系统理论在城市公共交通中的应用浅探

王晨露

（西南交通大学,四川 成都 611756）

0 引言

随着社会经济交通的发展，公共交通线网的扩大，城市功能日益强化。而城市公共交通发展如何以及未来城市公共交通如何发展都需要一个标准的评价体系。通过对系统之间和系统内部的分析，使发展过程中纷扰复杂的问题层次化、简单化，从而实现解决问题的目的。以上海市为例，基于系统理论来分析上海公共交通发展水平评价问题，对指出上海市公共交通系统不足，并为相关决策者提供建设性改进措施无疑是很有益处的。

1 系统目标

上海市公共交通系统发展目标是以人为本，根据客流特征，因地制宜地选择公共交通的发展模式，规划建设安全、高效、舒适、便捷、绿色的公共交通系统，以满足人民生活及物质生产对城市交通运输的需求。

2 系统作用

城市公共交通系统的四大功能分为：保证和促进城市的生产活动、保证城市居民的正常生活、保证城市对外交通的正常进行、保证城市旅游资源的手段。[1]为更好研究上海公共交通系统对城市发展的作用，应用相关性分析研究两个系统之间相互影响关系，其中，Spearman相关系数[2]对不服从正态分布的数据采用等级相关来描述两个变量之间的关联程度与方向。该文选取不同系统中具有代表性指标数据，利用SPSS软件对上海市2011—2020年的一些经济、文化、社会指标分别与城市公共交通之间做Spearman相关性分析，量化表示不同系统之间的关系。结果如表1所示。

表1 相关性结果示意表

上海市城市公共交通与能源消耗、迁入迁出人口、一般公共预算收入增长率等呈负相关，与环境的投资和绿地面积、人口密度、GDP等都呈正相关。因此，上海市公共交通对经济、文化、环境和社会等各个方面起着不同的作用，公共交通对上海市的发展至关重要，是带动上海市发展成为国际大都市不可或缺的因素。

3 系统的基本特性

3.1 系统的开放性

上海公共交通系统是一个开放系统，外部环境与城市功能大系统的人居子系统、经济社会子系统等均有很强的关联交互。[3]系统会受到外部环境，如公共卫生事件、自然灾害等的影响，并不是与其他系统因素割裂开来、孤立起来的封闭系统。

3.2 系统的多变量性与结构多层次

上海公共交通系统的输入与输出都不是单一的，有多个输入影响着系统的状态，而它对环境的输出影响也是多方面的。[4]除此之外，根据内部与外部、供给与需求等，上海公共交通系统被划分为多个子系统，从而决定着该系统结构的多层次性。

3.3 系统的多目标性

上海公共交通系统的目标是多重的，如减少出行时间、提高服务质量、降低能源消耗、增加营业收入、减少环境污染等，这些目标之间还可能出现矛盾。要保证系统持续稳定地发展，往往要统筹兼顾所有的目标。

3.4 系统的非线性与自组织性能

在前文系统作用分析中提到上海公共交通系统对上海经济发展、环境保护以及资源节约等存在一定作用。基于正负反馈机制，除了来自系统外部的物资、能量与信息交换之外，其自组织性能也是系统动态演化过程的原动力。而且，上海公共交通系统中各个组成要素并不是简单的线性累加，而呈非线性函数关系，如图1所示。里程规模、网络布局、建设时序、轨道交通站点周边交通接驳条件以及线路间换乘便利程度等无一不影响出行者对轨道交通方式的选择偏好。

图1 上海公共交通部分方式客运量变化图

3.5 系统的复杂性

系统复杂性一方面表现在上述特征中的结构多层次性、多变量性、多目标性、非均衡性以及非线性，另一方面也表现在系统的动态演化过程。以上海交通结构演化为例，过去20年一直坚持推行公交优先战略，行人、车辆、驾驶员之间相互影响，导致公共交通、小汽车交通、步行及自行车交通等子系统之间的关系错综复杂、不定因素较多。同时，交通网络中的行人以及车流的运动和分布都是随机的，要探寻系统内部关系，确定系统中各因素的运动规律相当困难。

4 系统的运行规律

4.1 设施供应规模不断扩大

2015年底“上海城市轨道交通基本网络”全面建成，全网运营线路总长达618 km。地面公交的线路长度及线网长度同步提升，建制村公交线路覆盖率实现100%。轨道交通建设一步步推进，运营线路长度已增长至2020年的729 km。

4.2 客运总量稳步增长

公共交通客运总量已从2011年的491 180万人次发展为2020年的596 921万人次，客运量连创新高。如图2所示。

图2 上海市公共交通系统客运总量变化图

4.3 结构继续演变，轨道交通成唯一增长极

如图3所示，4种公共交通方式中仅有轨道交通保持连续增长，目前公共客运量常态化超过5 000万人次。从2013年开始轨道交通逐渐取代地面公交成为公共交通最主要的承载方式。

图3 公共交通日均客运量比较（不含轮渡）

5 系统评价与改进

5.1 基于层次分析法对上海市公共交通系统评价

5.1.1 建立评价指标体系

深入分析上海市公共交通系统后，建立层次结构模型[5]，评价该系统涉及的因素有线网覆盖率、线路重复系数、城市线路密度等指标，将其划分为不同层次如表2所示。

表2 上海市公共交通系统评价指标体系

5.1.2 层次分析原理

（1）计算判断矩阵的原理。判断矩阵反映了人们对各因素重要性的认识，采用1～9及其倒数的标度方法，如1代表定义评价指标i和评价指标j，两者相同重要；3代表评价指标i稍重要；2表示重要性介于1、3之间，依次递推……而评价指标j和评价指标i相比，以标度Pij定义表为参考进行打分。判断矩阵P的基本形式如式（1）：

（2）计算权重的原理。

1）根据评价指标的重要性组成判断矩阵P，将列归一化后得到矩阵，各元素计算如下：

2）将判断矩阵按行相加，按行相加的结果为，并进行归一化后得到W：

3）计算判断矩阵P的最大特征根λmax：

对任意的i=1，2，……，n，式中(cw)i为向量cw的第i个元素。

4）进行一致性检验：

最后通过查找平均一致性指标RI，找到对应的RI值代入公式进行计算，只有当CR的计算结果小于0.1，才能说明判断矩阵设置准确，各评价指标权重取值合理。否则还需要重新构造判断矩阵，重复上述步骤，直到CR小于0.1为止。

5.1.3 层次分析计算

（1）计算判断矩阵的结果。通过上述原理以及专家打分计算得出准则层判断矩阵G以及指标层对基础设施条件准则层、运营服务质量准则层、乘客出行满意度准则层的判断矩阵C1、C2、C3结果如下：

（2）计算权重结果及检验。利用MATLAB软件，计算得出准则层权重YCm，（m=1，2，3）与指标层权重YAn，（n=1，2，…，12），如表3。

表3 准则层、指标层权重

进行一致性检验后，发现指标层全部通过一致性检验。

5.1.4 层次总排序

最后权重计算方法：

根据上海市公共交通系统的各项实际指标值，通过标准化处理，参考最终求得的权重值，根据各评价指标的分级评价标准表，可以将公共交通系统分为四个评价等级，对应得分为[90,100]、[75,90]、[60,75]、[0,60]。该文对上海市公共交通系统的各实际指标值进行打分，得到了无量纲化值。计算方法如下：

评价指标i的标准化值是Xi，评价指标i的最终权重是Yi，其结果见表4。

表4 上海市公共交通系统总得分表

从层次分析法对上海市公共交通系统发展评价指标体系的计算结果得到，准则层三要素按照重要性排序为：基础设施条件、运营服务质量、乘客出行满意度，因此基础设施条件评价最为重要。最有效的办法是在交通设施中强化轨道交通与公共汽（电）车网络的融合，保障公共汽（电）车的优先通行权，提高公共交通系统线网覆盖率，合理规划建设。

5.2 部分城市比较体系

依据上述的层次分析法评价原理，该文对全国其他重点城市进行分析并得到其排名，见表5。

表5 全国主要城市公共交通系统排名表

结果显示，相较于全国其他重点城市，上海公共交通系统目前发展状况较好，但仍然存在一些亟待解决的问题，特别是：

（1）公共交通与城市融合发展不够，中心城周边蔓延发展态势未得到有效控制。（2）对外交通辐射能力和服务水平有待进一步提升。（3）公共交通体系有待健全，整体运营效率有待进一步提高。

6 结束语

该文从系统目标、作用、特性、运行规律、系统评价五个方面分析了上海市公共交通系统发展现状，采用Spearman相关系数更好地解释公共交通系统与其他系统间的影响作用。另外，基于层次分析法建立了系统评价模型，收集了上海市公共交通系统评价指标体系，提出该系统现存问题，并在同一评价模型基础上再选取6个城市建立城市公共交通系统比较体系，进一步体现上海市公共交通当前发展状况，以便规划者进行更具体的交通优化。