基于交通指数的快速路网限行政策效果评价1

上海市城乡建设和交通发展研究院

0 研究背景

随着人们对机动车的需求越来越大，拥堵问题在城市中的表现也愈发明显。上海市于2011年首次通告外省市小客车限行交通管理措施，该限行政策对缓解城市拥堵发挥了积极的作用。但是近些年来上海市机动车保有量不断增加，道路的拥堵问题愈发严重。

根据公安部统计，2020年全国机动车保有量达3.72亿辆，其中汽车2.81亿辆；机动车驾驶人达4.56亿人，其中汽车驾驶人4.18亿人。2020年全国新注册登记机动车3 328万辆，新领证驾驶人2 231万人。从百度地图最新发布的《2020年度中国城市交通报告》中可以看到，上海市2020年排名环比2019年排名上升两位。

因此，为了改善交通拥堵，上海市于2020年11月2日开始实行新的限行政策，规定每日7时至20时(周六、周日和全体公民放假日除外)，禁止悬挂外省市机动车号牌的小客车、使用临时行驶车号牌的小客车、未载客的出租小客车及实习期驾驶员驾驶的小客车在限行区域通行。本文就此次限行新规的实施，对上海市外环内快速路网的整体状况进行分析和评价，挖掘拥堵现象背后的数据特征，为缓解上海城市交通的拥堵问题奠定基础。

在以往的研究中，有很多学者利用不同的方法评估了城市的道路交通状态。郭伟等[1]利用K均值聚类和EM算法相结合的方法，提取了表征路口交通流运行状况的特征向量，并利用北京市两个交通区域的实际交通流数据进行验证；王运静等[2]选取了线路长度、线路网密度、重复系数等指标，应用地理信息系统（GIS）技术，对北京市地面线路网进行了现状评价；孙超等[3]在路段和交叉口交通运行状态分析的基础上，定义了一种交通状态系数，对路网整体交通状态及路口可达性、路段连通性进行分析与评价；姚云红等[4]选取了平均行程车速和密度比作为交通运行状态的评价指标，并建立了以该指标为基础的综合评价模型，通过实际数据进行验证，证明了该模型有较好的适应性；杨杰等[5]提出了一种以加权拥堵里程比例为核心指标的高速公路交通指数的计算方法，为居民出行提供参考，对缓解道路压力起到积极的作用。但是在这些研究中，并没有将动态交通流与静态路网基础信息进行综合考虑。

由于不同路段的基本情况是不同的，所以单纯地用车流量、车速等传统指标来进行交通状况的评价是片面的，无法对整个路网有一个比较全面评价；同样，若仅用红黄绿三种颜色来表示严重拥堵、拥堵和畅通这三种交通状态，则很难反映出交通状态的变化趋势。本文的交通指数综合考虑车速、里程长度和车道数等因素，用无量纲数值来表达道路拥堵程度，确定城市综合交通状况的优良度，建立了新的评价指标体系，对上海市新的限行政策效果进行多维度分析，其量化指标可以为城市居民或旅行者提供出行指导参考。

1 研究内容与技术路线

交通指数是基于动态交通流数据与静态路网基础数据，在统计间隔内，量化表达城市道路交通运行状态的相对数值。本文主要基于交通指数，从指数强度、拥堵指数强度、拥堵时长、拥堵累计里程占比、拥堵概率和畅行脆弱性等六个方面，对中宏观区域路网的交通状态进行分析。

1.1 交通指数

交通指数用无量纲数值表达道路交通的拥挤程度。指数取值范围[0,100]，数值越大，表明道路越拥堵；数值越小，表明道路越畅通。为了更好的向居民表达道路交通状态，将指数取值范围划分为4个区间，分别表示“畅通、比较畅通、拥挤、严重拥堵”四种交通运行状态（见表1）。

表1 交通指数分级

交通指数算法模型：

其中：

若TSI计算结果小于0，则TSI取0。

1.2 评价指标

本文中的评价指标均基于交通指数（TSI）进行统计与计算，从空间、时间方面，力求对交通状态进行全面的分析与评价(图1)。

图1 交通拥堵评价指标体系

指数强度

指数强度指在特定时间内，快速路交通指数的平均值。

计算公式：

n——TSI个数

指标范围[0,100]。指数强度越大说明越拥堵，越小说明越畅通。

拥堵指数强度

拥堵指数强度指在特定时间内，快速路处于拥堵或严重状态（即TSI≥50）的交通指数平均值。

计算公式：

n——TSI个数

指标范围[50,100]。拥堵指数强度越大说明发生拥堵时，拥堵程度越严重。

拥堵时长

拥堵时长指在特定时间内，评价对象处于拥堵或严重状态（即TSI≥50）的累积时间。

计算公式：

指标范围[0,T2-T1] (单位：分钟)。拥堵时长等于0说明该时间段无拥堵。

拥堵累计里程占比

拥堵累计里程占比指在特定时间段内，快速路处于拥堵或严重拥堵状态（即TSI≥50）的道路里程数，与道路里程总数的比值。

计算公式：

S——道路里程总数

指标范围[0,1]。拥堵累计里程占比等于0说明该时间段无拥堵路段，等于1说明所有路段均处于拥堵状态。

拥堵概率

拥堵概率指在特定时间内，快速路处于拥堵或严重拥堵状态（即TSI≥50）的时间长度（区域个数），与总时间长度（区域总数）的比值。

计算公式：

n——区域总数

指标范围[0,1]。拥堵概率等于0说明该时间段无拥堵发生，等于1说明所有区域在时间段内均处于拥堵状态。

畅行脆弱性

畅行脆弱性指在特定时间内，快速路交通指数的方差。

计算公式：

n——TSI个数

指标范围[1/2,1]。畅行脆弱性越接近1/2说明该时间段内交通状态越稳定，指标值越接近1说明该时间段内交通状态越震荡。

1.3 归一化公式

由于各个指标的取值范围不同，为了便于进行对比分析，将指标值进行无度量化。设有数列，归一化公式如下：

2 上海市快速路交通评价指标分析

我们选取2020年9月至12月的工作日交通指数数据，对上海市外环以内快速路的交通运行情况进行分析比较。原限行时间分别为工作日7:00-10:00,15:00-20:00两个时段，新限行时间为7:00-20:00，因此我们定义工作日早高峰限行时段为7:00-10:00，晚高峰限行时段为15:00-20:00，新增限行时段为10:00-15:00.

2.1 上海市外环内快速路拥堵情况

2.1.1 上海市外环内快速路总体情况

从2020年9月至12月的工作日指数强度变化情况分析（图2），在限行新规实施初始，交通指数有了明显的下降。根据快速路交通特性和区域认知度，外环内快速路共划分46个区域，从各个快速路每日首次拥堵时间的分布来看（图3），新规实施后首次拥堵发生在7:30-8:00的比重增加，即发生拥堵的时间前移，说明由于新规定的实施，人们的出行习惯已经发生了一定的改变。

图2 交通拥堵评价指标体系

图3 快速路每日首次拥堵发生时间分布

2.1.2 上海市外快内快速路指标分析

从上海市整体分析(图4)，在限行新政实施后的两个月内，工作日外环内快速路指数强度和拥堵时长出现了下降的趋势，说明限行新政在一定程度上缓解了交通拥堵；而拥堵指数强度、畅行脆弱性、拥堵累计里程占比和拥堵概率有所上升，特别是拥堵指数强度和畅行脆弱性上升明显，说明在发生拥堵时，拥堵程度加重，并且交通状态变化较大。从限行新规实施后的指标变化率可以看出（即11月、12月的评价指标变化率），多数指标波动比较大，可见对于限行新规，上海居民还未形成规律的出行习惯。

图4 上海市快速路交通指标

为进一步细化限行前后上海市交通变化趋势，把握交通流在不同时段的具体表现，评估限行新规的运行效果，我们从早高峰限行时段、晚高峰限行时段和新增限行时段三个方面来进行讨论，比较限行旧规（2020年9月、10月）和限行新规（2020年11月、12月）各项指标的变化。从图5至图7可以看出，在早高峰限行时段，除畅行脆弱性外，其余在新政实施后都有小幅度的下降，但是表现并不明显，平均下降1.56%；在晚高峰限行时段，各指标新政实施后都有上升，平均上升12.98%；在新增限行时段，除畅行脆弱性外，其余指标在新政实施后都有明显的下降，平均下降40.69%。在各个时段，畅行脆弱性都有不同程度的上升，其中，限行新规实施后畅行脆弱性在晚高峰到达最高值，为28.44。

图5 早高峰限行时段对比

图6 晚高峰限行时段对比

图7 新增限行时段对比

早高峰和晚高峰是交通需求最为旺盛的两个时段，也是最受关注的两个时间点。从各项评价指标来看，限行新政的实施在一定程度上缓解了早高峰的拥挤状况，其中拥堵概率和拥堵累计里程占比下降最多，说明在空间上拥堵范围变小。而与之相反的是，新政的实施使得晚高峰的交通状况变差，在空间上拥堵范围变大，在时间上拥堵时长增加，在状态上拥挤程度加剧，在稳定性上交通状态变化较大。在新增限行时段内，只有畅行脆弱性相较之前有所增加，其余指标都有较大幅度的下降，可见新规在很大程度上使该时段的交通状况好转。

从图4至图7中可以看出，在限行新规实施后，畅行脆弱性在各个时间段都上升明显，说明交通指数浮动较大，即交通流状态不稳定。图8反映了工作日交通指数的极差变化。交通指数极差即交通指数最大值减去最小值的差值。限行新规实施后交通指数极差明显要大于实施前，从另一个方面反映了交通流状态的不稳定，也侧面说明限行新规下上海居民还未形成固定的出行习惯。

图8 工作日交通指数极差

通过对限行新规实施前后上海市外环内快速路网各项指标的分析，我们可以得出以下结论：

（1）上海市整体的交通拥堵情况有所缓解，指数强度下降，拥堵时长减少，但是发生拥堵时，拥堵程度加剧；

（2）早高峰时段拥堵情况有所缓解，从时间上看，拥堵时长减少，从空间上看，拥堵里程和拥堵概率降低，从状态上看，拥堵程度下降；新增限行时段除畅行脆弱性外，各项指标都下降明显，交通状况好转；而晚高峰时段，各项指标都有上升，说明该时段交通拥堵情况加剧；

（3）限行新规实施后，各个时段的畅行脆弱性都有不同程度的上升，即交通流状态变化较大，稳定性下降。

2.2 常发性拥堵地区拥堵情况

若一个月内日拥堵时长超过2小时的天数不低于10天，则认为该地区为常发性拥堵地区。上海市外环内共有14个常发性拥堵快速路（图9），主要分布在上海市西侧。

图9 上海市常发性拥堵快速路

从工作日拥堵时长超过2小时天数与总工作日天数的比值来看（图10），在新规实施前后，南北东侧(鲁班-共和)、南北西侧(共和-鲁班)、内环外侧(延西-鲁班)、延安南侧(沪青-延东) 4个区域每个工作日的拥堵时长都超过2小时，可见这四个区域在居民出行选择方面占有很大的比重。

图10 拥堵时长超2h工作日天数/工作日总数

在2020年11月2日实行限行新规后，常发性拥堵快速路的各项指标都有不同程度的改善（见表2），我们可以得到以下结论：

表2 常发性拥堵快速路限行新规实行前后评价指标环比

（1）超过一半的常发性拥堵快速路的拥堵时长和拥堵概率有所下降，限行新规对拥堵起到了一定的缓解作用；特别是南北东侧(鲁班-共和)、南北西侧(共和-鲁班)、内环外侧(延西-鲁班)、延安南侧(沪青-延东)这四个严重拥堵的区域，其拥堵时长下降明显，平均下降34.98%；

（2）指数强度下降的同时，拥堵指数强度却有所上升，说明在发生拥堵时，拥堵程度相较于新规实行前加剧，其中南北东侧(鲁班-共和)上升最为明显；

（3）超过一半的常发性快速路的畅行脆弱性都发生了上升，交通状态变化较大。

3 总 结

本文通过指数强度、拥堵指数强度、拥堵时长、拥堵累计里程占比、拥堵概率和畅行脆弱性六个评价指标，对上海市2020年11月2日开始实行的限行新规进行分析与评价。从整体来看，限行新规在一定程度上缓解了交通拥堵情况，减少了拥堵时长，但是在发生拥堵时，拥堵程度加剧，并且交通流状态变化较大，稳定性较差。分时段来看，新增限行时段交通状况改善最为明显，早高峰也有一定的缓解，但是晚高峰的拥堵情况相较于新规实施前加剧。在具体分析常发性拥堵快速路时，可以发现这些区域的拥堵时长和拥堵概率有了明显的下降，即从空间和时间来看，常发性拥堵快速路的拥堵有所缓解。

交通拥堵评估是一项长期的工作，限行新规的效果同样需要持续的观察和分析。通过交通指数可以量化地表达城市道路交通运行状态，也为下一步的数据挖掘工作做铺垫。利用大数据分析结果进行科学决策，也是一个值得长期思考和探索的课题。