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基于GIS和多准则决策分析的自行车设施规划

摘 要

可持续交通已成为近几十年来交通规划和研究的重要目标。可持续交通运输的一个重点是发展多式联运系统，而自行车设施规划在其中发挥着重要作用。近年来，人们提出了许多自行车设施规划方法，可分为两类：基于供给和基于需求的模型。虽然这两组模型已被单独应用，但很少有研究将这两组模型中的变量结合起来用于自行车设施规划。为了解决这一问题，本文提出了一种多准则评价(MCE)分析方法，将基于供给和需求的准则整合到自行车设施规划中。采用基于地理信息系统(GIS)的探索性空间数据分析(ESDA)方法，从网络和邻里两个地理层次分析自行车设施的空间格局。将该模型应用于美国威斯康星州密尔沃基市，结果表明，将GIS和MCE分析相结合可以更好地解决最佳自行车设施规划，高度重视典型供给侧措施的不足问题，并满足政府机构，规划者和骑自行车者的多重规划目标。

引 言

可持续交通被定义为“在满足当前交通和流动性需求的同时，又不损害后代满足这些需求的能力”(Black，1996)，近年来已成为交通规划和研究的一个重要目标。一个主要原因是美国城市目前的依赖汽车的城市交通系统被认为是不可持续的(Newman和Kenworthy，1999)。特别是，依赖汽车的城市造成了自然环境(如水，空气，植被和土壤)的退化和有限自然资源(如石油)的枯竭(Black，1997年；Greene和Wegener，1997年；Hanson，2005年)。此外，交通拥堵正在成为一个严重的问题，全球每年因交通阻塞而造成的损失高达12万亿美元，并且由于“走走停停”的交通而加剧了空气污染(Miller和Shaw，2001)。纽曼和肯沃西(1999)指出，一个理想的可持续发展的后现代城市应该包括步行，自行车，公共交通，辅助汽车和全球交通的空中交通工具。此外，为了实现可持续的运输网络，易地运输方式必须是可利用的，并且被认为是安全的和可取的。针对与汽车文化相关的负外部性，美国联邦政府已经认识到发展异构交通系统的必要性。

联邦法规已授权地方政府全面评估多式联运规划。1990年通过的《清洁空气法修正案》试图通过减少汽车排放，特别是在城市地区，促进可持续性(Hanson和Giuliano，2004)。此外，美国国会于1991年通过了《多式联运地面运输效率法案》(ITEA)，旨在将资金分配给非高速公路项目，如:步行，自行车和公共交通(Garder，1994)。该法案要求，人口大于20万的大都市区，其交通规划每3年由联邦政府批准一次，其明确的目的是减少拥堵，改善空气质量。更重要的是，ISTEA推动了认真规划可持续交通，纳入了促进替代交通方式的措施，如公共交通，自行车和步行设施。骑自行车者的另一项财富是，国际自行车运输协会已拨款实施骑自行车交通设施，每个州都必须有一名自行车和行人协调员(Feske，1994年；Hanson和Giuliano，2004年)。像威斯康辛这样的州已经规定在所有的交通规划中都要有一个自行车的角色。此外，根据威斯康星州第85.023号法令，威斯康星州交通部(WIDOT)将为自行车设施的发展提供援助(Huber，2003年)。

典型的自行车设施规划模型可分为两类:基于供给和基于需求的模型。基于供给的自行车设施规划依赖于两个总体理论；(a)所有主干线和次干路都应该有自行车设施，或者，(b)在自行车路线规划之前，应该计算和审查一个定量模型，例如自行车服务水平(BLOS)，危险评分分析或自行车兼容性指数(BCI)(Harkey，Reinfurt等人，1998年；Huber，Personal communication，2005年；Landis，1996年)。换句话说，自行车设施规划要么是临时的，要么利用服务类型模型的定量水平来评估自行车骑车人的道路状况。定量的服务水平分析可衡量道路的舒适度。这种供给侧分析量化了工程类型道路变量，如速度限制，重型卡车交通，道路宽度等。流行的基于供给的分析是Landis，Vattikuti，和Brannick(1997)开发的BLOS和Harkey等开发的BCI模型(1998年)。虽然这种基于供给的分析间接地解决了“安全”因素，但不能保证它会引起自行车通行或产生最多的“期望”路径。事实上，Parkin，Wardman和Page(2007)的一项研究提出了一个问题，即自行车设施的改进是否会降低人们的感知风险，或者增加自行车设施的使用率。

为了解决与自行车出行需求相关的问题，或者有多少骑自行车的人将使用道路，各种基于需求的方法已经被开发来预测非机动化出行，它们包括：集合行为研究，草图计划方法，离散选择模型，市场分析和设施需求潜力模型(Schwartz，1999；Turner，Hotternstein和Shunk，1997；Turner，Texas 等人，1997)。特别地，Landis(1996)提出了潜在需求得分(LDS)模型，用于估计自行车出行的产生者和吸引者(如就业，购物中心，公园和学校)的出行需求。LDS模型提供了一个可能性指示，即如果存在自行车设施，该路段将被利用。然而，这一模式不包括禁止骑自行车的有害因素，也未能将设施一级的安全和环境条件联系起来。

自行车需求模型通常利用汇总数据来确定从一个区域到另一个区域的流量。但结果显示，如果实施了自行车设施，这种方法并不能表明具体场地设施的改进或表示使用率的实际增加(Hyodo，Suzuki，Takahashi.2000；Porter，Suhrbier，和Schwartz，1999；Schwartz，1999)。根据《威斯康星州自行车规划指导手册》(WBPG)(Huber，2003)，自行车设施的规划应包括供需双方的因素。此建议旨在支持发展安全可靠的自行车设施。因此，需要开发一个考虑供需双方因素的自行车设施规划模型。

地理信息系统(GIS)一直处于量化多个因素以实现这些目标的前沿，并取得了不同程度的成功。例如，GIS已被用于对实用和非街道自行车路径进行多准则分析，估计自行车需求，进行最小成本路径分析，评估交通风险，以及构建决策支持系统(Atkinson，Deadman，Dudycha和Traynor，2005年；Aultman-Hall，Hall和Baetz，1997年；Fuller，Williamson，Jeffe，和James，2003；Huang和Ye，1995；Landis，1996年；Luedtke和Plazak，2003年；Malczewski，1999年；Mescher，1996年；Nash，Cope，James与Parker，2005；Snyder，Whitmore Schneider和Becker，2008；Wigan，Richardson和 Brunton，1998)在地理信息系统的辅助下，自行车设施规划模型具有将供需双方的多准则结合起来的潜力。因此，基于GIS的多准则决策分析模型能够满足各种类型的实用主义骑车人的需求，并满足明确的自行车路线规划准则，在非机动化交通规划中显示出巨大的前景。

本文提出了一种综合的自行车规划方法，利用GIS，多准则决策分析和探索性空间数据分析(ESDA) 来评估基于供需目标的自行车设施的质量。分析在两个层面进行：网络(自行车设施)层面和邻里层面。网络级分析可以解决站点特定问题，并为进一步改进提供详细信息。相比之下，邻区水平分析提供了城市地区自行车设施的战略视图，并促进了政策的制定和实施。在这种规模下，有必要进行深入的邻域分析。本文的其余部分组织如下：第2节介绍了研究领域和数据。第3节详细阐述了基于供需的网络级自行车设施规划，包括开发和分析自行车服务水平(BLOS)和需求潜力指数(demand)。除了网络层面的分析，第4部分还报告了通过应用ESDA技术对邻里级别的自行车设施进行的战略分析。最后，第5部分对本文进行了总结。

研究区域和数据

威斯康星州密尔沃基市(如图1)被用于一个全面的自行车设施分析。据《密尔沃基哨兵报》报道，密尔沃基市17%的成年家庭正在购买新自行车，超过50%的家庭已经拥有自行车，但与此同时，根据美国2000年人口普查，密尔沃基仅拥有0.34%的自行车模式(Kegel，2005年)。密尔沃基被列为步行和骑自行车通勤最差的十大城市之一，但在娱乐性骑自行车和步行通行的十大城市中(Allen，2005)。骑自行车习惯的这种差距表明：目前的街头自行车设施不足，和/或实用的骑自行车是不鼓励的。调查还显示，如果提供一个合适的骑自行车环境，休闲骑手会愿意骑自行车上下班。密尔沃基市目前有96.5英里的现有街头自行车设施和远超过100英里的非街头自行车路线(Huber，个人通信，2005)。因此，规划面向休闲骑行者和通勤者的自行车设施，有望为所有出行目的增加客流量(Huber，2003)。

图1 密尔沃基市

密尔沃基市当前的自行车网络(如图2)来自威斯康辛自行车联盟的数据库，它代表了截至2007年的当前状况。道路网络由拓扑精确的道路GIS层组成，采用双重独立地图编码(DIME)格式。这个公路网由密尔沃基市的工程部开发，是目前可用的最精确的公路网。出于本研究的目的，仅评估了当前路边自行车设施在实用旅行中的重要性(Aultman-Hall，Hall和Baetz，1997年)。威斯康星州东南部所有道路的公路工程道路变量是从威斯康星州交通部获得的。工程道路数据，加上DIME网络，包含交通计数，重型卡车容积，停车宽度，出行车道数，出行车道宽度。人口统计学变量是从美国人口普查局获得的。在这一分析中使用了块级的人口数据。此外，2003年密尔沃基市的犯罪数据也被纳入本研究。本研究利用商业，公园，学校和娱乐场所的数据来解释理想的始发地-目的地和审美。商业数据从密尔沃基市获得，并通过联邦标准工业分类(SCI)代码进行选择。公园，娱乐和学校的数据是从密尔沃基县公园部门获得的。

图2 密尔沃基市自行车设施

网络分析

在传统的交通规划中，大型区域单位，如城市，普查区或交通分析区(TAZ)，通常被用作分析的基本单位(Anamp;Chen，2007)。然而，由于许多自行车出行是在一个集合单元内，并且微环境对骑行者来说很重要，因此这种集合分析不能满足自行车设施规划的要求。因此，最近的自行车设施规划利用线性交通段或走廊作为分析单元。使用线性分析单元的自行车交通研究的例子包括碰撞和安全研究，旅行需求模型和服务水平分析(Aultman-Hall，Hall，和Baetz，1997；Huang和Ye，1995；Wigan等人，1998)。因此，本文的首要重点是在道路网络级别上进行基于供给和需求的自行车设施分析。

基于供应的自行车设施规划：BLOS

在交通方式选择分析中，风险被认为是禁止人们骑自行车的一个主要因素(Aultman-Hall，Hall和Baetz，1997年；Dill和Carr，2003年；Landis，1996年；Landis等人，1997年)。由于这种真实的或可感知的风险，文献已经揭示了一系列骑自行车的风险因素。骑自行车者面临的大多数风险与汽车交通，个人安全，驾驶员行为，地形，天气和周围环境的整体压力直接相关，所有这些都来自自行车设施的供应方(Parkin等人，2007)。因此，安全是骑车人选择路线的主要决定因素，并且是大多数都市规划组织(MPO)规划自行车设施时常用的措施之一(Allen-Munley，Daniel和Dhar，2004)。为了量化安全性，不同的研究人员已经尝试对“骑自行车者的舒适度”进行定量或定性的建模。衡量道路网舒适度的一种流行技术是自行车服务水平(BLOS)指数(Landis等人，1997)。这项措施评估参与者对实际道路状况的看法。具体而言，BLOS指数是每车道机动车通信量，机动车辆速度，交通混合，潜在的过街交通产生，路面状况和骑车人行道宽度的函数(Landis，1996；Landis等人，1997)。由于BLOS在工程上的相似性，该方法在交通工程师和规划者之间的自行车规划中取得了很大的进步。对于这项研究，BLOS指数(见等式(1))是基于Landis等人提供的方法学计算的(1997年)。

(1)

其中表示15分钟内的定向交通量；Ln表示定向通过车道的数量，为有效限速，由威斯康星州交通部确定的张贴限速；HV表示重型车辆的百分比； 表示美国联邦公路局的5点路面表面状况评级(如5代表最佳)；为车道外侧平均有效宽度。

所得的BLOS分数代表骑自行车者的舒适(安全)程度，最低的分数代表骑自行车者的最佳安全条件。为便于解释，将BLOS分为6个等级，即A(1.50)，B(1.51-2.50)，C(2.51-3.50)，D(3.51-4.50)，E(4.51-5.50)和F(gt;5.50)。

密尔沃基市各路段的BLOS等级如图3，我们可以推断，BLOS等级一般符合道路类型。换言之，大部分住宅(本地)道路均获得满意的BLOS等级(例如A或B)，而大部分集流路和干道则获得较低的BLOS等级(例如C或以下)。此外，有几条主干道被评为F级。在空间上，等级较低的路段在研究区域内均匀分布，密尔沃基市中心有一个小的集群。形成集群的原因可能是主干道密度高，市中心地区交通量大。

图3 密尔沃基市BLOS指数

基于需求的自行车设施规划:需求潜力指数

自行车交通需求相关因素选择与排序

作者根据怀俄明州专业地质学家委员会、相关文献，以及对威斯康星州

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