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      基于 D-S 證據(jù)理論的城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)研究

      2018-03-02 05:30:13石紅國(guó)賀玉姣
      關(guān)鍵詞:線網(wǎng)城市軌道軌道交通

      石紅國(guó),賀玉姣

      SHI Hong-guo, HE Yu-jiao

      (西南交通大學(xué)?交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,四川?成都?610031)

      (School of Transportation and Logistics,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China)

      目前我國(guó)大部分大中型城市均面臨交通擁堵問(wèn)題,城市軌道交通因其高效、安全、環(huán)保等特點(diǎn),已經(jīng)成為解決大型城市交通擁堵問(wèn)題的首要選擇[1]。城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)貫穿于線網(wǎng)方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化決策的始終,作為軌道交通規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,直接決定著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的優(yōu)劣,深刻影響到整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)的成敗。為了對(duì)城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià),許多學(xué)者提出多種定性和定量的分析評(píng)價(jià)方法,如牟浩[2]提出城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃決策的物元熵權(quán)評(píng)價(jià)模型,并對(duì)長(zhǎng)沙市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行實(shí)證分析;王念念[3]通過(guò)模糊層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重,提出基于灰色最大關(guān)聯(lián)度法的城市軌道交通規(guī)劃線網(wǎng)評(píng)價(jià)模型,并對(duì)無(wú)錫市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外,專家學(xué)者還對(duì)城市軌道交通在效能、綜合效益、路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)安全等方面的評(píng)價(jià)進(jìn)行研究[4-6]。在大多數(shù)定量評(píng)價(jià)中,評(píng)價(jià)目標(biāo)的分?jǐn)?shù)數(shù)值通常采用專家打分的方法,而城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的指標(biāo)體系具有模糊性和不確定性,專家打分往往與自身經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)有關(guān),會(huì)呈現(xiàn)出隨機(jī)性和不確定性。因此,引入 D-S 證據(jù)理論,將不確定結(jié)果進(jìn)行可靠的數(shù)值轉(zhuǎn)換,將多個(gè)證據(jù)進(jìn)行融合,從而實(shí)現(xiàn)較可靠地評(píng)價(jià)城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃[7]。

      1 D-S 證據(jù)理論的原理

      1.1 基本原理

      證據(jù)理論是貝葉斯概率的推廣,能夠以不確定信息為基礎(chǔ)進(jìn)行可信度推理,由 Dempster 于 1967年首先提出,并由 Shafer 于1976年進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的一種不精確推理理論,也稱為 Dempster/Shafer 證據(jù)理論 (D-S 證據(jù)理論)。證據(jù)理論的主要特點(diǎn)是滿足比貝葉斯概率更弱的條件,具有直接表達(dá)“不確定”和“不知道”的能力。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于建筑火災(zāi)安全評(píng)價(jià)、作業(yè)人員安全行為評(píng)價(jià)、海軍系統(tǒng)安全分析與綜合、軟件需求評(píng)價(jià)等方面[8-10]。城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃是一個(gè)較為宏觀的評(píng)價(jià)對(duì)象,許多評(píng)價(jià)因素具有模糊性、隨機(jī)性和不確定性,不同專家對(duì)同一因素的評(píng)價(jià)結(jié)果可能會(huì)存在較大差異。因此,應(yīng)將不同專家的評(píng)價(jià)結(jié)果合理地融合起來(lái),方能較精確地評(píng)價(jià)城市軌道交通的線網(wǎng)規(guī)劃。

      1.2 評(píng)價(jià)信息的表達(dá)

      對(duì)于證據(jù)理論,評(píng)價(jià)中的證據(jù)可用一個(gè)有限集合 θ = {A1,A2,…,An} 表示,若 θ 非空,則 θ 即為評(píng)價(jià)的識(shí)別框架[11]。給定識(shí)別框架 θ,則基本信度分配函數(shù) M 是一個(gè)集合 2θ→[0,1] 的映射,A 為識(shí)別框架中的任一子集,且滿足公式⑴,則稱 M (A)為基本概率賦值,其中 2θ為 θ 的冪集。

      式中:φ 為空集。

      對(duì)于給定的 M,對(duì)任意 A ∈ 2θ定義相應(yīng)的信任函數(shù)和似然函數(shù)見(jiàn)公式 ⑵ 和公式 ⑶。

      式中:信任函數(shù) Bel (A) 為對(duì) A 的總信任,是支持A 的最小值;似然函數(shù) Pl (A) 為不否定 A 的信任度,是支持 A 的最大值。這樣 [Bel (A),Pl (A)] 就自然形成對(duì) A 的信任區(qū)間 (容易證明得到不等式 Pl (A)≥Bel (A),而 Pl (A)-Bel (A) 則用來(lái)表示不知道 A 的程度。

      1.3 評(píng)價(jià)結(jié)果的信息融合

      采用 Dempster 合成規(guī)則合成評(píng)價(jià)指標(biāo)的基本概率賦值,進(jìn)行正交和運(yùn)算。

      設(shè) M1和 M2是2個(gè)基本概率賦值,則其正交和M = M1⊕M2,其證據(jù)融合規(guī)則為

      同理,對(duì)于有限 n 個(gè)基本概率賦值 M1,M2,…,Mn,則其正交和 M = M1⊕M2⊕…⊕Mn,其證據(jù)融合規(guī)則為

      2 基于證據(jù)理論的城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)步驟

      城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的總體目標(biāo)是協(xié)調(diào)好交通需求與供給之間的關(guān)系、實(shí)現(xiàn)城市土地規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)交通戰(zhàn)略目標(biāo)。為評(píng)價(jià)城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃,首先需要構(gòu)建科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,由于大部分評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重難以量化,因而通過(guò)層次分析法 (AHP) 確定每種因素的權(quán)重,接著通過(guò)多名專家對(duì)每種因素的打分獲得證據(jù),從而確定每個(gè)指標(biāo)的綜合概率值,最后對(duì)證據(jù)進(jìn)行融合處理,得出評(píng)價(jià)結(jié)果。具體地,基于證據(jù)理論的城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)基本步驟如下。

      (1)建立城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)查閱相關(guān)資料,對(duì)多個(gè)城市的軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行比較分析,結(jié)合本地實(shí)際情況,盡可能合理地建立適用于本地的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

      (2)確定各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。采用 AHP 法,通過(guò)專家打分,構(gòu)建判斷矩陣,得到排序權(quán)向量,計(jì)算判斷矩陣最大特征值,進(jìn)行一致性檢驗(yàn),最終確定指標(biāo)體系中的各個(gè)因素權(quán)重值,各級(jí)權(quán)重值總和為1[12]。

      (3)評(píng)價(jià)因素概率賦值。專家組成員對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行打分,分值的上界為 1,下界為 0。分值越趨近于 0,表明該評(píng)價(jià)因素本身的狀態(tài)越達(dá)不到理想的目標(biāo),分值越接近于 1,表明該評(píng)價(jià)因素本身的狀態(tài)越接近理想目標(biāo)。這種打分制既可以避免打分的簡(jiǎn)單單一性,又提高專家評(píng)分的靈活度,因而更接近于現(xiàn)實(shí)情況。

      (4)指標(biāo)綜合概率值的確定。對(duì)于每個(gè)評(píng)價(jià)因素,其綜合概率值為專家評(píng)價(jià)概率值乘上其占總目標(biāo)的權(quán)重值。以3層權(quán)重的第一個(gè)因素 θ11為例進(jìn)行說(shuō)明。式中:a11為專家對(duì) θ11的評(píng)價(jià)值;q1為第二層目標(biāo)的第一個(gè)因素占第一層目標(biāo)的權(quán)重值;q11為第三層目標(biāo)的第一個(gè)因素占第二層目標(biāo)第一個(gè)因素的權(quán)重值。

      由此可以獲得綜合概率值集合M{M {θ11},M{θ12},…,M {θij}}(i = 1,2,…,∞,j = 1,2,…,∞),以及與其對(duì)應(yīng)的不確定值 m {θ}= 1-M {θ11}-M {θ12}-…-M {θij}。其中,m {θ}是評(píng)價(jià)因素的概率值的補(bǔ)集,表達(dá)對(duì)應(yīng)的不確定性。

      (5)綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)每個(gè)因素的綜合概率值的確定,利用公式 ⑵ 和公式 ⑶ 可以求得各大類指標(biāo)信任函數(shù)的上、下界。如果有多個(gè)專家進(jìn)行評(píng)價(jià),得到多組評(píng)價(jià)結(jié)果,則可以利用公式 ⑷ 和公式 ⑸,對(duì)多組評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行融合,最終得到更精確和真實(shí)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

      3 實(shí)例分析

      成都地鐵1號(hào)線一期工程于2005年12月開(kāi)始建設(shè),并于2010年9月投入運(yùn)營(yíng)。截至2017年 12月,成都地鐵共開(kāi)通6條線路,分別為1號(hào)線、2 號(hào)線、3 號(hào)線、4 號(hào)線、7 號(hào)線和10號(hào)線,線路總長(zhǎng)180 km,共計(jì)120多座車站 (換乘站不重復(fù)計(jì)算);成都地鐵在建線路數(shù)量達(dá)到10條、在建里程達(dá)到335.96 km[13]。目前,成都地鐵已經(jīng)規(guī)劃了包括 46條線路、長(zhǎng)達(dá) 2450.04 km 的軌道交通網(wǎng)絡(luò),覆蓋全市各個(gè)區(qū)域,并且輻射周邊縣市區(qū)。

      3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

      城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃是一個(gè)較為宏觀的評(píng)價(jià)對(duì)象,既有定量指標(biāo),又有定性指標(biāo),具有不確定性、隨機(jī)性和模糊性,要對(duì)其進(jìn)行科學(xué)有效的評(píng)價(jià),應(yīng)當(dāng)建立一套能夠體現(xiàn)城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)便于對(duì)線網(wǎng)在空間上和時(shí)間上進(jìn)行綜合比較[14]。目前我國(guó)上海、北京、廣州、南京等城市在軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的工作中,根據(jù)自身城市特點(diǎn)對(duì)線網(wǎng)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),但各城市所確定的指標(biāo)體系準(zhǔn)則層不一,從而對(duì)決定軌道交通線網(wǎng)方案主導(dǎo)因素的反映有所不同[15]。

      根據(jù)成都市自身特點(diǎn),結(jié)合其他城市的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,從線網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)效果、城市協(xié)調(diào)與可持續(xù)性、社會(huì)效果和建設(shè)實(shí)施性等方面進(jìn)行研究,建立了成都地鐵線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。此外,通過(guò)專家打分制、層次分析法,確定了指標(biāo)中的各因素權(quán)重。成都地鐵線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重如表1 所示。

      表1 成都地鐵線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重Tab.1 Evaluation index system and weight of Chengdu Metro network planning

      3.2 初級(jí)評(píng)價(jià)

      3.2.1 評(píng)價(jià)初始數(shù)據(jù)

      根據(jù)表1中的成都地鐵線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,得到評(píng)價(jià)因素集合為 θ = {θ11,θ12,θ13,θ14,θ15,θ21,θ22,θ23,θ24,θ25,θ31,θ32,θ33,θ34,θ41,θ42,θ51,θ52,θ53,θ54}。

      專家組成員對(duì)指標(biāo)體系內(nèi)的評(píng)價(jià)因素進(jìn)行打分,分值越趨近于 0,表明該評(píng)價(jià)項(xiàng)目離目標(biāo)期望值越遠(yuǎn),需要大幅度改進(jìn)。分值越接近于 1,表明該評(píng)價(jià)項(xiàng)目離目標(biāo)期望值越接近,完成度越好。成都地鐵線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)結(jié)果分類如表2所示。

      針對(duì)表1所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,不同專家打分結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

      表2 成都地鐵線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)結(jié)果分類Tab.2 Chengdu Metro network planning assessment results and classification

      表3 成都地鐵線網(wǎng)規(guī)劃專家評(píng)分匯總表Tab.3 Expert rating summary of Chengdu Metro network planning

      3.2.2 指標(biāo)綜合概率值

      根據(jù)每個(gè)評(píng)價(jià)因素所在層次,評(píng)價(jià)因素的概率值為評(píng)價(jià)分值對(duì)應(yīng)總目標(biāo)的綜合權(quán)重,綜合權(quán)重與評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值相乘即為綜合概率值。以因素“線網(wǎng)密度”為例,對(duì)于專家1來(lái)說(shuō),該因素的綜合概率值為 M {θ11}= a11×q1×q11= 0.29×0.2×0.6 = 0.0348。依此類推,可以得到綜合概率值集合 M {M {θ11},M {θ12},…,M {θ54}},以及其對(duì)應(yīng)的不確定性值m {θ} = 1-M {θ11}-M {θ12}-…-M {θ54}}。

      3.2.3 評(píng)價(jià)分析

      由表3可知,共有5位專家對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行打分,分值越趨近于 0,表明該評(píng)價(jià)項(xiàng)目離目標(biāo)期望值越遠(yuǎn),需要大幅度改進(jìn)。分值越接近于 1,表明該評(píng)價(jià)項(xiàng)目離目標(biāo)期望值越接近,完成度越好。

      利用綜合概率值計(jì)算可得第一位專家評(píng)價(jià)的綜合概率值集合為 M {M {θ11},M {θ12},…,M {θ54},m {θ}}= {0.0348,0.0294,0.0126,0.0120,0.0204,0.0184,0.0228,0.0110,0.0256,0.0248,0.0280,0.0464,0.0408,0.0170,0.0400,0.0700,0.0490,0.0180,0.0200,0.0156,0.4434}。

      在此基礎(chǔ)之上,利用公式 ⑵ 可以得到線網(wǎng)結(jié)構(gòu) θ1的信任函數(shù)

      類似地,Bel (θ2) = 0.1026,Bel (θ3) = 0.1322,Bel (θ4) = 0.1100,Bel (θ5) = 0.1026。

      利用公式 ⑶ 可以得到線網(wǎng)結(jié)構(gòu) θ1的似然函數(shù)

      類似地,有 Pl (θ2) = 0.5460,Pl (θ3) = 0.5756,Pl (θ4) = 0.5534,Pl (θ5) = 0.5460。

      可見(jiàn),由線網(wǎng)結(jié)構(gòu) θ1引起的線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)的賦值下界為 0.1092,上界為 0.5526。其余評(píng)價(jià)指標(biāo)的上、下界依此類推。對(duì)于不確定性問(wèn)題,與利用其他評(píng)價(jià)方法相比,運(yùn)用證據(jù)理論可以將不確定性概率的范圍確定,從而便于對(duì)該問(wèn)題的進(jìn)一步量化分析。

      3.3 證據(jù)融合

      證據(jù)融合是證據(jù)理論優(yōu)勢(shì)的最重要體現(xiàn),特別是當(dāng)不同的專家給出的評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異時(shí),依據(jù)證據(jù)理論依然可以得到較可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果。從表 3可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于有些評(píng)價(jià)指標(biāo),不同專家給出的評(píng)分?jǐn)?shù)值差別較大。因此,進(jìn)行數(shù)據(jù)融合十分必要。

      根據(jù)前述可以得到專家1的信任函數(shù)集合如下。0.4434}

      類似地,可以得到其他專家的信任函數(shù)集,5位專家對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的信任函數(shù)值如表4所示。

      將專家1和專家2的評(píng)價(jià)數(shù)值進(jìn)行融合,根據(jù)公式 ⑷ 和公式 ⑸ 進(jìn)行正交和運(yùn)算如下。

      整理可得

      再將以上結(jié)果與其他專家的評(píng)分結(jié)果逐個(gè)融合,得到融合結(jié)果如表5所示。

      同理

      則有

      表4 專家組評(píng)價(jià)信任函數(shù)值表Tab.4 Trust function value of expert group evaluation

      至此,由表4可以發(fā)現(xiàn),1 至5號(hào)專家的評(píng)分結(jié)果分別都為“較好”,即成都地鐵線網(wǎng)規(guī)劃能較好地達(dá)到理想目標(biāo)。由表5可以發(fā)現(xiàn),5 位專家評(píng)分結(jié)果融合后的結(jié)果為 Bel ({θ1,θ2,θ3,θ4,θ5}) = 1-m (θ) = 1-0.0794 = 0.9206,Pl ({θ1,θ2,θ3,θ4,θ5}) = 1,信任區(qū)間為 [0.9206,1],不確定度為 0.0794。因此,綜合評(píng)定結(jié)果為“好”,即與理想目標(biāo)十分接近。

      可以發(fā)現(xiàn),1 至5號(hào)專家每個(gè)專家的評(píng)價(jià)結(jié)果中總會(huì)有幾個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值偏低,而對(duì)5個(gè)專家的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合之后,可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于意見(jiàn)較一致的評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值,會(huì)發(fā)生加強(qiáng)的作用,而對(duì)于意見(jiàn)有沖突或較為不一致時(shí),會(huì)綜合考慮相同的部分,進(jìn)行合理地融合。

      此外,設(shè)置了對(duì)比組,4 號(hào)專家和5號(hào)專家對(duì)3 層指標(biāo)“軌道交通日客流量”的評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值不一樣,4 號(hào)專家評(píng)價(jià)結(jié)果為 0.4,5 號(hào)專家評(píng)價(jià)結(jié)果為 0.1,其他指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果都一樣,分別對(duì)1號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)專家 (簡(jiǎn)稱 (1) 組) 和1號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)專家 (簡(jiǎn)稱 (2) 組) 的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行融合,得到結(jié)果如表6所示。

      即 (1) 組融合后的結(jié)果為 Bel ({θ1,θ2,θ3,θ4,θ5}) = 0.8931,Pl ({θ1,θ2,θ3,θ4,θ5}) = 1,(2) 組融合后的結(jié)果為 Bel ({θ1,θ2,θ3,θ4,θ5}) = 0.8914,Pl ({θ1,θ2,θ3,θ4,θ5}) = 1。由此可以發(fā)現(xiàn),(2) 組比 (1) 組的信任函數(shù)降低了 0.0017,不確定性有所增加,這是由于專家5的評(píng)價(jià)結(jié)果與前3位專家的評(píng)價(jià)結(jié)果相差較大,因而不確定性增加。

      通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn),證據(jù)理論可以有效地融合證據(jù) (即評(píng)分) 中的一致部分,對(duì)一致部分會(huì)進(jìn)行結(jié)果的加強(qiáng),從而會(huì)減小數(shù)據(jù)中不確定性值的范圍,使評(píng)價(jià)結(jié)果更加精確可靠;在有數(shù)據(jù)沖突或較為不一致時(shí),該方法也綜合考慮各證據(jù)之間的共同部分,進(jìn)行合理地融合,避免因人的判斷誤差而對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生影響。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      通過(guò)建立城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,利用 AHP 方法確定權(quán)重,運(yùn)用 D-S 證據(jù)理論,對(duì)多組評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行合理融合,設(shè)置對(duì)照組,驗(yàn)證證據(jù)理論可以有效地減少因人的判斷偏差而引起的隨機(jī)誤差。對(duì)成都市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,對(duì)于一致的評(píng)價(jià)結(jié)果,證據(jù)理論的融合法則能夠有效地將不確定范圍減少;對(duì)于存在一定沖突的評(píng)價(jià)結(jié)果,通過(guò)證據(jù)理論的融合法則處理,最終結(jié)果能綜合其一致部分,進(jìn)行有效的融合。此外,成都市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃案例表明,社會(huì)效果的好壞對(duì)整個(gè)體系影響較大,在城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中,應(yīng)著重注意城市軌道交通對(duì)社會(huì)的影響效果。

      表5 融合結(jié)果Tab.5 Fusion results

      表6 對(duì)照組融合結(jié)果表Tab.6 Fusion results of control group

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