Estimating the effects of “Community Opening” Policy on alleviating traffic congestion in large Chinese cities by integrating ant colony optimization and complex network analyses

基于蚁群算法和复杂网络分析探究“小区开放”政策对缓解中国大城市交通拥堵的影响

成果信息

         Yao Yao, Ye Hong, Daiqiang Wu, Yatao Zhang, Qingfeng Guan. 2018. Estimating the effects of “Community Opening” Policy on alleviating traffic congestion in large Chinese cities by integrating ant colony optimization and complex network analyses. Computers, Environment and Urban Systems. (SSCI)

        https://doi.org/10.1016/j.compenvurbsys.2018.03.005

       DOI：10.1016/j.compenvurbsys.2018.03.005

团队成员

   姚尧，博士，中国地质大学（武汉）信息工程学院，副教授，硕士生导师，主要从事时空大数据挖掘、多源时空数据融合、城市计算和机器学习等方面的研究。（联系邮箱：[email protected]）

   洪晔，本科生（14级），中山大学地理科学与规划学院，专业为地图学与地理信息系统。将就读于苏黎世联邦理工学院（ETH）。

   吴代强，本科生（14级），中山大学地理科学与规划学院，专业为测绘工程。将就读于武汉大学遥感信息工程学院，师从龚健雅院士。

   张亚涛，硕士生（17级），武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，师从李清泉教授，主要从事出行轨迹数据和土地利用分类方面的研究。

   关庆锋，博士，中国地质大学（武汉）信息工程学院，教授，博士生导师，主要从事高性能空间计算、空间计算智能、时空大数据和时空数据挖掘与模拟等方面的研究。（联系邮箱：[email protected]）

成果介绍

   根据中国中央政府于2016年初发布的城市规划文件，“小区开放”政策将被实施以改善交通网络。该措施引起了社会的热烈讨论。然而，以往的研究很少关注开放小区能够对城市交通带来的直接改变和间接影响。

   本研究旨在通过结合蚁群算法（ACO）和复杂图论来分析开放小区对道路结构的改善，并研究其对居民通勤效率和城市交通中心的影响。首先，研究基于OpenStreetMap（OSM）建立交通道路网络，使用ACO算法计算道路节点之间的连通性和居民总体通勤时间和距离的变化。其次，运用复杂图论计算每条道路的吸引力指数，得到开放政策前后的拥堵区域。研究区域包括中国一线城市北京、上海、广州和深圳。

   结果表明，开放小区将使当前道路网络的连通性和可达性增加9.43-29.80％，短途旅行的居民通勤时间减少2.57-4.50％。此外，随着城市主干道交通流量的减少，潜在拥堵路口数量将减少，导致城市拥堵区域的空间位置和覆盖范围发生变化。本研究对开放门控社区的影响进行了定量研究，为城市规划者和政府提供了必要参考。

图1小区开放前后路网经过频次：(A1)北京实施前，(A2)北京实施后，(B1)上海实施前，(B2)上海实施后

图2 小区开放前后路网经过频次：(A1)广州实施前，(A2)广州实施后，(B1)深圳实施前，(B2)深圳实施后

图3 小区开放交通拥堵节点的变化：(A1)北京实施前，(A2)北京实施后，(B1)上海实施前，(B2)上海实施后

图4 小区开放交通拥堵节点的变化：(A1)广州实施前，(A2)广州实施后，(B1)深圳实施前，(B2)深圳实施后

图5 小区开放交通拥堵主要区域的变化：(A1)北京实施前，(A2)北京实施后，(B1)上海实施前，(B2)上海实施后

图6 小区开放交通拥堵主要区域的变化：(A1)广州实施前，(A2)广州实施后，(B1)深圳实施前，(B2)深圳实施后

   本研究运用蚁群算法和复杂图论分析了“小区开放”政策对道路网络结构、城市居民通勤效率和交通拥堵中心变化的影响。在北京、上海、广州和深圳这四个“超一线”城市进行了实验，分析了政策对各城市交通拥堵的缓解效果。结果表明，政策显著改善了道路网络的连通性，并对居民的短途通勤产生了积极影响。对于出行5公里以内（约占总出行的45％）的居民来说，广州、上海、深圳和北京的通勤时间分别减少了3.11％，2.95％，1.74％和1.51％。

   此外，由于在城市道路网络中增加了大量道路，实施政策后交通流量将更加分散，缓解了城市中心地区的交通堵塞。值得注意的是，各城市之间的缓解程度各不相同，其对北京和上海交通拥堵的影响更为明显，而广州和深圳的影响有限。一般来说，政策的实施对缓解一线城市交通压力具有一定的积极作用。但是，由于大城市交通拥堵问题既漫长又复杂，需要认真研究每个城市的实际情况和采取有针对性的政策，才能从根本上缓解甚至解决。