基于交通指數(shù)的快速路網(wǎng)限行政策效果評價1

上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通發(fā)展研究院

0 研究背景

隨著人們對機動車的需求越來越大，擁堵問題在城市中的表現(xiàn)也愈發(fā)明顯。上海市于2011年首次通告外省市小客車限行交通管理措施，該限行政策對緩解城市擁堵發(fā)揮了積極的作用。但是近些年來上海市機動車保有量不斷增加，道路的擁堵問題愈發(fā)嚴(yán)重。

根據(jù)公安部統(tǒng)計，2020年全國機動車保有量達(dá)3.72億輛，其中汽車2.81億輛；機動車駕駛?cè)诉_(dá)4.56億人，其中汽車駕駛?cè)?.18億人。2020年全國新注冊登記機動車3 328萬輛，新領(lǐng)證駕駛?cè)? 231萬人。從百度地圖最新發(fā)布的《2020年度中國城市交通報告》中可以看到，上海市2020年排名環(huán)比2019年排名上升兩位。

因此，為了改善交通擁堵，上海市于2020年11月2日開始實行新的限行政策，規(guī)定每日7時至20時(周六、周日和全體公民放假日除外)，禁止懸掛外省市機動車號牌的小客車、使用臨時行駛車號牌的小客車、未載客的出租小客車及實習(xí)期駕駛員駕駛的小客車在限行區(qū)域通行。本文就此次限行新規(guī)的實施，對上海市外環(huán)內(nèi)快速路網(wǎng)的整體狀況進(jìn)行分析和評價，挖掘擁堵現(xiàn)象背后的數(shù)據(jù)特征，為緩解上海城市交通的擁堵問題奠定基礎(chǔ)。

在以往的研究中，有很多學(xué)者利用不同的方法評估了城市的道路交通狀態(tài)。郭偉等[1]利用K均值聚類和EM算法相結(jié)合的方法，提取了表征路口交通流運行狀況的特征向量，并利用北京市兩個交通區(qū)域的實際交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證；王運靜等[2]選取了線路長度、線路網(wǎng)密度、重復(fù)系數(shù)等指標(biāo)，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，對北京市地面線路網(wǎng)進(jìn)行了現(xiàn)狀評價；孫超等[3]在路段和交叉口交通運行狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上，定義了一種交通狀態(tài)系數(shù)，對路網(wǎng)整體交通狀態(tài)及路口可達(dá)性、路段連通性進(jìn)行分析與評價；姚云紅等[4]選取了平均行程車速和密度比作為交通運行狀態(tài)的評價指標(biāo)，并建立了以該指標(biāo)為基礎(chǔ)的綜合評價模型，通過實際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，證明了該模型有較好的適應(yīng)性；楊杰等[5]提出了一種以加權(quán)擁堵里程比例為核心指標(biāo)的高速公路交通指數(shù)的計算方法，為居民出行提供參考，對緩解道路壓力起到積極的作用。但是在這些研究中，并沒有將動態(tài)交通流與靜態(tài)路網(wǎng)基礎(chǔ)信息進(jìn)行綜合考慮。

由于不同路段的基本情況是不同的，所以單純地用車流量、車速等傳統(tǒng)指標(biāo)來進(jìn)行交通狀況的評價是片面的，無法對整個路網(wǎng)有一個比較全面評價；同樣，若僅用紅黃綠三種顏色來表示嚴(yán)重?fù)矶隆矶潞蜁惩ㄟ@三種交通狀態(tài)，則很難反映出交通狀態(tài)的變化趨勢。本文的交通指數(shù)綜合考慮車速、里程長度和車道數(shù)等因素，用無量綱數(shù)值來表達(dá)道路擁堵程度，確定城市綜合交通狀況的優(yōu)良度，建立了新的評價指標(biāo)體系，對上海市新的限行政策效果進(jìn)行多維度分析，其量化指標(biāo)可以為城市居民或旅行者提供出行指導(dǎo)參考。

1 研究內(nèi)容與技術(shù)路線

交通指數(shù)是基于動態(tài)交通流數(shù)據(jù)與靜態(tài)路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在統(tǒng)計間隔內(nèi)，量化表達(dá)城市道路交通運行狀態(tài)的相對數(shù)值。本文主要基于交通指數(shù)，從指數(shù)強度、擁堵指數(shù)強度、擁堵時長、擁堵累計里程占比、擁堵概率和暢行脆弱性等六個方面，對中宏觀區(qū)域路網(wǎng)的交通狀態(tài)進(jìn)行分析。

1.1 交通指數(shù)

交通指數(shù)用無量綱數(shù)值表達(dá)道路交通的擁擠程度。指數(shù)取值范圍[0,100]，數(shù)值越大，表明道路越擁堵；數(shù)值越小，表明道路越暢通。為了更好的向居民表達(dá)道路交通狀態(tài)，將指數(shù)取值范圍劃分為4個區(qū)間，分別表示“暢通、比較暢通、擁擠、嚴(yán)重?fù)矶隆彼姆N交通運行狀態(tài)（見表1）。

表1 交通指數(shù)分級

交通指數(shù)算法模型：

其中：

若TSI計算結(jié)果小于0，則TSI取0。

1.2 評價指標(biāo)

本文中的評價指標(biāo)均基于交通指數(shù)（TSI）進(jìn)行統(tǒng)計與計算，從空間、時間方面，力求對交通狀態(tài)進(jìn)行全面的分析與評價(圖1)。

圖1 交通擁堵評價指標(biāo)體系

指數(shù)強度

指數(shù)強度指在特定時間內(nèi)，快速路交通指數(shù)的平均值。

計算公式：

n——TSI個數(shù)

指標(biāo)范圍[0,100]。指數(shù)強度越大說明越擁堵，越小說明越暢通。

擁堵指數(shù)強度

擁堵指數(shù)強度指在特定時間內(nèi)，快速路處于擁堵或嚴(yán)重狀態(tài)（即TSI≥50）的交通指數(shù)平均值。

計算公式：

n——TSI個數(shù)

指標(biāo)范圍[50,100]。擁堵指數(shù)強度越大說明發(fā)生擁堵時，擁堵程度越嚴(yán)重。

擁堵時長

擁堵時長指在特定時間內(nèi)，評價對象處于擁堵或嚴(yán)重狀態(tài)（即TSI≥50）的累積時間。

計算公式：

指標(biāo)范圍[0,T2-T1] (單位：分鐘)。擁堵時長等于0說明該時間段無擁堵。

擁堵累計里程占比

擁堵累計里程占比指在特定時間段內(nèi)，快速路處于擁堵或嚴(yán)重?fù)矶聽顟B(tài)（即TSI≥50）的道路里程數(shù)，與道路里程總數(shù)的比值。

計算公式：

S——道路里程總數(shù)

指標(biāo)范圍[0,1]。擁堵累計里程占比等于0說明該時間段無擁堵路段，等于1說明所有路段均處于擁堵狀態(tài)。

擁堵概率

擁堵概率指在特定時間內(nèi)，快速路處于擁堵或嚴(yán)重?fù)矶聽顟B(tài)（即TSI≥50）的時間長度（區(qū)域個數(shù)），與總時間長度（區(qū)域總數(shù)）的比值。

計算公式：

n——區(qū)域總數(shù)

指標(biāo)范圍[0,1]。擁堵概率等于0說明該時間段無擁堵發(fā)生，等于1說明所有區(qū)域在時間段內(nèi)均處于擁堵狀態(tài)。

暢行脆弱性

暢行脆弱性指在特定時間內(nèi)，快速路交通指數(shù)的方差。

計算公式：

n——TSI個數(shù)

指標(biāo)范圍[1/2,1]。暢行脆弱性越接近1/2說明該時間段內(nèi)交通狀態(tài)越穩(wěn)定，指標(biāo)值越接近1說明該時間段內(nèi)交通狀態(tài)越震蕩。

1.3 歸一化公式

由于各個指標(biāo)的取值范圍不同，為了便于進(jìn)行對比分析，將指標(biāo)值進(jìn)行無度量化。設(shè)有數(shù)列，歸一化公式如下：

2 上海市快速路交通評價指標(biāo)分析

我們選取2020年9月至12月的工作日交通指數(shù)數(shù)據(jù)，對上海市外環(huán)以內(nèi)快速路的交通運行情況進(jìn)行分析比較。原限行時間分別為工作日7:00-10:00,15:00-20:00兩個時段，新限行時間為7:00-20:00，因此我們定義工作日早高峰限行時段為7:00-10:00，晚高峰限行時段為15:00-20:00，新增限行時段為10:00-15:00.

2.1 上海市外環(huán)內(nèi)快速路擁堵情況

2.1.1 上海市外環(huán)內(nèi)快速路總體情況

從2020年9月至12月的工作日指數(shù)強度變化情況分析（圖2），在限行新規(guī)實施初始，交通指數(shù)有了明顯的下降。根據(jù)快速路交通特性和區(qū)域認(rèn)知度，外環(huán)內(nèi)快速路共劃分46個區(qū)域，從各個快速路每日首次擁堵時間的分布來看（圖3），新規(guī)實施后首次擁堵發(fā)生在7:30-8:00的比重增加，即發(fā)生擁堵的時間前移，說明由于新規(guī)定的實施，人們的出行習(xí)慣已經(jīng)發(fā)生了一定的改變。

圖2 交通擁堵評價指標(biāo)體系

圖3 快速路每日首次擁堵發(fā)生時間分布

2.1.2 上海市外快內(nèi)快速路指標(biāo)分析

從上海市整體分析(圖4)，在限行新政實施后的兩個月內(nèi)，工作日外環(huán)內(nèi)快速路指數(shù)強度和擁堵時長出現(xiàn)了下降的趨勢，說明限行新政在一定程度上緩解了交通擁堵；而擁堵指數(shù)強度、暢行脆弱性、擁堵累計里程占比和擁堵概率有所上升，特別是擁堵指數(shù)強度和暢行脆弱性上升明顯，說明在發(fā)生擁堵時，擁堵程度加重，并且交通狀態(tài)變化較大。從限行新規(guī)實施后的指標(biāo)變化率可以看出（即11月、12月的評價指標(biāo)變化率），多數(shù)指標(biāo)波動比較大，可見對于限行新規(guī)，上海居民還未形成規(guī)律的出行習(xí)慣。

圖4 上海市快速路交通指標(biāo)

為進(jìn)一步細(xì)化限行前后上海市交通變化趨勢，把握交通流在不同時段的具體表現(xiàn)，評估限行新規(guī)的運行效果，我們從早高峰限行時段、晚高峰限行時段和新增限行時段三個方面來進(jìn)行討論，比較限行舊規(guī)（2020年9月、10月）和限行新規(guī)（2020年11月、12月）各項指標(biāo)的變化。從圖5至圖7可以看出，在早高峰限行時段，除暢行脆弱性外，其余在新政實施后都有小幅度的下降，但是表現(xiàn)并不明顯，平均下降1.56%；在晚高峰限行時段，各指標(biāo)新政實施后都有上升，平均上升12.98%；在新增限行時段，除暢行脆弱性外，其余指標(biāo)在新政實施后都有明顯的下降，平均下降40.69%。在各個時段，暢行脆弱性都有不同程度的上升，其中，限行新規(guī)實施后暢行脆弱性在晚高峰到達(dá)最高值，為28.44。

圖5 早高峰限行時段對比

圖6 晚高峰限行時段對比

圖7 新增限行時段對比

早高峰和晚高峰是交通需求最為旺盛的兩個時段，也是最受關(guān)注的兩個時間點。從各項評價指標(biāo)來看，限行新政的實施在一定程度上緩解了早高峰的擁擠狀況，其中擁堵概率和擁堵累計里程占比下降最多，說明在空間上擁堵范圍變小。而與之相反的是，新政的實施使得晚高峰的交通狀況變差，在空間上擁堵范圍變大，在時間上擁堵時長增加，在狀態(tài)上擁擠程度加劇，在穩(wěn)定性上交通狀態(tài)變化較大。在新增限行時段內(nèi)，只有暢行脆弱性相較之前有所增加，其余指標(biāo)都有較大幅度的下降，可見新規(guī)在很大程度上使該時段的交通狀況好轉(zhuǎn)。

從圖4至圖7中可以看出，在限行新規(guī)實施后，暢行脆弱性在各個時間段都上升明顯，說明交通指數(shù)浮動較大，即交通流狀態(tài)不穩(wěn)定。圖8反映了工作日交通指數(shù)的極差變化。交通指數(shù)極差即交通指數(shù)最大值減去最小值的差值。限行新規(guī)實施后交通指數(shù)極差明顯要大于實施前，從另一個方面反映了交通流狀態(tài)的不穩(wěn)定，也側(cè)面說明限行新規(guī)下上海居民還未形成固定的出行習(xí)慣。

圖8 工作日交通指數(shù)極差

通過對限行新規(guī)實施前后上海市外環(huán)內(nèi)快速路網(wǎng)各項指標(biāo)的分析，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）上海市整體的交通擁堵情況有所緩解，指數(shù)強度下降，擁堵時長減少，但是發(fā)生擁堵時，擁堵程度加??；

（2）早高峰時段擁堵情況有所緩解，從時間上看，擁堵時長減少，從空間上看，擁堵里程和擁堵概率降低，從狀態(tài)上看，擁堵程度下降；新增限行時段除暢行脆弱性外，各項指標(biāo)都下降明顯，交通狀況好轉(zhuǎn)；而晚高峰時段，各項指標(biāo)都有上升，說明該時段交通擁堵情況加劇；

（3）限行新規(guī)實施后，各個時段的暢行脆弱性都有不同程度的上升，即交通流狀態(tài)變化較大，穩(wěn)定性下降。

2.2 常發(fā)性擁堵地區(qū)擁堵情況

若一個月內(nèi)日擁堵時長超過2小時的天數(shù)不低于10天，則認(rèn)為該地區(qū)為常發(fā)性擁堵地區(qū)。上海市外環(huán)內(nèi)共有14個常發(fā)性擁堵快速路（圖9），主要分布在上海市西側(cè)。

圖9 上海市常發(fā)性擁堵快速路

從工作日擁堵時長超過2小時天數(shù)與總工作日天數(shù)的比值來看（圖10），在新規(guī)實施前后，南北東側(cè)(魯班-共和)、南北西側(cè)(共和-魯班)、內(nèi)環(huán)外側(cè)(延西-魯班)、延安南側(cè)(滬青-延?xùn)|) 4個區(qū)域每個工作日的擁堵時長都超過2小時，可見這四個區(qū)域在居民出行選擇方面占有很大的比重。

圖10 擁堵時長超2h工作日天數(shù)/工作日總數(shù)

在2020年11月2日實行限行新規(guī)后，常發(fā)性擁堵快速路的各項指標(biāo)都有不同程度的改善（見表2），我們可以得到以下結(jié)論：

表2 常發(fā)性擁堵快速路限行新規(guī)實行前后評價指標(biāo)環(huán)比

（1）超過一半的常發(fā)性擁堵快速路的擁堵時長和擁堵概率有所下降，限行新規(guī)對擁堵起到了一定的緩解作用；特別是南北東側(cè)(魯班-共和)、南北西側(cè)(共和-魯班)、內(nèi)環(huán)外側(cè)(延西-魯班)、延安南側(cè)(滬青-延?xùn)|)這四個嚴(yán)重?fù)矶碌膮^(qū)域，其擁堵時長下降明顯，平均下降34.98%；

（2）指數(shù)強度下降的同時，擁堵指數(shù)強度卻有所上升，說明在發(fā)生擁堵時，擁堵程度相較于新規(guī)實行前加劇，其中南北東側(cè)(魯班-共和)上升最為明顯；

（3）超過一半的常發(fā)性快速路的暢行脆弱性都發(fā)生了上升，交通狀態(tài)變化較大。

3 總 結(jié)

本文通過指數(shù)強度、擁堵指數(shù)強度、擁堵時長、擁堵累計里程占比、擁堵概率和暢行脆弱性六個評價指標(biāo)，對上海市2020年11月2日開始實行的限行新規(guī)進(jìn)行分析與評價。從整體來看，限行新規(guī)在一定程度上緩解了交通擁堵情況，減少了擁堵時長，但是在發(fā)生擁堵時，擁堵程度加劇，并且交通流狀態(tài)變化較大，穩(wěn)定性較差。分時段來看，新增限行時段交通狀況改善最為明顯，早高峰也有一定的緩解，但是晚高峰的擁堵情況相較于新規(guī)實施前加劇。在具體分析常發(fā)性擁堵快速路時，可以發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域的擁堵時長和擁堵概率有了明顯的下降，即從空間和時間來看，常發(fā)性擁堵快速路的擁堵有所緩解。

交通擁堵評估是一項長期的工作，限行新規(guī)的效果同樣需要持續(xù)的觀察和分析。通過交通指數(shù)可以量化地表達(dá)城市道路交通運行狀態(tài)，也為下一步的數(shù)據(jù)挖掘工作做鋪墊。利用大數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行科學(xué)決策，也是一個值得長期思考和探索的課題。