基于交通模型的城市空間發(fā)展情景研究*——以杭州市主城區(qū)為例

Scenario Planning for Traffic Development —A Case Study of Hangzhou

邢 忠 朱嘉伊 余 俏

XING Zhong, ZHU Jiayi, YU Qiao

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基于交通模型的城市空間發(fā)展情景研究*——以杭州市主城區(qū)為例

Scenario Planning for Traffic Development —A Case Study of Hangzhou

邢 忠 朱嘉伊 余 俏

XING Zhong, ZHU Jiayi, YU Qiao

摘 要交通擁堵問題已成為學界關注的熱點，大量學者提出若要優(yōu)化交通組織應從調(diào)整土地利用格局出發(fā)，但其在規(guī)劃具體實踐中能否起到應有的作用仍需探討。以杭州市主城區(qū)為例，基于居住用地和商業(yè)辦公用地兩大交通起訖影響要素，設定不同發(fā)展目標，構(gòu)建“強中心弱邊緣”、“弱中心強邊緣”和“中心邊緣均衡”3種發(fā)展情景，進行出行生成、出行分布和交通分配的預測，最終得出不同情景下的交通流量和車行速度的分布。根據(jù)不同情景下交通特征的對比發(fā)現(xiàn)，不同情景對不同片區(qū)的交通擁堵狀況的改善程度不一，并且上城區(qū)、下城區(qū)的交通擁堵狀況始終未得到明顯改善。由此可以認為，調(diào)整城市用地布局能夠在一定程度上解決部分城市邊緣區(qū)域的交通擁堵問題，但無法對市中心交通擁堵狀況的改善起到應有的作用。

關鍵詞情景規(guī)劃；TransCAD；空間演化；杭州

邢忠, 朱嘉伊, 余俏. 基于交通模型的城市空間發(fā)展情景研究——以杭州市主城區(qū)為例[J]. 西部人居環(huán)境學刊, 2016, 31(01): 75-80.

* 國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201310337016）

Abstract:Growing concerns have been raised on traffic congestion. Researchers propose that optimizing land use can provide a way to solve the traffic congestion, but it is hard to prove accurately if it has a certain effect on the practice of urban planning. In this research, based on the layout and development intensity of residential and commercial land, three scenarios are built. The operation of trip generation, O-D matrix and trip assignment are proposed to approach the distribution of traffic flow and speed. The comparison of traffic flow and speed is proposed to reach some conclusions: (1) the degree of improvement of each area is different in each scenario, and especially that the traffic congestion has not been changed in Shangcheng District and Xiacheng District; (2) controlling the urban layout and development intensity can ease traffic congestion within a specified area excluding the downtown.

Keywords:Scenario Planning; Trans CAD; Spatial Evolution; Hangzhou

0 引 言

隨著近幾年來我國各大城市私家車擁有量的急速攀升和交通出行需求的不斷增長，城市道路負擔日益加重，交通堵塞、行車混亂、道路擁擠、環(huán)境污染等問題日益嚴重[1]。根據(jù)研究成果，因為交通擁堵和管理問題，百萬人口以上的50座城市的居民平均單行上班時間要耗費39min，15座主要城市每天損失近10億元財富①。交通擁堵問題可以從兩個方面得到解決：一方面是通過大量交通基礎設施的修建擴大交通供給，但這極易陷入“多修路多買車”的惡性循環(huán)，并且車輛的停放占用了大量的路面資源，造成了大量的浪費[2]；另一方面是從規(guī)劃和管理出發(fā)，通過協(xié)調(diào)交通和土地之間的關系，減少私家車出行總量，優(yōu)化交通流量在區(qū)域間和路網(wǎng)內(nèi)的分布，以達到緩解交通擁堵的目的[3-5]。若要從根源上解決交通擁堵問題，必須從調(diào)整土地利用、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口布局入手，探討哪一類土地利用方式與布局模式能夠更好地影響交通需求的產(chǎn)生和交通流量的分布。

西方學者針對交通與土地互動關系的研究大致可分為兩類：一是提出了能夠影響交通系統(tǒng)的具體土地利用因素，如人口容量、工作崗位區(qū)位、住房密度、城市中心區(qū)位、城市形態(tài)等[6-7]；二是提出了一系列模型用于指導和應用于交通系統(tǒng)的構(gòu)建與預測，如Lowry模型[8]、約束型規(guī)劃模型[9]、空間投入產(chǎn)出模型[10]、GIS修正技術[11]、微觀敏感性分析[12]等。總之，西方城市土地與交通互動的研究已引起廣泛而持久的興趣，并成為城市研究領域重要的議題。目前來看，多數(shù)研究集中于因素影響的機制、模型的構(gòu)建，缺乏對發(fā)展中國家尤其是大量具有高密度人居特征的中國特大城市的關注。

通過對西方學者成果的引介，國內(nèi)學者對其相關研究也在增加，如從作用機制和表現(xiàn)形式上對兩者關系的論述[13-15]，空間定量分析的研究[16-19]。此外，從實證視角出發(fā)對具體城市土地與交通互動關系的研究不多，且研究的領域較分散，如道路規(guī)劃與交通績效的研究[20-22]、城市節(jié)點與交通關系的研究[23-25]、用地策略與交通優(yōu)化的研究[26-29]等。

綜上，相關研究存在以下特點：首先，大量研究集中于人口、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的布局，著眼于以城市節(jié)點的提升優(yōu)化整體交通系統(tǒng)；其次，國內(nèi)大多數(shù)規(guī)劃研究實踐集中于對西方研究成果的引介，針對具體城市案例的實踐研究仍需加強；此外，就規(guī)劃設計而言，人口與產(chǎn)業(yè)的引導效果只能進行有限預測而不能具體控制，而控制城市空間的核心要素是土地及功能，這就導致了土地具體特征與交通系統(tǒng)的組織缺乏聯(lián)系。

城市空間內(nèi)資源的存在和交換在現(xiàn)實情景下不可能達到絕對的平衡，必然會導致不同城市結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，如單中心城市、多中心城市等。不同的城市結(jié)構(gòu)反映為不同的用地功能組合，繼而影響交通出行點和吸引點的空間布局，產(chǎn)生不同的交通出行結(jié)果。這為本文的研究提供了新的思路：人口與產(chǎn)業(yè)不能進行絕對精確地描述，若結(jié)合具體城市案例，通過土地及功能的精確控制影響大的城市空間格局，能否有效緩解當前城市交通擁堵問題？故本文設定不同片區(qū)居住用地和商業(yè)辦公用地的未來發(fā)展強度，通過出行生成、出行分布和交通分配3個步驟，模擬不同情景下的交通流量和出行速度，一是驗證這樣的研究思路是否可行，二是通過不同情景模擬結(jié)果的對比，探究受限于當前空間結(jié)構(gòu)的城市是否能夠有效解決交通擁堵問題。

1 研究對象與技術路線

以杭州為例，本文選定的范圍為：東至運河東路，西至紫金港路，南至錢塘江，北至留石快速路（圖1）。其具體原因是：（1）該范圍與城市建成區(qū)大致重合，具有發(fā)展時間長、產(chǎn)業(yè)相對成熟、交通流量穩(wěn)定的特點；（2）各區(qū)域存在大量居住區(qū)和商業(yè)辦公區(qū)，其是交通起訖的關鍵要素；（3）研究區(qū)域可具體細分為西湖區(qū)、拱墅區(qū)、下城區(qū)、上城區(qū)、江干區(qū)5個片區(qū)，這為進一步的交通模擬提供了條件；（4）留石快速路和錢塘江的存在有可能導致模擬結(jié)果的誤差，南北居民出行方式及目的地差異較大，故快速路以北和錢塘江以南片區(qū)并未劃入研究范圍。

圖1　區(qū)域劃分Fig.1 zoning in this research

本文選擇了40余條具有代表性的道路作為研究對象。路網(wǎng)選取基于3個原則：（1）道路間距適宜且密度均勻；（2）居民出行選擇意愿較高，目的性較強；（3）能承擔一定的交通流量。根據(jù)每條道路的容量與速度，將路網(wǎng)分為主干道和次干道兩個等級：主干道的平均速度為60km/h，容量為5000單位；次干道平均速度為30km/h，容量為3000單位。兩級道路的數(shù)量比約為1:3。

土地利用對交通存在直接的影響，其與交通產(chǎn)生和吸引具備一定的相關關系，且這樣的關系隨著時間的推移和土地功能的變化能夠保持穩(wěn)定，這樣我們就可以推算出未來交通特征變化的趨勢，計算交通出行的交換和分布，預測未來交通流量和車行速度的特征。

本文擬在區(qū)域范圍劃定和路網(wǎng)分級的基礎上，以居住用地和商服用地作為影響不同年份交通產(chǎn)生量和吸引量的關鍵要素，根據(jù)兩類用地的時空變化幅度的不同構(gòu)建“強中心弱邊緣”、“弱中心強邊緣”和“中心邊緣均衡”3種模型，在對其交通出行生成、分布和分配預測的基礎上，描述、評價、對比3種模型方案，最終得出一定結(jié)論。具體技術路線如圖2所示。

圖2　技術路線Fig.2 technical route

2 出行生成、分布與分配——以強中心弱邊緣模型為例

2.1 出行生成預測

2.1.1 基本假設

出行的對象具有3個屬性：（1）每次出行有起訖點；（2）出行帶有目的；（3）出行使用一種或多種交通方式。本文側(cè)重于模型的探討而非完全意義的實證研究，故將所有交通出行對象整合為一種，以達到簡化模型的目的，即不進行交通方式的劃分，比如居民出行和貨物出行，工作出行、購物出行、就學出行和活動出行等。

2.1.2 數(shù)據(jù)基礎

在上述假設下歸納變量之間的相關關系。傳統(tǒng)的交通流量模擬的數(shù)據(jù)基礎是人口與經(jīng)濟總量，而本文所采用的是對城市交通起訖影響最大的居住用地和商業(yè)辦公用地，故作出如下假設：（1）某個區(qū)塊的交通產(chǎn)生量或吸引量受到地塊用地性質(zhì)的影響；（2）交通量與用地之間的關系可以通過調(diào)查數(shù)據(jù)確定；（3）出行與地塊性質(zhì)的相關關系在一定時期內(nèi)保持相對穩(wěn)定，即當未來地塊性質(zhì)發(fā)生改變時，交通產(chǎn)生量和吸引量也會發(fā)生相應的變化。

回歸分析法的數(shù)據(jù)基礎為：（1）基于各分區(qū)（西湖區(qū)、拱墅區(qū)、下城區(qū)、上城區(qū)、江干區(qū)）的現(xiàn)狀年出行產(chǎn)生量和吸引量數(shù)據(jù)②（表1、圖3）；（2）基于各分區(qū)的現(xiàn)狀年的居住用地和商業(yè)辦公用地數(shù)據(jù)③和未來年的居住用地和商業(yè)辦公用地面積（表2-3所示，分類標準以GBJ137-90為準），其中未來年的居住用地和商業(yè)辦公用地面積體現(xiàn)了“強中心弱邊緣”模型的變化幅度。關于變化幅度為何是正值，本文認為變化幅度的增減可以通過開發(fā)強度的增減而實現(xiàn)，且對結(jié)果的可視化處理中的比例顯示并不會造成影響。變動的幅度經(jīng)過考慮，符合一般社會經(jīng)濟增長規(guī)律，若強行使用夸張尺度的增減幅度，則會對結(jié)果帶來不確定的影響，造成更大誤差。此模型使用的“弱：15%、20%”、“強：30%、40%”、“最強：50%、60%”并不是未來最準確的數(shù)值，本研究為基于模型的理論探討，采用此幅度較為直接客觀，故忽略此部分的影響。

表1　現(xiàn)狀年出行產(chǎn)生量與吸引量Tab.1 current trip generation and attraction

圖3　現(xiàn)狀年出行產(chǎn)生量與吸引量示意圖Fig.3 schematic diagram of current trip generation and attraction

表2　現(xiàn)狀年居住用地與商業(yè)辦公用地開發(fā)強度Tab.2 current development intensity of residential land and public facilities

表3　未來年居住用地與商業(yè)辦公用地開發(fā)強度與增加幅度Tab.3 the development intensity and change range of residential land and public facilities of prediction

經(jīng)過Estimation模型檢驗（表4），P_Base與Cland_Base & Rland_Base的相關程度為0.8299，A_Base與Cland_Base & Rland_Base的相關程度為0.9963，值均大于0.8，說明自變量與因變量的相關程度較高，可用于下一步模擬。

表4　數(shù)據(jù)庫各字段說明Tab.4 explanation of each field

2.1.3 出行生成

基于前文Estimation檢驗，得出未來年出行產(chǎn)生量與未來年出行吸引量，繼而在平衡各分區(qū)的基礎上，得出最終結(jié)果（表5、圖4）。

圖4　經(jīng)過平衡的未來年出行產(chǎn)生量與吸引量示意圖Fig.4 schematic diagram of trip generation and attraction of prediction after the balance

2.2 出行分布預測

2.2.1 基本原理與方法

出行分布預測的目的是求出研究區(qū)域未來年各分區(qū)的出行交換量，其可以通過增長系數(shù)的模擬和出行者目的地選擇行為的模擬而實現(xiàn)。前者典型代表為增長系數(shù)法，其較依賴出行分布矩陣的精確度，并且不適用于交通供給變化較大的長期預測；后者典型代表是重力模型法，其模型形式直觀、容易解釋，能夠反映交通容量供給的變化對交通出行產(chǎn)生的影響，適用于長期和長距離交通需求的預測，若特定分區(qū)之間的交通量為零也能進行預測。故選用重力模型法作為本次出行分布預測的方法。

2.2.2 重力模型的應用

在重力模型的應用中，準備的數(shù)據(jù)如下：（1）含有各類數(shù)據(jù)（如ZoneID、P_Base、A_Base、Cland_Base、Rland_Base、P_Fur、A_Fur等，具體名稱詳見表4）的地理文件；（2）現(xiàn)狀出行分布矩陣，如表6所示；（3）基于分區(qū)質(zhì)心點、最近出行直線、道路網(wǎng)等要素，生成各分區(qū)間最短出行時間矩陣，即阻抗矩陣，具體數(shù)據(jù)如表7所示。

經(jīng)過交通分布重力校正，得出冪函數(shù)型阻抗函數(shù)的參數(shù)b=2.5355。繼而通過現(xiàn)狀分區(qū)間的阻抗矩陣、未來年出行產(chǎn)生量和吸引量以及重力模型的阻抗函數(shù)參數(shù)，得出未來年O-D矩陣（表8）。

表5　經(jīng)過平衡的未來年出行產(chǎn)生量與吸引量Tab.5 trip generation and attraction of prediction after the balance

表6　現(xiàn)狀年各分區(qū)出行分布矩陣（O-D矩陣）Tab.6 O-D matrix of the current

表7　現(xiàn)狀年各分區(qū)之間的阻抗矩陣Tab.7 impedance matrix of the current

表8　未來年各分區(qū)出行分布矩陣（O-D矩陣）Tab.8 O-D matrix of prediction

2.3 交通分配

2.3.1 基本原理與方法

交通分配的目的是將未來出行的O-D矩陣按照一定的路徑選擇原則分配到交通網(wǎng)絡中，以此求出路段流量以及相關交通指標。采用的交通分配原理為用戶平衡原理，其假設所有出行者獨立做出令自己的行程時間最小的決策，在其界定的網(wǎng)絡流量分布中，同組O-D對之間路徑時耗相同，此種流量分布狀態(tài)被稱為用戶平衡狀態(tài)。

2.3.2 在模型中進行交通分配

在給定未來各分區(qū)出行分布矩陣、交通路網(wǎng)地理文件（已設置行程時間、行駛速度、通行能力）和各分區(qū)地理圖層的基礎上，運用交通分配模型和用戶平衡法將未來出行分布矩陣分配到交通網(wǎng)絡中去，生成路段流量表。與路段圖層相關聯(lián)后，流量分布如圖5所示。

圖5　“強中心弱邊緣”模式下的未來道路流量分布Fig.5 flow distribution predicted in the strong center and weak edge model

3 模型分析和結(jié)論

3.1 “強中心弱邊緣”城市結(jié)構(gòu)模型分析

“強中心弱邊緣”的概念是將城市發(fā)展重心放在中心城區(qū)而弱化向外擴張的趨勢。由圖5可知，該模型只減少了主城區(qū)與城市邊緣連通道路的流量，但城市中大部分街道的車流量均有增加。

由圖6可知，整個城市道路擁堵狀況嚴峻，心區(qū)車行速度達到最低值。具體表現(xiàn)在保俶路、曙光路、求是路等西湖沿岸的南北走向道路和臨江的姚江路、婺江路等南北走向道路的流量有所增加。整體而言，強化中心城區(qū)發(fā)展、弱化周邊區(qū)域發(fā)展會使城市南北走向的主次道路流量明顯增加，車速減慢。

圖6　“強中心弱邊緣”模式下的未來道路車行速度分布Fig.6 speed distribution predicted in the strong center and weak edge model

3.2 “弱中心強邊緣”城市結(jié)構(gòu)模型分析

“弱中心強邊緣”的概念是將發(fā)展重心放在城市邊緣，以達到減輕原中心城區(qū)發(fā)展壓力的目的，其增強幅度的設定是西湖區(qū)、江干區(qū)最大，拱墅區(qū)次之，上、下城區(qū)最小。由圖7可知，該模型主要減少了西湖區(qū)和上城區(qū)臨江部分街道的交通流量，其可能的原因是，發(fā)展重心的外遷為外圍居民提供更多的就業(yè)機會，減少其向城市中心流動的次數(shù)和時間。拱墅區(qū)流量基本保持均衡，上城區(qū)、下城區(qū)、江干區(qū)車流量有明顯增加。車行速度分布如圖8所示。

圖7　“弱中心強邊緣”模式下的未來道路流量分布Fig.7 flow distribution predicted in the weak center and strong edge model

3.3 “中心邊緣均衡”城市結(jié)構(gòu)模型分析

均衡發(fā)展指按照現(xiàn)有結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)展，并不改變個別片區(qū)的開發(fā)強度。相較“強中心弱邊緣”或“弱中心強邊緣”模型而言，該模型也能緩解部分城市道路的擁堵情況，如上、下城區(qū)部分區(qū)域。

該發(fā)展模式下的道路流量分配較為均衡（圖9）。古墩路、豐潭路等靠近邊緣的南北向道路和文一路、文二路、文三路等東西向道路的流量較另外兩種模式而言較少。同時，上、下城區(qū)部分主干道流量有所增加，車速較慢，而慶春路、艮山西路等路段車速的改善非常明顯（圖10）。

圖8　“弱中心強邊緣”模式下的未來道路車行速度分布Fig.8 speed distribution predicted in the weak center and strong edge model

圖9　“中心邊緣均衡”模式下的未來道路流量分布Fig.9 flow distribution predicted in the balance development model

圖10　“中心邊緣均衡”模式下的未來道路車行速度分布Fig.10 speed distribution predicted in the balance development model

3.4 模型對比與結(jié)論

在3種發(fā)展模式下，對不同片區(qū)道路流量和道路速度的平均值進行統(tǒng)計，繼而分為三個等級，其對比如表9所示：（1）在不同的空間模型中，上、下城區(qū)的交通流量與車行速度變化不大，且沒有任何一個模型體現(xiàn)出能夠解決全局交通擁堵問題的可能；（2）“弱中心強邊緣”模型對解決西湖區(qū)和江干區(qū)的交通擁堵問題效果最佳，尤其是東西走向道路；（3）均衡模型對解決拱墅區(qū)的交通問題效果最佳。

表9　三種發(fā)展模式模擬結(jié)果的對比Tab.9 comparison of three models

通過3種模型交通流量和車行速度分布以及結(jié)果對比，我們可以得出以下結(jié)論。

（1）通過合理調(diào)配空間布局關系，如調(diào)整居住用地和商業(yè)辦公用地的開發(fā)強度，能夠在一定程度上解決部分城市邊緣至市中心的交通擁堵問題。通過3種模型的對比可以發(fā)現(xiàn)，在“弱中心強邊緣”的發(fā)展情景下，邊緣區(qū)域的交通狀況最為良好。因此，在杭州現(xiàn)有的城市空間形態(tài)下，一方面強化邊緣區(qū)域，增強其產(chǎn)業(yè)與就業(yè)吸引力，推進區(qū)域職住平衡，另一方面減少中心區(qū)人口和產(chǎn)業(yè)的過度集聚，對解決邊緣至主城區(qū)域的交通擁堵問題能起到積極作用。

（2）3種模型在目前的杭州城市空間形態(tài)下（L型），都無法良好地解決市中心（即西湖東北角）的交通擁堵問題。通過模擬可以發(fā)現(xiàn)，市中心的交通出行量與吸引量始終處于較高水平。由于區(qū)位條件、路網(wǎng)形態(tài)、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)、居民觀念等因素影響，該區(qū)域始終是交通流的匯聚點，其產(chǎn)生的強大向心力使得交通擁堵問題難以簡單地通過改變空間結(jié)構(gòu)關系得到解決。

4 結(jié) 語

相較于人口和產(chǎn)業(yè)的引導，用地控制更能夠精確的反映未來城市的交通起訖的變化，故本文通過居住用地和商業(yè)辦公用地開發(fā)強度的調(diào)整，設定“強中心弱邊緣”、“弱中心強邊緣”和“中心邊緣均衡”3種城市結(jié)構(gòu)模型，模擬不同情景下的交通流量和車行速度分布，認為合理調(diào)配空間布局能夠緩解一定現(xiàn)狀矛盾，但仍然無法解決全局尤其是市中心的交通擁堵問題。這為我們的下一步研究提供了思路。

（1）本文同時調(diào)整居住用地和商業(yè)辦公用地的開發(fā)強度試圖模擬不同發(fā)展情景，若有針對性地弱化或強化部分職能，如減少前者并增加后者的開發(fā)強度，是否可以構(gòu)建更多的模型對交通狀況進行模擬，從而得出更優(yōu)的發(fā)展情景；

（2）在不同情景下?lián)矶侣范尉写嬖冢芊裢ㄟ^增強部分路段的公共交通運營能力和接駁機會、減少私家車停車位的配套數(shù)量、實施區(qū)域性的交通治堵政策等手段，減少私家車出行意愿從而緩解交通擁堵問題；

（3）改變杭州的城市宏觀結(jié)構(gòu)，如向帶狀城市或環(huán)形城市轉(zhuǎn)變，是否能在一定程度上緩解市中心的交通擁堵問題；

（4）一旦將研究對象拓展至其它不同形態(tài)的城市，在不同空間形態(tài)限制下，如何調(diào)整居住用地和商業(yè)辦公用地的區(qū)位和開發(fā)強度才能達到交通流量分布的最優(yōu)解。

（致謝：感謝浙江工業(yè)大學城鄉(xiāng)發(fā)展與人居環(huán)境設計研究中心吳一洲副教授對本文提供的數(shù)據(jù)支撐和寫作意見。）

注釋：

① 該資料來源于新華網(wǎng)2010年10月8日《中科院專家：中國15座城市因擁堵每天損失近10億》一文。

② 此數(shù)據(jù)來源于國家自然科學基金項目（51108405）的居民居住區(qū)位偏好與交通特征部分調(diào)查資料。

③ 此數(shù)據(jù)來源于谷歌衛(wèi)星航拍圖、杭州主城區(qū)控制性詳細規(guī)劃現(xiàn)狀用地拼合圖等資料。

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圖表來源：

圖1-10：作者繪制

表1-9：作者繪制

（編輯：蘇小亨）

收稿日期：2015-04-03

作者簡介邢 忠： 重慶大學建筑城規(guī)學院，山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，教授，博士生導師，xingzhong@vip.sina.com朱嘉伊：重慶大學建筑城規(guī)學院，碩士研究生余 俏：重慶大學建筑城規(guī)學院，博士研究生

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160113

文 章 編 號2095-6304(2016)01-0075-06

文獻標識碼B

中圖分類號TU984.1