可持續發展的綜合交通運輸系統構成模型研究

劉曉佳 蘭培真 鄭高哲

(集美大學航海學院 廈門 361021)

綜合交通運輸系統是一個由鐵路、公路、水運、管道和民航5種運輸方式組成的系統,系統中各種運輸方式的經濟技術性能是不同的,對資源利用和環境影響等方面也各不相同,且差異很大,因此綜合交通運輸系統中各種運輸方式所占的比例不同會導致整個系統的可持續發展能力有所差別.本文基于此在對各種運輸方式的可持續發展能力進行定量評價的基礎上,構建出可持續發展的綜合交通運輸系統構成模型,達到以最少的資源環境成本滿足運輸需求,形成經濟、社會和資源、環境的協調發展.

1 評價指標體系的確立

評價各種運輸方式的可持續發展能力是研究交通運輸可持續發展問題的關鍵所在.評價的首要工作就是建立評價指標體系.交通運輸可持續發展的評價指標體系,應包括交通項目對經濟、社會、環境和資源的影響.根據1996年加拿大溫哥華召開的“走向可持續性交通”OECD會議上制定的9個可持續交通的《溫哥華原則》[1-3](即通達、便捷;公平、公正;個人和社會的責任;健康和安全;教育和公眾的參與;整體規劃;土地和資源的利用;污染物的控制;經濟的效益),結合我國國情和5種運輸方式的不同特點,以選擇可持續發展性能比較優越的運輸方式為目標,制定出運輸方式的可持續發展的評價指標體系,即：便捷性、安全性、速度、經濟、占地面積、能源消耗、廢氣污染、噪聲污染、社會公平性9項指標,對5種運輸方式的可持續發展情況進行評價.

2 組合評價模型設計

多目標決策灰色關聯度評價法即 GRA法[4-6]是一種多因素統計分析方法,它是以各因素的樣本數據為依據用灰色關聯度來描述因素間關系的強弱、大小和次序.GRA分析的核心是計算關聯度,關聯度越大,說明比較序列與參考序列變化的態勢越一致,反之變化態勢則相悖.

由文獻[7-8]得知,在信息認識論中,信息熵是系統無序程度的度量,信息是系統有序程度的度量,二者絕對值相等,符號相反.某項指標的指標值變異程度越大,信息熵越小,該指標提供的信息量越大,該指標的權重也應越大;反之某項指標的變異程度越小,信息熵越大,該指標提供的信息量越小,該指標的權重也越小.

在對多指標問題進行評價時,傳統評價方法有諸多不足,如回歸分析、方差分析、主成分分析等方法要求數據量大、樣本服從某個典型的概率分布、計算量大、量化結果與定性分析結果可能不符等,應用灰色關聯分析(GRA)法能彌補用上述方法作系統分析所導致的缺憾,它對樣本量的多少和樣本有無規律都同樣適用,而且計算量小、十分方便,更不會出現量化結果與定性分析結果不符的情況.但是,灰色關聯度分析評價的結果往往與關聯系數的權重的選取有很大的關系,權重不同,評價結果也會不盡相同.傳統灰色模型通常采用專家評判法或簡單的算術平均法來確定權重,這具有主觀性,會在一定程度上影響計算的結果;本文根據各項指標的變異程度,利用信息熵這個工具,計算出各指標的權重,并將專家評判法與信息熵法確定的權重相結合,為多指標綜合評價提供合理、客觀的權重,使其結果更加全面、客觀、符合實際.

對各種運輸方式的可持續發展進行綜合評價時,待評價的各種運輸方式的可持續發展能力是一個灰色系統.本文所給定的可持續發展評價的9項指標之間不是相互獨立的,盡管它們之間的關系不明確,但的確是客觀存在的,從本質上講,這是一種灰色關系.所以,對這樣的系統進行綜合評價,實際上是一個灰色多目標決策問題.灰色關聯法綜合了整個因素指標空間的影響,可以避免各方案的單個因素指標進行比較而引起的偏離,能夠全面地分析指標間的相互關系,反映了整個因素指標空間的影響.在運用灰色關聯投影法進行綜合評價時,權重的不同,對整個評價結果影響很大,而本文提出的由專家評判法和信息熵法相結合的組合權重的確定,既可以避免專家評判確定權重的主觀性,又可以反映專家的意見,使評價結果充分的反映了主客觀因素,便于實際應用.

3 模型的建立

3.1 確定分析序列

設有m個被評價對象,每個被評價對象有n個指標,原始數列矩陣如式(1)所示.設[x01,x02,…,x0n]為理想化樣本(評價標準).

3.2 原始數據量綱一的量化處理

為了消除不同指標量綱所帶來的不可公度性,評價之前須將評價指標進行量綱一的量化處理,在本模型中,可將原始數據按式(2)進行處理.

式中：i=1,2,…,m;j=1,2,…,n.通過量綱一的量化處理可得到相應的量綱一的量矩陣

3.3 計算關聯系數

對絕對差值陣中資料按式(5)進行變換.

式中：λ為分辨系數,0＜λ＜1,它的作用在于調整比較環境的大小,當λ=0時,環境消失;當λ=1時,環境原封不動保存著,通常取λ=0.5.

由ζij就可以得到灰色關聯判斷矩陣F.

3.4 運用改進的信息熵法計算權重

1)傳統的熵值法,通常用式(6)來計算第n項指標下第m個行業指標值的比重.

在進行評價時,為了避免一些極端值,也常對該項指標數據用標準化法進行變換

2)計算第j項指標的熵值ej

3)計算第n項指標的差異系數gj

gj越大,指標越重要.

4)確定權重w＊j

3.5 專家評判法與信息熵法相結合的組合權重

專家評判法考慮了專家的知識和經驗,以及決策者的意向和偏好,雖然指標權重的排序往往具有較高的合理性,但仍然無法克服主觀隨意性較大的缺陷;信息熵權法充分挖掘了原始數據本身蘊涵的信息,結果比較客觀,但卻不能反映專家的知識和經驗以及決策者的意見.綜合分析兩種方法的優缺點,得到綜合考慮主客觀因素的組合權重.

3.6 計算關聯度(即綜合評價系數)

式中：Ei為為第i個對象的關聯度;wj為第j個指標的組合權重;ζij為為關聯系數.

顯然Ei越大,說明該種運輸方式的可持續性越好.

4 評價分析

根據抽樣調查結果,得到各種運輸方式可持續發展性能評價指標見表1[9]所列.

表1 各種運輸方式可持續發展性能評價指標表

根據已知方案集和指標集,確定最佳方案X0,對指標集V的屬性矩陣X如下.

根據式(2)～(4),對X進行初值化處理,得到X′為

在得到初始序列矩陣X′之后,根據式(5),計算灰色關聯系數ξij,從而得到灰色判斷矩陣F為

據式(7)～(11),信息熵法確定的權重w＊為

由專家法打分通過層次分析獲得的權重為

根據式(13),各個決策方案的投影值Ei為

據此綜合評價模型,各種運輸方式的可持續發展性能的排序由大至小依次為：水運＞鐵路＞民航＞公路.

5 綜合交通運輸系統構成模型

可持續發展從環境和自然資源的角度出發,強調社會、經濟、資源和環境的全面協調發展.為了實現交通與社會的和諧,由以上分析結果構建出可持續發展的綜合交通運輸系統構成模型,其目標函數和約束條件如式(14)和(15)所示.

式中：Z為各種運輸方式的可持續發展能力總量,該值越大,表明該地運輸結構的可持續發展能力越好;λi為第i種運輸方式單位運量的可持續發展能力系數;通過上面的計算可知,鐵路為0.710,民航為0.582,公路為0.486,水運為0.783;Vi為分配給運輸方式i的運量;D為總的運輸需求;Mi為第i種運輸方式的運輸能力限制.

6 結束語

本文是在當今社會環境、能源面臨著嚴峻危機的大形勢下,以可持續發展為目標,通過對各種運輸方式的可持續發展能力的評價,構建出可持續發展的綜合交通運輸系統模型,為創建可持續發展的綜合交通運輸提供定量化的指導方案,實現交通與環境、能源、社會、經濟的和諧發展.

[1]SMP.World mobility at the end of twentieth century and it/ s Sustainability available on-line[EB/OL]. [2003-1-1]http：//www.wbcsdmobility.org.

[2] SM P：Transport and urban development：the quest for policy integration and sustainability,available online[EB/OL].[2004-5-1]http：//www.sustainablemobility.org.

[3]Litman T.Sustainable transportation indicators[J]. Vitoria Transport Policy Institute.1999(11)：29-35.

[4]呂 峰,崔曉輝.目標決策灰色關聯投影法及其應用[J].系統工程理論與實踐,2002(1)：103-107.

[5]門寶輝,梁 川.多目標決策灰色關聯投影法在水利工程開發中的應用[J].武漢大學學報,2003(4)：36-39.

[6] Drezner Z,George O W.Network Design：Selection and Design of Links and FacilityLocation[J]. Transportation Research Part A：Policy and Practice,2003,37(3)：241-256.

[7]劉 芳.熵權法在評價企業競爭能力的應用[J].生產力研究,2000(12)：26-28.

[8]張運凱,王方偉.基于模糊類和信息熵的綜合評價方法研究[J].吉林大學學報：信息科學版,2004(6)：643-647.

[9]劉曉佳.基于和諧交通理念的綜合交通運輸系統評價研究[D].上海：同濟大學交通運輸工程學院, 2006.