基于層次分析法的城市智慧交通管理系統(tǒng)綜合評價

謝春榮，何林儒，趙桂香

(華藍設計(集團)有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，城市智慧化已經(jīng)成為未來城市建設的一個重要目標[1]。當前，城市管理服務能力得到提升，成績顯著。但加快城市智慧化建設，依然是高水平推進治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要抓手[2]。

在發(fā)達國家,智慧城市作為應對城市人口增長和破解城市化問題的戰(zhàn)略手段，于20世紀90年代被提出。經(jīng)過10多年的發(fā)展,智慧城市取得了一定研究成果,并在實踐環(huán)節(jié)有所突破。在國內(nèi)，學者對智慧城市的關(guān)注始于2009年IBM公司提出的"智慧地球"概念。目前，對智慧城市的研究尚處于起步階段[3]。城市現(xiàn)代化建設的目的是帶給人們更多的便利。如果不能解決當前的城市交通問題，那么城市化和現(xiàn)代化的發(fā)展進程將會很難持續(xù)推進[4]。在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)逐漸普及的大環(huán)境下，以物聯(lián)網(wǎng)為核心技術(shù)的智慧城市概念被提出，通過萬物互聯(lián)和大數(shù)據(jù)分析，可以解決許多城市問題。智慧交通系統(tǒng)(smart transportation system，STS)就是在智慧城市的基礎(chǔ)上延伸而來的。以現(xiàn)代信息技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)智能分析，可以很好地緩解交通管理系統(tǒng)的巨大壓力[5]。

本文通過探索大數(shù)據(jù)技術(shù)的應用推進城市智慧化的發(fā)展，從而讓大數(shù)據(jù)更好地為智慧城市的建設提供技術(shù)支撐[6]。本文首先對智慧化城市理論進行了挖掘，然后通過智慧化城市理論設計了基于層次分析法(analytical hierarchy process，AHP)的模糊評價體系，最終通過智慧城市模糊評價體系對A市智慧化程度進行評估，從而研究如何構(gòu)建更加完善的現(xiàn)代智慧化城市。該研究能夠為未來城市智慧化建設提供技術(shù)支持，并且為城市發(fā)展作出重要貢獻。

1 城市智慧交通管理的發(fā)展及特征

1.1 智慧交通的概念和評價理論

智慧交通廣義上涉及智能交通、車聯(lián)網(wǎng)以及智慧城市建設等多個領(lǐng)域，而狹義上主要是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對城市交通系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理和評級，側(cè)重于技術(shù)的升級、發(fā)展理念的更新以及應用范圍的延伸[7]。根據(jù)智慧交通的核心理論，對城市交通系統(tǒng)的評級主要包括以下四個方面。

①基礎(chǔ)設施評價。智慧交通的實現(xiàn)必須以現(xiàn)代化的設備為基礎(chǔ)，如監(jiān)控器、道路終端傳感器以及道路檢測等。這些基礎(chǔ)設施向智慧交通系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)上的支持和技術(shù)上的保障，所以基礎(chǔ)設施的評價是智慧交通系統(tǒng)的重要內(nèi)容[8]。

②信息服務水平評價。智慧交通的技術(shù)支持以互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)為主，同時提供物聯(lián)網(wǎng)服務，所以信息服務水平是判斷智慧交通發(fā)展水平的重要依據(jù)[9]。

③交通管理水平評價。智慧交通系統(tǒng)的目的是實現(xiàn)智能化的管理，不僅能節(jié)約人力資源，而且可以做到零失誤。這既是智慧交通的發(fā)展要求，又是重要的評價內(nèi)容。

④道路安全狀況評價。為了保證城市交通系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，必須時刻對道路安全進行監(jiān)控。只有保持道路時刻暢通和安全，才能從根本上避免重大交通事故的發(fā)生[10]。

1.2 智慧交通評價方法的選取

1.2.1 AHP

AHP是一種常見的、由定性分析和定量分析相結(jié)合的分層次評價方法[11]。在AHP的過程中，最重要的步驟就是各層級對總體的權(quán)重向量計算。而常用的方法具體可以表述如下。

這類分層次評價方法依托判斷矩陣，以列向量為基礎(chǔ)，實現(xiàn)權(quán)重向量的歸一化處理；之后取得均值，以函數(shù)方式來表達。

(1)

式中：aij為判斷矩陣中的元素；j和k為矩陣中元素的具體位置。

期望最大化(expectation-maximum,EM)算法又稱特征根法，以判斷矩陣為對象，求解最大特征根；同時，需要對其右特征向量作出界定，并對該結(jié)果作歸一化處理[12]；此外，還需要闡明一致性檢驗的條件問題。

①求解一致性函數(shù)表達具體如下：

(2)

式中：C為一致性函數(shù);λ為矩陣中的參數(shù)；n為參數(shù)的量。

②1～9階正互反矩陣的平均隨機一致性指標隨機索引(random index,RI)根據(jù)不同的屬性確定相應的平均隨機一致性指標。設R為RI值，則R的取值如表1所示。

表1 R的取值

③計算一致性比率(consistency ratio,CR)。

(3)

式中：P為一致性比率。

當C<0.1時，能找到矩陣達到一致性的條件；否則，要對其加以修改，直到達到要求為止。

1.2.2 模糊評價法

模糊評價是基于模糊集合與特征函數(shù)的一種處理模糊現(xiàn)象的數(shù)學方法[13]。進行模糊評價前，首先要針對各個層次建立模糊子集；然后鎖定其隸屬函數(shù)、隸屬度，針對上述提到的指標加以處理；最后對這些提取的評價指標加以變換，將得到的值作為模糊綜合評價的結(jié)果[14]。

進行模糊評價時，首先設定一個模糊集合Ω和子集A。其中，子集A的隸屬函數(shù)μA(x)滿足的條件為：

0≤μA(x)≤1

(4)

具體評價步驟如下。

①確定評價因素的集合：

0≤μp(x)≤1

(5)

式中：p為評價因素的個數(shù)。

②確定每一個層級的模糊集合的隸屬函數(shù)和隸屬度。

③建立模糊矩陣R：

(6)

式中：rpm為第p行第m列元素，在矩陣中指該元素對上一級函數(shù)存在的隸屬度。

依托模糊矩陣的建立，可以準確地對某一元素的重要程度給予評價。該方法所得結(jié)果相對更為準確[15]。

④針對評價元素關(guān)聯(lián)的權(quán)重向量，對A作進一步界定：

A=(a1,a2,…,ap)

(7)

式中：ap為ui對被評價元素重要性隸屬度問題。

在本研究中，針對評價指標的權(quán)重值，選定的是AHP。所以，需要咨詢專家組的意見，并按照自身判斷各對層次指標給出分值；形成判斷矩陣，繼而開展一致性分析[16]。

⑤計算模糊綜合評價的結(jié)果向量。

將權(quán)重向量A與模糊矩陣進行合成：

(8)

式中：B為被評價元素的模糊綜合評價結(jié)果向量。

該結(jié)果關(guān)聯(lián)的等級，就是被評價元素所處的等級[17]。

1.3 智慧交通評價模型的設計和指標體系的建立

對于智慧交通評價體系而言，其并非面向單一目標，而是一類多目標評價機制。因此，需要搭建一個具備層次的模型作為分析基礎(chǔ)，引入模糊綜合評價法，為評價提供方法。指標體系在布置上選定的是塔式結(jié)構(gòu)，具體設定為以下三個層次[18]。

①目標層。目標層既是評價模型的直接評價對象，又是被評價對象的預期，一般只有一個最重要的核心元素。

②準則層。準則層處在目標層之下，是實現(xiàn)目標層給定目標不能脫離的規(guī)范與約束。

③方案層。方案層可以理解為準則層的拓展，是支撐目標層實現(xiàn)的具體路徑、辦法與干預舉措。

模糊評價模型如圖1所示。

圖1 模糊評價模型

智慧交通管理系統(tǒng)可以設定三級評價指標[19]。

根據(jù)AHP，城市智慧交通管理系統(tǒng)的層次是建立其系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。

AHP評價結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 AHP評價結(jié)構(gòu)圖

本文在構(gòu)建智慧交通評價指標時，主要借助以下五種途徑來選擇指標：①互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智慧交通等相關(guān)的文獻資料；②綠色交通發(fā)展指標體系；③國務院發(fā)布的可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略報告；④智慧城市的建設及發(fā)展目標；⑤當?shù)卣块T的相關(guān)政策和條例。

根據(jù)評價指標的來源和選取規(guī)則，通過走訪A市當?shù)氐墓还?、交通管理局以及交警大隊，結(jié)合中國主要城市的道路交通分析報告等資料，確定了A市的智慧交通管理評價指標的初選結(jié)果。其中，二級指標涵蓋了四個層面。除了基礎(chǔ)的道路安全狀況、交通管理水平之外，還引入了信息服務水平、基礎(chǔ)設施水平兩個指標。

智慧交通管理評價三級指標如圖3所示。

圖3 智慧交通管理評價三級指標

2 以A市為例的智慧交通管理評價結(jié)果分析

2.1 智慧交通評價指標得分

A市的智慧交通管理系統(tǒng)中，基礎(chǔ)設施水平的評價結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，A市的交通基礎(chǔ)設施中，公交牌的智能普及率最低，僅為3.3%，因此公交牌的智能化水平評價也是最低的。同時，其他三個指標的得分也都低于90分，由此可以說明公共設施的整體水平較低。

圖4 基礎(chǔ)設施水平的評價結(jié)果

信息服務水平的評價結(jié)果如圖5所示。

圖5 信息服務水平的評價結(jié)果

由圖5可知，交通信息的覆蓋率、市民的關(guān)注度和出行滿意度都非常高，并且信息發(fā)布的渠道也非常多樣化。市民的關(guān)注度分值是最高的，為95分。

交通管理水平指標評價結(jié)果如圖6所示。

圖6 交通管理水平指標評價結(jié)果

由圖6可知，路口的渠化率很高，但交通信號的協(xié)調(diào)率很低；而高峰期的擁堵指數(shù)和出行時長保持在較低的水平。整體的評價得分除交通信號協(xié)調(diào)率之外都高于70分。

道路安全狀況指標評價結(jié)果如圖7所示。

圖7 道路安全狀況指標評價結(jié)果

由圖7可知，A市的道路安全狀況水平較高，萬車死亡率以及重大安全交通事故的數(shù)量維持在較低的水平，兩個指標評價得分均高于90分。這說明道路安全狀況發(fā)展良好。

2.2 評價因素的權(quán)向量分析

根據(jù)三級指標的評價得分建立模糊矩陣，通過計算得到權(quán)向量，具體可得參考相應的數(shù)據(jù)設置?；诙壷笜说脑u價分析如表2所示。

表2 基于二級指標的評價分析

由表2可知，總體評價B=[0.25 0.14 0.3 0.31]。

通過上述計算，結(jié)合最大隸屬原則，可知在這一智慧交通管理系統(tǒng)中：基礎(chǔ)設施建設的評價等級為“差”；信息服務水平和交通管理水平的評價等級為“中等”；道路安全狀況的評價等級為“優(yōu)”；總體交通管理水平的評價等級在中等偏下。該結(jié)果較為符合A市的城市智慧發(fā)展現(xiàn)狀。

3 結(jié)論

本文在互聯(lián)網(wǎng)的背景下，對城市交通管理系統(tǒng)進行了智慧化的分析，在查閱大量的文獻和資料、走訪許多城市交通管理機構(gòu)的基礎(chǔ)上，以AHP、模糊綜合評價法以及智慧交通評價理論構(gòu)建相關(guān)的模型，針對實例進行了實證分析。實證分析結(jié)果較為符合A市的城市智慧發(fā)展的現(xiàn)狀。

鑒于許多三級指標數(shù)據(jù)無法直接獲取，本研究對其予以忽略。這可能造成評價結(jié)果的不公正性。后續(xù)研究還需要借助物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)進一步獲取交通數(shù)據(jù)，從而得出更加準確的評價。隨著智慧城市概念逐漸深入人心，基于互聯(lián)網(wǎng)的智慧交通管理系統(tǒng)也將繼續(xù)得到完善，從而加快城市的現(xiàn)代化進程。