（交通运输规划与管理专业论文）基于熵灰色关联理想解法的城市道路建设时序规划研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着我国经济的快速发展，城市规模迅速膨胀，导致城市内部基础设施供 给能力不足，尤其是城市交通运输能力不足，无法满足人们日益增长的出行需求。 目前，许多城市已经意识到这些问题，开始投入大量的资金进行交通基础设施的 建设。但交通基础设施所涉及的项目数量多，资金额度大，需要合理安排这些项 目的建设顺序，科学编制建设计划，使建设项目在短期内发挥其最大效益，在长 期内发挥其可持续效益。本论文就是在这样的背景下进行的。 论文主要针对城市道路基础设施建设过程中出现的排序决策问题进行研究。 首先，论文分析了目前国内外城市道路建设排序研究的情况和问题，对现有 的一些理论进行介绍，并对本论文采用的模型进行选择。 论文的三、四、五章为本论文的核心。其中，第三章结合节点重要度和交通 区位理论的思想，建立了道路节点重要度以及道路建设的评价指标体系；第四章 综合熵值法和层次分析法分别计算了各指标的权重系数，然后通过研究各道路项 目与最理想道路项目和最不理想道路项目的模糊关联性来计算各条道路项目的综 合重要程度；第五章使用动态聚类法将各道路项目的综合重要度进行聚类分析， 并提出聚类结果的评价方法，最终得到城市道路建设的计划方案。 最后，论文以北京市中心区主干路的建设计划编制作为案例分析，验证了论 文提出方法的可行性与科学性。希望本论文的研究可以对城市道路建设决策问题 的进一步研究做出贡献。 图1 2 幅，表1 9 个，参考文献4 3 篇。 关键词：城市道路建设排序决策；节点重要度；交通区位；熵值法；理想解法； 灰色关联度；模糊聚类 分类号：u 4 9 1 a b s t r a c t a bs t r a c t a l o n gw i t hr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n to fc h i n aa n de x p a n s i o no fc i t i e s ，t h e s u p p l yo fi n f r a s t r u c t u r e sc a l l tm e e tt h ed e m a n do fp e o p l ei nc i t i e s ，e s p e c i a l l yt h eu r b a n t r a n s p o r t a t i o ni n f r a s t r u c t u r e s t h e r e f o r e ，h u g ef u n d s a r e b e i n gi n v e s t e d i n t ot h e c o n s t r u c t i o no fu r b a nt r a n s p o r t a t i o ni 1 1 触s t r u c t u r ei nm a n yc i t i e s ，w h i c hi n v o l v e dal o t o fd i f f e r e n tp r o j e c t s h o w e v e r , h o wt oa r r a n g es c i e n t i f i c a l l yt h ec o n s t r u c t i o no r d e ro f t h e s ep r o j e c t sc a nm a k es u r eam a x i m u mb e n e f i ti nt h es h o r tt e r ma n dt h es u s t a i n a b l e b e n e f i t si nt h el o n gt e r m ，w h i c hn e e dt ob ec o n s i d e r e dp a r t i c u l a r l y t l l i sp a p e ri sa i m e dt or e s e a r c hs e q u e n c i n gt h eu r b a nr o a d sc o n s t r u c t i o n f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dp r o b l e m so ns e q u e n c i n gt h e u r b a nr o a d sc o n s t r u c t i o na th o m ea n da b r o a d ，a n di n t r o d u c es o m em e t h o d o l o g i e si nt h i s f i e l d c h a p t e ri i i ，i va n dv a r et h ec o r ep a r t so ft h i sp a p e r i nc h a p t e ri i i ，t h ep a p e r e s t a b l i s h e db o t ht h ea s s e s s m e n ts y s t e m so fr o a dc o n s t r u c t i o na n dn o d ei m p o r t a n c e b a s e do nt h em e t h o d o l o g i e so fn o d ei m p o r t a n c ea n da r e al o c a t i o n ；i nc h a p t e ri v , t h e p a p e rc a l c u l a t e st h ew e i g h i n gv i ae n t r o p ya n da h pf i r s t l yt h e n ，t h ep a p e re v a l u a t e s w h o l l yt h eu r b a nr o a dp r o j e c t sb ya p p l y i n gf o rt h em e t h o d so ft o p s i sa n dg r e y r e l a t i o n a la n a l y s i s ，a n dg e t sa ne l e m e n t a r yb u i l d i n gl i s t ；i nc h a p t e rvt h ep a p e rc l a s s i f i e s a n de v a l u a t e st h ee l e m e n t a r yo u t c o m e ，t h e nd e c i d e st h ef i n a lb u i l d i n gl i s to ft h eu r b a n r o a d sp r o j e c t s f i n a l l y , t h ep a p e rm a k e su s eo ft h em o d e lo nt h ec a s eo fp r i m a r yr o a di nb e i j i n g 硼1 ef a c ts h o w st h a tt h em o d e li ss c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e ih o p et h em o d e lc a nh e l p i m p r o v i n ge x i s t i n ge v a l u a t i o ns y s t e mm o r eo rl e s s k e y w o r d s ： s e q u e n c i n gt h eu r b a nr o a d sc o n s t r u c t i o n ；n o d ei m p o r t a n c e ；a r e a l o c a t i o n ；e n t r o p y ；t o p s i s ；g r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s ；f u z z yc l u s t e r i n g c i 。a s s n o ：i j 4 9 】 图目录 图目录 图1 1 技术路线图6 图3 1 北京市多中心功能示意图。2 4 图3 2 北京市中心区用地规划图。2 4 图3 3 节点重要度评价指标体系。2 5 图3 4 城市道路建设评价指标体系2 9 图4 1 建模示意图31 图5 1 城市道路建设计划编制思路图4 1 图5 2 交通方式划分二元法示意图5l 图6 1 建设计划研究对象组成图5 5 图6 2 北京市主干路重要建设项目聚类结果6 5 图6 3 北京市主干路次重要建设项目聚类结果7 1 图6 4 北京市主干路一般重要建设项目聚类结果7 1 表目录 表目录 表3 1 经济及人口发展指标。16 表3 2 交通设施水平指标。17 表3 3 苏卅l 市各类用地交通出行权重2 5 表4 1 城市道路建设序列决策指标的5 级赋值3 2 表6 1 经济及人口发展指标( 2 0 0 7 年数据) 。5 7 表6 2 道路设施水平指标原始数据5 8 表6 3 道路设施水平指标58 表6 4 行政区划赋值5 8 表6 5 节点所在区段赋值5 8 表6 6 功能区赋值5 9 表6 7 用地性质赋值o 。5 9 表6 8 节点重要度计算各指标权重6 0 表6 9 节点重要度计算结果6 0 表6 1 0 道路各指标权重6 2 表6 1 1 道路各综合重要度6 2 表6 1 2 重要建设项目列表6 5 表6 1 3 次重要建设项目列表6 6 表6 1 4 一般重要建设项目列表6 8 表6 1 5 北京市中心区主干路建设计划7 0 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高姒 签字日期：印咿7 年6 月7 e t 8 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：高洌0 k 签字日期：硼7 年舌月c e t 导师签名： 签字日期：妙年g 月叫日 致谢 首先诚挚的感谢我的导师邵春福教授，老师悉心的教导使我得以一窥交通领 域的深奥，不时的讨论并指点我正确的方向，使我在这两年中获益匪浅。老师严 谨的治学态度和科学的工作方法更是我辈学习的典范。 本论文的完成亦得感谢邵老师的大力协助。因为有您的体谅及帮忙，才使得 本论文能够更完整而严谨。 两年里的日子，实验室里共同的生活点滴，学术上的讨论、言不及义的闲扯、 让人又爱又怕的宵夜、赶作业的革命情感、因为睡太晚而遮遮掩掩闪进实验 室，感谢众位学长姐、同学、学弟妹的共同砥砺，你们的陪伴让两年的研究 生生活变得绚丽多彩。 感谢岳昊、陈晓明师兄，李霞、董春娇、李娟、赵丹师姐们不厌其烦的指出 我研究中的缺失，且总能在我迷惘时为我解惑，也感谢张娟、兰鹏、余碧莹、张 辉、朱诺、郭钰等同学的帮忙，恭喜我们顺利走过这两年。实验室的李明星、任 恒宽学弟、赵月、曲秋莳学妹们当然也不能忘记，你们的帮忙及搞笑我铭感在心。 最后，谨以此文献给我挚爱的双亲和兄长，他们的理解和支持使我能够在学 校专心完成我的学业。 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 随着经济的迅速发展，我国的城市化进程快步推进，在改革开放短短三十几 年里，大城市和特大城市规模迅速膨胀。但因市政基础设施投资力度不够，尤其 是交通基础设施供给能力不足，无法满足城市居民的需求，加之交通网络规划不 合理，导致出现交通阻塞、居民出行时间长、交通事故率高等问题。现在许多城 市已经注意到这些问题，开始大规模的投资城市基础设施的建设。 2 0 0 8 年9 月，金融危机全面爆发，对全球经济产生了巨大的影响。为了对抗 这场大萧条以来最严重的经济危机，各国纷纷推出各自的经济刺激方案。为应对 0 8 年下半年我国经济的下滑形势，当年1 1 月1 4 日国务院出台了扩内需促增长的 十项措施，未来两年内落实这些措施约需4 万亿元。交通是国民经济的大动脉， 我国的交通建设跟经济社会的发展不相匹配，“交通瓶颈”成为很多地区发展的首 要难题。因此，以铁路、公路、民航、水运为代表的交通设施建设将是此轮投资 的重点领域。 随着交通基础设施建设的重要性与重大性日益突出，其过程中必然会出现许 多问题。例如，大量的资金如何能够合理的投入到基础设施的建设当中，如何能 够在短期内发挥其最大效益，在长期内发挥其可持续效益，这将是各地在投资建 设交通基础设施建设时必须要面对的问题。 因此，交通基础设施的建设亟需科学的规划理论、详尽的数据分析来支持。 本论文的研究就是在这样的背景下展开的。 本论文的研究依托于北京市交通委员会、北京交通发展研究中心资助项目“北 京市交通基础设施建设规划研究”完成。 1 2 研究目的和意义 交通网络是城市或区域的骨架，是保证用地功能发挥和保持拉动经济、保障 可持续发展的基础设施，左右着城市或区域的发展方向和规模。目前我国的城市 交通网络中，轨道交通所占的比例较小，道路网络作为主力承担着城市或者区域 的交通任务，为城市或者区域的发展做出贡献。 目前，我国城市道路网存在结构不合理、密度普遍偏低、干路间距过大、人 北京交通大学硕士学位论文 均道路面积低等问题，导致路网可达性较差，交通服务水平不高。这主要是因为 我国经济基础较为薄弱、资金不足和政策导向等原因，导致了城市基础设施建设 滞后，建设水平低。此外，从城市结构布局看，我国的城市多为用地紧凑、人口 高度密集型城市，这也使道路用地受到了很大程度的限制。 加快城市道路网系统建设，提高整个城市的道路网系统的运输承载能力以及 利用率，缓解交通供需矛盾，是保持城市经济持续快速发展的关键环节之一。通 过本论文的研究，拟达到以下目的： 1 、总结现状城市道路建设中存在的种种问题，为合理安排交通基础设施建设 方向提供依据。 2 、建立城市道路建设评价指标体系，并提出城市道路建设排序模型。 3 、提出城市道路建设计划编制方法，为政府决策提供科学支持。 4 、完善城市道路基础设施建设计划的理论体系，为其建设计划的编制提供基 础理论方法和技术手段。 本论文的研究意义为： 1 、从经济、社会、环境各方面，认识到城市交通网络给城市带来的效益，综 合评价路网的效果使社会各阶层认同，同时对于加强城市道路投资，加速道路建 设和城市建设会起到积极的促进作用。 2 、在进行科学预测的前提下，规划城市道路基础设施建设计划，调整建设步 伐、规模以适应城市空间发展战略，推动城市空间新格局形成。 交通和土地利用具有互为因果的关系，交通基础设施是维系这种因果关系的 纽带之一。一方面，交通设施的建设拉动沿线的土地利用；同时，土地利用的变 化带来人们出行活动的变化，从而诱发交通的生成，促进交通设施的建设。 3 、促使基础设施空间布局合理化，形成网络效应 目前，城市交通基础设施空间布局是由道路交通组成的面，公共交通组成的 线，停车与枢纽设施组成的点构成。通过对道路基础设施的合理规划，使其符合 整个交通系统的空间布局，与地铁、公交等交通方式共同增加交通基础设施网络 效益。 4 、基础设施结构合理化 城市道路基础设施结构影响到城市土地利用结构、居民出行结构、产业结构、 经济社会发展等方面。本论文的研究旨在通过城市道路基础设施建设计划的合理 安排与实施，促进道路基础设施结构合理化。 5 、保证确定的建设速度 根据城市道路基础设施建设投资和经济社会的需求，通过深入的理论分析和 科学安排，实现政府确定的城市道路基础设施的建设速度，实现预期的目标。 绪论 6 、明确基础设施建设投资计划 根据城市道路基础设施建设计划方案，明确必须做、重点做和优先做的道路 基础设施建设项目集合，进而确定道路基础设施建设投资方向。 7 、形成城市道路基础设施建设计划理论与方法 形成城市道路基础设施建设计划理论与方法，指导我国城市道路基础设施建 设计划编制。 1 3 国内外研究现状 ( 一) 国外研究现状【卜4 】： 西方的项目评价方法，在费用一效益分析的基础上，在2 0 世纪6 0 - - - 7 0 年代得 到了迅速的发展，形成了以一些国际经济组织命名的评价方法，如o e c d 法、w b 法等。这些方法都指出了项目评价有财务、国民经济和社会这3 个层次，而且认 为国家的目标不仅仅局限于国民经济的增长，还有经济和社会评价的结合问题。 目前看来，定量解决了的还只是项目的经济评价，社会评价尚处于不断探索之中， 很不系统和完善，更少有针对具体行业的社会评价方法。尽管如此，西方一些国 家在基础设施、公用事业等社会效益大的项目评价实践中，已针对项目的不同特 点进行了社会效益的评价，得出很多成功经验。 近一、二十年来，西方开展了社会学家参与分析的社会评价，英国叫社会分 析，美国称为社会影响评价( s o c i a li m p a c t a s s e s s m e n t ) ，在发展中国家也 推行了这种社会评价。美国政府要求对项目进行社会影响评价，并且于1 9 6 9 年通 过立法推广，己应用于水资源项目的开发、能源、钢铁等产业部门。这种社会影 响评价，主要集中在人类环境的人文分析方面，考察项目和方案的实施对居民所 在地的人口、生活、健康、安全、教育、文化娱乐等方面的影响。世界银行的社 会影响评价涉及公用开发性项目的可行性研究，还用于部分重要项目的后评价。 对于项目排序方法主要有单目标排序方法和多目标综合排序方法，它们都是 在对项目评价的基础之上进行的。 单目标排序的基础是建设项目的经济分析与评价，该方法主要分析建设项目 的成本、维修养护费用、车辆营运成本及项目的经济效益，并根据项目的经济评 价指标对项目进行排序。如2 0 世纪6 0 ，7 0 年代在美国，成本一效益分析在各类 交通建设项目评估及排序中得到了广泛应用，交通建设项目排序主要以各项目效 益成本比的大小作为评判的依据。虽然成本一效益分析在解决各类资金相互竞争 项目的分析与排序上有一定合理性，但是经过具体实施后会发现这种单目标排序 方法会导致公共资金分配不公的严重现象，并导致运输系统的不连贯。因此以成 北京交通大学硕士学位论文 本一效益分析或其它单一经济指标为基础的分析与排序方法不能全面反映建设项 目的真实情况。 随着系统工程、运筹学、计量经济学及决策分析技术的发展并广泛应用于交 通领域，2 0 世纪8 0 年代以来，多目标综合评价被用于项目分析及相应排序工作中。 多目标综合排序的理论基础是效用理论，它给反映建设项目的评价指标分配一个 权重值，反映建设项目的综合效用表示为： u ( x ) = k ( 五) ( 式1 - 1 ) 式中，u ( x ) 项目x 的综合效用值；k 对旨标的权重；u ( 五) 五 项目，指标的效用值。 根据每个指标的效用函数的模型，确定各项目不同指标的效用值，再根据各 项目综合效用对项目进行排序。 如在比利时，道路主管部门与道路研究中心合作开发的综合排序方法中，采 用了包括安全、社会经济情况、生活环境、交通、城市开发和现状道路网状况等 方面能定量描述的2 9 个明确目标。将各目标的复杂程度加以浓缩，分析人员按l 至5 的分数给各目标进行评分，将各项目综合分数( 加权目标值) 累加后，即可 以对各项目进行排序。 1 9 8 9 年在美国宾夕法尼亚主要建设项目排序中，采用了安全、国防安全、环 境影响及对区域发展影响方面的1 2 个排序指标，根据项目对这1 2 个指标不同影 响程度按0 至4 的5 个等级对其评分，并根据决策者对各指标赋予的权重，进一 步求各项目的综合分数，最后依据综合分数的大小对项目进行综合排序。 这种综合排序方法同样在丹麦、英国、荷兰等国家得到广泛应用。但纵观国 外这种多目标综合排序方法有一共同缺点，即各指标无论是能直接量化，还是难 以直接量化，主要集中在分析人员打分的基础上进行归类，往往带有较大的主观 性。同时，对一些直接量化的指标，若再根据指标值域分级打分，往往造成难以 区分各项目的不同指标之间较小的差别。 对城市道路交通建设项目的评价需从多角度展开，进行系统的全方位的立体 观察，因而需要进行多目标的综合评价，建立决策层次结构，在此层次结构上， 运用系统分析的方法进行有效的分析。 ( 二) 国内研究现状【5 1 4 】 我国于2 0 世纪7 0 年代末才开始建设项目评价的理论和方法研究，1 9 8 7 年正 式颁布了建设项目经济评价方法与参数。随后于1 9 9 0 年6 月国家计委投资司 和建设部标准定额研究所联合编著出版了建设项目经济评价方法与参数实用手 册，这些都推动了我国项目经济评价工作的开展。近年来在开展项目经济评价的 4 绪论 实际工作中，已有了一些项目进行了社会效益评价，但大都是处于从属地位。 随着城市的快速扩张以及发展，现在各城市都在加大城市基础设施的投入， 特别是在城市道路系统中的投入，通过新建、改扩建城市道路，以期望改善现有 的道路交通状况。各大城市都在积极的规划城市道路网，通过调整路网结构使路 网分布合理，但要上的项目很多，对各项目的效益评价是个非常突出的问题。 鉴于我国的国情，大多数项目的建设往往都是由领导直接拍板决定，建设前 缺少科学客观的分析评价，因此我国在进行城市道路项目建设排序方面并没有一 套系统的、完整的理论方法。在进行城市道路项目建设排序时，多借用公路网规 划建设的评价方法或模型，对之稍加改进后使用。 我国公路网建设评价中最初采用基于有一无规划方案的技术评价和经济评 价，后来增加了社会环境评价，现在多采用综合评价方法。综合评价数学方法研 究呈多样性，交通部公路研究所采用模糊综合评价模型，东南大学和吉林工业大 学建立了多层次模糊综合评价模型( f a h p ) ，西安公路大学采用系统聚类分析方 法、模糊层次方法和神经网络分析技术。每种方法都选取了一些相应的指标，并 对相应的指标进行了量化分析，不同的研究单位评价指标选取不尽相同，也不全 面，方法也尽限于某个个案的应用。对单个评价指标的研究也比较多。 同济大学吴海燕博士对公路网规划评价指标体系进行了专门的研究，并用专 家系统来辅助评价指标选取，其研究成果较全面，客观，具有一定的普适性和交 互性，但缺乏对指标间的相关性分析。此外，国内公路网规划建设决策支持系统， 功能较弱。 此外，比较常用的还有节点重要度法。该方法通过对节点重要度、线路重要 度的计算，进而对道路项目的重要度进行排序。 总体来说，我国目前缺少专门对城市道路建设计划进行研究的理论。 1 4 研究内容 论文研究的范围主要基于城市这样一个区域内，研究城市道路设施建设排序 计划的决策过程，论文研究的内容主要包括： ( 1 ) 研究城市道路建设规划的内容与方法，分析城市道路建设规划对城市道 路网络以及整个交通系统发展的指导和促进作用； ( 2 ) 分析影响城市道路建设规划的各因素，建立城市道路建设规划评价指标 体系，并对具体评价指标进行分析说明； ( 3 ) 研究建立城市道路建设序列决策方法模型，分析模型参数确定方法； ( 4 ) 研究城市道路建设排序分类以及排序方案评价方法： 北京交通大学硕士学位论文 ( 5 ) 形成城市道路建设计划编制方法； ( 6 ) 以北京市中心区主干路建设计划编制为例进行实例分析，验证本论文提 出的排序模型的科学性与适用范围。 1 5 论文技术路线 本论文针对城市道路基础设施建设过程中出现的排序决策问题提出解决方 法，首先以节点重要度和交通区位理论为思想，建立道路节点重要度以及道路建 设的评价指标体系，并采取熵值法和层次分析法相结合的思路计算各指标的权重 系数；然后，通过分别分析各道路项目与最理想道路项目和负理想道路项目的模 糊关联性来计算各条道路项目的综合重要程度：最后，将计算得到的综合重要度 使用动态聚类法进行聚类分析，并对聚类结果进行评价，最终得到城市道路建设 的计划方案。 下图为本论文的技术路线图，大致阐述了本论文的研究框架以及研究方法。 引论 本论 结论 ；研究内容- 7 v _ ： ，。o 。 ii 研究背景及问题的提出 -。l。-。：j ：工 j 。_ - _ _ i _ _ _ - _ _ - j _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 ；i 节点及道路指标体系建立 ；= 二 j 1r 。o o 。o 。o o 。 ； i 道路建设排序模型建立 -im-imi-：jl：= - - - o - - - - o1 _ l l 7 ：，_ 【 i l 排序结果聚类分析 l = 二 = ： ，。_ _ 。_ - 。l 。 ；i 城市道路建设计划编制方法 ；= 二 = l i ，。 i i 案例分析 i = 二 j l ：，一， i i 结论与展望 - - - - - - - ：- - - _ - - - _ i _ _ _ - l _ 1 _ l _ _ _ 1 1 i - - _ j i i i i i i i i - _ - - - - - - - - - - - - - - - - 图i 1 技术路线图 f i g 1 1t e c h n i c a ll i n eo ft h er e s e a r c h 6 ! 研究方法 ； ： 调查分析、资料查阅 i - 指标选取 萎盒妻裹薏 l 权重计算兹孰 教学建模 薹三主霪分( t 析o p s i s ，； 理想解法) ! 聚类分析lg - u e a n s 法 系统分析 归纳总结 城市道路建设排序决策理论 2 城市道路建设排序决策理论 城市道路建设序列决策是城市道路建设规划的重要环节。其实质是一个在时 间、指标、建设项目三者综合下的多阶段多指标的决策问题。因此，研究城市道 路建设序列决策问题具有重要的现实意义。 2 1多阶段多指标决策问题模型 2 1 1 节点重要度法 节点重要度法是公路网布局规划的一种常用方法。交通区位论认为：区域内 少数节点城市所生成的交通量占对应区域全部生成交通量的大多数。因此，分析 交通节点的交通特性显得尤为重要，将网络中的城市作为主要交通节点已成为区 位分析的重点研究内容。节点重要度则是研究交通网络所提出代表节点运输集散 能力的量化指标，它已成为公路网规划中衡量城市或交通枢纽重要程度的主要依 据。 当使用节点重要度法进行城市道路建设序列决策时，首先要确定路网节点， 根据不同交通基础设施的固有属性指标及拓扑结构来反映节点功能的强弱及地位 的高低，计算各节点的重要度。其次，根据线路连接节点的重要度计算线路的重 要度。 节点的重要度是受很多因素影响的，是综合诸多方面反映的结果。计算节点 重要度的各项指标就是从不同角度反映出该区域内节点的功能强弱情况，可以直 接定量表示。节点重要度定义为各项指标的加权平均值： 厶= y 口，卫 ( 式2 1 ) 育。巳 式中，三，区域内节点f 的重要度；口，第，项指标的权重；p ，区域 内所有节点的第，项指标的算术平均值；p ，节点f 的第，项指标的算术平均值。 网络中两节点间的线路重要度以，的计算公式为： ， i n , 。= 丑口 ( 式2 2 ) 岛 式中，节点f 的重要度；，节点- ，的重要度：厶节点f 与间 线路里程( 公里) ：口修正系数。 显然，所连接的两个节点所属部分重要度之积越大，其线段的重要度值越大。 同时，由于线段所处的环境不同，应视具体情况进行修正。 7 北京交通大学硕士学位论文 一般线路是由若干不同的线段所组成的，因此线路重要度即为几个线段重要 度的加权平均之和，即为： = 巩生- ( 式2 - 3 ) k m l 岣 式中，线路的重要度；巩线路i , j 中第k 条线路的重要度： 所组成线路f ，_ 的线段数；厶线路f ，中第尼条线段的长度：厶线 路f ，的长度。 根据节点层次及图论原理，在线路网的基础上，加边连线得到区域网络的重 要度最优树。再根据长度等相关约束条件，加边展开，逐次优化，使交通基础设 施建设规划由树状向网状扩展。 2 1 2层次分析法 层次分析法是美国运筹学家匹茨堡大学教授s a t t y 教授于二十世纪7 0 年代 提出的一种实用的多方案或多目标的决策方法。其主要特征是：合理的将定性与 定量的决策结合起来，按照思维、心理的规律把决策过程层次化、数量化。该方 法自1 9 8 2 年被介绍到我国以来，以其定性与定量相结合地处理各种决策因素的特 点，以及系统灵活简洁的优点，迅速地在我国社会经济各个领域内，如能源系统 分析、城市规划、经济管理、科研评价等，得到了广泛的重视和应用。 层次分析法是在指标的分层结构中，通过建立同一层指标两两比较的判断矩 阵，并求解而获得指标的权值的一种有效方法。判断矩阵a - 口，) 是分层结构中同 一层指标对上一层指标来说两两比较得到的相对重要程度的结果矩阵。a ，表示对 于上一层某指标而言，与它相联系的次一层指标f 和，的相对重要程度。 这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进 行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多 目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。尤其适合于对 决策结果难于直接准确计量的情况。 2 1 3主成分分析法 主成分分析【1 6 1 也称主分量分析，旨在利用降维的思想，把多指标转化为少数 几个综合指标。在实证问题研究中，为了全面、系统地分析问题，我们必须考虑 众多影响因素。这些涉及的因素一般称为指标，在多元统计分析中也称为变量。 因为每个变量都在不同程度上反映了所研究问题的某些信息，并且指标之间彼此 有一定的相关性，因而所得的统计数据反映的信息在一定程度上有重叠。在用统 8 城市道路建设排序决策理论 计方法研究多变量问题时，变量太多会增加计算量和增加分析问题的复杂性，人 们希望在进行定量分析的过程中，涉及的变量较少，得到的信息量较多。主成分 分析正是适应这一要求产生的。 主成分分析法是一种数学变换的方法，它把给定的一组相关变量通过线性变 换转成另一组不相关的变量，这些新的变量按照方差依次递减的顺序排列。在数 学变换中保持变量的总方差不变，使第一变量具有最大的方差，称为第一主成分， 第二变量的方差次大，并且和第一变量不相关，称为第二主成分。以此类推，f 个 变量就有i 个主成分。 设x = ( x i ，”石。) 是一个p 维随机向量，有二阶矩阵存在，记l u = 8 ( x ) ， = d ( x ) ，考虑它在约束条件 l ：l j = 1 i = 1 ，2 ，p 的线性变换 ( 式2 4 ) ( 式2 - 5 ) 易见 v a r ( r , ) = 巧，c o y ( r , ，) = 形，卢l ，2 ，p ( 式2 - 6 ) 假如我们希望用x 来代替原来的p 个变量局，这就要求巧尽可能地 反映原p 个变量的信息，这里的信息用y ，的方差来表示，在上述条件下，使得v 缸( y ，) 达到极大，y ，可称为第一主成分。如果一个乃不足以代表所有变量，可以考虑采 用场，为了最有效地代表原变量的信息，乃与兄不相关。即 c o v ( 1 6 ，助= 0 ( 式2 - 7 ) 于是，求匕即在式2 - 4 、式2 7 的约束下，使v a t ( 助达到极大，所求的圪称 为第二主成分类似的，可以定义第三主成分玛、第四主成分乃。一般来说，x 的 第f 主成分z = 和是指在约束条件式2 - 4 下及c o v ( 和，x ) = 0( 尼 f ) 求，使得 v a r ( y ，) 达到极大。 令 五丸o 为的特征值，由上述条件可得 v a r ( 巧) = 五i = 1 ，2 ，口，p ( 式2 - 8 ) 当然，用主成分法的目的在于减少变量的个数，故一般决不会用p 个主成分， 而用所( 棚 p ) 个主成分。则主成分妖的方差贡献率= 五 ，主成分巧， ， ，l l 刖，舸 b 的累计方差贡献率= a 丑。根据实际需要取一定值的累计方差贡献率 9 一 叶 即 ，1 = 叫 ，= 陟 = 一一 亿k h h 北京交通大学硕士学位论文 a ( 0 口1 ) 时，可以得出需要引入的主成分数量肌。最后，将各主成分的方差贡 献率作为权重，对评价对象进行各主成分的线性加权求和，所得结果作为最终的 评价值l 即 】，= y ，q m p t - i 】，值越高，说明该道路建设项目的综合效益越好，反之则越差。 2 1 4其他方法 ( 式2 - 9 ) l 、理想解法i l 7 1 理想解法全称为逼近于理想解的排序方法( t e c h n i q u ef o ro r d e rp r e f e r e n c eb y s i m i l a r i t yt oi d e a ls o l u t i o n ) ，简称t o p s i s 法，也有人称其为双基点法：d o u b l ep o i n t e v a l u a t i o nm e t h o d 。该方法借助于多目标决策问题的“理想解 和“负理想解 ， 利用理想点所构成的空间，将每个项目的建设排序方案视为空间上的一个点。其 中心思想是定义了一定的模，在这个模的意义下寻找一个有效点，计算各方案对 于理想点的相对贴近度，这种相对于贴近度体现了靠近理想解和远离负理想解的 程度。 其优点在于能够充分利用方案所建立的决策矩阵中所含有的信息，对方案的 分析注重于方案的总体优劣程度。但是该方法对各评价指标的重要程度即权重分 析得不够，权重的确定显得太粗略，在应用实践中容易出现偏差。若权重确定不 合理，就不可能得到满意的结论，有时，甚至会得到错误的结论。 2 、线性分配法【博】 线性分配法是一种比较简单明了的排序方法，可以先不要求给出决策矩阵， 只要知道各评价指标的优先次序，利用这种次序求解相应的二值线性规划，使对 应的权的和达到最大，以此来确定各方案最可能的位置。此方法的优点是对所有 比选方案只要求对每个指定的评价指标，能够比较方案间的优劣关系，并知道各 指标的权重，没有更多的数学条件限制。但这种方法也存在着缺陷：没有充分利 用决策矩阵中所含有的大量信息。因此，该方法适用于具体信息不是很明确或者 定性条件较多，但方案对于指定的评价指标的相对重要性已知的情况，适用于轨 道交通设计前期预可研阶段，作为初步讨论方案的可行性的依据。 3 、极大极小法 极大极小法主要是将各目标函数，也就是各个备选方案“极小化 ，将方案的 比选工作变为求解“极小化 的多目标评价决策问题。该方法的基本思想是在求 1 0 城市道路建设排序决策理论 解最优方案的过程中，求出各备选方案的最大值中的最小值，其所对应的备选方 案即为最优方案。极大极小法简化了决策过程，它是将多目标评价决策问题转变 为单目标决策问题，计算方法上较为简单，计算出的结果也比较客观，但该类方 法的缺点是数学方面的条件限制较为严格，对于作为建设前期工作的方案比选问 题，很多评价指标还难于做出精确评判，由于难以满足数学约束条件，所以在实 际工程中有时难以做出准确判断。 4 、模糊评价法【1 9 j 模糊方法是本世纪6 0 年代美国科学家扎德教授创立的，是针对现实中大量的 判断决策具有模糊性而设计的一种评判模型和方法，在应用实践中得到有关专家 不断演进。该方法既有严格的定量分析，也有对难以定量分析的模糊现象进行主 观上的定性描述，把定性描述和定量分析紧密地结合起来。 模糊评判是应用模糊集理论对系统进行综合评价的一种方法，即根据给出的 评价标准和实测值，经过模糊变换后对事物作出判断，特别是对于无法定量描述 的定性指标，模糊评价法便显示出它的优越性。它可以将不确定的信息用定量盼 方法加以处理，使定性指标具有相应的量值，变定性决策为定量决策，增加判断 的直观性和准确性，使原本无法量化计算的评价计算得以施行。单因素模糊评价， 仅反映了一个因素对评价对象的影响，无法满足多目标决策的要求。而模糊综合 评价正是解决这一问题的计算方法。综合评价是对多种因素所影响的事物或现象 作出总的评价，即对评价对象的全体，根据所给条件，给每个对象赋予一个非负 实数，即为评价结果，再据此进行排序择优。 5 、灰色评价法【2 0 】 灰色系统理论是由华中理工大学邓聚龙教授于1 9 8 2 年创立的，该理论用来处 理普遍存在于现实世界中信息不完全确知的系统，即灰色系统。灰色系统可以用 微分方程来描述，用微分拟合建立的模型称为灰色模型。灰色系统是研究已知量 和未知量系统的理论，可用于预测、决策和控制等。 灰色关联系数法是通过确定各方案指标与相对最优方案指标的类似程度，找 出与最优方案最贴近的备选方案，即为最优方案。利用灰色关联度作为测度进行 综合评价，可以充分利用已有的白化信息，减少误差，为方案的评估选择提供一 种简便而适用的方法。 上述各种评价方法和模型应用的原理不尽相同，考虑问题的角度和适用的环 境也不尽相同，在选择其中的方法和模型，建立适合自身城市发展的评价指标体 系时，首先要明确城市发展的总体目标，根据现有条件和具体情况选择适当的决 北京交通大学硕士学位论文 策模型，这样才能发挥出模型的最优功能。甚至可以在评价决策过程的不同阶段 选取不同的评价方法及模型进行组合，集合不同模型的优势之处，从而得出更为 准确合理的评价结果。 2 2本论文模型选择 在建立适用于本论文研究对象的模型之前，先要分析选择模型的一些基本原 则。由于评价决策过程是一个复杂的系统，所以采用分阶段选取模型的办法，最 终确定一套由多个模型构成的组合模型，对城市道路建设排序评价决策进行分析 研究，以提高决策的可靠性和效率。 本论文确定决策模型的原则主要有以下几点： ( 1 ) 在确定选取何种方法之前，首先要确定各个备选方案的评价指标在系统 中相对于总目标的权重系数。确定权重系数是城市道路建设排序评价决策的重要 组成部分，一旦确定了权重系数，也就知道了影响城市道路建设评价决策综合质 量的关键性因素之所在，从而为改进方案提供理论依据。 ( 2 ) 不论选取何种评价决策方法，都要以决策矩阵为依据。决策矩阵为规划 评价计算过程提供了大量的重要信息，这些信息反映了各个指标的属性值，以及 指标的相对重要性，因此要保证决策矩阵的正确性。 ( 3 ) 虽然上述方法都是从全局的角度出发对多目标的方案进行综合评价决 策，但在实际应用中往往对于同一个对象采取不同的模型进行计算，会得出不同 的评价结果。而且由于受各种不确定性因素的影响，备选方案的排序结果也存在 着不稳定性，可能是非唯一的，还可能是错误的。究其原因，主要是思想方法存 在问题，尚未充分有效的利用评价对象的信息。 因此，为了发挥各种方法的长处，本论文采用把多种评价方法有机地结合起 来，扬长避短，从而得出较为准确的评价结果。 本论文将从节点重要度法的思想出发，将道路项目分解为一个个节点，充分 考虑各路段节点所在区域的经济及人口发展、交通设施水平及交通区位因素的影 响，综合分析各节点的综合重要度，之后将节点重要度作为道路建设的一个指标， 再综合其他指标对道路项目建设进行评价。 城市道路建设序列决策涉及较多的定性指标和定量指标。为了使决策更具科 学性，本论文将综合使用熵值法和层次分析法对指标进行赋权，这样既能有效地 利用隐含在定性指标中的专家经验信息，又能客观反映定量指标的信息。 熵与信息是紧密联系在一起的。一个系统有序程度越高，则熵就越小，所含 的信息量就越大；反之，无序程度越高，则熵就越大，信息量就越小。信息量和 城市道路建设排序决策理论 熵是互补的，信息量是负熵。 备选方案各指标的客观权重系数可以通过计算该指标的熵值，进而转换为客 观权重系数。通过熵值法确定的客观权重系数，可以充分利用决策矩阵提供的指 标信息，保证备选方案优劣顺序的客观性。具体客观权重系数的计算步骤将在第4 章详细介绍。 而层次分析法可以将复杂的城市道路建设排序评价系统分层简单化，利用此 方法可以先在同一层两两比较指标的相对重要性，最后确定各个指标相对于总目 标的重要程度。这种方法在确定主观权重的过程中可以发挥它的优势。如果让专 家直接