城市軌道交通近期建設方案灰色關聯評價分析方法

張曉春 覃 矞

(深圳市城市交通規劃設計研究中心有限公司,518034,深圳∥第一作者,高級工程師)

國辦發[2003]81號文明確要求:所有擬建城市軌道交通的城市,應組織制訂軌道交通建設規劃,明確近期建設任務。因此,在遠期規劃線網中如何選擇近期建設線路是項目決策時所必須考慮的問題。近期建設方案的綜合評價可為項目決策提供技術支撐。

城市軌道交通近期建設方案的綜合評價涉及因素眾多,且因素間關系復雜,是一種在信息不完全情況下的綜合判斷。本文將信息不完全情況下的方案評價視為一個“灰色”概念[1],在建立“目標—準則—指標”層次結構評價指標體系的基礎上,以深圳市軌道交通近期(2011—2020年)建設方案評價為例,探討灰色關聯綜合評價分析方法。

1 評價指標體系

評價指標體系的建立必須綜合考慮比選方案的整體性、適應性、協調性和方案效果等各方面因素,選取的評價指標應具有科學性、全面性、可測性和可比性等要求,以做到科學、合理、客觀地評價各個備選方案。

1.1 評價指標體系構成

軌道交通近期建設線路將與建成和正在建設的線路共同形成近期線網,因此對近期建設方案的評價可轉化為對近期線網方案的評價。由不同近期建設方案所組成的近期線網,其規模布局、功能效用、投資等會有所差異,其運行過程會對城市的經濟、空間布局、土地利用以及交通體系的運營效益、服務水平等產生不同影響,為此需從線網結構、戰略發展、運營效果、社會效益、可實施性等5個方面的準則對近期線網進行評價。以深圳市為例,城市軌道交通近期建設方案綜合評價指標體系如圖1所示[2]。

1.2 評價指標含義及量化方法

1.2.1 線網結構評價指標

線網結構是指線網方案的空間尺度特性和協調性,反映線網方案的合理性及其覆蓋能力。選取下述4個指標對其進行評價。

①線網長度L(km):為近期線網方案或近期建設方案中各線路長度之和,以評價近期建設方案的建設投入成本,是一種越小越好型指標。

②中心城區線網密度ρ(km/km2):為中心城區近期線網長度與中心城區面積之比,以評價近期線網在中心城區的服務水平,是一種具有最佳區間的指標。

③換乘節點數ψ:為近期線網換乘車站數量,以評價線網提供換乘的靈活程度,是一種具有最佳區間的指標。

④車站之間的連通率K:反映線網方案乘客出行分布與線網結構形態的協調關系,以評價線網方案結構的優劣程度以及與出行需求的吻合程度,是一種越大越好型指標。其量化方法為

式中:

Km——第m個方案車站之間的連通率指標的評價值;

Nijm——第m個方案i,j車站對之間的客流量,人次/日;

dijm、lijm——分別為第m 個方案i,j車站對之間的空間直線距離和線路長度,km。

圖1 城市軌道交通近期建設方案綜合評價指標體系

1.2.2 戰略發展評價指標

戰略發展是指線網方案與城市規劃的吻合程度,反映城市軌道交通規劃與城市規劃的協調性。選取下述4個指標對其進行評價。

①與土地利用吻合程度α(%):從土地利用方面評價近期線網與城市總體規劃的一致性和協調性,是一種越大越好型指標,可用居住人口和就業崗位的覆蓋率來量化。

②對城市重點地區的覆蓋度β:衡量近期線網對城市重點地區的覆蓋程度,以評價軌道交通建設對城市發展的帶動作用,是一種越大越好型指標。

③中心城區面積覆蓋率γ(%):為中心城區車站周邊750 m范圍用地面積與中心城區總用地面積之比,反映近期線網對中心城區的覆蓋性,以評價軌道交通對中心城區各類活動的支持程度,是一種越大越好型指標。

④沿線土地開發潛力δ(hm2):反映近期線網沿線土地利用開發的價值,是從土地開發的角度評價近期線網的作用與潛力,可通過沿線土地利用評估得到,是一種越大越好型指標。

1.2.3 運營效果評價指標

運營效果是指線網承擔的客流量及其服務質量特征。選取下述4個指標對其進行評價。

①線網日客運總量Q(萬人次/d):指規劃年度近期線網一天所承擔的客運總量,以評價線網的客運效果,與線網長度指標一起體現盡量以較小的線路規模運送較大客流量的規劃目標,是一種越大越好型指標。

②線網平均客流密度C(萬人次/d):為近期線網一天的客運周轉量與線網長度的比值,以反映線網的運營強度和運營收入,是一種越大越好型指標。

③線網負荷均勻性E:反映區間負荷率偏離線網平均負荷率的程度,以評價近期線網承擔客流的均衡程度、客運效率及其運輸能力的發揮,是一種越小越好型指標。其量化方法為

式中:

Em——第m個方案線網負荷均勻性指標的評價值;

u——第m個方案中區間的數目;

oim、aim——分別為第m個方案中第i區間的客流量和客流容量,人次/d。

④線網換乘系數θ:為近期線網出行人次與換乘人次之和與出行人次之比,以衡量乘客出行的直達程度,是一種越小越好型指標。

1.2.4 社會效益評價指標

社會效益是指城市軌道交通建設對城市綜合交通系統的改善程度。選取下述4個指標對其進行評價。

①公交平均出行時間T(min):指居民以公交方式一次出行的平均出行時間,以評價軌道交通建設對居民出行時間的改善程度,是一種越小越好型指標。

②公交出行率R(%):指公交出行量占機動化出行總量的比例,以評價近期項目建設對城市交通結構的改善作用,是一種越大越好型指標。

③理想的公交平均出行速度V(km/h):評價近期項目建設對乘客在公交網絡中出行質量的改善程度,是一種越大越好型指標。其量化方法為:

式中:

vm——第m個方案理想的公交平均出行速度指標的評價值,km/h;

k——交通小區數目;

Oij——i,j小區之間公交乘客出行量,人次/d;

dij——i,j小區結點之間的空間直線距離,km;

tijm——第m個方案i,j小區之間的乘客在公交線網中的出行時間,h。

④居民公交出行直捷性D:衡量一次出行中換乘不同公交方式或線路的頻繁程度,是一種越小越好型指標。可用考察時間段內所有公交乘客的換乘次數與出行時間比值的平均值來量化。

式中:

Dm——第m個方案居民出行直捷性指標的評價值,次/h;

cijm——第m個方案i,j小區之間公交線網出行時間為tijm的徑路中的換乘次數。

1.2.5 可實施性評價指標

可實施性是指線網實施時的難易程度,可用近期建設線路總投資I(億元)對其進行評價,是一種越小越好型指標,可通過近期建設線路投資估算得到。

2 灰色關聯分析方法

灰色關聯分析方法是通過計算評價指標值序列與評價基準序列的灰色關聯度來對方案進行綜合評價和優選排序。

2.1 確定比較序列和參考序列

確定參考序列就是建立方案評價基準。根據評價指標實際含義,可將其分為越大越好型、越小越好型、最佳區間型、最佳值型等4種類型。參考序列=()的確定方法如下。

①越大越好型指標:c0j={ cij} (1≤j≤n)

③具有最佳區間型指標:如果該類指標的最佳區間可知,則c0j=(uj+vj)/(1≤j≤n),其中[uj,vj](vj≥uj,1≤j≤n)為最佳區間;如果該類指標的最佳區間難以獲得,則

2.2 各序列數值無量綱化

方案綜合評價需要對原始評價指標值進行無量綱化處理。設經處理后的比較序列和參考序列為:

則處理方法如下:

2.3 求灰色關聯系數

方案Ai和評價基準C0在評價指標Gj上的差異程度稱為方案Ai和評價基準C0的相似性,用灰色關聯系數表示。比較序列Xi(j)與參考序列X0(j)的灰色關聯系數計算方法如下:

其中,ρ∈(0,+∞),稱為分辨系數。ρ越小,分辨能力越大,一般取ρ=0.5。灰色關聯系數組成灰色關聯系數矩陣ξ。

2.4 求灰色關聯度

由于灰色關聯系數較多,信息過于分散,不便于比較分析,因而有必要將每一個比較序列關于各評價指標的灰色關聯系數集中體現在一個數值上。這一數值就是灰色關聯度,其計算方法為:

式中:

γi——比較序列Ci關于參考序列C0的加權平均灰色關聯度;

加權平均灰色關聯度γi能夠在整體上反映方案Ai與評價基準C0的相似性,可用來評價方案的優劣。灰色關聯度γi越接近于1,表明方案Ai按照相應的評價準則,與評價基準的相似性越接近,方案效果就越好。

2.5 求灰色關聯序

將灰色關聯度γi(i=1,2,…,m)按照從大到小的順序排列,即得灰色關聯序。按照灰色關聯序對方案進行優劣排序,即可得到最優方案。

3 評價實例

深圳市在編制軌道交通建設規劃時,提出近期(2011—2020年)建設的“低、中、高”3個方案。低方案建設6條線路,長約204.7 km,投資約927.4億元;中方案建設8條線路,長約254.2 km,投資約1 162.6億元;高方案建設 9條線路,長約 283.7 km,投資約1 303.3億元。3個方案同建成和正在建設的線路分別形成長約383.0 km、432.5 km、462.0 km的近期線網方案。

按照評價指標量化方法,計算出3個方案各評價指標的結果,并利用評價基準的確定方法確定參考序列。評價指標計算結果及參考序列見表1。無量綱化后的數據以及按照均方差方法[4]求得的指標權重也一并列于表中。按照灰色關聯分析方法,得到3個方案的灰色加權關聯度向量為:

表1 評價指標計算結果及參考序列

γ=(γ1,γ2,γ3)=(0.642 5,0.802 1,0.737 7)

由灰色關聯度向量可知:γ2＞γ3＞γ1。根據方案優劣排序評價準則,中方案綜合效果優于低方案和高方案,因此將其作為深圳市軌道交通近期(2011—2020年)建設的推薦方案上報國家發改委。該方案已通過國家發改委委托中咨公司組織的專家評估。

4 結語

將基于單個指標評價而進行的方案綜合評價分析過程視為一種在信息不完全情況下的灰色綜合判斷,以此為基礎,建立了定性和定量指標相結合的城市軌道交通近期建設方案綜合評價指標體系及其灰色關聯綜合評價分析方法。利用該方法對深圳市軌道交通近期(2011—2020年)建設方案進行了綜合評價分析,取得了較為合理的結果,表現出較好的可行性和可靠性,可為其它城市進行軌道交通近期建設項目決策提供借鑒。

[1]劉思峰,郭天榜.灰色系統理論及其應用[M].北京:科學出版社,1991.

[2]宗傳苓,覃矞,譚國威,等.深圳市城市軌道交通近期建設規劃(2011～2020)[R].深圳:深圳市城市交通規劃設計研究中心有限公司,2009.

[3]郭曉汾,徐雙應,閆廣維.基于灰加權關聯度的公路主樞紐站場布局決策方法[J].中國公路學報,1997,10(3):83.

[4]覃矞.軌道交通樞紐規劃與設計理論研究[D].上海:同濟大學,2002.