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(duì)機(jī)動(dòng)車的需求越來(lái)越大，擁堵問(wèn)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(duì)緩解城市擁堵發(fā)揮了積極的作用。但是近些年來(lái)上海市機(jī)動(dòng)車保有量不斷增加，道路的擁堵問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。

根據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，2020年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.72億輛，其中汽車2.81億輛；機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)诉_(dá)4.56億人，其中汽車駕駛?cè)?.18億人。2020年全國(guó)新注冊(cè)登記機(jī)動(dòng)車3 328萬(wàn)輛，新領(lǐng)證駕駛?cè)? 231萬(wàn)人。從百度地圖最新發(fā)布的《2020年度中國(guó)城市交通報(bào)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(kāi)始實(shí)行新的限行政策，規(guī)定每日7時(shí)至20時(shí)(周六、周日和全體公民放假日除外)，禁止懸掛外省市機(jī)動(dòng)車號(hào)牌的小客車、使用臨時(shí)行駛車號(hào)牌的小客車、未載客的出租小客車及實(shí)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(shí)施，對(duì)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(píng)價(jià)，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(wèn)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(píng)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(yùn)行狀況的特征向量，并利用北京市兩個(gè)交通區(qū)域的實(shí)際交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；王運(yùn)靜等[2]選取了線路長(zhǎng)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(duì)北京市地面線路網(wǎng)進(jìn)行了現(xiàn)狀評(píng)價(jià)；孫超等[3]在路段和交叉口交通運(yùn)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(duì)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(píng)價(jià)；姚云紅等[4]選取了平均行程車速和密度比作為交通運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立了以該指標(biāo)為基礎(chǔ)的綜合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)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(jì)算方法，為居民出行提供參考，對(duì)緩解道路壓力起到積極的作用。但是在這些研究中，并沒(méi)有將動(dòng)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(lái)進(jìn)行交通狀況的評(píng)價(jià)是片面的，無(wú)法對(duì)整個(gè)路網(wǎng)有一個(gè)比較全面評(píng)價(jià)；同樣，若僅用紅黃綠三種顏色來(lái)表示嚴(yán)重?fù)矶?、擁堵和暢通這三種交通狀態(tài)，則很難反映出交通狀態(tài)的變化趨勢(shì)。本文的交通指數(shù)綜合考慮車速、里程長(zhǎng)度和車道數(shù)等因素，用無(wú)量綱數(shù)值來(lái)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)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?jī)?nèi)容與技術(shù)路線

交通指數(shù)是基于動(dòng)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(jì)間隔內(nèi)，量化表達(dá)城市道路交通運(yùn)行狀態(tài)的相對(duì)數(shù)值。本文主要基于交通指數(shù)，從指數(shù)強(qiáng)度、擁堵指數(shù)強(qiáng)度、擁堵時(shí)長(zhǎng)、擁堵累計(jì)里程占比、擁堵概率和暢行脆弱性等六個(gè)方面，對(duì)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(wú)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(gè)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(yùn)行狀態(tài)（見(jiàn)表1）。

表1 交通指數(shù)分級(jí)

交通指數(shù)算法模型：

其中：

若TSI計(jì)算結(jié)果小于0，則TSI取0。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文中的評(píng)價(jià)指標(biāo)均基于交通指數(shù)（TSI）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，從空間、時(shí)間方面，力求對(duì)交通狀態(tài)進(jìn)行全面的分析與評(píng)價(jià)(圖1)。

圖1 交通擁堵評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

指數(shù)強(qiáng)度

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

計(jì)算公式：

n——TSI個(gè)數(shù)

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

擁堵指數(shù)強(qiáng)度

擁堵指數(shù)強(qiáng)度指在特定時(shí)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(jì)算公式：

n——TSI個(gè)數(shù)

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

擁堵時(shí)長(zhǎng)

擁堵時(shí)長(zhǎng)指在特定時(shí)間內(nèi)，評(píng)價(jià)對(duì)象處于擁堵或嚴(yán)重狀態(tài)（即TSI≥50）的累積時(shí)間。

計(jì)算公式：

指標(biāo)范圍[0,T2-T1] (單位：分鐘)。擁堵時(shí)長(zhǎng)等于0說(shuō)明該時(shí)間段無(wú)擁堵。

擁堵累計(jì)里程占比

擁堵累計(jì)里程占比指在特定時(shí)間段內(nèi)，快速路處于擁堵或嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)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(jì)算公式：

S——道路里程總數(shù)

指標(biāo)范圍[0,1]。擁堵累計(jì)里程占比等于0說(shuō)明該時(shí)間段無(wú)擁堵路段，等于1說(shuō)明所有路段均處于擁堵?tīng)顟B(tài)。

擁堵概率

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

計(jì)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(shuō)明該時(shí)間段無(wú)擁堵發(fā)生，等于1說(shuō)明所有區(qū)域在時(shí)間段內(nèi)均處于擁堵?tīng)顟B(tài)。

暢行脆弱性

暢行脆弱性指在特定時(shí)間內(nèi)，快速路交通指數(shù)的方差。

計(jì)算公式：

n——TSI個(gè)數(shù)

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

1.3 歸一化公式

由于各個(gè)指標(biāo)的取值范圍不同，為了便于進(jìn)行對(duì)比分析，將指標(biāo)值進(jìn)行無(wú)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(píng)價(jià)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(duì)上海市外環(huán)以內(nèi)快速路的交通運(yùn)行情況進(jìn)行分析比較。原限行時(shí)間分別為工作日7:00-10:00,15:00-20:00兩個(gè)時(shí)段，新限行時(shí)間為7:00-20:00，因此我們定義工作日早高峰限行時(shí)段為7:00-10:00，晚高峰限行時(shí)段為15:00-20:00，新增限行時(shí)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(qiáng)度變化情況分析（圖2），在限行新規(guī)實(shí)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(gè)區(qū)域，從各個(gè)快速路每日首次擁堵時(shí)間的分布來(lái)看（圖3），新規(guī)實(shí)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(shí)間前移，說(shuō)明由于新規(guī)定的實(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖3 快速路每日首次擁堵發(fā)生時(shí)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(shí)施后的兩個(gè)月內(nèi)，工作日外環(huán)內(nèi)快速路指數(shù)強(qiáng)度和擁堵時(shí)長(zhǎng)出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，說(shuō)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(qiáng)度、暢行脆弱性、擁堵累計(jì)里程占比和擁堵概率有所上升，特別是擁堵指數(shù)強(qiáng)度和暢行脆弱性上升明顯，說(shuō)明在發(fā)生擁堵時(shí)，擁堵程度加重，并且交通狀態(tài)變化較大。從限行新規(guī)實(shí)施后的指標(biāo)變化率可以看出（即11月、12月的評(píng)價(jià)指標(biāo)變化率），多數(shù)指標(biāo)波動(dòng)比較大，可見(jiàn)對(duì)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(shì)，把握交通流在不同時(shí)段的具體表現(xiàn)，評(píng)估限行新規(guī)的運(yùn)行效果，我們從早高峰限行時(shí)段、晚高峰限行時(shí)段和新增限行時(shí)段三個(gè)方面來(lái)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(xiàng)指標(biāo)的變化。從圖5至圖7可以看出，在早高峰限行時(shí)段，除暢行脆弱性外，其余在新政實(shí)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(shí)段，各指標(biāo)新政實(shí)施后都有上升，平均上升12.98%；在新增限行時(shí)段，除暢行脆弱性外，其余指標(biāo)在新政實(shí)施后都有明顯的下降，平均下降40.69%。在各個(gè)時(shí)段，暢行脆弱性都有不同程度的上升，其中，限行新規(guī)實(shí)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(shí)段對(duì)比

圖6 晚高峰限行時(shí)段對(duì)比

圖7 新增限行時(shí)段對(duì)比

早高峰和晚高峰是交通需求最為旺盛的兩個(gè)時(shí)段，也是最受關(guān)注的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)。從各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，限行新政的實(shí)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(jì)里程占比下降最多，說(shuō)明在空間上擁堵范圍變小。而與之相反的是，新政的實(shí)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(shí)間上擁堵時(shí)長(zhǎng)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(shí)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(jiàn)新規(guī)在很大程度上使該時(shí)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(shí)施后，暢行脆弱性在各個(gè)時(shí)間段都上升明顯，說(shuō)明交通指數(shù)浮動(dòng)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(shí)施后交通指數(shù)極差明顯要大于實(shí)施前，從另一個(gè)方面反映了交通流狀態(tài)的不穩(wěn)定，也側(cè)面說(shuō)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(guò)對(duì)限行新規(guī)實(shí)施前后上海市外環(huán)內(nèi)快速路網(wǎng)各項(xiàng)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(qiáng)度下降，擁堵時(shí)長(zhǎng)減少，但是發(fā)生擁堵時(shí)，擁堵程度加??；

（2）早高峰時(shí)段擁堵情況有所緩解，從時(shí)間上看，擁堵時(shí)長(zhǎng)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(shí)段除暢行脆弱性外，各項(xiàng)指標(biāo)都下降明顯，交通狀況好轉(zhuǎn)；而晚高峰時(shí)段，各項(xiàng)指標(biāo)都有上升，說(shuō)明該時(shí)段交通擁堵情況加??；

（3）限行新規(guī)實(shí)施后，各個(gè)時(shí)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(gè)月內(nèi)日擁堵時(shí)長(zhǎng)超過(guò)2小時(shí)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(gè)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(shí)長(zhǎng)超過(guò)2小時(shí)天數(shù)與總工作日天數(shù)的比值來(lái)看（圖10），在新規(guī)實(shí)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(gè)區(qū)域每個(gè)工作日的擁堵時(shí)長(zhǎng)都超過(guò)2小時(shí)，可見(jiàn)這四個(gè)區(qū)域在居民出行選擇方面占有很大的比重。

圖10 擁堵時(shí)長(zhǎng)超2h工作日天數(shù)/工作日總數(shù)

在2020年11月2日實(shí)行限行新規(guī)后，常發(fā)性擁堵快速路的各項(xiàng)指標(biāo)都有不同程度的改善（見(jiàn)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(shí)行前后評(píng)價(jià)指標(biāo)環(huán)比

（1）超過(guò)一半的常發(fā)性擁堵快速路的擁堵時(shí)長(zhǎng)和擁堵概率有所下降，限行新規(guī)對(duì)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(gè)嚴(yán)重?fù)矶碌膮^(qū)域，其擁堵時(shí)長(zhǎng)下降明顯，平均下降34.98%；

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

（3）超過(guò)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(guò)指數(shù)強(qiáng)度、擁堵指數(shù)強(qiáng)度、擁堵時(shí)長(zhǎng)、擁堵累計(jì)里程占比、擁堵概率和暢行脆弱性六個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)上海市2020年11月2日開(kāi)始實(shí)行的限行新規(guī)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。從整體來(lái)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(shí)長(zhǎng)，但是在發(fā)生擁堵時(shí)，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(shí)段來(lái)看，新增限行時(shí)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(shí)施前加劇。在具體分析常發(fā)性擁堵快速路時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域的擁堵時(shí)長(zhǎng)和擁堵概率有了明顯的下降，即從空間和時(shí)間來(lái)看，常發(fā)性擁堵快速路的擁堵有所緩解。

交通擁堵評(píng)估是一項(xiàng)長(zhǎng)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(guò)交通指數(shù)可以量化地表達(dá)城市道路交通運(yùn)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(gè)值得長(zhǎng)期思考和探索的課題。