抽象性

在可持续运输系统方面,以往研究要么只侧重于运输系统,要么没有使用方法处理与可用数据相关联的不完整、模糊和定性信息这项研究建议系统建模法和模糊逻辑建模法SOS系统包括交通活动环境系统模糊逻辑建模方法使处理某些相关数据含混性成为可能性能指数为每个系统使用数度性能计算PIs说明系统综合性能以及系统间交互性拟方法还帮助估计复合可持续性索引汇总总体SOS综合性能现有数据用于分析全美的可持续性显示交通与活动系统呈正向性 并有相似增长与收缩期环境系统则逆向模式结果直觉化并关联到一系列历史事件,如经济萧条以及政策修改和规范

开工导 言

1.1.后台

随着全世界经济发展快速增长,用于支持全球经济的资源受到压力,包括石油、煤炭、银水当前世界以前所未有的速率消耗能源根据2005年数据,全世界每年使用约306亿桶石油一号..估计显示世界总储备量接近1.3万亿桶,到2047年将耗竭[2..石油和煤炭等不可再生自然资源的有限性对环境系统造成压力并最终减少后代资源可用性因此,关键是要制定规划和业务战略,力求可持续地使用现有自然资源。

开发可持续的系统及其相应的规划策略需要适当定义可持续性以及量化、限定和评估可持续性机制量化可持续性提出了相当大的挑战,从数据可用性到适当方法处理信息不等。多项研究已建立不同计量法量化可持续性3..Bell和Morse表示4可持续性主要通过三大构件测量:(一) 时间尺度,(二) 空间尺度和(三) 系统质量时间空间尺度分别对应分析周期和感兴趣地理区域另一方面,系统质量与系统整体性能或状态量化相对应为了量化系统质量,已在生物和生命科学、水文学和运输等各种领域开发可持续性指标哈尔格和迈耶5SIS应简单化、多样性化、敏感化、及时化、量化和无障碍化博赛尔6提议系统化方法开发21个环境特征SI方法显示系统无法独立生存,若干外部因素可能干扰边界一些研究争论与可持续性考量相关联的方方面面[7,8..

系统真正可持续状态显然需要所有相关相互依存子系统/部门和组件层次,这样自然经济资源的消费和影响不会耗竭或破坏这些资源。因此,系统状态评估需要整体分析,以便考虑所有相关部门和影响。然而,用于研究运输系统可持续性的现有方法不够全面,无法包括环境、经济以及全社会等其他系统的关键交互作用举例说,当前运输系统规划在数目、精度、长度和同时考虑重要特征的方法方面有限,这些特征包括能源消耗、排放、意外事故、拥塞、可靠性、经济增长以及人类健康等社会影响即现有实践只考虑某些效果,估计近似九九分析周期相对短约30年10..此外,这些效应综合的唯一基础是近似货币考量,这些考量不大可能完全捕捉效果,例如排放或温室气体的经济成本[11,12..例例Zheng等[3描述各种系统指标时主要考虑经济方面研究为量化运输可持续性经济领域提供了宝贵洞察力,但主要侧重于运输部门。

以不同部门、影响和可持续性方面为重点的多项研究中,以下关键特征已成为可持续系统的根本特征:i)持续时间[13,14;二)开发当代人需求而不损及后代人需求15;三)利用资源而不损害其健康和生产率16;四)开发提高生活质量17万事通并第五大类经济、生态、社会和生物物理成分同化资源生态系统[18号,19号..

关于可用于估计SIs的方法,多项研究提出了不同方法建议。举个例子,多标准决策和分析层次进程技术建议考虑多项标准并估计相关SIs20码-26..MCDM方法选择或排行不同的预设替代方法并基于离散决策23号..传统MCDM技术假设标准定义清晰、确定(确定性而非随机性)并独立现实中,标准通常涉及随机性和相互依存性。此外,MCDM模型中的某些方面主观性MCDM使用权值总包含一些不确定性AHP基础思想是将相对重要性的主观评估转换为全权或分数组比例表由Saaty推荐27号使用线性代数计算权值权值与矩阵最大值相关联元素egenvale法因缺乏优先排序和一致性而受到研究人员的批评28码..此外,在添加新标准时还可能出现排名倒置问题。由于上述原因,方法中僵化尺度的理论基础也值得置疑29..曾尝试解决其中一些限制计算MCDM和AHP中的权值需要大量数据以及对研究系统先验或专家知识此外,不同地区可能需要不同的权值捕捉局部条件

鉴于复杂性、相互依存性、非线性、模糊性以及与各种因素相关联的不完整信息在考虑系统可持续性时普遍涉及,一些研究采用了模糊集论概念开发SIs[30码-32码..Awasthi等[三十三使用模糊技术排序优异理想情境方法评价运输系统使用局部或不完整信息的可持续性Opricovic和Tzeng34号使用模糊多标准模型评价震后土地利用规划开发建模方法处理定性或不完整信息Mendoza和Prabhu35码应用模糊逻辑评估可持续森林管理的标准和指标此外,线性汇总技术合并多项指标刘家宝36号尝试整合MCDM和模糊逻辑技术评价环境可持久性146个国家的环境可持续性计算、排名并分组研究范围广,处理多变量和指标仅环境方面的可持续性评价不考虑任何其他与交通或活动系统相关的SI类似Prato37号讨论模糊逻辑方法评价生态系统可持续性数据需要和缺乏技术知识是本研究的重要问题。Marks等[38号使用模糊逻辑技术开发评估可持续农业理论框架研究争论模糊逻辑优于传统MCDM技术研究的一个重要特征是分析中考虑的系统范围有限。

1.2.运动动机

运输系统可持续性分析显然需要广泛视角,包括各种系统,如经济体系和政治体系、社会体系和环境体系从这个角度出发,便能考虑生物多样性、人的健康、生活质量和预期寿命等相关方面。此类分析需要大量数据以及开发适当SI的方法虽然并非所有数据都可用,但可以从世界银行、联合国、运输统计局和U等组织获取大量相关信息S.环境保护局

模糊逻辑已被持续处理相关数据关键特征时使用,但其使用并未与广义视角相伴并发,并计多重系统为了明确考虑相关数据的重要广度特质和特征,本研究建议系统系统[SOS三十九和模糊逻辑建模方法SOS系统包括交通活动环境系统模糊逻辑建模方法使处理某些相关数据含混性成为可能性能指数为每个系统使用数度性能计算PIs说明系统综合性能以及系统间交互性拟方法还帮助估计复合可持续性索引汇总总体SOS综合性能

PIs计算时强调运输系统,同时明确考虑并计算另外两个相关并受影响的系统PIsPIs计算基于多性能测量并分辨度不等多分辨率多单元特征是所考虑系统固有特征

论文组织如下段内2描述三大互为依存系统:运输、活动和环境系统段内3汇总本研究中模糊逻辑方法段内4信息提供学习区和数据分析结果解析解析5.部分政策视角解析6.段内7提供结论和对未来工作的建议

二叉互依赖系统

在可持续性方面,很难隔离系统或将分析范围缩小到特定区域运输等不同系统与包括经济和环境在内的其他系统互为依存举例说,能源资源是环境系统的一部分,运输部门和经济均需要这种资源。因此,影响能源消费或生产的任何政策或策略都至少对运输、经济和环境产生影响。研究明确考虑并定义三大互连系统:运输系统、活动系统和环境系统

2.1.运输系统

运输系统包括所有基础设施、车辆、运营商和控制策略,用于向人民提供运输服务并移动产品整体运输系统包括所有运输方式,包括公路、转口和流空模式现有文献使用多项度量描述或评估运输系统性能Lomax等[40码识别数度拥塞,如行程时间、全段延时、走廊移动指数、延迟比和相对延迟率路阻指数使用容量和容量提供拥塞度量41号..道路拥塞指数超过1.0表示平均拥塞水平在峰值期间不可取黑市42号主构分析研究多性能度量关系,包括车辆游历(VMT)、旅行时间、运动性能、碰撞、油耗和排放结果表明VMT是可持续性方面最重要的单项因素。高VMT值并不一定表示高拥塞类似路拥塞指数 VMT需要与相应容量并用因此,VMT每行道是一个理想性能尺度此外,过境客里程和人均相交数可视地理位置作为重要性能尺度因此,在选择性能计量时,应同时考虑供求两方面。

交通服务索引是一项性能计量法,力求量化乘运部门向留职运输部门移动的客运量43号..索引每月报告一次,可与经济指标并用分析经济与运输部门之间的关系另一项有趣的性能尺度是个人交通费包括机动车辆零件、汽油和交通服务转口公共基础设施投资是另一项重要的性能尺度视可用数据而定,以上性能计量数可部分或全部用于开发运输系统PI拟议的建模框架模块化并非常灵活,以便能够无缝地纳入额外性能计量法

2.2.Activity系统

先前的研究描述活动系统为社会、经济、政治和其他事务并发时空44号,45码..交易创造并决定运输需求举例说,诸如天然气税或VMT收费等经济政策变化会改变运输需求在这次研究中,活动系统由社会、文化、卫生相关和经济/金融方面组成任何国家社会经济发展常用指标是国内生产总值然而,联合国开发计划署(开发署)[46号推荐使用人类发展指数,因为它包含经济繁荣所有基本和必备维度指数衡量一国平均成绩时考虑(一) 健康长寿或预期寿命获取知识或教育索引宽度生活标准,用人均国民总收入衡量期望寿命指预期儿童平均生存年数,假设死亡率不变46号..教育指数包括一生平均受教育年数和预期儿童入学年数,假设恒定入学率国民总收入将一国的国内生产总值同从别国所得的收入合并计算,少向别国支付类似款项其中一些索引或指标在本研究中用于开发活动系统PI

2.3环境系统

环境系统包括空气、水、土壤和所有其他自然资源以及所有受运输和活动系统影响和/或使用的生物体在美国,联邦公路局和环境保护局的数据表明,过去30年来运输系统排放量大幅度下降,尽管VMT、国内生产总值、人口和就业方面有重大增益[47..这是因为1973年引入了清洁空气法并出现了节能车辆。然而,工业和化学等其他部门多年来产生二氧化碳排放量增加,从而影响气候变化。

环境可持久指数由耶鲁大学和哥伦比亚大学创建48号..指数单指人类健康和环境知识,世界经济论坛推广该指数索引目前被认为是测量环境可持久性最强工具ESI使用76个变量,包括空气污染、与人类健康有关的排放、环境因素、水污染和资源最小化此外,它包含与国际协定有关的响应因素,如保护灭绝物种、限制使用自然资源、限制释放污染物和生物多样性保护

2006年ESI成为环境性能指数自那以来,EPI每两年出版一次EPI的主要成分是环境健康和生态活力计算EPI时使用的政策权值大致百分比可归纳如下:气候变化25%空气污染17%水污染17%生物多样化和栖息地4%林业4%渔场4%农业4%

3级方法论

本节详细框架本研究使用建模法

Fuzzy逻辑概念由LotfiZadeh于1965年介绍这是一种处理数据的方式,允许部分集成成员而非crips集成成员或非集成成员49号,50码..模糊逻辑为基于模糊、模糊、不精确、吵闹或缺失输入信息得出确定结论提供简单高效方式在当前研究中,多项性能计量合并计算,并使用模糊逻辑计算相应的PIPI系统独立计算三大系统它们的相互依存性嵌入数据中,后文在结果和讨论一节中加以说明。考虑向量性能测量X级系统化J大全输入时使用以下三个步骤计算相应的PI:(1)推理步骤(2)、聚合步骤和(3)解构步骤

3.1.推理阶梯

推理阶梯使用if-th规则和相关成员函数开发并捕捉不同性能度量数(输入量数)与PI(输出量数)之间的逻辑关系

3.1.1if-th规则

...if-th规则指逻辑语句基于对系统观察和专家知识开发...if'段左侧或前列输入使用...接二连三部件右侧或后台与输出相关举个例子if-th规则如下

if[VMT/车道高,TSI中型,个人交通费低],则[TSPI高]

如此规则所示,为建立输入和输出之间的逻辑关系,LHS和RHS都与高LLL三套模糊相联表2一号显示集if-th本研究使用规则计算TSPI此处使用三种性能度量法,即VMT/单车道V级ii)TSI,个人交通开支ss系统/年需要时,如果相关数据可用,可使用额外性能度量法相应的规则加到表中已为每个PI开发相似规则,以覆盖所选系统性能度量法和对应PI之间的所有可能关系交通活动系统各有3项输入和27项规则,环境系统则有4项输入和81项规则

3.1.2成员函数

PI量化估计需要了解系统性能计量与对应PI之间的相互依存关系考虑到运输、活动和环境系统的复杂性,这需要知识有限、模糊和有时模棱两可模糊逻辑提供数学构造综合所有可用知识并开发有意义的PI估计...if-th规则与成员函数组并用,根据现有知识和数据将性能度量与PI成员函数用于定义与输入和输出相联的级别或程度研究中三大成员函数与每项输入和输出相关联,图解显示一号.三角成员函数本项研究使用,因为它们易于定义只需要三个参数:模点、上宽度和下宽度此外,由于其概念和计算简洁性,三角混淆数常用于实用应用30码,51号,52..成员函数域与LHS相对应,定义基础是相关性能测量的绝对值PI与RHS相对应域规范化,以便使用简单 范围.图一号显示成员函数计算TSPI相似函数定义为另外两个PI

曾次if-th规则与成员函数定义 Mamdani最大值组成运算符和Mamdani最小值运算符用于模糊推理步骤50码..三大输入计算TSPI TSI和 匹配成员函数使用if-th规则判定激活程度度 每项规则 激活 )通过使用获取 TSI和 和最大运算符显示一号) 去哪儿 表示全域模糊集 TSI和 脱机并 成员函数方程分解2)表示TSPI获取的模糊结果成员函数,使用最小隐含运算符

3.2聚合步骤

聚合阶梯表示所有模糊输出集汇总if-th规则总计 规则计算TSPI定义聚合步由3:

3cm3解构步

聚合阶梯输出使用所有定义规则合并所有可用信息然而,需要解析输出,才能为对应PI获取单晶值,在本案中为TSPI重力中心法50码中插图4)用于解析步法: 去哪儿 中心为TSPI设置,由RHS规则提供 脱机并 计算成员函数区域为模糊集

4级研究区和数据

可持续性考量难分解系统并缩小分析范围至特定运输系统或区域环境系统、活动系统甚至运输系统所受的影响显然跨区跨界此外,可用数据解析水平可能限制局部分析因此,为说明拟议方法,不失泛性,使用美国作为研究区类似的分析可面向其他地区,最理想的是面向全地球在本案中,分析期为20年,从1990年到2010年

三个性能计量法3本研究TSPI估计数据取自交通统计局43号..ASPI包括联合国提供的下列性能计量法46号:i)国民总收入吉尼亚市);二)教育索引城城);三)预期寿命le)

环境系统性能指数基于下列性能度量i)二氧化碳排放百货公司)[53号;二)空气污染物公元前)[54号;三)水污染物w)[55号;四)能源消耗ec)[56号..

5级结果与讨论

图2显示运维系统规范性能度量度和性能索引VMT/千行道历史趋势从1990年到2008年很明显,除1990至1991年期间外,趋势正在上升这可能归结于每个时段的衰退57号,58码..2005-2006年期间,VMT开始下降很可能是由于油价上升59号..TSI趋势覆盖1990-2010年TSI基年=100取2000年图显示2000至2002年TSI下降,2002年911恐怖袭击发生2001年客运量减少2008至2010年期间,金融危机导致严重衰退,对TSI产生后果,图解显示2.个人交通开支包含在1995-2010年期间很明显,1995-2005年支出增长是经济发展的结果。2006年,由于天然气价格上涨,开销开始下降,每加仑4美元后期,2007-2010年金融危机导致交通相关活动支出下降

图2并显示1990至2009年运输系统性能指数的历史趋势scripst值 -axis使用前段讨论的模糊方法获取越近TSIPi到1越好 运输系统性能越好值接近0时性能差Cripst值只能作为对比替代物和假设物的相对度量使用无法用它评估系统可持续性的绝对值很明显,TSPI在2005至2006年经济蓬勃发展期间拥有最优值,1990至1991年期间最小值TSPI曲线模式与VMT/lane里程和TSI一致即TSPI随VMT/Lane里程和TSI的增加而增加Genier表示59号2005-2006年油价上涨导致VMT下降并推广替代交通方式,如转车和汽车搭配,以及使用效率更高的车辆

图3显示活动系统规范性性能度量度和性能索引平均年人均收入趋势提供自1990年至2010年趋势增加,1999年以前增长率高回收率自2000年技术破解后开始下降,后又称Dot-ComBuble,后继2006年下降,后继住房危机后于2006年下降。值得注意的是,与前几十年相比,过去十年的收入增长率较低。

平均年度教育指数趋势提供自1990至2010年指数自1990至2000年开始增长,主要原因是发明新技术与创新,使美国保持教育前沿地位。此外,新一波技术革命以创业形式出现。科学、工程和医学学科也看到了新时代的生长与发展教育指数2000-2004年略微下降的原因尚不清楚。平均年预期寿命趋势提供自1990年至2010年平均预期寿命从1990年的74岁增长到2010年80岁增加可归因于医疗设施技术进展和数十亿美元用于研发新药有效药

图3并显示1990-2010年活动系统性能指数趋势自1990年至2000年,该指数开始增长,这是经济发展的结果。从2000年技术崩溃和2001年恐怖袭击开始,经济活动开始下降,直到2003年底才恢复自2003年以来,活动系统开始上升趋势,2007年达到峰值2007至2009年金融危机导致经济活动急剧下降,往往与1930年代大萧条持平。2009年标志从衰退中“官方恢复”阶段

图4显示环境系统规范性能度量度和性能索引二氧化碳排放趋势提供自1990至2008年除1990-1991年这一全球政治动荡和高通胀时期外,因技术崩溃和911攻击2005-2006年高气价2007-2008年金融危机趋势空气污染物提供自1990年至2008年1973年引入清洁空气法后,空气污染急剧减少。此外,引进创新技术,如混合电动车辆和电池电动车辆等,多年来已导致空气污染减少。

水污染物趋势提供时间从1997年到2005年这一趋势随时间下降,原因是创新高效废物管理技术英国四叉热单元平均年耗趋势提供自1990至2008年这一趋势显示1990-1991年金融危机期间能源消耗下降自1991年以后,能源消耗开始上升趋势,最后于2007年达到峰值但由于911恐怖袭击和2006年高油价,2001年和2006年能源消耗都短时下降。恐怖袭击导致旅行下降和经济活动下降,高油价推广使用新电池驱动和混合车辆技术

图4并显示环境系统性能指数趋势从1990年到2008年如果ESPI值接近1 环境系统极优值接近0时系统质量极差ESPI最值发生于1990-1995年,当时经济发展因全球政治动荡和第一次海湾大战而减慢自2000年以来,质量开始提高,这可能是多段经济收缩的结果。再一次,2007年标志指数开始略微上升趋势,这是全球金融危机的结果。一般来说,在经济活动下降和/或石油价格高企期间环境改善此外,ESPI曲线遵循与二氧化碳排放和能耗一致模式即ESPI随二氧化碳排放和耗能的增加而下降

图5显示三大性能指数从1990年至2009年图中交通活动系统逐年递增趋势,并有相似增长和收缩周期环境系统则沿反向模式经济与交通部门增长预期同时发生!增长需要环境资源,从而增加排放和能源消耗

图5并显示复合可持续性索引,该索引用于访问SOS使用此项研究的总体可持续性计算时使用拟用模糊逻辑法和运维环境系统性能索引CSI显示从1990年到1995年总体增长趋势然而,考虑到总体负斜度和ESPI相应下降,CSI在1995年显示一些负周期后不再继续增长,只有在ESPI有显著改善时才增加。基于这些观察结果和选择性能衡量方法,对环境的负面影响似乎与SOS总体可持续性的负面效果相关联。总体说来,在拟议框架下,如果相应的PI曲线斜坡显示非负斜坡,系统是可持久化的。类似地,整体SOS如果CSI斜坡非负值则可持续本文提出的轴心试图归纳我们基于所选性能度量法的观察有大量文献相似观察举例说,Young等[60码和Lahiri和Yao61号发现运输和活动系统沿循铅渣阶段模式,环境系统逆向连接另两个系统下轴可假设评估SOS的可持续性或不可持续性(1)SOS持续使用时TSPI、ASPI和ESPI总斜率呈正向这是一种理想假想,所有系统都出现正增长,并意味着不需要不可再生自然资源来维持交通和经济的增长(2)SOS不可持久化时TSPI和ASPI斜坡呈正向,ESPI斜坡呈负向i/i/i/i一般说来,当三坡中至少一个总趋势为负时SOS不可持续3级SOS可持久化时TSPI、ASPI和ESPI总斜坡有非负趋势环境假设是可持续的,因为所有交通和其他社会活动可持久持续而环境系统不退化虽然这种假想优于不可持续状况,但它可能代表不稳定平衡,很容易变得不可持续。

6级政策透视

本节讨论研究SOS可持续性的一些政策选择其中一些选项过去已经实施,显示部分效果多重利害相关方目前正在考虑其他选项图6插图五大政策选项可提高性能并支持SOS的可持续性破折盒对应三大系统,灰盒表示每个系统内性能尺度,建议策略用矩形框描述这些政策对某些性能度量和系统产生直接和间接影响仅通过图中的箭头显示拟议策略的直接效果6.间接效果结论目前不成熟故此不在此讨论每项策略描述如下:

非机动化和代用交通模式使用
这项政策包括推广非机动交通方式,如自行车,使用替代单车驾驶方式,如转车和拼车这项政策的成功取决于多重因素,包括土地使用可能需要在中心商业区附近建立通勤易行开发此外,改变旅行需求模式取决于用户偏好和态度以及方便性实施这一政策的预期结果包括减少i)VMT62,63号空气污染、二氧化碳排放、能源消耗、卫生问题和自费费用节省的资金和资源可用于改善诸如教育和研究等部门,从而对国内生产总值产生进一步影响。

用法基础定价
目前,正在考虑实施VMT收费,作为替代当前燃料税的可行替代方法,以收集公路维护所需资源64码..这项政策还可促进减少VMT,并带来所有其他相关后果然而,这项政策面临数个部署问题和验收问题

技术适配
快速工业化和技术革命多年来减少了排放举例说,燃煤厂使用高效锅炉将有助于减少二氧化碳排放、污染和能源消耗65码,66号..减少污染将减少与健康有关的问题

替代燃料使用如压缩天然气
以二氧化碳形式使用代用燃料将减少二氧化碳排放和污染67号,68号..通向绿色净化环境69并所有相关福利 健康,经济 和生活质量在美国,天然气储量大于石油储量70码..因此,从环境经济的角度来看,这项政策似乎合情合理。唯一的缺陷是与改装车辆和供应链相关时间和费用

创新车辆技术
传统电动车辆替换混合电动车辆将减少二氧化碳排放和不可再生燃料消耗71号..汽车制造者对这项政策特别感兴趣72..此外,联邦政府提供税收奖励在美国开发制造锂离子电池

最理想的是,在部署和通过前评价每一项政策其中一些正在由多个机构和部门分析本研究中拟议框架描述性而非规范性因此,它只能用于理解过去政策的有效性和效益目前,拟议框架扩展,以便能够进行规范分析,以便评价前文描述的替代政策等潜在政策

7结论

以往关于可持续交通的研究要么只注重运输系统,要么没有使用方法处理问题背景中存在的不完整、模糊和定性信息这项研究采用了综合方法计算SOS性能指数,包括交通、活动和环境系统性能指数合成计算复合可持续性索引以评价整体SOS的可持续性考虑到复杂性、模糊性、非线性、定性和不完整信息特征化性能和复合可持续性指数量化,使用模糊逻辑法计算这些指数历史事件和政策变化显示模糊逻辑为估计性能指数和复合可持续性指数提供了适当方法

美国分析结果显示交通活动系统多年来都呈正向趋势,相近增长和收缩周期相似。环境系统反向模式似乎直觉化,因为经济运输增长期预期会对环境产生负面影响,导致排放和能源消耗增加总的来说,环境系统性能随时间推移显著下降。保护系统政策显示正效果环境系统当前性能值得置疑,需要制定长期政策

此处提供的结论基于使用有限性能量度所得结果增删性能计量法预期会改变结果和结论总的来说,采取整体方法后,预期使用相关性能衡量法越多,分析法就越全面和准确。可使用拟议方法开发交通、活动和环境系统的可持续性规划业务政策考虑到当前在区域和司法级规划决策的做法,本研究使用框架目前扩展,以便能够分析大都市区等区域系统开发模拟方法估计计算适当性能指数所需的多重性能度量