交通與城市形態協調發展研究

冷偉杰，杜牧青*，王 梅，徐蘭花

(1、河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210009；2、南京市城市與交通規劃設計研究院有限責任公司，江蘇 南京210008；3、南京林業大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037)

交通與城市形態協調發展研究

冷偉杰1，杜牧青1*，王 梅2，徐蘭花3

(1、河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210009；2、南京市城市與交通規劃設計研究院有限責任公司，江蘇 南京210008；3、南京林業大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037)

為了研究城市形態與城市交通之間的協調關系，以南京市為例，根據《南京統計年鑒》中已有的數據，構建城市形態與城市交通系統發展水平的評價體系和協調度模型。運用均值化方法對樣本數據進行無量綱化處理和主成分分析法提取交通和城市形態系統的主成分因子，根據樣本數據對協調度模型進行參數標定。運用模型計算南京市2006～2014年不同年份的協調程度，最后進行對比分析發現，南京市近10年交通和城市形態都在不斷進步，整體協調度較高，但是2010～2013年由于青奧會的原因，交通發展較快，協調度下降，2014年交通增速放緩，協調度回升。

交通發展水平；城市形態；評價體系；協調度

城市歷史學家芒福德曾經認為，城市的形成離不開它的動態部分，脫離開這個動態部分，城市就不可能繼續增加它的規模、范圍和生產力[1]。而這個動態部分，就是指城市交通。每一次交通技術的進步都會促使城市形態發生變化，以適應交通發展；另一方面，城市形態作為交通需求產生的基礎，也會相應地對城市交通系統產生一定的影響[2]。進入21世紀以來，我國城市城鎮化進程加快，城市規模不斷擴張。城市的交通出行需求急劇增加，由此帶來的問題極大地阻礙了大城市的發展。城市發展的目標也由單一經濟指標變為城市經濟、環境、人文、資源等綜合目標的最優化?？沙掷m發展的概念為城市的發展指明了方向——堅持速度和結構質量效益相統一、經濟發展與人口資源環境相協調。交通與城市形態的協調發展成為交通領域的研究方向[3]。

交通與城市形態一直是經濟發展關注的焦點，兩者之間存在著交互耦合的互動關系。城市是現代社會人類居住、交往、工作和生活的最主要的場所[4]。城市化是社會文明和現代化的重要標志，而城市形態是城市化的體現。交通是城市系統的一個子系統，交通運輸條件的改善有時會成為城市“循環與累積效應”的重要誘導劑和強大觸發力[5]。隨著社會的不斷進步，單一的片面的交通與城市形態發展已不適合城市的整體發展要求。因此，必須樹立一種相互促進、共同提高的多元協調發展理念，堅持可持續發展理念，從而避免城市化的弊端。

盧果[3]研究了同一城市不同階段公共交通與城市形態的協調度，孫愛軍[4]等人研究了不同城市同一階段交通與城市形態協調度，數據無量綱化的方法都是采用標準化法。本文在前人研究的基礎上，將交通和城市形態分別看做兩個子系統，兩者耦合成一個大系統，但由于標準化法消除了各指標變異程度上的差異，可能不能準確反映原始數據所包含的信息，本文采用均值化的方法對南京市2006～2014年交通和城市形態的樣本數據進行無量綱化，然后對兩個子系統進行主成分分析，進而求出兩者的協調度，得出更加符合實際的結果。

1 協調度評價指標體系

指標體系的建立是根據頻度分析和專家咨詢兩種方法建立的。頻度分析法[6]是對有關交通和城市形態評價研究論文中的指標進行頻度統計，從中選擇使用頻度較高的指標。專家咨詢法[7]是在初步提出評價指標的基礎上，進一步征詢專家意見，對指標進行調整，最終確定指標評價體系。

在頻度分析和專家咨詢法的基礎上，根據公開的資料，選取交通設施和運輸能力兩個方面共計7個指標反映交通發展水平(見表1)。

表1 交通發展水平評價指標體系

根據經濟發展、生活質量、交通等三個方面共7個指標反映城市形態如表2所示。

表2 城市形態評價指標體系

2 協調度評價模型

協調發展是指在外界提供的物質、能量、信息等的支持下，系統各要素和屬性之間相互適應、相互促進、相互配合而形成的一種良好的動態發展態勢的反映[8]。交通與城市形態協調發展即為兩子系統相互適應、相互促進、相互配合的過程。本文運用主成分分析法提取系統的主成分因子，建立協調度評價模型，對交通和城市形態的協調度進行計算與分析。

2.1 指標無量綱化

多指標綜合評價中無量綱化的方法較多，主要有三種不同的方法：極差正規化法、標準化法和均值化法。極差正規化法與原始指標的最大值和最小值有關，最大值與最小值的差值對指標的權重影響很大，差值很小時，無量綱化后數據就會過大，相反，亦然。因此，用極差正規化法進行無量綱化并不可取。

標準化法是應用較多的無量綱化方法，但由于標準化法消除了各指標變異程度上的差異，因此經標準化后的數據不能準確反映原始數據所包含的信息，導致綜合評價的結果不夠準確。

均值化法是一種比較好的保留了各指標變異程度的信息的無量綱化方法，均值化法的公式為：

(1)

均值化后各指標的均值都為1，其方差為：

(2)

葉宗裕通過對一些案例的分析總結，得出以下結論：當綜合評價的指標都是客觀數值時，一般來說應該用均值化法對指標進行無量綱化；當綜合評價的指標值是主觀分數時，則用標準化法更好[9]。

本文采用的樣本數據都是客觀數據，因此采用均值化法對指標進行無量綱化法合理。

2.2 主成分分析

2.2.1 主成分分析的基本原理

主成分分析法也稱主量分析，是由霍特林于1933年首先提出的[3]。主成分分析旨在利用降維的思想，通過線性替換，把多個存在相關關系的指標轉化為少數幾個相互獨立的綜合指標。通過把轉化生成的綜合指標稱為主成分，然后以各主成分的因子貢獻率的比重作為權重，與各主成分得分進行加權計算得到各系統的新指標的綜合得分。

主成分分析是在保留原始指標主要信息的前提下起到降維與簡化的作用，使得在研究復雜系統時抓住主要矛盾，把研究工作引向更深入，這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驟

(1)首先對原始數據Xij(i=1，2，…，n年；j=1，2，…，p，指標個數)進行標準化處理，即令

(3)

(4)

(2)構造相關系數矩陣R：

R=γijp*p

(5)

(3)計算相關系數的特征值和特征向量。首先假定相關系數矩陣的特征值存在λj≥λj+1，j=1，2，…，p，特征向量為：aj=(a1j，a2j，…，apj)T，選擇特征值大于1的前k個成分作為系統的主成分，可以得到標準化數據的主成分得分Fj：

Fj=a1jX1+a2jX2+…+apjXp，j=1，2，…，p

(6)

(7)

其中：Fi為第i年各指標綜合發展指數(i=1，2，…，n)；am為第m個主成分的貢獻率(m=1，2，…，k)；Fm為第m個主成分在第i年的得分。

2.3 協調度模型

協調是系統組成要素之間在發展過程中彼此之間的和諧一致，協調度則是對其協調程度好壞程度進行定量衡量的指標[3]。借助物理學中的容量耦合的系數模型[7]，構建交通與城市形態之間的耦合協調模型，具體如下：F、G兩個系數函數如下所示，F(x)為系統F的評價函數，其中包括x1，…，xi等n個描述F系統特征的指標；G(y)為系統G的評價函數，其包含了y1，…，ym等m個描述系統G特征的指標。

(8)

(9)

F(x)和G(y)中的系數ai和bj通過樣本數據利用主成分分析法分別標定，評價函數即為通過主成分分析法求得的系統綜合指數函數Fi，如公式7，則兩系統的耦合度計算公式為：

(10)

耦合度的取值范圍是[0，1]，其中，當U=0時耦合度最差，U=1時耦合度最好。

協調度模型可以更好地評判系統間的交互耦合的協調程度，其算式為：

(11)

其中T為交通與城市形態的綜合協調指數，它反映交通與城市形態的整體協同的效應或貢獻，T=αF(x)+βG(y)，α和β為待定系數。在實際應用中，最好使T在(0，1)之間，以保證φ屬于(0，1)。

通過以上步驟可以求得交通與城市形態的協調發展程度，對照表3系統協調度的等級劃分，對系統的協調度進行綜合評價。

表3 系統協調度等級劃分

3 南京市交通與城市形態協調度評價實例

南京作為省會，長三角地區的核心城市，其交通發展與城市建設一直處于全國領先水平。2005年地鐵1號線通車后，南京進入了加速發展階段。因此，本文選取2006～2014年《南京統計年鑒》相關數據作為樣本，采用主成分分析法對交通和城市形態發展進行分析，利用構建的協調度模型對兩者的協調度進行計算和分析，均值化后的樣本數據如表4、表5：

表4 均值化后的交通樣本數據

表5 均值化后的城市形態樣本數據

(1)利用SPSS軟件對交通均值化的樣本數據進行主成分分析，得到結果如表6：

表6 交通樣本數據相關陣特征值表

由表6可以看出，特征值大于1的主成分有兩個，第一主成分的方差貢獻率為65.556%，第二主成分的方差貢獻率為14.714%，累計方差貢獻率達到80.270%。因此，選取兩個主成分為宜。

(2)再根據SPSS輸出的成分得分系數矩陣，求得主成分的總得分，具體結果如下：

同理，城市形態主成分及綜合得分情況如表7、8、9：

表7 交通樣本數據相關陣成份得分系數矩陣

表8 交通樣本數據主成分及綜合得分

表9 城市形態主成分及綜合得分

(3)運用耦合協調度模型，需標定T=αF(x)+βG(y)中的α和β的值。前面已經介紹，在實際應用中，最好使T在(0，1)之間，以保證φ屬于(0，1)。為滿足這個條件，我們采用有約束的線性規劃求極值，具體的約束條件如下：

(4)將α=4.9659，β=-3.1422以及交通與城市形態的綜合得分代入式11中，求得協調度如表10。

4 結果分析

將求得的結果對照表3的等級劃分，得到評價結果如表11。

表10 協調度計算結果

表11 南京市2006～2014年交通與城市形態協調度評價結果

通過不同年份的交通和城市形態綜合得分以及兩者之間的協調度計算，分析結果如下：

(1)通過對城市形態進行主成分分析，可以看出影響南京市城市形態綜合得分占最大權重的是人均擁有道路面積和第三產業GDP比重。人均擁有道路面積是城市形態與交通聯系最直接的指標，第三產業GDP比重則直接反應城市形態建設的經濟實力。從圖1中可以看出，南京市近10年人均擁有道路面積穩中有升，第三產業GDP比重近幾年有所上升，而城市形態綜合得分也同步地穩定上升。三者的發展趨勢相同，可以推斷，在推進城市形態發展的過程中，可以考慮加大第三產業GDP比重和人均擁有道路面積這兩個指標的投入。

圖1 城市形態相關數據對比

由圖2可知，近10年南京市城市形態和交通的綜合得分都在增加，其中，交通的綜合得分增速較快，特別是2010年以后，由于城市形態的發展沒有跟上，導致2010年以后協調度有些回落，剖析原因，2010年南京市獲得了2014年青奧會的主辦權，自此以后，交通得到了加速增長，城市形態的發展速度不及交通的增速。2014年交通增速回落，協調度回升。2010年以前協調度比較平穩，08年達到峰值，這一年，交通和城市形態的綜合得分最相近，協調度最佳。只有保證交通與城市形態的同步發展，以交通建設帶動城市形態的建設，才能保

圖2 交通與城市形態綜合得分、協調度對比

證城市的協調發展。而影響交通綜合得分占權重較大的是公路貨運周轉量、公路總里程和鐵路旅客周轉量，因此，未來的城市間以及城市中人的空間位置的轉移應更多的依賴鐵路軌道交通，這也與現在的高鐵時代不謀而合，證明這條道路是正確的。貨物為實現點到點的運輸，更多地依賴公路，增加公路里程，實現點到點的運輸。

5 結論

本文根據建立的評價指標體系，建立模型，計算系統間的協調度，得到一套評價交通系統與城市形態發展狀況的方法。

通過對2006～2014年南京市的交通系統與城市形態發展相關情況分析，得到反映出的南京市交通與城市形態相互關系現狀，為決策者提供科學依據。整體來看，南京市近10年交通與城市形態都在不斷發展，而且相對比較協調。作為城市化水平較高的大城市，未來，南京應在可持續發展的前提下，充分利用軌道交通發展的契機，堅持TOD模式，將城市形態的發展提速，保證交通與城市形態的充分協調。

本文首次采用均值化法對數據進行無量綱化，其計算的準確性還亟待其他無量綱化方法對比檢驗。當然，在建立評價指標體系時，由于能力和精力有限，本文搜集的數據不夠全面，僅僅選取了比較有代表性的指標，下一步應對其它重要指標進行深入研究。

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

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[3]盧果.城市公共交通系統與城市形態協調發展研究[D].成都：西南交通大學，2012.

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[6]劉渝琳.我國可持續發展指標體系的設計和評價方法探索[J].生態經濟(學術版)，1999(6)：17-20.

[7]張復明.區域性交通樞紐及其腹地的城市化模式[J].地理研究，2001，20(1)：48-54.

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[10]何曉群.多元統計分析[M].北京：中國人民大學出版社，2004：153.

(責任編輯：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

江蘇省自然科學基金(青年基金項目)(BK2015081)

冷偉杰(1990-)，男，在讀碩士，研究方向：交通運輸規劃與管理，Email：849157223@qq.com.

*通訊作者： 杜牧青，Email：dulyg1986@163.com.

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