基于TPI數(shù)據(jù)的交通擁堵狀況時空特征分析
——以青島市為例

，，

(山東科技大學 數(shù)學與系統(tǒng)科學學院，山東 青島 266590)

近幾年，隨著我國城市化進程的加快，交通擁堵問題日益嚴重，城市商圈是城市交通擁堵集中出現(xiàn)的地方。城市交通擁堵發(fā)生在城市空間相互作用過程中，商圈的形成代表了居住、工作、購物等活動的空間分布和出行需求。以商圈為基礎(chǔ)，分析交通擁堵產(chǎn)生的時間、地點、原因，對緩解城市交通擁堵具有重要意義。Pakha等[1]發(fā)現(xiàn)核心日(星期二、星期三和星期四)與星期一、星期五、星期六以及星期日的交通流特征的變化情況有顯著的差異。Chrobok等[2]將日期分為四類，并在此基礎(chǔ)上對交通擁堵進行預測。K?rner等[3]將日期分為工作日(星期一到星期五)、星期六、星期日，并在大量GPS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了路段交通量在時間上的分布規(guī)律。Calafate等[4]發(fā)現(xiàn)，就交通量而言，一周內(nèi)不同日期之間有較大的差異，并使用基于啟發(fā)式算法的聚類分析方法對日期進行聚類分析，減少了原有方法的計算量。我國工業(yè)化進程緩慢，出現(xiàn)交通擁堵問題相對較晚，因而對于城市交通擁堵的研究也相對滯后。劉志剛等[5]運用博弈論分析了城市交通擁堵問題的成因；楊向前[6]從民生視域下探討我國特大型城市交通擁堵問題；楊浩雄等[7]分析了交通擁堵的現(xiàn)狀、原因、影響及其根源，從城市居民出行和城市物流兩個角度給出了解決對策。

已有研究主要關(guān)注城市中心的交通擁堵問題，鮮有考慮城市商圈的發(fā)展對交通擁堵的影響，且缺少考慮交通擁堵在時間及空間的特征分析。因此，本研究基于青島市典型商圈的交通運行指數(shù)(traffic performance index,TPI)，分析研究交通擁堵產(chǎn)生的時間及空間特征，探討城市交通擁堵與城市經(jīng)濟發(fā)展的相互影響過程，為青島市商圈交通優(yōu)化管理政策的制定提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

青島市地處山東半島南部，是國家沿海重要的中心城市和濱海度假旅游城市。在城市迅速發(fā)展的同時，中心城區(qū)的擁堵問題也日益嚴重。到2016年末，青島常住總?cè)丝谶_920.4萬人，全市機動車保有量達233.9萬輛，其中私家車191萬輛，占81.7%。商圈是人群聚集地，容易造成交通的擁堵。以城市商圈為基礎(chǔ)，通過對青島市中心城市商圈當前的交通狀況進行調(diào)查分析，研究交通擁堵的時空特征，對進一步提出切實可行的解決方案具有重要的意義。按照統(tǒng)計的青島市中心城區(qū)各個商圈的交通運行指數(shù)，通過統(tǒng)計方法從眾多商圈中篩選出5個最具典型的商圈，分別為臺東商圈、東部商圈、中山路商圈、李滄商圈以及嶗山商圈，如圖1所示。

圖1 青島市五大典型商圈Fig.1 The five typical business circles in Qingdao

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

交通運行指數(shù)，反映總體在數(shù)量上變動的方向和程度，并且顯示目標對象在較長時間內(nèi)發(fā)展變化的趨勢和規(guī)律[8-9]，是對路網(wǎng)交通總體運行狀況進行量化評估的綜合性指標。不同城市對于交通運行指數(shù)的計算方法不同，意義也不完全相同。例如北京、上海、廣州等城市主要利用出租車的GPS數(shù)據(jù)來計算、定義各自城市的交通運行指數(shù)[10-13]。青島市公安交通信息服務(wù)網(wǎng)，提供全市交通指數(shù)、反映實時路況、路徑規(guī)劃以及駕管服務(wù)，是綜合性較強的系統(tǒng)。為避免在一些特殊情況下出租車樣本數(shù)量不足，而導致交通指數(shù)有偏差，其結(jié)合青島市的自身特點，采用固定點交通流采集方案，得到交通運行指數(shù)。數(shù)據(jù)中心根據(jù)商圈范圍內(nèi)各個路段實時采集的平均車速為基本參數(shù)并參考時間占有率，按不同等級道路通行能力劃分不同的判定閥值，加權(quán)集成并經(jīng)過標準化后計算生成0～10的指標值。其中，數(shù)值越大，表明道路交通越擁堵，反之表明交通越暢通。通過對歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、出行調(diào)查和現(xiàn)場驗證，劃分出對應(yīng)暢通(0～2]、基本暢通(2～4]、輕度擁堵(4～6]、中度擁堵(6～8]、嚴重擁堵(8～10]五種擁堵程度等級。以福遼立交橋的道路車流量為例體現(xiàn)交通擁堵現(xiàn)象，如圖2所示：

圖2 福遼立交橋車流現(xiàn)象圖Fig.2 Traffic flow chart of Fuliao flyover

利用青島市公安交通信息服務(wù)網(wǎng)所公布的TPI數(shù)據(jù)，自2017年5月23日至6月23日，記錄每天6:00—23:00每15min的交通運行指數(shù)(TPI)，總數(shù)據(jù)量為10 695條，數(shù)據(jù)樣本如表1。

在進行分析之前需要進行數(shù)據(jù)清理，具體分為兩步：

1) 整理數(shù)據(jù)：整個數(shù)據(jù)集為31天(一個月)，將其分為31個文件，每個文件包含當天的數(shù)據(jù)。

2) 數(shù)據(jù)處理：①去除錯誤數(shù)據(jù)：根據(jù)交通運行指數(shù)的取值范圍，當數(shù)據(jù)出現(xiàn)小于0或大于10的值時，將其視為無效值，需將其剔除。②處理缺失值：根據(jù)統(tǒng)計學中的眾數(shù)原理，對缺失值進行均值插補，用該屬性的眾數(shù)(即出現(xiàn)頻率最高的值)來補齊缺失的值。

表1 數(shù)據(jù)樣本Tab.1 Data samples

2 交通擁堵的時間變化特征

分別統(tǒng)計研究區(qū)工作日及休息日6:00—23:00的交通運行指數(shù)，由此得到總體日變化趨勢圖(圖3)。其中，折線分別表示工作日和休息日的時均值?？傻们鄭u市交通擁堵集中在早高峰7:00—9:00和晚高峰17:00—19:00兩個階段。工作日，變化趨勢呈明顯“M”型，早高峰為7:00—9:00，晚高峰為17:00—19:00，白天TPI谷值出現(xiàn)在13:00；休息日，早高峰時間出現(xiàn)在8:00，比工作日有明顯的滯后，且全天的變化趨于平緩，峰值不明顯。

圖3 擁堵指數(shù)日變化趨勢圖Fig.3 Diurnal variation trend of congestion index

為進一步考察不同區(qū)域內(nèi)交通運行指數(shù)的變化規(guī)律，對每個商圈進行分析。圖4為各商圈工作日、休息日內(nèi)交通運行指數(shù)隨時間的變化情況，該系數(shù)反映了在不同時段該商圈的交通擁堵程度。各商圈表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：

1) 東部商圈工作日呈現(xiàn)出明顯的“M”型、峰值明顯，上午7:00開始呈現(xiàn)輕度擁堵狀態(tài)，峰值時段為7:30—8:30，下午峰值時段為17:30—18:30。休息日，擁堵時刻推后且擁堵程度明顯降低，早高峰時段為9:00—11:00，晚高峰時段為15:00—17:00，且均沒有明顯的峰值，呈現(xiàn)出較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

2) 嶗山商圈工作日的變化趨勢呈“M”型，早高峰時段為7:30—8:30，晚高峰時段為17:00—18:30，白天TPI谷值出現(xiàn)在13:30。而休息日早高峰有明顯的推遲，上午高峰時段為11:00—12:00，下午高峰時段為16:30—18:30。

3) 李滄商圈工作日早高峰時段為7:15—8:15，晚高峰時段為17:00—19:00，白天TPI谷值則出現(xiàn)在13:00。休息日，早高峰出現(xiàn)在10:00之后，與工作日相比有明顯的延誤，且休息日全天處于較為暢通的狀態(tài)。

4) 臺東商圈工作日上午6:45開始呈現(xiàn)輕度擁堵狀態(tài)，受出行量的影響，TPI持續(xù)上升，在8時達到早高峰。受下班人群的影響，晚高峰擁堵持續(xù)時間長且集中，17:00—19:00共持續(xù)擁堵2個小時。休息日，由于休息時間增加，早高峰出現(xiàn)在10:00，且擁堵時間較工作日長。

5) 中山路商圈的TPI工作日和休息日呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。上午7:00交通處于基本暢通，到8:00已連升兩級處于中度擁堵狀態(tài)，到12:00后才恢復到基本暢通狀態(tài)，晚高峰段呈現(xiàn)出“扁平化”特征，高峰持續(xù)長、峰值不明顯。

圖4 五個商圈的交通運行指數(shù)日變化情況Fig.4 The daily change of traffic congestion index in five business circles

由圖4可以看出五個商圈在工作日的趨勢有很大區(qū)別。對五個商圈不同工作日的交通運行指數(shù)進行統(tǒng)計，取平均值后進行比較，如圖5所示。其中，臺東商圈的擁堵程度最高，東部商圈和中山路商圈相似，嶗山商圈和李滄商圈相似。東部商圈、嶗山商圈和臺東商圈在工作日中最不擁堵的為星期一，最易擁堵的為星期五，星期二、星期三、星期四情況基本相同；李滄商圈在整個工作日周期內(nèi)交通運行指數(shù)變化不明顯，趨于平穩(wěn)；中山路商圈尤為特別，星期三最為擁堵，星期四最不擁堵。

圖5 五個商圈不同工作日的交通擁堵變化情況Fig.5 Traffic congestion change of five business days in different working days

圖6 五個典型商圈的TPI指數(shù)變化情況Fig.6 Changes in the TPI index of five typical business circles

3 交通擁堵的時空演變

研究區(qū)5個典型商圈，分別為中山路商圈、臺東商圈、東部商圈、嶗山商圈以及李滄商圈。

圖6反映出整個時間跨度內(nèi)，不同商圈的TPI在同一時段呈現(xiàn)出不同的分布特征。可以看出，五個商圈都呈“M”型，其中臺東商圈、東部商圈具有顯著的“M高峰模式”。臺東商圈的擁堵程度明顯比其他商圈嚴重，且“中度擁堵”時間持續(xù)較長；東部商圈的TPI有明顯的下降，且早高峰明顯；中山路商圈的TPI在下午高峰段呈現(xiàn)出“扁平化”特征，峰值不明顯；李滄商圈交通擁堵高峰與通勤時間吻合，且整體處于暢通狀態(tài)；嶗山商圈全天的TPI變化趨勢趨于平緩，且下午的擁堵比上午明顯。

選取工作日的早中晚時段以及周末的相應(yīng)時段進行對比分析，通過地圖反映出交通擁堵的時空演變過程(圖7)?？傮w上，工作日擁堵程度高于周末。工作日早晨(圖7(a))所有商圈都處于擁堵狀態(tài)，中山路商圈擁堵最為嚴重，而周末早晨(圖7(d))擁堵區(qū)域主要分布在臺東商圈；與工作日早晨相比，工作日中午時段(圖7(b))擁堵程度明顯減弱，休息日中午時段(圖7(e))各商圈的擁堵程度與工作日相同；工作日晚上(圖7(c))集中分布與沿海商圈，其中臺東商圈擁堵程度最高，休息日晚上(圖7(f))大多數(shù)商圈擁堵程度有所減弱，但臺東商圈和東部商圈依舊保持擁堵狀態(tài)。

根據(jù)上述分析，將工作日早高峰時段定義為7:00—8:30，中午時段定義為12:00—13:00，晚高峰時段定義為17:00—19:00。為進一步探討五個商圈在工作日的交通擁堵變化情況，匯總工作日內(nèi)早高峰、中午時段以及晚高峰時段的交通擁堵變化趨勢數(shù)值，計算獲得交通運行指數(shù)變化趨勢結(jié)果(圖8)?？傮w來看，所有商圈的中午時段都是三個時段中最不擁堵的，除去臺東商圈，其他所有商圈的擁堵指數(shù)都處在3與4之間，屬于基本暢通狀態(tài)。上午時刻和晚上時刻各個商圈則表現(xiàn)出不同的特征。

從圖8(a)可以看出，東部商圈在早上時段峰值出現(xiàn)在星期三，晚上時段峰值出現(xiàn)在星期五，中午時段出現(xiàn)在星期三，在晚上時刻表現(xiàn)出擁堵指數(shù)逐漸遞升的現(xiàn)象；圖8(b)顯示嶗山商圈早晚時段擁堵指數(shù)高峰容易發(fā)生在星期三，中午時段是星期五，但嶗山商圈擁堵指數(shù)一直處在2～5，擁堵程度不高。

圖8(c)顯示李滄商圈早晚擁堵指數(shù)高峰容易發(fā)生在星期五，中午時段是星期一，跟嶗山商圈相似，其擁堵指數(shù)一直處于2.5～4.5，擁堵程度不高，且李滄商圈的變化趨勢更加穩(wěn)定。從圖8(d)和8(e)可以看出，臺東商圈和中山路商圈擁堵指數(shù)偏高，在早上時段，臺東商圈沒有明顯的峰值，中山路商圈的擁堵峰值出現(xiàn)在星期三，中午時段兩個商圈的擁堵變化都趨于平穩(wěn)，在晚上時刻兩個商圈表現(xiàn)出了截然不同的現(xiàn)象，其中臺東商圈晚上時段的擁堵指數(shù)一直維持在較高的水平，超過了早上時段，而中山路商圈的晚上擁堵時段與中午時段很接近。

圖7 不同時段交通擁堵空間分布Fig.7 Spatial distribution of traffic congestion at different time periods

通過以上分析可以看出，早上時段的擁堵高峰常集中在星期三，晚上時段的擁堵高峰常集中在星期五，而中午時刻擁堵程度較弱。且臺東商圈擁堵程度最高，這是因為其不僅是工作點密集地，且有青島最大規(guī)模的步行街、有青島特色的臺東夜市。東部商圈早晚擁堵明顯，這是因為東部商圈主要是工作點，且屬于高端時尚圈，因此呈現(xiàn)出明顯的通勤特征。中山路商圈全天大部分處于“輕度擁堵”狀態(tài)，這是因為中山路商圈主要是發(fā)展旅游商業(yè)，沒有明顯的通勤特征。李滄商圈全天大部分處于“基本暢通”狀態(tài)，這與李滄區(qū)為大型居住區(qū)有關(guān)。嶗山商圈整體處于“基本暢通”狀態(tài)，與嶗山商圈的地理位置有關(guān)。

圖8 工作日五個商圈的交通擁堵變化情況Fig.8 Traffic congestion in five business circles on the working day

由此可知，南部沿海商圈比其他商圈更加擁堵，這是因為工作地點、醫(yī)療資源、教育資源多分布在市南區(qū)沿海一線，特別是進入旅游旺季后，車流量大增，交通擁堵更加嚴重。上述特征充分說明了交通擁堵與商圈商業(yè)集聚、發(fā)達程度等因素密切相關(guān)。

4 結(jié)論及對策建議

通過統(tǒng)計分析青島市最具代表性的五個商圈的TPI數(shù)據(jù)，研究TPI隨時間變化曲線圖及其時空演變圖，探索交通擁堵的時間變化特征以及時空演變特征。得到以下結(jié)論：

1) 青島市交通高度擁堵時段集中在上午7:00—8:30，下午17:00—19:00；早上時段擁堵高峰常出現(xiàn)在星期三，晚上時段擁堵高峰常出現(xiàn)在星期五，而中午時刻通常擁堵不明顯。

2) 青島市各商圈因地理位置不同而有所差異，其中擁堵情況最嚴重的是臺東商圈；東部商圈早、晚擁堵明顯；中山路商圈全天“基本通暢”；李滄商圈和嶗山商圈大多時間處于“基本通暢”狀態(tài)。

針對以上結(jié)論，提出以下對應(yīng)策略：

1) 從時間維度，可分區(qū)域規(guī)劃城市通勤時間、實現(xiàn)“錯峰出行”；在早、晚高峰時段，尤其是星期三的早高峰時段以及星期五的晚高峰時段，采取相應(yīng)的措施，合理改善人們的出行模式，鼓勵居民乘坐公共交通。

2) 從空間維度，可分區(qū)域改善道路狀況、實現(xiàn)“均衡發(fā)展”，如臺東商圈人流密集、道路不合理占用，需創(chuàng)建更合理的人行道環(huán)境，同時適度增加停車場，規(guī)范停車秩序；需提高和促進城市居民的居住、就業(yè)和商業(yè)娛樂等生活、工作、服務(wù)的區(qū)域性均衡發(fā)展。

總之，城市商圈交通擁堵的時空特征和規(guī)律是解決城市交通擁堵問題、實現(xiàn)經(jīng)濟增長與城市交通和諧發(fā)展的關(guān)鍵影響因素。