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(guī)劃設計研究院有限責任公司，江蘇 南京210008；3、南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037)

交通與城市形態(tài)協(xié)調發(fā)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(guī)劃設計研究院有限責任公司，江蘇 南京210008；3、南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037)

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

交通發(fā)展水平；城市形態(tài)；評價體系；協(xié)調度

城市歷史學家芒福德曾經(jīng)認為，城市的形成離不開它的動態(tài)部分，脫離開這個動態(tài)部分，城市就不可能繼續(xù)增加它的規(guī)模、范圍和生產(chǎn)力[1]。而這個動態(tài)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(tài)發(fā)生變化，以適應交通發(fā)展；另一方面，城市形態(tài)作為交通需求產(chǎn)生的基礎，也會相應地對城市交通系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響[2]。進入21世紀以來，我國城市城鎮(zhèn)化進程加快，城市規(guī)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(fā)展。城市發(fā)展的目標也由單一經(jīng)濟指標變?yōu)槌鞘薪?jīng)濟、環(huán)境、人文、資源等綜合目標的最優(yōu)化。可持續(xù)發(fā)展的概念為城市的發(fā)展指明了方向——堅持速度和結構質量效益相統(tǒng)一、經(jīng)濟發(fā)展與人口資源環(huán)境相協(xié)調。交通與城市形態(tài)的協(xié)調發(fā)展成為交通領域的研究方向[3]。

交通與城市形態(tài)一直是經(jīng)濟發(fā)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(xiàn)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(xiàn)代化的重要標志，而城市形態(tài)是城市化的體現(xiàn)。交通是城市系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，交通運輸條件的改善有時會成為城市“循環(huán)與累積效應”的重要誘導劑和強大觸發(fā)力[5]。隨著社會的不斷進步，單一的片面的交通與城市形態(tài)發(fā)展已不適合城市的整體發(fā)展要求。因此，必須樹立一種相互促進、共同提高的多元協(xié)調發(fā)展理念，堅持可持續(xù)發(fā)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(tài)的協(xié)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(tài)協(xié)調度，數(shù)據(jù)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(tài)分別看做兩個子系統(tǒng)，兩者耦合成一個大系統(tǒng)，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(shù)據(jù)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(tài)的樣本數(shù)據(jù)進行無量綱化，然后對兩個子系統(tǒng)進行主成分分析，進而求出兩者的協(xié)調度，得出更加符合實際的結果。

1 協(xié)調度評價指標體系

指標體系的建立是根據(jù)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(tài)評價研究論文中的指標進行頻度統(tǒng)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(jù)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(fā)展水平(見表1)。

表1 交通發(fā)展水平評價指標體系

根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展、生活質量、交通等三個方面共7個指標反映城市形態(tài)如表2所示。

表2 城市形態(tài)評價指標體系

2 協(xié)調度評價模型

協(xié)調發(fā)展是指在外界提供的物質、能量、信息等的支持下，系統(tǒng)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(tài)發(fā)展態(tài)勢的反映[8]。交通與城市形態(tài)協(xié)調發(fā)展即為兩子系統(tǒng)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(tǒng)的主成分因子，建立協(xié)調度評價模型，對交通和城市形態(tài)的協(xié)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(guī)化法、標準化法和均值化法。極差正規(guī)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(shù)據(jù)就會過大，相反，亦然。因此，用極差正規(guī)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(jīng)標準化后的數(shù)據(jù)不能準確反映原始數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)時，則用標準化法更好[9]。

本文采用的樣本數(shù)據(jù)都是客觀數(shù)據(jù)，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(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)Xij(i=1，2，…，n年；j=1，2，…，p，指標個數(shù))進行標準化處理，即令

(3)

(4)

(2)構造相關系數(shù)矩陣R：

R=γijp*p

(5)

(3)計算相關系數(shù)的特征值和特征向量。首先假定相關系數(shù)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(tǒng)的主成分，可以得到標準化數(shù)據(jù)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(fā)展指數(shù)(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(xié)調度模型

協(xié)調是系統(tǒng)組成要素之間在發(fā)展過程中彼此之間的和諧一致，協(xié)調度則是對其協(xié)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(shù)模型[7]，構建交通與城市形態(tài)之間的耦合協(xié)調模型，具體如下：F、G兩個系數(shù)函數(shù)如下所示，F(xiàn)(x)為系統(tǒng)F的評價函數(shù)，其中包括x1，…，xi等n個描述F系統(tǒng)特征的指標；G(y)為系統(tǒng)G的評價函數(shù)，其包含了y1，…，ym等m個描述系統(tǒng)G特征的指標。

(8)

(9)

F(x)和G(y)中的系數(shù)ai和bj通過樣本數(shù)據(jù)利用主成分分析法分別標定，評價函數(shù)即為通過主成分分析法求得的系統(tǒng)綜合指數(shù)函數(shù)Fi，如公式7，則兩系統(tǒng)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(xié)調度模型可以更好地評判系統(tǒng)間的交互耦合的協(xié)調程度，其算式為：

(11)

其中T為交通與城市形態(tài)的綜合協(xié)調指數(shù)，它反映交通與城市形態(tài)的整體協(xié)同的效應或貢獻，T=αF(x)+βG(y)，α和β為待定系數(shù)。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(tài)的協(xié)調發(fā)展程度，對照表3系統(tǒng)協(xié)調度的等級劃分，對系統(tǒng)的協(xié)調度進行綜合評價。

表3 系統(tǒng)協(xié)調度等級劃分

3 南京市交通與城市形態(tài)協(xié)調度評價實例

南京作為省會，長三角地區(qū)的核心城市，其交通發(fā)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(fā)展階段。因此，本文選取2006～2014年《南京統(tǒng)計年鑒》相關數(shù)據(jù)作為樣本，采用主成分分析法對交通和城市形態(tài)發(fā)展進行分析，利用構建的協(xié)調度模型對兩者的協(xié)調度進行計算和分析，均值化后的樣本數(shù)據(jù)如表4、表5：

表4 均值化后的交通樣本數(shù)據(jù)

表5 均值化后的城市形態(tài)樣本數(shù)據(jù)

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

表6 交通樣本數(shù)據(jù)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(jù)SPSS輸出的成分得分系數(shù)矩陣，求得主成分的總得分，具體結果如下：

同理，城市形態(tài)主成分及綜合得分情況如表7、8、9：

表7 交通樣本數(shù)據(jù)相關陣成份得分系數(shù)矩陣

表8 交通樣本數(shù)據(jù)主成分及綜合得分

表9 城市形態(tài)主成分及綜合得分

(3)運用耦合協(xié)調度模型，需標定T=αF(x)+βG(y)中的α和β的值。前面已經(jīng)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(guī)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(tài)的綜合得分代入式11中，求得協(xié)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(xié)調度計算結果

表11 南京市2006～2014年交通與城市形態(tài)協(xié)調度評價結果

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

(1)通過對城市形態(tài)進行主成分分析，可以看出影響南京市城市形態(tài)綜合得分占最大權重的是人均擁有道路面積和第三產(chǎn)業(yè)GDP比重。人均擁有道路面積是城市形態(tài)與交通聯(lián)系最直接的指標，第三產(chǎn)業(yè)GDP比重則直接反應城市形態(tài)建設的經(jīng)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(wěn)中有升，第三產(chǎn)業(yè)GDP比重近幾年有所上升，而城市形態(tài)綜合得分也同步地穩(wěn)定上升。三者的發(fā)展趨勢相同，可以推斷，在推進城市形態(tài)發(fā)展的過程中，可以考慮加大第三產(chǎn)業(yè)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(tài)相關數(shù)據(jù)對比

由圖2可知，近10年南京市城市形態(tài)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(tài)的發(fā)展沒有跟上，導致2010年以后協(xié)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(tài)的發(fā)展速度不及交通的增速。2014年交通增速回落，協(xié)調度回升。2010年以前協(xié)調度比較平穩(wěn)，08年達到峰值，這一年，交通和城市形態(tài)的綜合得分最相近，協(xié)調度最佳。只有保證交通與城市形態(tài)的同步發(fā)展，以交通建設帶動城市形態(tài)的建設，才能保

圖2 交通與城市形態(tài)綜合得分、協(xié)調度對比

證城市的協(xié)調發(fā)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(xiàn)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(xiàn)點到點的運輸，更多地依賴公路，增加公路里程，實現(xiàn)點到點的運輸。

5 結論

本文根據(jù)建立的評價指標體系，建立模型，計算系統(tǒng)間的協(xié)調度，得到一套評價交通系統(tǒng)與城市形態(tài)發(fā)展狀況的方法。

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

本文首次采用均值化法對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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.

[2]費移山.城市形態(tài)與城市交通相關性研究[D].南京：東南大學，2003.

[3]盧果.城市公共交通系統(tǒng)與城市形態(tài)協(xié)調發(fā)展研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[4]孫愛軍，吳鈞，劉國光，等.交通與城市化的耦合度分析——以江蘇省為例[J].城市交通，2007，5(2):42-46.

[5]楊建軍，連城，湯燕.交通樞紐對中心城市功能成長的績效——以浙江省金華市為例[J].規(guī)劃師，2005，21 (2)：91-94.

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[10]何曉群.多元統(tǒng)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(guī)劃與管理，Email：849157223@qq.com.

*通訊作者： 杜牧青，Email：dulyg1986@163.com.

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