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如何利用实时路况数据与手机信令数据进行城市效率体检?

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2021-04-28

城市交通拥堵问题是城市病的一种表征形式。城市高效的本质是因集聚形成的分工、合作极大的提高了生产效率所致,所以城市功能的有效集聚是城市效率提高的保障,而过度集聚则会带来资源浪费、交通拥堵、系统效率下降,逐步抵消集聚效应带来的城市红利。由于资本的逐利性,一般城市功能高度集聚的区域存在更高的边际收益,从而形成马太效应,过度集聚后便是城市病。




本文以福州市为例,构建了覆盖核心城区的30m网格,结合实时路况数据与手机信令数据,以期通过对城市实时路况和城市人口流动进行动态、精准监控,从而识别各个城市网格的城市效率,为城市体检工作的研究提供新视角,为城市可持续化发展建设提供可参考的监测方法。


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1、研究方法

1.1测度方法

1.1.1城市交通效率与城市效率


城市交通系统是城市体检的重要监测指标之一。通常城市交通系统出现问题,一般存在两个原因,一方面是道路交通的设计不合宜造成拥堵,另一方面是城市功能的分布不均造成拥堵,但不论哪一种原因形成的大区域拥堵现象都是城市病。而如果城市的职能过于集中,则不论建设多少道路,“迷宫”的出口始终只有一个,会导致终点附近的拥堵是无法根治的。因而通过对高频率拥堵区域的识别,可以有效检测出城市功能失衡的区域。


随着城市集聚的增长,城市效率受城市交通效率影响程度逐步增大。在城市中,劳动力的有效劳动时间长短决定了城市效率的高低,而劳动力所能提供的有效劳动时间则取决于在通勤过程中的损耗。城市发展初期,城市交通效率高,但城市有效劳动时间较少,这一阶段城市交通效率对城市效率的影响力较低。随着城市人口、产业的集聚,城市内部的有效劳动时间逐步增多,当其带来的正面效应大于集聚成本时,集聚正效应形成,城市效率逐步提高;随着城市系统的逐步繁杂,城市交通效率逐步下降(图1-1)。当城市交通效率带来的负效应大过了城市集聚带来的正效应时,城市交通效率会成为城市效率下滑的主要影响因素(图1-2)。


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图 1-1 城市交通效率与城市集聚度

图片来源:作者自绘


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图 1-2 城市效率与城市集聚度

图片来源:作者自绘


文章通过城市集聚度、城市交通效率两项指标,对城市中因过度集聚而效率低下的区域进行测度。在基于对城市整体交通态势的量化计算,以及对职住状态的准确测度,从而把握城市发展的帕累托最优状态,提出有效的帕累托改进策略。


1.1.2城市效率测度模型

城市低运行效率区域“体检”分析模型是基于新技术应用的城市体检模型。模型基于交通态势、手机信令数据等相关数据的导入分析,形成对城市交通态势的判断分析、职住分布的测度分析、早晚高峰的OD分析;并进一步的以交通态势判断分析为城市病甄别手段,组合判断存在城市低效区域。并细分为城市低效开发区、过度开发区、城市健康区的识别结果。


基于城市体检结果,可进一步根据城市不同尺度的发展需求,形成针灸治疗、短期治疗、长期治疗。


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图 1-3 城市效率测度模型

图片来源:作者自绘


三种规划策略与建议。模型从基本信息识别,到体检数据分析,体检结果诊断,并最终提出城市规划改进的策略与建议,形成完整连贯的城市效率体检模型。


1.2 象限图法

象限图法源于笛卡尔平面直角坐标系,通过水平的X轴和垂直Y轴,以及公共原点O,形成等分的四个象限。具体的绘制方法是将城市拥堵率和城市集聚度进行标准差标准化处理,将标准化的城市集聚度为X轴,标准化的城市拥堵率为Y轴,绘制为点集合,即可形成散点式象限图。


通过象限图法,城市集聚度与城市拥堵率的关系可将城市划分为四种类型:既低拥堵与低集聚的低开发度区域(X<0,Y<0),低拥堵与高集聚的高效开发区域(X>0,Y<0),高拥堵与低集聚的低效开发区域(X<0,Y>0),高拥堵与高集聚的过度开发区域(X>0,Y>0)。在城中运行效率高的应是高集聚低拥堵的区域,为正效应区域;其它三个象限为负效应区域。



2、研究对象及数据来源


2.1研究对象

本文以福州市三环以内区域为研究对象。通过对同研究区的城市交通效率、城市集聚程度,判断出城市效率,从而为福州市的城市体检提供可衡量、可监督、可量化的城市效率指标,为城市规划的动态监控提供支撑。


研究区内的路网结构主要呈环状加方格网的交通网络格局(图2-1)。截至2019年5月,福州市整体的交通效率较差,潮汐交通现象明显,对城市效率的体检工作十分必要。


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图 2-1 研究范围及交通骨架

图片来源:作者自绘


据资料统计,截至2017年底,福州市的全社会车辆达到143.07万辆,其中私人车辆数量为124.97万辆,占福州市全社会车辆数的87.35%,成为福州市车辆的主要类型。此外,户籍总人口数从2007年603.30万人,上升至2017年693.35万人,10年增长14.93%。随着人流量和车流量的快速增长且在空间上的不均衡分布,这已成为交通系统效率低下的主要原因。同时,人流及车流量还有继续增长的趋势,导致交通拥堵形势日益严峻。


此外,以福州市中心城区用地规划图(2011-2020年)为基础,对研究区内的居住地与就业地的空间分布进行研究(图2-2)。


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图 2-2 研究范围内居住地及就业地的空间分布

图片来源:作者自绘


从总体上看,福州市中心城区目前已形成以鼓台单中心城市发展格局,空间结构较为封闭,公共服务设施主要集中在二环内。福州市三环内的第三产业就业地主要集中在二环以内,成带状分布,第二产业就业地以组团式分布在外围,居住地片状分布在两者之间。居住地与就业地的空间分离,导致交通需求量增加,并进一步造成城市交通拥堵。


2.2数据来源

2.2.1实时路况数据

文章中的实时路况数据来自高德地图,数据准确性较高,可以反映实时交通路况。文章获取了2019年4月25~30日的实时路况数据,并通过每小时内的多组数据叠加、计算出时段路况信息,如表2-1所示。


表2-1 福州市实时路况数据列表

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2.2.2手机信令数据

文章使用了福州市中国联通手机信令数据,采集时间为2018年10月8日职2018年10月14日,共计连续7天,包括5个工作日及2个休息日(图2-2)。数据信令不涉及个人隐私信息,并已对数据ID进行了脱敏处理。在七日中,重复活跃四天以上的用户为区域活跃用户,由此筛除了旅游等途径福州的手机用户。


表2-2 福州市手机信令数据列表

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3、以福州市为例的城市效率体检


3.1基于手机信令数据的城市集聚测度

文章通过福州市联通手机信令数据对福州市2018年10月8日至14日人口的集聚程度进行测度,测度依托精度为250m*250m的城市网格为基本单元,对区域内的联通手机用户数据进行分析,将全天超过4小时以上停留的用户标记为有效集聚用户,去除途径用户,从而进行城市集聚程度的测度。


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图3-1 基于手机信令的福州市人口集聚测度(单位:人,精度250m*250m)

图片来源:作者自绘


测度结果表明,福州市城市人口以主城区为主要集聚区向外围均匀扩散,有明显的城市集聚分界线(图3-1)。其中以鼓楼区、台江区集聚相对密集,仓山区、晋安区集聚程度略低。


3.2基于手机信令数据的早、晚高峰OD出行分析

文章提取了福州市2018年10月8日到14日每天下午17点至19点的OD出行数据,数据覆盖福州市域范围,共计6515.88万条有效数据。以七日数据的平均求值进行分析,最终显示如下图所示。图3-2为福州市2018年10月8日至14日17点至19点出行出发频次统计分析图,通过对时间段晚高峰的动态监测,以30m*30m的城市网格及为基本单元,统计了福州市晚高峰的时段的出发频次。图3-3统计了福州市晚高峰时段的到达频次。


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图3-2 福州市2018年10月8日至14日17点至19点出行出发频次统计

图片来源:作者自绘


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图3-2 福州市2018年10月8日至14日17点至19点出行到达频次统计

图片来源:作者自绘


由以上两图可观测福州市晚高峰的OD出行空间分布较为均匀,未出现明显高频次的出发地点,亦未出现高频次的到达地点,出发高地与到达高地空间位置趋同。


3.3基于实时路况数据的城市交通态势测度

文章通过高德地图获取了福州市2019年4月连续7个工作日的交通态势数据。通过对不同时间段交通态势的对比,发现福州市交通存在较为明显的潮汐式交通现象,晚高峰时间段拥堵较为严重。通过图3-4可观测到,福州市区在午间12:00—13:00时段城市交通状态良好,大部分城市道路未发生拥堵;在下午14:00—15:00时段交通状态也比较良好,有部分道路存在拥堵与缓行状态;但在下午17:00—18:00的晚高峰时间段,市区内大部分交通性道路出现了严重拥堵,拥堵范围涵盖大部分城区。


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图 3-4 福州市2019年4月25日至30日分时段城市路况观测

图片来源:作者自绘


基于对福州市分时段的路况观测,筛选了福州市4月份连续7日晚高峰的城市路况数据,加总平均后,依托ARCGIS平台克里金法进行了空间插值,形成了福州市2019年4月25日至30日城市交通效率测度图。


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图3-5 福州市2019年4月25日至30日城市交通效率测度图(30m*30m)

图片来源:作者自绘


通过图3-5可以清晰观测到,晚高峰时段的拥堵路段与之联系较高的空间范围。基于上文对福州市集聚度均衡的观测结果,可初步判断出福州市区内仅通过城市集聚程度难以判别出城市病,部分城市区域城市功能高度集聚但城市效率仍旧较高,但部分城市区域在城市功能高度集聚的同时出现了城市拥堵的现象。


3.4城市低效集聚区识别

文章通过城市交通效率与城市效率的象限图对城市低效区域进行了识别。通过图3-6可知福州市城市交通效率较低,城市集聚程度较为平均,城市整体效率不高。福州市有部分空间处于集聚度较高且拥堵较低的象限中;并有较大一部分空间处于集聚度高且拥堵严重的象。


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图3-6 福州市城市交通效率与城市集聚度象限图(2018)

图片来源:作者自绘


限中,城市的拥堵现象已制约了城市效率。针对这一体检结果,城市发展应对高度集聚且拥堵的区域形成具有针对性的治理策略,已缓解城市病的进一步扩大。


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图3-7 基于象限图的城市效率空间分类(2018)

图片来源:作者自绘



4、规划策略与建议


根据前文分析,通过城市集聚度与城市拥堵率的关系可将城市划分为四种类型:低拥堵与低集聚的低效开发区域,低拥堵与高集聚的高效开发区域,高拥堵与低集聚的低效开发区域,高拥堵与高集聚的过度开发区域。针对不同城市区域、不同治疗时间,文章提出三点城市拥堵治理的建议


4.1针灸治疗法

“针灸治疗法”,适用于交通拥堵严重,城市运行效率较低,希望短期内快速提高道路通行能力的重点路段。通过交通通勤数据,识别出大面积拥堵、城市效率较低的区域,研究拥堵病症的症结所在,并选取该节点所在的重点路段进行针灸治疗。“针灸治疗”可通过增强重点路段道路的通行能力实现治堵。例如改善道路交通设计,拓宽城市道路宽度、改进道路交叉口设计、完善公共交通系统等。“针灸治疗”较快速、有针对性的实现道路短期供需平衡,但城市内部功能系统的症结并未解决。


4.2短期治疗法

短期治疗法,可针对拥堵频率不高且城市运行效率尚好的区域。短期治疗可通过协调小区域内的城市功能布局,以达到短期治疗的目的。可采取两个方面的措施:优化片区内公共服务设施的空间配置,改善公共服务设施过度集中的状况,降低出行终点的交叉,进而提高城市通行效率;合理优化拥堵区域的职住比,在就业集中区适当增加居住用地的开发密度或提高存量住房的周转率,为就业者提供就近居住条件,同时根据规划疏解部分企业。短期治疗方法在应对区域交通拥堵问题时,缺乏对城市的统筹考虑,在应对城市的发展动态变化时会存在一定不足。


4.3长期疗养法

长期疗养法,可对城市拥堵进行系统上的治疗,结合城市发展蓝图,均衡城市发展,提高城市运行效率。文章认为可通过以下四个体系的建立对城市病进行有效治理:

(1)构建交通数据管理体系,建立交通数据采集—监测—预警—需求诱导机制。实行模块化、平台化、策略化、智能化的拥堵政策管理,实现智慧化管理。

(2)建立城市效率动态评价体系,通过出行目的地高集聚度片区,分析城市功能的集聚度,并与交通态势进行耦合,以疏解过度集聚的城市功能,从而促进土地利用更加高效、集约。

(3)完善公共交通体系,提倡公共交通优先,鼓励绿色出行。

(4)优化城市道路交通体系,深化实施密路网、小街区的设计理念。加大道路网密度和道路有效利用面积,增加交通供给。尽管长期疗养法较为系统全面,对城市病问题是有效的解决途径,但面对复杂多变的城市发展,需要动态、弹性的规划理念相配合。



参考文献

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