基于主成分分析法的北京城市病评价及雄安新区设立的预测

朱燕玲，苏元芳，曹旭航，许 璐*

（1.江汉大学 数学与计算机科学学院，湖北 武汉 430056；2.武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

改革开放后我国的城市化水平迅速提高，到2011年城市化水平已达到51.3%［1］，相比改革开放前增长了近两倍，远远快于发达国家历史上的发展速度。城市化快速发展不但形成了一大批城市群，还产生了严重的“城市病”［2］。城市病是指由于城市人口、工业、交通运输等过度集中而造成的种种弊病，目前已经成为我国一个较普遍的社会问题［3］。其存在直接导致人口拥挤、交通拥堵、资源短缺、环境污染、效率低下等一系列问题，使得城市化和经济社会发展宗旨逐渐背离。尤其是大城市譬如首都北京的城市病已经使得交通严重拥堵，资源供应紧张，环境污染严重，工作效率低下［4］，严重地阻碍了北京市经济社会的进一步发展，加剧了城市的社会矛盾。

2017年4月，党中央、国务院决定设立国家级新区——雄安新区。雄安新区的设立是在我国大城市特别是北京市的城市病日趋严重的情况下提出的。对于如何攻克“大城市病”难题，使得我国城市发展具有可持续性［5］，走出人口资源环境承载超限的城市发展之困？同时对于如何吸纳创新要素、培育资源新动力、提高社会效率？雄安新区的规划与建设，正在为破解诸多社会难题摸索新的可行策略，探索一条能够疏解城市功能、提高社会效率、带动区域协同发展的新思路。

本文利用统计数据对北京城市病的诸多社会表现进行深入分析，找准这些社会表现发生的根本原因并对其进行综合评价与分析，旨在为雄安新区设立后的合理规划提供一些参考性意见。

1 指标的选取与数据的采集

根据指向性、时效性、科学性的原则确定指标体系［6］分为4个表现层，分别为资源短缺、城市交通拥堵、公共资源紧张、生态环境污染，专题层分为土地资源、植被资源、道路拥堵等10个专题，共含有18个定量指标［7］，如表1所示。

表1 城市病指标体系Tab.1 Indexes system of urban disease

2011-2015年北京市各年度原始数据均来自于历年的《北京统计年鉴》。为了最大程度地消除数据与数据之间的干扰，并且由于各个指标的单位不同，所以必须对其原始数据进行标准化，本文采用MATLAB（Z-score）对数据进行无量纲化处理，处理公式参考文献［7］，具体为

其中，i表示第i年，k代表第k个指标，Zik代表第i年第k个指标的标准值，Xa为第i年的k指标的实际值，minkj为k指标在各年中实际值的最小值，maxkj为k指标在各年中实际值的最大值，式（1）适用于指向性为正向的指标，式（2）适用于指向性为反向的指标。

2011-2015年北京市各年度原始数据及无量纲化后的标准值见表2。

表2 2011-2015年原始数据及标准值Tab.2 Raw data and standard values from 2011 to 2015

2 研究方法及结果

利用主成分分析法［8］对城市病指标体系及原始数据进行了分析。首先使用MATLAB软件对4个表现层逐一进行分析，建立分类计量模型为

通过分类计量模型计算北京市各年度各表现层的单向得分。随后对北京市各年度城市病的表现进行综合评价，建立城市病的综合计量模型［9］为

通过综合计量模型计算各年度城市病的综合得分。式（4）中f1、f2分别代表城市交通拥堵表现层分类模型的第一、第二主成分，式（3）中系数代表其方差贡献率，以此类推。北京城市病分类及综合评价结果见表3。

表3 北京市城市病评价结果Tab.3 Evaluation results of urban disease in Beijing City

从表3中可以看出，4个表现层评价值变化出现两种类型：一类是评价值逐年变小，即生态环境污染（Y4）方面，表明在此方面城市病的情况有所好转；另一类是评价值逐年变大，资源短缺（Y1）、城市交通拥堵（Y2）和公共资源紧张（Y3）这3个表现层即如此，表明城市病在这3个方面的情况逐渐恶化。结合表2的原始数据来看各个指标与北京市城市病的紧密关系，如人均公园绿地面积、城市绿化覆盖率、城市人均拥有道路面积、城市车均拥有道路面积、每万人拥有公共交通车辆、备案停车场位总数、每千人拥有执业医师数、每千人拥有注册护士数、每千人拥有医院床位数、城镇人均住宅使用面积、居住类居民消费价格指数等指标与北京城市病的走势有十分紧密的联系。而污水未处理率、污水处理能力、可吸入颗粒物、NO2年日均量、SO2排放量、生活垃圾未处理率这些指标的改善对于减轻北京城市病有进一步的积极作用。

由表3还可知2011-2015年间，北京市城市病的综合评价值（Y）呈逐年上升趋势，表明北京市城市病的情况逐年严重，尤其是2012年较2011年情况为更突出，增加了73.99%，而此后几年增幅均控制在7.39%～22.54%。

3 雄安新区设立的预测

根据前面设立的指标对北京城市病的影响，假设2016年雄安新区建成，北京市转移200万人口到雄安。通过《北京统计年鉴》上抓取2016年的原始数据，综合分析已设立指标的数据，即可得2016年北京城市病数据（表4）。

表4 2016年新区设立后北京城市病数据Tab.4 Urban disease data in Beijing after establishment of the new district in 2016

再利用主成分分析法对2016年雄安新区设立后北京城市病数据进行分析，则2011-2016年北京城市病分类及综合评价结果见表5。

表5 新区设立后北京市城市病评价结果Tab.5 Evaluation results of urban disease in Beijing after establishment of the new district

从表5中可以看出，2011-2015年间，北京市城市病的综合评价值呈逐年上升趋势，表明北京市城市病的情况逐年变坏。但2016年雄安新区设立后，北京城市病综合评价指标（Y）降到了0.759 2，较2015年减轻了22.24%，可见其城市病程度明显减轻。雄安新区设立后北京城市病综合指标见图1。

图1 新区设立后北京市城市病综合评价值Fig.1 Comprehensive evaluation of urban disease in Beijing after establishment of the new distric

由图1可以看出：雄安新区设立后北京城市病的综合评价有下降趋势，表明北京城市病有望减轻。综上说明，设立新区对疏散北京的非首都功能有明显正向作用。

4 建议性结论

1）本文通过主成分分析法预测雄安新区的设立可以在一定程度上减缓北京城市病所带来的困扰，可以明显减轻北京城市病的症状。

2）城市人口的不断增长是城市病发生的重要原因，尤其是当城市人口规模超出城市的承载能力之后更加突出。所以，新区的设立要有效地控制人口，避免人口规模超出城市承载力。通过本文的实证分析可以看出，一些直接或间接与人口数量有关的指标，如人均公园绿地面积等与北京城市病的严重程度有密切关系，也与雄安新区的发展有密切关系，当人口数量超过一定值后，雄安新区的城市病也可能凸显出来。

3）对雄安新区进行科学的城市规划，应将防止交通拥堵作为重点。本文中可以看出人均道路面积对城市病有较为明显的影响。国内外的经验也表明，设立新区时城市规划应当适度地进行超前规划，规划要具有前瞻性。

4）新区设立时需切实保障居民生活质量，尤其是住房和健康问题。政府需要出台或调控好政策，将房价控制在大部分居民可承受的范围内。同时，政府需加强医疗保障、定期免费为居民进行身体检查、加大对医疗卫生事业的投入。

参考文献（References）

［1］ 任成好，张桂文.中国城市病的测度研究：基于288个地级市的统计数据分析［J］.经济研究参考，2016（56）：12-19.

［2］ 王桂新.中国“大城市病”预防及其治理［J］.南京社会科学，2011（12）：55-60.

［3］ 任成好.中国城市病的测度研究：基于288个地级市的统计数据分析［J］.贵州师范大学学报（社会科学版），2016，57（3）：12-13.

［4］ 李天健.我国主要城市的城市病综合评价和特征分析［J］.北京社会科学，2015（5）：48-54.

［5］ 喻红阳，袁付礼，李海婴.中国城市化的挑战与城市可持续发展［J］.城市管理与科技，2003，5（3）：103-107.

［6］ 李天健.城市病评价指标体系及应用研究［J］.城市观察，2012（4）：112-119.

［7］ 李天健.城市病评价指标体系构建与应用：以北京市为例［J］.城市规划，2014，38（8）：41-47.

［8］ 马细霞，李燕，刘磊.基于主成分分析的农业旱灾等级区划研究［J］.郑州大学学报（工学版），2011，32（1）：125-128.

［9］ 宣明.数学建模与数学实验［M］.杭州：浙江大学出版社，2016.