基于TPI数据的交通拥堵状况时空特征分析——以青岛市为例

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(山东科技大学 数学与系统科学学院，山东 青岛 266590)

近几年，随着我国城市化进程的加快，交通拥堵问题日益严重，城市商圈是城市交通拥堵集中出现的地方。城市交通拥堵发生在城市空间相互作用过程中，商圈的形成代表了居住、工作、购物等活动的空间分布和出行需求。以商圈为基础，分析交通拥堵产生的时间、地点、原因，对缓解城市交通拥堵具有重要意义。Pakha等[1]发现核心日(星期二、星期三和星期四)与星期一、星期五、星期六以及星期日的交通流特征的变化情况有显著的差异。Chrobok等[2]将日期分为四类，并在此基础上对交通拥堵进行预测。Körner等[3]将日期分为工作日(星期一到星期五)、星期六、星期日，并在大量GPS数据的基础上，分析了路段交通量在时间上的分布规律。Calafate等[4]发现，就交通量而言，一周内不同日期之间有较大的差异，并使用基于启发式算法的聚类分析方法对日期进行聚类分析，减少了原有方法的计算量。我国工业化进程缓慢，出现交通拥堵问题相对较晚，因而对于城市交通拥堵的研究也相对滞后。刘志刚等[5]运用博弈论分析了城市交通拥堵问题的成因；杨向前[6]从民生视域下探讨我国特大型城市交通拥堵问题；杨浩雄等[7]分析了交通拥堵的现状、原因、影响及其根源，从城市居民出行和城市物流两个角度给出了解决对策。

已有研究主要关注城市中心的交通拥堵问题，鲜有考虑城市商圈的发展对交通拥堵的影响，且缺少考虑交通拥堵在时间及空间的特征分析。因此，本研究基于青岛市典型商圈的交通运行指数(traffic performance index,TPI)，分析研究交通拥堵产生的时间及空间特征，探讨城市交通拥堵与城市经济发展的相互影响过程，为青岛市商圈交通优化管理政策的制定提供数据支撑。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

青岛市地处山东半岛南部，是国家沿海重要的中心城市和滨海度假旅游城市。在城市迅速发展的同时，中心城区的拥堵问题也日益严重。到2016年末，青岛常住总人口达920.4万人，全市机动车保有量达233.9万辆，其中私家车191万辆，占81.7%。商圈是人群聚集地，容易造成交通的拥堵。以城市商圈为基础，通过对青岛市中心城市商圈当前的交通状况进行调查分析，研究交通拥堵的时空特征，对进一步提出切实可行的解决方案具有重要的意义。按照统计的青岛市中心城区各个商圈的交通运行指数，通过统计方法从众多商圈中筛选出5个最具典型的商圈，分别为台东商圈、东部商圈、中山路商圈、李沧商圈以及崂山商圈，如图1所示。

图1 青岛市五大典型商圈Fig.1 The five typical business circles in Qingdao

1.2 数据来源及处理

交通运行指数，反映总体在数量上变动的方向和程度，并且显示目标对象在较长时间内发展变化的趋势和规律[8-9]，是对路网交通总体运行状况进行量化评估的综合性指标。不同城市对于交通运行指数的计算方法不同，意义也不完全相同。例如北京、上海、广州等城市主要利用出租车的GPS数据来计算、定义各自城市的交通运行指数[10-13]。青岛市公安交通信息服务网，提供全市交通指数、反映实时路况、路径规划以及驾管服务，是综合性较强的系统。为避免在一些特殊情况下出租车样本数量不足，而导致交通指数有偏差，其结合青岛市的自身特点，采用固定点交通流采集方案，得到交通运行指数。数据中心根据商圈范围内各个路段实时采集的平均车速为基本参数并参考时间占有率，按不同等级道路通行能力划分不同的判定阀值，加权集成并经过标准化后计算生成0～10的指标值。其中，数值越大，表明道路交通越拥堵，反之表明交通越畅通。通过对历史数据统计分析、出行调查和现场验证，划分出对应畅通(0～2]、基本畅通(2～4]、轻度拥堵(4～6]、中度拥堵(6～8]、严重拥堵(8～10]五种拥堵程度等级。以福辽立交桥的道路车流量为例体现交通拥堵现象，如图2所示：

图2 福辽立交桥车流现象图Fig.2 Traffic flow chart of Fuliao flyover

利用青岛市公安交通信息服务网所公布的TPI数据，自2017年5月23日至6月23日，记录每天6:00—23:00每15min的交通运行指数(TPI)，总数据量为10 695条，数据样本如表1。

在进行分析之前需要进行数据清理，具体分为两步：

1) 整理数据：整个数据集为31天(一个月)，将其分为31个文件，每个文件包含当天的数据。

2) 数据处理：①去除错误数据：根据交通运行指数的取值范围，当数据出现小于0或大于10的值时，将其视为无效值，需将其剔除。②处理缺失值：根据统计学中的众数原理，对缺失值进行均值插补，用该属性的众数(即出现频率最高的值)来补齐缺失的值。

表1 数据样本Tab.1 Data samples

2 交通拥堵的时间变化特征

分别统计研究区工作日及休息日6:00—23:00的交通运行指数，由此得到总体日变化趋势图(图3)。其中，折线分别表示工作日和休息日的时均值。可得青岛市交通拥堵集中在早高峰7:00—9:00和晚高峰17:00—19:00两个阶段。工作日，变化趋势呈明显“M”型，早高峰为7:00—9:00，晚高峰为17:00—19:00，白天TPI谷值出现在13:00；休息日，早高峰时间出现在8:00，比工作日有明显的滞后，且全天的变化趋于平缓，峰值不明显。

图3 拥堵指数日变化趋势图Fig.3 Diurnal variation trend of congestion index

为进一步考察不同区域内交通运行指数的变化规律，对每个商圈进行分析。图4为各商圈工作日、休息日内交通运行指数随时间的变化情况，该系数反映了在不同时段该商圈的交通拥堵程度。各商圈表现出不同的变化规律：

1) 东部商圈工作日呈现出明显的“M”型、峰值明显，上午7:00开始呈现轻度拥堵状态，峰值时段为7:30—8:30，下午峰值时段为17:30—18:30。休息日，拥堵时刻推后且拥堵程度明显降低，早高峰时段为9:00—11:00，晚高峰时段为15:00—17:00，且均没有明显的峰值，呈现出较为平稳的状态。

2) 崂山商圈工作日的变化趋势呈“M”型，早高峰时段为7:30—8:30，晚高峰时段为17:00—18:30，白天TPI谷值出现在13:30。而休息日早高峰有明显的推迟，上午高峰时段为11:00—12:00，下午高峰时段为16:30—18:30。

3) 李沧商圈工作日早高峰时段为7:15—8:15，晚高峰时段为17:00—19:00，白天TPI谷值则出现在13:00。休息日，早高峰出现在10:00之后，与工作日相比有明显的延误，且休息日全天处于较为畅通的状态。

4) 台东商圈工作日上午6:45开始呈现轻度拥堵状态，受出行量的影响，TPI持续上升，在8时达到早高峰。受下班人群的影响，晚高峰拥堵持续时间长且集中，17:00—19:00共持续拥堵2个小时。休息日，由于休息时间增加，早高峰出现在10:00，且拥堵时间较工作日长。

5) 中山路商圈的TPI工作日和休息日呈现出相似的变化趋势。上午7:00交通处于基本畅通，到8:00已连升两级处于中度拥堵状态，到12:00后才恢复到基本畅通状态，晚高峰段呈现出“扁平化”特征，高峰持续长、峰值不明显。

图4 五个商圈的交通运行指数日变化情况Fig.4 The daily change of traffic congestion index in five business circles

由图4可以看出五个商圈在工作日的趋势有很大区别。对五个商圈不同工作日的交通运行指数进行统计，取平均值后进行比较，如图5所示。其中，台东商圈的拥堵程度最高，东部商圈和中山路商圈相似，崂山商圈和李沧商圈相似。东部商圈、崂山商圈和台东商圈在工作日中最不拥堵的为星期一，最易拥堵的为星期五，星期二、星期三、星期四情况基本相同；李沧商圈在整个工作日周期内交通运行指数变化不明显，趋于平稳；中山路商圈尤为特别，星期三最为拥堵，星期四最不拥堵。

图5 五个商圈不同工作日的交通拥堵变化情况Fig.5 Traffic congestion change of five business days in different working days

图6 五个典型商圈的TPI指数变化情况Fig.6 Changes in the TPI index of five typical business circles

3 交通拥堵的时空演变

研究区5个典型商圈，分别为中山路商圈、台东商圈、东部商圈、崂山商圈以及李沧商圈。

图6反映出整个时间跨度内，不同商圈的TPI在同一时段呈现出不同的分布特征。可以看出，五个商圈都呈“M”型，其中台东商圈、东部商圈具有显著的“M高峰模式”。台东商圈的拥堵程度明显比其他商圈严重，且“中度拥堵”时间持续较长；东部商圈的TPI有明显的下降，且早高峰明显；中山路商圈的TPI在下午高峰段呈现出“扁平化”特征，峰值不明显；李沧商圈交通拥堵高峰与通勤时间吻合，且整体处于畅通状态；崂山商圈全天的TPI变化趋势趋于平缓，且下午的拥堵比上午明显。

选取工作日的早中晚时段以及周末的相应时段进行对比分析，通过地图反映出交通拥堵的时空演变过程(图7)。总体上，工作日拥堵程度高于周末。工作日早晨(图7(a))所有商圈都处于拥堵状态，中山路商圈拥堵最为严重，而周末早晨(图7(d))拥堵区域主要分布在台东商圈；与工作日早晨相比，工作日中午时段(图7(b))拥堵程度明显减弱，休息日中午时段(图7(e))各商圈的拥堵程度与工作日相同；工作日晚上(图7(c))集中分布与沿海商圈，其中台东商圈拥堵程度最高，休息日晚上(图7(f))大多数商圈拥堵程度有所减弱，但台东商圈和东部商圈依旧保持拥堵状态。

根据上述分析，将工作日早高峰时段定义为7:00—8:30，中午时段定义为12:00—13:00，晚高峰时段定义为17:00—19:00。为进一步探讨五个商圈在工作日的交通拥堵变化情况，汇总工作日内早高峰、中午时段以及晚高峰时段的交通拥堵变化趋势数值，计算获得交通运行指数变化趋势结果(图8)。总体来看，所有商圈的中午时段都是三个时段中最不拥堵的，除去台东商圈，其他所有商圈的拥堵指数都处在3与4之间，属于基本畅通状态。上午时刻和晚上时刻各个商圈则表现出不同的特征。

从图8(a)可以看出，东部商圈在早上时段峰值出现在星期三，晚上时段峰值出现在星期五，中午时段出现在星期三，在晚上时刻表现出拥堵指数逐渐递升的现象；图8(b)显示崂山商圈早晚时段拥堵指数高峰容易发生在星期三，中午时段是星期五，但崂山商圈拥堵指数一直处在2～5，拥堵程度不高。

图8(c)显示李沧商圈早晚拥堵指数高峰容易发生在星期五，中午时段是星期一，跟崂山商圈相似，其拥堵指数一直处于2.5～4.5，拥堵程度不高，且李沧商圈的变化趋势更加稳定。从图8(d)和8(e)可以看出，台东商圈和中山路商圈拥堵指数偏高，在早上时段，台东商圈没有明显的峰值，中山路商圈的拥堵峰值出现在星期三，中午时段两个商圈的拥堵变化都趋于平稳，在晚上时刻两个商圈表现出了截然不同的现象，其中台东商圈晚上时段的拥堵指数一直维持在较高的水平，超过了早上时段，而中山路商圈的晚上拥堵时段与中午时段很接近。

图7 不同时段交通拥堵空间分布Fig.7 Spatial distribution of traffic congestion at different time periods

通过以上分析可以看出，早上时段的拥堵高峰常集中在星期三，晚上时段的拥堵高峰常集中在星期五，而中午时刻拥堵程度较弱。且台东商圈拥堵程度最高，这是因为其不仅是工作点密集地，且有青岛最大规模的步行街、有青岛特色的台东夜市。东部商圈早晚拥堵明显，这是因为东部商圈主要是工作点，且属于高端时尚圈，因此呈现出明显的通勤特征。中山路商圈全天大部分处于“轻度拥堵”状态，这是因为中山路商圈主要是发展旅游商业，没有明显的通勤特征。李沧商圈全天大部分处于“基本畅通”状态，这与李沧区为大型居住区有关。崂山商圈整体处于“基本畅通”状态，与崂山商圈的地理位置有关。

图8 工作日五个商圈的交通拥堵变化情况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拥堵，这是因为工作地点、医疗资源、教育资源多分布在市南区沿海一线，特别是进入旅游旺季后，车流量大增，交通拥堵更加严重。上述特征充分说明了交通拥堵与商圈商业集聚、发达程度等因素密切相关。

4 结论及对策建议

通过统计分析青岛市最具代表性的五个商圈的TPI数据，研究TPI随时间变化曲线图及其时空演变图，探索交通拥堵的时间变化特征以及时空演变特征。得到以下结论：

1) 青岛市交通高度拥堵时段集中在上午7:00—8:30，下午17:00—19:00；早上时段拥堵高峰常出现在星期三，晚上时段拥堵高峰常出现在星期五，而中午时刻通常拥堵不明显。

2) 青岛市各商圈因地理位置不同而有所差异，其中拥堵情况最严重的是台东商圈；东部商圈早、晚拥堵明显；中山路商圈全天“基本通畅”；李沧商圈和崂山商圈大多时间处于“基本通畅”状态。

针对以上结论，提出以下对应策略：

1) 从时间维度，可分区域规划城市通勤时间、实现“错峰出行”；在早、晚高峰时段，尤其是星期三的早高峰时段以及星期五的晚高峰时段，采取相应的措施，合理改善人们的出行模式，鼓励居民乘坐公共交通。

2) 从空间维度，可分区域改善道路状况、实现“均衡发展”，如台东商圈人流密集、道路不合理占用，需创建更合理的人行道环境，同时适度增加停车场，规范停车秩序；需提高和促进城市居民的居住、就业和商业娱乐等生活、工作、服务的区域性均衡发展。

总之，城市商圈交通拥堵的时空特征和规律是解决城市交通拥堵问题、实现经济增长与城市交通和谐发展的关键影响因素。