基于系統(tǒng)動力學(xué)的城市交通系統(tǒng)供需分析模型

馬書紅，孫朝旭

(1. 長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064；2. 浙江金衢麗天然氣有限公司，浙江杭州 310016)

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基于系統(tǒng)動力學(xué)的城市交通系統(tǒng)供需分析模型

馬書紅1，孫朝旭2

(1. 長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064；2. 浙江金衢麗天然氣有限公司，浙江杭州 310016)

城市交通系統(tǒng)是一個多變量、多反饋、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)各要素之間相互制約，科學(xué)合理地描述其動力機(jī)制十分重要。采用系統(tǒng)動力學(xué)的方法，確定城市交通系統(tǒng)的界限，在具體分析系統(tǒng)內(nèi)部各要素因果反饋?zhàn)饔藐P(guān)系和構(gòu)建系統(tǒng)流圖的基礎(chǔ)上，建立城市交通系統(tǒng)動力學(xué)模型，重點(diǎn)對城市交通系統(tǒng)供需關(guān)系進(jìn)行研究并給出模型的主要方程。以西安市為例，進(jìn)行模型的模擬仿真，預(yù)測供需關(guān)系的發(fā)展趨勢并進(jìn)行分析，結(jié)果表明遠(yuǎn)期供需比例會出現(xiàn)嚴(yán)重失衡，而采取限制機(jī)動車出行需求的轉(zhuǎn)化、發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)等合理的交通需求管理政策可以在一定程度上緩解交通供需矛盾。

城市交通系統(tǒng)；系統(tǒng)動力學(xué)；供需關(guān)系；模擬仿真；交通需求管理

城市化和機(jī)動化的快速發(fā)展給城市交通系統(tǒng)帶來了巨大的壓力，導(dǎo)致其供需矛盾日益突出，道路擁堵、交通事故、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重。交通系統(tǒng)的供需關(guān)系不僅關(guān)系到城市的經(jīng)濟(jì)活動效率，也會影響到城市居民的日常生活，需要重點(diǎn)關(guān)注。目前，對城市交通系統(tǒng)供需關(guān)系的研究，主要集中于內(nèi)涵、評價方法和專門技術(shù)等方面，并以平衡分析為主，主要有平衡理論和彈性理論兩種方法[1]。平衡理論認(rèn)為道路交通的供需平衡不僅體現(xiàn)在總量上的平衡，還體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上的耦合；彈性理論針對有附加條件的交通成本與需求量、交通成本與供給量之間的關(guān)系進(jìn)行分析。事實(shí)上，對交通系統(tǒng)供給和需求的分析，不僅要單獨(dú)分析供給與需求兩個方面，還要系統(tǒng)考慮兩者之間的關(guān)系，可以用系統(tǒng)動力學(xué)來進(jìn)行分析。已有成果主要應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)方法從可持續(xù)發(fā)展、宏觀政策、城市發(fā)展、區(qū)域經(jīng)濟(jì)與交通相互關(guān)系、交通運(yùn)輸方式與結(jié)構(gòu)等角度對相關(guān)問題進(jìn)行研究[2-3]，而在城市交通系統(tǒng)方面，則主要著眼于城市經(jīng)濟(jì)與交通的互動協(xié)調(diào)以及城市綜合交通系統(tǒng)內(nèi)部各種因果關(guān)系的研究[4]?；诖?，本文擬采用系統(tǒng)動力學(xué)的原理與方法，對城市交通系統(tǒng)進(jìn)行研究，在重點(diǎn)分析供給與需求相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究產(chǎn)生交通系統(tǒng)外部特性的內(nèi)在作用機(jī)制，從宏觀上給出交通問題的產(chǎn)生原因及應(yīng)對策略，從而更好地實(shí)現(xiàn)城市及其交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

一、系統(tǒng)動力學(xué)概述

系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics)是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，其認(rèn)為系統(tǒng)的行為模式與特性主要取決于其內(nèi)部的動態(tài)結(jié)構(gòu)與反饋機(jī)制[5]。相比于傳統(tǒng)的系統(tǒng)學(xué)科，系統(tǒng)動力學(xué)更注重系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)制與結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)單元之間的關(guān)系與信息反饋，可處理高階數(shù)、多回路和非線性的時變復(fù)雜系統(tǒng)與巨系統(tǒng)問題[6]，其解決問題的過程與步驟如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)動力學(xué)解決問題的步驟

城市交通系統(tǒng)是一個復(fù)雜的，涉及諸多方面且隨時間不斷變化的大系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間相互影響和制約，其行為表現(xiàn)出明顯的非線性特征。從圖1可以看出，基于系統(tǒng)分析—結(jié)構(gòu)分析—建立模型—模擬評估—政策制定的系統(tǒng)動力學(xué)分析過程與一般情況下分析和解決交通問題的過程一致，故可以采用系統(tǒng)動力學(xué)模型按照圖1的基本思路來確定交通系統(tǒng)內(nèi)部各個要素間的因果反饋關(guān)系，從城市交通系統(tǒng)需求與供給兩方面入手，分析與它們存在聯(lián)系的各個要素，建立城市交通系統(tǒng)動力學(xué)模型，模擬交通系統(tǒng)供給與需求在系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化過程及相互作用機(jī)理，在此基礎(chǔ)上對交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測和分析。

二、系統(tǒng)動力學(xué)模型與交通供需分析

以分析城市交通系統(tǒng)供需關(guān)系為建模目的，根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)解決問題的一般步驟，確定建立的模型包括人口、經(jīng)濟(jì)、交通需求和交通供給等要素，通過研究系統(tǒng)各個部分的反饋關(guān)系和設(shè)定各種變量(方程)來建立模型。

(一)系統(tǒng)的界限

系統(tǒng)的界限(或邊界)規(guī)定哪些應(yīng)該劃入模型，哪些不應(yīng)歸入模型，它是一個想象的輪廓，把建模目的所考慮的內(nèi)容圈入，并與其他部分(環(huán)境)隔開。對城市交通系統(tǒng)來說，供需矛盾是當(dāng)前導(dǎo)致城市交通問題的主要原因，而交通需求和交通供應(yīng)的影響因素眾多，其中城市人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、機(jī)動車數(shù)量、現(xiàn)狀路網(wǎng)情況等對供應(yīng)和需求的影響明顯[7]。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析后，應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)方法重點(diǎn)研究城市交通系統(tǒng)的供需關(guān)系，并確定模型包含的主要要素有：

(1)GDP。GDP是一個重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它與交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資以及機(jī)動車出行比例的增長都有直接的關(guān)系，而且交通系統(tǒng)的運(yùn)行情況在某種程度上會影響GDP的增長。

(2)人口。人口的增長會直接導(dǎo)致出行量的增長，使機(jī)動車出行量不斷增加。

(3)交通需求。造成一系列城市交通問題的主要原因是小汽車出行，因此可用小汽車的出行量來表示交通需求。在需求方面，存在著一定的延遲，即從出行者有意圖選擇小汽車這種出行方式到最終將其實(shí)現(xiàn)之間存在一個時間間隔。所以將需求分為潛在需求和需求兩個部分，潛在需求表示出行者選擇小汽車出行的意愿，它經(jīng)過一定的時間就會轉(zhuǎn)化為實(shí)際的交通需求。

(4)交通供給。采用道路網(wǎng)長度與平均單車道容量(VKT)的乘積來表示。同樣存在著延遲的問題，這是因?yàn)榈缆吩诮ㄔO(shè)階段是無法形成供給能力的，投資的道路建設(shè)項(xiàng)目往往需要經(jīng)過一定時間的建設(shè)后才能形成實(shí)際的供給能力，因此供給也可分為計劃供給和供給兩個部分。同時，考慮到城市用地的限制，道路網(wǎng)不可能永無止境的擴(kuò)張，存在著一個最大值，將其定義為最大供給能力，當(dāng)供給能力達(dá)到這個水平后將不再進(jìn)行道路的建設(shè)。

(二)因果反饋關(guān)系分析

從供給與需求兩個方面來重點(diǎn)研究城市交通系統(tǒng)內(nèi)部各個要素的主要反饋關(guān)系，分析得到系統(tǒng)內(nèi)部包含的主要反饋回路如下，其中箭頭表示因果關(guān)系，正負(fù)號表示正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)。

(1)從需求出發(fā)的負(fù)反饋回路。GDP→+人均GDP→+機(jī)動車出行比例→+潛在需求→+需求→-供需比例→-GDP影響因子→-GDP。這是一個負(fù)反饋回路，表示經(jīng)濟(jì)的增長會刺激小汽車出行需求的增長，但在需求增長的同時會造成供給方面的不足，使得交通運(yùn)行的效率降低，反過來會影響經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展。使用“GDP影響因子”來表示交通系統(tǒng)供需求關(guān)系對社會經(jīng)濟(jì)的這種影響。

(2)從需求出發(fā)的正反饋回路。需求→+投資比例→+交通投資→+計劃供給→+供給→+供需比例→+轉(zhuǎn)化率→+需求。這是一個正反饋回路，表示交通需求的增長會刺激道路建設(shè)投資的增長，人們試圖通過交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)來滿足不斷增長的需求，但是隨著供給能力的不斷提升，反而會加快潛在需求的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生更多的交通需求。使用“投資比例”來表示交通需求增長對投資增長的這種作用。

(3)從供給出發(fā)的正反饋回路。經(jīng)濟(jì)→+交通投資→+建設(shè)率→+計劃供給→+供給→+供需比例→+經(jīng)濟(jì)。這是一個正反饋回路，表示隨著經(jīng)濟(jì)的增長，交通基礎(chǔ)設(shè)施投資也會相應(yīng)增多，道路網(wǎng)建設(shè)速度加快，形成了更加充足的供給能力，最終保證了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展[8]。

(4)從供給出發(fā)的負(fù)反饋回路。供給→-差值→+建設(shè)率→+計劃供給→+建成率→+供給。這是一個負(fù)反饋回路，表示交通的供給能力并不是隨著需求的增長而不斷增長的，在實(shí)際中道路網(wǎng)會受到土地利用等因素的限制，不可能無休止地進(jìn)行建設(shè)。

三、基于系統(tǒng)動力學(xué)模型的城市交通供需流圖

根據(jù)上述因果反饋關(guān)系的分析，將主要的反饋回路進(jìn)行組合，得到城市交通系統(tǒng)的流圖，如圖2 所示。

圖2 城市交通系統(tǒng)流圖

在系統(tǒng)動力學(xué)模型中，主要方程有(1)～(17)，其中(1)(3)(6)(8)(13)和(16)為狀態(tài)變量方程，(2)(4)(7)(9)(14)和(17)為速率方程，(5)(10)(11)(12)和(15)為輔助方程。方程中的變量用時間下標(biāo)以區(qū)別時間先后，用字母K表示現(xiàn)在，J表示剛剛過去的時刻，L表示緊隨當(dāng)前的未來那一時刻，DT表示J與K或K與L之間的時間長度，他們之間的關(guān)系如圖3所示。常數(shù)均不帶時間下標(biāo)。

圖3 模型方程中的時間下標(biāo)

根據(jù)系統(tǒng)因果關(guān)系分析及流圖[9]，按照系統(tǒng)動力學(xué)模型的編寫方法，得到模型主要方程式如下：

(一)GDP部分

GDPK=GDPJ+DT·GDPJ·增長率JK

(1)

增長率KL=年平均增長率K·GDP影響因子K

(2)

(二)人口部分

人口K=人口J+DT·人口J·增長率

(3)

增長率KL=出生率K+遷入率K

(4)

遷入率K=f(人均GDPK)

(5)

(三)需求部分

需求K=需求J+DT·轉(zhuǎn)化率JK

(6)

轉(zhuǎn)化率KL=潛在需求K/轉(zhuǎn)化時間K

(7)

潛在需求K=潛在需求J+ DT·增長率JK

(8)

增長率KL=總出行增長率K·機(jī)動車出行比例K

(9)

總出行增長率K=人均出行次數(shù)K·人口增長量K

(10)

人口增長量K=人口K-人口J

(11)

機(jī)動車出行比例與人均GDP有著密切關(guān)系，論文借鑒國內(nèi)外學(xué)者的研究成果[10-11]，以如下的函數(shù)形式來表示二者的定量關(guān)系。

機(jī)動車出行比例K=γ·EXP[β·EXP(α·人均GDPK)]

(12)

式中，參數(shù)α，β和γ根據(jù)研究城市的統(tǒng)計數(shù)據(jù)回歸計算得到。

(四)供給部分

供給K=供給J+DT·建成率JK

(13)

建成率K=計劃供給K/平均完工周期K

(14)

差值K=Max供給K-實(shí)際供給K

(15)

計劃供給K=計劃供給J+ DT·建設(shè)率JK

(16)

建設(shè)率K=交通投資K·平均VKTK·影響因子K/單位造價K·DT

(17)

四、模型應(yīng)用

以西安市交通系統(tǒng)為例，采用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Vensim PLE來模擬運(yùn)行建立的城市交通系統(tǒng)動力學(xué)模型，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自西安市統(tǒng)計年鑒和居民出行調(diào)查報告。

(一)模型的參數(shù)估計

根據(jù)西安市歷史和現(xiàn)狀的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)，通過參數(shù)擬合和回歸分析,獲取和標(biāo)定GDP增長率、出生率、人均出行次數(shù)、平均出行距離等各個參數(shù)。遷入率和人均機(jī)動車出行比例的函數(shù)通過回歸分析計算確定，如式(18)(19)所示，其他模型參數(shù)見表1。

遷入率K= 0.004 435+0.003 581·人均GDPK

(18)

機(jī)動車出行比例K=0.559 04EXP[-4.232 4·EXP(-0.353 93·人均GDPK)]

(19)

表1模型的參數(shù)

注：數(shù)據(jù)來源于2000～2008年《西安統(tǒng)計年鑒》資料和西安市規(guī)劃局編制的《2008年西安市居民出行調(diào)查報告》統(tǒng)計結(jié)果。

(二)模型的檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證模型是否較好地反映系統(tǒng)的特征，選取城市人口和GDP這兩個指標(biāo)，以2000年為起始年，2010年為終止年，運(yùn)行模型輸出預(yù)測結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比較，并計算兩者的相對誤差，結(jié)果如表2所示。

從表2中相對誤差的計算結(jié)果可以看出，模型預(yù)測得到的人口和GDP數(shù)據(jù)與實(shí)際的統(tǒng)計數(shù)據(jù)之間的相對誤差均在5%以內(nèi)，認(rèn)為建立的系統(tǒng)動力學(xué)模型是具有高可信度的，可用來模擬預(yù)測與相關(guān)政策分析。

表2模型的檢驗(yàn)結(jié)果

(三)系統(tǒng)發(fā)展趨勢預(yù)測

根據(jù)前文分析，這里重點(diǎn)對西安市城市交通系統(tǒng)的供需關(guān)系進(jìn)行研究。模型設(shè)定運(yùn)行以2000年為起始年，2020年為終止年，仿真步長為1年，模擬運(yùn)行模型并輸出每年的需求、供給與供需比例的仿真結(jié)果及其隨時間變化趨勢的曲線，如表3和圖4所示(需求與供給量的單位均為pcu)。

從圖4中可以看出，供給會隨著需求的增長而增長，但是道路網(wǎng)建設(shè)受到各種用地因素限制，其增長率會逐漸減小，在2015年城市道路網(wǎng)建設(shè)接近飽和。交通需求量因?yàn)槿丝诤徒?jīng)濟(jì)的增長而繼續(xù)增長，且它的增長率慢慢變小，這是因?yàn)楫?dāng)需求大于供給即供需比例小于1時，就會出現(xiàn)道路擁堵等交通問題，影響人們對小汽車出行方式的選擇，導(dǎo)致潛在需求轉(zhuǎn)化率的降低。在不采取任何外部政策干預(yù)的情況下，不斷增長的需求致使供需比例持續(xù)降低，最終導(dǎo)致交通系統(tǒng)的癱瘓，其表現(xiàn)是實(shí)際需求無法繼續(xù)增長，供需比例嚴(yán)重失調(diào)。從2009年開始，城市交通供需比例就會隨著需求的增長而下降，由于供給能力在2014年接近極值，供需比例會持續(xù)下降，到2018年時供需比例已經(jīng)嚴(yán)重失衡，需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出路網(wǎng)的供給能力，交通系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行。因此有必要采取一定的政策和措施來抑制需求的增長，以維持交通系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

表3模型仿真結(jié)果

圖4 西安市城市交通系統(tǒng)發(fā)展趨勢預(yù)測曲線

五、政策分析

從供需關(guān)系的預(yù)測結(jié)果可以看出，西安市城市交通系統(tǒng)將會隨著需求量的不斷增長而最終癱瘓，因此有必要采取一些外部措施來改善系統(tǒng)的行為，抑制機(jī)動車出行需求的增長，使供需關(guān)系趨于合理化。根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，單純地限制機(jī)動車出行和保有的辦法無法從根本上解決交通問題，應(yīng)該采取一系列相配套的政策措施，才能到達(dá)令人滿意的效果[12]。發(fā)展公共交通被國內(nèi)外一致認(rèn)為是解決城市交通問題的出路，因此在限制機(jī)動車出行需求量增長的同時，要加快城市公共交通系統(tǒng)的建設(shè)。具體措施有：

(1)限制機(jī)動車出行需求的轉(zhuǎn)化。采取如小汽車限購、提高小汽車出行費(fèi)用、擁堵收費(fèi)等政策，延長潛在需求的轉(zhuǎn)化時間，降低其向?qū)嶋H需求的轉(zhuǎn)化率，來降低交通需求量。設(shè)定限制機(jī)動車出行需求轉(zhuǎn)化的政策干預(yù)有兩種模式：一般限制(模式1)和嚴(yán)格限制(模式2)，相應(yīng)的潛在需求轉(zhuǎn)化時間分別為1.5DT和2DT。

(2)發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)，吸引出行者使用公共交通方式出行，如采取提高公共交通服務(wù)水平、開辟公交專用車道、建設(shè)公交樞紐、城市軌道交通系統(tǒng)等措施，同時限制機(jī)動車出行，使城市交通系統(tǒng)出行方式的結(jié)構(gòu)合理化，把機(jī)動車出行比例控制在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)西安市居民出行調(diào)查結(jié)果，考慮到未來一個時期機(jī)動車出行需求的增長，設(shè)定政策干預(yù)模式為控制機(jī)動車出行比例的增長上限為30%(模式3)。

在以上兩類政策的影響下，通過軟件的模擬運(yùn)行，得到不同政策模式作用后的交通需求預(yù)測結(jié)果，如圖5、圖6所示。

圖5 不同模式作用下的預(yù)測結(jié)果

圖6 不同模式共同作用下的結(jié)果

從圖5可以看出，在外部政策的作用下，交通需求的增長出現(xiàn)了減慢的態(tài)勢，特別是在不同政策的共同作用下，需求的增長明顯放緩，很好地抑制了過快的增長勢頭，絕大部分的交通需求得到了滿足，供需關(guān)系基本上保持平衡。但是值得注意的是機(jī)動車的出行需求量仍然略大于道路網(wǎng)的供給能力，其主要原因是交通流在時空分布上是不均勻的，高峰時段的需求量所占的比重較大，所以在早晚高峰時段機(jī)動車的出行效率會相對低一些。因此，建議進(jìn)一步發(fā)展和完善具有大容量的城市軌道交通系統(tǒng)，以滿足高峰時段的出行需求。

六、結(jié)語

鑒于城市交通系統(tǒng)的動態(tài)性和非線性特征，采用系統(tǒng)動力學(xué)的原理與方法，在對城市交通系統(tǒng)供需關(guān)系及其影響因素進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，建立了城市交通系統(tǒng)動力學(xué)模型；以西安市為實(shí)例驗(yàn)證了模型的應(yīng)用，并探討了在相關(guān)政策作用下交通系統(tǒng)行為的變化趨勢。通過建立城市交通系統(tǒng)動力學(xué)模型，模擬交通需求與供給如何產(chǎn)生并相互作用，反映交通系統(tǒng)的運(yùn)行情況，有助于加深對交通系統(tǒng)供需關(guān)系的理解。應(yīng)用模型對城市交通系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測并分析不同政策對城市交通系統(tǒng)供需關(guān)系的影響，可在了解交通系統(tǒng)供需發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，考量各種政策作用及其對系統(tǒng)的影響程度，為決策和取相應(yīng)的管理措施提供參考。

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Supply-demand analysis model of urban traffic system based on system dynamics

MA Shu-hong1, SUN Chao-xu2

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064， Shaanxi, China; 2. Zhejiang Jinquli Gas co., LTD, Hangzhou 310016， Zhejiang, China)

Urban transportation system is a multi-variable, multi-feedback, and nonlinear complex system. There are mutual restrictions between its elements, and it is necessary to scientifically describe the dynamic mechanism of this system. This paper set the boundary of urban traffic system by use of the method of system dynamics, analyzed the causal feedback effect relations between various elements of the internal system, and presented a flow chart of urban transportation system. Based on that, a system dynamics model of urban traffic system was established, and the relationship between supply and demand of urban traffic system was studied to present the main equations of the model. Taking Xi’an as an example, this paper simulated the model and estimated the development trend of supply and demand. The analysis results show that there are serious imbalances in the proportion of long-term supply and demand. Some proper traffic demand management policies can be adopted to ease the contradiction between demand and supply, such as taking Transit Priority Policy, developing urban public traffic system.

urban transportation system; system dynamics; relationship between supply and demand; simulation; traffic demand management

2017-02-03

國家社會科學(xué)基金項(xiàng)目(16BJY117); 陜西省交通運(yùn)輸廳科技計劃項(xiàng)目(15-07R)

馬書紅(1975-)，女，河北藁城人，副教授，工學(xué)博士。

F294

A

1671-6248(2017)03-0031-07