中心城區交通微循環的運行效率及影響因素研究：基于XGBoost模型的非線性分析

郭源園，夏梓慧，郭聰

0 引言

我國因交通擁堵帶來的經濟損失每年高達2500 億元，交通擁堵問題已經成為中國城市發展的一大瓶頸。在諸多“治堵”方案中，通過完善城市交通微循環體系，充分利用城市微循環道路以實現主循環交通分流成為了“治堵”的優選方案之一[1]。作為城市交通道路網的重要組成部分，以支路、街巷為主的微循環道路遍布城市各個角落，尤其在人口密度大、出行需求高的大都市中心城區，微循環道路承載了大量的交通負荷，微循環不暢的現象尤為突出[2]。以老舊小區為代表的存量空間在中心城區分布廣泛，使得中心城區交通環境復雜，面臨的交通問題也更為嚴峻[3]。在城市存量發展的背景下，加強交通微循環建設對于實現中心城區交通環境改善具有重要意義。

因此，借助于城市存量規劃賦予的發展機遇以及我國大城市對于解決城市交通問題的迫切需求，本研究以天津市中環線以內區域為研究范圍，定量測度車行微循環在高峰時間的運行效率，并進一步采用XGBoost 模型分析不同交通—土地利用規劃要素對交通微循環的重要性和非線性影響過程，研究結果對于提升城市交通環境、緩解中心城區交通擁堵具有重要意義。

1 方法

1.1 交通微循環效率測度

以主、次干道為基礎，劃定交通微循環單元。其次，以微循環單元的幾何中心為模擬路徑起點，以與大循環的多個路口為路徑終點，通過GIS 地理位置計算獲取起、始點位置信息。隨后，運用百度路徑規劃功能模擬上述起點到各終點的出行路線，每間隔15 分鐘獲取在駕車模式下高峰時段（7:00-9:00）百度路徑規劃的路徑長度和行駛時間。最后，求取每個交通微循環單元內的多個路徑多個測度節點的時間和，除以微循環單元面積及測量次數以計算平均時間密度。

1 交叉路口密度

2 T型路口密度

3 高層住宅比例

4 公交線路密度

5 單行道總長占比

6 地塊平均面積

1.2 交通微循環要素

交通微循環要素通常以交通道路載體為核心，不僅包含道路自身要素，也包含載體附著的交通設施、交通組織，同時也包含交通微循環所在的平面空間及三維空間背景[4-5]。根據上述要素的空間形態差異，構建中心城區交通微循環的“點—線—面—空—組織”要素體系（表1）。

表1 交通微循環要素組成

1.3 XGBoost 機器學習模型

XGBoost 即極限梯度提升模型（eXtreme Gradient Boosting model），是近年來提出的全新的機器學習框架，可以高效地擬合一系列機器學習模型。XGBoost 有超高的預測準確率和較快的訓練速度，擬合速度比傳統梯度提升決策樹算法快20 倍以上，而且不損失預測準確率[6]。通過XGBoost 技術的運用可以解析不同交通微循環要素對運行效率的作用貢獻程度及其重要性排序，并通過對作用閾值和范圍的定量刻畫從而有效揭示不同要素的非線性作用過程（表2）。

表2 不同循環要素對交通微運行效率的貢獻率

2 成果

交叉路口密度是對機動車時間效率影響最大的因素（40.62%）。交叉路口在城市中具有交叉匯集和分散車流的作用，有交叉路口的區域人員的活動流動性較大，易發生堵塞或者交通事故，并且隨著交叉道路的不斷增多，需要匯集和分散的車輛也會成倍增長，因此汽車所需要的通行時間也隨之增加（圖1）。T 型路口在城市道路中有著和交叉路口同樣的職能，匯集和分散車輛，其貢獻率達到14.68%（圖2）。隨著單元內的路口數量增加，機動車的通行效率也在降低。

在城市交通微循環單元內，每個地塊中高層住宅的面積占比越大，機動車通行效率越低。高層住宅（11.62%）在城市中往往是占據了城市中較大的空間建立的封閉式小區，封閉式的小區結構不利于城市道路的暢通，一定程度上阻礙了城市交通（圖3）。

高峰時期公共交通的通勤十分普遍，與小汽車形成競爭。微循環道路承載的越多，留給小汽車行駛的道路空間則越少，使得小汽車通過微循環路網的行駛時間增加。因此，公交線路密度（8.94%）表現出了顯著的增長影響趨勢（圖4）。

單行道長度占比（7.93%）越大機動車出行時間越長，單行道可以提升道路自身的通行能力，提升汽車的運行速度，但單行道也會增加區域行駛的復雜程度，導致部分車輛需要繞行或多次經過交叉口來抵達目的地（圖5）。相反，地塊面積（6.37%）越大，小汽車所遇到的路口越少，行駛則越為順暢（圖6）。

3 結論

研究結果表明，交叉路口或T 型路口對機動車的微循環行駛效率的影響權重較大。然而，在對中心城區交通環境的改善和提升中，一方面需要控制路口的數量，但在既定的情況下，如何保證路口較多導致的交通擁堵問題需要重點考慮；另一方面，平衡路口控制下可達性和連通性的降低也需要重點考慮。中心城區高層住宅比例過高帶來的交通出行需求增加需要引起重視。中心城區的更新和再開發，對高層住宅小區的建設理應慎重，且需合理引導因為居住人口集聚提升導致的交通擁堵問題。