综合交通运输规划.docx

综合交通运输规划课程论文 课 程 论 文课程名称: 综合运输规划 论文题目： 基于层次分析法的综合 交通运输体系安全评价 学 院: 土木工程学院 专业班级: 交通1001班 姓 名: 崔 美 莉 学 号: 100220108 指导教师： 李 晓 伟 12目录目录摘要1一、研究背景1二、研究目的和意义1三、研究内容2 3.1 相关概念23.2 建立评价体系模型33.2.1综合交通运输体系安全评价指标的建立33.2.2. 基于泛函评价模型的构建3（1）指标空间的标准化3（2）指标权重的确定4（3）评价模型的建立4（4）评价方法5 3.3 案例分析10 33.1 确定评价指标体系1033.2 确定指标层及准则层权重103.3.3 模糊综合评判10参考文献11致谢12基于层次分析法的综合交通运输体系安全评价崔美莉 （西安建筑科技大学 土木工程学院 交通1001 100220108）摘要道路交通安全直接影响和制约着交通运输业的发展，要提高道路的综合交通运输安全性能，减少交通事故的发生，首先应客观地对综合运输体系的交通安全性能作出评价。本文为构建综合交通运输体系安全评价模型，首先建立评价指标体系，并建立希尔伯特指标空间，运用泛函理论和层次分析法确定指标层和准则层的权重，再通过模糊综合评判法确定准则层和目标层的安全等级。通过该评价模型，可对不同城市或地区综合交通运输的安全状况做出评价。关键词：综合交通运输 安全评价 层次分析法 希尔伯特指标空间 一、研究背景：交通运输业是国民经济中一个重要的物质生产部门，被马克思称为除采掘业、农业、加工业以外的第四个物质生产领域。它对推动社会生产力的发展，促进物资和人员的流动，改善人民的生活及巩固国防均具有十分重要的作用。发展综合运输体系是当代运输发展的新趋势、新方向。当代运输的发展，出现了两大趋势：一是随着世界新技术革命的发展，交通运输广泛采用新技术，实现运输工具和运输设备的现代化，一是随着运输方式的多样化，运输过程的统一化，各种运输方式朝着分工、协作协调配合的方向发展，在世界范围内，把这两种趋势结合起来，成为当代运输业发展的新方向。在综合交通运输系统中，道路系统的安全直接影响和制约着运输业的发展。建立正确的评价体系，采取正确有效地评价方法，对于综合交通运输的发展意义重大。二、研究目的和意义：随着综合交通运输体系的发展，新技术、新设备的运用，安全问题不容忽视，为此对综合交通运输体系安全评价问题进行探索。通过对综合交通运输体系的安全评价，了解道路整体运行状况，对道路系统的改进和优化具有重要意义。发展综合运输体系是我国运输发展的新模式。发展综合运输体系可增强有效运输生产力，缓解交通运输紧张的状况。交通运输是一个大系统，各种运输方式、各条运输路线、各个运输环节如果出现不协调，都不能充分发挥有效的运输生产力。多年来，我国交通运输出现的不平衡状况，如有些线路压力过大，而有些线路运力得不到充分发挥；有些运输方式严重超负荷，而有些运输方式又不能充分发挥作用等，采取综合运输体系将有效地改变这一不协调、不平衡的现状。发展综合运输体系是提高运输经济效益的重要方法。按照各种运输方式的技术特点，建立合理的运输结构，可以使各种运输方式扬其所长、避其所短，既可扩大运输能力，又可提高经济效益。交通运输道路的安全是保证交通通畅，高速运行的基本条件。本文为构建综合交通运输体系安全评价模型，需首先建立评价指标体系，运用泛函理论和层次分析法确定指标层和准则层的权重，再通过模糊综合评判法确定准则层和目标层的安全等级。三、研究内容3.1 相关概念.综合交通运输体系：综合交通运输体系，是指适应于一个国家或地区的经济地理要求的各种运输方式协调发展、分工协作、优势互补，并采用现代先进技术在物理上和逻辑上实现一体化的交通运输系统的总称；综合交通运输体系主要包括公路运输、水路运输、航空运输、铁路运输和管道运输等5种，而综合运输体系不仅是简单的组合，更体现在各种交通方式的相互联系、相互协调，使客货运更简捷、方便。希尔伯特指标空间：在一个实向量空间或复向量空间H上的给定的内积 可以按照如下的方式导出一个范数（norm）：|x| = 开方。此空间称为是一个希尔伯特空间，如果其对于这个泛数来说是完备的。这里的完备性是指，任何一个柯西序列都收敛到此空间中的某个元素，即它们与某个元素的范数差的极限为0。任何一个希尔伯特空间都是巴拿赫空间，但是反之未必。任何有限维内积空间（如欧几里德空间及其上的点积）都是希尔伯特空间。但从实际应用角度来看，无穷维的希尔伯特空间更有价值。泛函分析：泛函分析是研究拓扑线性空间到拓扑线性空间之间满足各种拓扑和代数条件的映射的分支学科。它是20世纪30年代形成的。从变分法、微分方程、积分方程、函数论以及量子物理等的研究中发展起来的，它运用几何学、代数学的观点和方法研究分析学的课题，可看作无限维的分析学。层次分析法：层次分析法（Analytic Hierarchy Process简称AHP）是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。用AHP分析问题大体要经过以下五个步骤：第一步：建立层次结构模型；第二步：依据相对重要性构造判断矩阵；第三步：每一层次进行层次单排序；第四步：层次总排序；第五步：一致性检验。模糊综合评价法：模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评标方法。该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。模糊综合评价的基本原理：首先确定被评价对象的因素（指标）集合评价（等级）集；再分别确定各个因素的权重及它们的隶属度向量，获得模糊评判矩阵；最后把模糊评判矩阵与因素的权向量进行模糊运算并进行归一化，得到模糊综合评价结果。 3.2. 建立评价体系模型3.2.1综合交通运输体系安全评价指标的建立一个城市或地区的综合交通运输系统安全状况可以从投入、事故及影响3个指标衡量。(1) 投入指标包括:人力投入、财力投入及物力投入，其中：人力投入（A1）包括：综合交通运输职工的人数投入，安全管理人员的投入，专业作业人员的投入；财力投入(A2)包括：安全技术措施资金的投入，员工安全培训的资金投入，新建、改建、扩建项目中安全设备的资金投入，各种检测、检验设备的资金投入； 物力投入(A3)包括：安全设施设备的投入，消防设施的投入，劳保用品投入，道路线路长度，运输线路质量，航线条数，民用航班机场数量，主要运输工具(汽车、船舶、铁路机车车辆、民用飞机)数量，技术装备先进水平等。(2)事故指标包括：百万旅客伤亡率(B1)、百万吨货运伤亡率(B2)及财产损失率(B3)。(3)影响指标包括：经济影响、社会影响及环境影响。其中：经济影响(C1)指发生人员伤亡或货运事故后对经济的影响，包括：直接影响和间接影响，其影响是指程度；社会影响(C2)是指民众的心理及潜在精神上的影响；环境影响(C3)是指发生重大事故后对环境的污染程度。3.2.2.基于泛函评价模型的构建模型是在确定的评价指标的基础上建立起来的，并将指标体系空间化，即建立希尔伯特指标空间，通过权重计算将指标向量与安全指数向量相联系。（1）指标空间的标准化指标层包括准则层中投入、事故、影响3个因子共9项基本指标，考虑到希尔伯特空间具有良好的数乘性，则建立1个9维希尔伯特指标空间H9，其每一维对应l项评价指标。设i=(i1,i2,.i9,)是H9的一组标准正交基，指标向量z是原始指标在H9的分布，向量T是考虑各指标权重后的空间。则指标向量z可表示为Z=1i1+2i2+9i9,且存在映射(权重向量)使得T=Z=11i1+22i2+99i9；（2）指标权重的确定1）.准则层因子权重的确定3个因子的权重的确定方法为：将一个地区或城市的综合交通运输安全状况的判别归结为投入、事故、影响3个指标，准z则层因子的权重系统为ck。其计算式为：ck=j=14s=1nlkjsk=13j=14s=1nlkjs (3-1) 式中：k为指标类型，k取13，分别为投入指标、事故指标、影响指标，j为第k类指标下事故的级别数，j取l-4，分别对应特大事故、重大事故、大事故、一般事故；s为第k类指标下第j级事故的件数；lkjs为第k类指标下第j级事故中第s件事故的综合经济损失额(人员伤亡也折算成经济额)。2).指标层因子权重的确定(1)投入指标。投入越多越好，由于针对事故和影响指标为越小越好，wj/j=13wj为投入的指标层因子权重，为了使准则层具有可比性，本文在投入指标中运用用ck=1-wj/j=13wj为权重值，ck越小越好。(2)事故指标。人员伤亡事故或货运事故都可以折算成经济损失，用经济损失率来衡量事故指标比较合适。事故指标准则层的权重可由模糊评判方法予以确定，最终确定的指标层因子相对应准则层因子的权重为：n=ckpkj ,n=1,2,3.9；(3)影响指标。事故对城市或地区的经济影响、社会影响、环境影响一般不能用定量的方法进行衡量，本文采用层次分析法来确定指标因子的权重。（3）评价模型的建立建立的评价模型框图如下图1。建立评价指标体系层次分析法泛函理论确认指标层和准则层权重模糊综合评判法确认准则层安全等级确认目标层安全等级图1 评价模型框图(4）.评价方法1）层次分析法确定权重用AHP分析问题大体要经过以下五个步骤：第一步：建立层次结构模型；第二步：依据相对重要性构造判断矩阵；第三步：每一层次进行层次单排序；第四步：层次总排序；第五步：一致性检验；现分别叙述：建立层次结构模型运用AHP进行系统分析，首先要将所包含因素分组，每一组作为一个层次，按照最高层、若干中间层和最底层的形式排列起来，分组所考虑的主要问题是各因素之间的相互关系，其中包括隶属关系、包含关系、对应关系等，根据这些关系最后形成一个比较完整的体系，组成一个系统，作为进行下一步分析的依据。建立评价矩阵P=(uij)。任何系统分析都是以一定的信息为基础，AHP的信息基础主要是人们对每一层次各因素的相对重要性给出判断，这些判断用数值表示出来，写成矩阵形式就是判断矩阵。判断矩阵是AHP工作的出发点。构造判断矩阵是AHP的关键一步。判断矩阵表示针对上一层次某因素而言，本层次与之有关的各因素之间的相对重要性。假定A层中因素Ak以与下一层次中因素有B1,B2,B3. ,Bn有联系，则我们构造的判断矩阵如下表1所示： 表1 层次分析法判断矩阵AkB1 B2 BnB1B2Bnb11 b12 . . b1nb21 b22 . . b2n Bn1 bn2 bnn其中，bij是相对于Ak而言，Bi对Bj的相对重要性的数值表示，通常bij取1，3，5，7,9及他们的倒数，其含义为：bij=1,表示Bi和Bj一样重要：bij=3表示Bi比Bj重要一点(稍微重要)：bij=5表示Bi比Bj重要(明显重要)；bij=7表示Bi比Bj重要很多(强烈重要)：bij=9表示Bi比Bj极端重要(绝对重要)：它们之间的数2，4，6，8及倒数具有相应的类似意义。显然任何判断矩阵都应满足： bii=1 bij=1/bji(I,j=1,2,3.n) 因此对于n阶判断矩阵，我们仅需要对n(n-1)/2个矩阵元素给出数值。计算重要性排序。a. 计算判断矩阵每行元素的乘积Mi=j=1nuij(i,j=1,2,.n)；b.计算Wi=nMi；c.对向量Wi=(W1,W2,W3Wn)作归一化或正规化处理，即Wi=Wi/j=1nWi,则Wi=(W1,W2,W3Wn）T及为所求特征向量；d.计算判断矩阵的最大特征根 max=j=1n(PW)inWi e.一致性检验。权重的分配是否合理，尚需对判断矩阵进行一致性检验。使用AHP，判断矩阵一致性是十分重要的。所谓判断矩阵的一致性，即判断矩阵是否满足如下关系：aij=aikajki,j,k=1,2.n (3-2)上式完全成立时，则称判断矩阵具备完全一致性。此时的最大特征根max=n,其余特征根均为0。在一般情况下，可以证明判断矩阵的最大特征根为单根，且maxn当判断矩阵具有满意的一致性时，max稍大于矩阵阶数n，其余特征根接近于O。这时基于AHP得出的结论才基本合理。但由于客观事物的复杂性和人们认识上的多样性，要求所有判断都有完全的一致性是不可能的，但我们要求一定程度上的判断一致性，因此对构造的判断矩阵需要进行一致性检验。为了检验矩阵的一致性，需要计算它的一致性指标CI，定义： CI=max-nn-1 (3-3)显然，当判断矩阵具有完全一致性时，CI=O。max-n愈大，矩阵的一致性愈差，为了检验判断矩阵是否具有满意的一致性，需要将CI与平均随机一致性指标RI进行比较。对19阶矩阵，RI分别如表2所示。表2 l9阶矩阵的平均随机一致性指标阶数123456789RI0.000.000.580.901.121.241.321.411.45对于1、2阶判断矩阵，RI只是形式上的，按照我们对判断矩阵所下的定义，l阶、2阶判断矩阵总是完全一致的。当阶数大于2时，判断矩阵的一致性指标RI，与同阶平均随机一致性的指标RI之比称为判断矩阵的随机一致性比例，记为CR，当CR=CIRIO10时，判断矩阵具有满意的一致性，否则就需要对判断矩阵进行调整。2)模糊评判法确定安全等级模糊综合评价法的基本步骤如下：Step1 确定评价对象的因素论域 U=u1,u2.un 就是说有m个评价指标，表明我们对被评价对象从哪些方面来进行评判描述；Step2 定评确语等级论域 评语集是评价者对被评价对象可能做出的各种总的评价结果组成的集合，用V表示；V=v1,v2,vn；实际上就是对被评价对象变化区间的一划分。其中 vi代表第i个评价结果，n为总的评价结果数。具体等级可依据评价内容用适当的语言进行描述，Step3 进行单因素评价，建立模糊关系矩阵R 单独从一个因素出发进行评价，以确定评价对象对评价集合V的隶属程度， 称为单因素模糊评价。在构造了等级模糊子集后，就要逐个对被评价对象从每个因素ui（i=1，2.m）上进行量化，也就是确定从单因素来看被评价对象对各等级模糊子集的隶属度，进而得到模糊关系矩阵：R=r11r12r1nr21r22r2nrm1rm2rmn其中rij(i=1,2.m,j=1,2n)表示某个被评价对象从因素ui来看对vj 等级模糊子集的隶属度。一个被评价对象在某个因素ui方面的表现是通过模糊向量 ri=ri1，ri2rim来刻画的，ri称为单因素评价矩阵，可以看作是因素集U和评价集V之间的一种模糊关系，即影响因素与评价对象之间的“合理关系”。 在确定隶属关系时，通常是由专家或与评价问题相关的专业人员依据评判等级对评价对象进行打分，然后统计打分结果，然后可以根据绝对值减数法求得rij，即： 其中，c可以适当选取，使得 0rij1.Step4 确定评价因素的模糊权向量为了反映各因素的重要程度，对各因素U应分配给一个相应的权数 ai(i=1,2.m),通常要求ai满足ai0,ai=1，于是ai表示第i个因素的权重，再由各权重组成的一个模糊集合A就是权重集。 在进行模糊综合评价时，权重对最终的评价结果会产生很大的影响，不同的权重有时会得到完全不同的结论。权重选择的合适与否直接关系到模型的成败。确定权重的方法有以下几种： 1)层次分析法 ；2)Delphi法 ；3)加权平均法 ；4)专家估计法；Step5 多因素模糊评价 利用合适的合成算子将A与模糊关系矩阵R合成得到各被评价对象模糊综合评价结果向量B。R中不同的行反映了某个被评价对象从不同的单因素来看对各等级模糊子集的隶属程度。用模糊权向量A将不同的行进行综合就可以得到该被评价对象从总体上来看对各等级模糊子集的隶属程度，即模糊综合评价结果向量B。模糊综合评价的模型 为：B=A*R=(a1, a2an)r11r12r1nr21r22r2nrm1rm2rmn其中bj(j=1,2n),是由A与R的第j列运算得到的，表示被评级对象从整体上 看对vj等级模糊子集的隶属程度。Step6 对模糊综合评价结果进行分析 模糊综合评价的结果是被评价对象对各等级模糊子集的隶属度，它一般是一个模糊向量，而不是一个点值，因而他能提供的信息比其他方法更丰富。对多个评价对象比较并排序，就需要进一步处理，即计算每个评价对象的综合分值，按大小排序，按序择优。将综合评价结果B转换为综合分值，于是可依其大小进行排序，从而挑选出最优者。处理模糊综合评价向量常用的两种方法： 1)最大隶属度原则 若模糊综合评价结果向量B=(b1,b2,bn)中的 ,则被评价对象总体上来讲隶属于第r等级，即为最大隶属原则。2)加权平均原则 加权平均原则就是将等级看作一种相对位置，使其连续化。为了能定量处理，不妨用“1，2，3，m”以此表示各等级，并称其为各等级的秩。然后用B中对应分量将各等级的秩加权求和，从而得到被评价对象的相对位置，其表达方式如下： (3-4) 其中，k为待定系数（k=1或2）目的是控制较大的bi所引起的作用。当k时，加权平均原则就是为最大隶属原则。利用模糊评判法确定安全等级步骤如下：a.确定评价对象集、因素集和评语集。其对象集为O=O1,O2,On;因素集为U=U1,U2，U3，U4，U5；评语集为V=v1,v2,vn,城市的安全状况可以分为差、一般、好。b.建立评价因素的权分配矩阵。根据层次分析法计算得出的权重向量，第i个子集的m个因素的权重分配矩阵为：Ai=ai1，ai2aim ；c.评价指标的量化，建立评价矩阵。评价指标可以通过隶属度函数方法进行量化。任意因素的评价矩阵为：Rij=rij1，rij2rijm；d.模糊综合评价的数学模型。Bi=Ai*Ri=bi1，bi2bin；Bi是U1,U2，U3，U4，U5单因素评判矩阵。每个Ui作为U的一部分，反映U的某类属性，可按它们的重要程度给出权重分配矩阵。B=a1，a2ai即综合评价结果。按模糊数学中最大隶属度原则，取B中Vk=maxVj;3.3 实例分析 对某城市的综合交通运输系统进行安全状况的评价。33.1 确定评价指标体系 按照投入指标、事故指标及影响指标的内容建立安全评价指标体系。33.2 确定指标层及准则层权重。应用泛函理论及层次分析法对指标层确定权重(见表3)，按照评价过程和步骤，再运用模糊数学理论计算出准则层及目标层的安全等级。表2 某城市综合交通运输系统安全评价表目标层某城市综合交通运输安全状况（T）准则层底层指标代号指标层权重准则层权重投入指标(A)A1 A2 A30.44 0.35 0.210.54事故指标(B)B1 B2 B30.23 0.52 0.250.26影响指标(C)C1 C2 C30.32 0.36 0.360.203.3.3 模糊综合评判通过请城市规划、交通及安全专业的经验人士对其进行打分，结合隶属度函数可确定U1(投入指标)的评价矩阵R1。 设评价过程中安全状况分等级为：差、一般、好。A=(044，035，021) R1=0.40.30.30.30.10.20.30.50.6因此