基于组合权重的城市轨道交通项目效益评价

林新宇,毕凤阳,刘长喜,王晓宏,姜 旭

(1.黑龙江工程学院 学术理论研究部,哈尔滨 150050;2.黑龙江工程学院 机电工程学院,哈尔滨 150050;3.黑龙江工程学院 工程训练中心,哈尔滨 150050)

由于城市轨道交通具有投资大、建设周期长、投资回收久的特点,建设费用通常高达7～8亿·km-1。因此,在城市轨道交通项目建设前期(即规划阶段)或者可行性研究阶段对项目进行详细、准确的效益分析,可以确保资金投入效益最大化。

对于城市轨道交通的效益分析国内外目前已有许多研究。Jing[1]利用条件价值评估法(CVM)对上海城市轨道交通的社会效益进行了评价,结果表明CVM克服了传统市场价值评估法的不足,为评价城市轨道交通的社会效益提供了一种新方法。Zhang等[2]从经营者、公众和政府三个利益相关者的角度探讨了公共交通服务的综合效益,通过检测中国36个中心城市,开发了一套能够量化服务效应、生产效率和环境效应的综合效益评价工具,并进行了检验。Jiang等[3]提出了一种基于松弛度量(SBM)的数据包络分析方法(DEA)用以评价2015—2017年交通运输业的环境和经济绩效,结果表明模型可以确定低效决策单元,并最终对低效领域提出改进建议。Henke等[4]在综合运用成本效益分析(CBA) 和多准则分析(MCA) 以及利益相关者参与的基础上,提出一个可持续的运输部门投资评估流程, 研究结果表明,评价分析(CBA 和 MCA)的应用允许从可持续、技术和共享的角度选择最合理的方案。Khamuradov[5]从交通部门投资政策的角度进行研究,揭示政策吸引投资和提高投资吸引力的相关性和重要性的同时,通过分析吸引区内固定资本投资的情况,提出了完善该地区投资政策的建议。Pekka等[6]探讨了商业模式、价值链和商业生态系统之间的关系并建立了涉及深入吸收新技术、与运输相关服务的新信息密集型运输系统服务元模型经济评价办法,为交通系统经济评价提供了新思路。Liu等[7]从价值工程的角度出发,引入社会效益量化,提出新的轨道交通量化评估体系,为相关政策制定提供宝贵参考。Wang等[8]在对多利益相关者评价应用场景和评价方法进行比较的基础上,采用了最佳最差方法和大规模群体评价技术,建立了一个量化模型,用以评估城市轨道交通公私营伙伴关系项目的运作表现。Yin等[9]采用结构方程建模的方法探讨地铁与生活满意度之间的关系,结果表明,站区规划和设计需要与地铁部署协调,以最大限度地提高地铁的福祉效益。Tu等[10]从建立地铁媒体服务体系的角度,研究了旅客出行目的与广告位置的对应关系, 运用新的交互设计方法实施地铁广告策略,提高地铁广告的经济效益和社会影响。Tian等[11]以地铁开通带来的房地产价格溢价为研究对象,探讨房地产价值效应的时间动力学和非均质机制,估算地铁对房地产价值的影响,有助于更好地评估公共交通投资的效益。Peng[12]从工程监管方面,研究了项目管理过程对实现预期的经济效益和社会效益的影响。Benardos等[13]运用成本-收益分析法评估项目决策过程中提供支撑的对象,通过比较事前和事后评估的结果,确定了主要的区别因素、相似之处和不足之处,特别是在发展的成本方面以及对效益的准确评估和估价方面,对整个过程的认识比最初认为的更符合社会需要。 Jing等[14]研究了城市轨道交通项目建设的时间序列和线路的网络效应,基于复杂网络理论,构建了城市轨道交通建设时间序列的评价指标,优化了建设资源分配,使得线网效益达到最大化。王博格[15]在进行轨道交通对土地价值的研究时,构建了价值增益的城市模型,研究了土地价值的影响因素,降低了城市轨道交通的投入成本,增加了回报收入。聂思[16]分析了城市轨道交通对沿线土地、站内空间的影响以及轨道交通自身的空间特性,得出城市轨道交通对资源空间具有增值效益,对周边商圈具有经济辐射效应。姜韡等[17]主要对城市轨道交通项目的社会效益和环境效益进行了分析,细分社会效益和环境效益项目,研究了各效益项目的货币化计算方法,得出轨道交通项目总体造价比城市地面交通项目造价低的结论。陈嫚嫚等[18]在城市轨道交通项目社会效益的研究中利用了福利经济学理论与可持续发展理论,将社会效益分成了社会福利、社会环境、社会经济和自然环境4项,并分析了各个项目子指标,建立了城市轨道交通项目的社会效益评价指标计量模型。姚敏峰等[19]重点研究了城市轨道交通车站的核心区设计,在分析成本效益的基础上,探讨建立城市轨道交通车站对核心区带来的经济效益、车站和城市的衔接方式和环境量化影响,在成本效益分析的基础上,创建了市郊城市轨道交通核心区的城市设计评价模型。刘兴全等[20]研究了成都城市轨道交通运营为社会经济带来的影响,分别从改变城市、改变成都经济格局、改变民众生活、改变成都交通方式入手,总结了成都城市轨道交通运营的问题以及改进方法。杨二杰[21]通过定性分析的方式对成都城市轨道交通进行分析,证明了城市轨道交通才是城市交通科学发展的选择。张朋杰[22]在研究城市轨道交通线网效益评价方法时分别从投入和产出两个角度进行分析,并基于项目属性、效益的特点、产生与作用机理,通过DEA法对城市轨道交通项目产生的效益进行评估,从而提高资源利用率。

如今评价方法已经有很多种,主要分为主观赋权法和客观赋权法两类。主观权重法主要依靠决策者的经验和偏好,主观对各个指标的时序强度进行判断并排序,即可获取评价体系内所有指标的权重矩阵。主观赋权具有操作简单,人为主观性强、可提前规避因数据突变所引起的结果震荡等特点。但也因为其主观性的原因,在面对不同规模、类型的评价模型时常常会缺乏科学依据,导致输出结果随意性过大。目前常用的主观赋权方法包括:二项系数法、专家打分法、层次分析法等[23-24]。客观赋权法是基于一定数学模型理论,权重强度完全取决于数据信息,此原则保证了方法的绝对客观性。但此类方法应用需要大量数据集支撑,当指标数据量较小时,常常会因个别数据的突变影响全局权重分布,从而与实际情况相悖。同时在使用客观法赋权时,因为方法的全数据主导特性,往往都将其建立在其他数学模型上,以达到各领域的通用性[25]。近年来主流的客观赋权法包括熵值法、变异系数法和利用机器学习算法赋权等。

综上所述,城市轨道交通效益评价多是对某一方面或某一要素研究,缺乏多角度综合性衡量。并且城市轨道交通效益研究多是对既有线路的总结,缺乏线路规划或可研阶段的判断。而城市轨道交通项目的建设因其投入大、周期长,建设前的效益研究可以辅助完善设计方案,做好资金分配,具有重要的现实意义。在评价方法上,由于客观赋权法存在对数据过度依赖,缺乏实际判断,而主观赋权法则存在人为干预过多,主观性过强,可能有失公允等问题,因此,在构建评价体系过程中,采用组合权重方法弥补主、客观赋权方法的缺陷,保证公允的同时不会脱离实际。文中按交通效益、环境效益和社会效益将轨道交通项目效益分为三类,选取9项评价指标,构建了AHP(层次分析法)与CRITIC(客观赋权法)组合权重模型,即AHP-CRITIC模型,对评价指标进行赋权重,通过模型确定的权重,判断城市轨道交通建设的重点投入方向,为设计重点项目、建设资金分配等建设前期研究提供参考。

1 评价指标的选取

1.1 评价指标分类

城市轨道交通项目效益一般可以按四类标准进行划分[26],具体如表1所示。

表1 城市轨道交通项目效益分类

鉴于城市轨道交通项目效益评价具有全面性、客观性要求,文中以受益的主体作为标准进行分类,即从交通效益、环境效益和社会效益三方面进行指标选取。

1.2 交通效益

城市轨道交通的交通效益主要是轨道交通为城市居民和交通系统所带来的效益,在为居民出行提供便捷交通方式的同时,也可以对交通堵塞有所缓解,从而优化城市交通结构。由此可以看出,交通效益的主要受益体为城市居民和城市交通系统。对于城市居民而言,城市轨道交通可以有效节约居民的出行时间,提高出行的安全系数,吸引城市居民绿色出行;对于城市交通系统而言,城市轨道交通可以扩大城市交通系统运输能力,降低地面交通运载量压力,优化城市交通系统结构,平衡城市交通系统的供求关系。因此,在构建评价指标体系的交通效益方面,选取节约乘客出行时间、减少交通事故、诱增客流3个指标进行分析。

1.3 环境效益

城市轨道交通项目的环境效益主要是在城市环境发展中带来的效益,主要表现就是节能环保。因轨道交通列车由电力驱动,因此基本不会产生污染。并且由于吸引了大量乘客,从而减少了私家车出行数量,进而减少汽车尾气排放量。此外,轨道交通有部分线路在地上运行,对附近居民会有噪声影响,进而破坏周围环境,降低环境效益。因此,在构建评价指标体系的环境效益方面,选取节约能源、减少环境污染、减少噪声影响3个指标进行分析。

1.4 社会效益

城市轨道交通项目的社会效益主要是指在城市的社会发展中,轨道交通带来的效益。城市轨道交通项目在挖掘未开发土地潜力的同时,可以为沿线商业服务、房地产开发等相关企业带来很好效益空间,进而增加整个城市就业机会,提高社会的稳定性,巩固城市经济基础建设。因此,在构建评价指标体系的社会效益方面,选取发掘经济潜力、促进国土增值、增加就业机会3个指标进行分析。

2 评价方法

文中选取成都轨道交通1、2号线,利用近几年的统计数据,基于文献[27]中关于地铁效益指标的测算方法,测算出各个效益的数据作为实验原始数据。

2.1 CRITIC方法及分析结果

CRITIC权重法是一种常用的客观赋权法。其主要是基于对比强度和冲突性指标2个指标进行权重分配。对比强度一般用标准差来表示,若数据标准差越大说明指标波动性越大,分配的权重会越高;冲突性一般用相关系数来表示,若指标之间的相关系数值越大,说明冲突性越小,则分配的权重也就越低。具体步骤如下。

1)对数据进行无量纲处理

对于正向指标,所用值越大越好。

(1)

对于逆向指标,所用值越小越好。

(2)

2)计算第j个指标和其他指标变异的量化指标

(3)

(4)

3)计算各个指标的相关系数rij

(5)

式中:Cov(x,y)为x和y间的的协方差;Var[x]为x的方差;Var[y]为y的方差。

4)计算第j个指标和其他指标冲突性的量化指标fj

(6)

式中:rij为评价指标i和j之间的量化关系。

5)计算第j个指标的信息量cj

(7)

6)计算第j个指标的权重wj

(8)

根据文献[27]各个效益指标测算方法,对成都轨道交通1、2号线2020—2022年各效益指标测算的原始数据如表2所示,在SPASS中进行归一化处理后,根据CRITIC计算原理得到各指标权重分配结果如表3所示。

表2 成都轨道交通1、2号线各效益指标原始数据 万元

表3 权重分配结果

2.2 AHP方法及分析结果

AHP 是一种应用较多的典型的客观权重法,通过将问题分层、各层的有序递进,在同一层的两个元素之间的重要程度关系采用一定的数值表示,利用专家的经验对各指标比较打分,将所有元素中的重要程度定量化,结果即为权重。方法主要分4个步骤,即建立层次结构模型,构造判断矩阵(也叫成对比较矩阵),计算权重以及一致性检验。具体如下。

2.2.1 建立层次结构模型

指标体系分为目标层、准则层、评价层,结合文中第1章的指标选取可建立评价层为诱增客流、节约乘客出行时间、减少交通事故、能源节约、减少环境污染、减少噪声影响、促进国土增值、增加就业机会、发掘经济潜力;准则层为交通效益、环境效益、社会效益的评价体系,如图1所示。

图1 评价指标体系

2.2.2 构造判断矩阵

在指标体系的第二层,对于从属于上一层每个因素的同一层各个因素,进行判断矩阵的构造,以此类推直到最下一层。判断矩阵表示的是该层所有因素对于上一层对应因素的相对重要性比较。构造判断矩阵,对矩阵中两两元素比较重要程度并打分。打分参照1～9标度法,如表4所示。

表4 1～9标度法

2.2.3 计算矩阵的权重

计算判断矩阵的最大特征向量,对其进行标准化来得到权重矩阵。

2.2.4 一致性检验

计算一致性指标CI,如式(9)所示。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(9)

式中:λmax表示最大特征值;n为阶数。

计算一致性比例CR,对比较矩阵的一致性进行测量,一般CR≤0.1时,比较矩阵满足一致性检验。CR计算方法为

CR=CI/RI

(10)

式中:RI为随机性指标,数值取决于比较的因素的数量,可通过查表得到。

2.2.5AHP分析结果及数据处理

文中选取专家、地铁工作人员、乘客三方人群进行打分以保证打分的全面性,最终分析结果如表5所示。

表5 AHP分析结果

一致性检验结果如表6所示。

表6 AHP一致性检验结果

由表6可知,各层指标均通过检验,即得出的权重值可用。

为统一评价层即B11～B13、B21～B23、B31～B33的权重使其具有可比较性,对数据进行如下处理:

[B11 B12 B13]=0.51*[0.47 0.15 0.38]=[0.24 0.08 0.19]

[B21 B22 B23]=0.14*[0.33 0.26 0.41]=[0.04 0.04 0.06]

[B31 B32 B33]=0.35*[0.43 0.10 0.47]=[0.15 0.04 0.16]

处理后的权重如表7所示。

表7 处理后的各指标权重

3 组合权重

组合赋权方法是根据主观权重和客观权重的特点将主、客观方法相结合,从而对评价层指标和各方案的组合权重进行计算,如式(11)所示。

0≤θ≤1;1≤k≤q

(11)

式中:q为赋权方法种类数,文中q=2;θ为决策者偏好度的相对重要性,取θ=0.56;λk为决策这对权重方法的偏好度,文中对层次分析法的偏好度λ1取 0.7,对 CRITIC赋权法的偏好度λ2取0.3,λ1+λ2=1;βk为赋权法一致性系数,文中为2种赋权方法,通过Spearman等级相关系数得到的赋权方法一致性系数β1=β2=0.5;wk为单一赋权法的权重,w1为层次分析法权重,w2为CRITIC赋权法的权重。

将ATP和CRITIC权重进行组合,得到最终权重值如表8所示。

表8 组合权重结果

4 结果分析

通过数据对比可以发现,在CRITIC法中,权重由大到小排列顺序为促进国土增值、发掘经济潜力、减少环境污染、减少噪声影响、节约乘客出行时间、节约能源、增加就业机会、诱增客流、减少交通事故;在AHP法中,权重由大到小顺序为节约乘客出行时间、促进国土增值、发掘经济潜力、减少噪声影响、诱增客流、节约能源、减少环境污染、减少交通事故、增加就业机会。前者基于数据波动性原理客观反映效益指标重要性的同时忽视了人们关心的出行时间、诱增客流、就业等方面的重要性,后者基于人们打分主观反映效益指标重要性的同时忽视了客观经济、环境等人们熟悉度不高的方面。而组合权重基于将两者结合,对轨道交通项目效益指标进行综合打分,兼顾主客观要求,使得最终评价更具完整性、实践性。

由组合权重结果可以发现节约乘客出行时间、发掘经济潜力、促进国土增值排在轨道交通项目效益权重前三的位置,分别为0.26、0.19、0.13,三者占据总权重的58%,超过一半,可见重要性。因此,在新建地铁的规划、设计期间应重点关注这三个方面,并将建设资源向这三方面倾斜。在节约乘客出行时间方面,车站设计应符合客流量预测,各个通道、楼梯、扶梯、直梯等设施位置、规模应满足大客流疏散要求。同时,在满足客流预测的前提下尽可能优化通信、信号设备,提高客车容量,提高运营后的旅客运输效率。在发掘经济潜力方面,可以利用地铁出入口设计、上盖开发等自身条件,对接沿线商服、车辆段等空间进行再开发,提高已开发经济区域的经济价值。在促进国土增值方面,线路规划时应考虑未开发土地的经济价值,配合城市规划,优先对未来有城市经济规划的区域设计线路。同时,对旅游资源、人文资源丰富却交通不便地区也应重点考量,以提高资源利用率,发掘经济潜力。

5 结 论

文中主要对轨道交通项目效益评价方法做了如下工作。

1)筛选评价指标,构建评价体系。分别在交通效益、环境效益、社会效益三个方面,选取节约乘客出行时间、减少交通事故、诱增客流、节约能源、减少环境污染、减少噪声的影响、发掘经济潜力、促进国土增值、增加就业机会等9个指标构建了评价体系。

2)构建组合权重评价方法,进行组合权重评价。在分别分析了AHP和CRITIC两种评价方法的基础上,根据各自特点,设计组合权重方法,综合各自结果得到9项效益指标的组合权重。

3)分析权重排在前三的指标即节约乘客出行时间、发掘经济潜力、促进国土增值效益,对三者在建设前期的设计提出一定的参考建议。

但随着轨道交通功能和定位复杂性的增加,文中指标选取会缺乏全面性。在今后的研究中,可以根据轨道交通的城市定位,进一步补充完善。