吳航宇，張 璐，朱家明

（安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) a金融學(xué)院；b.統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展速度遠(yuǎn)比道路發(fā)展得快，所以城市道路擁堵日益成為阻礙城市發(fā)展的頑疾。考慮到道路的改善相對(duì)比較難，為了緩解這一矛盾，借鑒西方國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)城普遍存在的封閉式住宅小區(qū)開(kāi)放成為暫時(shí)的解決方式之一。為此我國(guó)政府積極出臺(tái)相關(guān)政策，國(guó)務(wù)院在2016年2月21日發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》中明確表示，推廣街區(qū)制在原則上不再建設(shè)封閉住宅小區(qū)，已建成的住宅小區(qū)和單位大院要逐步開(kāi)放，引發(fā)了廣泛的關(guān)注和討論。除了小區(qū)開(kāi)放后引發(fā)群眾對(duì)小區(qū)治安情況的擔(dān)憂(yōu)外，另一個(gè)議論的焦點(diǎn)是小區(qū)開(kāi)放后能否實(shí)現(xiàn)改善交通狀況，優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提升道路通行能力的目標(biāo)，人們對(duì)這一政策實(shí)施的效果表示了一定的質(zhì)疑。針對(duì)這些質(zhì)疑，有專(zhuān)家解釋說(shuō)傳統(tǒng)的封閉式小區(qū)破壞了城市路網(wǎng)布局，阻塞了城市“毛細(xì)血管”，極易造成交通阻塞[1]。開(kāi)放封閉式小區(qū)后，將會(huì)增大路網(wǎng)密度，擴(kuò)大道路面積，提升通行能力。而反對(duì)觀點(diǎn)認(rèn)為小區(qū)地理位置、外部及內(nèi)部道路狀況、面積大小等諸多因素都會(huì)影響小區(qū)周邊道路的通行能力，不能一概而論。且開(kāi)放封閉式小區(qū)后，伴隨著可通行道路的增多，小區(qū)周邊干路上出入小區(qū)的交叉路口的車(chē)輛也會(huì)增多，一定程度上會(huì)影響干路的通行速度。因此，如何科學(xué)決策是當(dāng)前重中之重。本文試圖建立模型，就開(kāi)放封閉式小區(qū)對(duì)周邊道路通行能力的影響進(jìn)行研究。

1 文獻(xiàn)綜述

隨著國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，逐漸聚焦于城市規(guī)劃領(lǐng)域，試圖借此來(lái)改善城市道路交通堵塞等日漸嚴(yán)峻的問(wèn)題。王受之[2]（2001）在《當(dāng)代商業(yè)住宅區(qū)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)》一書(shū)中，通過(guò)對(duì)實(shí)例規(guī)劃方案的分析研究，提出國(guó)內(nèi)應(yīng)當(dāng)推進(jìn)開(kāi)放混合小區(qū)的發(fā)展。徐振寧（2012）通過(guò)對(duì)中外治理交通擁堵問(wèn)題的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)封閉式的小區(qū)使得城市交通主要依靠主干道承擔(dān)，一旦主干道路出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，將造成大面積的“交通癱瘓”。李向朋[3]（2014）在論文“封閉型小區(qū)交通開(kāi)放在城市擁堵中運(yùn)用研究”中，提出開(kāi)放型小區(qū)可以更加緊密地連接城市道路，減少道路的車(chē)流量，提高道路的分流能力。他還通過(guò)對(duì)某小區(qū)開(kāi)放的案例分析，驗(yàn)證了我國(guó)開(kāi)放型小區(qū)建設(shè)的可行性，并對(duì)封閉型小區(qū)的開(kāi)放提出具體的原則及建議。當(dāng)前影響小區(qū)周邊道路通行能力的主要問(wèn)題是擁堵，小區(qū)開(kāi)放可以提高路網(wǎng)密度進(jìn)而提供更多的道路通行能力，與國(guó)外發(fā)達(dá)城市相比，我國(guó)城市主要依靠為數(shù)不多的主干道來(lái)承擔(dān)交通壓力[4]，路網(wǎng)密度低且缺乏輔助的道路，致使道路之間的可達(dá)性差、分流能力低、有機(jī)分散能力小，而且機(jī)動(dòng)車(chē)時(shí)代（汽車(chē)占據(jù)交通工具的主要部分）的到來(lái)更加大了道路的飽和度[5]，極大地考驗(yàn)城市道路的承受力。綜合上述分析，我們認(rèn)為應(yīng)該從影響道路通行能力的主要因素來(lái)分析小區(qū)開(kāi)放前后對(duì)周邊道路通行能力的實(shí)際效果。

2 小區(qū)開(kāi)放影響因素分析

2.1研究思路

小區(qū)布局及周邊道路布局、車(chē)流量等因素可能影響小區(qū)開(kāi)放的有效性。因此本文通過(guò)構(gòu)建不同類(lèi)型的小區(qū)，選取影響道路通行能力的各種指標(biāo)，建立相對(duì)應(yīng)的道路通行模型，利用隨機(jī)森林算法對(duì)不同小區(qū)開(kāi)放前后周邊道路通行的能力進(jìn)行定量比較。

2.2研究方法

2.2.1指標(biāo)選取 首先定義道路的通行能力為單位時(shí)間流出系統(tǒng)的車(chē)輛數(shù)（各個(gè)出口的車(chē)輛數(shù)之和），在VISSIM仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，固定小區(qū)形狀，建立小區(qū)結(jié)構(gòu)，小區(qū)面積，小區(qū)入口個(gè)數(shù)，小區(qū)出口個(gè)數(shù)，道路寬度，車(chē)流密度等指標(biāo)，通過(guò)控制變量法，得出基本的仿真數(shù)據(jù)。

然后建立周邊的通行能力=f(小區(qū)面積，小區(qū)入口個(gè)數(shù)，小區(qū)出口個(gè)數(shù)，道路寬度，車(chē)流密度)的函數(shù)關(guān)系，建立隨機(jī)森林模型，最后再研究其他不同小區(qū)結(jié)構(gòu)得到函數(shù)關(guān)系，周邊通行能力=f(小區(qū)面積，小區(qū)入口個(gè)數(shù)，小區(qū)出口個(gè)數(shù)，道路寬度，車(chē)流密度)，在函數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)不同小區(qū)開(kāi)放前后周邊道路通行的能力進(jìn)行定量的比較。

2.2.2Bagging算法概述 Bagging是最早的集成學(xué)習(xí)算法，其基本思路如圖，具體的步驟（如圖1）可以描述為：

圖1 Bagging算法步驟圖

2.3結(jié)果分析

借助R編程得出結(jié)果如表1，相對(duì)數(shù)值越大，說(shuō)明其重要性越大。

表1 道路通行影響指標(biāo)重要性表

在模型中，隨機(jī)森林共建立了500個(gè)決策樹(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的候選輸入變量為2，每棵樹(shù)隨機(jī)選擇2個(gè)變量作為自變量?；诖庥^測(cè)的預(yù)測(cè)誤判率為42.67%。從袋外的混淆矩陣來(lái)看，獨(dú)立的模型對(duì)兩個(gè)類(lèi)別的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度均不理想。隨機(jī)森林對(duì)所有觀測(cè)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)誤差較小，擬合優(yōu)度在84.55%左右。

另外，為評(píng)價(jià)輸入變量的重要性，可直接用R函數(shù)繪制散點(diǎn)圖，即為對(duì)各輸入變量添加隨機(jī)噪聲后對(duì)預(yù)測(cè)精度平均影響的散點(diǎn)圖。圖2是小區(qū)進(jìn)出入口個(gè)數(shù)，道路寬度，車(chē)流總數(shù)是對(duì)輸出變量較為重要的輸入變量。

圖2 度量輸入變量重要程度的可視化圖

由圖2可知，從對(duì)變量預(yù)測(cè)精度的影響看，小區(qū)進(jìn)出入口個(gè)數(shù)，道路寬度，車(chē)流總數(shù)比較重要，從節(jié)點(diǎn)純度來(lái)看，車(chē)流總數(shù)，道路寬度和小區(qū)類(lèi)型比較重要。即車(chē)流總數(shù)，道路寬度，出口數(shù)和小區(qū)類(lèi)型對(duì)周?chē)缆吠ㄐ杏休^大影響。

3 小區(qū)開(kāi)放方案分析

3.1研究思路

在上述諸多影響因素中，道路寬度與車(chē)流總數(shù)在現(xiàn)實(shí)中很難做出較大改變，因?yàn)榈缆方ㄔO(shè)是先于小區(qū)建設(shè)，對(duì)現(xiàn)有道路的改擴(kuò)建是一個(gè)耗資巨大的工程[6]。同時(shí)車(chē)流量是實(shí)際客觀存在的，想要單方面改變小區(qū)周邊的車(chē)流量是比較困難的[7]。所以綜合考慮之后本文選取了不同開(kāi)放形式小區(qū)的進(jìn)出入口個(gè)數(shù)這一影響因素來(lái)進(jìn)行分析。最后得出結(jié)論進(jìn)出入口個(gè)數(shù)為6的情況下，周?chē)缆吠ㄐ心芰ψ罴?，超過(guò)該開(kāi)放路口量通行能力逐漸下降，一定程度上符合正態(tài)分布。

3.2研究方法

本文在采用控制變量的方法，首先確立五種小區(qū)類(lèi)型，即封閉型、疏松的街區(qū)型、中心型、緊密的街區(qū)型以及個(gè)體型小區(qū)，與之對(duì)應(yīng)的小區(qū)開(kāi)放路口的個(gè)數(shù)分別為0、2、4、6、8。然后對(duì)這五種情況分別進(jìn)行分析，在控制進(jìn)入該小區(qū)周邊道路的車(chē)流量的基礎(chǔ)上，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，最終得出最有的小區(qū)開(kāi)放方案。

第一種情況如圖3，編號(hào)1，2，3是在仿真過(guò)程中截取的堵車(chē)情況，其中3-1圖對(duì)應(yīng)表示入口車(chē)流量在1000輛/小時(shí)的時(shí)候封閉式小區(qū)周邊的交通堵塞情況，3-2圖表示入口車(chē)流量在800輛/小時(shí)的時(shí)候封閉式小區(qū)周邊的交通堵塞情況，3-3圖表示入口車(chē)流量在1000輛/小時(shí)的時(shí)候，對(duì)原有封閉式小區(qū)周邊的道路擴(kuò)寬之后的交通情況。

從中可以很明顯地看出在上方與左方的主干道中，3-1圖堵塞比中和3-2圖明顯很多。說(shuō)明在小區(qū)未開(kāi)放時(shí)，緩解交通堵塞，提高交通效率，只能減少道路上的汽車(chē)流量，或者對(duì)原有道路進(jìn)行改擴(kuò)建。

圖3 封閉式小區(qū)周邊的道路通行情況的仿真模擬

第二種情況如圖4，此圖是在前一種封閉小區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)原來(lái)的小區(qū)進(jìn)行拆分，形成一條中央街道，以這種方式來(lái)開(kāi)放小區(qū)道路，其中4-1圖表示入口車(chē)流量在1000輛/小時(shí)的時(shí)候單街區(qū)型小區(qū)周邊的交通堵塞情況，4-2圖表示入口車(chē)流量在800輛/小時(shí)的時(shí)候單街區(qū)型小區(qū)周邊的交通堵塞情況?？梢院苊黠@的看出堵塞集中在左方主干道上。說(shuō)明在街區(qū)型小區(qū)在開(kāi)放一條路之后能夠有效緩解上方主干道的交通壓力，但左方主干道上交通壓力依然較大。

圖4 單街區(qū)小區(qū)（疏松型街區(qū)）周邊的道路通行情況的仿真模擬

第三種情況如圖5，此圖是在前一種單街區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)原來(lái)小區(qū)進(jìn)行改造，形成一個(gè)中央樞紐，以這種方式來(lái)開(kāi)放小區(qū)道路，其中5-1圖表示入口車(chē)流量在1000輛/小時(shí)的時(shí)候中心型小區(qū)周邊的交通堵塞情況，5-2圖表示入口車(chē)流量在800輛/小時(shí)的時(shí)候中心型小區(qū)周邊的交通堵塞情況。雖然在左主干道上有輕微堵車(chē)，但較前幾種情況要好很多，因?yàn)榇蠖鄶?shù)車(chē)輛進(jìn)入了小區(qū)的開(kāi)放道路，緩解了主路的交通壓力。說(shuō)明在中心型小區(qū)在開(kāi)放之后，對(duì)主路的車(chē)流堵塞緩解相比較前面幾種情況要好很多。

圖5 中心型小區(qū)周邊的道路通行情況的仿真模擬

第四種情況如圖6，此圖在前一種單街區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)原來(lái)小區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步改造，形成三條貫穿東西的街道，以這種方式來(lái)開(kāi)放小區(qū)道路，其中6-1圖表示入口車(chē)流量在1000輛/小時(shí)的時(shí)候三街區(qū)型小區(qū)周邊的交通堵塞情況，6-2圖表示入口車(chē)流量在800輛/小時(shí)的時(shí)候三街區(qū)型小區(qū)周邊的交通堵塞情況。可以看到在左主干道上已經(jīng)沒(méi)有了堵車(chē)的現(xiàn)象，說(shuō)明這種開(kāi)放方式能有效提升小區(qū)周邊的交通環(huán)境。

圖6 三街區(qū)型小區(qū)（緊密型街區(qū)）周邊的道路通行情況的仿真模擬

第五種情況如圖7，此圖是在原小區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)原來(lái)的小區(qū)進(jìn)行分割改造，形成獨(dú)立的9個(gè)獨(dú)立個(gè)體區(qū)域，以這種方式來(lái)開(kāi)放小區(qū)道路，其中7-1圖表示入口車(chē)流量在1000輛/小時(shí)的時(shí)候中心型小區(qū)周邊的交通堵塞情況，7-2圖表示入口車(chē)流量在800輛/小時(shí)的時(shí)候中心型小區(qū)周邊的交通堵塞情況?？梢园l(fā)現(xiàn)在7-1圖左下角出現(xiàn)了明顯的堵塞，這是由于在小區(qū)內(nèi)沒(méi)有交通紅綠燈，形成所謂的“幽靈堵車(chē)[4]”現(xiàn)象。即雖然增多了開(kāi)放入口，但由于小區(qū)內(nèi)部沒(méi)有交通疏導(dǎo)系統(tǒng)，反而會(huì)導(dǎo)致小區(qū)內(nèi)部形成擁擠狀況，這反而會(huì)惡化小區(qū)交通環(huán)境，所以不是開(kāi)放的入口越多越好。

圖7 個(gè)體型小區(qū)周邊的交通道路通行情況的仿真模擬

3.3結(jié)果分析

綜上所述，我們可以得到結(jié)論即進(jìn)出入口個(gè)數(shù)為6的情況下，周?chē)缆吠ㄐ心芰ψ罴?，超過(guò)該開(kāi)放路口量通行能力逐漸下降，一定程度上符合正態(tài)分布。同時(shí)我們?cè)趯?duì)個(gè)體型小區(qū)仿真分析中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，即小區(qū)開(kāi)放路口增加，非但沒(méi)有緩解小區(qū)周邊的交通問(wèn)題，反而在小區(qū)內(nèi)部造成不小的堵塞，針對(duì)這一問(wèn)題我們查閱了相關(guān)的資料，發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是由Braess悖論導(dǎo)致的[8]。Braess悖論是數(shù)學(xué)家Dietrich Braess發(fā)現(xiàn)的在城市交通中一個(gè)看似矛盾的現(xiàn)象，即個(gè)人獨(dú)立選擇路徑的情況下，為某路網(wǎng)增加路段或路口（即增加額外的交通通行能力），反而會(huì)導(dǎo)致整個(gè)路網(wǎng)整體運(yùn)行水平降低的情況。其問(wèn)題的本質(zhì)是博弈論中的納什均衡，即每個(gè)人的策略均為對(duì)其他參與人策略的最優(yōu)反應(yīng)。在交通網(wǎng)絡(luò)中，由于每個(gè)人都不考慮自己的行為對(duì)其他人出行的影響，使得即使增加道路，交通延遲也不會(huì)減少[9]，通過(guò)我們的數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。

4 對(duì)模型的評(píng)價(jià)推廣與政策建議

4.1模型的優(yōu)勢(shì)

⑴本文的模型以及一系列數(shù)據(jù)分析都是建立在VISSIM仿真系統(tǒng)上，VISSIM中含有跟車(chē)模型和換車(chē)道模型等數(shù)學(xué)模型，可以用來(lái)信號(hào)燈配時(shí)的模擬、公交專(zhuān)用道的模擬，以及行人、自行車(chē)的模擬，其仿真在城市道路、高速公路、公共交通和私人交通等領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛應(yīng)用。尤其適用于在計(jì)算機(jī)上準(zhǔn)確展現(xiàn)路網(wǎng)的實(shí)際交通狀況，對(duì)路網(wǎng)交通流狀況的評(píng)價(jià)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)選取了我國(guó)某省某市某小區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，排除了一些不確定因素，使得分析結(jié)果更加貼近現(xiàn)實(shí)，為政策的制定提供一定的基礎(chǔ)。

⑵本文應(yīng)用的隨機(jī)森林模型，具有成熟的理論基礎(chǔ)，算法中包含了對(duì)輸入數(shù)據(jù)的重復(fù)自抽樣過(guò)程，即所謂bootstrap抽樣。這樣一來(lái)，數(shù)據(jù)集中大約三分之一將沒(méi)有用于模型的訓(xùn)練而是用于測(cè)試，這樣的數(shù)據(jù)被稱(chēng)為out of bag samples，通過(guò)這些樣本估計(jì)的誤差被稱(chēng)為out of bag error。研究表明，這種out of bag方法的與測(cè)試集規(guī)模同訓(xùn)練集一致的估計(jì)方法有著相同的精確度，因此在隨機(jī)森林中我們無(wú)需再對(duì)測(cè)試集進(jìn)行另外的設(shè)置。

4.2模型的推廣

常被用來(lái)對(duì)城市交通和公共交通運(yùn)行進(jìn)行建模的VIS-SIM是可以微觀的、準(zhǔn)確基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真軟件[10]，尤其適用于各種城市交通控制系統(tǒng)的模擬演練，廣泛運(yùn)用于分析和檢驗(yàn)實(shí)施公交優(yōu)先方案的道路通行能力；設(shè)計(jì)收費(fèi)設(shè)施和匝道控制方案等。因此，可廣泛應(yīng)用于道路通行的評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)中。

在熱門(mén)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法中隨機(jī)森林憑借獨(dú)有的特點(diǎn)和良好的分類(lèi)效果脫穎而出。眾多理論和實(shí)證研究都證明了RF具有很高的預(yù)測(cè)精度且可以很好地消除異常值和噪聲的影響。它的應(yīng)用十分廣泛，根據(jù)目標(biāo)變量的取值類(lèi)型可分為分類(lèi)和回歸兩大類(lèi)。當(dāng)目標(biāo)變量的取值類(lèi)型為離散型時(shí)（例如：屬性、種類(lèi)、有序、多級(jí)等變量），對(duì)應(yīng)的結(jié)果是預(yù)測(cè)哪種狀況；當(dāng)目標(biāo)的取值類(lèi)型為連續(xù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)結(jié)果是預(yù)測(cè)目標(biāo)變量的分布。因此，可以將隨機(jī)森林應(yīng)用于更多項(xiàng)目，甚至是更多領(lǐng)域的研究。

4.3政策建議

開(kāi)放式小區(qū)相對(duì)于傳統(tǒng)小區(qū)來(lái)說(shuō)最大的不同是對(duì)原有的社區(qū)管理模式的改變，而不同的小區(qū)在政策施行時(shí)應(yīng)該差別化對(duì)待。對(duì)已經(jīng)建成或正在建設(shè)的小區(qū)，應(yīng)該在不影響小區(qū)原有公共設(shè)施的基礎(chǔ)上，建設(shè)新的配套設(shè)施，同時(shí)還要盡可能控制新設(shè)施的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)資源的共享效率，相關(guān)職能部門(mén)應(yīng)與小區(qū)的物業(yè)管理單位形成良好的合作關(guān)系，確保新建的設(shè)施能夠獲得很好的維護(hù)。所以對(duì)已建成的小區(qū)來(lái)說(shuō)，開(kāi)放小區(qū)的最好方案是盡可能地利用好已有的資源，避免重復(fù)建設(shè)的資源浪費(fèi)。對(duì)于還未建成的小區(qū)來(lái)說(shuō)，在小區(qū)建立的初期設(shè)計(jì)中就應(yīng)該根據(jù)相關(guān)政策要求，結(jié)合小區(qū)周?chē)缆吠ㄐ袑?shí)際情況，科學(xué)合理地進(jìn)行規(guī)劃，在不影響小區(qū)居住環(huán)境和安全的前提下，可以通過(guò)改變現(xiàn)有的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，促使新建小區(qū)能夠落實(shí)小區(qū)開(kāi)放的政策。

5 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)放式小區(qū)目前還只在理論驗(yàn)證階段，并未完全推廣到市場(chǎng)中。由于居民對(duì)安全和環(huán)境的需求使得開(kāi)發(fā)商樂(lè)于建設(shè)封閉式小區(qū)，而且不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、人文、地理等因素的影響使得開(kāi)放小區(qū)政策的推廣嚴(yán)重滯后，導(dǎo)致當(dāng)前政策不能很好地進(jìn)行自我推廣。所以需要通過(guò)一定的行政手段，加大規(guī)劃與治安管理部門(mén)的配合，使政策能夠更有效地落實(shí)。同時(shí)還要完善相關(guān)政策法規(guī)，加快相關(guān)立法工作的進(jìn)程，促進(jìn)開(kāi)放式小區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1]胡紅颯,朱家明,孫寧,等.車(chē)道被占用對(duì)城市道路通行能力影響的評(píng)估[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào),2014（1）:85-87+91.

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