城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真

宋成舉，張亞平，姜 莉

(1. 黑龍江工程學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150050；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真

宋成舉1,2，張亞平2，姜 莉1

(1. 黑龍江工程學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150050；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

城市公交系統(tǒng)是由公交出行者、公交運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)和公交管理者3個(gè)主體構(gòu)成的多變量、非線(xiàn)性的復(fù)雜巨系統(tǒng)，不同發(fā)展策略對(duì)各主體的影響不同。根據(jù)城市公交系統(tǒng)在系統(tǒng)中的作用將公交系統(tǒng)劃分為公交需求子系統(tǒng)、公交供給子系統(tǒng)和公交吸引能力子系統(tǒng)。采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，建立城市公共交通系統(tǒng)變量間的因果關(guān)系圖和流圖，分析并確定城市公交系統(tǒng)常用的3種發(fā)展策略方案，以哈爾濱市公共交通系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)不同發(fā)展策略下的城市公交系統(tǒng)發(fā)展情況進(jìn)行仿真，得出客運(yùn)量、擁擠程度和分擔(dān)率的變化趨勢(shì)，評(píng)價(jià)不同發(fā)展策略的實(shí)施效果。

公共交通系統(tǒng)；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；客運(yùn)量；發(fā)展策略；建模；仿真

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的不斷增加，城市道路負(fù)荷日益嚴(yán)重，許多城市都正在或陸續(xù)將面臨機(jī)動(dòng)化日益嚴(yán)重而引發(fā)的各種交通問(wèn)題。而完善的城市公共交通系統(tǒng)已經(jīng)成為各國(guó)所公認(rèn)的解決城市交通問(wèn)題的首選方法。發(fā)展高效協(xié)調(diào)的城市公共交通系統(tǒng)是城市發(fā)展的必然趨勢(shì)和客觀需要。關(guān)于城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略的研究已有一些成果。何顯慈結(jié)合長(zhǎng)沙市公共交通系統(tǒng)論述了城市公共交通系統(tǒng)的自適應(yīng)控制過(guò)程[1]；毛志宏研究了城市公交系統(tǒng)的空間合理性，并分析了公交供給的合理匹配問(wèn)題[2]；陳寬民分析了城市快速軌道交通與常規(guī)公共交通之間的定價(jià)博弈，并給出了二者定價(jià)的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程[3]；王煒從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供給與需求的協(xié)調(diào)關(guān)系出發(fā)，給出了公共交通系統(tǒng)服務(wù)水平的模糊聚類(lèi)分析方法[4]；劉惠玲建立了城市公交系統(tǒng)模型，并給出了北京公交系統(tǒng)的政策建議[5]；孫廣林應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論分析了不同的公交價(jià)格組合策略對(duì)公交系統(tǒng)發(fā)展的影響[6]；唐旭南分析了城市公交系統(tǒng)的能源消耗結(jié)構(gòu)，并給出了結(jié)構(gòu)調(diào)整的合理化建議[7]。

發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)需要兼顧多方面的利益[8-9]。本文將城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行分析，建立城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比不同發(fā)展情境下城市公共交通系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，并進(jìn)行仿真和評(píng)價(jià)。

1 城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

1.1 發(fā)展策略的目標(biāo)和邊界

城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略的目標(biāo)是通過(guò)提高公交系統(tǒng)的供給，改善公交服務(wù)，協(xié)調(diào)公共交通與其它客運(yùn)交通方式等方法，突出并強(qiáng)化城市公共交通系統(tǒng)在解決城市居民出行上的引導(dǎo)作用[10]。因此，研究城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略是分析公交系統(tǒng)供給、居民出行需求、管理決策等多方面因素的影響，主要解決公共交通系統(tǒng)客運(yùn)量和公共交通系統(tǒng)群眾滿(mǎn)意度的變化趨勢(shì)。

城市公共交通系統(tǒng)的邊界為發(fā)展策略所包括的系統(tǒng)變量要素，為了研究城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略對(duì)城市公共交通系統(tǒng)尤其是客運(yùn)量的影響，將其分為公交需求子系統(tǒng)、公交供給子系統(tǒng)和公交吸引能力子系統(tǒng)。

1.2 城市公共交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

城市公共交通系統(tǒng)包括公交出行者(居民)、公交運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)(車(chē)輛及線(xiàn)路)、公交管理者(政府)3部分，公交吸引能力是銜接公交出行及公交運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是作為公交管理者最關(guān)心的環(huán)節(jié)。城市公共交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展結(jié)構(gòu)關(guān)系

2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論創(chuàng)立于20世紀(jì)50年代，是一門(mén)用來(lái)認(rèn)識(shí)系統(tǒng)問(wèn)題和解決系統(tǒng)問(wèn)題的交叉綜合學(xué)科。而城市公共交通系統(tǒng)涵蓋了基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)營(yíng)管理、車(chē)輛調(diào)度等多個(gè)問(wèn)題的綜合系統(tǒng)。

從圖1可以看出，在城市公共交通系統(tǒng)中，政府起著媒介的作用，不但可以調(diào)整居民需求，也能夠改變公交系統(tǒng)供給，這些都是通過(guò)提供相應(yīng)的政策保障來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而達(dá)到促進(jìn)公共交通系統(tǒng)發(fā)展的目的，但最終城市公共交通系統(tǒng)仍然要通過(guò)出行需求與出行供給這兩個(gè)最直接的市場(chǎng)調(diào)節(jié)變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。而實(shí)現(xiàn)這一平衡的就是公交吸引能力。

2.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)變量分析與確定

本文建立了涵蓋公共交通出行需求、公共交通出行供給、公共交通吸引能力與政府政策保障體系的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。其中公共交通出行需求通過(guò)人口數(shù)與人均出行強(qiáng)度來(lái)描述；公共交通出行供給通過(guò)公交車(chē)輛總數(shù)、公交線(xiàn)網(wǎng)密度來(lái)描述；公共交通吸引能力通過(guò)價(jià)格滿(mǎn)意度、乘坐條件滿(mǎn)意度、管理服務(wù)滿(mǎn)意度、協(xié)作換乘滿(mǎn)意度和特色服務(wù)滿(mǎn)意度來(lái)描述；政府政策保障體系采用政策修正系數(shù)來(lái)描述。

城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略模型所包含的變量如表1所示。

表1 城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略模型變量

在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型變量的選取過(guò)程中，本文將滿(mǎn)意度定義為狀態(tài)變量，即城市公共交通系統(tǒng)可以通過(guò)各種方法來(lái)改變居民出行的滿(mǎn)意度，從而達(dá)到增強(qiáng)城市公共交通自身吸引能力的目的，而增加的客運(yùn)量又導(dǎo)致供需矛盾的突出，從而使得城市公共交通系統(tǒng)始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程中；選擇公交車(chē)輛的平均擁擠程度作為輔助變量，該變量會(huì)影響居民出行的滿(mǎn)意度。

2.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的選取及變量關(guān)系的確定

2.2.1 人口數(shù)、公交線(xiàn)網(wǎng)密度、平均出行次數(shù)、公交車(chē)輛總數(shù)

根據(jù)具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)景規(guī)劃數(shù)據(jù)，建立各變量與時(shí)間的表函數(shù)關(guān)系。

2.2.2 擁擠程度

擁擠程度是指在單個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，平均每輛運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的客運(yùn)量與運(yùn)營(yíng)能力的比值。它反映了公共交通系統(tǒng)的供給能力對(duì)其乘客滿(mǎn)意度的影響程度。當(dāng)城市公共交通系統(tǒng)的擁擠程度較高時(shí)，表明系統(tǒng)的供給能力不足；當(dāng)城市公共交通系統(tǒng)的擁擠程度較低時(shí)，表明城市公共交通系統(tǒng)的車(chē)輛利用率較低，說(shuō)明供給充分，資源存在浪費(fèi)，但乘客的滿(mǎn)意度會(huì)得到提高，公共交通系統(tǒng)吸引能力會(huì)得到提高，以吸引更多的客流。即

(1)

式中：clrl為公共交通車(chē)輛的滿(mǎn)載容量，取90人/輛。

2.2.3 政策修正系數(shù)、便利程度、供給水平

上述三者為影響城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展的環(huán)境因素,這些因素是政府管理部門(mén)和運(yùn)營(yíng)部門(mén)所關(guān)心的，在短期內(nèi)變化不大。其中政策修正系數(shù)主要是政府對(duì)于城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展的政策支持程度；便利程度采用公交線(xiàn)網(wǎng)密度指標(biāo)來(lái)衡量；供給水平采用萬(wàn)人公交擁有量來(lái)衡量。

2.2.4 客運(yùn)量

城市公共交通系統(tǒng)客運(yùn)量是公交系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及遠(yuǎn)景規(guī)劃的主要技術(shù)依據(jù)和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，是合理制定公交發(fā)展規(guī)劃的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是進(jìn)行公交發(fā)展決策的重要依據(jù)。因此，客運(yùn)量作為衡量城市公交系統(tǒng)發(fā)展的核心變量。

kyl=rks×pjcx×∏fi×∑(wj·xj).

(2)

式中：fi為第i種修正系數(shù)；xj為第j個(gè)滿(mǎn)意度指標(biāo)；wj為第j個(gè)滿(mǎn)意度指標(biāo)的權(quán)重。

2.2.5 分擔(dān)率

城市公共交通系統(tǒng)的分擔(dān)率是用來(lái)描述公共交通系統(tǒng)在居民出行中所占的比例，反映了城市中公共交通系統(tǒng)的地位和作用，特別是在強(qiáng)調(diào)“公交優(yōu)先”發(fā)展的當(dāng)下，分擔(dān)率更是成為城市公交系統(tǒng)管理者最為關(guān)心的指標(biāo)。城市公共交通系統(tǒng)的分擔(dān)率=公共交通系統(tǒng)出行量/出行總量，即

(3)

根據(jù)上述參數(shù)及變量關(guān)系，借助Vensim_PLE軟件建立城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展流圖,如圖2所示。

圖2 城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展流圖

圖2以客運(yùn)量、擁擠程度和分擔(dān)率為核心指標(biāo)，建立了模擬城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程的因果關(guān)系網(wǎng)，為后續(xù)模型驗(yàn)證及發(fā)展策略分析提供基礎(chǔ)。

3 仿真預(yù)測(cè)

3.1 模型參數(shù)及檢驗(yàn)

1)模型參數(shù)。通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷的形式調(diào)查居民滿(mǎn)意度，共發(fā)放問(wèn)卷104份，回收96份，有效問(wèn)卷92份，有效率95.8%，調(diào)查對(duì)象主要為哈爾濱公共交通系統(tǒng)的使用者。采用Delphi法得到專(zhuān)家對(duì)各滿(mǎn)意度因素的權(quán)重，調(diào)查專(zhuān)家主要來(lái)自哈爾濱地區(qū)的公交公司、政府部門(mén)和大專(zhuān)院校。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，得到模型中各水準(zhǔn)變量的初值及權(quán)重，見(jiàn)表2。

表2 滿(mǎn)意度變量的初值及權(quán)重匯總

采用哈爾濱統(tǒng)計(jì)局公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(2006—2009年)和《哈爾濱市公共交通發(fā)展規(guī)劃》標(biāo)定模型參數(shù)及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程中的表函數(shù)。

2)模型檢驗(yàn)。為了檢驗(yàn)所建立模型更好地符合實(shí)際情況，選取公交客運(yùn)量作為檢驗(yàn)指標(biāo)，模擬2006—2009年日均客運(yùn)量的預(yù)測(cè)結(jié)果與公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，具體的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 模型檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3模型檢驗(yàn)結(jié)果，城市公共交通系統(tǒng)客運(yùn)量的預(yù)測(cè)誤差均在5%以?xún)?nèi)，可信度較高。因此，可以使用該模型進(jìn)行城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展的預(yù)測(cè)與分析。

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)輸入數(shù)據(jù)，利用所建模型，可得2006—2020年分擔(dān)率、擁擠程度和客運(yùn)量三參數(shù)的變化趨勢(shì)，如圖3所示。

圖3 2006～2020年模型參數(shù)預(yù)測(cè)趨勢(shì)

從預(yù)測(cè)趨勢(shì)圖中可以看出，分擔(dān)率與客運(yùn)量的變化趨勢(shì)基本相同，且在遠(yuǎn)景2020年城市公共交通系統(tǒng)的分擔(dān)率可達(dá)63.6%。

4 發(fā)展策略對(duì)比

4.1 城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略

結(jié)合圖1，可以看出城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展所采取的基本發(fā)展策略主要有：提高公交系統(tǒng)吸引能力，增加基礎(chǔ)設(shè)施供給和加大政府支持力度四大類(lèi)。基于此，本文設(shè)計(jì)四種典型公交系統(tǒng)發(fā)展策略。

策略1：自2013年開(kāi)始，通過(guò)改善管理水平和乘坐條件等方法，每年使居民滿(mǎn)意度提高10%。

策略2：自2013年開(kāi)始，通過(guò)增加公交線(xiàn)路條數(shù)或限制建成區(qū)發(fā)展規(guī)模等方法，每年使線(xiàn)網(wǎng)密度增加10%。

策略3：自2013年開(kāi)始，政府通過(guò)加大公交補(bǔ)貼或增加公交優(yōu)先通行力度等政策，每年提高政府政策修正系數(shù)約10%。

4.2 仿真結(jié)果分析

1)客運(yùn)量。不同策略下客運(yùn)量變化的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同發(fā)展策略下客運(yùn)量仿真結(jié)果

通過(guò)圖4可以看出，3種策略對(duì)于城市公交系統(tǒng)客運(yùn)量具有明顯改善，分別提高了0.98%、4.59%和4.58%。但從變化過(guò)程來(lái)看，策略2的改善效果較為溫和，這是因?yàn)閷?duì)于公交系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的改善往往需要較長(zhǎng)的建設(shè)周期。

2)擁擠程度。不同策略下?lián)頂D程度變化的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同發(fā)展策略下的擁擠程度變化對(duì)比

通過(guò)圖5可以看出，3種策略在實(shí)施過(guò)程中由于客運(yùn)量和車(chē)輛供給的變化，使得車(chē)輛的擁擠程度也發(fā)生了變化，但總體趨勢(shì)是先下降后上升。這是由于前期公交系統(tǒng)的車(chē)輛供給速度要高于客運(yùn)量的增長(zhǎng)速度，后期盡管客運(yùn)量的增長(zhǎng)也較前期慢，但由于車(chē)輛的增長(zhǎng)更低，使得車(chē)輛的擁擠程度進(jìn)一步提高，但都在允許范圍內(nèi)。

3)分擔(dān)率。不同策略下分擔(dān)率變化的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同發(fā)展策略下的分擔(dān)率變化對(duì)比

通過(guò)圖6可以看出，3種策略對(duì)于分擔(dān)率的改變與客運(yùn)量的改變趨勢(shì)基本相同，主要是因?yàn)榭瓦\(yùn)量與分擔(dān)率之間是高度相關(guān)的。

城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展的目的是通過(guò)增強(qiáng)城市公共交通系統(tǒng)的服務(wù)水平，達(dá)到改善城市居民的出行結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)城市居民選擇公共出行方式，提高公共交通系統(tǒng)分擔(dān)率的目的。因此，可以利用公交分擔(dān)率來(lái)對(duì)城市公交系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合各種策略對(duì)于城市公交系統(tǒng)的改善數(shù)據(jù)，可以看出，各策略對(duì)于城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展單一影響的評(píng)價(jià)結(jié)果如下：策略2最優(yōu)，策略3次之，策略1稍差。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展策略，本文在分析城市公共交通系統(tǒng)因果關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立了城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展模型，對(duì)公交系統(tǒng)發(fā)展策略進(jìn)行了仿真和評(píng)價(jià)，得出了城市公共交通系統(tǒng)在不同發(fā)展策略下的實(shí)施效果。研究結(jié)果表明：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論可以較好地描述城市公交系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，且從單一發(fā)展策略來(lái)講，提高公交現(xiàn)網(wǎng)密度可以顯著地提高公交系統(tǒng)的客運(yùn)量及分擔(dān)率。

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Modelingandsimulationforthedevelopmentstrategyofurbanpublictransitsystemusingsystemdynamics

SONG Chen-gju1，2, ZHANG Ya-ping2, JIANG Li1

(1.College of Automobile and Transportation Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China;2.School of Traffic Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

The urban public transit system is a nonlinear complex giant system composed of public transit traveler, public transit operation system and public transit managers. Different development strategy has different affect on each of the main. According to the role of urban public transit in the system, the public transit system is divided into three parts, which is public transit demand subsystem, public transit supply subsystem and public transit attracting ability subsystem. The system dynamics is adopted to establish the Causal relationship diagram and flow diagram among the variables of urban public transit. Three development strategy programs are proposed and analyzed. Based on the statistics in Harbin, simulation is made on the different development strategies. The trends of passenger traffic, the crowded extent and contribution rate are obtained to evaluate the implementation effect.

public transit system;system dynamics;passenger traffic;development strategy;modeling;simulation

2013-07-03

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(12521451)

宋成舉(1983-)，男，講師，研究方向：綜合交通規(guī)劃；交通安全.

U491

A

1671-4679(2014)01-0015-05

郝麗英]