基于熵权的TOPSIS法的京津沪城市绿色交通发展对比研究

刘维跃，曹溥晶，孔 震

（天津城建大学经济与管理学院，天津 300384）

引言

城市交通是城市的骨架，是增强城市经济活力，改善市民生活质量和完善城市功能的重要支撑。随着我国城镇化和机动化进程的加快，市民出行方式逐渐多样化，私人汽车保有量迅速增加，城市公共交通基础设施也逐步完善。但在城市发展进程中，也逐渐面临交通拥堵日益严重，空气和噪声污染逐渐加剧，资源能源逐渐短缺，交通事故频发等问题。由此，发展绿色交通是促进社会可持续性发展的必然选择[1]。习近平总书记指出，“十三五”是交通运输基础设施发展、服务水平提高和转型发展的黄金时期，要求加快形成安全、便捷、高效、绿色、经济的综合交通体系。这为打造绿色交通体系指明了方向。

绿色交通最早是1994年由克里斯·布拉德肖（Chris Bradshaw）以“绿色交通体系”（Green Transportation Hierarchy）的概念提出，最初对于绿色交通的理解仅限于交通出行方式方面。随着研究和实践的不断深入，绿色交通的理念也不断丰富和发展[2]。黄玖菊（2012）认为，绿色交通是在满足居民的交通需求、注重节约资源、维持社会公平和保护生态环境的条件下，建立促进城市可持续性发展的交通体系[3]。吴昊灵（2014）认为，绿色交通是以生态城市为目标，以公共交通的发展为主，结合机动车运行，同时非机动车为基础，各交通方式形成良好有序衔接的城市综合交通体系[4]。刘雪梅（2015）认为，是在可持续发展的基础上，优化城市居民多元化出行结构，使交通与社会、环境和资源协调发展，从而缓解目前的交通问题[5]。概括而言，绿色交通并不是仅局限在保护环境的概念里，它的本质是以绿色、安全、高效、便捷为目标，以城市公共交通发展为主体，进而实现缓解城市交通拥堵、减少城市环境污染、交通噪声污染、便捷居民出行方式，进而使城市交通可持续性发展。

目前，我国城市绿色交通发展还处于初级阶段，对于城市绿色交通发展的综合评价指标还没有形成可供参考的体系，构建城市绿色交通发展评价体系不能只从生态环境的角度去考量，它是一个城市交通是否可持续性综合发展的衡量。本文构建基于熵权法的TOPSIS模型的城市绿色交通发展评价指标体系，对国内部分城市绿色交通发展现状进行横向比较研究，从而掌握自身城市绿色交通发展的优势以及存在的问题。评价结果可以帮助政府制定下一步有效的交通发展规划、相关绿色交通政策措施的制定，为城市绿色交通发展提供研究思路。

一、城市绿色交通发展指标体系的构建

（一）指标体系的构建思路

城市绿色交通是未来城市交通的发展趋势，它具有可持续的特点，将城市各功能区，环境、居民和交通安全等良好融合[6]。目前国内已经有部分城市加入绿色交通发展试点，通过分析相关城市绿色交通的发展进程，可以清晰地了解各城市绿色交通发展的长短板，更有助于明确城市绿色交通发展的目标和重点，也有助于政府相关部门政策的制定。所以，建立一套客观、科学、实用性高的城市绿色交通发展评价指标体系去直观地对比城市间发展的差异是十分重要的。李理（2014）采用物元可拓评价法建立了城市交通绿色低碳发展评价指标体系，并进行了实证分析[7]；伍慧（2015）采用DPSIR模型分析了城市绿色低碳交通发展的影响因素，将指标分为驱动力层面、压力层面、状态层面、影响层面和响应层面五个部分，并建立城市绿色低碳交通发展的评价模型[8]；豆欢娣（2016）在分析城市发展现状的基础上，构建了基于BP神经网络的城市低碳交通评价模型，并分析西安市绿色交通的发展水平[9]。

借鉴相关学者的研究成果，本文认为城市绿色交通是一个综合而抽象理念，是未来城市交通发展的新趋势，如果单一去理解绿色交通的含义，有可能会顾此失彼。随着现代城市的快速发展，“绿色”应包含城市公共基础设施的完善、交通环境的优良、资源环境利用的适度、居民出行便捷、交通安全水平提高等多种内涵[10]。因此，城市绿色交通的评价不能仅仅局限在生态环境的评价上，应以保护生态环境为重点，综合考察城市绿色交通相关指标。

（二）指标体系的研究方法

在综合考量其他各类指标评价方法的基础上，本文结合熵权法与TOPSIS法进行城市绿色交通发展水平综合评价。

1.熵权法。熵权法是一种对指标客观赋值的方法，在社会经济、工程技术等领域有广泛的应用。在进行城市绿色交通发展水平综合评价时，第一步就是要确定评价体系各指标的权重[11]。为避免对指标权重的赋值的主观性，本文采用熵权法计算各指标权重。“熵”是系统无序程度的一种度量，熵值越大，说明指标值得变异程度越小，信息量就越小，所以在综合评价的效用就越小，其权重也越小；反之亦然。

2.TOPSIS法。TOPSIS法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution），即“逼近理想解的排序方法”，这种方法能对多指标情况下的各方案进行客观的决策分析，是公认的综合评价方法[12]。TOPSIS的基本原理是计算评价方案与最优解、最劣解的欧氏距离，从而来进行排序，若评价方案最靠近最优解但又同时离最劣解最远，即为最好；反之亦然。

本文在采用TOPSIS法进行比较分析之前，先用熵权法去确定各指标值的客观权重。假设选取n个指标，被评价的对象有m个，那么将第i个被评价对象在第j个评价指标的原始值记为vij（其中i=1，2，…，m；j=1，2，…，n），初始矩阵为Vij=（vij）m×n。基于熵权法的TOPSIS模型的具体步骤如下：

（1）初始矩阵的标准化处理。为了消除各指标不同的极性和量纲对评价结果的影响，第一步就是要对原始数据进行无量纲化处理。另外，各评价指标一般分为两类，即效益型指标和成本型指标。效益型指标即指标值越大越好，成本型指标则为越小越好。所以在标准化处理时，应加以区分处理，效益型指标和成本型指标分别采用式（1）、式（2）进行标准化处理，即可得到规范化矩阵X=（xij）m×n。

效益型指标的标准化处理公式：

成本型指标的标准化处理公式：

（2）计算各指标的熵值ej：

其中，定义当fij=0时，fijlnfij=0。

（3）根据步骤（2）的计算结果，计算各指标的熵权值wj：

（4）计算得到加权规范化决策矩阵：

（5）确定正理想解、负理想解：

（6）计算欧氏距离。分别计算各评价指标标注化向量到最优解和最劣解的欧式距离和：

（7）计算各评价对象与理想解的相对贴近度Ci：

若按照公式计算后，Ci值越大，说明该评价对象与理想解的贴合度越高；反之亦然。

（三）指标体系的建立

按照上述逻辑思路，依据评价指标体系构建的科学性、可操作性、系统性、实用性和可比性等原则，构建城市绿色交通发展水平评价指标体系。城市绿色交通是一个综合而直观的概念，城市绿色交通评价指标体系应包括一般性指标体系所具有的共同点，也要有其自身发展所具有的特征。张子佳（2015）在对中小城市绿色交通进行评价时，将评价子系统分为六大要素层：交通基础设施、交通管理水平、交通出行者、环境与资源、交通运输方式、经济与社会[13]。豆欢娣（2016）在分析城市发展现状的基础上，将指标体系分为五个准则层，即低碳交通体系建设、低碳交通基础设施层、城市交通碳排放强度层、低碳交通运输工具层、智能交通与信息化层五个层次[9]。基于此，本文将城市绿色交通发展的评价指标体系分为城市交通基础设施、城市交通生态环境、城市交通居民出行、城市交通安全这四个子系统。通过设置城市公共交通基础设施子系统是城市绿色交通发展评价的的基础，能反映城市交通公共基础设施的建设完善程度；良好生态环境是城市绿色交通发展的重点，城市交通生态环境子系统能良好地反映城市交通对城市生态环境影响程度和可持续性的特征；与其他指标相比，城市交通居民出行和城市交通安全两个子系统分别从居民日常出行是否高效、便捷和出行安全程度来进行评价，反映了城市绿色交通的发展以人为本的特征。下页表1为城市绿色交通发展水平评价指标体系的构成。

表1 城市绿色交通发展水平评价指标体系

二、对京津沪的城市绿色交通发展评价研究

（一）数据来源

本文的所有数据均来源于《中国统计年鉴2016》《中国交通年鉴2016》《中国城市统计年鉴2016》《中国环境年鉴（2016）》，以及高德地图官方发布的《2015年度中国主要城市交通分析报告》等，最终汇总的京津沪城市各指标原始数据（如下页表2所示）。

表2 京津沪三个城市的指标原始数据

（二）数据处理与计算

1.熵值和熵权值。利用式（1）和式（2）对原始数据进行标准化，从而消除指标正负极性的影响和无量纲化，然后再采用式（3）、式（4）、式（5）来计算各指标的熵值 ej和熵权值 wj，其结果（如下页表3所示）。

2.正理想解和负理想解的确定。利用式（6）构造加权规范化矩阵，再在加权规范化矩阵中选取各指标的最大值和最小 值，即分别为正理想解和负理想解，其结果（如表4所示）。

表4 各指标的正理想解、负理想解

3.计算各城市与最优解的相对贴近度Cj。在上一步的基础上，根据式（7）和式（8）计算得到各城市的最优解和最劣解，再根据式（9）和式（10）计算得到各指标到正理想解和负理想解的欧式距离，即最优解和最劣解。最后采用式（11）计算出京津沪与最优解的相对贴近度Ci={0.5574，0.4715，0.4355}，Ci值越大，表明评价城市绿色交通越优，反之亦然。由此可以得出，根据本文构建的城市绿色交通发展水平评价指标体系，京津沪三个城市中北京在城市绿色交通发展方面具有较好的优势。同理，继续利用式（7）至式（11），计算各指标子系统与最优解的相对贴近度（如下页表5所示）。

表5 指标体系各子系统与最优解的相对贴近度及综合评价结果

三、结果分析

（一）基于各评价指标熵权重结果的分析

熵权值并不是指各指标实际的重要性系数，它是一个相对的系数。从表中的结果可以看出，根据指标权重排名，在前五的指标分别依次为：机动车烟（粉）尘排放总量p23、城市绿化覆盖率p21、城市道路交通噪声等效声级p26、人均城市道路面积p36、每万人拥有公共交通车辆p35，这五个评价指标的熵权重总和为0.292，在整体指标体系的比例接近30%，京津沪3个城市在这5个指标上的熵权值有较大差异。指标权重排名后5名的指标依次分别为道路面积p11、私人汽车拥有量p32、城市轨道交通客运量p34、轨道交通运营线路总长度p17、道路长度p13，这5个指标的熵权重和为0.187，在整体指标体系的占比接近20%，3个城市在这后5个指标上的熵权重值较为平均。从而可以看出，p23、p21、p26、p36、p35这 5 个指标在评价系统里的重要性是可靠的。

绿色交通的本质是可持续性发展，节约资源、保护环境是其重要的表现形式，也是发展的结果。机动车烟（粉）尘排放总量和城市道路交通噪声等效声级这两个指标，是从交通工具即城市交通主要污染的源头来衡量，能直观反映城市机动车污染程度和城市道路交通的声污染情况，这也体现了城市绿色交通在环境保护方面的重要特征；城市交通道路是城市的脉络，自然与城市的绿化无法分割，不能脱离区分，所以城市绿化覆盖率也在一定程度上反映了城市交通的绿化覆盖率；人均城市道路面积p36和每万人拥有公共交通车辆p35是从城市居民出行便捷的角度去考虑，城市绿色交通应大力推行公共交通发展，保障人均城市道路面积，不仅有助于缓解交通拥堵，也有利于节约资源保护环境。所以，机动车烟（粉）尘排放总量p23、城市绿化覆盖率p21、城市道路交通噪声等效声级p26、人均城市道路面积p36、每万人拥有公共交通车辆p35是城市绿色交通核心价值的体现，也是城市交通可持续性发展的内驱力。

（二）基于TOPSIS综合评价法的结果分析

从各城市的综合相对贴近度来看，城市绿色交通发展水平评价最高的是北京，评价值是0.5574，其次是上海、天津。三个城市的发展水平均值为0.4881，从图1可以看出这三个城市的绿色交通发展水平整体上并不是很高，说明整体而言，城市绿色交通的发展需要从各个层面着手发展，找出自己的薄弱之处，提高城市绿色交通的综合实力。

图1 京津沪综合评价对比

从图2城市绿色交通基础设施P1的评价结果中可以发现，北京最优，上海仅次，评价值均高于0.55，而天津略有差距且评价值小于0.4，但三个城市整体水平并不高。一方面说明京津沪城市交通基础设施仍有待建设发展，另一方面也要注意已投入的基础设施的利用程度，避免过度投入导致资源浪费。同时，对于天津而言更应利用好自己的地理位置优势，抓住京津冀协同发展的契机和天津滨海新区发展的优势，通过经济发展来增加城市绿色交通基础设施的建设水平，为城市绿色交通发展奠定良好的基础。

图2 京津沪基于P1层的评价结果

图3 京津沪基于P2层的评价结果

从图3城市绿色交通生态环境P2的评价结果中可以发现，北京最高，而上海、天津基本持平，表明上海、天津在这方面处于一般水平，仍有发展空间。生态环境是人类赖以生存的重要资源，大气污染、噪声污染严重影响着城市的可持续性发展。绿色交通生态环境的管理应从污染的源头开始抓起，同时注重道路周边绿化工作，结合自身城市特点，学习其他城市在城市交通环境治理方面的先进经验，加强城市绿色交通生态环境建设。

图4 京津沪基于P3层的评价结果

图5 京津沪基于P4层的评价结果

从图4城市绿色交通居民出行P3的评价结果中可以看出，北京、天津的评价值都高于均值，而上海则位于均值以下，因此可以看出北京、天津在居民出行方面占有优势。结合表4分析，人均城市道路面积和每万人拥有公共交通车辆的权重较高。由此可知，京津在道路建设和公共交通发展上占有优势。

从图5城市绿色交通安全P4的评价结果中可以看出，三个城市的差距较大，上海要高于天津、北京。由上可知上海对城市交通安全整治是有较好效果的，该维度包括交通事故发生数总计和交通事故死亡人数，上海2015年交通事故发生次数远低于北京、上海的次数，天津交通事故发生数总计最高，但在交通事故死亡人数上北京率高于上海、天津。

结语

本文结合熵权法和TOPSIS综合评价法构建城市绿色交通发展评价指标体系，并由此计算出各指标子系统、各城市与理想解的差距大小和相对贴进度。最后，本文以京津沪三大城市为例进行实证研究，已验证评价模型有一定的合理性。实证结果表明，京津沪的城市绿色交通发展水平与机动车烟（粉）尘排放总量、城市绿化覆盖率、交通噪声等效声级、人均城市道路面积、每万人拥有公共车辆等指标有较强的相关性，在采用该模型对各城市绿色交通发展水平评价时要综合考虑这些因素，来提高不同城市之间的可比性，从而有助于各城市有针对性地认识自身交通发展现状，借鉴参考其他城市发展的经验教训，提高城市绿色交通发展水平的有效途径，找准未来发展方向。

因此，在资源日益短缺、环境逐渐恶化的情况下，发展城市绿色交通是城市交通可持续性发展的必然要求。一是要积极推行城市交通工具节能环保和城市环境绿化的政策措施，推广新能源汽车的普及；二是要积极推行公共交通优先发展，提高公共交通的可达性，改善公共服务质量和环境；三是要推行绿色交通统计监测体系的建设，逐渐完善绿色交通的监测数据，从而更好地为城市绿色交通建设发展提供参考。