基于熵權(quán)TOPSIS模型的大宗貨物運(yùn)輸方式綜合評價

武慧榮，陳少陽，崔淑華

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 哈爾濱 150040)

0 引言

2018年9月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《推進(jìn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整三年行動計劃(2018—2020年)》(以下簡稱《行動計劃》)，在總體要求中明確提出，全國貨物運(yùn)輸結(jié)構(gòu)要明顯優(yōu)化，以推進(jìn)大宗貨物運(yùn)輸“公轉(zhuǎn)鐵、公轉(zhuǎn)水”為主攻方向，有力支撐打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)。2019年3月，黑龍江省交通運(yùn)輸廳、黑龍江省人民政府正式簽署加快黑龍江省交通運(yùn)輸發(fā)展協(xié)議，要求全省各地制定運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整實施方案。為加快貨物運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐，首要步驟是對公路、鐵路、水路3種運(yùn)輸方式進(jìn)行綜合評價，確定最優(yōu)運(yùn)輸方式，明確運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向，為運(yùn)輸方式選擇提供依據(jù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者使用定量分析和定性分析的方法對運(yùn)輸方式評價選擇進(jìn)行了大量研究。施路等[1]在考慮影響高鐵物流節(jié)點(diǎn)選址的需求型因素、供給型因素、經(jīng)濟(jì)性因素、便利性因素的前提下建立了熵權(quán)TOPSIS評價模型，為高鐵物流節(jié)點(diǎn)的選址提供了理論依據(jù)。王多姿[2]選擇運(yùn)輸成本、運(yùn)輸時間、運(yùn)輸風(fēng)險、運(yùn)輸便捷性、運(yùn)輸準(zhǔn)時性5個方面的因素作為選擇運(yùn)輸方式的評價指標(biāo)，采用ELECTRE-I算法構(gòu)造占優(yōu)矩陣，剔除不合適的方案，為托運(yùn)人選擇貨運(yùn)方式及運(yùn)輸企業(yè)相關(guān)政策的制定提供參考。羅艷平[3]使用AHP-熵組合權(quán)法來確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，建立基于AHP-熵組合權(quán)改進(jìn)的TOPSIS法進(jìn)行運(yùn)輸方式選擇，并結(jié)合實際案例進(jìn)行分析，論證了模型的實用性。朱婉瑩等[4]使用Logit模型，以上海港至瓜達(dá)爾港為例分別分析了在側(cè)重經(jīng)濟(jì)成本和側(cè)重時間成本時運(yùn)輸方式的選擇情況。另一種是定性分析，多采用層次分析法，房卓等[5]構(gòu)建涉及地理交通、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和成本因素三大因素的多層次指標(biāo)體系模型，利用層次分析法對內(nèi)陸港選址進(jìn)行初探。孔德越等[6]使用層次分析法綜合考慮車站服務(wù)能力、資源條件、客流吸引力以及在路網(wǎng)中的地位等多方面的因素，合理地評定全路客運(yùn)車站的重要程度。上述的方法中定量分析更具有客觀性，Logit模型的優(yōu)點(diǎn)是容易使用和解釋，缺點(diǎn)是對模型中多重共線性較為敏感，需要利用因子分析或者變量聚類分析等手段來選擇代表性的自變量進(jìn)行敏感性分析。ELECTRE-I模型的求解方法簡單易行，可操作性強(qiáng)；運(yùn)用ELECTRE-I算法求解運(yùn)輸方式綜合評價模型時構(gòu)建的布爾矩陣無法體現(xiàn)出各元素與閾值的差距，很多情況下不易收斂到唯一解。定性分析中影響因素的權(quán)重確定具有主觀性，不能客觀地反映實際情況。

TOPSIS法是多目標(biāo)決策的綜合評價方法之一，其計算過程清晰、可操作性強(qiáng)。從1981年提出以來，廣泛應(yīng)用在包括交通運(yùn)輸領(lǐng)域[1，7-9]在內(nèi)的多種領(lǐng)域[10-15]。該方法操作簡單，對樣本大小沒有特殊要求，對原始數(shù)據(jù)直接進(jìn)行計算，不會損失信息，適用于本文樣本資料較小的情況。

本文中以黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸方式為研究對象，采用熵權(quán)TOPSIS綜合評價法分析比較不同運(yùn)輸方式，一方面可以對大宗貨物的不同運(yùn)輸方式進(jìn)行綜合評價，找出黑龍江省大宗貨物的最優(yōu)運(yùn)輸方式，為大宗貨物的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整提供依據(jù)，另一方面也為豐富運(yùn)輸方式優(yōu)選方法提供借鑒和參考。

1 TOPSIS綜合評價法

TOPSIS綜合評價法是一種依據(jù)評價對象指標(biāo)值與正負(fù)理想解的距離進(jìn)行排序的統(tǒng)計分析方法。正理想解和負(fù)理想解分別代表評價對象指標(biāo)值中的最優(yōu)值和最差值。假設(shè)共有m個評價對象，每個評價對象有n個評價指標(biāo)，xij表示第i個(i=1,2…,m)評價對象的第j(j=1,2,…,n)個指標(biāo)值。熵權(quán)TOPSIS綜合評價方法的步驟如下。

1) 初始矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除不同指標(biāo)量綱的影響，需要對初始決策矩陣進(jìn)行歸一化處理，形成標(biāo)準(zhǔn)矩陣R。

(1)

2) 構(gòu)建加權(quán)決策矩陣Z

將計算熵權(quán)值得到的對角矩陣wj與標(biāo)準(zhǔn)矩陣R相乘的結(jié)果轉(zhuǎn)置得到加權(quán)決策矩陣Z。在多指標(biāo)綜合評價中，確定各指標(biāo)權(quán)重至關(guān)重要。本文中采用熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重，這種客觀賦權(quán)法可以避免人為因素帶來的偏差，相對主觀賦值法，精度較高，客觀性更強(qiáng)。熵權(quán)法確定權(quán)重的步驟如下。

計算第j個指標(biāo)的熵值：

(2)

式中:k=1/lnm,，當(dāng)pij=0時，pijlnpij=0，表示第j個指標(biāo)下第i個備選方法的屬性值的比重；

計算第j個指標(biāo)的熵權(quán)wj：

(3)

加權(quán)決策矩陣Z為：

Z=(zij)m×n=[wj(n×n)×(rij)n×m]T

(4)

3) 確定最優(yōu)方案和最劣方案

由各項指標(biāo)的最優(yōu)值和最劣值分別構(gòu)成的最優(yōu)方案Z+和最劣方案Z-：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中,j=1,2,…,n。

4) 計算評價對象與理想解的相對接近程度Ci：

(9)

式中：i=1,2,…,m，Ci∈(0,1)。

5) 方案排序

按相對接近度大小對方案排序，相對接近度越接近于1表示該評價對象越接近于最優(yōu)水平，相對接近度越接近于0表示該評價對象越接近于最劣水平，即相對接近度越大，該方案越優(yōu)。

2 應(yīng)用實例

2.1 評價指標(biāo)及其數(shù)據(jù)

建立科學(xué)的評價指標(biāo)體系，是進(jìn)行黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸方式綜合評價的前提。貨物運(yùn)輸方式選擇是一個考慮多因素的復(fù)雜選擇過程，評價指標(biāo)通常包括：能源消耗、經(jīng)濟(jì)性、時間性、環(huán)保性以及運(yùn)輸能力[16]。

大宗貨物運(yùn)輸通常具有批量大、距離長、價格低、時效性要求低等特點(diǎn)。因此，在大宗貨物運(yùn)輸方式綜合評價過程中，以提高綜合運(yùn)輸效率、降低物流成本為核心，結(jié)合大宗貨物運(yùn)輸特點(diǎn)，從能源消耗、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及運(yùn)輸能力4個方面建立評價體系。

交通運(yùn)輸業(yè)是能源消耗的主要部門之一，不同運(yùn)輸方式消耗能源的單位不統(tǒng)一，將各種能源折算為標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量，采用貨運(yùn)能源強(qiáng)度進(jìn)行衡量比較。2016—2018年，黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸?shù)蔫F路貨運(yùn)能源強(qiáng)度為33.5 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/(萬t·km)，公路和水路貨運(yùn)能源強(qiáng)度平均值分別為186.67 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/(萬t·km)和24.3kg標(biāo)準(zhǔn)煤/(萬t·km)。

大宗貨物多數(shù)附加值較低，因此經(jīng)濟(jì)性是重要的影響因素，一般用運(yùn)輸價格表示。我國公路、水路運(yùn)價機(jī)制相對靈活，隨市場需求波動明顯；鐵路運(yùn)價則按照《鐵路貨物運(yùn)價規(guī)則》《鐵路門到門運(yùn)輸一口價實施辦法(暫行)》及運(yùn)價浮動方案確定。相比公路運(yùn)輸，貨物運(yùn)輸距離在400 km以上時，鐵路運(yùn)輸價格競爭優(yōu)勢明顯[17]，隨著距離增加，水路運(yùn)輸價格優(yōu)勢顯現(xiàn)[16]，與大宗貨物長距離運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)相符。綜上所述，運(yùn)輸價格受市場需求影響波動較大，同時與運(yùn)輸距離密切相關(guān)，因此，以上述分析結(jié)果作為經(jīng)濟(jì)性綜合評價依據(jù)，即水路運(yùn)輸在大宗貨物長距離運(yùn)輸時經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，中長距離運(yùn)輸時，鐵路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于公路運(yùn)輸。

《行動計劃》提出，運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整的目的是“打好污染防治攻堅戰(zhàn)和打贏藍(lán)天白云保衛(wèi)戰(zhàn)”，所以，環(huán)保性是運(yùn)輸方式評價的另一重要因素，可以用CO2排放量來表示運(yùn)輸方式的環(huán)保性。根據(jù)國家發(fā)改委能源研究所的研究數(shù)據(jù)，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生2.457 t的CO2排放量。結(jié)合各種運(yùn)輸方式的貨運(yùn)能源強(qiáng)度，可以得出不同運(yùn)輸?shù)奶寂欧徘闆r。2016—2018年，黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸中，鐵路、公路和水路運(yùn)輸CO2排放量平均值分別為81.2 kg/(萬t·km)、458.64 kg/(萬t·km)和59.71 kg/(萬t·km)。

貨物運(yùn)輸能力一般是指各種運(yùn)輸方式在一定時間內(nèi)所能完成的最大貨物運(yùn)輸量，大宗貨物的重量大體積大，在進(jìn)行運(yùn)輸方式選擇的時候?qū)Ω鞣N運(yùn)輸方式的運(yùn)輸能力會有考量，運(yùn)輸能力用單位里程貨物運(yùn)輸量來衡量，即不同運(yùn)輸方式完成的貨運(yùn)量與當(dāng)年運(yùn)輸線路營業(yè)里程之比。2016—2018年，黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸中，鐵路、公路及水路運(yùn)輸單位里程貨運(yùn)量平均值為16 500、2 600和1 900 t。

綜合上述分析，以運(yùn)輸價格作為經(jīng)濟(jì)性定性評價指標(biāo)，運(yùn)用熵權(quán)TOPSIS模型，從能源消耗、環(huán)保性和運(yùn)輸能力3個方面對黑龍江省大宗貨物的鐵路、公路、水路運(yùn)輸方式進(jìn)行評價分析。

2016—2018年評價指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 黑龍江省大宗貨物鐵路運(yùn)輸方式綜合評價指標(biāo)具體數(shù)據(jù)

首先，用熵值法將3種運(yùn)輸方式綜合評價2016—2018年的平均值數(shù)據(jù)構(gòu)成TOPSIS方法中的原始決策矩陣元素，見表2。

表2 原始決策矩陣元素

CO2排放量越少，說明該運(yùn)輸方式越環(huán)保，所以對CO2排放量進(jìn)行正向化(取倒數(shù))處理，數(shù)據(jù)見表3。

表3 CO2排放量正向化數(shù)據(jù)

進(jìn)行歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣，數(shù)據(jù)歸一化處理結(jié)果見表4。

表4 數(shù)據(jù)歸一化處理結(jié)果

根據(jù)式(3)，采用熵權(quán)法計算得到貨運(yùn)能源強(qiáng)度、二氧化碳排放量、單位里程貨物運(yùn)輸量的權(quán)重系數(shù)分別為0.401 5、0.190 1、0.408 4，見表5。

表5 數(shù)據(jù)信息熵值、權(quán)重系數(shù)結(jié)果匯總

根據(jù)加權(quán)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)矩陣R，得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣元素，見表6。

表6 加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣元素

各項指標(biāo)的最優(yōu)值和最劣值分別構(gòu)成最優(yōu)方案和最劣方案，正理想解距離是各指標(biāo)值與最優(yōu)方案的距離，負(fù)理想解距離是各指標(biāo)值與最劣方案的距離，根據(jù)式(7)和式(8)即可計算出正理想解距離和負(fù)理想解距離。結(jié)合正負(fù)理想解距離值，根據(jù)式(9)可計算出各運(yùn)輸方式的相對接近度，最終得到各種運(yùn)輸方式的排序結(jié)果，見表7。

表7 各種運(yùn)輸方式的正、負(fù)理想解距離、相對接近度和排序結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

1) 相對接近度是指評價對象與理想解之間的距離，相對接近度的值越大說明離評價對象離理想解越近，說明該運(yùn)輸方式越優(yōu)。由表7可知：鐵路運(yùn)輸?shù)南鄬咏雀哂诠愤\(yùn)輸?shù)南鄬咏?，公路運(yùn)輸?shù)南鄬咏雀哂谒愤\(yùn)輸?shù)南鄬咏?，所以得出，黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸中鐵路運(yùn)輸方式最優(yōu)，公路運(yùn)輸方式次之，水路運(yùn)輸方式最差。

2) 以2018年的數(shù)據(jù)為例，由表1可知：黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸過程中，公路運(yùn)輸消耗的能源多于鐵路和水路運(yùn)輸。若將每萬噸公里貨物從公路運(yùn)輸轉(zhuǎn)移到鐵路運(yùn)輸，可節(jié)省169.24 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，若將每萬噸公里貨物從公路運(yùn)輸轉(zhuǎn)移到鐵路運(yùn)輸，可節(jié)省177.86 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

3) 以2018年的數(shù)據(jù)為例，由表1可知，黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸過程中，公路運(yùn)輸?shù)腃O2排放量多于鐵路和水路運(yùn)輸。若將每萬噸公里貨物從公路運(yùn)輸轉(zhuǎn)移到鐵路運(yùn)輸，可減少CO2排放量415.82 kg，若將每萬噸公里貨物從公路運(yùn)輸轉(zhuǎn)移到水路運(yùn)輸，可減少CO2排放量437 kg。

4) 黑龍江省鐵路運(yùn)輸能力大于公路運(yùn)輸能力，水路運(yùn)輸能力最低。這是因為黑龍江省冬季氣溫低，每年11月至4月水面結(jié)冰，不利于水路運(yùn)輸。

5) 貨物運(yùn)輸距離在400 km以上時，鐵路運(yùn)輸價格相較于公路運(yùn)輸價格具有競爭優(yōu)勢，且距離越長，水路運(yùn)輸價格優(yōu)勢顯現(xiàn)，與大宗貨物長距離運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)相符。

雖然水路運(yùn)輸在能源消耗、碳排放、長途運(yùn)輸中的經(jīng)濟(jì)性方面的表現(xiàn)略優(yōu)于鐵路運(yùn)輸，但是在實際的黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸過程中，必須要考慮運(yùn)輸能力，極寒天氣對水路運(yùn)輸能力的影響很大。若將公路運(yùn)輸轉(zhuǎn)向水路運(yùn)輸，則會因為水路的運(yùn)輸能力不夠而影響黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸?shù)耐瓿?。因此可以將“公轉(zhuǎn)鐵”作為運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整方案的總方向，黑龍江省的大宗貨物的公路運(yùn)輸轉(zhuǎn)向鐵路運(yùn)輸，既能夠節(jié)約能源，也可以減少污染物排放，即在打好污染防治攻堅戰(zhàn)和打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的同時，還能夠保證有足夠的運(yùn)力來完成大宗貨物的運(yùn)輸。

2.3 與CRITIC權(quán)重法的結(jié)果比較

為了驗證TOPSIS綜合評價法的可靠性，進(jìn)一步采用CRITIC權(quán)重法對運(yùn)輸方式進(jìn)行評價。CRITIC法是一種考慮數(shù)據(jù)的波動性和相關(guān)關(guān)系情況，完全利用數(shù)據(jù)自身的客觀屬性進(jìn)行科學(xué)評價的方法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于交通領(lǐng)域的評價工作，如公路各路段安全等級的評估[18]、哈爾濱3條主干路的交通擁堵趨勢評價[19]、智能網(wǎng)聯(lián)汽車的安全評價[20]等。

在進(jìn)行分析之前，對數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱化處理，先對CO2排放量進(jìn)行取倒數(shù)處理，再對所有評價指標(biāo)進(jìn)行正向化處理。CRITIC權(quán)重計算結(jié)果見表8。

表8 CRITIC權(quán)重計算結(jié)果

由表8中的權(quán)重和表4中經(jīng)過歸一化處理的數(shù)據(jù)相乘可得綜合評分，CRITIC權(quán)重法綜合得分為：鐵路運(yùn)輸0.513 4，公路運(yùn)輸0.427 5，水路運(yùn)輸0.310 9。此排序結(jié)果與熵權(quán)TOPSIS綜合評價法給出的結(jié)果一致。根據(jù)熵權(quán)TOPSIS綜合評價法對黑龍江省大宗貨物的運(yùn)輸方式進(jìn)行優(yōu)選，其結(jié)果具有很強(qiáng)的可靠性，可以為黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸方式選擇提供可靠依據(jù)。

3 結(jié)論

運(yùn)用熵權(quán)TOPSIS模型對黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸方式進(jìn)行評價，借助熵權(quán)概念對TOPSIS評價法中標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣的各項指標(biāo)賦予權(quán)重，反映各評價指標(biāo)不同的重要程度，最后根據(jù)不同運(yùn)輸方式與理想解的相對接近度給出各種運(yùn)輸方式的排序。

結(jié)果表明，黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸方式中鐵路運(yùn)輸方式最優(yōu)，公路運(yùn)輸方式次之，水路運(yùn)輸效果最差；從能源消耗方面來看，運(yùn)輸每萬噸公里貨物時，水路消耗的能源最少；從碳排放來看：運(yùn)輸每萬噸貨物時，水路運(yùn)輸排放的CO2最少，且鐵路和水路運(yùn)輸在能源消耗和碳排放方面的表現(xiàn)相差不大。從運(yùn)輸能力方面來看：鐵路運(yùn)輸能力最大，水路運(yùn)輸能力最小。從經(jīng)濟(jì)性方面來看，中長距離大宗貨物鐵路運(yùn)輸優(yōu)于公路運(yùn)輸，長距離水路運(yùn)輸最優(yōu)，但黑龍江省水路通航時間短，若將公路運(yùn)輸轉(zhuǎn)向水路運(yùn)輸，則會因為水路的運(yùn)輸能力不夠而影響黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸?shù)耐瓿?。因此，鐵路運(yùn)輸是黑龍江省大宗貨物最優(yōu)的運(yùn)輸方式，需要充分利用鐵路運(yùn)輸，如提高鐵路專用線利用率、提升鐵路貨運(yùn)服務(wù)水平、給予鐵路運(yùn)輸一定的補(bǔ)貼以推動運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整等。“公轉(zhuǎn)鐵”是運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整方案的總方向。

熵權(quán)TOPSIS法對于黑龍江省大宗貨物運(yùn)輸方式的排序結(jié)果與CRITIC權(quán)重法所得的排序結(jié)果一致。因此，熵權(quán)TOPSIS法可以廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸方式的評價，可以在以后進(jìn)行的多目標(biāo)運(yùn)輸方式優(yōu)選過程中發(fā)揮作用，為大宗貨物運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整提供重要依據(jù)。