大城市氢能公共交通战略选择的多准则决策框架

《International Journal of Hydrogen Energy》：A multi-criteria decision-making framework for strategy selection in hydrogen-based public transportation in metropolitan cities

　　阿莱娜·萨欣|梅利克·卡里|内齐尔·艾丁|埃尔图格鲁尔·阿伊尔迪兹
土耳其特拉布宗，黑海技术大学工业工程系

摘要
随着大都市地区寻求低碳、可持续的交通解决方案，向基于氢能的公共交通系统转型越来越受到重视。然而，大规模实施仍受到经济、基础设施、监管和运营等方面的限制。本研究提出了一种基于费马模糊集的综合多准则决策框架，用于在不确定性条件下为土耳其大都市识别最合适的氢能转型策略。障碍权重通过费马模糊层次分析过程确定，而替代策略则通过费马模糊综合距离排序法进行评估。研究结果表明，经济和财务障碍是最具影响力的障碍类别（占比0.2779），其中高额资本投资需求（占比0.0791）以及投资风险和需求不确定性（占比0.0718）是最为关键的子障碍。此外，研究表明公私合作策略是最高效且最具可扩展性的转型路径。在60种不同权重情景下进行的敏感性分析进一步证明了该框架的稳健性与稳定性。

引言
城市交通系统的脱碳已成为实现大都市地区可持续交通的重要目标。城市公共交通在减少温室气体排放方面发挥着关键作用，因为它能够降低对私人汽车的依赖，并提高人口密集城市的能源效率[1,2]。在这一转型过程中，基于氢能的交通技术因其零尾气排放特性以及与可再生能源系统的兼容性而被视为可行的替代方案[3,4]。由于操作灵活性和环境优势，氢燃料电池巴士已成为大都市交通车队的潜在替代选择[1,5]。

除了在城市交通中的环境效益外，氢能技术还逐渐成为更广泛能源转型路径中的重要组成部分。绿色氢能在气候中和战略中发挥着重要作用，因为它能够连接电力生产、工业和交通领域[6,7]。这些发展与全球可持续发展目标相契合，尤其是可持续发展目标7、11和13，它们强调清洁能源转型、可持续城市和气候行动[6]。为确保氢能交通解决方案的长期可扩展性，整合氢能的生产与消费系统显得十分必要[8]。在这一更广泛的转型背景下，基于氢能的公共交通成为支持可持续城市交通的重要应用领域[5]。

尽管人们对这一领域的兴趣日益浓厚，但向基于氢能的公共交通系统转型仍面临诸多挑战，这些挑战不仅涉及技术准备程度，还包括经济、技术、制度及运营因素等[9,10]。由于氢能加注站数量有限且空间布局存在限制，基础设施的可用性始终是一个关键问题[11]。与经济可行性和长期需求预期相关的不确定性也可能进一步影响投资决策[4]。在大都市交通系统中，采用氢能还可能需要制度协调、基础设施兼容性以及长期规划能力[12,13]。这些情况表明，公共交通系统中的氢能转型应被视为受治理、经济、基础设施、能源供应和运营条件等多方面影响的多元转型过程[9,10]。在发展中国家，基础设施限制、投资约束和制度复杂性可能进一步加剧氢能转型的难度。在这种背景下，亟需结构化且综合的决策支持方法。

在土耳其，氢能最近已被纳入国家能源和交通规划中，作为更广泛脱碳努力的一部分[14,15]。但目前其在公共交通领域的应用仍然有限，仅处于早期试点阶段，相关基础设施建设也处于初步考虑阶段。此外，土耳其的大都市交通系统在结构和制度层面存在差异，这可能影响此类转型的实施[16,17]。

综上所述，这些特定背景下的观察结果与氢能交通领域的研究趋势一致，即研究重点往往集中在多元转型挑战上。许多氢能交通研究主要探讨氢能交通系统的技术可行性、环境性能或经济可行性等方面[1,4]。然而，在大都市公共交通领域，能够同时评估转型障碍与战略应对方案的决策框架仍然相对匮乏。这种情况凸显出需要结构化的决策方法，尤其是对于那些在规划氢能转型时必须同时考量财务风险、基础设施准备情况、治理挑战和运营不确定性的决策者而言[4,9]。包括监管复杂性、投资风险、基础设施缺口、能源供应连续性问题和技术不确定性在内的各种障碍都可能影响氢能转型进程。同样，包括协调规划机制、本地驱动的倡议、协作型治理结构以及激励型市场机制在内的战略方法也可能影响转型结果。因此，能够在不确定性条件下同时评估转型障碍与战略应对方案的决策框架仍然十分有限[10,12]。

为支持此类评估，本研究开发了一种基于费马模糊集的综合决策框架，用于在多种障碍和专家判断不确定的情况下分析氢能转型策略。与早期的模糊模型相比，费马模糊结构能够更灵活地体现不确定性和专家的犹豫态度。在该框架中，费马模糊层次分析过程用于确定氢能转型障碍的相对重要性，而费马模糊综合距离排序法则用于根据多准则性能评估不同的战略应对方案。将障碍优先级排序与策略评估相结合，为大都市公共交通系统中的氢能转型规划提供了结构化的基础。该框架旨在为复杂的氢能转型环境中的决策过程提供更加系统化和透明的支撑。因此，本研究的主要贡献可总结如下：
• 提出了一种结构化的评估视角，用于共同分析大都市公共交通系统中的氢能转型障碍与战略应对方案；
• 提出了一个结合费马模糊层次分析过程和费马模糊综合距离排序法的综合框架，用于解决氢能交通决策问题。据作者所知，这两种方法此前尚未在此类研究中结合使用，体现了该研究的方法学创新性；
• 通过费马模糊建模，能够更真实地体现不确定性和专家的犹豫态度，从而提升决策评估的稳健性；
• 通过在层次分析框架内采用一致的成对比较方法，增强了障碍优先级排序的可靠性；
• 确定了关键的氢能转型障碍，并为政策制定者和大都市交通规划者提供了战略建议。

与以往主要关注技术可行性、障碍识别或单一方法评估的氢能交通研究相比，本研究通过在一个决策框架内同时确定转型障碍的优先级并排序战略应对方案，提供了一种更为综合的视角。另一项方法学改进在于在费马模糊环境下结合使用层次分析过程和COBRA方法，这使得专家不确定性的表达更加灵活，对不同策略的评估也比传统的精确型或单阶段模糊方法更具区分度。在这方面，本研究不仅为大都市环境中的基于氢能的公共交通提供了新的证据，还为政策制定者和实践者提供了更具操作性和战略导向的决策支持框架。

本文的其余部分结构如下：第2节为文献综述，第3节介绍方法论，第4节呈现案例研究与敏感性分析，第5节阐述主要研究结果，最后第6节对全文进行总结。

文献综述
本研究利用Scopus数据库进行了系统性文献检索，旨在找出那些运用多准则决策方法研究基于氢能的交通挑战的相关研究。检索时使用了以下查询语句：
((“green hydrogen” OR hydrogen) AND (“adoption barrier” OR “deployment barrier” OR “implementation barrier?” OR barrier? OR challenge?) AND (transport? OR mobility OR “public transport?")) AND (“multi-criteria” OR MCDM OR DEMATEL OR AHP)

方法论
本研究的方法论旨在为在不确定性条件下系统、透明地评估基于氢能的公共交通策略提供支持。首先，通过广泛的文献回顾和专家咨询，确定一套全面的评估标准。随后，利用费马模糊层次分析过程来确定这些标准的相对重要性，该方法既能纳入专家意见，又能有效处理成对比较中的模糊性和犹豫态度。

案例研究
本案例研究聚焦于大都市城市中基于氢能的公共交通策略的实施情况，决策者需要在环境目标、经济可行性、技术准备程度和社会接受度之间取得平衡。大型城市面临着在保持高效可靠的交通系统的同时减少温室气体排放的日益沉重的压力。然而，向基于氢能的解决方案转型却受到诸多相互关联的障碍制约。

讨论
研究表明，大都市地区基于氢能的公共交通系统的推广并非单纯的技术问题，而是一个受金融、基础设施、监管、能源相关及运营因素等多方面影响的多元转型过程。研究结果表明，经济和财务障碍是最具影响力的因素，其次是基础设施和部署障碍。在子标准层面，高额资本投资需求、投资风险以及……

结论
将交通网络系统脱碳不仅应视为一个需要实现的目标，更是可持续城市生活的必然要求。因此，本研究旨在通过分析土耳其大都市在采用基于氢能的公共交通系统时所面临的复杂结构问题，制定出克服各种障碍的战略，以推动其大规模应用。为了避免简单的评估方法，本研究将经济、基础设施等因素结合起来……

生成式人工智能及人工智能辅助技术在本手稿准备过程中的应用声明
在撰写本手稿时，作者们使用了ChatGPT来提升语法水平、可读性以及语言流畅度。在使用该工具后，作者们对手稿进行了仔细审查和修改，并对其内容承担全部责任。

作者贡献说明
阿莱娜·萨欣：概念构建、数据整理、研究调查、资源获取、初稿撰写、审稿与编辑。
梅利克·卡里：形式分析、研究调查、方法论设计、资源获取、软件应用、可视化处理、初稿撰写、审稿与编辑。
内齐尔·艾丁：形式分析、项目管理、验证工作、初稿撰写、审稿与编辑。
埃尔图格鲁尔·阿伊尔迪兹：概念构建、研究调查、方法论设计、项目管理、监督工作。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。