交通需求管理視角下我國低碳農(nóng)村物流系統(tǒng)優(yōu)化

姚冠新 邊曉雨 何勇

摘 要：文章從交通需求管理的角度出發(fā)，運用四階段法對農(nóng)村物流的需求進行預(yù)測并根據(jù)Wardrop第一原則合理分配物流需求以降低運輸碳排放量，并用TransCAD的算例得出路網(wǎng)V/C、V主題圖證實其可行性。

關(guān)鍵詞：交通需求管理；低碳農(nóng)村物流；四階段法

中圖分類號：F406.5 文獻標識碼：A

Abstract： From the traffic demand management point of view， using the four stage method of rural logistics demand forecast based on Wardrop first principle of reasonable distribution of logistics demand in order to reduce transport carbon emissions， and use TransCAD example solutions to network V/C， V themes demonstrate its feasibility.

Key words： transportation demand management； low carbon rural logistics； four stage method

0 引 言

我國經(jīng)濟發(fā)展正處于高速上升階段，國民的生活條件也隨之改善和提高，更表現(xiàn)出對高質(zhì)量生活的追求。近年來，可持續(xù)性發(fā)展作為國家政策已經(jīng)滲透進我國的方方面面，而低碳經(jīng)濟的觀念也同時影響著人們的生活方式。低碳經(jīng)濟觀念與農(nóng)村物流結(jié)合所誕生的低碳農(nóng)村物流被認為是滿足人們對高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的需求和實現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟健康穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。但是我國物流的技術(shù)、觀念和基礎(chǔ)設(shè)施仍比較落后，其發(fā)展水平也處于初級階段，無法滿足人們的高需求。因此，為了實現(xiàn)低碳農(nóng)村物流、響應(yīng)國家三農(nóng)政策的號召、促進農(nóng)村經(jīng)濟高速可持續(xù)發(fā)展等目的[1]，對農(nóng)村物流的未來發(fā)展進行合理規(guī)劃是必不可少的?；谝陨显?，筆者認為基于交通需求管理視角，利用四階段法對農(nóng)村物流的需求進行預(yù)測并以此提出建議和對策，可以為低碳農(nóng)村物流的發(fā)展提供一些幫助。

目前學(xué)術(shù)界對低碳農(nóng)村物流研究較少，對其定義并沒有得出明確結(jié)論。但綜合低碳物流和農(nóng)村物流兩者的定義來說，本文認為其定義是指通過先進的技術(shù)與物流管理水平相結(jié)合來提高農(nóng)村經(jīng)濟活動區(qū)域的物流效率并降低溫室氣體的排放量。其最終目的是促進農(nóng)村經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展，即經(jīng)濟發(fā)展是主導(dǎo)，物流的發(fā)展水平要與日益發(fā)展的市場需求相符合[2]。

在交通需求管理中，貨運交通需求管理的目的，是為了在滿足貨物運輸需求的前提下盡可能減少多余的貨物出行，以便合理安排有限的交通資源并減少貨物出行給交通網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境帶來的影響[3]。

綜上所述，在低碳經(jīng)濟大趨勢下，建設(shè)低碳農(nóng)村物流系統(tǒng)的目標是為了提高資源利用率，降低碳排放量，形成經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一，這與貨運交通需求管理的目標基本一致。同時，運輸功能和倉儲功能作為物流系統(tǒng)的六個基本功能中最重要的兩個功能，與農(nóng)村貨運系統(tǒng)緊密相連。因此，農(nóng)村貨運系統(tǒng)和農(nóng)村物流相輔相成，在促進農(nóng)村貨運交通系統(tǒng)的綠色化與低碳化的發(fā)展時也推動了低碳農(nóng)村物流的發(fā)展。

1 四階段法的應(yīng)用

在貨運交通需求管理中，對物流需求的預(yù)測是能否優(yōu)化物流基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和實現(xiàn)減少能源損耗、降低碳排放量的前提和基礎(chǔ)，所以準確的物流需求預(yù)測對實現(xiàn)低碳農(nóng)村物流有重要意義。目前，四階段法作為交通需求管理中較為成熟的科學(xué)方法被廣泛運用到城市客運交通規(guī)劃測量中，鑒于貨運交通需求和客運交通需求具有一定的相似性，本文認為將傳統(tǒng)四階段法應(yīng)用到物流需求預(yù)測上有助于低碳農(nóng)村物流系統(tǒng)的優(yōu)化。

1.1 交通規(guī)劃的四階段法

20世紀60年代，美國聯(lián)邦新公路法的出臺促進了交通規(guī)劃四階段法的形成和發(fā)展。在其萌芽階段，交通規(guī)劃四階段法并不是四個階段的預(yù)測，而是只有交通發(fā)生、交通分布、交通分配。但是在隨后不久，日本有關(guān)學(xué)者認為交通方式劃分預(yù)測對交通規(guī)劃有重大現(xiàn)實意義并將其運用到城市交通的規(guī)劃中。至此，交通規(guī)劃四階段預(yù)測法最終演變的結(jié)果如圖1所示。

1.2 低碳農(nóng)村物流需求預(yù)測和傳統(tǒng)城市交通需求預(yù)測方法的不同

農(nóng)村交通規(guī)劃相對于城市交通規(guī)劃來說不是完全相同的，落后的農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施及農(nóng)村物流的重視程度導(dǎo)致預(yù)測所需資料的獲取難度相對較高。其次，由于貨運交通規(guī)劃與客貨運交通規(guī)劃之間也存在著一定的差異性，在需求預(yù)測的過程中，兩者所涉及的影響因素并不相同，不能簡單的將城市客運交通規(guī)劃四階段法的某些方法和模型直接套用在低碳農(nóng)村物流需求預(yù)測中。因此，為了更加準確地反應(yīng)農(nóng)村物流的真實情況和更合理的物流需求分配以實現(xiàn)低碳農(nóng)村物流系統(tǒng)的優(yōu)化，運用物流需求預(yù)測的四階段法是必不可少的。

2 基于四階段法的低碳農(nóng)村物流需求預(yù)測

2.1 低碳農(nóng)村物流總量預(yù)測

低碳農(nóng)村物流總量預(yù)測是指對農(nóng)村整個區(qū)域內(nèi)的吸引和發(fā)生的總物流量進行預(yù)測，其本質(zhì)是通過對整個農(nóng)村物流需求影響因素進行分析，構(gòu)建物流生成模型，預(yù)測出物流發(fā)生量和吸引量?？紤]到農(nóng)村地區(qū)的基礎(chǔ)資料收集較為困難且增長趨勢情況比較難把握，本文采用彈性系數(shù)法，即運用因變量的百分數(shù)與自變量變化的百分數(shù)之比來計算預(yù)期物流總需求，這種方法反映了自變量對因變量的影響程度[4]。這種預(yù)測方法，關(guān)鍵在于彈性系數(shù)的選取以及自變量未來值的預(yù)測。

式中：Q為預(yù)期物流總需求；Q為預(yù)測對象基年物流需求量；D為目標年物流量增長率；L為預(yù)測時間長度；E為彈性系數(shù)；Υ為預(yù)期年國民經(jīng)濟增長率；b為基年物流增長率；γ為基年國民經(jīng)濟增長率。這個公式的思路是根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測出區(qū)域內(nèi)目標年GDP的增長率Υ，用物流增長率b與基年GDP增長率γ建立回歸模型求出相應(yīng)的彈性系數(shù)，然后根據(jù)目標年GDP的增長率與相應(yīng)的彈性系數(shù)確定目標年的物流增長率D，從而求出目標年的物流需求量Q。

2.2 各區(qū)域或行政村物流量預(yù)測

區(qū)域或行政村（為了避免歧義用區(qū)域或行政村代替交通規(guī)劃中的小區(qū)）的位置、性質(zhì)和面積等都會對農(nóng)村物流需求總量在各區(qū)域分配起到一定的作用。所以，各區(qū)域物流產(chǎn)生和吸引量預(yù)測可將現(xiàn)有數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)并根據(jù)各區(qū)域的位置、性質(zhì)和面積等來確定各規(guī)劃區(qū)域的貨運產(chǎn)生、吸引相對權(quán)數(shù)。各區(qū)域或行政村物流產(chǎn)生量預(yù)測模型如下：

式中：Q為j區(qū)域的物流生成量；W為j區(qū)域的物流生成相對權(quán)值；A為j區(qū)域的用地面積；Q為農(nóng)村物流需求總量。該公式中各區(qū)域的物流生成相對權(quán)值是根據(jù)所測量的具體情況而定，一般可以通過調(diào)查問卷、可比地區(qū)的相關(guān)資料以及專家測評等方式對各個區(qū)域的地理位置、用地性質(zhì)等來確定相對權(quán)值[5]。

2.3 物流分布預(yù)測

物流分布預(yù)測是利用各區(qū)域現(xiàn)有的物流生成量以及空間阻抗來預(yù)測各區(qū)域的物流出行分布量?，F(xiàn)有方法中，重力模型法認為應(yīng)用各區(qū)域間的出行數(shù)與出發(fā)區(qū)的物流發(fā)生量和到達區(qū)的吸引量各成正比，而與各區(qū)域間的行程時間（或費用、距離等）成反比。該模型考慮的因素較多，能相對精確地反映各區(qū)域之間的物流分布變化。在重力模型的約束方式中，雙約束重力模型綜合考慮了出行產(chǎn)生量和出行吸引量的限制，比較符合實際情況，其模型如下：

式中：T為從i區(qū)域到j(luò)區(qū)域的出行分布量；P為i區(qū)域的出行產(chǎn)生量；A為j區(qū)域的出行吸引量；f

I為i區(qū)域到j(luò)區(qū)域之間的交通阻抗系數(shù)；a為區(qū)域i出行產(chǎn)生量的調(diào)整系數(shù)；b為區(qū)域j的出行吸引量的調(diào)整系數(shù)；b為待定系數(shù)。該公式是考慮到，GAMMA函數(shù)可克服指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)由于交通分區(qū)之間的距離過小而造成的分配量過大的弊端[6]，符合現(xiàn)實意義。

2.4 物流運輸方式劃分

農(nóng)村物流運輸方式劃分中，農(nóng)村區(qū)域內(nèi)的物流運輸主要是通過公路運輸，而對外運輸則主要由公路、鐵路以及水路等多種方式承擔(dān)。物流運輸模式分擔(dān)模型可采用轉(zhuǎn)移曲線模型和概率模型。其中轉(zhuǎn)移曲線模型是最為直觀和簡單，只需收集相應(yīng)地區(qū)的統(tǒng)計資料就可以算出不同運輸方式的分擔(dān)率及其影響因素之間的關(guān)系曲線[7]。在西方發(fā)達國家由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在交通方面的應(yīng)用，智能交通系統(tǒng)的誕生使得轉(zhuǎn)移曲線模型被普遍使用。但是針對我國農(nóng)村交通統(tǒng)計資料的匱乏，不宜完全采用該方法。 因此，本文認為采用Logit模型是較為合適的，其模型如下：

式中：F為從i區(qū)域到j(luò)區(qū)域，第n種交通方式間的分擔(dān)率；U交通區(qū)域i到交通區(qū)域j的交通方式k的效用函數(shù)；a為待定系數(shù)；X為出行者在從交通區(qū)域i到交通區(qū)域j采用交通方式k時的影響因素m；c為影響因素的個數(shù)。

2.5 物流分配預(yù)測

物流分配是將各區(qū)域間不同運輸方式的出行分布量分配到綜合運輸網(wǎng)絡(luò)上去，即將OD量正確合理地分配到O與D之間的各條路徑上以求出物流網(wǎng)絡(luò)上的物流量大小。而在物流網(wǎng)絡(luò)分配之前，應(yīng)將貨物量（t或者t/km）轉(zhuǎn)換為不同車輛類型的貨車量（輛），即運輸OD（單位為輛）。根據(jù)農(nóng)村物流低水平、低信息化、高貨運量、高能源損耗以及路權(quán)與交通負荷之間的關(guān)系，本文認為容量限制—增量加載分配方法比較適合。其方法將道路的負載能力作為限制，并把每一OD量分解成K部分進行迭代運算。在分配物流量時，需用最短路徑模型分配OD，且每分一次路權(quán)修正一次，最后把K個OD表全部分配到網(wǎng)絡(luò)上，其中路權(quán)采用路阻函數(shù)修正[8]。

近年來，交通需求管理被日益重視，其運用和研究也逐漸深入。TransCAD將GIS與TDM的模型和方法有機結(jié)合，是一款強有力的交通規(guī)劃和需求預(yù)測軟件[9]。因此除了運用容量限制—增量加載分配法外，本文建議還可以運用TransCAD4.5軟件對農(nóng)村物流需求預(yù)測進行分配以達到低碳農(nóng)村物流系統(tǒng)優(yōu)化的實現(xiàn)。

3 TransCAD中低碳農(nóng)村物流系統(tǒng)優(yōu)化的實現(xiàn)

假定已知某農(nóng)村空間分布并根據(jù)分析其地理位置、面積和政治因素等將其劃分為如圖2所示的5個區(qū)域。

還已知該農(nóng)村基年物流增長率為3.67%、GDP增長率為9.32%以及預(yù)期年GDP增長率7.18%，得出目標年物流增長率4.97%，根據(jù)該農(nóng)村各區(qū)域現(xiàn)狀物流總需求數(shù)據(jù)并運用上述彈性系數(shù)法得出該農(nóng)村各地區(qū)的目標年物流總需求量，包括發(fā)生量和吸引量，最后通過各區(qū)域物流產(chǎn)生量預(yù)測模型得出目標年的物流量預(yù)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

在得出圖3所示的數(shù)據(jù)后，利用TransCAD中net選項里Multiple Shortest Path功能對各區(qū)區(qū)域的網(wǎng)路文件運算得出區(qū)域之間的OD阻抗矩陣如圖4所示。

其次，對上述雙約束重力模型中待定系數(shù)a、b、c進行標定，即a=1，b=0.3，c=0.01后，選擇區(qū)域文件、現(xiàn)狀OD矩陣和區(qū)域阻抗矩陣并通過Planning選項中的重力模型選項數(shù)據(jù)進行運算得出該農(nóng)村各區(qū)域之間的物流分布預(yù)測如圖5所示。

最后在路網(wǎng)層上選擇Planning中Traffic Assignment選項對該農(nóng)村地區(qū)各區(qū)域的物流分布進行分配，在Method中選擇User Equilibrium以符合Wardrop第一原理，然后在Other Settings中勾出Selection以避免分配時將質(zhì)點算入，最終得出流量分配后路網(wǎng)V/C、V主題圖如圖6所示。

4 算例分析與總結(jié)

本算例在TransCAD中采用了UE模型并得出流量分配后路網(wǎng)V/C、V主題圖。此模型符合Wardrop第一原理，即在道路的利用者都確切知道網(wǎng)絡(luò)的交通狀態(tài)并試圖選擇最短徑路時，網(wǎng)絡(luò)將會達到平衡狀態(tài)。在考慮擁擠對行駛時間影響的網(wǎng)絡(luò)中，當網(wǎng)絡(luò)達到平衡狀態(tài)時，每個OD對的各條被使用的路徑具有相等而且最小的行駛時間[10]。因此得出的V/C、V主題圖已經(jīng)對該農(nóng)村地區(qū)目標年的流量進行了路徑最優(yōu)的合理規(guī)劃以減少貨運過程中二氧化碳等污染物的排放。此外，該路網(wǎng)分配圖是將目標年的流量分配在當前道路中，因此還可以結(jié)合道路服務(wù)水平分級標準，如表1所示進行分析，發(fā)現(xiàn)該農(nóng)村當前貨運道路系統(tǒng)存在一定的不足，中間一些路段Flow值過高，原本道路的Capacity值不足以承擔(dān)，造成了不穩(wěn)定車流以及強制性車流。因此建議在這些路段上進行拓寬或者建立新的道路以減少車輛擁擠和擁擠所造成的二氧化碳等污染物的排放。

本算例的不足有兩點：其一，該算例是基于揚中市的日新村和收集的相關(guān)數(shù)據(jù)所做，其中現(xiàn)狀貨流量、時間、年貨運量、道路最大車容量等資料數(shù)據(jù)難以收集，運用類比法得出了相應(yīng)的虛擬數(shù)據(jù)，因此與該村實際情況還是有一定的差距。其二，由于所選農(nóng)村的面積較小且只有貨運汽車，因此該算例并沒有用到物流運輸方式規(guī)劃，但是在實際操作中應(yīng)根據(jù)具體農(nóng)村情況對其進行運輸方式規(guī)劃，即如上所述，收集不同交通工具的數(shù)量、當量、載貨量、相應(yīng)換算系數(shù)等數(shù)據(jù)來構(gòu)建貨運方式劃分率矩陣、貨運費用矩陣和貨運時間矩陣，然后再運用TransCAD的Mode Split功能利用Logit模型參數(shù)估計得出分擔(dān)率，最后將分擔(dān)率轉(zhuǎn)化成不同交通工具的Trips子矩陣，完成交通方式劃分。

綜上所述TransCAD證實了四階段法可以運用在低碳農(nóng)村物流運輸系統(tǒng)的優(yōu)化上，并為如何改進道路以及運輸路線規(guī)劃等提供一些的幫助。

參考文獻：

[1] 陳錫文. 當前農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟形勢與“三農(nóng)”面臨的挑戰(zhàn)[J]. 中國農(nóng)村經(jīng)濟，2010（1）：4-9.

[2] 黃蕾. 低碳視角下的農(nóng)業(yè)物流運作模式構(gòu)建途徑研究[J]. 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，2014（2）：121-122.

[3] 馬凱，艾力·斯木吐拉. 交通規(guī)劃四階段法在物流需求預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，28（4）：745-750.

[4] 王曉原，張敬磊. 區(qū)域物流需求分析集對聚類預(yù)測模型研究[J]. 軟科學(xué)，2004，18（5）：1117.

[5] 裴劍平，范東濤. 基于拓展四階段法的城市軌道交通客流預(yù)測[J]. 都市快軌交通，2010（5）：57-61.

[6] 王元慶，周偉，呂連恩，等. 道路阻抗函數(shù)理論與應(yīng)用研究[J]. 公路交通科技，2004，21（9）：82-85.

[7] 施泉，吳中，毛榮昌. 軌道交通客流預(yù)測四階段法的改進[J]. 城市軌道交通研究，2006（9）：44-47.

[8] 鄧敬春，楊梅. 四階段法在物流需求預(yù)測中的應(yīng)用研究[J]. 物流工程與管理，2013，35（4）：75-78.

[9] 晏杉，南愛強. TransCAD軟件在公路建設(shè)項目交通量分析與預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 中外公路，2011（6）：273-276.

[10] Stier-Moses N E， Ordonez F. Wardrop Equilibria with Risk-Averse Users[J]. Social Science Electronic Publishing， 2010，44（1）：63-86.