系統理論在城市公共交通中的應用淺探

王晨露

（西南交通大學,四川 成都 611756）

0 引言

隨著社會經濟交通的發展，公共交通線網的擴大，城市功能日益強化。而城市公共交通發展如何以及未來城市公共交通如何發展都需要一個標準的評價體系。通過對系統之間和系統內部的分析，使發展過程中紛擾復雜的問題層次化、簡單化，從而實現解決問題的目的。以上海市為例，基于系統理論來分析上海公共交通發展水平評價問題，對指出上海市公共交通系統不足，并為相關決策者提供建設性改進措施無疑是很有益處的。

1 系統目標

上海市公共交通系統發展目標是以人為本，根據客流特征，因地制宜地選擇公共交通的發展模式，規劃建設安全、高效、舒適、便捷、綠色的公共交通系統，以滿足人民生活及物質生產對城市交通運輸的需求。

2 系統作用

城市公共交通系統的四大功能分為：保證和促進城市的生產活動、保證城市居民的正常生活、保證城市對外交通的正常進行、保證城市旅游資源的手段。[1]為更好研究上海公共交通系統對城市發展的作用，應用相關性分析研究兩個系統之間相互影響關系，其中，Spearman相關系數[2]對不服從正態分布的數據采用等級相關來描述兩個變量之間的關聯程度與方向。該文選取不同系統中具有代表性指標數據，利用SPSS軟件對上海市2011—2020年的一些經濟、文化、社會指標分別與城市公共交通之間做Spearman相關性分析，量化表示不同系統之間的關系。結果如表1所示。

表1 相關性結果示意表

上海市城市公共交通與能源消耗、遷入遷出人口、一般公共預算收入增長率等呈負相關，與環境的投資和綠地面積、人口密度、GDP等都呈正相關。因此，上海市公共交通對經濟、文化、環境和社會等各個方面起著不同的作用，公共交通對上海市的發展至關重要，是帶動上海市發展成為國際大都市不可或缺的因素。

3 系統的基本特性

3.1 系統的開放性

上海公共交通系統是一個開放系統，外部環境與城市功能大系統的人居子系統、經濟社會子系統等均有很強的關聯交互。[3]系統會受到外部環境，如公共衛生事件、自然災害等的影響，并不是與其他系統因素割裂開來、孤立起來的封閉系統。

3.2 系統的多變量性與結構多層次

上海公共交通系統的輸入與輸出都不是單一的，有多個輸入影響著系統的狀態，而它對環境的輸出影響也是多方面的。[4]除此之外，根據內部與外部、供給與需求等，上海公共交通系統被劃分為多個子系統，從而決定著該系統結構的多層次性。

3.3 系統的多目標性

上海公共交通系統的目標是多重的，如減少出行時間、提高服務質量、降低能源消耗、增加營業收入、減少環境污染等，這些目標之間還可能出現矛盾。要保證系統持續穩定地發展，往往要統籌兼顧所有的目標。

3.4 系統的非線性與自組織性能

在前文系統作用分析中提到上海公共交通系統對上海經濟發展、環境保護以及資源節約等存在一定作用。基于正負反饋機制，除了來自系統外部的物資、能量與信息交換之外，其自組織性能也是系統動態演化過程的原動力。而且，上海公共交通系統中各個組成要素并不是簡單的線性累加，而呈非線性函數關系，如圖1所示。里程規模、網絡布局、建設時序、軌道交通站點周邊交通接駁條件以及線路間換乘便利程度等無一不影響出行者對軌道交通方式的選擇偏好。

圖1 上海公共交通部分方式客運量變化圖

3.5 系統的復雜性

系統復雜性一方面表現在上述特征中的結構多層次性、多變量性、多目標性、非均衡性以及非線性，另一方面也表現在系統的動態演化過程。以上海交通結構演化為例，過去20年一直堅持推行公交優先戰略，行人、車輛、駕駛員之間相互影響，導致公共交通、小汽車交通、步行及自行車交通等子系統之間的關系錯綜復雜、不定因素較多。同時，交通網絡中的行人以及車流的運動和分布都是隨機的，要探尋系統內部關系，確定系統中各因素的運動規律相當困難。

4 系統的運行規律

4.1 設施供應規模不斷擴大

2015年底“上海城市軌道交通基本網絡”全面建成，全網運營線路總長達618 km。地面公交的線路長度及線網長度同步提升，建制村公交線路覆蓋率實現100%。軌道交通建設一步步推進，運營線路長度已增長至2020年的729 km。

4.2 客運總量穩步增長

公共交通客運總量已從2011年的491 180萬人次發展為2020年的596 921萬人次，客運量連創新高。如圖2所示。

圖2 上海市公共交通系統客運總量變化圖

4.3 結構繼續演變，軌道交通成唯一增長極

如圖3所示，4種公共交通方式中僅有軌道交通保持連續增長，目前公共客運量常態化超過5 000萬人次。從2013年開始軌道交通逐漸取代地面公交成為公共交通最主要的承載方式。

圖3 公共交通日均客運量比較（不含輪渡）

5 系統評價與改進

5.1 基于層次分析法對上海市公共交通系統評價

5.1.1 建立評價指標體系

深入分析上海市公共交通系統后，建立層次結構模型[5]，評價該系統涉及的因素有線網覆蓋率、線路重復系數、城市線路密度等指標，將其劃分為不同層次如表2所示。

表2 上海市公共交通系統評價指標體系

5.1.2 層次分析原理

（1）計算判斷矩陣的原理。判斷矩陣反映了人們對各因素重要性的認識，采用1～9及其倒數的標度方法，如1代表定義評價指標i和評價指標j，兩者相同重要；3代表評價指標i稍重要；2表示重要性介于1、3之間，依次遞推……而評價指標j和評價指標i相比，以標度Pij定義表為參考進行打分。判斷矩陣P的基本形式如式（1）：

（2）計算權重的原理。

1）根據評價指標的重要性組成判斷矩陣P，將列歸一化后得到矩陣，各元素計算如下：

2）將判斷矩陣按行相加，按行相加的結果為，并進行歸一化后得到W：

3）計算判斷矩陣P的最大特征根λmax：

對任意的i=1，2，……，n，式中(cw)i為向量cw的第i個元素。

4）進行一致性檢驗：

最后通過查找平均一致性指標RI，找到對應的RI值代入公式進行計算，只有當CR的計算結果小于0.1，才能說明判斷矩陣設置準確，各評價指標權重取值合理。否則還需要重新構造判斷矩陣，重復上述步驟，直到CR小于0.1為止。

5.1.3 層次分析計算

（1）計算判斷矩陣的結果。通過上述原理以及專家打分計算得出準則層判斷矩陣G以及指標層對基礎設施條件準則層、運營服務質量準則層、乘客出行滿意度準則層的判斷矩陣C1、C2、C3結果如下：

（2）計算權重結果及檢驗。利用MATLAB軟件，計算得出準則層權重YCm，（m=1，2，3）與指標層權重YAn，（n=1，2，…，12），如表3。

表3 準則層、指標層權重

進行一致性檢驗后，發現指標層全部通過一致性檢驗。

5.1.4 層次總排序

最后權重計算方法：

根據上海市公共交通系統的各項實際指標值，通過標準化處理，參考最終求得的權重值，根據各評價指標的分級評價標準表，可以將公共交通系統分為四個評價等級，對應得分為[90,100]、[75,90]、[60,75]、[0,60]。該文對上海市公共交通系統的各實際指標值進行打分，得到了無量綱化值。計算方法如下：

評價指標i的標準化值是Xi，評價指標i的最終權重是Yi，其結果見表4。

表4 上海市公共交通系統總得分表

從層次分析法對上海市公共交通系統發展評價指標體系的計算結果得到，準則層三要素按照重要性排序為：基礎設施條件、運營服務質量、乘客出行滿意度，因此基礎設施條件評價最為重要。最有效的辦法是在交通設施中強化軌道交通與公共汽（電）車網絡的融合，保障公共汽（電）車的優先通行權，提高公共交通系統線網覆蓋率，合理規劃建設。

5.2 部分城市比較體系

依據上述的層次分析法評價原理，該文對全國其他重點城市進行分析并得到其排名，見表5。

表5 全國主要城市公共交通系統排名表

結果顯示，相較于全國其他重點城市，上海公共交通系統目前發展狀況較好，但仍然存在一些亟待解決的問題，特別是：

（1）公共交通與城市融合發展不夠，中心城周邊蔓延發展態勢未得到有效控制。（2）對外交通輻射能力和服務水平有待進一步提升。（3）公共交通體系有待健全，整體運營效率有待進一步提高。

6 結束語

該文從系統目標、作用、特性、運行規律、系統評價五個方面分析了上海市公共交通系統發展現狀，采用Spearman相關系數更好地解釋公共交通系統與其他系統間的影響作用。另外，基于層次分析法建立了系統評價模型，收集了上海市公共交通系統評價指標體系，提出該系統現存問題，并在同一評價模型基礎上再選取6個城市建立城市公共交通系統比較體系，進一步體現上海市公共交通當前發展狀況，以便規劃者進行更具體的交通優化。