城市道路交通状态指数热点区域路网划分方法及实践

　　城市道路交通状态指数热点区域路网划分方法及实践[支持项目：上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点项目《城市综合交通数据开放新模式示范应用》（项目号：201505-PT-C105-034）]

　　关键词：交通状态指数，热点指数区域，地理学第一定律(TFL)，区域核心，“荷叶型”区域

　　1研究背景

　　随着交通信息化建设向着数字化方向的发展，国内各主要城市如北京、上海、杭州、深圳等均构建了符合城市特色的交通指数模型对道路交通运行状态进行实时监控。交通指数在量化评估区域路网交通运行状态特征的实时变化态势具有显著优势，其不仅能够消除区域内不同等级道路的自由流车速差异，实现对各等级道路的相对性评估，还能够实现对区域路网交通状态特征的数值量化积累，便于开展历史规律分析、数据挖掘、关联分析等决策支持应用。

　　热点区域是以城市中大型的CBD群、历史传承的商业街、旅游景点、大型场馆、游乐场、车站广场等为中心源头，常态性周转大批量人口、车辆的周边路网区域。随着城市建设的升级，新型商业区层出不穷的涌现，不断修改和影响着城市道路交通出行的结构与特征，并对周边交通出行产生持续性作用，形成独特的区域交通状态特征。相比于城市行政区划，热点区域由于没有天然的区域边界其影响范围往往模糊和动态的，难以对其进行准确的监控计算与评估分析。

　　本文以交通指数实时监控与评估分析为需求，在依托传统区域划分规则，引入TFL思想的基础上，提出以城市道路GIS为背景技术环境的“荷叶型”热点指数区域划分方法，方便开展面向城市整体的热点区域划分、边界控制、形态调整与升级优化。

　　2传统交通区域划分

　　交通区域划分最早应用在交通规划领域中，其目的主要是为了定义城市路网中交通起讫点的位置，然后使用需求预测模型对各交通小区的交通出行量进行预测。区域的面积大小和具体边界划定会直接影响到交通调查、分析和预测的工作量及精度[1]。

　　传统交通小区的划分普遍应遵循以下原则[1]：

　　（1）应保证交通小区内土地利用、经济、社会等特性尽量一致，划定范围内的土地利用特征应尽可能简单，尽量不打破城市行政区的划分；

　　（2）尽量以铁路、河川等天然屏障作为分区界限，尽可能避免小区内存在自然或人为的障碍线；

　　（3）小区尽可能规则，避免狭长形状、凹边型、锐角形状等；

　　（4）充分考虑城市道路网的构成，尽可能使小区划分与道路网协调一致，尽可能使交通小区出行形心位于路网节点（交叉口或干道）上；

　　（5）考虑到城市道路干道是汇集交通的渠道，因此一般不以干道作为划定小区的界限，尽可能使道路两侧同在一个交通小区，由此便于资料收集整理；

　　（6）划定区内的出行次数尽可能不超过全区域出行总数的10%~15%。

　　同时，传统交通小区划分的注意事项如下[1]：

　　（1）交通小区的大小是依据所调查的区域面积、人口密度、调查目的以及数据项目决定的。通常情况下，城市中心区和交通密集地区小区面积较小，城市周边近郊或交通稀疏地区小区面积较大，根据国外经验，小区范围应以驾驶时间在3~5min为界；

　　（2）考虑到大城市较强的辐射功能，城市周边近郊的交通小区所划分的区域除其本身外，还应考虑其辐射范围。而中小城市中城市近郊的交通小区划分则应包括有较多过境交通经过城市的区域；

　　（3）考虑到城市人口、面积以及经济等情况，交通区划分的均匀性是由中心向外逐渐增大。在城市中心区，交通区面积取小值，但在城市近郊，交通区宜取大值。

　　概括而言，交通小区是具有一定交通关联度和交通相似度的节点或连线的集合，随时间、关联度和相似度的变化而变化，反映城市路网交通特征的时空变化特性[2]。在传统交通区域划分规则的大前提下，在GIS环境下开展指数热点区域划分需要重点关注的是如何围绕区域核心进行区域定型、边界调整以及区域评估等问题。

　　3交通指数热点区域划分方法

　　20世纪70年代，Taylor提出了著名的地理学第一定律(TFL)：“Everythingisrelatedtoeverythingelse,butnearthingsaremorerelatedtoeachother.”即“任何事物都相关，只是相近的事物关联更紧密”[3]。该定律隐含提到的“距离”包含多种几何距离，但含义依旧相对模糊。经过M.Goodchild等学者的不断改进，用时空“邻近度”代替距离来定量描述事物之间的“远近”，实现了两个物理事物之间的多维距离描述[3]。

　　与传统区域划分不同的是，面向交通指数计算与应用的热点区域是以“产生”和“吸纳”车辆的城市功能区为核心的，如大型的CBD、公园、景区、车站等，因此，指数区域划分的首要工作是建立区域核心，并以该核心为中心构建指数区域。在交通指数热点区域划分中引入修正的TFL思想，围绕区域核心，从道路里程、车速与密度的角度建立多维距离描述结构，并以此为“距离”关系计算区域半径及边界权重，经过边界封闭成环后，最终形成独立的指数热点区域。以商业中心为区域核心如图1所示。

　　图1以商业中心为控制心的区域划分层次[4]

　　从标准形状上观察，以区域核心为中心，道路网络为“筋络”，依托修正TFL的时空“邻近度”与交通流多维“距离”关系向外扩展的空间区域，类似一张盛开的荷叶，为此，本文指数热点区域的形态定义为“荷叶型”区域。其典型特征如下：

　　（1）具有区域核心

　　每个“荷叶型”区域都具有一个逻辑核心，该核心可能是一个大型建筑，或者是某个小型的商业群落、步行街，也可能某个文化古迹、旅游景点、游乐园等等。区域核心的基本功能是“吸纳”和“产生”交通需求。

　　（2）道路网络为区域主骨架

　　与传统交通小区的划分需求不同，“荷叶型”区域重点关注道路交通自身的车流量、车速与车流密度等参数的变化情况，并以此作为指数计算的依据生成交通指数。因此该型区域从功能上看是以道路网络为区域的主“骨架”，并以居民小区、办公楼宇等城市功能建筑群为空间“填充”的空间体。

　　（3）区域边界与道路走向相交叉

　　由于“荷叶型”区域时以道路网络为主体，因此区域边界尽可能避免与道路走向平行，即区域的边界并不是以道路为主要分割边界，区域边界环线应尽可能与道路走向正交或斜交。在某些不得已出现以道路为边界的情况下，要尽量避免主要道路和高等级道路靠近区域边界或与区域边界平行。

　　（4）边界形态按照规则修正[2][5]

　　初步划分的“荷叶型”区域按照需求规则进行迭代更新修正，修正规则在兼容传统区域划分边界修正的基础上，引入面向应用需求的基本规则（BasicRules,BR）与扩展规则（ExtensionRules,ER）进行修正。

　　此外，受城市布局结构与道路设计的影响，无法满足标准“荷叶型”结构的区域位置会产生蜕化，非标准“荷叶型”退化为“叶片型”区域，其形态可以蜕变为“苜蓿叶”或者其他叶片型区域，由标准的凸边型区域转变成狭长型或其他不规则形态区域，区域核心会偏离中心设置位于区域边界。

　　4热点区域边界控制规则

　　根据“荷叶型”区域划分方法定义，在完成区域划分基础上，要在兼容传统区域划分规则基础上，进一步建立边界修正的基本规则与扩展规则。两类规则都能扩展成独立的规则集合，以上海市外环线以内交通指数热点区域划分为例，基本规则与扩展规则分别如下所述。

　　4.1区域边界控制基本规则（BR）

　　基于传统区域划分基本原则，面向中观、宏观路网交通状态监控与评估的实际应用需求，确定指数区域划分基本规则（BasicRules,BR）。按照由大向小，由粗到细的划分方式：

　　地理特征边界（BR1）：按照城市地形地貌，如江河、湖泊、山脉、树林等天然交通硬隔离，及隔离墙等人工交通硬隔离分割交通区域；如上海市黄浦江两岸形成浦西与浦东片区等。

　　行政区划边界（BR2）：市域内按照行政管理边界划分的路网区域，外环线以内主城区，如徐汇区、闵行区、黄浦区等。

　　交通可达性边界（BR3）：路网密集度高、交通吸引与供给旺盛、易造成交通拥堵的区域，如徐家汇、五角场、人民广场等。

　　道路结构边界（BR4）：可能由局部道路引发特定路网范围拥堵蔓延的区域，如高架上下匝道与地面交叉口邻接的区域，高架匝道的交通需求与供给，会对地面道路造成显著影响。

　　4.2区域边界控制扩展规则（ER）

　　在基本规则基础上，热点区域划分还需要进行附加约束条件（ExtensionRules,ER）。

　　区域边界线（ER1）：根据“荷叶型”区域基本功能，区域边界线尽可能不重叠于道路走向，无法避开的则选择低等级道路与边界线，主干道路要尽量靠近区域核心位置，区域边界与主干道尽量保持垂直相交。

　　路网稠密区（ER2）：老城区低等级道路稠密区域会形成与周边迥然不同的交通特征，且其内部交通流关系难以独立剥离，故稠密区路网尽可能不进行拆分，比如上海中心城的黄浦老城、虹镇老街（该区域已进行改造）等。

　　区域拆分（ER3）：对于已初步划分的区域，根据静态评估规则与动态评估规则评价体量过大的区域需要进行拆分；区域拆分会形成主区（带核心）与辅区两个部分，辅区可根据周边区域形态特征进行重分配。

　　区域合并（ER4）：对于已初步划分的区域，根据静态评估规则与动态评估规则评价体量过小的区域需要进行合并；区域合并的基本原因是由于区域过小导致区域核心“距离”过近，导致交通特征难以分离，因此，合并后的区域需创建新的区域核心。合并后根据区域核心的源核心等级，可对源核心进行等级选取、集合重建等几种处理方法，生成新区域核心。

　　如前所述，基本规则与扩展规则分别是BR集合与ER集合的两类规则集，其中BR规则以区域粗分后为基础结构，对区域进行粗线条的边界修订，而ER规则集则多用于区域粗分完成后的修正、优化与定型等工作。

　　5热点区域划分流程

　　根据“荷叶型”区域划分基本方法，从区域核心捕捉为起点，经过区域粗分，基本边界控制约束形态修正，基于TFL的“距离”概念边界控制约束形态修正，区域定型等几个环节，完成热点区域全流程处理过程。划分流程如下：

　　步骤1：区域核心捕捉：按照区域划分规则，在指定区域划分层次中，捕捉区域核心；核心区域：大型商业中心、大型交通枢纽、多线路地铁换乘站等。

　　步骤2：核心骨架网：以区域核心为顶点，建立相邻核心点的最短连接线，构成区域核心骨架网络，见图2左图；

　　图2指数热点区域核心骨架网拓扑结构

　　骨架顶点：区域核心；

　　核心骨架线：区域核心最短连线；

　　包络三角形：核心与骨架线构成的最小区域；

　　步骤3：粗分区域：以核心骨架网的包络三角形重心、核心骨架线中点为控制点，分割包络三角形，形成粗分区域框架；如图2右图所示；

　　步骤4：区域评估：启动区域评估流程Pro1（如图4所示），输出检查结果，满足要求，则跳到步骤8，否则进入步骤5；

　　步骤5：区域形态修正：按照区域修正指标与评估流程对已划分的区域进行测试评估，依托静态修正指标SE集合与动态指标DE集合进行修正与评估，对于过大区域，增设区域核心进行二次分割；对于区域核心过密而形成的过小区域，可通过区域核心合并进行区域组合；

　　步骤6：区域边界调整：经过形态修正的区域，按照基本划分规则BR1~BR4，扩展规则ER1~ER4进行边界调整；经过调整修正的区域覆盖原结果重新进行评估；

　　步骤7：循环修正：承接步骤6的调整结果，重复步骤4；

　　步骤8：区域定型：形成最终热点交通区域划分结构，添加其他层次属性与结构属性，生成各小区编码，定型划分结果。

　　划分流程图如图3所示。

　　图3热点区域划分主流程

　　6区域修正指标与评估流程

　　基于改进TFL的“距离”思想，在热点区域评估中可建立静态评测、动态评测指标，并构建完整的评估流程。

　　6.1区域修正静态指标（SE）

　　在区域划分基本原则与影响因素的框架下，结合交通指数的实际应用需求，设计并定义如下区域评价指标（StaticEvaluation，SE）：

　　（1）道路等级配比均衡性（SE1）：按照主干路、次干路、支路占区域路网总里程的比例结构；各等级里程比接近全市路网宏观比例结构；

　　（2）同级别区域规模均衡性（SE2）：在同层次的区域中，区域路网总面积与区域占地总面积比例尽量接近，各区路网总里程相当；

　　（3）区域形态特征（SE3）：面状区域南北跨度与东西跨度比例均衡，建议比例在0.5~2.0之间；区域形状以“凸边型”为主；凸边型：在区域顶点的各外角大于180度。

　　（4）区域形态分析变量（SE4）：基于“空间句法”基本评价指标，分析区域1）连接值；2）控制值；3）深度值；4）集成值；[5]

　　1）连接值（SE41）：表示路网中某个区域相交的区域数；

　　2）控制值（SE42）：表示某一区域与之相交的区域的控制程度，数值上等于连接值的倒数；

　　3）深度值（SE43）：表示某一区域到达其它区域所需经过的最小连接数；

　　4）集成值（SE44）：表示路网中某一区域与其他区域集聚或离散的程度。

　　6.2区域修正动态指标（DE）

　　交通特征相关性（DE1）：计算路段指数(x)与区域总体指数(y)的相关系数(r)，两组向量相关系数的公式如式（1）-（3）所示：

　 （1）

　　（2）

　　（3）

　　相关系数的值域介于–1与1之间，即–1≤r≤1。其性质如下：

　　当r>0时，表示路段指数特征与区域指数特征正相关，r<0时，表示路段指数特征与区域指数特征负相关。当|r|=1时，表示路段与区域为完全线性相关，即为函数关系。当r=0时，表示二者间无线性相关关系。

　　式（1）-（3）中，x、y分表代表区域内各路段2min指数数据一天内的分布向量，通过排序，评判小区内部各路段指数与小区整体指数的相关性。

　　交通特征一致性（DE2）：基于区域内各等级道路的相关系数，统计区域交通特征的期望与方差，方差跨度越小则特征一致性越强。

　　一致性计算如式（4）所示：

　　（4）

　　式中：

　　——区域内n个路段指数与区域总体指数的相关系数集；

　　，分别代表区域内各路段指数的期望与标准差。

　　区域动态修正指标也是一个可扩充的集合，其他补充指标还包括相异度、相似度[2]。

　　6.3区域评估流程

　　评估原则：按照先静态评估后动态评估、先区域内后区域间评估的组合评估原则。

　　评估流程（Pro1）：对划分的交通小区进行综合评估，输出每个阶段的评估结果，并检查调整。流程如图4所示。

　　图4交通小区评估流程（Pro1）

　　区域评估流程将输出各项评估指标的分项结果值，根据指标阈值与均衡性，检查区域划分结果的合理性，同时，根据路网的实际情况与应用需要，开展区域调整，完成调整的区域将按照评估流程重新进行评估，直到达到要求。

　　基于本文提出的指数热点区域划分方法，对上海市外环内地面道路网进行了划分，得到初步划分结果，并对静安寺等热点区域开展评估，样例评估结果如图5所示。

　　图5热点区域示意图（静安寺）

　　根据本文所提出的静态评估指标与动态评估指标，抽样部分指标结果如表1所示。

　　表1热点区域评估指标样例（静安寺）

　
　　从评估结果观察，静安寺区域主干道比例远高于全市整体比例，均衡性、路网面积比与全市整体水平保持基本一致，区域形态呈东西向长方形。其他区域可采用同样方法进行评估分析。上海市地面道路网络指数热点区域划分及修正结果如图6所示。

　　图6地面道路交通指数热点区域划分结果

　　7小结

　　本文研究了一种面向城市道路交通指数中观监控与分析应用的区域划分方法，即指数热点区域划分，建立了“荷叶型”区域这一全新的城市路网区域划分结构模型，建立了完整的区域划分流程与评估流程。围绕上海市交通指数应用，进行了实际路网条件下的区域划分验证与应用。区域划分成果目前已进入工程实施与应用环节，支撑交通指数的日常监控与数据分析等多项重要功能开展。

　　参考文献

　　[1]郭凤桥.浅析交通小区划分问题[J].黑龙江科技信息,2010,28:269-270.

　　[2]李晓丹,储浩,杨晓光.城市道路网络交通小区划分概念解析[J].武汉理工大学学报,2009,33(5):972-975.

　　[3]李小文,曹春香,常超一.地理学第一定律与时空邻近度的提出[J].自然杂志,2007,29(2):69-71.

　　[4]商业区分布来源[EB/OL].http://www.shanghai.gov.cn/shanghai/node2314/index.html.上海政府网.

　　[5]李晓丹,杨晓光,陈华杰.城市道路网络交通小区划分方法研究[J].计算机工程与应用2009,45(5):19-22.

　　作者简介

　　马伟民：上海市城乡建设和交通发展研究院

　　HotRegionalRoadNetworkPartitionMethodsandApplicationsforUrbanRoadTrafficStateIndex

　　MaWeimin

　　(ShanghaiUrban-RuralConstructionandTransportationDevelopmentInstitute,

　　Shanghai200032)

　　Abstract:TheTrafficStateIndex(TSI)hasasignificantadvantageforthequantitativedescriptionoftheurbanmesoscopicregionalroadnetworktrafficstate.HowtodividethetargetareaisafundamentalproblemfortheTSIapplications.Hotregionisanurbanlandareawhichbasedonahotspotarchitecture,orcommunity,orbusinesscenterasthecoreandbasedonthesurroundinggraderoadsastheskeleton.AccordingtotheneedsofTSIreal-timemonitoringandevaluationanalysis,basedontraditionalzonedividingrulesandTFL,thispaperproposed"Lotus-type”hotregionpartitionmethodintheurbanroadGISenvironment.Italsoestablishedacompletehotregionalpartitionprocessandevaluationprocess.AccordingtothetrafficstateindexresearchandconstructionrequirementsofShanghai,basedonthispaper’sthoughtandmethodforhotregionalpartition,actualurbanroadnetworkenvironmentwasapplicated.

　　Keywords:TrafficStateIndex(TSI);Tolber’sFirstLaw(TFL);IndexRegion(IR);Lotus-typeRegion;RegionCore

　　文/马伟民

　　（上海市城乡建设和交通发展研究院上海200032）

　　摘要：城市道路交通状态指数在量化描述面向热点区域路网交通状态方面具有显著优势，而如何划分目标热点区域就成为指数应用的是一项基础性问题。热点区域是以城市某热点建筑、社区或商业中心为核心，以周边各等级路网为骨架所覆盖的城市片区。本文以交通指数实时监控与评估分析为需求，在依托传统区域划分规则，引入地理学第一定律（TFL）思想的基础上，提出以城市道路地理信息系统（GIS）为背景技术环境的“荷叶型”热点指数区域划分方法，建立了完整的区域划分流程与评估流程。围绕上海市交通指数研究与建设需求，基于本文区域划分思想及方法，在地面道路实际路网环境下获得了应用示范。

　　关键词：交通状态指数，热点指数区域，地理学第一定律(TFL)，区域核心，“荷叶型”区域