长株潭城际铁路在区域综合运输通道中的替代性评价

宋 茜

湖南铁道职业技术学院,湖南 株洲 412001

0 引言

随着经济全球化和区域一体化,城市的发展不再局限于单个城市,逐渐形成了以中心城市为核心的城市群空间单元。区域综合运输通道指城市群、经济区内,为区域内稳定、大量、高频、同向的客货运输需求提供运输服务的系统[1],而由城市群内部经济纽带所构成的城市间客运交通需求逐渐凸显出来,但常规的交通运输方式又难以承载此类交通需求,因此,规划建设城际铁路已成为经济发展的迫切需要。

城际铁路主要适用于短途且沿线都是人口密集的城市,城际铁路的发展必然对区域综合运输通道中的其他运输方式产生一定冲击,或具有一定的替代性。这种替代性强弱如何,如何评价替代性是目前需要深入研究的问题。

1 研究区域概况

1.1 长株潭城市群运输通道概述

2007年湖南省“3+5”城市群发展战略措施布局以长沙、株洲和湘潭3市为中心,以辐射1.5 h车距为半径,涵盖常德、岳阳、益阳、娄底、衡阳5个市[2]。2015年《长江中游城市群发展规划》实施后,“交通同网”被列为湖南省长株潭城市一体化“五同”的重要内容之一,城际铁路应时而生。 长株潭城市群客运通道位于长株潭城市群内,一端连接省会长沙,另一端连接株潭2市,运输方式以高速公路、普通公路、轨道交通运输为主。

1.2 长株潭城际铁路发展概况

长株潭城际铁路全长104.36 km,全线共设24个站点,于2016年12月26日开通运营,其中城际株洲站于2021年1月28日改造完成开始营业;长沙西至长沙西站为西延段,于2017年12月26日建成通车。长株潭城际铁路最高设计速度200 km/h,运行速度160 km/h。运营初期使用5组动车组共开行C字头动车组列车29对,2021年5月,动车组列车开行增至100.5对,正式开启“公交化”运营探索模式。截至2021年底开行S字头动车组列车112.5对。

2 城际铁路在区域综合运输通道中替代性评价指标体系构建

2.1 构建指标体系的流程

建立合理的评价指标体系是开展评价的基础与前提。本文按图1所示流程构建城际铁路在综合运输通道中的替代性评价指标体系。

图1 构建指标体系流程

2.2 评价指标体系确定与指标内涵分析

由城际铁路的功能定位分析,得到其在综合运输通道中的替代性评价指标,包括定量指标和定性指标,分为一级指标层和二级指标层。其中,一级指标层包含社会效益指标、技术指标以及可持续发展指标,3个一级指标可进一步划分为9个二级指标(见表1)。

表1 城际铁路在区域综合运输通道中的替代性评价指标体系

2.2.1 定量指标的内涵

本文中设置的定量指标包括快速性、经济性、安全性及占用土地。

1)快速性(C1)。从旅客的角度分析,时间的消耗是最终衡量快速性的指标。

2)经济性(C2)。各种运输方式的费用是乘客做出选择的关键因素。严格地说,经济性费用属性值包括出行过程中“门到门”的所有费用,但考虑到换乘费用所占比例较小,本文直接选取票价或者燃油费作为反映经济性的计算费用。

3)安全性(C3)。安全性是旅客出行的必要条件,因此也是旅客选择交通方式的重要因素。关于安全性属性值的量化,采用各运输方式事故死亡率即每10亿名旅客里程数的死亡人数来表示。城际铁路、既有铁路、公路客运和私家车分别为0.1、0.1、0.2和2.6人。

4)占用土地(C7)。根据有关资料显示,不同运输方式占用土地面积不同。城际铁路、既有铁路和公路分别占地40、25和32亩/km(1亩≈666.7 m2)。

2.2.2 定性指标的内涵

1)舒适性(C4)。舒适性是现代旅客对服务特性的追求之一,包括列车平稳性、座椅舒适性、在列车上行动的方便性、工作人员的服务态度等。

2)通达性(C5)。通达性主要表现在乘坐某种交通工具的地点与出行起讫点距离近。私家车轻便快捷,乘客使用时有很大的自主性;而城际铁路与既有铁路只能在固定地点乘坐,无法实现门到门运输,通达性较差。

3)准时性(C6)。随着经济的发展与国民收入的提高,旅客的时间观念越来越强,旅客愿意选择准时性高的交通方式,以减小时间损失。

4)环境保护(C8)。据有关资料统计,由交通运输产生的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等有害气体,是全球大气污染主要源头。由于运载能力的差异,相同运量下,不同运输方式造成的污染会有差异,其中私家车造成的污染最大。

5)发展潜力(C9)。发展潜力是衡量某运输方式在未来发展中前景是否宽广的重要指标之一。

3 城际铁路在区域综合运输通道中的替代性评价方法

3.1 常用评价方法

目前,用于对象评价的评价方法众多,各种评价方法具有不同的优缺点[3],常用评价方法的比较见表2。

表2 常用评价方法比较

3.2 离散突变-模糊物元评价法

本文的研究目的是获取城际铁路对区域综合运输通道中的其他运输方式的替代性程度,并对通道内的各种运输方式进行对比。由于所选取的指标信息具有一定模糊性,本文采取了模糊物元评价模型对原始数据进行量化处理[4]。本文采用离散系数法计算权重。由于每个指标的均方差能够反映这个指标的离散程度,从而可根据均方差大小确定这个指标的权重。另外,由于权重的大小差异可能会使评价指标突变也存在不同程度的差异,因此引入突变理论处理这种突发情况,以提高传统模糊物元法的准确性。

3.3 离散突变-模糊物元评价法的理论基础

3.3.1 模糊物元的数据处理

1)模糊物元概念。对于某一特定的事物M,它自身属性的特征C有量值x衡量,因此可用R=(M,C,x)来描述这个事物,这样的三元组叫物元。若量值x具有模糊性,则称物元R是模糊物元。以Rmn表示m个事物的n维复合模糊物元,见表3。

表3 复合模糊物元Rmn

2)从优隶属度准则。从优隶属度是指单项指标值从属于最优方案中对应指标值的隶属程度,从优隶属度通常为正值。为了能够将不同量纲的数值进行比较,要对评价指标原始值进行无量纲化处理。

Uij=(xij-minxij)/(maxxij-minxij),i=1,2,…,m,j为越大越好的指标。

Uij=(maxxij-xij)/(maxxij-minxij),i=1,2,…,n,j为越小越好的指标。

式中:maxxij和minxij分别为各事物第j项指标中所有量值xij中最大值和最小值。对各项数据进行无量纲化处理,就可得到新的数据记为Uij,则可构建从优隶属度模糊物元Rij’,如表4所示。

表4 从优隶属度模糊物元Rij’

3)标准模糊物元以及差平方复合模糊物元。求出标准模糊物元以及复合模糊物元中各项差的平方,则组成差平方复合模糊物元R*。其中标准模糊物元各项值为1,如表5所示。

表5 差平方复合模糊物元R*

3.3.2 基于离散系数的权重计算

离散系数反映的是指标在被评价对象上数据值的离散程度,进而根据离散程度来确定该项指标的权重。若被评价指标数据值离散程度较大,说明该项指标能够较好地区分各方案在该方面的情况,所以要赋予较大权数;反之,则应该赋予较小权数。具体计算方法见式(1)～(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

3.3.3 基于突变理论的模型优化

本文采用离散系数确定各项指标的权重后,进一步运用突变理论对量化结果进行修正。各个指标权重之间有所差异,说明其受外界因素影响发生突变的可能性也有所差异。指标权重越大,说明其在评价体系中所占比重越大,受重视程度越高,其发生突变的可能性越小;反之,权重越小,受重视程度越低,其发生突变可能性也相对较大。因此,本文引入突变理论将这种突变可能性反映出来,以提高评价结果的准确性。

1)突变类型。突变系统一共有7种类型,最常见的类型是燕尾突变。燕尾突变系统模型见式(5)。

(5)

式中:f(x)表示的是系统的一个状态变量x的势函数;a,b,c,d是状态变量x的系数,其反映的是该状态变量的控制变量。

2)分歧方程导出归一公式。燕尾突变系统分解形式分歧点集方程见式(6)。

a=-6x2,b=8x3,c=-3x4

(6)

导出的归一公式见式(7)。

(7)

式中:xa表示对应a的x值,xb表示对应b的x值;xc表示对应c的x值。

3.3.4 贴近度和综合评价

贴近度反映的是被评价方案与标准间的接近程度。贴进度值越大表示两者之间越接近。本文采用欧式距离法计算并建立贴近度复合模糊物元,根据计算出的各运输方式各项评价指标的欧式贴近度对各运输方式进行优劣排序评价,具体计算见式(8)。

(8)

式中:ρHi表示第i种运输方式的贴近度;di表示突变后的隶属度。

4 长株潭城际铁路在区域综合运输通道中的替代性评价及结果分析

4.1 评价指标计算

结合长株潭区域综合运输通道的情况,将城际铁路,既有铁路,公路客运,私家车分别设定为M1、M2、M3、M4。针对各定量评价指标,根据指标内涵中的计算公式以及实际调查,可得到定量指标评价结果如表6所示。

表6 定量指标值

其中,定量指标快速性(C1)、经济性(C2)采用株洲火车站-长沙火车站之间不同交通方式的运行时间、票价或油费来定义。城际铁路的快速性(C1)综合铁路12306软件上显示的S7924次(56 min),S7926次(56 min)等车次的运营时刻确定为56 min,经济性(C2)为相应车次的票价(20元);既有铁路的经济性(C1)综合K1348(39 min)、K9234(39 min)、Z230(39 min)等车次的运营时刻确定为39 min,经济性(C2)为相应车次的票价(11元);公路客运快速性(C1)采用实际调查的长株潭专线快巴的常规运行时间确定为80 min,经济性(C2)为相应票价(23元);私家车的快速性(C1)根据高德地图非拥堵时、避开高速的通用运行时间确定为74 min,票价根据地图推荐旅程54 km,近半年株洲地区油价平均值7.59元/L以及紧凑型小汽车平均百公里油耗7.54 L确定为31元。

结合各项定性指标的分析,本文采用调查方法对各运输方式的上述定性指标进行了评分。选择各种交通方式的主体是人,而人们对于各种定性指标的选择具有一定主观性,但大量意见的反馈能得出普遍接近准确的数据,因此,定性指标采取调查法获得。调查对象是乘客,以长沙和株洲为起讫点的私人小汽车拥有者,调查地点为火车站、长途客运站,调查对象对各种运输方式的各项指标进行打分。评分标准如表7所示,评价结果如表8所示。

表7 定性指标评分标准

表8 定性指标评分值

4.2 评价指标的数据处理

1)建立复合模糊物元。根据各项评价指标的原始数据,建立复合模糊物元Rmn如表9所示。

表9 复合模糊物元Rmn量值

2)建立从优隶属度复合模糊物元。对体系内的指标按越大越好以及越小越好进行分类,则根据从优隶属度准则,对数据进行无量纲化处理,可得到从优隶属度复合物元Rmn’如表10所示。

表10 从优隶属度复合物元Rmn’

3)计算差平方复合模糊物元。如果按照无量纲化的处理标准模糊物元,则其各指标的从优隶属度均为1,计算标准模糊物元与从优隶属度复合模糊物元各项指标项差的平方,得到差平方复合模糊物元R*如表11所示。

表11 差平方复合模糊物元R*

4.3 权重计算

利用离散系数法的公式计算权重,有关参数的计算结果如表12所示。

表12 有关权重的参数计算

续表

在计算各个指标整体权重的基础上,可继续计算二级指标层的局部权重,如表13所示。

表13 局部权重的计算

4.4 突变优化

由评价指标体系结构和突变理论,可以进一步优化处理。下面以城际铁路(M1)这种运输方式为例,具体操作如下。

1)二级指标的优化。社会效益指标B1之下的3个二级指标C4、C2、C3构成燕尾突变,3个二级指标的局部权重中,w(C3)>w(C2)>w(C4),即在指标重要性上的排列为C3、C2、C4,与此对应的燕尾突变后的隶属度为X=[xC3,xC2,xC4]。因此:

XB1=[xC3,xC2,xC4][jwC3,jwC2,jwC4]=[01/2,0.202 51/3,0.001 61/4][0.706 2,0.166 8,0.126 9]=0.123 3

(9)

经济指标B2之下的3个二级指标C1、C5、C6构成了燕尾突变,3个二级指标的局部权重中,w(C6)>w(C1)>w(C5),即在指标重要性的排列上为C6、C1、C5,与此相对应的燕尾突变后的隶属度X=[xC6,xC1,xC5]。因此:

XB2=[xC6,xC1,xC5][jwC6,jwC1,jwC5]=[0.001 61/2,0.168 11/3,0.041/4][0.479 4,0.415 1,0.105 6]=0.295 5

(10)

可持续发展指标B3之下的3个二级指标C7、C8、C9构成燕尾突变,3个二级指标的局部权重中,w(C9)>w(C8)>w(C7),即在指标重要性的排列上为C9、C8、C7,与此相对应的燕尾突变后的隶属度X=[xC9,xC8,xC7]。因此:

XB3=[xC9,xC8,xC7] [jwC9,jwC8,jwC7]=[01/2,01/3,11/4][0.410 5,0.354 8,0.234 6]=0.234 6

(11)

综上,M1这种运输方式一级指标突变后的隶属度值为:

XB=[xB1,xB2,xB3]=[0.123 3,0.295 5,0.234 6]

(12)

2)一级指标的优化。由上文可知一级指标下属二级指标权重累加可计算出一级指标的权重如下:

WB=[wB1,wB2,wB3]=[0.604,0.186,0.21]

(13)

2个一级指标构成尖点突变,而从权重可看出wB1>wB3>wB2,即在指标重要性上的排列顺序是B1、B3、B2。与此对应的尖点突变隶属度XB=[xB1,xB3,xB2]。

d1=[xB1,xB3,xB2][wB1,wB3,wB2]=[0.123 31/2,0.295 51/3,0.234 61/4][0.604,0.186,0.21]=0.482 1

(14)

即M1(城际铁路)的突变隶属度为0.482 1。

3)贴近度计算。同理,可求出其他4种运输方式的突变隶属度,并求出它们的贴近度,如表14所示。

表14 各运输方式突变后隶属度及贴近度

5 结论

本文建立了离散突变-模糊物元模型,对城际铁路在综合运输通道中的替代性评价指标进行分析和计算,得到以下结论。

1)对各项评价指标的整体权重分析可知,社会效益指标、技术指标和可持续发展指标的权重分别为0.604、0.186和0.21,社会效益指标权重最大,即在长株潭城市群综合客运通道的构建中应该对运输的舒适性、经济性、安全性给予更多的关注与考虑。

2)在对原始数据进行处理的过程中,由从优隶属度的计算可知:城际铁路在安全性、环境保护、发展潜力方面占据明显优势,环境污染小,发展潜力大,在舒适性和准时性方面也有一定优势。

3)运用突变理论的相关方法对原始数据进行优化,可得到以下结论。社会效益指标中,舒适性、经济性和安全性的局部权重分别为0.126 9、0.166 8和0.706 2,则说明人们十分关注运输方式的安全性,其发生突变的可能性较低。技术指标中,快速性、通达性和准时性的局部权重为0.415 1,0.105 6,0.479 4,则说明人们较关注运输方式的准时性,其发生突变的可能性较小。可持续发展指标中,占用土地、环境保护和发展潜力的局部权重分别为0.234 6、0.354 8和0.410 5,则说明人们较关注运输方式的发展潜力,其发生突变的可能性较低。

最终得到城际铁路、既有铁路、公路客运和私家汽车4种交通方式的贴近度分别为0.305 7、0.274 5、0.203 4和0.028 5,反映出城际铁路在4种交通方式中综合评分得分最高,表明城际铁路在长株潭城市群客运通道中对其他运输方式具有较强的替代性。

从整个计算过程和计算结果可知,城际铁路在长株潭城市群客运通道具有较强的替代性,且在安全性、环境保护和发展潜力等方面占据优势。