中心城區(qū)交通微循環(huán)的運(yùn)行效率及影響因素研究：基于XGBoost模型的非線性分析

郭源園，夏梓慧，郭聰

0 引言

我國因交通擁堵帶來的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)2500 億元，交通擁堵問題已經(jīng)成為中國城市發(fā)展的一大瓶頸。在諸多“治堵”方案中，通過完善城市交通微循環(huán)體系，充分利用城市微循環(huán)道路以實(shí)現(xiàn)主循環(huán)交通分流成為了“治堵”的優(yōu)選方案之一[1]。作為城市交通道路網(wǎng)的重要組成部分，以支路、街巷為主的微循環(huán)道路遍布城市各個(gè)角落，尤其在人口密度大、出行需求高的大都市中心城區(qū)，微循環(huán)道路承載了大量的交通負(fù)荷，微循環(huán)不暢的現(xiàn)象尤為突出[2]。以老舊小區(qū)為代表的存量空間在中心城區(qū)分布廣泛，使得中心城區(qū)交通環(huán)境復(fù)雜，面臨的交通問題也更為嚴(yán)峻[3]。在城市存量發(fā)展的背景下，加強(qiáng)交通微循環(huán)建設(shè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)交通環(huán)境改善具有重要意義。

因此，借助于城市存量規(guī)劃賦予的發(fā)展機(jī)遇以及我國大城市對(duì)于解決城市交通問題的迫切需求，本研究以天津市中環(huán)線以內(nèi)區(qū)域?yàn)檠芯糠秶?，定量測度車行微循環(huán)在高峰時(shí)間的運(yùn)行效率，并進(jìn)一步采用XGBoost 模型分析不同交通—土地利用規(guī)劃要素對(duì)交通微循環(huán)的重要性和非線性影響過程，研究結(jié)果對(duì)于提升城市交通環(huán)境、緩解中心城區(qū)交通擁堵具有重要意義。

1 方法

1.1 交通微循環(huán)效率測度

以主、次干道為基礎(chǔ)，劃定交通微循環(huán)單元。其次，以微循環(huán)單元的幾何中心為模擬路徑起點(diǎn)，以與大循環(huán)的多個(gè)路口為路徑終點(diǎn)，通過GIS 地理位置計(jì)算獲取起、始點(diǎn)位置信息。隨后，運(yùn)用百度路徑規(guī)劃功能模擬上述起點(diǎn)到各終點(diǎn)的出行路線，每間隔15 分鐘獲取在駕車模式下高峰時(shí)段（7:00-9:00）百度路徑規(guī)劃的路徑長度和行駛時(shí)間。最后，求取每個(gè)交通微循環(huán)單元內(nèi)的多個(gè)路徑多個(gè)測度節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和，除以微循環(huán)單元面積及測量次數(shù)以計(jì)算平均時(shí)間密度。

1 交叉路口密度

2 T型路口密度

3 高層住宅比例

4 公交線路密度

5 單行道總長占比

6 地塊平均面積

1.2 交通微循環(huán)要素

交通微循環(huán)要素通常以交通道路載體為核心，不僅包含道路自身要素，也包含載體附著的交通設(shè)施、交通組織，同時(shí)也包含交通微循環(huán)所在的平面空間及三維空間背景[4-5]。根據(jù)上述要素的空間形態(tài)差異，構(gòu)建中心城區(qū)交通微循環(huán)的“點(diǎn)—線—面—空—組織”要素體系（表1）。

表1 交通微循環(huán)要素組成

1.3 XGBoost 機(jī)器學(xué)習(xí)模型

XGBoost 即極限梯度提升模型（eXtreme Gradient Boosting model），是近年來提出的全新的機(jī)器學(xué)習(xí)框架，可以高效地?cái)M合一系列機(jī)器學(xué)習(xí)模型。XGBoost 有超高的預(yù)測準(zhǔn)確率和較快的訓(xùn)練速度，擬合速度比傳統(tǒng)梯度提升決策樹算法快20 倍以上，而且不損失預(yù)測準(zhǔn)確率[6]。通過XGBoost 技術(shù)的運(yùn)用可以解析不同交通微循環(huán)要素對(duì)運(yùn)行效率的作用貢獻(xiàn)程度及其重要性排序，并通過對(duì)作用閾值和范圍的定量刻畫從而有效揭示不同要素的非線性作用過程（表2）。

表2 不同循環(huán)要素對(duì)交通微運(yùn)行效率的貢獻(xiàn)率

2 成果

交叉路口密度是對(duì)機(jī)動(dòng)車時(shí)間效率影響最大的因素（40.62%）。交叉路口在城市中具有交叉匯集和分散車流的作用，有交叉路口的區(qū)域人員的活動(dòng)流動(dòng)性較大，易發(fā)生堵塞或者交通事故，并且隨著交叉道路的不斷增多，需要匯集和分散的車輛也會(huì)成倍增長，因此汽車所需要的通行時(shí)間也隨之增加（圖1）。T 型路口在城市道路中有著和交叉路口同樣的職能，匯集和分散車輛，其貢獻(xiàn)率達(dá)到14.68%（圖2）。隨著單元內(nèi)的路口數(shù)量增加，機(jī)動(dòng)車的通行效率也在降低。

在城市交通微循環(huán)單元內(nèi)，每個(gè)地塊中高層住宅的面積占比越大，機(jī)動(dòng)車通行效率越低。高層住宅（11.62%）在城市中往往是占據(jù)了城市中較大的空間建立的封閉式小區(qū)，封閉式的小區(qū)結(jié)構(gòu)不利于城市道路的暢通，一定程度上阻礙了城市交通（圖3）。

高峰時(shí)期公共交通的通勤十分普遍，與小汽車形成競爭。微循環(huán)道路承載的越多，留給小汽車行駛的道路空間則越少，使得小汽車通過微循環(huán)路網(wǎng)的行駛時(shí)間增加。因此，公交線路密度（8.94%）表現(xiàn)出了顯著的增長影響趨勢（圖4）。

單行道長度占比（7.93%）越大機(jī)動(dòng)車出行時(shí)間越長，單行道可以提升道路自身的通行能力，提升汽車的運(yùn)行速度，但單行道也會(huì)增加區(qū)域行駛的復(fù)雜程度，導(dǎo)致部分車輛需要繞行或多次經(jīng)過交叉口來抵達(dá)目的地（圖5）。相反，地塊面積（6.37%）越大，小汽車所遇到的路口越少，行駛則越為順暢（圖6）。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，交叉路口或T 型路口對(duì)機(jī)動(dòng)車的微循環(huán)行駛效率的影響權(quán)重較大。然而，在對(duì)中心城區(qū)交通環(huán)境的改善和提升中，一方面需要控制路口的數(shù)量，但在既定的情況下，如何保證路口較多導(dǎo)致的交通擁堵問題需要重點(diǎn)考慮；另一方面，平衡路口控制下可達(dá)性和連通性的降低也需要重點(diǎn)考慮。中心城區(qū)高層住宅比例過高帶來的交通出行需求增加需要引起重視。中心城區(qū)的更新和再開發(fā)，對(duì)高層住宅小區(qū)的建設(shè)理應(yīng)慎重，且需合理引導(dǎo)因?yàn)榫幼∪丝诩厶嵘龑?dǎo)致的交通擁堵問題。