基于交通指數的快速路網限行政策效果評價1

上海市城鄉建設和交通發展研究院

0 研究背景

隨著人們對機動車的需求越來越大，擁堵問題在城市中的表現也愈發明顯。上海市于2011年首次通告外省市小客車限行交通管理措施，該限行政策對緩解城市擁堵發揮了積極的作用。但是近些年來上海市機動車保有量不斷增加，道路的擁堵問題愈發嚴重。

根據公安部統計，2020年全國機動車保有量達3.72億輛，其中汽車2.81億輛；機動車駕駛人達4.56億人，其中汽車駕駛人4.18億人。2020年全國新注冊登記機動車3 328萬輛，新領證駕駛人2 231萬人。從百度地圖最新發布的《2020年度中國城市交通報告》中可以看到，上海市2020年排名環比2019年排名上升兩位。

因此，為了改善交通擁堵，上海市于2020年11月2日開始實行新的限行政策，規定每日7時至20時(周六、周日和全體公民放假日除外)，禁止懸掛外省市機動車號牌的小客車、使用臨時行駛車號牌的小客車、未載客的出租小客車及實習期駕駛員駕駛的小客車在限行區域通行。本文就此次限行新規的實施，對上海市外環內快速路網的整體狀況進行分析和評價，挖掘擁堵現象背后的數據特征，為緩解上海城市交通的擁堵問題奠定基礎。

在以往的研究中，有很多學者利用不同的方法評估了城市的道路交通狀態。郭偉等[1]利用K均值聚類和EM算法相結合的方法，提取了表征路口交通流運行狀況的特征向量，并利用北京市兩個交通區域的實際交通流數據進行驗證；王運靜等[2]選取了線路長度、線路網密度、重復系數等指標，應用地理信息系統（GIS）技術，對北京市地面線路網進行了現狀評價；孫超等[3]在路段和交叉口交通運行狀態分析的基礎上，定義了一種交通狀態系數，對路網整體交通狀態及路口可達性、路段連通性進行分析與評價；姚云紅等[4]選取了平均行程車速和密度比作為交通運行狀態的評價指標，并建立了以該指標為基礎的綜合評價模型，通過實際數據進行驗證，證明了該模型有較好的適應性；楊杰等[5]提出了一種以加權擁堵里程比例為核心指標的高速公路交通指數的計算方法，為居民出行提供參考，對緩解道路壓力起到積極的作用。但是在這些研究中，并沒有將動態交通流與靜態路網基礎信息進行綜合考慮。

由于不同路段的基本情況是不同的，所以單純地用車流量、車速等傳統指標來進行交通狀況的評價是片面的，無法對整個路網有一個比較全面評價；同樣，若僅用紅黃綠三種顏色來表示嚴重擁堵、擁堵和暢通這三種交通狀態，則很難反映出交通狀態的變化趨勢。本文的交通指數綜合考慮車速、里程長度和車道數等因素，用無量綱數值來表達道路擁堵程度，確定城市綜合交通狀況的優良度，建立了新的評價指標體系，對上海市新的限行政策效果進行多維度分析，其量化指標可以為城市居民或旅行者提供出行指導參考。

1 研究內容與技術路線

交通指數是基于動態交通流數據與靜態路網基礎數據，在統計間隔內，量化表達城市道路交通運行狀態的相對數值。本文主要基于交通指數，從指數強度、擁堵指數強度、擁堵時長、擁堵累計里程占比、擁堵概率和暢行脆弱性等六個方面，對中宏觀區域路網的交通狀態進行分析。

1.1 交通指數

交通指數用無量綱數值表達道路交通的擁擠程度。指數取值范圍[0,100]，數值越大，表明道路越擁堵；數值越小，表明道路越暢通。為了更好的向居民表達道路交通狀態，將指數取值范圍劃分為4個區間，分別表示“暢通、比較暢通、擁擠、嚴重擁堵”四種交通運行狀態（見表1）。

表1 交通指數分級

交通指數算法模型：

其中：

若TSI計算結果小于0，則TSI取0。

1.2 評價指標

本文中的評價指標均基于交通指數（TSI）進行統計與計算，從空間、時間方面，力求對交通狀態進行全面的分析與評價(圖1)。

圖1 交通擁堵評價指標體系

指數強度

指數強度指在特定時間內，快速路交通指數的平均值。

計算公式：

n——TSI個數

指標范圍[0,100]。指數強度越大說明越擁堵，越小說明越暢通。

擁堵指數強度

擁堵指數強度指在特定時間內，快速路處于擁堵或嚴重狀態（即TSI≥50）的交通指數平均值。

計算公式：

n——TSI個數

指標范圍[50,100]。擁堵指數強度越大說明發生擁堵時，擁堵程度越嚴重。

擁堵時長

擁堵時長指在特定時間內，評價對象處于擁堵或嚴重狀態（即TSI≥50）的累積時間。

計算公式：

指標范圍[0,T2-T1] (單位：分鐘)。擁堵時長等于0說明該時間段無擁堵。

擁堵累計里程占比

擁堵累計里程占比指在特定時間段內，快速路處于擁堵或嚴重擁堵狀態（即TSI≥50）的道路里程數，與道路里程總數的比值。

計算公式：

S——道路里程總數

指標范圍[0,1]。擁堵累計里程占比等于0說明該時間段無擁堵路段，等于1說明所有路段均處于擁堵狀態。

擁堵概率

擁堵概率指在特定時間內，快速路處于擁堵或嚴重擁堵狀態（即TSI≥50）的時間長度（區域個數），與總時間長度（區域總數）的比值。

計算公式：

n——區域總數

指標范圍[0,1]。擁堵概率等于0說明該時間段無擁堵發生，等于1說明所有區域在時間段內均處于擁堵狀態。

暢行脆弱性

暢行脆弱性指在特定時間內，快速路交通指數的方差。

計算公式：

n——TSI個數

指標范圍[1/2,1]。暢行脆弱性越接近1/2說明該時間段內交通狀態越穩定，指標值越接近1說明該時間段內交通狀態越震蕩。

1.3 歸一化公式

由于各個指標的取值范圍不同，為了便于進行對比分析，將指標值進行無度量化。設有數列，歸一化公式如下：

2 上海市快速路交通評價指標分析

我們選取2020年9月至12月的工作日交通指數數據，對上海市外環以內快速路的交通運行情況進行分析比較。原限行時間分別為工作日7:00-10:00,15:00-20:00兩個時段，新限行時間為7:00-20:00，因此我們定義工作日早高峰限行時段為7:00-10:00，晚高峰限行時段為15:00-20:00，新增限行時段為10:00-15:00.

2.1 上海市外環內快速路擁堵情況

2.1.1 上海市外環內快速路總體情況

從2020年9月至12月的工作日指數強度變化情況分析（圖2），在限行新規實施初始，交通指數有了明顯的下降。根據快速路交通特性和區域認知度，外環內快速路共劃分46個區域，從各個快速路每日首次擁堵時間的分布來看（圖3），新規實施后首次擁堵發生在7:30-8:00的比重增加，即發生擁堵的時間前移，說明由于新規定的實施，人們的出行習慣已經發生了一定的改變。

圖2 交通擁堵評價指標體系

圖3 快速路每日首次擁堵發生時間分布

2.1.2 上海市外快內快速路指標分析

從上海市整體分析(圖4)，在限行新政實施后的兩個月內，工作日外環內快速路指數強度和擁堵時長出現了下降的趨勢，說明限行新政在一定程度上緩解了交通擁堵；而擁堵指數強度、暢行脆弱性、擁堵累計里程占比和擁堵概率有所上升，特別是擁堵指數強度和暢行脆弱性上升明顯，說明在發生擁堵時，擁堵程度加重，并且交通狀態變化較大。從限行新規實施后的指標變化率可以看出（即11月、12月的評價指標變化率），多數指標波動比較大，可見對于限行新規，上海居民還未形成規律的出行習慣。

圖4 上海市快速路交通指標

為進一步細化限行前后上海市交通變化趨勢，把握交通流在不同時段的具體表現，評估限行新規的運行效果，我們從早高峰限行時段、晚高峰限行時段和新增限行時段三個方面來進行討論，比較限行舊規（2020年9月、10月）和限行新規（2020年11月、12月）各項指標的變化。從圖5至圖7可以看出，在早高峰限行時段，除暢行脆弱性外，其余在新政實施后都有小幅度的下降，但是表現并不明顯，平均下降1.56%；在晚高峰限行時段，各指標新政實施后都有上升，平均上升12.98%；在新增限行時段，除暢行脆弱性外，其余指標在新政實施后都有明顯的下降，平均下降40.69%。在各個時段，暢行脆弱性都有不同程度的上升，其中，限行新規實施后暢行脆弱性在晚高峰到達最高值，為28.44。

圖5 早高峰限行時段對比

圖6 晚高峰限行時段對比

圖7 新增限行時段對比

早高峰和晚高峰是交通需求最為旺盛的兩個時段，也是最受關注的兩個時間點。從各項評價指標來看，限行新政的實施在一定程度上緩解了早高峰的擁擠狀況，其中擁堵概率和擁堵累計里程占比下降最多，說明在空間上擁堵范圍變小。而與之相反的是，新政的實施使得晚高峰的交通狀況變差，在空間上擁堵范圍變大，在時間上擁堵時長增加，在狀態上擁擠程度加劇，在穩定性上交通狀態變化較大。在新增限行時段內，只有暢行脆弱性相較之前有所增加，其余指標都有較大幅度的下降，可見新規在很大程度上使該時段的交通狀況好轉。

從圖4至圖7中可以看出，在限行新規實施后，暢行脆弱性在各個時間段都上升明顯，說明交通指數浮動較大，即交通流狀態不穩定。圖8反映了工作日交通指數的極差變化。交通指數極差即交通指數最大值減去最小值的差值。限行新規實施后交通指數極差明顯要大于實施前，從另一個方面反映了交通流狀態的不穩定，也側面說明限行新規下上海居民還未形成固定的出行習慣。

圖8 工作日交通指數極差

通過對限行新規實施前后上海市外環內快速路網各項指標的分析，我們可以得出以下結論：

（1）上海市整體的交通擁堵情況有所緩解，指數強度下降，擁堵時長減少，但是發生擁堵時，擁堵程度加劇；

（2）早高峰時段擁堵情況有所緩解，從時間上看，擁堵時長減少，從空間上看，擁堵里程和擁堵概率降低，從狀態上看，擁堵程度下降；新增限行時段除暢行脆弱性外，各項指標都下降明顯，交通狀況好轉；而晚高峰時段，各項指標都有上升，說明該時段交通擁堵情況加劇；

（3）限行新規實施后，各個時段的暢行脆弱性都有不同程度的上升，即交通流狀態變化較大，穩定性下降。

2.2 常發性擁堵地區擁堵情況

若一個月內日擁堵時長超過2小時的天數不低于10天，則認為該地區為常發性擁堵地區。上海市外環內共有14個常發性擁堵快速路（圖9），主要分布在上海市西側。

圖9 上海市常發性擁堵快速路

從工作日擁堵時長超過2小時天數與總工作日天數的比值來看（圖10），在新規實施前后，南北東側(魯班-共和)、南北西側(共和-魯班)、內環外側(延西-魯班)、延安南側(滬青-延東) 4個區域每個工作日的擁堵時長都超過2小時，可見這四個區域在居民出行選擇方面占有很大的比重。

圖10 擁堵時長超2h工作日天數/工作日總數

在2020年11月2日實行限行新規后，常發性擁堵快速路的各項指標都有不同程度的改善（見表2），我們可以得到以下結論：

表2 常發性擁堵快速路限行新規實行前后評價指標環比

（1）超過一半的常發性擁堵快速路的擁堵時長和擁堵概率有所下降，限行新規對擁堵起到了一定的緩解作用；特別是南北東側(魯班-共和)、南北西側(共和-魯班)、內環外側(延西-魯班)、延安南側(滬青-延東)這四個嚴重擁堵的區域，其擁堵時長下降明顯，平均下降34.98%；

（2）指數強度下降的同時，擁堵指數強度卻有所上升，說明在發生擁堵時，擁堵程度相較于新規實行前加劇，其中南北東側(魯班-共和)上升最為明顯；

（3）超過一半的常發性快速路的暢行脆弱性都發生了上升，交通狀態變化較大。

3 總 結

本文通過指數強度、擁堵指數強度、擁堵時長、擁堵累計里程占比、擁堵概率和暢行脆弱性六個評價指標，對上海市2020年11月2日開始實行的限行新規進行分析與評價。從整體來看，限行新規在一定程度上緩解了交通擁堵情況，減少了擁堵時長，但是在發生擁堵時，擁堵程度加劇，并且交通流狀態變化較大，穩定性較差。分時段來看，新增限行時段交通狀況改善最為明顯，早高峰也有一定的緩解，但是晚高峰的擁堵情況相較于新規實施前加劇。在具體分析常發性擁堵快速路時，可以發現這些區域的擁堵時長和擁堵概率有了明顯的下降，即從空間和時間來看，常發性擁堵快速路的擁堵有所緩解。

交通擁堵評估是一項長期的工作，限行新規的效果同樣需要持續的觀察和分析。通過交通指數可以量化地表達城市道路交通運行狀態，也為下一步的數據挖掘工作做鋪墊。利用大數據分析結果進行科學決策，也是一個值得長期思考和探索的課題。