葉 臻 賀明光 梁科科

(交通運輸部科學研究院 北京 100029)

0 引 言

針對出租車服務(wù)站及相應(yīng)設(shè)施，國外的研究方向主要集中在出租車行業(yè)發(fā)展、市場管理運營、服務(wù)質(zhì)量和駕駛員健康等方面[1-2]，對布局研究涉及較少.而國內(nèi)在出租車服務(wù)站的布局研究方面有一定積累：施宏[3]分析了影響出租車服務(wù)網(wǎng)點規(guī)劃的影響因素及約束條件.王兩全[4]以出租車服務(wù)需求、土地限制、乘客出租車需求為約束，構(gòu)建了出租車服務(wù)設(shè)施約束型選址模型.葉海飛[5]從出租車?？啃枨筇卣鞒霭l(fā)，探討出租車?？啃枨笈c土地利用之間的內(nèi)在關(guān)系，建立了基于土地利用的出租車?？恳?guī)模預(yù)測模型.黎冬平等[6]研究了乘客和出租車相互等待的特征，結(jié)合仿真給出了出租車服務(wù)網(wǎng)點合理規(guī)模的確定流程.金雷等[7]基于樣本出租車的GPS數(shù)據(jù)，提出了基于最大覆蓋的出租車?？空具x址模型.

當前國內(nèi)外相關(guān)研究主要是針對城市出租車服務(wù)站的駕駛員服務(wù)需求和車輛需求展開的.然而，包括出租車服務(wù)站在內(nèi)的城市交通設(shè)施，是城市形態(tài)的重要構(gòu)成要素[8]，與城市其他構(gòu)成要素，如城市道路網(wǎng)、人口分布、用地分布等有著密切的聯(lián)系.由于出租車服務(wù)站與城市形態(tài)之間的復(fù)雜互動關(guān)系，需要從城市形態(tài)的宏觀角度去考慮出租車服務(wù)站的布局問題，分析出租車服務(wù)站在城市空間內(nèi)的分布特征.通過建立出租車服務(wù)站與城市形態(tài)之間相互適應(yīng)、彼此促進的關(guān)系，能夠促使出租車行業(yè)的相關(guān)從業(yè)者、產(chǎn)業(yè)與環(huán)境與得到健康可持續(xù)的發(fā)展，由此出租車服務(wù)站布局與城市形態(tài)的協(xié)調(diào)性研究顯得尤為重要.

在空間協(xié)調(diào)性研究方面，相對于傳統(tǒng)數(shù)理方法，分形理論具有獨到優(yōu)勢[9].本文通過分形理論，對城市出租車服務(wù)站布局與其他城市構(gòu)成要素進行分形量化，進而綜合分析出租車服務(wù)站布局與城市形態(tài)的協(xié)調(diào)性，并以柳州市市區(qū)為例進行研究，分析方法的適用條件和合理性.

1 協(xié)調(diào)性分析

1.1 城市形態(tài)分析

通過調(diào)查、咨詢等方法，可以得到城市出租車服務(wù)站的(意向選址)布局.出租車服務(wù)站的(意向選址)布局，具有綜合性、分散性、復(fù)雜性等多個特點.根據(jù)城市形態(tài)的定義[10]：城市形態(tài)是城市各種功能活動在地域上的呈現(xiàn)，而城市形態(tài)的構(gòu)成要素，一般來說包括城市用地、城市路網(wǎng)、城市人口分布等.顯然，出租車服務(wù)站的分布布局也是城市構(gòu)成要素.由于城市構(gòu)成要素之間關(guān)系密切、互動頻繁，通過分析出租車服務(wù)站布局的分布特征，可以有效了解的出租車服務(wù)站與其他城市構(gòu)成要素之間的匹配性與適應(yīng)性，剖析出租車服務(wù)站布局與城市形態(tài)之間的協(xié)調(diào)性.

針對城市形態(tài)與城市構(gòu)成要素的分布特征，以往相關(guān)的研究方法，總體可分為定性研究與定量研究，其中定性研究主要有城市形態(tài)文字描述、圖像分析等，這些方法具有形象、直觀、具體等優(yōu)點，但難以抽象成參數(shù)做量化分析[11]；傳統(tǒng)的定量研究有特征值法、數(shù)理統(tǒng)計法、物理學方法等[12]，這些方法習慣于從幾何和數(shù)學入手，對復(fù)雜系統(tǒng)進行簡化和抽象.

1.2 協(xié)調(diào)性量化

然而，由于城市形態(tài)的特征具有破碎、不規(guī)則且非線性的特點，傳統(tǒng)定量方法難以對城市形態(tài)與城市構(gòu)成要素分布的空間形態(tài)特征，尤其是自相似特征進行有效且全面的描述.

分形理論反映了圖形(或系統(tǒng))對于空間的填充能力和圖形不規(guī)則邊界的復(fù)雜程度[13]，該理論可以有效地從非線性城市復(fù)雜系統(tǒng)本身入手去揭示城市內(nèi)部的規(guī)律性[14].已有研究也表明，大多數(shù)城市形態(tài)具有分形特征并且分形值保持在一定范圍[15].尤其是針對城市形態(tài)的主要四種演變方式，即同心圓式擴張、星狀擴張、帶狀擴張和跳躍式生長，分形理論具有優(yōu)秀的適用性.

城市形態(tài)與城市構(gòu)成要素的分布特征可體現(xiàn)在多個方面，一般包括構(gòu)成要素的向心聚集度、構(gòu)成要素在城市范圍內(nèi)的分布均衡性、以及構(gòu)成要素與城市發(fā)展方向上的協(xié)調(diào)性等.相應(yīng)的，關(guān)于城市形態(tài)的分形方法主要有半徑維數(shù)、網(wǎng)格維數(shù)與邊界維數(shù)3類：其中邊界維數(shù)主要討論用地緊湊程度，基本應(yīng)用于城市用地發(fā)育程度研究[16]，對于非用地類的城市構(gòu)成要素的適用程度較低；半徑維數(shù)表示分形體由測算中心向周邊區(qū)域的變化情況[17]；網(wǎng)格維數(shù)來自于分形理論的盒子維數(shù)，表示分形體分布的宏觀均衡性.可以看出，半徑維數(shù)與網(wǎng)格維數(shù)是全面刻畫城市構(gòu)成要素分布的主要分形量化手段.

基于此，本文采用半徑維數(shù)、網(wǎng)格維數(shù)，并提出方向維數(shù)，對出租車服務(wù)站選址與其他城市構(gòu)成要素進行多方面的分形量化，進而分析出租車服務(wù)站布局與城市形態(tài)之間的協(xié)調(diào)性.

2 研究方法

2.1 半徑維數(shù)

半徑維數(shù)表示城市構(gòu)成要素從城市中心點向周邊區(qū)域的分布趨勢，有城市區(qū)域A，城市中心點O，區(qū)域內(nèi)城市構(gòu)成要素的總數(shù)量為N(如人數(shù)、路網(wǎng)長度等)，如果城市構(gòu)成要素的分布是分形的，城市構(gòu)成要素數(shù)量N(r)與相應(yīng)的城市半徑r之間應(yīng)有如下關(guān)系：

(1)

圖1 半徑維數(shù)雙對數(shù)坐標圖

2.2 網(wǎng)格維數(shù)

現(xiàn)在從另一個角度，即空間分布的均衡性來分析城市構(gòu)成要素的分布特征.同樣指定城市區(qū)域A，區(qū)域內(nèi)城市構(gòu)成要素的總數(shù)量為N.圖2將區(qū)域的邊長視為1個單位，將長邊與寬邊k等分，則區(qū)域分成了k2個大小相同的網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為l=1/k.若第i個網(wǎng)格中存在的城市構(gòu)成要素數(shù)量為Ni，則第i個網(wǎng)格中城市構(gòu)成要素出現(xiàn)的概率為Pi=Ni/N.根據(jù)概率Pi的大小為

(2)

由此可以計算出城市區(qū)域內(nèi)，城市構(gòu)成要素分布的信息量：

?1≤i≤k2

(3)

若城市構(gòu)成要素的空間分布是分形的，則信息量IN(l)與網(wǎng)格邊長l之間有如下關(guān)系：

(4)

圖2 網(wǎng)格維數(shù)示意圖

2.3 方向維數(shù)

現(xiàn)在從第三個角度，即城市構(gòu)成要素分布的方向協(xié)調(diào)性來研究分布特征.仍然指定城市區(qū)域A，區(qū)域內(nèi)城市構(gòu)成要素的總數(shù)量為N.圖3以城市中心O為原點，按照方位將城市劃分為k等分的扇形區(qū)域，扇形角度為α=2π/k.若第j個扇形區(qū)域中存在的城市構(gòu)成要素數(shù)量為Nj，則第j個扇形區(qū)域中城市構(gòu)成要素出現(xiàn)的概率為Pj=Nj/N，由此可以計算出城市區(qū)域內(nèi)，城市構(gòu)成要素分布的信息量：

(5)

(6)

若城市構(gòu)成要素的方向分布是分形的，則信息量SN(α)與扇形角度α之間有如下關(guān)系：

(7)

圖3 方向維數(shù)示意圖

2.4 數(shù)據(jù)標準化與協(xié)調(diào)性指數(shù)

半徑維數(shù)、網(wǎng)格維數(shù)和方向維數(shù)的物理意義各不相同，為使數(shù)據(jù)以同等重要的地位合理使用，需要把數(shù)據(jù)標準化處理，即將具有不同物理意義、不同量綱的數(shù)據(jù)，進行同趨化和無量綱化處理.數(shù)據(jù)標準化常用的方法有最值法、Z-score法等.本文采用最為常用的最值法，也稱“最小-最大”法，即將數(shù)據(jù)映射到[0,1]區(qū)間，其表達式為

(8)

經(jīng)數(shù)據(jù)標準化，令半徑維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù)φ為

(9)

采用與式(9)相同的方法，可得到網(wǎng)格維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù)σ和方向維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù)γ：0≤σ≤1，σ越大，表示在空間分布的均衡性上，兩個城市構(gòu)成要素的分布趨勢越一致；0≤γ≤1，γ越大，表示兩個城市構(gòu)成要素在方向上的分布特征越一致與協(xié)調(diào).

2.5 綜合指數(shù)

為全面評價城市構(gòu)成要素的向心聚集度、分布均衡性與方向協(xié)調(diào)性，提出綜合指數(shù)ω.

ω=β1·φ·β2·σ·β3·γ

(10)

式中：φ為半徑維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù)；σ為網(wǎng)格維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù)；γ為方向維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù)；β1、β2、β3為相應(yīng)的權(quán)重系數(shù).由于以上3類協(xié)調(diào)性指數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過了標準化處理，并且此3類協(xié)調(diào)性指數(shù)代表的城市形態(tài)特征的重要性相當，令權(quán)重系數(shù)β1=β2=β3=1.已知0≤φ≤1，0≤σ≤1，0≤γ≤1，因此，ω越大，表明城市構(gòu)成要素之間的綜合協(xié)調(diào)性越好.

3 實例分析

于2016年5月1日—5月31日，針對柳州市的出租車服務(wù)站選址布局開展調(diào)查.回收有效問卷849份(人).

3.1 分形維數(shù)分析

各分析對象的分形維數(shù)見表1.

表1 各分析對象的分形維數(shù)

由表1可知：

1) 分析半徑維數(shù) 柳州市出租車服務(wù)場站選址布局、?？繄稣具x址布局的半徑維數(shù)均小于2，大于1，表示這2個分布的分布趨勢都是從城市中心點向周圍區(qū)域逐步遞減，說明出租車服務(wù)需求主要集中于靠近城市中心的區(qū)域.此外，這2個分布的無標度區(qū)對應(yīng)的最大城市半徑均為6.5 km，根據(jù)無標度區(qū)的定義，柳州市出租車服務(wù)站的有效需求邊界為6～7 km，超出這個范圍，出租車駕駛員使用服務(wù)站的意愿將大幅降低，因此規(guī)劃服務(wù)站選址地點時需考慮有效需求邊界，避免選址過于偏僻造成利用率低下.

2) 分析網(wǎng)格維數(shù) 出租車服務(wù)場站選址布局、停靠場站選址布局的網(wǎng)格維數(shù)均大于1，說明其在城市區(qū)域內(nèi)的空間分布較為均衡，在出租車服務(wù)站布局時應(yīng)考慮到選址不宜過于集中城市中心，均衡照顧城市內(nèi)的各個區(qū)域需求.

3) 分析方向維數(shù) 出租車服務(wù)場站選址布局、?？繄稣具x址布局的方向維數(shù)均接近于1，說明其在城市區(qū)域內(nèi)的方向均衡性較高，在出租車服務(wù)站布局時，應(yīng)充分考慮出租車服務(wù)需求在城市內(nèi)的方向分布性.

4) 進一步分析，發(fā)現(xiàn)換班地點分布與人口分布、居住用地的分形維數(shù)比較接近，說明出租車駕駛員換班時更多的考慮是在人口分布因素，而不是考慮接受服務(wù)因素.

3.2 協(xié)調(diào)性指數(shù)和綜合指數(shù)分析

經(jīng)數(shù)據(jù)標準化處理，分形協(xié)調(diào)性指數(shù)和綜合指數(shù)計算結(jié)果見圖4.

圖4 計算結(jié)果圖

由圖4可知：

1) 分析半徑維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù) 在所有的半徑維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù)之中，城市路網(wǎng)的協(xié)調(diào)性指數(shù)最高，說明從柳州市中心向外輻射的角度分析，出租車服務(wù)需求與路網(wǎng)分布關(guān)系密切；城市工業(yè)用地分布的協(xié)調(diào)性指數(shù)很低，說明出租車服務(wù)需求與城市工業(yè)布局的差別很大.此外，停靠場站選址布局的協(xié)調(diào)性指數(shù)普遍高于服務(wù)場站的選址布局，尤其是在城市路網(wǎng)、人口分布和用地分布更加明顯.這說明停靠場站的規(guī)劃選址普遍需要依托城市現(xiàn)有設(shè)施開展建設(shè)，需要依托城市路網(wǎng)、人口、用地等城市構(gòu)成要素的分布.而與此對應(yīng)，服務(wù)場站多是以單獨用地建設(shè)為主，部分結(jié)合現(xiàn)有設(shè)施建設(shè)，因此對于現(xiàn)有城市設(shè)施的依托可不做較高要求.

2) 分析網(wǎng)格維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù) 所有的網(wǎng)格維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù)均較高，說明柳州市的城市構(gòu)成元素的空間分布較為均勻.與城市居住區(qū)人口分布、居住用地分布的協(xié)調(diào)性指數(shù)較高，說明服務(wù)站的規(guī)劃選址空間分布應(yīng)密切參考城市人口分布；雙班換班地點的協(xié)調(diào)性指數(shù)比較低，表明駕駛員的換班需求與接受服務(wù)需求的空間分布上選擇存在著較大區(qū)別.

3) 分析方向維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù) 所有的方向維數(shù)協(xié)調(diào)性指數(shù)均較高且十分接近，說明柳州市的城市構(gòu)成元素的方向分布都較為均勻，相關(guān)規(guī)劃應(yīng)考慮城市要素分布的方向性.

4) 分析綜合指數(shù) 相對于出租車服務(wù)場站，?？繄稣具x址布局的綜合指數(shù)更高，表明?？繄稣靖蕾嚶肪W(wǎng)、人口、用地等城市構(gòu)成要素布局，這從數(shù)理上證明了出租車?？俊⒑蚩?、上下客的場所對于城市設(shè)施的依賴性更高，也與常識相吻合.將綜合指數(shù)從大到小排列，順序大致為城市路網(wǎng)、居住用地分布、居住人口分布，換班地點分布和工業(yè)用地分布，說明柳州市出租車服務(wù)場站對于城市路網(wǎng)、人口分布和居住用地的依賴程度最高，對于換班地點分布的依賴程度一般.另外發(fā)現(xiàn)，出租車服務(wù)場站選址布局幾乎不受柳州市工業(yè)用地分布的影響，說明盡管是工業(yè)城市，但該市的出租車服務(wù)需求與該市的工業(yè)發(fā)展有較大的差距，出租車服務(wù)站規(guī)劃布局只能有條件地考慮工業(yè)布局.

4 結(jié) 論

城市出租車服務(wù)站布局的合理規(guī)劃，可以規(guī)范出租車運營，改善出租車駕駛員與車輛服務(wù)環(huán)境，方便乘客候車與上下車.本文利用分形理論，分別分析了出租車服務(wù)場站和?？繄稣镜牟季衷诔鞘行螒B(tài)內(nèi)的3方面特征，即向心聚集度、分布均衡性與方向協(xié)調(diào)性.通過分析這些特征，量化分析了出租車服務(wù)站布局與城市形態(tài)的協(xié)調(diào)性.后續(xù)研究可以從以下幾個方面展開：①為提高研究結(jié)論的可靠性，進一步補充調(diào)查樣本；分析更多城市因素對分形參數(shù)帶來的影響，合理改進分形參數(shù)，探討適合中國城市特點的出租車服務(wù)站規(guī)劃理論和方法.②若城市形態(tài)不滿足或部分滿足分形理論，如城市分形特征值不明顯或跳躍式分布的多中心城市形態(tài)，應(yīng)考慮結(jié)合城市地理系統(tǒng)的優(yōu)化分布以及城市的自組織演化動力學，將城市形態(tài)分區(qū)域、分片區(qū)處理，或?qū)⒊鞘行螒B(tài)轉(zhuǎn)化為可被分形參數(shù)處理的狀態(tài).③在開展城市出租車服務(wù)站的選址布局規(guī)劃時，可將與分形理論與傳統(tǒng)的選址方法，如數(shù)學解析法、運籌學模型、交通配流法等相結(jié)合，提高出租車服務(wù)站選址布局的有效性與合理性.

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