指标进行两两比较,并按照表4采用0.1～0.9标度来衡量两者间的重要性,根据打分结果构造n阶模糊互补判断矩阵:

式中,aij为指标xi与xj的重要程度比,且矩阵A=(aij)n×n满足aii=0.5,aij+aji=1.

(1)

3)计算指标权重.将模糊一致矩阵R中的元素按行求和,按以下公式计算,得到各指标权重wi,

(2)

组织多位专家对21个指标进行打分,根据专家打分建立模糊互补判断矩阵,再根据式(1)计算得到各层次间的模糊一致矩阵,最后根据式(2)计算得到各级指标的初始权重,如表5所示.通过对单个指标和6个慢行需求层的初始权重组合计算得到了城市慢行交通系统服务质量各项评价指标的最终权重,如表6所示.

2.2 改进TOPSIS法

FAHP法中模糊互补判断矩阵的确定依靠专家打分,具有一定的主观局限性. 为保证研究结果更具有可靠性,本文采用改进逼近理想解排序法(TOPSIS)结合调研数据对各评价对象进行综合评价并排序,从而使评价结果更为客观全面.

2.2.1 传统TOPSIS法

1)构造原始评价矩阵.针对m个评价对象,分别对应n个评价指标,构造原始评价矩阵X=(xij)m×n.

2)构造正向化矩阵.对原始评价矩阵进行正向化处理,就是将各指标均转换为极大型指标,统一指标类型,得到正向化矩阵Y=(yij)m×n.指标类型主要分为4种,包括极大型(效益型)指标、极小型(成本型)指标、中间性指标和区间型指标.

设{xi}是1组极小型指标序列,那么正向化为:

(3)

设{yi}是1组中间型指标序列,且最佳的数值为ybest,那么正向化的公式为:

(4)

设{zi}是1组区间型指标序列,且最佳的区间为[a,b],那么正向化的公式为:

(5)

3)构造标准化矩阵.对已经正向化的矩阵进行标准化,消除不同指标量纲的影响,得到标准化矩阵Z=(zij)m×n.

表5 各级指标初始权重

(6)

4)确定理想解和负理想解.根据标准化矩阵,找到理想解R+和负理想解R-,分别为

(7)

(8)

5)计算各评价方案与理想解和负理想解的距离.

到理想解的距离为

(9)

到负理想解的距离为

(10)

6)计算相对接近度Si,并按照相对贴近度的大小对评价结果进行排序.

(11)

2.2.2 绝对理想解改进TOPSIS法

传统TOPSIS法在实际应用中存在着逆序问题. 所谓逆序问题,就是当在TOPSIS法中修改原有评价对象或增加新的评价对象时,如果影响到理想点的改变,原有的排序就会发生变化. 产生逆序问题的本质实际上是评价标准发生了变化[13-14]. 引入绝对理想解,即制定1个适用于此类评价的固定不变的评价标准,以此来改进传统TOPSIS法可解决逆序问题.

改进TOPSIS法的具体步骤如下:

其中1)～3)与传统TOPSIS法的步骤相同.

表6 慢行交通系统服务质量评价指标最终权重

5)计算各评价方案与绝对正(负)理想解的距离.

到绝对理想解的距离为

(12)

到绝对负理想解的距离为

(13)

(14)

7)由于在此次评价中将绝对理想解设为向量1n*1=(1,1,…1)T,绝对负理想解设为向量0n*1=(0,0,…0)T,从而导致评价值整体偏小,因此对评价值整体进行以下调整,得到最终评分结果.

(15)

3 实例分析和验证

基于北京市海淀区2018年慢行交通整治工程实施前和实施后实地调研数据,选取了整治工程中的8条道路作为研究对象,应用上述FAHP-改进TOPSIS评价模型对其进行慢行交通服务质量评价.

本研究以北京市海淀区2018年慢行交通整治工程中的8条道路作为案例,该工程项目通过拓宽步道、更换步道铺装、增加非机动车道隔离护栏等措施来提升慢行系统服务质量. 我们收集了工程实施前后的慢行设施数据、交通流数据和慢行出行满意度问卷数据,利用FAHP-改进TOPSIS评价模型去评价这8条道路整治前和整治后的慢行交通系统服务质量,通过对比整治前后的评价结果来验证所提方法的有效性. 调查路段范围如表7所示.

表7 调查路段范围

在利用FAHP确定了指标权重之后,基于2018年慢行交通整治工程中8条道路整治前和整治后的数据,利用绝对理想解改进TOPSIS法进行综合评价,得到了这8条道路整治前和整治后的慢行交通系统服务质量评分,如表8所示.

为验证本文提出改进TOPSIS法的强保序性,将其与传统TOPSIS法进行对比,计算各条道路的评分及排名情况,见表9.

比较表9中传统TOPSIS法的2个排序结果可发现,在仅评价整治前数据时,长春桥路的评分优于阜成门外大街,而在加入整治后数据一起评价后,变成了阜成门外大街的整治前评分优于长春桥路,出现了逆序,显然前后矛盾. 引入绝对理想解后的改进TOPSIS法则解决了这个问题,各条道路的整治前评分在加入整治后数据后仍与仅评价整治前数据时保持一致. 绝对理想解改进TOPSIS法比起传统TOPSIS法具有强保序性,不会因评价对象的增加或改变影响评价结果的顺序,在诸如慢行交通系统这种需要定期进行评价并将不同时期的数据进行对比以查看优化效果的应用上具有显著优势,其实用性大大提升. 此外,比起传统TOPSIS法,改进TOPSIS法的标准差值更大,说明评价结果区分更加明显,更易区分排名.

表8 整治前后得分对比

图2 整治前后得分对比

表9 各条道路整治前评分排序情况

从图2可看出,整治后每条道路的慢行交通服务质量评分都有明显提升,其中八达岭高速辅路的评分提升幅度最大,首体南路的评分提升幅度最小. 在这8条道路的慢行整治工程实际建设中,八达岭高速辅路慢行交通系统的改造内容及施工量最多,包括新建步道、机非隔离护栏、彩铺、完善盲道、更换路缘石、新增B型及C型人行道桩、新建慢行交通标识牌等,因此评分提升幅度最大;首体南路慢行交通系统的改造内容及施工量最少,包括拆除人行护栏、新建人行道桩、新建慢行交通标识牌和增设盲道,因此评分提升幅度最小. 这说明以上评价结果与实际情况相符,验证了FAHP-改进TOPSIS评价模型在城市慢行交通系统服务质量评价的可行性和有效性.

图3 低分道路各方面得分

图4 整治后现场调查照片

在整治后的道路评分中,仍存在慢行交通服务质量评分相对较低的道路,例如紫竹院路和首体南路等,这说明这些道路的慢行交通系统还有较大的提升空间,可对其作进一步分析. 以紫竹院路和首体南路为例,如图 3所示. 可看出,紫竹院路的步行和非机动车交通系统在安全性和舒适性2方面的评分均较低,在便捷性方面的评分较高且非机动车系统的评分优于步行系统;首体南路的步行系统在舒适性方面评分较低,非机动车系统在安全性和舒适性方面均有所欠缺. 从整治后现场调查拍摄的照片来看,紫竹院路仍存在少数机动车侵入步道的现象,部分路段仍为机非混行,没有设置机非隔离护栏,这些都影响了该道路步行和非机动车系统的安全性和舒适性;首体南路在地铁口附近的路段经常出现非机动车侵占步道的现象,非机动车道一侧大多都设置了停车位,这增加了早晚高峰时段机动车与非机动车发生冲突的可能性,极大地影响了该道路慢行交通系统的安全性和舒适性. 通过对评价结果作进一步分析找到了尚未完善的地方,可为今后城市慢行系统的优化改造及服务管理提供合理的指导及建议.

4 结论

通过参考相关文献规范及咨询专家意见,确定了城市慢行交通系统服务质量的3个主要影响因素——安全性、便捷性、舒适性,构建了包含慢行系统设施、交通流状况和出行满意度的评价体系. 该评价体系主观与客观数据相结合,相较于以往的评价体系更加科学,由此得出的评价结果更加可靠.

首次将绝对理想解改进TOPSIS法应用于慢行交通系统服务质量评价中,引入绝对理想解,解决了传统TOPSIS法存在的逆序问题,能更好地反映实际工程情况. 结合模糊层次分析法、和绝对理想解改进TOPSIS法形成了新的工程评价方法,评价过程均采用量化方式,相较于传统工程评价方法准确性更高,受主观因素影响较少,客观性更强. 将该方法应用于2018年慢行整治工程中选出的8条道路,评价结果与实际相符,证明了该评价方法的有效性,可为慢行交通系统服务质量评价和其他类似工程质量评价提供参考.