劉 煒 董傲然 鄧 雷 朱 彤* 皮鈺鑫

(西安市城市規(guī)劃設(shè)計研究院1) 西安 710082) (長安大學(xué)運(yùn)輸工程學(xué)院2) 西安 710064) (張家港市交通運(yùn)輸局3) 張家港 215600) (深圳市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司4) 深圳 518052)

0 引 言

城市公共交通是為社會公眾提供基本出行服務(wù)的社會公益性事業(yè)和重大民生工程[1].建立量化指標(biāo)并有效評估公共交通發(fā)展水平，對于進(jìn)一步科學(xué)制定城市交通發(fā)展戰(zhàn)略具有重要作用.交通可達(dá)性是判斷公共交通發(fā)展水平的主要指標(biāo)，相關(guān)文獻(xiàn)通過計算交通可達(dá)性反映城市交通特征及存在的問題，包括交通基礎(chǔ)設(shè)施與城市結(jié)構(gòu)、土地利用之間的相互聯(lián)系，度量城市居民參與社會經(jīng)濟(jì)活動便利性，評價城市交通系統(tǒng)公平性等[2].

為了分析多種交通模式之間的可達(dá)性差異，相關(guān)研究還引入了公共交通和小汽車交通可達(dá)性之間差異的計算模型[3](以下簡稱交通可達(dá)差).公共交通相對可達(dá)性越好，城市交通設(shè)施集約性越好，對于城市可持續(xù)發(fā)展更為有利.早期研究用該指標(biāo)評價香港交通系統(tǒng)可持續(xù)水平，后續(xù)研究多用其評估城市或區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展水平.Hess[4]發(fā)現(xiàn)紐約州西部地區(qū)小汽車交通可達(dá)性要好于公共交通可達(dá)性.Kawabata等[5]發(fā)現(xiàn)舊金山各區(qū)域之間的交通可達(dá)差較大.Salonen等[6]研究發(fā)現(xiàn)大赫爾辛基地區(qū)的小汽車交通和公共交通的出行時間存在顯著差異，且城市中心的交通可達(dá)差比郊區(qū)小.此外，交通網(wǎng)絡(luò)空間分布的公平性也是交通可達(dá)性研究中需要解決的重要問題，基尼系數(shù)最初用以衡量一個國家或地區(qū)居民收入公平性，也可以用來反映交通網(wǎng)絡(luò)在空間中的發(fā)展均衡性.

以往文獻(xiàn)多用靜態(tài)數(shù)據(jù)反映城市交通宏觀問題，近年來基于大數(shù)據(jù)交通可達(dá)性計算如何實現(xiàn)動態(tài)化、微觀化發(fā)展獲得了廣泛關(guān)注，許多學(xué)者開始尋求表現(xiàn)可達(dá)性時變特性的方法與數(shù)據(jù).Paezaez等[7]使用GPS數(shù)據(jù)來分析公共交通和私人交通可達(dá)性的差異.谷歌地圖也被用于比較相同線路下公共汽車與私人小汽車出行時間差異.Lei等[8]基于開源的Web地圖對可達(dá)性進(jìn)行動態(tài)分析.Ferguson等[9]結(jié)合谷歌地圖研究了蘇格蘭地區(qū)交通可達(dá)性.Stpniak等[10]將網(wǎng)絡(luò)地圖開放數(shù)據(jù)用于交通研究中，網(wǎng)絡(luò)地圖開放數(shù)據(jù)平臺可獲取實時兩點之間預(yù)期通行時間.

文中利用網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)提取網(wǎng)絡(luò)地圖開放平臺數(shù)據(jù)，但將其與網(wǎng)格化的人口數(shù)據(jù)相結(jié)合并融入交通可達(dá)性計算過程，在更精細(xì)的尺度上獲得具有時變特性的可達(dá)性值.論文以西安市中心城區(qū)部分區(qū)域為案例研究對象，通過計算分析公共交通可達(dá)性、交通可達(dá)差及公平性結(jié)果，并比較各個區(qū)域之間的時變特性.

1 公共交通可達(dá)性及公平性測度模型

1.1 基于Huff模型的可達(dá)性計算模型

應(yīng)用Huff模型計算空間點的平均出行時間.Huff模型是引力模型在空間分析中應(yīng)用，起始點前往目的地點的平均出行時間計算公式為

(1)

式中：Ti為區(qū)域i的平均出行時間；pij為從點i出行前往點j概率；tij為從i至j的通行時間成本；n代表居民點個數(shù).根據(jù)類似重力的相互作用原理，出行選擇概率的計算公式為

(2)

式中：Mj為區(qū)域j的社會經(jīng)濟(jì)活動吸引力，比如區(qū)域生產(chǎn)總值、人口、車流量等，考慮到本文的研究區(qū)域內(nèi)的交通網(wǎng)絡(luò)與人口的擬合度較好，且交通對人口的變化起基礎(chǔ)性作用[11]，故本文以網(wǎng)格中的人口數(shù)量來反映區(qū)域的吸引力；α為常數(shù)，代表距離衰減系數(shù)，用來反映通行成本對出行選擇的影響.一般來說，α越大，反應(yīng)城市中心區(qū)域可達(dá)性所表現(xiàn)的數(shù)值也越好.通常在計算范圍較小的條件下，這種影響微弱，可忽略不計，因此本文計算時取α= 0.

結(jié)合式(1)～式(2)，得居民點i的平均出行時間為

(3)

1.2 不公平性測度模型

引入測量社會不公平的基尼系數(shù)作為交通不公平度的計算方法，其計算公式為

(4)

式中：G為可達(dá)性指標(biāo)下的基尼系數(shù)；Xk為各地理單元累計的人口占比，%；Yk為各地理單元累計的可達(dá)性占比，%；n為地理單元數(shù).

此外，引入表示社會不公平度的洛倫茨曲線表示不公平狀況，通常以區(qū)域累計人口百分比為橫軸，累計可達(dá)性百分比為縱軸構(gòu)建曲線.此時，曲線與絕對平等線y=x圍合形成的面積與絕對平等線與橫縱軸圍合形成的三角形面積的比值即為基尼系數(shù).

2 數(shù)據(jù)獲取

2.1 網(wǎng)格化人口數(shù)據(jù)

人口密度數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)格化的人口空間分布數(shù)據(jù)庫.該數(shù)據(jù)庫以全國分縣/區(qū)人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合考慮了與人口密切相關(guān)的土地利用類型、夜間燈光亮度、居民點密度等多種因素，利用多因子權(quán)重分配法將以行政區(qū)為基本統(tǒng)計單元的人口數(shù)據(jù)展布到空間格網(wǎng)上，從而實現(xiàn)人口的空間化.該數(shù)據(jù)已被應(yīng)用于各類地理信息的計算中[12].

2.2 網(wǎng)絡(luò)平臺數(shù)據(jù)

地圖開放平臺的實時路況信息由包括浮動車數(shù)據(jù)在內(nèi)的多元數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，每2 min更新一次估計結(jié)果.這種大數(shù)據(jù)驅(qū)動的估計方法可以提供高精度的出行時間估計值[13].

出行時間由網(wǎng)絡(luò)地圖開放平臺獲取.在地圖開放平臺中確定城市起始點和目的地點集合，在平臺中通過JavaScript與HTML程序計算起點和終點之間預(yù)期出行時間.在同一對起訖點之間分別計算公共交通出行時間，其中，公共交通方式為公交和地鐵組合方式的最短出行時間，也包含兩端出行的步行時間.

與傳統(tǒng)的出行時間計算方法相比，本文所使用的出行時間估計方法由于使用網(wǎng)絡(luò)平臺數(shù)據(jù)，因此具有以下優(yōu)點：①路網(wǎng)精確度更高，道路網(wǎng)絡(luò)信息根據(jù)城市道路建設(shè)進(jìn)程不斷更新；②能夠?qū)崟r反映出道路交通的擁堵狀況，在傳統(tǒng)模型中通常根據(jù)道路等級對應(yīng)的行駛車速估計出行時間，無法反應(yīng)出實時的交通擁堵狀況；③能夠反映更細(xì)致的交通路線，對于轉(zhuǎn)彎、掉頭路徑規(guī)劃由于考慮到交通管制因素而更為準(zhǔn)確；④網(wǎng)絡(luò)平臺對于公共交通線路、站點有準(zhǔn)確定位，因此可以更為準(zhǔn)確的估計換乘和到達(dá)公交線路終點之后的步行時間.

3 實例研究

以西安市中心城區(qū)作為本文的研究案例，西安市中心城區(qū)包括6個行政區(qū)，面積為826 km2，見圖1a).研究范圍共計50個鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政單位，2018年末全市常住人口1 000.37萬人，其中，蓮湖、碑林區(qū)、新城區(qū)人口較為集中、道路網(wǎng)密集，其他三區(qū)外圍人口較少，具有郊區(qū)的特征.

圖1 研究范圍道路網(wǎng)絡(luò)及人口密度圖

將研究區(qū)域劃分為1 km2的空間網(wǎng)格，獲取各個小塊幾何中心點的經(jīng)緯度作為居民出行點，共計獲得840個居民網(wǎng)格.居民點的人口分布呈現(xiàn)出南多北少的特征，人口主要分布在碑林區(qū)、新城區(qū)及雁塔區(qū).西安市中心城區(qū)的人口密度分布見圖1b).

4 研究結(jié)果與分析

4.1 公共交通出行時間

計算每個網(wǎng)格點公共交通的Ti值.分別計算09：00—10:00、07：30—08：30、18：00—19：00三個時段各網(wǎng)格點的平均值.選擇上述三個時段，是因為根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)行的情況，上述三個時段通常為非高峰期、早高峰期和晚間高峰期.

Ti值見表1.三個時段的公共交通平均出行時間相差不大，主要集中分布于60～90，90～120 min兩個時間段，其余比例總共僅占17.5%～19.05%.值得注意的是，盡管120 min以上的出行時間僅占3.57%～3.81%，但甚至有個別地點的甚至達(dá)到了330 min以上，這說明有極少數(shù)區(qū)域公共交通水平發(fā)展極低.

表1 公共交通平均出行時間分布頻率

Ti指標(biāo)的空間分布特征見圖2.各居民點的公共交通平均可達(dá)時間以碑林區(qū)為中心，呈不規(guī)則圈層式分布，中心可達(dá)性較好，外圍可達(dá)性相對較差.比較3個時段內(nèi)的情況，各區(qū)的公共交通平均可達(dá)時間差異不大；時段3時間略有增加.

圖2 公共交通平均出行時間分布示意圖

為便于比較，計算小汽車交通Ti見表2.小汽車交通平均預(yù)期出行時間主要集中分布于30～40，40～50 min兩個時間段，97%～99%居民點的平均可達(dá)時間在60 min以內(nèi).時段1與時段2的可達(dá)時間差異不大，但二者與時段3的數(shù)值差異較大，說明晚高峰時間私家車交通擁堵情況比較嚴(yán)重，造成了出行時間出現(xiàn)較大變化.小汽車交通與公共交通相比出行時間明顯更短，這與以往研究其他城市的結(jié)果有一定的相似性[14].說明在西安市也存在私人交通出行時間小于公共交通時間的情況，不利于向集約化更高的公共交通發(fā)展.值得注意的是，私人交通受時間的影響比較明顯，在時段3與時段1、2的分布差異較大，時段3差異略小.

表2 私人交通平均可達(dá)時間分布頻率

4.2 交通可達(dá)性差異

對每個網(wǎng)格的公共交通與小汽車交通差異進(jìn)行計算，分析結(jié)果見圖3，每個點的橫坐標(biāo)是私人交通可達(dá)性值，而縱坐標(biāo)是公共交通可達(dá)性值.顯然，點越靠下則公共交通可達(dá)性越好.此外，用核密度法計算點在坐標(biāo)系中的集中程度.

圖3 公共交通與小汽車出行時間對比圖

絕大多數(shù)交匯點位于線y=x上方，意味著每個居民點公共交通的可達(dá)水平都低于私人交通.且隨著私人交通可達(dá)時間的增加，交匯形成的點越來越偏離y=x，意味著隨著出行時間的增加，公共交通和私人交通的可達(dá)時間差距越來越大，且可達(dá)時間小的居民點反而可達(dá)差距比較小.時段公共交通與小汽車交通差距比其他時間略小，點的分布更接近于y=x線，但總體趨勢與其他時段相似.

計算各行政區(qū)的可達(dá)性差異，在各網(wǎng)格點可達(dá)性差異指標(biāo)分布來看，西安市中心城區(qū)6個區(qū)域分布在0.31～0.44，晚高峰時計算值明顯降低，分布在0.26～0.39，見表3.此外，在地鐵沿線較高，而地鐵未到達(dá)的區(qū)域較低，越遠(yuǎn)離市區(qū)中心則越低.可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域之間差異較大，說明目前研究區(qū)域內(nèi)公共交通發(fā)展與小汽車交通網(wǎng)絡(luò)相比，仍有較大的差距，此外公共交通在市區(qū)內(nèi)部、外圍發(fā)展非常不均衡.

表3 各行政區(qū)可達(dá)性差異統(tǒng)計性指標(biāo)

4.3 不公平性測度

利用基尼系數(shù)計算公共交通與小汽車交通的不公平程度.計算結(jié)果見表4，公共交通各時間段公平性相差不大；小汽車交通晚高峰時期不公平程度低于平峰、早高峰.數(shù)據(jù)表明從區(qū)域均衡性來看，公共交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展仍然與小汽車交通存在差異.此外，小汽車交通晚高峰時段均衡度下降，說明市區(qū)中心在晚高峰時段明顯受到交通擁堵的影響，與外圍區(qū)域可達(dá)性更為接近.

表4 公共交通與私人交通方式分時段基尼系數(shù)

利用基尼系數(shù)和洛倫茲曲線對西安市中心城區(qū)內(nèi)部交通可達(dá)性差異進(jìn)行分析，見表5和圖4.結(jié)果顯示，不同轄區(qū)內(nèi)部交通不公平程度差異較?。貉闼^(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)基尼系數(shù)小于0.05；灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)、新城區(qū)基尼系數(shù)大于0.05，但都小于0.1.同樣說明了市區(qū)內(nèi)可達(dá)性差異明顯存在不均衡現(xiàn)象.

表5 行政區(qū)可達(dá)性差異的基尼系數(shù)計算結(jié)果

圖4 可達(dá)性差異洛倫茲曲線分布圖

5 結(jié) 論

1) 考慮到目前可達(dá)性計算時變性、微觀化的發(fā)展趨勢及現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用的不足之處，論文利用網(wǎng)絡(luò)開放平臺獲取實時出行時間估計數(shù)據(jù)，并將起與結(jié)合1 km2網(wǎng)格化的人口空間分布數(shù)據(jù)，以西安市中心城區(qū)的6個行政區(qū)為例，計算可達(dá)性及其空間公平性指標(biāo).

2) 與以往的計算結(jié)果相比，由于網(wǎng)絡(luò)開放平臺的實時更新而具有路網(wǎng)精確度高、能實時反映道路交通的擁堵狀況、能夠反映更細(xì)致的交通規(guī)劃路徑、公交線路與站點定位準(zhǔn)確定位的優(yōu)勢.此外，其計算結(jié)果表達(dá)的可達(dá)性時變特征是以往數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)的.

3) 計算結(jié)果表明西安市的公共交通出行時間大于小汽車交通出行時間，晚高峰期間小汽車交通出行時間略有增加，但仍好于公共交通.從空間分布均衡情況來看，公共交通的均衡程度也較差，上述兩方面說明公共交通整體水平及其分布均衡性都有待提高.

4) 公共交通可達(dá)性呈現(xiàn)圈層分布，距離中心越遠(yuǎn)的區(qū)域可達(dá)性越差，說明外圍的公共交通水平低于市中心區(qū)域，這與其他城市有一定相似性，但是西安市的情況比其他城市的情況要更為明顯，說明局部區(qū)域公共交通發(fā)展明顯滯后.論文所提出的方法，適用于各城市可達(dá)性計算與分析，但各城市可達(dá)性特征隨其交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展程度而存在差異，應(yīng)單獨予以分析.

5) 可達(dá)性的計算不僅包括時間距離，還包括不同出行者基于自生屬性(文化屬性、性別屬性、社會屬性等)的主觀因素.客觀可達(dá)性的評價模型眾多，本文只選取了其中有代表性的模型，后續(xù)研究可結(jié)合社會調(diào)查，對主觀可達(dá)性進(jìn)行深入研究，并加強(qiáng)主客觀可達(dá)性的比較分析.