句法视角下城市道路交通的预测研究——以广州市人民路高架桥拆除问题为例

陶 伟, 古恒宇, 张 良, 沈美程, 黄梦真

(1. 华南师范大学地理科学学院， 广州 510631； 2. 北京大学政府管理学院， 北京 100871)

句法视角下城市道路交通的预测研究
——以广州市人民路高架桥拆除问题为例

陶 伟1*, 古恒宇1,2, 张 良1, 沈美程1, 黄梦真1

(1. 华南师范大学地理科学学院， 广州 510631； 2. 北京大学政府管理学院， 北京 100871)

基于空间句法理论中较前沿的NAchoice算法，着眼于我国第一座城市高架桥——广州市人民路高架桥拆除问题进行案例分析，为空间句法在中国城市交通预测中的应用提供实证，探寻一种较好拟合实际交通流的预测模型，为路网优化提供参考依据. 论证分析从广州人民南路段交通堵塞原因、拆桥与否对桥下路段车流的影响和人民路段周边主干道交通疏导能力评估等3个方面展开，研究发现：(1)车流量偏大是人民南路段交通堵塞问题频发的原因之一；(2)高架桥的拆除会小幅增加桥底路段车流，但不一定会造成车流量的叠加式剧增；(3)人民路段及其周围主干道分流能力受到质疑，建议等到有较强疏导能力路段建成后，再拆除人民路高架桥；(4)空间句法NAchoice模型与广州市交通流数据具有较好拟合程度，运用该模型进行城市道路交通预测具有可行性.

空间句法； NAchoice算法； 广州； 人民路高架桥； 城市道路交通

近年来，城市化进程的加速进一步加大了城市交通路网建设的复杂性和难预测性. 社会对交通拥堵以及交通发展带来的城市景观破坏问题的关注对城市道路交通的规划与建设提出更高的要求. 已有大量文献[1-9]从数理统计、物理原理和计算机算法等方面入手，进行城市道路分析预测方面的研究，为交通规划建设提供决策依据. 其中广泛运用的交通预测模型有4种：历史平均模型、时间序列模型、神经网络模型和非参数回归模型[6]. 通过梳理已有文献[1-9]，笔者认为关于城市道路交通分析与预测的研究主要存在以下不足：仅从一条或几条路段入手进行分析，没有考虑被研究路段在城市全局路网结构中所受的影响，忽略了城市路网结构本身所具有的特性；仅将城市道路交通预测看成纯粹的数理统计问题，忽略了从城市空间对人出行影响的角度出发进行分析.

空间句法是一种通过对包括建筑、聚落、城市甚至景观在内的人居空间结构的量化描述，来研究空间组织与人类社会之间关系的理论和方法[10]，空间句法的核心是空间组构，组构被定义为一系列互相依赖的关系，其中每一个关系由它自身与其他所有关系之间的关系所决定[11]. 在国外，空间句法在交通领域上的应用已渐趋广泛，如：全面对比了整合度与不同年龄、性别人流量以及其与交通流量的拟合程度，论证了使用空间句法分析人(车)流出行的可能性[12]；提出使用集成度来模拟交通流量，认为局部整合度能较好反映人流的出行模式，全局整合度能较好反映车流的出行模式[11]；提出考虑到路网偏转角度影响的线段模型，并认为线段模型与网络交通流具有更高的拟合程度[13]；通过研究最短路径、最少转弯和最小偏转角度等3种主要出行模式，得出人(车)流的出行与最小路网偏转角度具有最强的相关性，验证了线段模型的准确[14]；认为城市出行模式通常由选择一个目的地和从出发地选择路线到达目的地这2个重要部分组成，因此主要使用选择度和整合度来分析路网状况和预测交通流，并提出标准化穿行度(简称NAchoice)算法且加以实证[15]. GIS技术的发展为使用空间句法分析交通问题提供了更强的可操作性和便利性[16-18]，如基于GIS技术研究并对比了中国香港AADT(Annual Average Daily Traffic)数据与基于传统轴线模型的计算结果和基于真实路网的拓扑分析的计算结果的相关程度，论证了将基于实际路网数据进行拓扑分析的空间句法模型用于交通流量预测的可行性[18]. 然而，尽管使用空间句法理论进行交通流量分析已被证明具有广泛前景，但在国内使用空间句法进行城市交通领域的研究仍主要集中在衡量道路可达性指数等方面[19-23]. 笔者认为，该理论运用于国内交通流量分析的难点在于：第一，缺少足够的实证数据和研究成果的支持；第二，以往文献的研究尺度较宏观，缺少在微观尺度上对区域性实际交通问题的研究；第三，以往文献主要使用空间句法理论中的轴线模型，与真实路网有偏差，计算结果受人为影响较大[20].

本研究选择广州市人民路高架桥作为案例地，在实证的基础上以空间句法线段模型中标准化穿行度为基本参数，结合GIS技术，针对性地对人民南路交通拥堵原因、高架桥的拆除与否对桥下路段车流量的影响以及人民路段及附近路段交通疏导能力进行分析，为路网优化提供参考依据.

1 研究设计

1.1 研究区域、数据

本文以我国第一座城市高架桥——广州市人民路高架的拆除问题为对象展开实例研究(图1). 缓解交通拥挤、改善城市交通状况和降低事故率是城市高架桥的基本职能，但是在我国一些大城市，已建的高架桥并没有从根本上改善交通状况. 随着城市规模的扩大和高架桥通行车流的增多，高架桥的弊端进一步被暴露，交通噪音、交通废气等问题对城市发展和居民生活造成了不利影响[25-26]. 近年，广州市人民路高架路的拆除问题一度引起社会各界以及政府的关注[27-28]. 2012年广州市规划局公示的《广州历史文化名城保护规划》(草案)划定了人民南路历史文化街区，明确提出待时机成熟即要拆除人民路高架桥[29]. 在高架桥弊端逐渐显露和“拆桥”呼声日益高涨的背景下，城市高架桥的交通疏导能力成为衡量高架桥使用价值的重要指标.

图1 研究区域区位图[24]

比尔·希列尔[11]认为，沿着特定轴线的人车流主要受到轴线在更大范围的城市网格中的位置所决定，必须在分析中包括足够多的城市网络，以确保研究路段嵌入城市网格之中. 为了处理空间句法计算所导致的边界效应，及考虑到广州人民路高架桥南北接壤内环路的实际情况，本文以广州市内环路为研究区域边界. 实测车流量数据来源于2014年2月在广州市内环路区域内随机33个实测点工作日12：00～14：00时段每10 min内通过断面的双向车流量数据(图1).

1.2 空间句法模型

传统空间句法基于轴线模型进行计算，其原则是使用“长度最长、数量最少”的轴线代表城市道路网络[30]. 然而轴线模型的生成受到人为影响较大，在实际交通预测领域的应用中会产生一定误差. 线段模型以真实路网数据为基础,考虑到路网偏转的角度对人(车)流出行的影响. 在计算搜索半径时，线段模型也更具灵活性，可以考虑拓扑搜索半径、欧氏距离搜索半径等多种不同情况. 如图2所示，线段模型认为由路段a到路段d的人(车)流会受到偏转角度L1、L2和L3的影响. 而由图3可知，在两点之间的欧氏距离相等时，线段之间的角度会影响人对于线段的选择. 相较于轴线模型，线段模型在交通流量预测中更贴近实际情况.

图2 线段模型示意图

图3 线段模型建模原理示意图[13]

Figure 3 Schematic diagram of the principle of line segment modeling[13]

空间句法线段模型主要变量为：

(1)节点总数(n)：即搜索半径内节点数量之和.

(2)角度全局总深度(ATD)：表示网络中某一节点距搜索半径内其余所有节点角度拓扑距离之和. ATD值越大，代表该节点深度越大，即拓扑可达性越低. 计算公式为：

(1)

其中，ATD(x)表示点x的角度全局总深度；dθ(x,i)表示x与i之间的角度拓扑距离.

(3)角度选择度(ACH)：反映网络中通过某一节点的最短角度拓扑距离的次数，ACH越高，反映在实际出行中，选择通过该空间的概率也越大. 计算公式为：

(2)

其中，ACH(x)表示点x的角度选择度；σ(i,x,j)表示通过点x的点i与点j之间最短角度拓扑距离.

(4)标准化后角度选择度(NAchoice)：反映经过标准化后的ACH参数. NAchoice与网络中节点数量无相关性，因此可用于对比分析不同结构的网络图，提高了研究便利性. 计算公式为：

(3)

2 实证研究

2.1 路网线段模型生成和变量计算

通过截取2014年Google地图，进行地理配准和校正后获取道路数据，再进行拓扑处理，建立路网空间数据库，区域面积约为34 km2. 将矢量化后路网转化成.dxf格式文件，导入UCL Depthmap软件进行分析. 建立线段模型，对于在垂直投影上相交但在实际情况中不相交(如立体高架桥)的线段，使用软件中unlink工具处理，共提取出116个unlink点. 对于北京路、上下九等车流无法通过的步行街，进行了删除线段操作. 以搜索半径为n进行空间句法参数的计算(图4)，由于考虑到城市的线段长度包含着隐含的城市信息，如较长的线段往往有更强的吸引力，本文在常规参数计算的基础上，尝试进行加权线段长度的操作(图5).

2.2 实证调研阶段

将外业实测的车流量数据导入SPSS软件，对空间句法计算结果与实测车流量数据进行线性回归分析. 如图6，相同搜索半径下，加权线段长度后的NAchoice(下文记作W_NAchoice)相比原始参数与区域内交通流量具有更高的拟合优度，故选择该参数作为下文分析的参数.

图4 广州市内环路区域未加权线段长度NAchoice图

Figure 4 NAchoice_n map of the length of the non-weighted line segment in the inner loop region of Guangzhou

图5 广州市内环路区域加权线段长度后W_NAchoice图

Figure 5 W_NAchoice_n map of the length of the weighted line segment in the inner loop region of Guangzhou

图6 实测车流量数据与参数结果散点图

2.3 人民南路交通堵塞原因分析

人民南路的交通堵塞问题长期存在，车流量是否是引起其交通问题频发的一个重要原因？分析计算出的W_NAchoice数据可知，人民北、中、南路段的W_NAchoice分别为1.402 704、1.424 821、1.364 409. 本文使用自然断裂分类法(Natural Breaks)把区域内共8 687条线段分为5个等级(低、较低、中等、较高和高)进行比较(表1). 容易得出，人民北、中、南路段的W_NAchoice等级都属于较高级别，因而该路段相对于区域内其他路段有较大的车流通过量. 此外通过实地调研发现，人民南路段与多条路段交汇，设立较多的红绿灯，且大多交汇都为汇流型单行线，交通疏散效率较低. 其与仁济路、十三行路的交接处成为物流运送中心，常出现物流货品占用交通道路的现象，加剧了人民南路的交通堵塞问题. 此外，位于人民南路段的公交线路和公交站点过多而导致大型机动车数量增多，加重人民南路交通负担.

2.4 高架桥拆除与否对桥下路段交通流量影响

相对于桥下路段，高架桥本身的W_NAchoice(1.294 843)数值较低，属于中等等级，疏导作用有限. 高架桥的出入口并不多，与周围路网连接度较低. 内环路建成后，一部分经由人民桥过江的车流通过内环路西段疏通，缓解了人民路高架桥的疏导压力. 为了从定量上分析拆除人民路高架桥对桥下路段的影响，本研究使用Depthmap软件删除代表人民路高架桥的线段后重新计算各路段的W_NAchoice值(图7). W_NAchoice参数是标准化后的结果，消除了线段数目和节点对参数的影响，因此可以直接对比路网结构不同的道路网络. 将计算好的数据导入ArcGIS10.2软件进行2张路网的叠加分析. 由表2可以预见，人民高架桥的拆除将主要增加人民中、南路段原有的交通车流量，增大其原有的交通压力； 而人民北路段连接中山路、东风路这2条广州市主要干道，路网通达性相对较高，车流疏通能力较强，故受到的影响相对小.

表1 基于自然断裂分类法的广州市内环路区域W_NAchoice分类表Table 1 W_NAchoice classification of Guangzhou inner loop road based on natural fracture classification method

总的来看，基于空间句法NAchoice算法得到的结果反映出拆除高架桥前后人民路段的W_NAchoice数值变动幅度非常小，数值的等级也未发生变化，而高架桥本身W_NAchoice等级较低，通过车流量相对较少，因此人民路高架桥的拆除对于桥下车流的增幅影响较小，人民路高架桥拆除后并不一定会出现桥上车流简单叠加到桥下的情形.

图7 拆除人民路高架桥后的W_NAchoice图

表2 人民路高架桥拆除对人民路段W_NAchoice数值的影响情况表Table 2 The impact of the demolition of the Renmin Viaduct on the W_NAchoice numerical values

2.5 人民路段及周边主干道交通疏导能力分析

根据实地调研及实际路况，本文选取了大德路、海珠南路、海珠中路、一德路、流花路、沿江西路、康王南路、中山六路、中山七路和东风西路等10条位于人民路段周边的主干道作为疏导路段，研究其疏导能力. 首先分析横向疏导路线，容易看出：中山六路、中山七路和东风西路主干道W_NAchoice数值为高等级；大德路、一德路等次一级干道的W_NAchoice数值为较高等级(表3). 由于疏导路段本身相对区域内其他路段承受着较大车流通过量，因此其能否有效疏导高架桥拆除后所增加的车流量受到质疑. 其次分析纵向疏导路线. 通过空间句法结合实地调研分析可知，康王南路W_NAchoice属于高等级，车流通过量相对较大； 而作为物流中心的海珠南路为单行线，路窄车多，长期出现非交通占道的问题. 故2条路线的疏导能力同样受到质疑.

表3 人民路段车流疏导路段W_NAchoice等级表Table 3 Ranks of W_NAchoice of roads in Renmin Road

通过分析可知，无论横向疏导路段还是纵向疏导路段，其疏导高架桥拆除后产生的车流增加量的能力都有所欠缺. 因此在拆除人民路高架桥前，需要对实际路网情况进行进一步调研. 在有效的交通疏导路线建成前，应谨慎考虑拆除高架桥的问题.

3 结论与讨论

本文运用空间句法理论，结合GIS技术对广州市人民路高架桥的拆除问题进行了分析，进一步讨论空间句法在城市道路预测中的应用问题，结果表明：

(1)车流量偏大是人民南路段交通堵塞问题频发的原因之一. 此外，交通占道、交通管制不合理和公交线路规划不合理等问题加剧了路段交通堵塞.

(2)随着城市的发展，人民路高架桥改善交通状况的功能有所下降. 高架桥的拆除将小幅增加桥底路段(主要体现在人民中、南路段)车流，但并不一定会造成车流量的叠加式剧增.

(3)根据句法量化分析的结果，人民路段及其周围主干道分流能力受到质疑. 建议等到有较强疏导能力路段建成后，再拆除人民路高架桥.

(4)基于空间句法NAchoice算法得出的结果与广州市内环路区域内车流量情况有着较高拟合程度，事实证明，在广州路网结构下使用该模型分析预测车流量具有可行性.

相较于以往文献，本研究在引用国外理论时增加了实证过程，理论结合实际，提升了严谨性和科学性；在研究尺度上，选取了一个时政热点问题进行小尺度研究，这是对以往仅限于宏观尺度的研究的一个大胆突破；在模型使用上，使用基于实际路网计算的线段模型，这是对传统受人为影响较大的轴线模型的一个补充，进一步增强了计算结果的客观性.

从本文的实证研究过程中可以发现：

第一，空间句法较好地弥补了以往预测模型难以解决的网络内部关系相互影响的问题. 在实际情况中网络内部节点之间交通流的影响规律非常复杂，这种影响难以用完整的、准确的数学公式定量表达，如某一节点车流量的骤增可能是多个节点共同作用的结果，一个节点的拥堵可能对多个节点的交通流产生重要影响，而网络内部的影响不仅存在于相邻节点之间，在次临甚至更远的节点之间也可能存在不同程度的影响，这使得整个网络内部之间的关系错综复杂[2]. 空间句法从空间组构的角度入手，通过图论原理进行空间分割，量化空间，其模型和参数充分反映了网络中不同节点之间的相互影响和作用.

第二，空间句法能够从空间使用者的角度探索空间的内在规律，通过“人”的角度进行分析. 空间组构的基本关联物是人的流动，人的流动在很大程度上支配着城市空间的布局；从空间形态的效果来看，人的流动在很大程度上取决于城市空间的组织构成. 无论对于步行人流还是机动车流，城市网络作为纯粹的空间组构都是决定它们的最主要因素. 空间句法对以往的预测模型提供了很好的补充[11].

日益增速的城市化进程加大了交通分析和预测的难度，更优化的模型和方法亟待提出. 本文的实证研究是将西方理论与中国实际情况结合的一次探索，不仅是城市交通流量分析领域的一个新视角，更为中西方空间句法理论的发展提供实证和借鉴，也为中西方的比较研究提供有力支持. 如何更好地将GIS技术与空间句法理论结合，如何把握大数据时代的特征，从而为空间句法模型提供大数据实证，以及如何把握各种交通预测模型的优劣，综合考虑多种影响因子，为相关部门的规划工作提出更切实可行的建议，将成为日后该领域拓展的关键论题.

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【中文责编：庄晓琼 英文审校：肖菁】

Study on the Prediction of Urban Road Traffic from the Perspective of Syntax:A Case Study on Renmin Viaduct Demolition in Guangzhou

TAO Wei1*, GU Hengyu1, ZHANG Liang1, SHEN Meicheng1, HUANG Mengzhen1

(1. School of Geographical Sciences, South China Normal University, Guangzhou 510631, China;2. School of Government, Peking University, Beijing 100871, China)

Taking the Renmin Viaduct in Guangzhou——the first urban viaduct in China——as research object, this study has combined the theoretical research with empirical study. This research is to provide empirical evidence for the application of space syntax in Chinese urban traffic forecasting, to explore a better forecasting model to fit the actual traffic flow and to provide reference for the optimization of road network. Based on the normalized angular choice (NAchoice)——an advanced algorithm of Space Syntax theory——the paper has discussed the case from three aspects : current traffic situation of Renmin South road, the effects viaduct demolition taken on Renmin road traffic flow and assessment of traffic evacuation ability within arterials in the scope. Conclusions can be obtained as follows: (1) Large traffic volume contributes to the frequent traffic jam in Renmin Road; (2) Removing elevated line will not necessarily make all the traffic flows on the viaduct stack up to Renmin Road, though slight increase of transportation in Renmin Road is possible; (3) Other main roads take limited effect on regulating and alleviating traffic pressure on Renmin Road. Therefore, Renmin Viaduct shouldn’t be removed until roads are built to share the heavy traffic burden on Renmin Road; (4) NAchoice model has preferably fitted the collected traffic flow data, making it reasonable to apply space syntax on urban traffic simulation. This research also aims at exploring a contextual model which is able to evaluate and even instruct further traffic network design as well as the urban context preservation and extension.

space syntax; Nachoice; Guangzhou; Renmin viaduct; urban traffic

2015-09-29 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目(41271178)

TU984.191

A

1000-5463(2017)01-0080-07

*通讯作者:陶伟，教授，Email:muyang426@hotmail.com.