交通與城市形態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展研究

冷偉杰，杜牧青*，王 梅，徐蘭花

(1、河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210009；2、南京市城市與交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京210008；3、南京林業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

交通與城市形態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展研究

冷偉杰1，杜牧青1*，王 梅2，徐蘭花3

(1、河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210009；2、南京市城市與交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京210008；3、南京林業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

為了研究城市形態(tài)與城市交通之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，以南京市為例，根據(jù)《南京統(tǒng)計(jì)年鑒》中已有的數(shù)據(jù)，構(gòu)建城市形態(tài)與城市交通系統(tǒng)發(fā)展水平的評(píng)價(jià)體系和協(xié)調(diào)度模型。運(yùn)用均值化方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理和主成分分析法提取交通和城市形態(tài)系統(tǒng)的主成分因子，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)對(duì)協(xié)調(diào)度模型進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。運(yùn)用模型計(jì)算南京市2006～2014年不同年份的協(xié)調(diào)程度，最后進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，南京市近10年交通和城市形態(tài)都在不斷進(jìn)步，整體協(xié)調(diào)度較高，但是2010～2013年由于青奧會(huì)的原因，交通發(fā)展較快，協(xié)調(diào)度下降，2014年交通增速放緩，協(xié)調(diào)度回升。

交通發(fā)展水平；城市形態(tài)；評(píng)價(jià)體系；協(xié)調(diào)度

城市歷史學(xué)家芒福德曾經(jīng)認(rèn)為，城市的形成離不開(kāi)它的動(dòng)態(tài)部分，脫離開(kāi)這個(gè)動(dòng)態(tài)部分，城市就不可能繼續(xù)增加它的規(guī)模、范圍和生產(chǎn)力[1]。而這個(gè)動(dòng)態(tài)部分，就是指城市交通。每一次交通技術(shù)的進(jìn)步都會(huì)促使城市形態(tài)發(fā)生變化，以適應(yīng)交通發(fā)展；另一方面，城市形態(tài)作為交通需求產(chǎn)生的基礎(chǔ)，也會(huì)相應(yīng)地對(duì)城市交通系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響[2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)城市城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)張。城市的交通出行需求急劇增加，由此帶來(lái)的問(wèn)題極大地阻礙了大城市的發(fā)展。城市發(fā)展的目標(biāo)也由單一經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變?yōu)槌鞘薪?jīng)濟(jì)、環(huán)境、人文、資源等綜合目標(biāo)的最優(yōu)化?？沙掷m(xù)發(fā)展的概念為城市的發(fā)展指明了方向——堅(jiān)持速度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量效益相統(tǒng)一、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口資源環(huán)境相協(xié)調(diào)。交通與城市形態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展成為交通領(lǐng)域的研究方向[3]。

交通與城市形態(tài)一直是經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)，兩者之間存在著交互耦合的互動(dòng)關(guān)系。城市是現(xiàn)代社會(huì)人類(lèi)居住、交往、工作和生活的最主要的場(chǎng)所[4]。城市化是社會(huì)文明和現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，而城市形態(tài)是城市化的體現(xiàn)。交通是城市系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，交通運(yùn)輸條件的改善有時(shí)會(huì)成為城市“循環(huán)與累積效應(yīng)”的重要誘導(dǎo)劑和強(qiáng)大觸發(fā)力[5]。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，單一的片面的交通與城市形態(tài)發(fā)展已不適合城市的整體發(fā)展要求。因此，必須樹(shù)立一種相互促進(jìn)、共同提高的多元協(xié)調(diào)發(fā)展理念，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展理念，從而避免城市化的弊端。

盧果[3]研究了同一城市不同階段公共交通與城市形態(tài)的協(xié)調(diào)度，孫愛(ài)軍[4]等人研究了不同城市同一階段交通與城市形態(tài)協(xié)調(diào)度，數(shù)據(jù)無(wú)量綱化的方法都是采用標(biāo)準(zhǔn)化法。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，將交通和城市形態(tài)分別看做兩個(gè)子系統(tǒng)，兩者耦合成一個(gè)大系統(tǒng)，但由于標(biāo)準(zhǔn)化法消除了各指標(biāo)變異程度上的差異，可能不能準(zhǔn)確反映原始數(shù)據(jù)所包含的信息，本文采用均值化的方法對(duì)南京市2006～2014年交通和城市形態(tài)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化，然后對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行主成分分析，進(jìn)而求出兩者的協(xié)調(diào)度，得出更加符合實(shí)際的結(jié)果。

1 協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

指標(biāo)體系的建立是根據(jù)頻度分析和專(zhuān)家咨詢(xún)兩種方法建立的。頻度分析法[6]是對(duì)有關(guān)交通和城市形態(tài)評(píng)價(jià)研究論文中的指標(biāo)進(jìn)行頻度統(tǒng)計(jì)，從中選擇使用頻度較高的指標(biāo)。專(zhuān)家咨詢(xún)法[7]是在初步提出評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步征詢(xún)專(zhuān)家意見(jiàn)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，最終確定指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。

在頻度分析和專(zhuān)家咨詢(xún)法的基礎(chǔ)上，根據(jù)公開(kāi)的資料，選取交通設(shè)施和運(yùn)輸能力兩個(gè)方面共計(jì)7個(gè)指標(biāo)反映交通發(fā)展水平(見(jiàn)表1)。

表1 交通發(fā)展水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活質(zhì)量、交通等三個(gè)方面共7個(gè)指標(biāo)反映城市形態(tài)如表2所示。

表2 城市形態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)模型

協(xié)調(diào)發(fā)展是指在外界提供的物質(zhì)、能量、信息等的支持下，系統(tǒng)各要素和屬性之間相互適應(yīng)、相互促進(jìn)、相互配合而形成的一種良好的動(dòng)態(tài)發(fā)展態(tài)勢(shì)的反映[8]。交通與城市形態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展即為兩子系統(tǒng)相互適應(yīng)、相互促進(jìn)、相互配合的過(guò)程。本文運(yùn)用主成分分析法提取系統(tǒng)的主成分因子，建立協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)模型，對(duì)交通和城市形態(tài)的協(xié)調(diào)度進(jìn)行計(jì)算與分析。

2.1 指標(biāo)無(wú)量綱化

多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中無(wú)量綱化的方法較多，主要有三種不同的方法：極差正規(guī)化法、標(biāo)準(zhǔn)化法和均值化法。極差正規(guī)化法與原始指標(biāo)的最大值和最小值有關(guān)，最大值與最小值的差值對(duì)指標(biāo)的權(quán)重影響很大，差值很小時(shí)，無(wú)量綱化后數(shù)據(jù)就會(huì)過(guò)大，相反，亦然。因此，用極差正規(guī)化法進(jìn)行無(wú)量綱化并不可取。

標(biāo)準(zhǔn)化法是應(yīng)用較多的無(wú)量綱化方法，但由于標(biāo)準(zhǔn)化法消除了各指標(biāo)變異程度上的差異，因此經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映原始數(shù)據(jù)所包含的信息，導(dǎo)致綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

均值化法是一種比較好的保留了各指標(biāo)變異程度的信息的無(wú)量綱化方法，均值化法的公式為：

(1)

均值化后各指標(biāo)的均值都為1，其方差為：

(2)

葉宗裕通過(guò)對(duì)一些案例的分析總結(jié)，得出以下結(jié)論：當(dāng)綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)都是客觀數(shù)值時(shí)，一般來(lái)說(shuō)應(yīng)該用均值化法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化；當(dāng)綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)值是主觀分?jǐn)?shù)時(shí)，則用標(biāo)準(zhǔn)化法更好[9]。

本文采用的樣本數(shù)據(jù)都是客觀數(shù)據(jù)，因此采用均值化法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化法合理。

2.2 主成分分析

2.2.1 主成分分析的基本原理

主成分分析法也稱(chēng)主量分析，是由霍特林于1933年首先提出的[3]。主成分分析旨在利用降維的思想，通過(guò)線(xiàn)性替換，把多個(gè)存在相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)。通過(guò)把轉(zhuǎn)化生成的綜合指標(biāo)稱(chēng)為主成分，然后以各主成分的因子貢獻(xiàn)率的比重作為權(quán)重，與各主成分得分進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到各系統(tǒng)的新指標(biāo)的綜合得分。

主成分分析是在保留原始指標(biāo)主要信息的前提下起到降維與簡(jiǎn)化的作用，使得在研究復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)抓住主要矛盾，把研究工作引向更深入，這就是主成分分析的基本思想[10]。

2.2.2 主成分分析的基本步驟

(1)首先對(duì)原始數(shù)據(jù)Xij(i=1，2，…，n年；j=1，2，…，p，指標(biāo)個(gè)數(shù))進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即令

(3)

(4)

(2)構(gòu)造相關(guān)系數(shù)矩陣R：

R=γijp*p

(5)

(3)計(jì)算相關(guān)系數(shù)的特征值和特征向量。首先假定相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值存在λj≥λj+1，j=1，2，…，p，特征向量為：aj=(a1j，a2j，…，apj)T，選擇特征值大于1的前k個(gè)成分作為系統(tǒng)的主成分，可以得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的主成分得分Fj：

Fj=a1jX1+a2jX2+…+apjXp，j=1，2，…，p

(6)

(7)

其中：Fi為第i年各指標(biāo)綜合發(fā)展指數(shù)(i=1，2，…，n)；am為第m個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率(m=1，2，…，k)；Fm為第m個(gè)主成分在第i年的得分。

2.3 協(xié)調(diào)度模型

協(xié)調(diào)是系統(tǒng)組成要素之間在發(fā)展過(guò)程中彼此之間的和諧一致，協(xié)調(diào)度則是對(duì)其協(xié)調(diào)程度好壞程度進(jìn)行定量衡量的指標(biāo)[3]。借助物理學(xué)中的容量耦合的系數(shù)模型[7]，構(gòu)建交通與城市形態(tài)之間的耦合協(xié)調(diào)模型，具體如下：F、G兩個(gè)系數(shù)函數(shù)如下所示，F(xiàn)(x)為系統(tǒng)F的評(píng)價(jià)函數(shù)，其中包括x1，…，xi等n個(gè)描述F系統(tǒng)特征的指標(biāo)；G(y)為系統(tǒng)G的評(píng)價(jià)函數(shù)，其包含了y1，…，ym等m個(gè)描述系統(tǒng)G特征的指標(biāo)。

(8)

(9)

F(x)和G(y)中的系數(shù)ai和bj通過(guò)樣本數(shù)據(jù)利用主成分分析法分別標(biāo)定，評(píng)價(jià)函數(shù)即為通過(guò)主成分分析法求得的系統(tǒng)綜合指數(shù)函數(shù)Fi，如公式7，則兩系統(tǒng)的耦合度計(jì)算公式為：

(10)

耦合度的取值范圍是[0，1]，其中，當(dāng)U=0時(shí)耦合度最差，U=1時(shí)耦合度最好。

協(xié)調(diào)度模型可以更好地評(píng)判系統(tǒng)間的交互耦合的協(xié)調(diào)程度，其算式為：

(11)

其中T為交通與城市形態(tài)的綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，它反映交通與城市形態(tài)的整體協(xié)同的效應(yīng)或貢獻(xiàn)，T=αF(x)+βG(y)，α和β為待定系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，最好使T在(0，1)之間，以保證φ屬于(0，1)。

通過(guò)以上步驟可以求得交通與城市形態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展程度，對(duì)照表3系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的等級(jí)劃分，對(duì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表3 系統(tǒng)協(xié)調(diào)度等級(jí)劃分

3 南京市交通與城市形態(tài)協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)實(shí)例

南京作為省會(huì)，長(zhǎng)三角地區(qū)的核心城市，其交通發(fā)展與城市建設(shè)一直處于全國(guó)領(lǐng)先水平。2005年地鐵1號(hào)線(xiàn)通車(chē)后，南京進(jìn)入了加速發(fā)展階段。因此，本文選取2006～2014年《南京統(tǒng)計(jì)年鑒》相關(guān)數(shù)據(jù)作為樣本，采用主成分分析法對(duì)交通和城市形態(tài)發(fā)展進(jìn)行分析，利用構(gòu)建的協(xié)調(diào)度模型對(duì)兩者的協(xié)調(diào)度進(jìn)行計(jì)算和分析，均值化后的樣本數(shù)據(jù)如表4、表5：

表4 均值化后的交通樣本數(shù)據(jù)

表5 均值化后的城市形態(tài)樣本數(shù)據(jù)

(1)利用SPSS軟件對(duì)交通均值化的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到結(jié)果如表6：

表6 交通樣本數(shù)據(jù)相關(guān)陣特征值表

由表6可以看出，特征值大于1的主成分有兩個(gè)，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為65.556%，第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為14.714%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到80.270%。因此，選取兩個(gè)主成分為宜。

(2)再根據(jù)SPSS輸出的成分得分系數(shù)矩陣，求得主成分的總得分，具體結(jié)果如下：

同理，城市形態(tài)主成分及綜合得分情況如表7、8、9：

表7 交通樣本數(shù)據(jù)相關(guān)陣成份得分系數(shù)矩陣

表8 交通樣本數(shù)據(jù)主成分及綜合得分

表9 城市形態(tài)主成分及綜合得分

(3)運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型，需標(biāo)定T=αF(x)+βG(y)中的α和β的值。前面已經(jīng)介紹，在實(shí)際應(yīng)用中，最好使T在(0，1)之間，以保證φ屬于(0，1)。為滿(mǎn)足這個(gè)條件，我們采用有約束的線(xiàn)性規(guī)劃求極值，具體的約束條件如下：

(4)將α=4.9659，β=-3.1422以及交通與城市形態(tài)的綜合得分代入式11中，求得協(xié)調(diào)度如表10。

4 結(jié)果分析

將求得的結(jié)果對(duì)照表3的等級(jí)劃分，得到評(píng)價(jià)結(jié)果如表11。

表10 協(xié)調(diào)度計(jì)算結(jié)果

表11 南京市2006～2014年交通與城市形態(tài)協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)不同年份的交通和城市形態(tài)綜合得分以及兩者之間的協(xié)調(diào)度計(jì)算，分析結(jié)果如下：

(1)通過(guò)對(duì)城市形態(tài)進(jìn)行主成分分析，可以看出影響南京市城市形態(tài)綜合得分占最大權(quán)重的是人均擁有道路面積和第三產(chǎn)業(yè)GDP比重。人均擁有道路面積是城市形態(tài)與交通聯(lián)系最直接的指標(biāo)，第三產(chǎn)業(yè)GDP比重則直接反應(yīng)城市形態(tài)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。從圖1中可以看出，南京市近10年人均擁有道路面積穩(wěn)中有升，第三產(chǎn)業(yè)GDP比重近幾年有所上升，而城市形態(tài)綜合得分也同步地穩(wěn)定上升。三者的發(fā)展趨勢(shì)相同，可以推斷，在推進(jìn)城市形態(tài)發(fā)展的過(guò)程中，可以考慮加大第三產(chǎn)業(yè)GDP比重和人均擁有道路面積這兩個(gè)指標(biāo)的投入。

圖1 城市形態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖2可知，近10年南京市城市形態(tài)和交通的綜合得分都在增加，其中，交通的綜合得分增速較快，特別是2010年以后，由于城市形態(tài)的發(fā)展沒(méi)有跟上，導(dǎo)致2010年以后協(xié)調(diào)度有些回落，剖析原因，2010年南京市獲得了2014年青奧會(huì)的主辦權(quán)，自此以后，交通得到了加速增長(zhǎng)，城市形態(tài)的發(fā)展速度不及交通的增速。2014年交通增速回落，協(xié)調(diào)度回升。2010年以前協(xié)調(diào)度比較平穩(wěn)，08年達(dá)到峰值，這一年，交通和城市形態(tài)的綜合得分最相近，協(xié)調(diào)度最佳。只有保證交通與城市形態(tài)的同步發(fā)展，以交通建設(shè)帶動(dòng)城市形態(tài)的建設(shè)，才能保

圖2 交通與城市形態(tài)綜合得分、協(xié)調(diào)度對(duì)比

證城市的協(xié)調(diào)發(fā)展。而影響交通綜合得分占權(quán)重較大的是公路貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量、公路總里程和鐵路旅客周轉(zhuǎn)量，因此，未來(lái)的城市間以及城市中人的空間位置的轉(zhuǎn)移應(yīng)更多的依賴(lài)鐵路軌道交通，這也與現(xiàn)在的高鐵時(shí)代不謀而合，證明這條道路是正確的。貨物為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)輸，更多地依賴(lài)公路，增加公路里程，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)輸。

5 結(jié)論

本文根據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立模型，計(jì)算系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)度，得到一套評(píng)價(jià)交通系統(tǒng)與城市形態(tài)發(fā)展?fàn)顩r的方法。

通過(guò)對(duì)2006～2014年南京市的交通系統(tǒng)與城市形態(tài)發(fā)展相關(guān)情況分析，得到反映出的南京市交通與城市形態(tài)相互關(guān)系現(xiàn)狀，為決策者提供科學(xué)依據(jù)。整體來(lái)看，南京市近10年交通與城市形態(tài)都在不斷發(fā)展，而且相對(duì)比較協(xié)調(diào)。作為城市化水平較高的大城市，未來(lái)，南京應(yīng)在可持續(xù)發(fā)展的前提下，充分利用軌道交通發(fā)展的契機(jī)，堅(jiān)持TOD模式，將城市形態(tài)的發(fā)展提速，保證交通與城市形態(tài)的充分協(xié)調(diào)。

本文首次采用均值化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化，其計(jì)算的準(zhǔn)確性還亟待其他無(wú)量綱化方法對(duì)比檢驗(yàn)。當(dāng)然，在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，由于能力和精力有限，本文搜集的數(shù)據(jù)不夠全面，僅僅選取了比較有代表性的指標(biāo)，下一步應(yīng)對(duì)其它重要指標(biāo)進(jìn)行深入研究。

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[10]何曉群.多元統(tǒng)計(jì)分析[M].北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2004：153.

(責(zé)任編輯：曾 晶)

Traffic and Urban Form Coordinated Development Research

LENG Weijie1， DU Muqing1*， WANG Mei2， XU Lanhua3

(1.College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210009， China; 2.Nanjing Institute of City & Transport Planning Co.，Itd. Nanjing 210009， China; 3. College of Automobile and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China)

In order to research coordination between urban form and urban traffic， taking Nanjing as an example， based on Nanjing statistical yearbook， urban form and urban traffic development level evaluation system and coordination degree model were constructed. By average method， sample data were dimensionlessly processed and the principal component analysis (pca) was used to extract the principal component factor of the transportation and urban form system， according to the sample data， calibrating coordination degree model. The model was used to calculate coordination degree of Nanjing from 2006 to 2014 and a comparative analysis was carried out at last. The transportation and urban form of Nanjing in recent 10 years are in constant progress and overall coordination degree is higher. But because of the Youth Olympic Games， the traffic level is in rapid development in 2010-2013， the coordination degree declined， until 2014， the traffic growth went slow， coordination degree rose.

the traffic development level; urban form; evaluation system; coordination degree

1000-5269(2016)06-0124-06

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.27

2016-09-12

江蘇省自然科學(xué)基金(青年基金項(xiàng)目)(BK2015081)

冷偉杰(1990-)，男，在讀碩士，研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理，Email：849157223@qq.com.

*通訊作者： 杜牧青，Email：dulyg1986@163.com.

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