基于速度和出行時(shí)間指數(shù)的道路機(jī)動(dòng)性評估方法及應(yīng)用
——以深圳市為例

鞠 煒 奇,楊 家 文,林 雄 斌

(北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院,廣東 深圳518055)

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基于速度和出行時(shí)間指數(shù)的道路機(jī)動(dòng)性評估方法及應(yīng)用
——以深圳市為例

鞠 煒 奇,楊 家 文*,林 雄 斌

(北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院,廣東 深圳518055)

采用出租車GPS移動(dòng)軌跡數(shù)據(jù),根據(jù)道路通行速度和出行時(shí)間指數(shù)(TTI)構(gòu)建一種城市道路機(jī)動(dòng)性的評估方法,為居民出行提供決策支撐。以深圳市為例,將該評估方法用于測算1 km×1 km均分方格區(qū)內(nèi)出租車的載客平均速度和道路機(jī)動(dòng)性,并引入出行時(shí)間指數(shù)計(jì)算道路機(jī)動(dòng)性的變化程度。結(jié)果表明,以速度和出行時(shí)間指數(shù)評估道路機(jī)動(dòng)性的空間差異及其動(dòng)態(tài)變化,能為評定道路機(jī)動(dòng)性提供決策支持。

道路通行速度;出行時(shí)間指數(shù);出租車GPS數(shù)據(jù);道路機(jī)動(dòng)性;深圳市

0 引言

城市交通系統(tǒng)在重塑居民出行方式和城市空間結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著重要作用。然而,隨著快速城市化和社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,大城市的交通問題尤其是其道路機(jī)動(dòng)性(road mobility)惡化帶來的時(shí)間延誤、經(jīng)濟(jì)損失和空氣污染等,逐漸成為新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的制約因素[1,2]。另一方面,居民通勤等日?！盎顒?dòng)-移動(dòng)”(activity-travel)對道路機(jī)動(dòng)性日漸依賴,交通理念也逐漸從傳統(tǒng)工程視角轉(zhuǎn)向人文視角,城市道路機(jī)動(dòng)性作為居民出行條件和出行能力的直接反映,已經(jīng)成為居民的一項(xiàng)基本生活權(quán)利以及理解城市交通問題的重要窗口之一[3,4]。例如,2009年歐盟委員會行動(dòng)計(jì)劃指出了城市可持續(xù)機(jī)動(dòng)性的重要性[5,6]。

道路通行速度能直觀反映道路基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)水平,而城市道路機(jī)動(dòng)性受到道路基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)水平和非暢通時(shí)段道路擁堵等因素的影響。因此,如何衡量道路擁堵狀況以及擁堵與道路機(jī)動(dòng)性的關(guān)系成為機(jī)動(dòng)性測算的重要方法之一。目前,國內(nèi)外大城市均積極開展機(jī)動(dòng)性評估及其交通規(guī)劃的實(shí)踐。在機(jī)動(dòng)性評價(jià)指標(biāo)中,國外主要有可持續(xù)機(jī)動(dòng)性指數(shù)[7-9],國內(nèi)各大城市也嘗試了不同算法的城市道路機(jī)動(dòng)性指數(shù),如基于擁堵里程比例(北京市)、基于出行時(shí)間(深圳市)、基于道路飽和度和行車速度(上海市)等方法計(jì)算擁堵和機(jī)動(dòng)性指數(shù)[10]。然而,這些評估指標(biāo)存在數(shù)據(jù)獲取較難、計(jì)算復(fù)雜和部分權(quán)重賦值的主觀性較強(qiáng)等問題,難以客觀精確地理解道路機(jī)動(dòng)性的變化及其對交通擁堵的影響,同時(shí)由于數(shù)據(jù)來源和計(jì)算方法不一致,難以在各城市間進(jìn)行量化對比。出行時(shí)間指數(shù)(Travel Time Index,TTI)由于具備較高的可比性,被廣泛應(yīng)用于美國各城市道路擁堵程度的評估[11-13],隨著基于位置服務(wù)(LBS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和空間分析方法的日益成熟,其在城市空間分析和城市交通規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用也更加廣泛[14,15]。因此,本文嘗試將出行時(shí)間指數(shù)拓展到城市機(jī)動(dòng)性評估中,并以深圳市為例,采用出租車GPS數(shù)據(jù)衡量道路機(jī)動(dòng)性及其變化程度,為中國各大城市道路擁堵和機(jī)動(dòng)性的量化對比提供新的方法。

1 數(shù)據(jù)描述與處理

出租車GPS數(shù)據(jù)為深圳市2011年4月18日(周一)至4月24日(周日)共13 798輛出租車的移動(dòng)軌跡數(shù)據(jù),車輛數(shù)占當(dāng)年出租車總量的93.64%。每輛出租車的GPS數(shù)據(jù)文件均以車牌號(name)命名,GPS點(diǎn)信號約每30 s發(fā)送一次,包含7個(gè)字段(表1)。

表1 深圳市出租車GPS數(shù)據(jù)字段信息及含義

Table 1 Field information and meaning of taxi GPS data in Shenzhen

字段名稱字段含義name車牌號time采集時(shí)間(YYYY/MM/DDhh：mm：ss，年/月/日/時(shí)：分：秒)jd經(jīng)度(東經(jīng))wd緯度(北緯)status客運(yùn)狀態(tài)(0=空載狀態(tài)；1=載客狀態(tài))v行駛車速(km/h)angle行車方向(0=東；1=東南；2=南；3=西南；4=西；5=西北；6=北；7=東北)

在剔除奇異數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,計(jì)算深圳市各方格區(qū)的平均速度和TTI。首先,將所有出租車GPS點(diǎn)的數(shù)據(jù)(.txt格式)轉(zhuǎn)存到PostgreSQL數(shù)據(jù)庫,然后剔除車速小于0、客運(yùn)狀態(tài)值非0也非1、行車方向不在0-7之間及經(jīng)緯度異常偏離的GPS奇異點(diǎn)。其次,通過SQL語句選出19日(周二)的出租車GPS點(diǎn)為研究對象,將深圳市域劃分為1 km×1 km的2 483個(gè)均分方格(簡稱方格),并將當(dāng)天的GPS點(diǎn)根據(jù)經(jīng)緯度坐標(biāo)投影到對應(yīng)方格。而后,建立19日暢通時(shí)段和早晚高峰期出租車GPS點(diǎn)和深圳方格網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)庫表,利用SQL和PostGIS的空間查詢語句計(jì)算每個(gè)方格內(nèi)載客GPS點(diǎn)的平均速度,并以此計(jì)算每個(gè)方格內(nèi)的TTI值。最后,以速度和TTI為評判指標(biāo),分析深圳市道路機(jī)動(dòng)性的空間差異和動(dòng)態(tài)變化特征,并進(jìn)行ArcGIS空間可視化表達(dá)。

2 指標(biāo)選取說明

由于不同時(shí)間和地區(qū)城市道路交通基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)水平存在差異,而靜態(tài)和單一的道路數(shù)據(jù)難以客觀評估城市道路的機(jī)動(dòng)性,這就需要具有時(shí)空多維屬性的指標(biāo)對其時(shí)空間的現(xiàn)狀通行能力和變化程度進(jìn)行測算。動(dòng)態(tài)的GPS移動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)具備數(shù)據(jù)的多元性和動(dòng)態(tài)性,能為時(shí)空行為的表達(dá)和分析提供有效的技術(shù)手段[16]。出租車GPS速度信息和基于此計(jì)算的TTI能滿足數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)性和精確性的需求。計(jì)算暢通時(shí)段深圳市每個(gè)1 km×1 km均分方格區(qū)內(nèi)的道路通行速度,以此判別其道路機(jī)動(dòng)性在暢通情形下的空間差異;再計(jì)算每個(gè)方格區(qū)早晚高峰期的TTI,研究其道路機(jī)動(dòng)性因時(shí)間上的動(dòng)態(tài)擁堵引起的變化。

2.1 道路通行速度

傳統(tǒng)道路通行速度的計(jì)算方法具有高成本和低精度的特點(diǎn)。在相同的道路上,出租車與道路中其他各類型機(jī)動(dòng)車的行駛速度趨于一致,其GPS數(shù)據(jù)格式規(guī)范統(tǒng)一,在代表性上具有科學(xué)合理性。因此,選取出租車GPS速度反映道路的通行速度(圖1)。此外,城市快速路、主干道、次干道本已體現(xiàn)了道路基礎(chǔ)設(shè)施水平的級差,但現(xiàn)實(shí)中同等級道路的各路段通行能力肯定有差別,且會隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化,高等級道路各路段的通行能力不一定都比低等級道路各路段的通行能力強(qiáng)。而實(shí)時(shí)的車輛速度信息可以體現(xiàn)各等級道路各路段動(dòng)態(tài)的道路通行能力,直觀反映出具體時(shí)(空)間的道路機(jī)動(dòng)性特征,具有良好的時(shí)空現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 深圳市19日各時(shí)段載客速度波動(dòng)

Fig.1 Loaded speed fluctuation of each hour in Shenzhen

2.2 出行時(shí)間指數(shù)(TTI)

作為衡量道路擁堵狀況的有效指標(biāo),TTI是指在交通擁堵情形下所花費(fèi)的出行時(shí)間與道路通暢情況下所需出行時(shí)間的比值。然而,道路基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)水平在不同時(shí)段各不相同,TTI在滿足上述出租車GPS速度信息的代表性和時(shí)空現(xiàn)實(shí)意義的同時(shí),基于其過程變量的特征屬性,能實(shí)現(xiàn)對各區(qū)域不同時(shí)段道路機(jī)動(dòng)性水平的動(dòng)態(tài)測評,使得道路機(jī)動(dòng)性在時(shí)空多維層面反映出道路的通行能力及其動(dòng)態(tài)變化程度。目前,基于出租車GPS的道路信息提取和空間分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于全國各大城市的交通實(shí)踐。利用GPS數(shù)據(jù)能提升道路通行速度和TTI值估算的精度,進(jìn)而有助于大城市道路機(jī)動(dòng)性水平及變化的對比。

3 指標(biāo)的測度

3.1 速度的測度

為了更好地表達(dá)出租車的速度,本文界定了兩種類型的速度。第一類是每個(gè)出租車GPS點(diǎn)所記錄的速度(簡稱“點(diǎn)速度”),第二類是城市道路的通行速度(簡稱“通行速度”)?？瓦\(yùn)狀態(tài)下的空載和行駛狀態(tài)中的停滯(點(diǎn)速度為0)會拉低以出租車平均點(diǎn)速度表征的道路通行速度,需明確這些點(diǎn)是否包含在通行速度的計(jì)算范圍內(nèi)。對于空載,司機(jī)會環(huán)顧四周尋找等待上車的乘客,導(dǎo)致其行駛速度偏低(早高峰期空載出租車的平均點(diǎn)速度為16.2 km/h,遠(yuǎn)低于載客出租車22.9 km/h的平均點(diǎn)速度)而應(yīng)排除在計(jì)算范圍外;對于停滯,無非是遇紅燈停車和道路擁堵導(dǎo)致車輛無法前行這兩類影響道路通行能力的主要客觀因素,應(yīng)包含在計(jì)算范圍內(nèi)。因此,選取剔除無效數(shù)據(jù)后的所有載客GPS點(diǎn)的平均點(diǎn)速度代表各時(shí)段的通行速度,公式如下：

(1)

3.2 出行時(shí)間指數(shù)(TTI)測度

TTI是擁堵時(shí)段和暢通時(shí)段行車速度的比值,需要相對明確的時(shí)空范圍。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),深圳市19日0：00-7：00點(diǎn)的速度處于當(dāng)天的高位,而7：00-9：00點(diǎn)和17：00-19：00時(shí)段速度顯著下降(圖1)。據(jù)此,定義0：00-7：00為暢通時(shí)段,將其速度作為暢通的基準(zhǔn)參照速度,7：00-9：00為早高峰時(shí)段,17：00-19：00為晚高峰時(shí)段。則相對于暢通時(shí)段的基準(zhǔn)速度,計(jì)算19日早、晚高峰時(shí)段各方格的TTI值,公式如下：

(2)

4 基于速度和TTI的道路機(jī)動(dòng)性判別

4.1 基于速度的道路機(jī)動(dòng)性空間差異判別

《中華人民共和國道路交通安全法實(shí)施條例》(2004)規(guī)定機(jī)動(dòng)車在道路上行駛不得超過限速標(biāo)志和標(biāo)線標(biāo)明的速度。在沒有限速標(biāo)志、標(biāo)線的道路上,機(jī)動(dòng)車不得超過下列最高行駛速度：1)沒有道路中心線的道路,城市道路限速為30km/h,公路為40km/h;2)同方向只有1條機(jī)動(dòng)車道的道路,城市道路限速為50km/h,公路為70km/h。深圳市的高速公路最高限速主要以80km/h(鹽排、鹽壩、清平、水官高速等)和100km/h(機(jī)荷、梅觀高速)為主。據(jù)此,將速度劃分為[0,30]、(30,50]、(50,80]、(80,100]、(100,+∞)5個(gè)區(qū)間,并據(jù)此將暢通時(shí)段的道路機(jī)動(dòng)性分為“差([0,30])、一般((30,50])、較好((50,80])和好((80,+∞))”4種類別。

暢通時(shí)段道路的通行能力能得到充分發(fā)揮,車輛的行駛速度可直觀反映出其所行駛區(qū)域的道路機(jī)動(dòng)性。深圳市19日暢通時(shí)段的原特區(qū)外(主要包括龍崗區(qū)和寶安區(qū))快速路穿行區(qū)機(jī)動(dòng)性好,而城市次干道或支路集中的關(guān)內(nèi)中心區(qū)、龍華新區(qū)及龍崗中心區(qū)因通行車輛超出路網(wǎng)的承載水平,機(jī)動(dòng)性差;其他區(qū)域則主要因?yàn)榈缆返燃壍?沒有形成路網(wǎng),機(jī)動(dòng)性一般。各區(qū)域所分屬的機(jī)動(dòng)性類別與其對應(yīng)的道路基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)等級或通行能力契合度較高,說明速度能有效判別道路機(jī)動(dòng)性的空間差異。

4.2 基于TTI的道路機(jī)動(dòng)性動(dòng)態(tài)變化判定

道路機(jī)動(dòng)性的變化水平反映了道路機(jī)動(dòng)性的惡化或改善的程度。TTI判定道路機(jī)動(dòng)性動(dòng)態(tài)變化可以直觀反映各區(qū)域不同時(shí)段內(nèi)機(jī)動(dòng)性水平的變化程度,據(jù)此判定道路交通的服務(wù)水平在哪些區(qū)域下降,也可迅速發(fā)現(xiàn)道路通行能力惡化的區(qū)域并及時(shí)改善。在基于出行時(shí)間指數(shù)的道路機(jī)動(dòng)性類別劃分上,深圳市交通運(yùn)輸委員會的交通指數(shù)將比暢通情形下多花費(fèi)0.3～0.6倍、0.6～0.9倍、0.9～1.2倍和1.2倍以上的時(shí)間分別定義為基本暢通、緩行、較擁堵和擁堵(http://szmap.sutpc.com/conginfo.aspx)。據(jù)此,將TTI值為1.3以下、1.3～1.6、1.6～1.9、1.9～2.2、2.2以上的方格分別對應(yīng)為機(jī)動(dòng)性穩(wěn)定區(qū)(Ⅰ區(qū),下降23.1%以內(nèi))、下降較微弱區(qū)(Ⅱ區(qū),下降23%～37.5%)、下降較明顯區(qū)(Ⅲ區(qū),下降37.5%～47.4%)、下降明顯區(qū)(Ⅳ區(qū),下降47.4%～54.5%)和機(jī)動(dòng)性惡化區(qū)(Ⅴ區(qū),下降54.5%以上)共5類變化區(qū)。通過深圳市早高峰期各方格TTI的計(jì)算發(fā)現(xiàn),大部分區(qū)域的機(jī)動(dòng)性保持穩(wěn)定或微弱變化,且以特區(qū)外為主;而特區(qū)內(nèi)的福田、羅湖等中心區(qū)以及南山前海地區(qū)的機(jī)動(dòng)性下降明顯或惡化;機(jī)動(dòng)性下降較明顯區(qū)則呈現(xiàn)無規(guī)律的零散點(diǎn)狀分布。

為使TTI值更具代表性,剔除途經(jīng)車輛數(shù)低于100的方格后,發(fā)現(xiàn)早高峰的機(jī)動(dòng)性惡化區(qū)正好集中分布在新安街道至南山區(qū)、民治街道至福田區(qū)、布吉街道至羅湖區(qū)等三大關(guān)口處,且其呈現(xiàn)出并排分布多個(gè)方格的特點(diǎn)有力說明了早高峰入關(guān)車流集聚造成的擁堵具有較強(qiáng)的空間延續(xù)性。

5 結(jié)論與討論

本文采用出租車GPS移動(dòng)軌跡數(shù)據(jù),以道路通行速度和出行時(shí)間指數(shù)構(gòu)建了城市道路機(jī)動(dòng)性的評估方法,并將其應(yīng)用于深圳市,測算1km×1km均分方格區(qū)內(nèi)出租車的載客平均速度和道路機(jī)動(dòng)性。計(jì)算結(jié)果表明,速度表征的道路機(jī)動(dòng)性能較好地反映出道路基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)際通行能力及其空間差異;TTI表征的道路機(jī)動(dòng)性惡化程度也能較好地體現(xiàn)出高峰期各區(qū)域道路機(jī)動(dòng)性的變化特征。這種評估方法能有效測算道路機(jī)動(dòng)性的空間差異及其動(dòng)態(tài)變化,為評定道路機(jī)動(dòng)性和制定交通完善策略提供決策幫助。在數(shù)據(jù)量上驗(yàn)證了以小樣本的出租車GPS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算的速度和TTI值能有效代表道路中所有車輛的實(shí)際通行速度和機(jī)動(dòng)性水平,在靜態(tài)的空間分布和動(dòng)態(tài)的時(shí)間變化上,實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)實(shí)道路基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)水平的動(dòng)態(tài)測評。

上述研究表明,速度和TTI可作為各城市間可量化、可對比的機(jī)動(dòng)性動(dòng)態(tài)信息評價(jià)指標(biāo)。然而,實(shí)際應(yīng)用中仍有一些問題需要解決。首先,雖然以小樣本量的出租車平均載客點(diǎn)速度代替道路中所有車輛的行駛速度以及通過出租車的TTI值反映道路機(jī)動(dòng)性的變化程度具有合理性,但仍會與現(xiàn)實(shí)的道路通行狀況存在一定的偏差。其次,無論是以速度反映出某區(qū)域的通行能力差還是以TTI反映某區(qū)域道路服務(wù)水平的惡化程度,尚停留在問題描述層面,仍需深入分析機(jī)動(dòng)性下降的原因。此外,在未來研究中,可繼續(xù)基于出租車GPS移動(dòng)軌跡的時(shí)空間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),進(jìn)行高精度的時(shí)空表達(dá)和分析,更好地應(yīng)用于城市交通出行和交通規(guī)劃研究。

[1]SCHRANKD,EISELEB,LOMAXT.UrbanMobilityReport[R].Texas:TexasA&MTransportationInstitute,TheTexasA&MUniversitySystem,2012.

[2]SWEETM.Trafficcongestion′seconomicimpacts:EvidencefromUSmetropolitanregions[J].UrbanStudies,2014,51(10):2088-2110.

[3] 潘海嘯.中國城市機(jī)動(dòng)性20年發(fā)展的回顧[J].國外城市規(guī)劃,2005,20(3):41-45.

[4] 趙守諒,陳婷婷.城市·休閑·機(jī)動(dòng)性：基于城市休閑發(fā)展的一組思考[J].城市發(fā)展研究,2010,17(5):108-113.

[5]MAYAD.EncouraginggoodpracticeinthedevelopmentofSustainableUrbanMobilityPlans[J].CaseStudiesonTransportPolicy,2015,3(1):3-11.

[6]DEMISSIEMG,CORREIAGHA,BENTOC.Exploringcellularnetworkhandoverinformationforurbanmobilityanalysis[J].JournalofTransportGeography,2013,31:164-170.

[7]CHAKRABARTTYA,GUPTAS.TrafficcongestionintheMetropolitanCityofKolkata[J].JournalofInfrastructureDevelopment,2014,6(1):43-59.

[8]MIRANDAHF,SILVAANR.Benchmarkingsustainableurbanmobility:ThecaseofCuritiba,Brazil[J].TransportPolicy,2012,21:141-151.

[9]HUGINGH,GLENSORH,LAHO.Needforaholisticassessmentofurbanmobilitymeasures——Reviewofexistingmethodsanddesignofasimplifiedapproach[J].TransportationResearchProcedia,2014,4:3-13.

[10] 淑健,楊敬鋒.國內(nèi)外交通擁堵評價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法研究[J].公路與汽運(yùn),2014(1):57-61.

[11] TEXAS TRANSPORTATION INSTITUTE,THE TEXAS A&M UNIVERSITY SYSTEM,BATTELLE MEMORIAL INSTITUTE.International Border Crossing Truck Travel Time for 2001[R].Texas:Texas A&M Transportation Institute,2002.

[12] CAMBRIGE SYSTEMATICS,TEXAS TRANSPORTATION INSTITUTE.Traffic Congestion and Reliability[R].Massachusetts:Cambridge Systematics,Inc Texas Transportation Institute,2005.

[13] PETERSON L.WSDOT′s Quarterly Performance Report on Transportation Systems,Programs,and Department Management[R].Washington:Washington State Department of Transportation,2014.

[14] 趙永,王巖松.空間分析研究進(jìn)展[J].地理與地理信息科學(xué),2011,27(5):1-8.

[15] 隋殿志,葉信岳,甘甜.開放式GIS在大數(shù)據(jù)時(shí)代的機(jī)遇與障礙[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2014,33(6):723-737.

[16] 趙瑩,柴彥威,陳潔,等.時(shí)空行為數(shù)據(jù)的GIS分析方法[J].地理與地理信息科學(xué),2009,25(5):1-5.

Measuring Road Mobility by Speed and Travel Time Index and Its Implication:A Case Study of Shenzhen

JU Wei-qi,YANG Jia-wen,LIN Xiong-bin

(SchoolofUrbanPlanningandDesign,PekingUniversity,Shenzhen518055,China)

In this paper,a new method to calculate urban road mobility was constructed based on average speed and travel time index (TTI)by using loaded taxi GPS data.It then takes Shenzhen as case to study the feasibility of this method to estimate urban road mobility in 1 km×1 km evenly divided squares.This research finds that this road mobility measurement presents certain effectiveness and also provides potential planning implications for individual travel decision-making.

road speed;travel time index;taxi GPS data;road mobility;Shenzhen City

2015-02-22;

2015-05-18

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41371168);深圳市海外高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(KQCX20130628093909157)

鞠煒奇(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槌鞘袇^(qū)域交通規(guī)劃與政策。*通訊作者E-mail:yangjw@pkusz.edu.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.05.014

F291.1;P228.4

A

1672-0504(2015)05-0065-04