出租車服務站布局與城市形態協調性量化分析*

葉 臻 賀明光 梁科科

(交通運輸部科學研究院 北京 100029)

0 引 言

針對出租車服務站及相應設施，國外的研究方向主要集中在出租車行業發展、市場管理運營、服務質量和駕駛員健康等方面[1-2]，對布局研究涉及較少.而國內在出租車服務站的布局研究方面有一定積累：施宏[3]分析了影響出租車服務網點規劃的影響因素及約束條件.王兩全[4]以出租車服務需求、土地限制、乘客出租車需求為約束，構建了出租車服務設施約束型選址模型.葉海飛[5]從出租車停靠需求特征出發，探討出租車停靠需求與土地利用之間的內在關系，建立了基于土地利用的出租車停靠規模預測模型.黎冬平等[6]研究了乘客和出租車相互等待的特征，結合仿真給出了出租車服務網點合理規模的確定流程.金雷等[7]基于樣本出租車的GPS數據，提出了基于最大覆蓋的出租車停靠站選址模型.

當前國內外相關研究主要是針對城市出租車服務站的駕駛員服務需求和車輛需求展開的.然而，包括出租車服務站在內的城市交通設施，是城市形態的重要構成要素[8]，與城市其他構成要素，如城市道路網、人口分布、用地分布等有著密切的聯系.由于出租車服務站與城市形態之間的復雜互動關系，需要從城市形態的宏觀角度去考慮出租車服務站的布局問題，分析出租車服務站在城市空間內的分布特征.通過建立出租車服務站與城市形態之間相互適應、彼此促進的關系，能夠促使出租車行業的相關從業者、產業與環境與得到健康可持續的發展，由此出租車服務站布局與城市形態的協調性研究顯得尤為重要.

在空間協調性研究方面，相對于傳統數理方法，分形理論具有獨到優勢[9].本文通過分形理論，對城市出租車服務站布局與其他城市構成要素進行分形量化，進而綜合分析出租車服務站布局與城市形態的協調性，并以柳州市市區為例進行研究，分析方法的適用條件和合理性.

1 協調性分析

1.1 城市形態分析

通過調查、咨詢等方法，可以得到城市出租車服務站的(意向選址)布局.出租車服務站的(意向選址)布局，具有綜合性、分散性、復雜性等多個特點.根據城市形態的定義[10]：城市形態是城市各種功能活動在地域上的呈現，而城市形態的構成要素，一般來說包括城市用地、城市路網、城市人口分布等.顯然，出租車服務站的分布布局也是城市構成要素.由于城市構成要素之間關系密切、互動頻繁，通過分析出租車服務站布局的分布特征，可以有效了解的出租車服務站與其他城市構成要素之間的匹配性與適應性，剖析出租車服務站布局與城市形態之間的協調性.

針對城市形態與城市構成要素的分布特征，以往相關的研究方法，總體可分為定性研究與定量研究，其中定性研究主要有城市形態文字描述、圖像分析等，這些方法具有形象、直觀、具體等優點，但難以抽象成參數做量化分析[11]；傳統的定量研究有特征值法、數理統計法、物理學方法等[12]，這些方法習慣于從幾何和數學入手，對復雜系統進行簡化和抽象.

1.2 協調性量化

然而，由于城市形態的特征具有破碎、不規則且非線性的特點，傳統定量方法難以對城市形態與城市構成要素分布的空間形態特征，尤其是自相似特征進行有效且全面的描述.

分形理論反映了圖形(或系統)對于空間的填充能力和圖形不規則邊界的復雜程度[13]，該理論可以有效地從非線性城市復雜系統本身入手去揭示城市內部的規律性[14].已有研究也表明，大多數城市形態具有分形特征并且分形值保持在一定范圍[15].尤其是針對城市形態的主要四種演變方式，即同心圓式擴張、星狀擴張、帶狀擴張和跳躍式生長，分形理論具有優秀的適用性.

城市形態與城市構成要素的分布特征可體現在多個方面，一般包括構成要素的向心聚集度、構成要素在城市范圍內的分布均衡性、以及構成要素與城市發展方向上的協調性等.相應的，關于城市形態的分形方法主要有半徑維數、網格維數與邊界維數3類：其中邊界維數主要討論用地緊湊程度，基本應用于城市用地發育程度研究[16]，對于非用地類的城市構成要素的適用程度較低；半徑維數表示分形體由測算中心向周邊區域的變化情況[17]；網格維數來自于分形理論的盒子維數，表示分形體分布的宏觀均衡性.可以看出，半徑維數與網格維數是全面刻畫城市構成要素分布的主要分形量化手段.

基于此，本文采用半徑維數、網格維數，并提出方向維數，對出租車服務站選址與其他城市構成要素進行多方面的分形量化，進而分析出租車服務站布局與城市形態之間的協調性.

2 研究方法

2.1 半徑維數

半徑維數表示城市構成要素從城市中心點向周邊區域的分布趨勢，有城市區域A，城市中心點O，區域內城市構成要素的總數量為N(如人數、路網長度等)，如果城市構成要素的分布是分形的，城市構成要素數量N(r)與相應的城市半徑r之間應有如下關系：

(1)

圖1 半徑維數雙對數坐標圖

2.2 網格維數

現在從另一個角度，即空間分布的均衡性來分析城市構成要素的分布特征.同樣指定城市區域A，區域內城市構成要素的總數量為N.圖2將區域的邊長視為1個單位，將長邊與寬邊k等分，則區域分成了k2個大小相同的網格，網格邊長為l=1/k.若第i個網格中存在的城市構成要素數量為Ni，則第i個網格中城市構成要素出現的概率為Pi=Ni/N.根據概率Pi的大小為

(2)

由此可以計算出城市區域內，城市構成要素分布的信息量：

?1≤i≤k2

(3)

若城市構成要素的空間分布是分形的，則信息量IN(l)與網格邊長l之間有如下關系：

(4)

圖2 網格維數示意圖

2.3 方向維數

現在從第三個角度，即城市構成要素分布的方向協調性來研究分布特征.仍然指定城市區域A，區域內城市構成要素的總數量為N.圖3以城市中心O為原點，按照方位將城市劃分為k等分的扇形區域，扇形角度為α=2π/k.若第j個扇形區域中存在的城市構成要素數量為Nj，則第j個扇形區域中城市構成要素出現的概率為Pj=Nj/N，由此可以計算出城市區域內，城市構成要素分布的信息量：

(5)

(6)

若城市構成要素的方向分布是分形的，則信息量SN(α)與扇形角度α之間有如下關系：

(7)

圖3 方向維數示意圖

2.4 數據標準化與協調性指數

半徑維數、網格維數和方向維數的物理意義各不相同，為使數據以同等重要的地位合理使用，需要把數據標準化處理，即將具有不同物理意義、不同量綱的數據，進行同趨化和無量綱化處理.數據標準化常用的方法有最值法、Z-score法等.本文采用最為常用的最值法，也稱“最小-最大”法，即將數據映射到[0,1]區間，其表達式為

(8)

經數據標準化，令半徑維數協調性指數φ為

(9)

采用與式(9)相同的方法，可得到網格維數協調性指數σ和方向維數協調性指數γ：0≤σ≤1，σ越大，表示在空間分布的均衡性上，兩個城市構成要素的分布趨勢越一致；0≤γ≤1，γ越大，表示兩個城市構成要素在方向上的分布特征越一致與協調.

2.5 綜合指數

為全面評價城市構成要素的向心聚集度、分布均衡性與方向協調性，提出綜合指數ω.

ω=β1·φ·β2·σ·β3·γ

(10)

式中：φ為半徑維數協調性指數；σ為網格維數協調性指數；γ為方向維數協調性指數；β1、β2、β3為相應的權重系數.由于以上3類協調性指數的基礎數據通過了標準化處理，并且此3類協調性指數代表的城市形態特征的重要性相當，令權重系數β1=β2=β3=1.已知0≤φ≤1，0≤σ≤1，0≤γ≤1，因此，ω越大，表明城市構成要素之間的綜合協調性越好.

3 實例分析

于2016年5月1日—5月31日，針對柳州市的出租車服務站選址布局開展調查.回收有效問卷849份(人).

3.1 分形維數分析

各分析對象的分形維數見表1.

表1 各分析對象的分形維數

由表1可知：

1) 分析半徑維數 柳州市出租車服務場站選址布局、停靠場站選址布局的半徑維數均小于2，大于1，表示這2個分布的分布趨勢都是從城市中心點向周圍區域逐步遞減，說明出租車服務需求主要集中于靠近城市中心的區域.此外，這2個分布的無標度區對應的最大城市半徑均為6.5 km，根據無標度區的定義，柳州市出租車服務站的有效需求邊界為6～7 km，超出這個范圍，出租車駕駛員使用服務站的意愿將大幅降低，因此規劃服務站選址地點時需考慮有效需求邊界，避免選址過于偏僻造成利用率低下.

2) 分析網格維數 出租車服務場站選址布局、停靠場站選址布局的網格維數均大于1，說明其在城市區域內的空間分布較為均衡，在出租車服務站布局時應考慮到選址不宜過于集中城市中心，均衡照顧城市內的各個區域需求.

3) 分析方向維數 出租車服務場站選址布局、停靠場站選址布局的方向維數均接近于1，說明其在城市區域內的方向均衡性較高，在出租車服務站布局時，應充分考慮出租車服務需求在城市內的方向分布性.

4) 進一步分析，發現換班地點分布與人口分布、居住用地的分形維數比較接近，說明出租車駕駛員換班時更多的考慮是在人口分布因素，而不是考慮接受服務因素.

3.2 協調性指數和綜合指數分析

經數據標準化處理，分形協調性指數和綜合指數計算結果見圖4.

圖4 計算結果圖

由圖4可知：

1) 分析半徑維數協調性指數 在所有的半徑維數協調性指數之中，城市路網的協調性指數最高，說明從柳州市中心向外輻射的角度分析，出租車服務需求與路網分布關系密切；城市工業用地分布的協調性指數很低，說明出租車服務需求與城市工業布局的差別很大.此外，停靠場站選址布局的協調性指數普遍高于服務場站的選址布局，尤其是在城市路網、人口分布和用地分布更加明顯.這說明停靠場站的規劃選址普遍需要依托城市現有設施開展建設，需要依托城市路網、人口、用地等城市構成要素的分布.而與此對應，服務場站多是以單獨用地建設為主，部分結合現有設施建設，因此對于現有城市設施的依托可不做較高要求.

2) 分析網格維數協調性指數 所有的網格維數協調性指數均較高，說明柳州市的城市構成元素的空間分布較為均勻.與城市居住區人口分布、居住用地分布的協調性指數較高，說明服務站的規劃選址空間分布應密切參考城市人口分布；雙班換班地點的協調性指數比較低，表明駕駛員的換班需求與接受服務需求的空間分布上選擇存在著較大區別.

3) 分析方向維數協調性指數 所有的方向維數協調性指數均較高且十分接近，說明柳州市的城市構成元素的方向分布都較為均勻，相關規劃應考慮城市要素分布的方向性.

4) 分析綜合指數 相對于出租車服務場站，停靠場站選址布局的綜合指數更高，表明停靠場站更依賴路網、人口、用地等城市構成要素布局，這從數理上證明了出租車停靠、候客、上下客的場所對于城市設施的依賴性更高，也與常識相吻合.將綜合指數從大到小排列，順序大致為城市路網、居住用地分布、居住人口分布，換班地點分布和工業用地分布，說明柳州市出租車服務場站對于城市路網、人口分布和居住用地的依賴程度最高，對于換班地點分布的依賴程度一般.另外發現，出租車服務場站選址布局幾乎不受柳州市工業用地分布的影響，說明盡管是工業城市，但該市的出租車服務需求與該市的工業發展有較大的差距，出租車服務站規劃布局只能有條件地考慮工業布局.

4 結 論

城市出租車服務站布局的合理規劃，可以規范出租車運營，改善出租車駕駛員與車輛服務環境，方便乘客候車與上下車.本文利用分形理論，分別分析了出租車服務場站和停靠場站的布局在城市形態內的3方面特征，即向心聚集度、分布均衡性與方向協調性.通過分析這些特征，量化分析了出租車服務站布局與城市形態的協調性.后續研究可以從以下幾個方面展開：①為提高研究結論的可靠性，進一步補充調查樣本；分析更多城市因素對分形參數帶來的影響，合理改進分形參數，探討適合中國城市特點的出租車服務站規劃理論和方法.②若城市形態不滿足或部分滿足分形理論，如城市分形特征值不明顯或跳躍式分布的多中心城市形態，應考慮結合城市地理系統的優化分布以及城市的自組織演化動力學，將城市形態分區域、分片區處理，或將城市形態轉化為可被分形參數處理的狀態.③在開展城市出租車服務站的選址布局規劃時，可將與分形理論與傳統的選址方法，如數學解析法、運籌學模型、交通配流法等相結合，提高出租車服務站選址布局的有效性與合理性.

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