交通与城市形态协调发展研究

冷伟杰，杜牧青*，王 梅，徐兰花

(1、河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210009；2、南京市城市与交通规划设计研究院有限责任公司，江苏 南京210008；3、南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037)

交通与城市形态协调发展研究

冷伟杰1，杜牧青1*，王 梅2，徐兰花3

(1、河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210009；2、南京市城市与交通规划设计研究院有限责任公司，江苏 南京210008；3、南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037)

为了研究城市形态与城市交通之间的协调关系，以南京市为例，根据《南京统计年鉴》中已有的数据，构建城市形态与城市交通系统发展水平的评价体系和协调度模型。运用均值化方法对样本数据进行无量纲化处理和主成分分析法提取交通和城市形态系统的主成分因子，根据样本数据对协调度模型进行参数标定。运用模型计算南京市2006～2014年不同年份的协调程度，最后进行对比分析发现，南京市近10年交通和城市形态都在不断进步，整体协调度较高，但是2010～2013年由于青奥会的原因，交通发展较快，协调度下降，2014年交通增速放缓，协调度回升。

交通发展水平；城市形态；评价体系；协调度

城市历史学家芒福德曾经认为，城市的形成离不开它的动态部分，脱离开这个动态部分，城市就不可能继续增加它的规模、范围和生产力[1]。而这个动态部分，就是指城市交通。每一次交通技术的进步都会促使城市形态发生变化，以适应交通发展；另一方面，城市形态作为交通需求产生的基础，也会相应地对城市交通系统产生一定的影响[2]。进入21世纪以来，我国城市城镇化进程加快，城市规模不断扩张。城市的交通出行需求急剧增加，由此带来的问题极大地阻碍了大城市的发展。城市发展的目标也由单一经济指标变为城市经济、环境、人文、资源等综合目标的最优化。可持续发展的概念为城市的发展指明了方向——坚持速度和结构质量效益相统一、经济发展与人口资源环境相协调。交通与城市形态的协调发展成为交通领域的研究方向[3]。

交通与城市形态一直是经济发展关注的焦点，两者之间存在着交互耦合的互动关系。城市是现代社会人类居住、交往、工作和生活的最主要的场所[4]。城市化是社会文明和现代化的重要标志，而城市形态是城市化的体现。交通是城市系统的一个子系统，交通运输条件的改善有时会成为城市“循环与累积效应”的重要诱导剂和强大触发力[5]。随着社会的不断进步，单一的片面的交通与城市形态发展已不适合城市的整体发展要求。因此，必须树立一种相互促进、共同提高的多元协调发展理念，坚持可持续发展理念，从而避免城市化的弊端。

卢果[3]研究了同一城市不同阶段公共交通与城市形态的协调度，孙爱军[4]等人研究了不同城市同一阶段交通与城市形态协调度，数据无量纲化的方法都是采用标准化法。本文在前人研究的基础上，将交通和城市形态分别看做两个子系统，两者耦合成一个大系统，但由于标准化法消除了各指标变异程度上的差异，可能不能准确反映原始数据所包含的信息，本文采用均值化的方法对南京市2006～2014年交通和城市形态的样本数据进行无量纲化，然后对两个子系统进行主成分分析，进而求出两者的协调度，得出更加符合实际的结果。

1 协调度评价指标体系

指标体系的建立是根据频度分析和专家咨询两种方法建立的。频度分析法[6]是对有关交通和城市形态评价研究论文中的指标进行频度统计，从中选择使用频度较高的指标。专家咨询法[7]是在初步提出评价指标的基础上，进一步征询专家意见，对指标进行调整，最终确定指标评价体系。

在频度分析和专家咨询法的基础上，根据公开的资料，选取交通设施和运输能力两个方面共计7个指标反映交通发展水平(见表1)。

表1 交通发展水平评价指标体系

根据经济发展、生活质量、交通等三个方面共7个指标反映城市形态如表2所示。

表2 城市形态评价指标体系

2 协调度评价模型

协调发展是指在外界提供的物质、能量、信息等的支持下，系统各要素和属性之间相互适应、相互促进、相互配合而形成的一种良好的动态发展态势的反映[8]。交通与城市形态协调发展即为两子系统相互适应、相互促进、相互配合的过程。本文运用主成分分析法提取系统的主成分因子，建立协调度评价模型，对交通和城市形态的协调度进行计算与分析。

2.1 指标无量纲化

多指标综合评价中无量纲化的方法较多，主要有三种不同的方法：极差正规化法、标准化法和均值化法。极差正规化法与原始指标的最大值和最小值有关，最大值与最小值的差值对指标的权重影响很大，差值很小时，无量纲化后数据就会过大，相反，亦然。因此，用极差正规化法进行无量纲化并不可取。

标准化法是应用较多的无量纲化方法，但由于标准化法消除了各指标变异程度上的差异，因此经标准化后的数据不能准确反映原始数据所包含的信息，导致综合评价的结果不够准确。

均值化法是一种比较好的保留了各指标变异程度的信息的无量纲化方法，均值化法的公式为：

(1)

均值化后各指标的均值都为1，其方差为：

(2)

叶宗裕通过对一些案例的分析总结，得出以下结论：当综合评价的指标都是客观数值时，一般来说应该用均值化法对指标进行无量纲化；当综合评价的指标值是主观分数时，则用标准化法更好[9]。

本文采用的样本数据都是客观数据，因此采用均值化法对指标进行无量纲化法合理。

2.2 主成分分析

2.2.1 主成分分析的基本原理

主成分分析法也称主量分析，是由霍特林于1933年首先提出的[3]。主成分分析旨在利用降维的思想，通过线性替换，把多个存在相关关系的指标转化为少数几个相互独立的综合指标。通过把转化生成的综合指标称为主成分，然后以各主成分的因子贡献率的比重作为权重，与各主成分得分进行加权计算得到各系统的新指标的综合得分。

主成分分析是在保留原始指标主要信息的前提下起到降维与简化的作用，使得在研究复杂系统时抓住主要矛盾，把研究工作引向更深入，这就是主成分分析的基本思想[10]。

2.2.2 主成分分析的基本步骤

(1)首先对原始数据Xij(i=1，2，…，n年；j=1，2，…，p，指标个数)进行标准化处理，即令

(3)

(4)

(2)构造相关系数矩阵R：

R=γijp*p

(5)

(3)计算相关系数的特征值和特征向量。首先假定相关系数矩阵的特征值存在λj≥λj+1，j=1，2，…，p，特征向量为：aj=(a1j，a2j，…，apj)T，选择特征值大于1的前k个成分作为系统的主成分，可以得到标准化数据的主成分得分Fj：

Fj=a1jX1+a2jX2+…+apjXp，j=1，2，…，p

(6)

(7)

其中：Fi为第i年各指标综合发展指数(i=1，2，…，n)；am为第m个主成分的贡献率(m=1，2，…，k)；Fm为第m个主成分在第i年的得分。

2.3 协调度模型

协调是系统组成要素之间在发展过程中彼此之间的和谐一致，协调度则是对其协调程度好坏程度进行定量衡量的指标[3]。借助物理学中的容量耦合的系数模型[7]，构建交通与城市形态之间的耦合协调模型，具体如下：F、G两个系数函数如下所示，F(x)为系统F的评价函数，其中包括x1，…，xi等n个描述F系统特征的指标；G(y)为系统G的评价函数，其包含了y1，…，ym等m个描述系统G特征的指标。

(8)

(9)

F(x)和G(y)中的系数ai和bj通过样本数据利用主成分分析法分别标定，评价函数即为通过主成分分析法求得的系统综合指数函数Fi，如公式7，则两系统的耦合度计算公式为：

(10)

耦合度的取值范围是[0，1]，其中，当U=0时耦合度最差，U=1时耦合度最好。

协调度模型可以更好地评判系统间的交互耦合的协调程度，其算式为：

(11)

其中T为交通与城市形态的综合协调指数，它反映交通与城市形态的整体协同的效应或贡献，T=αF(x)+βG(y)，α和β为待定系数。在实际应用中，最好使T在(0，1)之间，以保证φ属于(0，1)。

通过以上步骤可以求得交通与城市形态的协调发展程度，对照表3系统协调度的等级划分，对系统的协调度进行综合评价。

表3 系统协调度等级划分

3 南京市交通与城市形态协调度评价实例

南京作为省会，长三角地区的核心城市，其交通发展与城市建设一直处于全国领先水平。2005年地铁1号线通车后，南京进入了加速发展阶段。因此，本文选取2006～2014年《南京统计年鉴》相关数据作为样本，采用主成分分析法对交通和城市形态发展进行分析，利用构建的协调度模型对两者的协调度进行计算和分析，均值化后的样本数据如表4、表5：

表4 均值化后的交通样本数据

表5 均值化后的城市形态样本数据

(1)利用SPSS软件对交通均值化的样本数据进行主成分分析，得到结果如表6：

表6 交通样本数据相关阵特征值表

由表6可以看出，特征值大于1的主成分有两个，第一主成分的方差贡献率为65.556%，第二主成分的方差贡献率为14.714%，累计方差贡献率达到80.270%。因此，选取两个主成分为宜。

(2)再根据SPSS输出的成分得分系数矩阵，求得主成分的总得分，具体结果如下：

同理，城市形态主成分及综合得分情况如表7、8、9：

表7 交通样本数据相关阵成份得分系数矩阵

表8 交通样本数据主成分及综合得分

表9 城市形态主成分及综合得分

(3)运用耦合协调度模型，需标定T=αF(x)+βG(y)中的α和β的值。前面已经介绍，在实际应用中，最好使T在(0，1)之间，以保证φ属于(0，1)。为满足这个条件，我们采用有约束的线性规划求极值，具体的约束条件如下：

(4)将α=4.9659，β=-3.1422以及交通与城市形态的综合得分代入式11中，求得协调度如表10。

4 结果分析

将求得的结果对照表3的等级划分，得到评价结果如表11。

表10 协调度计算结果

表11 南京市2006～2014年交通与城市形态协调度评价结果

通过不同年份的交通和城市形态综合得分以及两者之间的协调度计算，分析结果如下：

(1)通过对城市形态进行主成分分析，可以看出影响南京市城市形态综合得分占最大权重的是人均拥有道路面积和第三产业GDP比重。人均拥有道路面积是城市形态与交通联系最直接的指标，第三产业GDP比重则直接反应城市形态建设的经济实力。从图1中可以看出，南京市近10年人均拥有道路面积稳中有升，第三产业GDP比重近几年有所上升，而城市形态综合得分也同步地稳定上升。三者的发展趋势相同，可以推断，在推进城市形态发展的过程中，可以考虑加大第三产业GDP比重和人均拥有道路面积这两个指标的投入。

图1 城市形态相关数据对比

由图2可知，近10年南京市城市形态和交通的综合得分都在增加，其中，交通的综合得分增速较快，特别是2010年以后，由于城市形态的发展没有跟上，导致2010年以后协调度有些回落，剖析原因，2010年南京市获得了2014年青奥会的主办权，自此以后，交通得到了加速增长，城市形态的发展速度不及交通的增速。2014年交通增速回落，协调度回升。2010年以前协调度比较平稳，08年达到峰值，这一年，交通和城市形态的综合得分最相近，协调度最佳。只有保证交通与城市形态的同步发展，以交通建设带动城市形态的建设，才能保

图2 交通与城市形态综合得分、协调度对比

证城市的协调发展。而影响交通综合得分占权重较大的是公路货运周转量、公路总里程和铁路旅客周转量，因此，未来的城市间以及城市中人的空间位置的转移应更多的依赖铁路轨道交通，这也与现在的高铁时代不谋而合，证明这条道路是正确的。货物为实现点到点的运输，更多地依赖公路，增加公路里程，实现点到点的运输。

5 结论

本文根据建立的评价指标体系，建立模型，计算系统间的协调度，得到一套评价交通系统与城市形态发展状况的方法。

通过对2006～2014年南京市的交通系统与城市形态发展相关情况分析，得到反映出的南京市交通与城市形态相互关系现状，为决策者提供科学依据。整体来看，南京市近10年交通与城市形态都在不断发展，而且相对比较协调。作为城市化水平较高的大城市，未来，南京应在可持续发展的前提下，充分利用轨道交通发展的契机，坚持TOD模式，将城市形态的发展提速，保证交通与城市形态的充分协调。

本文首次采用均值化法对数据进行无量纲化，其计算的准确性还亟待其他无量纲化方法对比检验。当然，在建立评价指标体系时，由于能力和精力有限，本文搜集的数据不够全面，仅仅选取了比较有代表性的指标，下一步应对其它重要指标进行深入研究。

[1] Spiro Kostof.The City Shaped：Urban Patterns and Meanings Through History[M].London:Thames and Hudson Ltd，1991.

[2]费移山.城市形态与城市交通相关性研究[D].南京：东南大学，2003.

[3]卢果.城市公共交通系统与城市形态协调发展研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[4]孙爱军，吴钧，刘国光，等.交通与城市化的耦合度分析——以江苏省为例[J].城市交通，2007，5(2):42-46.

[5]杨建军，连城，汤燕.交通枢纽对中心城市功能成长的绩效——以浙江省金华市为例[J].规划师，2005，21 (2)：91-94.

[6]刘渝琳.我国可持续发展指标体系的设计和评价方法探索[J].生态经济(学术版)，1999(6)：17-20.

[7]张复明.区域性交通枢纽及其腹地的城市化模式[J].地理研究，2001，20(1)：48-54.

[8]吴大进.协同学原理和应用[J].华中理工大学学报，1991(5)：46.

[9]叶宗裕.关于多指标综合评价中指标正向化和无量纲化方法的选择[J].浙江统计，2003(4)：24-25.

[10]何晓群.多元统计分析[M].北京：中国人民大学出版社，2004：153.

(责任编辑：曾 晶)

Traffic and Urban Form Coordinated Development Research

LENG Weijie1， DU Muqing1*， WANG Mei2， XU Lanhua3

(1.College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210009， China; 2.Nanjing Institute of City & Transport Planning Co.，Itd. Nanjing 210009， China; 3. College of Automobile and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China)

In order to research coordination between urban form and urban traffic， taking Nanjing as an example， based on Nanjing statistical yearbook， urban form and urban traffic development level evaluation system and coordination degree model were constructed. By average method， sample data were dimensionlessly processed and the principal component analysis (pca) was used to extract the principal component factor of the transportation and urban form system， according to the sample data， calibrating coordination degree model. The model was used to calculate coordination degree of Nanjing from 2006 to 2014 and a comparative analysis was carried out at last. The transportation and urban form of Nanjing in recent 10 years are in constant progress and overall coordination degree is higher. But because of the Youth Olympic Games， the traffic level is in rapid development in 2010-2013， the coordination degree declined， until 2014， the traffic growth went slow， coordination degree rose.

the traffic development level; urban form; evaluation system; coordination degree

1000-5269(2016)06-0124-06

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.27

2016-09-12

江苏省自然科学基金(青年基金项目)(BK2015081)

冷伟杰(1990-)，男，在读硕士，研究方向：交通运输规划与管理，Email：849157223@qq.com.

*通讯作者： 杜牧青，Email：dulyg1986@163.com.

U1

A