基于模糊界定的城市生态交通综合测度模型

基于模糊界定的城市生态交通综合测度模型
陆化普;蔚欣欣;胡启洲;袁长伟
【摘要】城市交通是一个复杂的人工生态系统,本文在定义城市生态交通的概念和内涵的基础上,强调其对维系城市交通系统的能动性特征.以"效益最大化、成本最小化、发展可持续化"为原则,构建了城市生态交通测度指标体系,构造基于模糊界定与五级标度法的城市生态交通规划的综合测度模型,并给出了实例.实例应用结果表明,应用基于模糊界定与五级标度法的城市生态交通综合测度模型,能更好地反映城市交通系统的实际情况,并能体现城市交通与生态、环境间的协调发展水平,为城市交通可持续发展提供决策支持,促进生态城市的建设和发展.
【期刊名称】《交通运输系统工程与信息》
【年(卷),期】2010(010)003
【总页数】7页(P86-92)
【关键词】交通工程;城市生态交通;模糊界定;五级标度法;测度模型
【作者】陆化普;蔚欣欣;胡启洲;袁长伟
【作者单位】清华大学,交通研究所,北京,100084;清华大学,交通研究所,北
京,100084;清华大学,交通研究所,北京,100084;合肥工业大学,合肥,230009;清华大学,交通研究所,北京,100084;长安大学,经济与管理学院,西安,710064
【正文语种】中文
【中图分类】U294
1 引言
随着城市化进程的加速，城市交通体系已不能满足增长的交通需求，严重制约着城市社会经济的发展并污染城市生态环境.城市交通逐渐暴露出越来越多的问题，如
交通供求不平衡导致城市严重的交通拥堵;机动车迅速增长带来环境污染;交通运输
在能源消耗中所占比例不断增加;土地占用急剧增加等[1，2].为解决上述问题，近
年来，“生态交通”逐渐被引用到城市交通学研究中，其内容也不断丰富、演化和发展，成为一个具有应用基础的复合概念.
在国内，最初对生态交通的研究基本上是抛开城市交通系统整体性的单要素研究，结果导致生态交通研究的片面性和忽视城市交通系统的整体性.直至城市复合交通
系统整合理论被提出来后，才有学者将城市生态交通作为一个整体性、系统性的概念提出来.生态交通的研究必须建立在包括资源、环境与人类系统在内的复杂的生
态系统基础之上，而对这类复杂系统，不确定性是其最基本的特征.要准确地描述
一个复杂系统的行为特征与变化是非常困难的.考虑到城市问题的多样性和复杂性，需要对城市生态交通系统的水平进行测度，为城市交通建设的必要性、建设强度与投资力度等目前可持续发展战略的研究重点方向提供理论依据.笔者对“生态交通”重新定义，并设计城市生态交通测度指标体系.在分析生态交通内涵的情况下，依
据模糊数学中的模糊评判原理，结合五级标度法，构建城市生态交通综合测度模型，并结合实际情况对模型进行应用分析.
2 城市生态交通内涵
“生态交通”是交通发展的新模式，在内涵上，“生态交通”是一个包含自然环境和人文价值的综合性概念.目前，“生态交通”的概念已经融合了社会、文化、历史、经济等因素，向更加全面的方向发展，体现的是一种广义的生态观.生态交通
中的“生态”，已不再是单纯生物学的含义，而是综合的、整体的概念，蕴涵社会、
经济、自然的复合内容.所以，“生态交通”是基于可持续发展的交通观念所提出
和发展的，旨在缓解交通堵塞、降低环境污染、促进资源合理利用，满足城市环境、经济和社会可持续发展要求的和谐式交通运输系统.它立足于环保，以节约能源、
提高交通效率为出发点，建立维持城市可持续发展的交通体系[3].
文献[1]中张亚平提出生态交通是一种具有较高生态化水平的交通模式，它立足于
环保，以节约能源、提高交通效率为出发点，是按自然生态、人文生态和经济生态原理规划、建设和管理的，由交通网络、交通工具、交通对象和交通环境组成的生态型复合交通系统，旨在缓解交通堵塞，降低环境污染，促进资源合理利用和社会公平，满足城市环境、经济和社会可持续发展要求的和谐式交通运输系统[1].文献[4]中李晓燕认为生态交通应以生态学为理论基础，考虑生态极限的约束和满足交
通需求的前提下，在城市交通规划与建设中，最大程度地降低因交通系统正常运转所造成的环境污染和资源消耗，形成向生态化演化的城市交通系统，即生态化的城市交通系统.
笔者在综合分析现有研究成果的基础上，结合城市交通的发展趋势，对生态交通做如下定义:生态交通是指适应人居环境发展趋势的城市交通系统.它是以建设方便、
安全、高效率、低公害、景观优美、有利于生态和环境保护、以“效益最大化、成本最小化、发展可持续化”为目标，以推动城市交通与城市建设协调发展、提高交通效率、保护城市历史文化及传统风貌、净化城市环境为目的，运用科学的方法、技术、措施，营造与城市社会经济发展相适应的城市交通环境.其核心是交通的通达、有序，参与交通个体的安全和舒适，尽可能少的土地和能源占用，与生活环境和生态环境的协调统一及交通系统的可扩展性[7].
生态交通是一个涵盖了城市交通的政策制定、城市总体规划、交通设施建设以及科学先进的交通管理方式的综合系统.生态交通从微观层面上讲是要满足交通个体的
出行需求，提高交通服务水平，减少环境污染和合理使用土地资源;宏观层面上是
要在一定限制因素制约下，满足城市范围内交通的可持续发展需求.生态交通是实
现交通可持续发展的一种有效的手段，而交通可持续发展是可持续发展在交通运输领域中的具体体现.生态交通建设实质是从人类生态学的基本思想出发，把人与自
然看作一个整体进行规划和建设，并采取行政、科技等手段，促进系统向更有序、稳定的方向发展，维持城市系统的动态平衡.
3 城市生态交通测度指标体系
建设城市生态交通，目的在于寻求城市交通资源合理开发利用、产业合理布局以及环境保护的模式，以促进城市交通的可持续性发展.生态交通发展的目标是多元的，既有人口、经济、社会、环境目标，也有增长、结构优化目标，还有公平效率目标.城市生态交通测度指标不但需具有典型意义，而且还能够全面反映现代城市交通系统的综合特征，并且这些指标及其组合能够恰当地表达人们对城市生态交通规划的定量判断，同时每一个指标具有独立性、可量化和通用性.
依据城市生态交通的内涵和特征，以及城市生态交通规划指标体系的设置原则，综合国内外学者有关城市生态交通规划指标体系的研究成果，并结合各城市的具体情况，通过综合分析，构建城市生态交通测度体系.
3.1 城市生态交通规划指标体系的基本构成
生态交通是一个系统工程，涉及交通运输的每一个环节和相关要素，从车、路(基
础设施)到交通环境、交通组织、交通管理乃至其所处的整个社会系统[7].笔者从交通环境、交通损耗、交通质量、交通服务和交通发展等五个方面来建立生态交通的规划指标体系.
(1)交通环境.
交通环境是指围绕城市交通活动的外部世界.选取下面7项指标作为城市交通环境
指标，见表1.
表1 交通环境指标[8]Table1 The planning indexes of traffic environment
(2)交通损耗.
交通损耗是指围绕城市交通活动的一切损失和消耗.选取下面5项指标作为城市交
通损耗指标，见表2.
(3)交通质量.
交通质量是城市交通的网络特性、结构和功能的描述.选取下面6项指标作为城市
交通质量指标，见表3.
表2 交通损耗指标[8]Table2 The planning indexes of traffic loss
表3 交通质量指标[8]Table3 The planning indexes of traffic quality
(4)交通服务.
交通服务是城市生态交通的主要表现，也是提高市民生活质量以及实现城市交通可持续发展的重要内容[8].选取下面7项指标作为城市交通服务指标，见表4.
表4 交通服务指标[8]Table4 The planning indexes of transport service
(5)交通发展.
交通发展是指城市交通的可持续性发展.选取下面7项指标作为城市交通发展指标，见表5.
表5 交通发展指标[8]Table5 The planning indexes of traffic development
3.2 城市生态交通测度指标体系构建
根据以上分层次的分析，就可以得到含交通环境、交通损耗、交通质量、交通服务和交通发展等五个构成要素的城市生态交通测度指标体系，见表6.
表6 城市生态交通测度指标体系Table6 Urban ecological traffic planning index system
4 城市生态交通综合测度模型
由于城市生态系统是一个复杂系统，涉及内容比较广泛，对它进行综合测度比较困难.本文在定性分析结合定量分析的基础上，利用模糊综合评判进行综合测度.在利
用五级标度法确定各指标权重系数的基础上，依据模糊评判机理，建立测度模型.并在定义测度区间的基础上，利用等级匹配原理，得到城市生态交通的综合测度值.
4.1 规划指标测度值的量化
进行综合测度以前，需要将各指标属性值标准化、归一化处理[9].由于指标体系中各指标有定性指标与定量指标之分，所以标准化处理方法也不一样.
(1)定量指标的标准化.
规划指标确定后，通过查找统计资料或推导计算确定指标的属性值 xij.但由于各指标的含义不同，造成各指标的量纲各异，因此，必须对指标进行标准化处理，统一变化到[0，1]范围.这里采用无量纲化标准函数:
①成本型指标的标准化函数
其中 di=[mi，Mi]为规划指标 ui的阀值.
(2)定性指标的标准化.
对某些不能明确可测，只能定性规划的指标，有许多量化方法，如层次分析法、德菲尔法等，但由于实际问题的复杂性，目前还没有一个完善解决定性指标量化方法.笔者这里采用模糊数学语言来处理，见表7.
表7 评语集Table7 Evaluation set
依据表7，令测度指标uij相对于指标评语V={优、良、中、一般、差}的隶属度向量为 vi=(vi1，vi2，vi3，vi4，vi5)，此处隶属度向量 vi 采用专家调查，并通过集值统计方法来确定.
4.2 模糊综合评判
模糊综合评判是在模糊环境下，考虑了多种因素的影响，为了某种目的对一事物做出综合决策的方法.具体方法如下:
(1)构成要素.
因素集合:U=(u1，u2，…，um)是一个由测评指标构成的指标集合.
评语集合:V=(v1，v2，…，v5)是一个评语集合，评语分为优、良、中、一般、差五个等级.
权重集合:W=(w1，w2，…，wm)是一个权重集合，wi和wij已由表1～表6中给出.
(2)单项指标测度值的确定.
单项指标的测度值rij可以依据指标的类型，按照指标的量化方法来计算.由于城市生态交通规划中，许多规划指标只能定性分析，无法定量计算，所以笔者采用模糊测度向量来描述.依据表7，得到测度指标 uij的模糊测度向量vij=(vij1，vij2，
vij3 ，vij4 ，vij5).
则标准化后的规划指标uij的模糊测度向量Vi=(rij1 ，rij2 ，rij3 ，rij4 ，rij5). (3)利用五级标度法确定指标的权重系数.
在规划中指标权重的取值有很大的随机性，不同的方法会得到不同的权重值，所以这样得到的规划结果也就不同.专家打分法虽主观性比较大，但它考察的结果比较符合实际情况.特别在不同时期和不同城市，通过专家打分给规划指标赋予不同的权重系数，来客观测度城市交通的可持续发展水平.为了增大生态交通规划的可行性，采用五级标度法给出各规划指标权重系数.
由于各指标在决策中所起的作用不同，可根据各指标对决策问题的重要性程度，把所有指标划分为五个级别，如表8.
表8 指标级别Table8 The scale values of indexes
由于决策问题中的指标，在不同情况下所起的作用不同，所以它在不同的情况下属于不同的级别.因此在具体的决策问题中，结合实际情况就可以得到不同指标的级别，然后根据指标级别的取值范围就可得到指标 uj(j=1，2，…，m)的初始权重值
zj(j=1，2，…，m).然后运用模糊数学，将它模糊处理为
为了使权重满足归一化条件，再把指标的权重规范化处理，令
(4)一级指标测度向量的确定.
一级指标测度值是对二级指标测度值的收敛，其计算公式:
式中 wij为单项指标的权重，m为单项指标数.
(5)综合测度向量的确定.
综合测度值是对大类指标测度值的进一步收敛，它的大小反映了整个城市生态交通发展程度.利用模糊矩阵的合成运算，得到综合测度模型:
(6)综合测度值的确定.
其中 fi表示第i级评语的均分值.
则利用向量乘积，计算出最终测评结果
4.3 综合测度值的分级标准
根据所建立的测度方法特点，参考城市生态交通发展的综合判断标准以及国内外各种综合测度值的分级方法，将城市生态交通的测度结果划分为五个等级区间，见表9.
5 应用分析
A市为了制定“十一五”规划，要求经济快速发展的同时，城市交通相应做出优化调整.2006年4月某所对该市的现有交通系统进行调研，得到许多相关实际数据
[10].笔者利用上述调研中的相关数据，依据表1～表6对规划指标进行分析，考
察值见表10.
表9 测度区间Table9 Test interval
表10 二级指标的模糊关系向量考察值Table10 The observe values of the second indexes
Step 1 确定一级指标的测度值.
利用表 10中的模糊矩阵向量，依据(1)、(2)式，可得到一级指标的测度值，见表11.
Step 2 确定各指标的权重系数.
利用五级标度法，得到一级指标和二级指标的权重系数，见表12.
Step 3 确定综合测度向量.
由(3)式得城市生态交通的综合测度向量为B=(0.1528，0.2418，0.2624，0.2384，0.0983)T
表11 一级指标的模糊关系向量计算值Table11 The observe values of the first indexes
Step 4 确定综合测度值.
由(4)式得城市生态交通的综合测度值为Z=F◦B=75.16.
Step 5 确定规划等级.
依据测度分级标准区间，该城市的生态交通测度结果属于“三级”，即“中等”.
该城市的生态交通属于‘中'，为了使该城市交通系统的生态交通综合规划结果要
达到更高水平‘良'，笔者认为应该采取如下措施:
①创建与人和环境相适应的交通系统，始终坚持以人为本的理念，完善的道路交通设施，是为人提供方便，而不是为车辆提供最大的空间，方便顾客出行原则.
②合理有效地利用有限的交通资源和空间，交通系统的规划不仅符合当前城市客流
发生和分布的客观规律，而且反映城市未来发展的交通变化.
③以先进的科学技术为基础，在资源合理利用和保护生态环境的指导思想下，提高整个城市的交通效率和服务水平，在经济合理地满足社会发展需求的同时，促进整个城市交通的和谐发展.
6 研究结论
(1)根据城市交通的特点和内涵建立了城市生态交通规划的指标体系，并在规划指标量化的基础上，建立了城市生态交通规划的测度模型，给出了城市生态交通规划结果的分级标准区间.整个规划过程简单、科学可行.
表12 各指标的权重值Table12 The weight values of the indexes
(2)应用结果表明，笔者建立的城市生态交通规划指标体系能够客观、科学、合理地评价城市交通系统现状，为有关部门科学决策提供有力依据，同时也对进一步发展城市交通系统，改善城市交通起到推动作用.所以城市生态交通的测度模型具有一定的理想意义和实用价值.
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