第19卷第2期2021年06月
交通运输工程与信息学报
Journal of Transportation Engineering and Information
Vol.19No.2
Jun.2021
文章编号：1672-4747(2021)02-0101-09
耿灿欣，宋阳，吴翊恺
奉化市锦屏中学(南京理工大学，自动化学院，南京210094)
摘要：为了更加直观地观察超级高铁设想特征的优良等级，采用TOPSIS价值函数法对超级高铁的特征进行综合评判，并与模糊理论的评判过程与结果进行对比。首先，从“速度-安全性-舒适性-稳定性-经济性”的角度对影响超级高铁特征的因素进行分析，确立13个特征评判指标，建立超级高铁特征的评判指标 体系；其次，运用爛值法计算得到13个评判指标的权重系数；然后，结合TOPSIS价值 函数法和模糊综合评价法的适应性特点，分别对超级高铁的特征等级进行评判；最后，对两种评判方法进行对比分析，选取更适用于超级高铁特征评判的方法。评判结果表明，超级高铁特征等级为“良好”；两种方法相对而言，模糊综合评价法评价步骤较为简单，但评判过程中的主观性因素较多,TOPSIS 价值函数法的评判过程更加直观、客观、严谨，评价结果更具有说服力。此结果直观地反映了超级高铁特征的优越性，表明TOPSIS价值函数法在超级高铁特征综合评判应用中有较好的实用性。 关键词：超级高铁；特征评判；TOPSIS价值函数；模糊综合评价法
中图分类号：U238文献标志码：A DOI:10.3969/j.issn.1672-4747.2021.02.012 Comprehensive Evaluation of Hyperloop Characteristics Based on TOPSIS Value Function
GENG Can-xin,SONG Yang,WU Yi-kai
(School of A utomation,Nanjing University of Science and Tecnology,Nanjing210094,China)
Abstract:In order to observe the grade of the characteristics of Hyperloop more visually,the TOPSIS Value Function method is used to evaluate the characteristics of Hyperloop.Moreover,its evaluation process and results are compared with the Fuzzy Theory.First,from the point of view of“speed,safety,
comfort,stability, and economy”，this paper analyzes the factors that affect the characteristics of Hyperloop;in addition,it establishes13indexes and the evaluation index system of Hyperloop characteristics.Second,this paper calculates the weight coefficients of13indexes by the Entropy Method.Then,combined with the adaptability characteristics of the TOPSIS Wlue Function and Fuzzy Evaluation Method,the characteristic grade of Hyperloop is evaluated.Finally,the paper compares and analyzes the two evaluation methods to select the method more suitable for the evaluation of Hyperloop.The evaluation result shows that the grade of Hyperloop is"good：The evaluation steps of the Fuzzy Evaluation Method are relatively simple.
However,there are many subjective factors.The evaluation process of the TOPSIS Value Function Method is more intuitive,objective,and rigorous;in addition,the evaluation results are more convincing.This result reflects the superiority of the Hyperloop characteristics.Moreover,it shows that the TOPSIS Value Function
收稿日期：2020-09-06
基金项目：中国国家铁路局科研项目(YJ2018-009)；教育部人文社科科学研究项目(18YJAZH028)
作者简介：耿灿欣(1996—)，女，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向：交通运输工程、轨道交通规
划与管理，E-mail：gengcanxml216 @163
引文格式：耿灿欣，宋阳，吴翊恺.基于TOPSIS价值函数的超级高铁特征综合评判[J].交通运输工程与信息学报，2021,19(2): 101-109.
GENG Can-xin,SONG Yang,WU Yi-kai.Comprehensive Evaluation of Hyperloop Characteristics Based on TOPSIS Value Function[J].Journal of Transportation Engineering and Information,2021,19(2):101-109.
102交通运输工程与信息学报第19卷
Method has high practicability in the comprehensive evaluation of Hyperloop characteristics.
Key words:Hyperloop;characteristic evaluation;TOPSIS Value Function;Fuzzy Evaluation Method
0引言
超级高铁是一种以“真空管道运输”为理论核心而设计的交通工具42］。1904年美国学者罗伯特•戈达德提出了真空管道交通系统的设想［叫在波士顿到纽约之间建立一条真空管道铁路线，让磁悬浮列车在其中运行。1974年，瑞士的鲁道夫•里斯提出地下真空隧道磁悬浮列车的概念⑷，并受到瑞士洛桑联
邦理工学院专家的支持，于1992年成立了专门从事瑞士超高速地铁项目研发的Swissmetro SA公司。20世纪90年代美国机械工程师达里尔•奥斯特思考“真空管道运输”的可行性，并且在1999年为这一概念申请了真空管道运输系统的发明专利叫于2010年，奥斯特成立了致力于开发真空运输项目的公司ET3O2004年12月，西南交通大学召开了“真空管道高速交通”院士学术报告会，报告会对真空管道交通运输未来的发展及实用性、经济性等展开了讨论，拉开了中国学者研究真空管道运输系统的序幕。沈志云就管道压强、遮挡系数及其关键技术等基本问题，论述了我国发展真空管道高速交通的必要性和可行性同。2011年，在西南交通大学超导与新能源研究开发中心，一套完整的真空管道磁悬浮系统正式通过国家教育部专家组的验收，该系统可以模拟真空环境下的磁悬浮列车运行情况，真空管道磁悬浮列车的研究从理论进入到了试验阶段。自2010年起，美国相继成立了ET3、SpaceX、HTT等多家研发超级高铁的公司。2013年，美国电动汽车公司特斯拉CEO埃隆■马斯克对“真空运输”这一概念进行了丰富，发布了名为《超级高铁缘起》的白皮书⑺，介绍了他的超级高铁概念。2017年8月，中国航天科工公司在武汉宣布，已经启动时速为1000km 的“高速飞行列车”研发项目，后续还将借助航天系统工程丰富的实践经验和技术积累以及国际一流的超声速飞行器设计能力，研制最大运行时速为2000km和4000km的超级列车。
在大量学者投入超级高铁研究的同时，一些学者、公众也发出了质疑。例如，真空管道内外的压强差极大，现有的技术手段能否达到要求；超级高铁对各方面的要求极高，这就导致整套系统非常脆弱，
哪怕一个点失败，都有可能引发严重事故；超级高铁在实际运行时，由于涉及跨国运输，不同国家的协同管理难以解决。因此，超级高铁的综合评判迫在眉睫。目前，超级高铁的特征评判体系还不完整，为了更好地了解超级高铁的特征，笔者将借鉴高速铁路的评价体系和评价方法，建立超级高铁的特征评判体系，运用TOPSIS价值函数法以及模糊综合评价法对其进行评价，为超级高铁的特征评价提供科学依据。
1超级高铁特征评判指标体系
超级高铁的特征评判体系服务于运输企业和旅客，作为“第五种交通方式”的工具，影响超级高铁特征的因素多种多样，各子系统之间也会相互影响。超级高铁的特征评判指标体系的构建，应该遵循科学性、全面性、系统性、典型性、综合性等原则。依据上述指标选取原则，对超级高铁的特征进行分类统计解析，建立超级高铁特征评判指标体系，包括目标层、准则层、指标层。
对超级高铁的特征评判指标要符合一般交通运输工具的评价原则，并在评判过程中具有一定的代表性。首先，速度作为交通工具的本质属性，人类对它的追求从未停止，在超级高铁的特征评判体系中也要对速度进行评价；其次，无论
第2期耿灿欣等：基于TOPSIS价值函数的超级高铁特征综合评判103
哪种交通工具，安全都是首要的，出行的安全
可靠是旅客考虑的重要因素，张耀平等同分析
了真空管道运输安全问题的成因，在此基础上,
笔者将超级高铁的安全性作为其评判指标进行
评价，包括自然灾害、人为失误、脱轨等因素
对超级高铁安全性的影响；再次，在确保安全
的同时，舒适性也是评判交通工具特征优良等
级的因素，同时也是出行者选择出行方式的重
要因素，超级高铁的舒适性评价包括车内环境、
座椅舒适性以及噪声影响；然后，交通工具系
统的稳定性决定了其运行的连续性以及可靠
性，任何系统的不稳定都会导致行程中断甚至
发生交通事故，超级高铁稳定性的评价包括电
力系统稳定性、推进系统稳定性以及控制系统
稳定性；最后，经济性是建设超级高铁需要考
虑的条件之一，也是出行者选择交通工具的因
素，张耀平囱研究了管道断面尺寸对真空管道
交通建设成本与运营成本的影响，提出管道断
面尺寸是影响真空管道建设成本和运营成本的
主要因素，笔者从建设成本、运营成本和维修
成本三个方面对超级高铁的经济性进行评判。
超级高铁特征评判指标体系如图1所示。
速度卜
—
H安全性1
超
级
高
铁
特征评价指标体系―H舒适性］
—H稳定性卜
j经济性"!■
―H运营速度I ii
―H自然灾害影响|i2
—H人为因素影响I i3
―H脱轨可能性|14
—H车内环境I is
—H座椅舒适,~|is
―H噪声影响I i7
---H电力系统稳定極"I【8
―H推进系统稳定性I b
―H控制系统稳定性|iio
—H建设成本］in
—H运营成本~|112
---H维修成本I113
图1超级高铁特征评判指标体系
2基于不同方法的超级高铁特征综合
评判
目前在交通领域的综合评价有很多不同的埃舍尔矛盾空间
方法，主要包括层次分析法、模糊综合评价法、
灰关联系数法和价值函数法等。王迎暗等人运
用网络层次分析法（ANP）和模糊综合评判相结rbcc
合的模糊网络分析法（F-ANP）建立高速铁路运
营安全评价模型［则，对高速铁路运营安全情况进
行了评价；郑丽媛等人运用模糊综合评价法、灰
度关联法等综合集成方法建立了高速铁路运
营安全综合评价体系何；胡启洲等人基于价值函
数的城市道路交通安全测度模型［坷，对城市道路
的安全情况进行评价。在高速铁路及道路评价中,
大量学者采用了模糊综合评价法进行分析”-闵，
价值函数的应用较少。由于超级高铁特征评判指
标同时包含定性指标与定量指标，结合对各类评
价方法的分析，本文将采用价值函数法对超级高
铁的特征进行评判，运用爛值法确定评判指标的
权重，更加全面、系统地分析与判断数据，解决
指标中的不确定问题。并将模糊综合评价法作为
对比方法，分析比较两种评价方法的评判过程与
结果，判断价值函数法是否适合超级高铁特征评
判过程。
2.1基于TOPSIS价值函数法的超级高铁特征
综合评判
TOPSIS价值函数法为一种逼近于理想解的
技术，是一种多目标决策方法。该方法的基本思
路是定义决策问题的理想解和负理想解，然后在
可行方案中到一个方案，使其距理想解的距离
最近，而距负理想解的距离最远［16-19］o TOPSIS
价值函数法的评价步骤为：
Stepl建立决策矩阵/。设超级高铁特征评
判问题有加个目标，"个可行解，则根据原始数
据可构造决策矩阵—，其中各元素为砌。
104交通运输工程与信息学报第19卷
Step2计算得到规范化决策矩阵B。对超级高铁特征评判决策矩阵中的数据进行归一化处理，得到规范化的决策矩阵，其元素为為，且有：
(1)
Step3计算各指标的权重系数。针对超级高铁特征的各个评判指标，笔者运用爛值法计算各指标权重系数，具体步骤如下：
克伦威尔(1)对原始数据进行标准化。由于超级高铁特征评判各指标的量纲和数量级均有差异，所以为消除因量纲不同对评价结果的影响，需要对各指标进行标准化处理。邀请5位专家对13个评判指标进行打分，满分为10分。第$位专家对第/个指标的评分为x”(s=l,2,3,4,5；t=l,2, 3,-.12,13)，将原始数据心标准化后的数据记为儿,，则y st为：
九=兀厂ming)+i
st max(兀)-min(x5)
式中：min(xj为对第/个指标评分的最小值；max*)为对第t个指标评分的最大值。
(2)计算第s位专家对第t个超级高铁特征评判指标评分所占的比重:
5=1
(3)
(3)计算第t项超级高铁特征评判指标的爛值民：
5
E严-迄P佃p”(4)
5=1
式中：丘为常数，一般令丘=」-。
ln5
(4)计算超级高铁特征评判指标的信息爛冗余度D:
Dt=l_Et(5)
(5)确定超级高铁特征评判各指标的权重w t:
叫=(6)
t=l
Step4构造规范化加权决策矩阵Co超级高铁特征评判规范化加权决策矩阵中的元素c tj为：
勺=w,by(7)
Step5确定理想解C+与负理想解C~。如果超级高铁特征评判决策矩阵C中元素c，值越大表示方案越好，则超级高铁特征评判的正理想解为：
C+=|j=1,2,■■■,(8)超级高铁特征评判的负理想解为：
Step6计算每个方案到理想点的距离St和到负理想点的距离SI。从超级高铁特征评判的任意可行解G到正理想解C+的距离为St，到负理想解的距离为庚，则有：
Step7计算可行解对理想解的相对接近度R iO基于TOPSIS价值函数，超级高铁特征评判理想解的相对
接近度丘为
：
第2期耿灿欣等：基于TOPSIS价值函数的超级高铁特征综合评判105
Ri =
SI
S-+S-
(12)
若C；是理想解，则相应的尺=1；若G是负理想解，则相应的7?,=0o C，愈靠近理想解，R t 愈接近于1；反之，愈接近负理想解，丘愈接近于0。那么，可以对超级高铁特征评判的可行解与理想解的相对接近度尺进行排队，以求出满意解。
2.2基于模糊综合评价法的超级高铁特征综合
评判
水族繁殖
模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法。该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定
性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价[20-21]o它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。模糊综合评价法的步骤为：
Stepl根据样本矩阵确定各评价指标的权重系数。基于图1，笔者仍采用爛值法确定13个超级高铁特征评判各指标的权重系数，根据公式（2）〜（6）计算得到权重系数。
Step2确定评价等级。笔者将超级高铁的特征分为五个等级进行评价，即：
v=\y l,^v i,v…v5\
=｛优秀，良好，中等，一般，差｝（13）
对式（13）中的5个等级进行界定，按十分制打分。9分以上为优秀，表明超级高铁的各特征均符合国际标准，为建设者、出行者以及管理者广泛接受；7~9分为良好，表明超级高铁的特征基本符合国际标准，大部分建设者、出行者以及管理者可以接受；5~7分为中等，表明超级高铁的特征有小部分不符合国际标准，一部分出行者不会选择此种交通方式；3~5分为一般，表明超级高铁的特征大部分不符合国际标准，大部分建设者、出行者以及管理者不能接受此种出行方式；低于3分为差，表明超级高铁的特征基本不符合国际标准，不能投入运营。超级高铁特征评判的等级区间如表1所示。华夏艺术中心
表1超级高铁特征综合评判等级界定区间
评价等级界定区间
优秀（儿）[9,10)
良好（"）[7,9)
中等（几）[5,7)
一般（八）[3,5)
差（兀）（0,3）
Step3确定模糊关系矩阵。将专家打分方法与实地调查相结合，按照专家打分的比例得到超级高铁特征评判各指标的隶属度K”。例如，邀请专家对“速度”这一指标进行等级评分，其中，60%的专家认为等级为“优秀”，30%的专家认为等级为“良好”，10%的专家认为等级为“一般”，则得到“优秀”的隶属度0.6,“良好”的隶属度为0.3,“中等”的隶属度为0.1，汇总得到“速度”的隶属度（0.6,0.3,0.1,0,0），从而得到超级高铁特征评判的模糊关系矩阵K。
Step4确定评判等级。对超级高铁特征评判各指标的权重矩阵W和单因素模糊评判矩阵K 进行复合运算，得到超级高铁特征评判模糊综合评判矩结果G：
G=W K（14）最后按照最大隶属度的原则，确定超级高铁特征评判的最终评判等级。
3算例分析
根据已建立的超级高铁特征评价指标体系，邀请5位具有专业代表性的专家组成评价小组，
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