基于TPI數據的交通擁堵狀況時空特征分析
——以青島市為例

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(山東科技大學 數學與系統科學學院，山東 青島 266590)

近幾年，隨著我國城市化進程的加快，交通擁堵問題日益嚴重，城市商圈是城市交通擁堵集中出現的地方。城市交通擁堵發生在城市空間相互作用過程中，商圈的形成代表了居住、工作、購物等活動的空間分布和出行需求。以商圈為基礎，分析交通擁堵產生的時間、地點、原因，對緩解城市交通擁堵具有重要意義。Pakha等[1]發現核心日(星期二、星期三和星期四)與星期一、星期五、星期六以及星期日的交通流特征的變化情況有顯著的差異。Chrobok等[2]將日期分為四類，并在此基礎上對交通擁堵進行預測。K?rner等[3]將日期分為工作日(星期一到星期五)、星期六、星期日，并在大量GPS數據的基礎上，分析了路段交通量在時間上的分布規律。Calafate等[4]發現，就交通量而言，一周內不同日期之間有較大的差異，并使用基于啟發式算法的聚類分析方法對日期進行聚類分析，減少了原有方法的計算量。我國工業化進程緩慢，出現交通擁堵問題相對較晚，因而對于城市交通擁堵的研究也相對滯后。劉志剛等[5]運用博弈論分析了城市交通擁堵問題的成因；楊向前[6]從民生視域下探討我國特大型城市交通擁堵問題；楊浩雄等[7]分析了交通擁堵的現狀、原因、影響及其根源，從城市居民出行和城市物流兩個角度給出了解決對策。

已有研究主要關注城市中心的交通擁堵問題，鮮有考慮城市商圈的發展對交通擁堵的影響，且缺少考慮交通擁堵在時間及空間的特征分析。因此，本研究基于青島市典型商圈的交通運行指數(traffic performance index,TPI)，分析研究交通擁堵產生的時間及空間特征，探討城市交通擁堵與城市經濟發展的相互影響過程，為青島市商圈交通優化管理政策的制定提供數據支撐。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

青島市地處山東半島南部，是國家沿海重要的中心城市和濱海度假旅游城市。在城市迅速發展的同時，中心城區的擁堵問題也日益嚴重。到2016年末，青島常住總人口達920.4萬人，全市機動車保有量達233.9萬輛，其中私家車191萬輛，占81.7%。商圈是人群聚集地，容易造成交通的擁堵。以城市商圈為基礎，通過對青島市中心城市商圈當前的交通狀況進行調查分析，研究交通擁堵的時空特征，對進一步提出切實可行的解決方案具有重要的意義。按照統計的青島市中心城區各個商圈的交通運行指數，通過統計方法從眾多商圈中篩選出5個最具典型的商圈，分別為臺東商圈、東部商圈、中山路商圈、李滄商圈以及嶗山商圈，如圖1所示。

圖1 青島市五大典型商圈Fig.1 The five typical business circles in Qingdao

1.2 數據來源及處理

交通運行指數，反映總體在數量上變動的方向和程度，并且顯示目標對象在較長時間內發展變化的趨勢和規律[8-9]，是對路網交通總體運行狀況進行量化評估的綜合性指標。不同城市對于交通運行指數的計算方法不同，意義也不完全相同。例如北京、上海、廣州等城市主要利用出租車的GPS數據來計算、定義各自城市的交通運行指數[10-13]。青島市公安交通信息服務網，提供全市交通指數、反映實時路況、路徑規劃以及駕管服務，是綜合性較強的系統。為避免在一些特殊情況下出租車樣本數量不足，而導致交通指數有偏差，其結合青島市的自身特點，采用固定點交通流采集方案，得到交通運行指數。數據中心根據商圈范圍內各個路段實時采集的平均車速為基本參數并參考時間占有率，按不同等級道路通行能力劃分不同的判定閥值，加權集成并經過標準化后計算生成0～10的指標值。其中，數值越大，表明道路交通越擁堵，反之表明交通越暢通。通過對歷史數據統計分析、出行調查和現場驗證，劃分出對應暢通(0～2]、基本暢通(2～4]、輕度擁堵(4～6]、中度擁堵(6～8]、嚴重擁堵(8～10]五種擁堵程度等級。以福遼立交橋的道路車流量為例體現交通擁堵現象，如圖2所示：

圖2 福遼立交橋車流現象圖Fig.2 Traffic flow chart of Fuliao flyover

利用青島市公安交通信息服務網所公布的TPI數據，自2017年5月23日至6月23日，記錄每天6:00—23:00每15min的交通運行指數(TPI)，總數據量為10 695條，數據樣本如表1。

在進行分析之前需要進行數據清理，具體分為兩步：

1) 整理數據：整個數據集為31天(一個月)，將其分為31個文件，每個文件包含當天的數據。

2) 數據處理：①去除錯誤數據：根據交通運行指數的取值范圍，當數據出現小于0或大于10的值時，將其視為無效值，需將其剔除。②處理缺失值：根據統計學中的眾數原理，對缺失值進行均值插補，用該屬性的眾數(即出現頻率最高的值)來補齊缺失的值。

表1 數據樣本Tab.1 Data samples

2 交通擁堵的時間變化特征

分別統計研究區工作日及休息日6:00—23:00的交通運行指數，由此得到總體日變化趨勢圖(圖3)。其中，折線分別表示工作日和休息日的時均值。可得青島市交通擁堵集中在早高峰7:00—9:00和晚高峰17:00—19:00兩個階段。工作日，變化趨勢呈明顯“M”型，早高峰為7:00—9:00，晚高峰為17:00—19:00，白天TPI谷值出現在13:00；休息日，早高峰時間出現在8:00，比工作日有明顯的滯后，且全天的變化趨于平緩，峰值不明顯。

圖3 擁堵指數日變化趨勢圖Fig.3 Diurnal variation trend of congestion index

為進一步考察不同區域內交通運行指數的變化規律，對每個商圈進行分析。圖4為各商圈工作日、休息日內交通運行指數隨時間的變化情況，該系數反映了在不同時段該商圈的交通擁堵程度。各商圈表現出不同的變化規律：

1) 東部商圈工作日呈現出明顯的“M”型、峰值明顯，上午7:00開始呈現輕度擁堵狀態，峰值時段為7:30—8:30，下午峰值時段為17:30—18:30。休息日，擁堵時刻推后且擁堵程度明顯降低，早高峰時段為9:00—11:00，晚高峰時段為15:00—17:00，且均沒有明顯的峰值，呈現出較為平穩的狀態。

2) 嶗山商圈工作日的變化趨勢呈“M”型，早高峰時段為7:30—8:30，晚高峰時段為17:00—18:30，白天TPI谷值出現在13:30。而休息日早高峰有明顯的推遲，上午高峰時段為11:00—12:00，下午高峰時段為16:30—18:30。

3) 李滄商圈工作日早高峰時段為7:15—8:15，晚高峰時段為17:00—19:00，白天TPI谷值則出現在13:00。休息日，早高峰出現在10:00之后，與工作日相比有明顯的延誤，且休息日全天處于較為暢通的狀態。

4) 臺東商圈工作日上午6:45開始呈現輕度擁堵狀態，受出行量的影響，TPI持續上升，在8時達到早高峰。受下班人群的影響，晚高峰擁堵持續時間長且集中，17:00—19:00共持續擁堵2個小時。休息日，由于休息時間增加，早高峰出現在10:00，且擁堵時間較工作日長。

5) 中山路商圈的TPI工作日和休息日呈現出相似的變化趨勢。上午7:00交通處于基本暢通，到8:00已連升兩級處于中度擁堵狀態，到12:00后才恢復到基本暢通狀態，晚高峰段呈現出“扁平化”特征，高峰持續長、峰值不明顯。

圖4 五個商圈的交通運行指數日變化情況Fig.4 The daily change of traffic congestion index in five business circles

由圖4可以看出五個商圈在工作日的趨勢有很大區別。對五個商圈不同工作日的交通運行指數進行統計，取平均值后進行比較，如圖5所示。其中，臺東商圈的擁堵程度最高，東部商圈和中山路商圈相似，嶗山商圈和李滄商圈相似。東部商圈、嶗山商圈和臺東商圈在工作日中最不擁堵的為星期一，最易擁堵的為星期五，星期二、星期三、星期四情況基本相同；李滄商圈在整個工作日周期內交通運行指數變化不明顯，趨于平穩；中山路商圈尤為特別，星期三最為擁堵，星期四最不擁堵。

圖5 五個商圈不同工作日的交通擁堵變化情況Fig.5 Traffic congestion change of five business days in different working days

圖6 五個典型商圈的TPI指數變化情況Fig.6 Changes in the TPI index of five typical business circles

3 交通擁堵的時空演變

研究區5個典型商圈，分別為中山路商圈、臺東商圈、東部商圈、嶗山商圈以及李滄商圈。

圖6反映出整個時間跨度內，不同商圈的TPI在同一時段呈現出不同的分布特征。可以看出，五個商圈都呈“M”型，其中臺東商圈、東部商圈具有顯著的“M高峰模式”。臺東商圈的擁堵程度明顯比其他商圈嚴重，且“中度擁堵”時間持續較長；東部商圈的TPI有明顯的下降，且早高峰明顯；中山路商圈的TPI在下午高峰段呈現出“扁平化”特征，峰值不明顯；李滄商圈交通擁堵高峰與通勤時間吻合，且整體處于暢通狀態；嶗山商圈全天的TPI變化趨勢趨于平緩，且下午的擁堵比上午明顯。

選取工作日的早中晚時段以及周末的相應時段進行對比分析，通過地圖反映出交通擁堵的時空演變過程(圖7)。總體上，工作日擁堵程度高于周末。工作日早晨(圖7(a))所有商圈都處于擁堵狀態，中山路商圈擁堵最為嚴重，而周末早晨(圖7(d))擁堵區域主要分布在臺東商圈；與工作日早晨相比，工作日中午時段(圖7(b))擁堵程度明顯減弱，休息日中午時段(圖7(e))各商圈的擁堵程度與工作日相同；工作日晚上(圖7(c))集中分布與沿海商圈，其中臺東商圈擁堵程度最高，休息日晚上(圖7(f))大多數商圈擁堵程度有所減弱，但臺東商圈和東部商圈依舊保持擁堵狀態。

根據上述分析，將工作日早高峰時段定義為7:00—8:30，中午時段定義為12:00—13:00，晚高峰時段定義為17:00—19:00。為進一步探討五個商圈在工作日的交通擁堵變化情況，匯總工作日內早高峰、中午時段以及晚高峰時段的交通擁堵變化趨勢數值，計算獲得交通運行指數變化趨勢結果(圖8)。總體來看，所有商圈的中午時段都是三個時段中最不擁堵的，除去臺東商圈，其他所有商圈的擁堵指數都處在3與4之間，屬于基本暢通狀態。上午時刻和晚上時刻各個商圈則表現出不同的特征。

從圖8(a)可以看出，東部商圈在早上時段峰值出現在星期三，晚上時段峰值出現在星期五，中午時段出現在星期三，在晚上時刻表現出擁堵指數逐漸遞升的現象；圖8(b)顯示嶗山商圈早晚時段擁堵指數高峰容易發生在星期三，中午時段是星期五，但嶗山商圈擁堵指數一直處在2～5，擁堵程度不高。

圖8(c)顯示李滄商圈早晚擁堵指數高峰容易發生在星期五，中午時段是星期一，跟嶗山商圈相似，其擁堵指數一直處于2.5～4.5，擁堵程度不高，且李滄商圈的變化趨勢更加穩定。從圖8(d)和8(e)可以看出，臺東商圈和中山路商圈擁堵指數偏高，在早上時段，臺東商圈沒有明顯的峰值，中山路商圈的擁堵峰值出現在星期三，中午時段兩個商圈的擁堵變化都趨于平穩，在晚上時刻兩個商圈表現出了截然不同的現象，其中臺東商圈晚上時段的擁堵指數一直維持在較高的水平，超過了早上時段，而中山路商圈的晚上擁堵時段與中午時段很接近。

圖7 不同時段交通擁堵空間分布Fig.7 Spatial distribution of traffic congestion at different time periods

通過以上分析可以看出，早上時段的擁堵高峰常集中在星期三，晚上時段的擁堵高峰常集中在星期五，而中午時刻擁堵程度較弱。且臺東商圈擁堵程度最高，這是因為其不僅是工作點密集地，且有青島最大規模的步行街、有青島特色的臺東夜市。東部商圈早晚擁堵明顯，這是因為東部商圈主要是工作點，且屬于高端時尚圈，因此呈現出明顯的通勤特征。中山路商圈全天大部分處于“輕度擁堵”狀態，這是因為中山路商圈主要是發展旅游商業，沒有明顯的通勤特征。李滄商圈全天大部分處于“基本暢通”狀態，這與李滄區為大型居住區有關。嶗山商圈整體處于“基本暢通”狀態，與嶗山商圈的地理位置有關。

圖8 工作日五個商圈的交通擁堵變化情況Fig.8 Traffic congestion in five business circles on the working day

由此可知，南部沿海商圈比其他商圈更加擁堵，這是因為工作地點、醫療資源、教育資源多分布在市南區沿海一線，特別是進入旅游旺季后，車流量大增，交通擁堵更加嚴重。上述特征充分說明了交通擁堵與商圈商業集聚、發達程度等因素密切相關。

4 結論及對策建議

通過統計分析青島市最具代表性的五個商圈的TPI數據，研究TPI隨時間變化曲線圖及其時空演變圖，探索交通擁堵的時間變化特征以及時空演變特征。得到以下結論：

1) 青島市交通高度擁堵時段集中在上午7:00—8:30，下午17:00—19:00；早上時段擁堵高峰常出現在星期三，晚上時段擁堵高峰常出現在星期五，而中午時刻通常擁堵不明顯。

2) 青島市各商圈因地理位置不同而有所差異，其中擁堵情況最嚴重的是臺東商圈；東部商圈早、晚擁堵明顯；中山路商圈全天“基本通暢”；李滄商圈和嶗山商圈大多時間處于“基本通暢”狀態。

針對以上結論，提出以下對應策略：

1) 從時間維度，可分區域規劃城市通勤時間、實現“錯峰出行”；在早、晚高峰時段，尤其是星期三的早高峰時段以及星期五的晚高峰時段，采取相應的措施，合理改善人們的出行模式，鼓勵居民乘坐公共交通。

2) 從空間維度，可分區域改善道路狀況、實現“均衡發展”，如臺東商圈人流密集、道路不合理占用，需創建更合理的人行道環境，同時適度增加停車場，規范停車秩序；需提高和促進城市居民的居住、就業和商業娛樂等生活、工作、服務的區域性均衡發展。

總之，城市商圈交通擁堵的時空特征和規律是解決城市交通擁堵問題、實現經濟增長與城市交通和諧發展的關鍵影響因素。