我国高铁建设的利弊评估体系.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date我国高铁建设的利弊评估体系我国高铁建设的利弊评估体系2011三峡大学校内数学建模竞赛承 诺 书我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们完全明白,在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式(包括电话、电子邮件、网上咨询等)与队外的任何人(包括指导教师)研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道,抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料(包括网上
2、查到的资料),必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺,严格遵守竞赛规则,以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为,我们将受到严肃处理。我们参赛选择的题号是(从A/B/C/D中选择一项填写): B 我们的参赛报名号为(如果赛区设置报名号的话): 所属学校(请填写完整的全名): 三峡大学 参赛队员 (打印并签名) :1. 王能淼 2. 杨华 3. 谢伟 指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名): 日期: 2011 年 5 月 14 日赛区评阅编号(由赛区组委会评阅前进行编号):2011三峡大学校内数学建模竞赛编 号 专 用 页赛区评阅编号(由赛区组
3、委会评阅前进行编号):赛区评阅记录(可供赛区评阅时使用):评阅人评分备注校内统一编号:全校评阅编号:中国修建高铁利弊的定量评估摘要本文是一个对中国修建高铁利弊的定量评估问题,文中运用模糊数学中模糊决策方法分析同一层的各个因素关于上一层中的某一准则的重要性(或贡献值)隶属度,采用层次分析法建立系统的数学模型,并在问题的判断矩阵分析中,合理运用群组决策方法,使决策更具科学性。文中在方案层选取武广高铁作为评估对象。通过官方和媒体,我们收集了2011年元月以来与高铁有关的数据,如武广(高铁、普快、汽车、飞机)的时价表,武广高铁等的经济投入、安全性等。我们从效益和代价两方面来分析建设高铁的利与弊。为了更
4、好的发现高铁的利与弊,从横向上,同时分析了普快、汽车、飞机四种交通运输工具在相关因素上(利益和代价)的相关系数,接着通过利益和代价的比值,看出四种交通运输工具在诸多因素综合情况下的优劣,最后得到的结果为:方案效益总排序代价总排序效益代价比V高铁0.3436170.2545751.349767普快0.2537670.2882260.880445汽车0.1049780.2006750.523124飞机0.2976510.2564871.160492可以得到高铁的效益代价比最高,利大于弊。最后,我们根据所求得的效益代价比,对中国修建高铁写了一篇利弊评估报告。关键词:层次分析法 模糊决策 群组决策 中
5、国高铁的利弊 效益代价比1. 问题重述1.1问题背景 中国这几年高铁发展很快。自2008年8月1日,中国第一条具有世界先进水平、运营时速350公里的京津城际铁路正式开通运营。2009年12月26日,世界上里程最长、运营时速350公里的武广高速铁路开通运营,成为中国高速铁路发展的又一里程碑。2010年2月6日,世界上首条修建在大面积湿陷性黄土地区的郑西高速铁路开通运营,中国西部结束了没有高速铁路的历史。2010年7月1日,世界上标准最高、里程最长、运营速度最快的城际铁路沪宁城际高铁开通运营。目前,我国已成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最
6、大的国家。我国高铁的快速发展,一方面缩短了旅客旅行时间,产生了巨大的社会效益;对沿线地区经济发展起到了推进和均衡作用;促进了沿线城市经济发展和国土开发;沿线企业数量增加使国税和地税相应增加;节约能源和减少环境污染等。但从另一方,也引起了人们对高铁能否带来很好的效益的怀疑:高铁的高额票价令普通老百姓生畏,从这一点不符合民生要求,百姓会不会“被高速”被迫承受高铁的高票价?另外,从官方数据看来,我国在高铁建设投资出现亏损,面临许多未能解决的问题,我国的高铁建设能否健康持续的发展?高铁的建设会不会对生态的保护产生影响?这些都是值得我们思考的问题。1.2需要解决的问题选择一个一条高铁线路,建立数学模型,
7、利用互联网数据,定量评估中国修建高铁利弊。2. 模型假设1. 假设所收集的各方面的数据均具有一定的准确性;2. 假设其他突发事件的影响可以忽略;3. 假设节假日对高铁、普快、汽车、飞机等的影响可以忽略;4. 假设所选取的因素具有代表性,对决策分析和确定必不可少;5. 假设未选取的因素对问题的决策的影响可以忽略。3.符号说明A目标层效益Bi准则层效益因素Ci子准则层效益因素Di方案层交通工具S目标层代价Ei准则层代价因素Fi子准则层代价因素因素i对因素j的重要性质比第k层因素i的权重最大特征值方案层在效益目标层A的排序向量=()方案层在准则层B的排序向量方案层在代价目标层S的排序向量=()方案层
8、在准则层E的排序向量V方案的效益代价比4.问题分析4.1问题的决策分析从问题的分析中,我们的关键问题是确定以什么作为标准来衡量我国建设高铁的利弊,需要从哪些因素来支持我们的决策。我国兴建高铁,既带来巨大的效益,其中主要包括经济效益、社会效益以及环境效益,但同时国家也付出了巨大的代价,与效益类似,代价中有经济代价、社会代价及坏境代价。很显然,我们的期望是兴建高铁所获得的效益能够超过代价,国家从中获益。那么我们的问题转化成讨论高铁的效益是否超过代价,从而说明高铁是否有前景,是否利大于弊。但另一个问题是,即使我们能够得出高铁的效益大于代价,即效益与代价的比值大于1,但还是不能很好而有力的说明高铁就是
9、一种好的决策方案。因为如果我们还可以得出有另一种交通工具比高铁更具有前景,更能被人们接受,国家理所当然应发展这种交通工具,而不是高铁。所以问了更有利的说明问题,我们从横向角度选取并分析了另外三种常用交通工具:普快、汽车和飞机。我们可以比较这四种交通工具的效益代价比,确定大小顺序,从而最终给出一个最佳方案,为决策给出正确的依据。5数据的收集与分析5.1数据收集(1)2011年(元月4月)武广路线主要交通工具的信息(数据来至对百度百科数据的整理)武广路线各交通工具比较表(表5.1.1) 交通工具高铁普快汽车飞机里程(km)106910691255873票价(元)490140341930运行时间(小
10、时)3.7512.1816.751.5载客量(万人/天)2.2023.8310.7800.252所用燃料电能煤汽油柴油(2)高铁、普快、汽车、飞机四种交通工具的安全性(主要考虑年死亡人数,数据来自百度百科)安全性比较(表5.1.2)交通工具每年死亡人数高铁趋于0普快1350汽车2530万飞机1385(3)对高铁、普快、汽车、飞机四种交通工具投入的资金(数据来自中国铁路官网、百度百科)(表5.1.3)交通工具投入的资金(亿元)高铁1166普快96.76汽车23飞机110.25.2数据分析由于上述数据的收集涉及类型比较广,有必要做一些处理:1.高铁的票价此处考虑二等车厢的值;2.普快,汽车,飞机均
11、只计入其中的一种票价;3.运行时间忽略晚点、迟开的时间,即取平均运行时间;4.载客量考虑2011年元月到四月的平均日载客量;5.安全性主要考虑年平均死亡人数;6.投入的资金主要考虑固定的投资总额。6模型的建立与求解6.1.建立系统的递阶层次结构通过分析系统中各因素间的关系,来建立系统的递阶层次结构,将问题的预定目标作为目标层,中间层次是准则层(包含子准则层),最低层为决策的方案。在对问题全面分析后,我们分别给出问题的效益和代价层次结构图(如下图所示)目标层 效益A经济效益B1社会效益B2环境效益B3准则层节能环保进出方便自豪感交往沟通安全可靠建筑就业舒适当地商业线商业 收入节省时间 飞机D4方
12、案层高铁D1汽车D3普快D2目标层 代价S环境代价E3经济代价E1社会代价E2准则层交通拥挤 对生态的破坏排放物居民搬迁生活方式的冲击操作维护投入资金对其他交通工具的冲击方案层飞机D4高铁D1普快D2汽车D36.2.构造判断矩阵,作出权重分析。建立了问题的递阶层次结构后,需要对同一层的各个因素关于上一层中的某一准则的重要性(或贡献值)进行两两比较,构造两两比较的的判定矩阵:A=,计算出每个指标的相对权重值。6.2.1.效益判断矩阵建立及权重分析我们根据同一层利益因素对上一层的贡献值的不同,给出如下指标评定贡献值的判定表等级135792,4,6,8贡献值相同贡献值稍高贡献值明显偏高贡献值强烈偏高
13、贡献值绝对偏高贡献值介于个等级之间根据指标评定贡献值的判定表,结合实际数据,可以基本确定出同一层的各个因素关于上一层中的某一准则的重要性(或贡献值)隶属度,然后得到相对权重值,产生判断矩阵。实际数据表明,对于经济因素来说,高铁和飞机能节约更多的时间,武广线路,高铁仅需3小时46分钟,而飞机仅需1小时30分钟,飞机的时间效益是高铁的两倍;高铁和普快能提供更多的建筑就业岗位,每年能提供比飞机、汽车多近两倍的就业岗位,并且对沿线商业起了巨大的推动作用。对于社会效益来说,普快、飞机、高铁能很好的促进社会的交流沟通,飞机、高铁更具安全可靠。对于环境效益来说,飞机、高铁明显的比普快舒适,高铁使用电能,节能
14、环保,绝对优于其他交通工具。由此我们定量定性的得到了效益的判断矩阵(见附录表1-表15)。6.2.1.代价判断矩阵建立及权重分析我们根据同一层代价因素对上一层的代价程度的不同,给出如下指标评定贡献值的判定表等级135792,4,6,8代价相同代价稍高代价明显偏高代价强烈偏高代价绝对偏高代价介于个等级之间按照效益判断矩阵建立同样的步骤,可以分析得到代价判断矩阵。鉴于对实际数据的分析,对于经济因素来说,国家对高铁投入很高的代价,且操作维护代价也较高。对于社会代价,汽车的交通拥挤给社会产生的代价最高;高铁和普快基础设施建设,需占用较多的土地。而对于环境代价,根据燃料和运行的空间的不同,可以知道,汽车
15、的排放物较严重,普快次之,由此我们可以定量定性的得到代价的判断矩阵(见附录表16-表27)。6.3.计算总排序权重,并作组合一致性检验6.3.1.计算效益总排序权重,并作组合一致性检验将附录表五表九以所得到的经过归一化后的特征向量所构成45的矩阵,和由表二中对准则层经济效益的权量向量构成的51矩阵做乘法,结果是四种交通工具在B1层的排序(如下图)(表6.3.1)DC四种交通工具在B1层的排序C10.3993C20.2036C30.1254C40.2319C50.0398D10.27880.43750.41180.31250.40920.340794D20.09580.31250.35290.4
16、3750.27210.258417D30.06770.06250.17650.06250.04550.078195D40.55770.18750.05880.18750.27330.322597下面给出四种交通工具在B1层的总体一致性检验: 0.1此结果说明四种交通工具在B1层的排序有非常满意的一致性。 按照同样的步骤我们得到了四种交通工具在B2、B3层的排序以及总体一次性检验,结果如下:(表6.3.2)DC四种交通工具在B2层的排序C60.6483C70.2297C80.1220D10.36840.35000.35000.361929D20.26320.30000.15000.257843D
17、30.21050.10000.05000.165537D40.15790.25000.45000.214692此结果说明四种交通工具在B2层的排序有非常满意的一致性。(表6.3.3)DC四种交通工具在B3层的排序C90.3090C100.1095C110.5816D10.30430.18750.36000.323936D20.21740.31250.20000.217715D30.08700.43750.12000.144581D40.39130.06250.32000.313867此结果说明四种交通工具在B3层的排序也有非常满意的一致性。最后可以根据表(表6.3.2)、(表6.3.2)和(表
18、6.3.2)得到的四种交通工具在准则层B的排序构成43的矩阵,和由附录表一准则层B对总目标效益A的权重向量构成的31矩阵做乘法,结果就是四种交通工具在目标层效益A的总排序。(表6.3.4)B四种交通工对总目标A的排序B10.6667B20.2222B30.1111P10.3407940.3619290.3239360.343617P20.2584170.2578430.2177150.253767P30.0781950.1655370.1445810.104978P40.3225970.2146920.3138670.297651此结果说明四种交通工具在总目标效益层A的排序也有非常满意的一致性
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