اقتصاد و برنامه ریزی شهری

اقتصاد و برنامه ریزی شهری

تحلیل فضایی-زمانی الگوهای ترافیکی کلان‌شهر تهران با استفاده از الگوریتم تحلیل نقاط داغ نوظهور (EHSA) و مکعب فضایی-زمانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
جغرافیای انسانی و برنامه ریزی، دانشکده جغرافیا
10.22034/uep.2026.580254.1879
چکیده
تحلیل فضایی-زمانی الگوهای ترافیکی تهران با استفاده از الگوریتم تحلیل نقاط داغ نوظهور (EHSA) و مکعب فضایی-زمانی

ترافیک شهری در کلان‌شهرهای معاصر یک چالش چندوجهی، پویا و غیرخطی است که پیامدهای اقتصادی، زیست‌محیطی و اجتماعی قابل توجهی دارد. کلان‌شهر تهران با جمعیت بالغ بر ۹ میلیون نفر در محدوده شهری، یکی از پیچیده‌ترین سیستم‌های ترافیکی را دارد. ترافیک این شهر تحت تأثیر عوامل متعددی از جمله تمرکز کارکردهای اداری، اقتصادی و آموزشی در هسته مرکزی، جریان‌های جمعیتی از شهرهای پیرامونی به سمت تهران، و مقررات ترافیکی نظیر طرح ترافیک و طرح زوج و فرد شکل می‌گیرد. با این وجود، درک الگوهای فضایی-زمانی تراکم ترافیک در تهران، به‌ویژه از طریق رویکردهای یکپارچه‌ای که همزمان هر دو بعد مکان و زمان را در نظر می‌گیرند، همچنان یک شکاف پژوهشی محسوب می‌شود.

هدف اصلی این پژوهش، شناسایی، تحلیل و مدل‌سازی الگوهای فضایی-زمانی تراکم ترافیک در کلان‌شهر تهران با استفاده از رویکرد نوین تحلیل نقاط داغ و سرد نوظهور (Emerging Hot Spot Analysis – EHSA) بر پایه مکعب فضایی-زمانی است. این پژوهش در پی پاسخ به سه پرسش اصلی است: الگوی فضایی-زمانی تراکم ترافیک تهران چه ساختاری دارد؟ آیا این توزیع دارای خودهمبستگی فضایی معنادار است؟ و الگوهای کانون‌های پرتراکم و کم‌تراکم در فضا و زمان چگونه توزیع شده‌اند؟

داده‌ها و روش‌شناسی

پایگاه داده پژوهش از طریق خزش سیستماتیک وب و ثبت برخط اطلاعات ترافیکی معابر شهر تهران در بازه زمانی دوم تا نهم اردیبهشت‌ماه ۱۴۰۵ گردآوری شد. در مجموع ۲۵۹ مرحله ثبت داده با فاصله زمانی تقریبی ۳۰ دقیقه انجام گرفت و حجم کل پایگاه داده به ۷٬۹۴۵٬۳۹۶ رکورد ترافیکی بالغ شد که اطلاعات وضعیت ترافیکی به‌طور متوسط ۳۰۶۶۷ معبر شهری را در هر مرحله پوشش می‌دهد. میانگین رکوردهای روزانه ۹۸۴ هزار مورد با انحراف معیار ۳۲۵ هزار بود. داده‌ها در قالب پایگاه داده GeoPackage ذخیره و پس از انتقال به فرمت Geodatabase در محیط ArcGIS Pro پردازش شدند.

روش‌شناسی پژوهش در پنج مرحله اصلی سازماندهی شد. در مرحله نخست داده‌های خام برخط استخراج و ساختاریافته شدند. مرحله دوم به پاک‌سازی، کنترل کیفیت و رفع مقادیر مفقود اختصاص یافت. در مرحله سوم داده‌های خطی شبکه معابر از طریق استخراج نقطه مرکزی هر قطعه به داده‌های نقطه‌ای تبدیل شدند. در مرحله چهارم مکعب فضایی-زمانی (Space-Time Cube) ساخته شد. در مرحله پنجم، که هسته اصلی پژوهش را تشکیل می‌دهد، سه سطح تحلیل فضایی به‌صورت تسلسلی اجرا شد: تحلیل خودهمبستگی فضایی سراسری با شاخص I موران، تحلیل خوشه‌بندی کم/زیاد (High/Low Clustering)، و تحلیل نقاط داغ نوظهور.

یافته‌ها

ساختار توصیفی توزیع ترافیک: بررسی توصیفی نشان داد که ۹۳/۶۸ درصد از معابر شهر در وضعیت ترافیک روان، ۵۹/۲۲ درصد در وضعیت نسبتاً روان، ۳۳/۵ درصد در وضعیت سنگین، ۳۰/۱ درصد در وضعیت بسیار سنگین و ۸۵/۱ درصد در وضعیت مسدود قرار داشتند. هرچند سهم بالای ترافیک روان در نگاه نخست تصویری مطلوب ارائه می‌دهد، اما این داده با توجه به ساختار شبکه معابر باید در کنار الگوی فضایی تمرکز ترافیک تفسیر شود؛ بخش عمده بار ترافیکی بر تعداد محدودی از معابر شریانی متمرکز است که این الگو با قانون پارتو در شبکه‌های ترافیکی همخوانی دارد.

خودهمبستگی فضایی: نتیجه شاخص I موران با مقدار z-score برابر ۴۱/۲۱۲ که به‌مراتب بزرگ‌تر از حد بحرانی ۵۸/۲ است، به‌صورت قاطع وجود خودهمبستگی فضایی مثبت و معنادار را در سطح اطمینان ۹۹ درصد اثبات کرد. این یافته نشان می‌دهد که توزیع تراکم ترافیک تهران از الگوی تصادفی پیروی نمی‌کند و از ساختار خوشه‌ای قوی برخوردار است. مثبت بودن z-score در تحلیل خوشه‌بندی کم/زیاد نیز تأیید کرد که این خوشه‌بندی عمدتاً ناشی از تجمع مقادیر بالا در کنار یکدیگر است، یعنی معابر پرترافیک به‌جای پراکندگی، در مجاورت هم قرار گرفته و کانون‌های فشرده ایجاد کرده‌اند. این الگو در چارچوب نظریه مرکز-پیرامون و مدل شهر تک‌مرکزی قابل تبیین است.

الگوهای EHSA: مهم‌ترین یافته‌های پژوهش از تحلیل EHSA حاصل شد که هشت الگوی متمایز فضایی-زمانی را در قالب کانون‌های داغ و سرد آشکار ساخت:

در میان کانون‌های داغ، الگوی کانون داغ پایدار (۰۸/۴ درصد) در بخش عمده منطقه ۱۰، شرق منطقه ۹ و غرب منطقه ۱۱ شناسایی شد. این محدوده با بافت فشرده و قدیمی، تنوع کاربری متراکم، تلاقی بزرگراه‌های اصلی و جمعیت شناور بالا، به‌عنوان بحرانی‌ترین کانون ترافیکی تهران در طول کل دوره مطالعاتی عمل کرده است. الگوی کانون داغ تشدیدی (۳/۱ درصد) در انتهای غربی مناطق ۲۱ و ۲۲ شناسایی شد که در آن شدت ترافیک روند افزایشی مداوم دارد؛ این یافته هشداردهنده‌ترین نتیجه پژوهش است و نشان‌دهنده گذار این محدوده به سمت بحران ترافیکی است که با توسعه سریع شهرک‌های مسکونی نظیر چیتگر در این محدوده ارتباط مستقیم دارد. الگوی کانون داغ نوسانی (۶۱/۷ درصد) و کانون داغ پراکنده (۶۴/۳ درصد) در مجموع بیش از ۱۱ درصد از واحدهای فضایی را پوشش می‌دهند و به‌صورت حلقه‌ای در اطراف کانون داغ پایدار مرکزی توزیع شده‌اند. الگوی کانون داغ کاهشی (۱/۰ درصد) در محلات جنوب فرودگاه مهرآباد شناسایی شد.

در میان کانون‌های سرد، الگوی سرد پراکنده با ۳۴/۱۳ درصد گسترده‌ترین الگو بوده و عمدتاً مناطق ۲۲، ۲۰ و بخش‌هایی از مناطق ۴، ۱۵ و ۱۸ را دربر می‌گیرد. الگوی سرد نوسانی (۵۸/۱۱ درصد) شامل محدوده‌های حاشیه‌ای در مناطق ۵، ۲، ۴، ۱۹ تا ۲۲ است. الگوی سرد کاهشی (۶۴/۳ درصد) تقریباً کل منطقه ۲۱ را پوشش داده و نشان‌دهنده تضعیف تدریجی روانی ترافیک در این محدوده است. الگوهای سرد پایدار (۳۲/۲ درصد) و سرد تشدیدی (۹۸/۲ درصد) در حاشیه‌های شهر از جمله شرق منطقه ۴، محله شریف و شهرک رسالت شناسایی شدند.

جمع‌بندی الگوهای EHSA یک ساختار فضایی هم‌مرکز چهارحلقه‌ای را در ترافیک تهران آشکار می‌سازد: هسته بحرانی پایدار در مرکز، حلقه گذار با الگوهای نوسانی و پراکنده در پیرامون آن، ناحیه میانی با کانون‌های سرد پراکنده و نوسانی، و در نهایت حاشیه‌های شهر با الگوهای سرد پایدار و تشدیدی. این ساختار از الگوی مرکز-پیرامونی پیروی می‌کند و شدت تراکم ترافیک با حرکت از مرکز به پیرامون به‌طور تدریجی کاهش می‌یابد.

نتیجه‌گیری

ترکیب داده‌های برخط وب با رویکرد EHSA در محیط ArcGIS Pro یک چارچوب تحلیلی کارآمد، مقیاس‌پذیر و بازتولیدپذیر برای پایش پیوسته ترافیک شهری فراهم می‌آورد. مهم‌ترین دلالت مدیریتی این پژوهش در سه محور قابل خلاصه است: نخست، تمرکز فوری سیاست‌گذاری بر هسته مرکزی تهران از طریق مدیریت تقاضای سفر، ارتقای حمل‌ونقل عمومی و بازتوزیع کاربری‌ها؛ دوم، اقدام پیشگیرانه در مناطق ۲۱ و ۲۲ پیش از تبدیل آن‌ها به کانون‌های بحرانی جدید؛ و سوم، طراحی راهبردهای ترافیکی متمایز و زمان‌مند برای نواحی حلقوی گذار که به تغییرات ساعتی و روزانه حساسیت بالایی نشان می‌دهند. تطابق یافته‌های این پژوهش با نتایج مطالعات مشابه در کلان‌شهرهای دیگر اعتبار روش‌شناختی EHSA را در تحلیل ترافیک شهری تأیید می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Spatio-Temporal Analysis of Traffic Patterns in Tehran City Using Emerging Hot Spot Analysis (EHSA) Algorithm and Space-Time Cube

نویسنده English

Hassanali ّFaraji Sabokbar
Human geography and planning dep. Faculty of geography
چکیده English

Introduction

Urban traffic in contemporary metropolises represents a multidimensional, dynamic, and nonlinear challenge with significant economic, environmental, and social consequences. Tehran metropolis, with a population exceeding 9 million within the city boundary possesses one of the most complex traffic systems. Traffic conditions in this city are shaped by a confluence of factors, including the concentration of administrative, economic, and educational functions within the urban core; population flows from surrounding cities toward Tehran; and regulatory measures such as the Traffic Scheme and the Odd-Even Vehicle Restriction Plan. Despite this complexity, a comprehensive understanding of the spatio-temporal patterns of traffic congestion in Tehran - particularly through integrated approaches that simultaneously address both spatial and temporal dimensions - remains a notable gap in the research literature.

The primary objective of this study is to identify, analyze, and model the spatio-temporal patterns of traffic congestion in Tehran metropolis using the novel Emerging Hot Spot Analysis (EHSA) approach, built upon a Space-Time Cube framework. The research seeks to answer three core questions: What structural form do the spatio-temporal patterns of traffic congestion in Tehran take? Does this distribution exhibit statistically significant spatial autocorrelation? And how are high-density and low-density traffic clusters distributed across space and time?

Data and Methodology

The research database was assembled through systematic web crawling and real-time online recording of traffic data across Tehran's road network during the period from April 22 to April 29, 2026. A total of 259 data collection rounds were conducted at approximately 30-minute intervals, yielding a cumulative dataset of 7,945,396 traffic records covering an average of 30,667 road segments per round. The daily mean record count was 984,000 with a standard deviation of 325,000. Data were stored in a GeoPackage database format and subsequently converted to Geodatabase format for processing within the ArcGIS Pro environment.

The research methodology was structured across five sequential stages. In the first stage, raw online traffic data were extracted and organized into a structured format. The second stage was dedicated to data cleaning, quality control, and imputation of missing values. In the third stage, linear road network data were converted to point data through centroid extraction for each road segment. The fourth stage involved the construction of the Space-Time Cube. The fifth and central stage of the research executed three levels of spatial analysis in sequence: global spatial autocorrelation analysis using Moran's I index; High/Low Clustering analysis; and Emerging Hot Spot Analysis (EHSA).

Resulsts

Descriptive Structure of Traffic Distribution: Descriptive analysis revealed that 68.93% of road segments operated under low-flow conditions, 22.59% under near-free-flow conditions, 5.33% under heavy traffic, 1.30% under server traffic, and 1.85% were close during the study period. While the high proportion of free-flow conditions may initially suggest a favorable overall traffic situation, these figures must be interpreted in light of the spatial concentration patterns of traffic load. The bulk of the traffic burden is concentrated on a limited number of arterial corridors - a pattern consistent with what is known in transport planning literature as the Pareto principle in traffic networks, whereby approximately 20% of roads bear 80% of the total traffic load.

Spatial Autocorrelation: The Moran's I analysis yielded a z-score of 212.41, substantially exceeding the critical threshold of 2.58, thereby conclusively establishing the presence of statistically significant positive spatial autocorrelation at the 99% confidence level. This finding demonstrates that the spatial distribution of traffic congestion in Tehran does not follow a random pattern, but instead exhibits a strong clustering structure. The positive z-score obtained from the High/Low Clustering analysis further confirmed that this clustering is primarily driven by the co-location of high traffic values — that is, congested road segments tend to aggregate spatially rather than disperse, forming dense traffic hotspot clusters. This pattern is theoretically interpretable within the frameworks of the center-periphery theory and the monocentric city model.

EHSA Patterns: The most substantive findings of the study emerged from the EHSA, which identified eight distinct spatio-temporal pattern classes organized into hot spot and cold spot categories.

Among hot spot patterns, the Persistent Hot Spot pattern (4.08%) was identified across most of District 10, the eastern portion of District 9, and the western portion of District 11. This area, characterized by dense and aging urban fabric, a high-intensity mix of residential, commercial, and administrative land uses, convergence of major highways, and a large floating population, functioned as the most critical and consistently congested traffic node throughout the entire study period. The Intensifying Hot Spot pattern (1.3%) was identified in the western extremity of Districts 21 and 22, where traffic intensity exhibited a continuous upward trend — the most alarming finding of the study, indicating that this zone is undergoing a transition toward a future traffic crisis, directly linked to rapid residential development projects such as Chitgar Township and the Persian Gulf Martyrs Lake complex. The Oscillating Hot Spot (7.61%) and Sporadic Hot Spot (3.64%) patterns together account for more than 11% of spatial units and form a concentric ring around the central persistent hot spot zone, representing transitional areas between the congested core and the more fluid periphery. The Diminishing Hot Spot pattern (0.1%) was identified in neighborhoods south of Mehrabad Airport.

Among cold spot patterns, the Sporadic Cold Spot (13.34%) was the most spatially extensive, predominantly encompassing Districts 22 and 20 along with parts of Districts 4, 15, and 18. The Oscillating Cold Spot (11.58%) covered peripheral zones in Districts 5, 2, 4, and 19 through 22. The Diminishing Cold Spot (3.64%) covered nearly the entirety of District 21, indicating a gradual deterioration of free-flow conditions in this area. The Persistent Cold Spot (2.32%) and Intensifying Cold Spot (2.98%) patterns were identified along the urban fringe in areas including the eastern part of District 4, the Sharif neighborhood in western Tehran, and the Resalat Township in the south.

Overall Spatial Structure Identified

The synthesis of EHSA patterns reveals a four-ring concentric spatial structure in Tehran's traffic geography: a persistent critical core at the center; a transitional ring of oscillating and sporadic hot spots in the immediate surroundings; a middle zone of sporadic and oscillating cold spots; and, finally, the urban fringe characterized by persistent and intensifying cold spot patterns. This structure follows a center-periphery model in which traffic congestion intensity diminishes progressively as distance from the urban core increases.

Conclusions and Implications

The integration of real-time web-crawled data with the EHSA approach within the ArcGIS Pro environment provides an efficient, scalable, and reproducible analytical framework for continuous urban traffic monitoring. The principal planning and management implications of this research can be summarized across three axes. First, immediate policy prioritization on Tehran's urban core is warranted, through travel demand management, public transport enhancement, and land use redistribution. Second, proactive intervention in Districts 21 and 22 is urgently needed to prevent their transformation into new critical congestion nodes. Third, distinct and time-sensitive traffic management strategies must be designed for the transitional ring zones, which exhibit high sensitivity to hourly and daily fluctuations. The alignment of this study's findings with results from comparable research in major international metropolises validates the methodological applicability of EHSA as a standard analytical instrument for urban traffic analysis.

کلیدواژه‌ها English

Spatio-temporal analysis
urban traffic congestion
Emerging Hot Spot Analysis (EHSA)
Space-Time Cube

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 17 خرداد 1405

  • تاریخ دریافت 13 اردیبهشت 1405
  • تاریخ بازنگری 07 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 17 خرداد 1405