我國直轄市智能交通系統(tǒng)效益分析

宋 偉，趙樹良，朱東云

(中國科學技術(shù)大學公共事務學院，合肥230026)

1 我國交通系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對交通運輸能力的要求促使交通事業(yè)也得到迅速提升。雖然國家大力支持基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè)，一定程度上緩解了運輸能力短缺的問題，但是隨之而來的交通擁堵導致的運輸效率低下、交通事故的增加、城市環(huán)境的惡化等問題也日益嚴重。

1.1 公路管理水平低

據(jù)圖1，從2006年到2012年，我國實有城市道路面積增加了196 549萬平方米，總額每年都保持一定的增長;從圖2中，我們還可以看到城市人均道路和萬人擁有公共汽車量也是逐年增長的。但是我國公路的運輸效率極低，根據(jù)國家發(fā)改委綜合運輸研究所的研究結(jié)果，我國交通運輸效率綜合評價值僅為0.238，美國是0.648，日本是0.752。［1］究其原因，主要是管理水平太低。

1.2 城市環(huán)境問題日益嚴重和交通安全事故頻發(fā)

圖1 城市實有道路和實有公汽數(shù)量

圖2 城市人均道路面積和萬人擁有公汽數(shù)量

在環(huán)境問題方面，根據(jù)環(huán)保部2012年2月發(fā)布的環(huán)境空氣質(zhì)量標準(GB3045－2012)，國際空氣質(zhì)量二級標準為粒徑小于等于10微米的可吸入顆粒年均70微克/立方米，二氧化硫為年均60微克/立方米，二氧化碳為年均40微克/立方米。而據(jù)中國國家統(tǒng)計局2010年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，2009年我國31個主要城市空氣質(zhì)量方面，可吸入顆粒平均數(shù)值為95微克/立方米，二氧化硫平均值為43微克/立方米，二氧化碳平均值為40微克/立方米。經(jīng)測算空氣質(zhì)量達到或好于二級的天數(shù)總共為9 954天，平均每個城市為321.1天。因為大量資料研究表明，對人體危害最明顯的是直徑在2.5微米以下的顆粒污染物，而粗顆粒物(直徑為2.5微米以上)與人類的死亡率相關(guān)性不大。但是由于我國PM2.5從2013年年初才開始統(tǒng)計，因此全年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計暫時無法獲取。由此可見，作為發(fā)展中國家，我國環(huán)境問題不容樂觀。［1］

在交通安全方面，我國在2005年至2010年間，交通事故次數(shù)、事故死亡人數(shù)、事故受傷人數(shù)以及直接經(jīng)濟損失都呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，從這個絕對數(shù)上看，表明我國交通安全嚴峻形勢有所緩和。但是從平均每起事故死亡人數(shù)和受傷人數(shù)來看，除去2008年由于全國開展“迎奧運”道路交通秩序?qū)ｍ椪涡袆雍?010年酒駕入刑使平均每起事故受傷人數(shù)有極小下降外，以前年份均一直在增長。另外就交通事故的致死率而言，國外的致死率大大低于我國，如日本為0.9%，美國為1.3%，而我國的致死率則平均為27.3%，這主要是搶救不及時所致，因為80%以上的死亡者都是在交通事故發(fā)生后30分鐘之內(nèi)死去。如果我國能夠有效地應用智能交通系統(tǒng)，使交通事故受害者在受害的有效時間之內(nèi)得到急救，那么每年全國就可能少死6萬人。這充分表明我國交通安全形勢依然嚴峻。

表1 2005—2010年我國交通事故統(tǒng)計

由于城市的日益擴張和經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市居民的居住地和工作地分離較遠，而大多數(shù)上班時間的一致造成同一時刻道路交通量的猛增，摩托車和電動車的存在和缺少管制以及人的無節(jié)制的行為，無形中增加了居民出行的危險。城市擴張之后的交通布局方式影響城市環(huán)境的性質(zhì)和居民生活方式。我們需要合理的交通建設(shè)來改善人們的出行條件，促進社會的不斷發(fā)展。［2］

城市的日益擴張和經(jīng)濟的快速發(fā)展導致的盲目的交通建設(shè)勢必會影響到城市環(huán)境的平衡和發(fā)展?，F(xiàn)代城市更多的是快節(jié)奏和高壓力生活，為適應高速大容量機動交通，人與人在出行過程中交往的可能性變得很小，社會效益降低。

1.3 改善交通和環(huán)境的方法的限制

我們知道，傳統(tǒng)的解決城市擁堵的方法就是加大城市道路的建設(shè)，但是當城市發(fā)展到一定程度的時候，偏遠郊區(qū)的道路利用率低下，再繼續(xù)擴大城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)作用不大。美國學者亞當斯早在1662年就斷言單純的道路建設(shè)并非是解決交通矛盾的最好手段，只有在對道路交通中人、車、路三個主體關(guān)系的理性思考的基礎(chǔ)上，通過計劃、管理、控制等一系列活動才能最大限度地改善和提高交通設(shè)施的利用率。而ITS就是我們協(xié)調(diào)三者關(guān)系的有力工具。［3-4］

我們改善城市環(huán)境的措施也無非三種:一是制造控制途徑，就是在汽車尾氣裝置上加以改進，減少尾氣的排放，在這一方面做的最好的是日本，我國在這一方面處于世界中等偏下水平;二是規(guī)劃控制途徑，就是調(diào)整城市布局，通過城鎮(zhèn)各個功能區(qū)的調(diào)整和規(guī)劃，如結(jié)合道路布局和風向，利用城市綠化帶，最大限度減少城市環(huán)境污染;三是管理控制途徑，這其中又分為城市道路管理以及技術(shù)管理。目前，制造控制途徑和規(guī)劃控制途徑以及城市道路管理的挖掘空間已經(jīng)不大，已經(jīng)達到各自的極限水平。因此我們現(xiàn)階段更應關(guān)注技術(shù)管理。

2 智能交通如今的發(fā)展狀況

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)的概念是于1990年由美國智能交通學會提出，并在世界各國大力推廣。智能交通系統(tǒng)是整個交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，它是利用最先進的信息技術(shù)形成人(包括駕駛員和管理者)、路、車三位一體的全新交通系統(tǒng)，實現(xiàn)人、車、路三者的密切結(jié)合和統(tǒng)一，從而可以極大地提高交通運輸效率，保障交通安全，增強行車的舒適性，改善環(huán)境質(zhì)量，提高能源利用率，最終實現(xiàn)交通運輸?shù)纳鐣б孀畲蠡?。?jīng)過20多年的發(fā)展，智能交通系統(tǒng)已被證明是解決目前城市交通問題的最有效的手段。［5-6］

目前世界上智能交通系統(tǒng)發(fā)展比較好的屬美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)。如美國從20世紀60年代末開始智能交通研究，現(xiàn)在其智能交通普及和應用高達80%以上，不僅國內(nèi)各大城市實現(xiàn)了智能交通，而且在全國大部分鄉(xiāng)村也實施了智能交通建設(shè)。日本曾經(jīng)投入15億日元研制全國公路電子地圖系統(tǒng)，開發(fā)了車輛電子導航市場，已經(jīng)有近400萬套車內(nèi)導航系統(tǒng)在市場上應用。歐洲智能交通協(xié)會起草ITS在歐洲的部署計劃，該協(xié)會促進了智能交通在歐洲的迅速發(fā)展。如德國的交通實時監(jiān)控、比利時的智能紅綠燈、瑞典的“零遠見”智能交通計劃、英國的 RFID射頻識別技術(shù)等等。［7-8］

我國智能交通系統(tǒng)起步比較晚，20世紀80年代后期，我國才開始了ITS基礎(chǔ)性的研究和開發(fā)工作，90年代開始建設(shè)交通指揮中心，并開展了駕駛員信號系統(tǒng)、城市交通管理的誘導技術(shù)等方面研究。迄今為止北京市已初步建成4大類ITS系統(tǒng):道路交通控制、公共交通指揮與調(diào)度、高速公路管理、緊急事件管理。同時，在2008年北京奧運會期間，奧運路線、奧運場館周邊建有120處系統(tǒng)控制交通信號、80處電視監(jiān)控點、15套交通事件自動檢測系統(tǒng)、80套數(shù)字化視頻系統(tǒng)。此外，還建設(shè)了交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控、交通流檢測和交通違法檢測3個子系統(tǒng)。［9］

作為我國的經(jīng)濟中心，上海已建成覆蓋市區(qū)快速路網(wǎng)、郊區(qū)干線公路網(wǎng)、中心城地面路網(wǎng)，實施道路交通信息分級匯集、共享交換、應用服務等功能，建立了可以實行有效誘導、準確率達90%以上的系統(tǒng)。浦東已完成智能信號控制系統(tǒng)、交通誘導系統(tǒng)和道路標識系統(tǒng)三大智能交通系統(tǒng)建設(shè)，不僅駕駛員可根據(jù)誘導牌實時了解道路情況和繞行方案，行人也能通過道路標識牌方便地找到目的地，甚至連紅綠燈也能根據(jù)車流量自己調(diào)節(jié)信號時間。

而作為全國首批智能交通示范城市之一的廣州，智能交通系統(tǒng)構(gòu)建包括廣州市交通信息共用主平臺、物流信息平臺、靜態(tài)交通管理系統(tǒng)等智能交通系統(tǒng)的主框架。其中共用信息平臺已具有一定規(guī)模，實現(xiàn)了羊城通系統(tǒng)、線網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)、出租車綜合管理平臺、聯(lián)網(wǎng)售票系統(tǒng)、96 900個呼叫中心等多個子系統(tǒng)的連接，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分類和有效存儲、查詢、訂閱等相應的數(shù)據(jù)處理工作，實現(xiàn)了諸多的數(shù)據(jù)處理功能，提供了初步的交通數(shù)據(jù)服務功能。［10-11］

總體來說，我國智能交通發(fā)展水平不高。即使北京、上海、廣州等城市作為我國智能交通發(fā)展的先鋒，在技術(shù)水平和管理上與國外大城市都存在不小的差距，甚至有的城市連智能交通網(wǎng)站都沒有，或者有但是一些重要信息卻完全無法瀏覽。因此，如何發(fā)展我國的智能交通、提升我國城市的交通管理水平和效率是我國交通系統(tǒng)發(fā)展的當務之急。［12-13］

3 基于主成分分析的我國智能交通發(fā)展策略

3.1 數(shù)學模型

主成分分析是數(shù)學上對數(shù)據(jù)降維的一種方法。其基本思想是設(shè)法將原來眾多的具有一定相關(guān)性的指標 X1，X2，…，XP(比如 p個指標)，重新組合成一組較少個數(shù)的互不相關(guān)的綜合指標Fm來代替原來指標。那么綜合指標應該如何去提取，使其既能最大程度的反映原變量XP所代表的信息，又能保證新指標之間保持相互無關(guān)。

設(shè)F1表示第一個線性組合所形成的主成分指標，即 F1=α11X1+α21X2+… +ap1XP，每一個主成分所提取的信息量可用其方差來度量，其方差越大，表示F1包含的信息越多。因此在所有的線性組合中選取的F1應該是 X1，X2，…，XP的所有線性組合中方差最大的，故稱F1為第一主成分。如果第一主成分不足以代表原來p個指標的信息，再考慮選取第二個主成分指標F2，依此類推構(gòu)造出的 F1、F2、…、Fm為原變量指標 X1，X2，…，XP，第一、第二、…、第 m個主成分。即可以表示為:

Fi=α1iX1+α2iX2+… +αPiXP

主成分分析的關(guān)鍵是能否給主成分賦予新的含義，給出合理的解釋。因此，我們在進行實際分析的時候，應該根據(jù)主成分的結(jié)果結(jié)合實際定性分析來進行。

3.2 指標設(shè)計

任何城市的交通系統(tǒng)必然存在一定的效益，為了更好地分析交通系統(tǒng)的效益，在這里我們將交通系統(tǒng)的經(jīng)濟效益定義為城市交通系統(tǒng)帶來的道路成本的減少和道路中的人的成本的減少，其中包括道路建設(shè)成本、人的時間成本和物質(zhì)成本等等;社會效益我們定義為道路交通系統(tǒng)對社會的科技、政治、文化、生態(tài)、環(huán)境等方面所做出或可能做出的貢獻。基于概念，把整個智能交通系統(tǒng)能力分為以下7個解釋指標:降低城市道路建設(shè)成本額(X1)、降低城市擁堵成本額(X2)、提高城市環(huán)境質(zhì)量能力(X3)、減少的警力成本(X4)、節(jié)約的人力成本(X5)、減少交通事故死亡數(shù)(X6)和避免直接經(jīng)濟損失額(X7)。［14-19］

3.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

因為直轄市開展智能交通較早，且數(shù)據(jù)更容易獲得，而且四個直轄市行政地位一樣，如果和其余省份放在一起，可能對結(jié)果的可靠性有影響;雖然都是直轄市，但是政治中心北京和經(jīng)濟中心上海又存在一定的特殊性，我們可以比較這種特殊是否對我們最終的效益有影響，所以我們選取直轄市作為研究對象。直轄市的數(shù)據(jù)獲得的主要途徑是政府網(wǎng)站、交管局或環(huán)保局的工作報告、統(tǒng)計年鑒以及相關(guān)著作和論文。［1］

(1)把數(shù)據(jù)導入SPSS軟件，然后計算出相關(guān)矩陣R，然后再選擇Analyze進入Factor Analyze模塊，選中變量X1到 X7進入 Variables窗口，點擊OK，則可以得 Communalities、Total Variance Explained和Component Matrix的結(jié)果。

表2 Communalities(共同度)

表3 Total Variance Explained(總方差解釋)

表4 Component Matrix(成分矩陣)

(2)一般來說SPSS默認的是保留特征根大于1的主成分，從Component Matrix(成分矩陣)中，我們可以得到兩個主成分的線性組合，即:

在Y1中我們知道降低城市道路建設(shè)成本額、降低城市擁堵成本額、減少的警力成本和避免直接經(jīng)濟損失額的系數(shù)遠大于其他變量，所以Y1主要衡量的是提高經(jīng)濟效益的能力;Y2中主要是對提高城市環(huán)境質(zhì)量能力和減少交通事故死亡數(shù)的反映，主要解釋的是改善社會效益的能力。然后綜合看這些指標具有多大程度的可靠性。從Total Variance Explained中可以看出前兩個指標能夠解釋94.702%的內(nèi)容，即包含了原始數(shù)據(jù)94.702%的信息，對我們評價一個城市智能交通系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)有足夠的把握了。由上面兩個表達式我們可以算出四大城市智能交通經(jīng)濟效益和社會效益得分(見表5)。

表5 四大城市智能交通效益得分和排名

(3)再利用Total Variance Explained中的數(shù)據(jù)，得出總效益的式子為 F=0.65586Y1+0.29116Y2，從而可以算出所要評估的各個地區(qū)的智能交通系統(tǒng)的綜合得分，再由綜合得分看四大直轄市的效益，并對它們分項進行排名。最終總效益、經(jīng)濟效益、社會效益的排名如表5。

(4)綜合分項排名以及綜合排名，可以看出在四個直轄市中，上海的智能交通系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟效益最好，而社會效益最差;而天津的智能交通系統(tǒng)帶來的社會效益最好，經(jīng)濟效益最差。

4 結(jié)論

綜上所述，在今后智能交通的發(fā)展中，天津和重慶應該更多地關(guān)注怎么樣規(guī)劃城市建設(shè)，降低城市道路建設(shè)成本額;如何更好地提高城市道路通行速度，降低城市擁堵成本額;如何最大限度地利用科技，減少所需警力，降低警力成本以及最終減少交通事故發(fā)生率，降低直接經(jīng)濟損失額等。而北京和上海市則應關(guān)注城市環(huán)境的改善以及如何減少交通事故的死亡率，以提高城市居民幸福感，促進社會和諧。［20］

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