城市客運(yùn)交通需求的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)與分析*

何 南

(大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 大連 116028)

城市客運(yùn)交通需求的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)與分析*

何 南

(大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 大連 116028)

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)城市客運(yùn)交通需求，從系統(tǒng)角度分析城市客運(yùn)交通組成并甄選其影響因素，確定因素間因果回路關(guān)系.運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)構(gòu)建城市客運(yùn)交通系統(tǒng)模型，研究居民出行需求與道路供給、城市公共交通、私家車數(shù)量子系統(tǒng)之間的反饋關(guān)系.收集全國(guó)31個(gè)省市數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，從而預(yù)測(cè)出行需求、私家車擁有量、道路里程等情況.結(jié)果顯示，該模型具有很高的預(yù)測(cè)精度，同時(shí)說明公共交通優(yōu)先政策是緩解城市交通擁擠的有效手段.

交通管理；交通需求；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；公共交通；交通擁擠

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，機(jī)動(dòng)車擁有量和道路交通需求快速增長(zhǎng)，道路交通供需不平衡矛盾日益嚴(yán)重，如何解決城市交通擁擠問題正是城市客運(yùn)交通系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容.對(duì)于城市客運(yùn)交通系統(tǒng)，學(xué)者們主要集中于城市客運(yùn)交通系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)研究[1-2]，不同交通方式分擔(dān)率的模型研究[3-4]，城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)[5]，而沒有深入研究城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的產(chǎn)生機(jī)理，探討不同屬性的客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)、組成部分的相互作用[6]，以此進(jìn)行城市客運(yùn)交通需求預(yù)測(cè).

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一種研究復(fù)雜系統(tǒng)的定量方法，能夠用于交通需求預(yù)測(cè).然而，學(xué)者運(yùn)用該方法進(jìn)行城市客運(yùn)交通系統(tǒng)相關(guān)研究過于片面，沒有從系統(tǒng)角度研究系統(tǒng)邊界，對(duì)于客運(yùn)交通系統(tǒng)的需求預(yù)測(cè)僅僅考慮道路供給和運(yùn)輸需求之間的供需問題，沒有考慮交通擁擠的影響、交通政策的實(shí)施作用等[7].因此，本文將對(duì)城市客運(yùn)交通系統(tǒng)進(jìn)行研究，以深入探討系統(tǒng)中變量間關(guān)系，分析交通政策、交通行為、客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)，以及交通基礎(chǔ)設(shè)施水平之間的關(guān)系，改善需求預(yù)測(cè)精度，為城市交通規(guī)劃，交通政策制定奠定基礎(chǔ).

1 系統(tǒng)組成

1) 外部環(huán)境影響因素：地區(qū)生產(chǎn)總值、燃油費(fèi)、機(jī)動(dòng)車駕駛員人數(shù)或人口數(shù)量 交通需求將會(huì)隨著地區(qū)生產(chǎn)總值、人口數(shù)量的增長(zhǎng)而增加，這是趨勢(shì)交通量的一部分.交通需求將會(huì)隨著燃油費(fèi)的增加而減少，這是因?yàn)橘M(fèi)用增加使人們出行費(fèi)用增加，致使交通流降低[8].除此之外，其他一些與人口數(shù)量相關(guān)的因素也將引起交通需求變動(dòng)，如機(jī)動(dòng)車駕駛員人數(shù)[9]，但是該因素與人口數(shù)量存在共線性關(guān)系.

2) 內(nèi)部環(huán)境影響因素：交通政策 交通政策是政府以交通為對(duì)象制定的經(jīng)濟(jì)政策，主要從系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)節(jié)子系統(tǒng)間的供需平衡，減緩交通擁擠.國(guó)內(nèi)外有很多交通政策制定成功的案例，使城市客運(yùn)交通系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展，如英國(guó)倫敦[10]和新加坡[11]的擁擠收費(fèi)政策，巴西庫(kù)里提巴[12]的公共交通政策等.

3) 客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)：公共客運(yùn)交通(常規(guī)公共交通、城市軌道交通、快速公共交通、出租汽車)和私人客運(yùn)交通(步行、自行車、摩托車、小汽車) 它們?cè)诳瓦\(yùn)交通中發(fā)揮各自功能，并相互競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)奪市場(chǎng).

4) 子系統(tǒng)交通供給：道路里程 道路是重要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，它直接影響人們出行需求.道路修建也是從供給角度解決交通擁擠的方法之一，它可以提高道路通行能力，滿足人們的交通需求.

5) 子系統(tǒng)交通需求：車出行公里數(shù) 交通需求是在交通供給情況下，人們對(duì)于空間位移的需要.因此，交通需求變化表現(xiàn)為人們出行行為短期或者長(zhǎng)期的變化，如出行頻率、出發(fā)地目的地、交通選擇方式或出行時(shí)間等改變.基于學(xué)者相關(guān)研究分別以人每日出行次數(shù)，車出行公里數(shù)和人出行公里數(shù)作為交通需求的表現(xiàn)形式，探討人們?cè)诓煌煌ü┙o情況下的反映變化.人每日出行次數(shù)，僅在人們出行頻率增加或發(fā)展與土地利用相關(guān)出行的情況下增加.相比人出行公里數(shù)，車出行公里數(shù)能夠更全面有效地體現(xiàn)出行行為的改變過程，因此，選取車出行公里數(shù)作為子系統(tǒng)中的交通需求.

6) 子系統(tǒng)供需影響產(chǎn)物：交通擁擠 國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為交通供需不平衡是產(chǎn)生交通擁擠問題的原因.而相應(yīng)的交通擁擠解決方法也是從供需角度著手調(diào)控供給、控制需求.

綜上所述，城市客運(yùn)交通系統(tǒng)包括車出行公里數(shù)、道路里程、交通擁擠、私人客運(yùn)交通、公共客運(yùn)交通、交通政策、地區(qū)生產(chǎn)總值、燃油費(fèi)、人口數(shù)量或機(jī)動(dòng)車駕駛員人數(shù)等影響因素.

2 系統(tǒng)因果回路圖

基于城市客運(yùn)交通系統(tǒng)影響因素，構(gòu)建因素間的因果回路圖.為了描述城市客運(yùn)交通系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)，依據(jù)人們真實(shí)交通需求形成的動(dòng)態(tài)過程，全面分析道路供給和交通需求之間的相互影響.城市客運(yùn)交通系統(tǒng)因果回路圖具體情況見圖1～3.本系統(tǒng)充分考慮了內(nèi)部環(huán)境影響因素、客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)之間的關(guān)系，充分研究了交通擁擠產(chǎn)生過程和解決方法.

圖1 居民出行需求與道路供給之間的因果回路圖

圖1為居民出行需求與道路供給之間的因果回路圖.由圖1可知，新建或擴(kuò)建道路增加了道路容量，從而改善了交通可達(dá)性，促使出行次數(shù)增加、短期拼車和利用已有的大眾交通工具下降、短期出行距離增加、長(zhǎng)期居住模式的密度改變和長(zhǎng)期購(gòu)買新車增長(zhǎng)都將使車出行公里數(shù)增加，在現(xiàn)有道路供給和人們期望的車出行公里數(shù)有差距的情況下，產(chǎn)生了交通擁擠.當(dāng)選用新建或擴(kuò)建道路滿足人們交通需求時(shí)，增加交通量，形成反饋循環(huán)，使交通擁擠問題嚴(yán)重.綜上所述，道路的新建或擴(kuò)建在未能達(dá)到人們期望的出行需求時(shí)，道路供給無(wú)法解決交通擁擠問題，而是造成交通擁擠的顯著增長(zhǎng).但是在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展期，私家車擁有量偏低的情況下，道路供給是必要的，以構(gòu)建一定的交通基礎(chǔ)設(shè)施.當(dāng)交通基礎(chǔ)設(shè)施達(dá)到一定水平基礎(chǔ)上，并不能依靠道路供給滿足人們的交通需求，而應(yīng)該在交通擁擠產(chǎn)生時(shí)實(shí)施公共交通等政策，打破居民出行需求與道路供給之間的正反饋循環(huán).

圖2 居民出行需求與城市公共交通間因果回路圖

圖2為居民出行需求與城市公共交通之間因果回路圖.由圖2可知，在公共交通政策(如公交優(yōu)先)實(shí)施的情況下，公交車數(shù)量增長(zhǎng)提高了公交車可達(dá)性和方便性，促使私家車出行次數(shù)減少、短期拼車減少、長(zhǎng)期居住模式的密度改變和長(zhǎng)期購(gòu)買新車下降都將使私家車出行公里數(shù)減少.在私家車出行公里數(shù)減少的情況下，城市交通擁擠將會(huì)有所緩解，公共交通延誤減少，公共交通客運(yùn)總量增加，公交車擁有量增加.因此，在公共交通服務(wù)水平相對(duì)下降的情況下，為了打破居民公共交通出行需求與城市公共交通水平之間的減少趨勢(shì)，需要實(shí)施公共交通政策，保證公共交通的重要地位.

圖3為居民出行需求與私家車擁有量之間的因果回路.由圖3可知，私家車擁有用量增長(zhǎng)將使私家車可達(dá)性增強(qiáng)，會(huì)促使私家車出行次數(shù)增加、短期拼車和利用已有的大眾交通工具下降、短期出行距離增加、長(zhǎng)期居住模式的密度改變和長(zhǎng)期購(gòu)買新車都將使私家車出行公里數(shù)增加，從而產(chǎn)生交通擁擠.有車一族與無(wú)車一族在出行方式選擇上形成鮮明對(duì)比，造成道路使用的不公平性，直接導(dǎo)致私家車數(shù)量的繼續(xù)增加.綜上所述，居民出行需求與私家車數(shù)量之間的正反饋循環(huán)將體現(xiàn)道路使用的不公平性，促使私家車數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，需要實(shí)施公共交通等政策，確保無(wú)車一族的道路公平性，保證公共交通方便性，以限制私家車數(shù)量和使用情況.

圖3 居民出行需求與私家車擁有量間因果回路圖

3 系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

依據(jù)城市客運(yùn)交通系統(tǒng)中影響因素間的因果關(guān)系，構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，表示變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，其具體存量流量圖見圖4.選取子系統(tǒng)交通供給(道路里程)和子系統(tǒng)交通需求(車出行公里數(shù))、私家車擁有量作為存量.依據(jù)客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)劃分，將車出行公里數(shù)考慮為私家車出行公里數(shù)和公共交通客運(yùn)總量.內(nèi)部影響因素的交通政策按照交通需求(公交車擁有量增加)和交通供給(新建或擴(kuò)建道路)分為兩個(gè)層次，和外部影響因素共同影響人們出行需求.

圖4 城市客運(yùn)交通系統(tǒng)存量流量圖

依據(jù)圖4中系統(tǒng)存量流量圖，構(gòu)建城市客運(yùn)交通系統(tǒng)模型

L:PKT.k=PKT.j+(DT)×

(GPKT.jk-RPKT.jk)

(1)

L:Pcar.k=Pcar.j+(DT)×

(GPcar.jk-RPcar.jk)

(2)

L:PPKT.k=PPKT.j+(DT)×

(GPPKT.jk-RPPKT.jk)

(3)

L:lk.k=lk.j+(DT)×Glk.jk

(4)

R:GPKT.k=lkdc.k×Delay(lk.jk,lkdelay)+

Pcar.k×Pcarrate.k+GDP.k×GDPrate.k(5)

R:RPKT.k=Fueldcc.k×

Delay(fuel.jk,fueldelay)+Pbusdcc.k×

Delay(Pbus.jk,Pbusdelay)

(6)

R:GPcar.k=lkdcc.k×

Delay(lk.jk,lkday)+GDP.k×

GDPrat.k+Dr.k×Drrate.k

(7)

R:RPcar.k=Fueldc.k×

Delay(fuel.jk,fuelday)+Pbusdc.k×

Delay(Pbus.jk,Pbusday)

(8)

R:GPPKT.k=congestion.k×

congestionrate.k+Pbus.k×Pbusrate.k

(9)

R:RPPKT.k=Pcar.k×Pcarr.k

(10)

R:Glk.k=Congestionrate.k×

Delay(Congestion.jk,congestionday)

(11)

A:Congestion.k=Pcar.k×

Pcarc.k+PKT.k×PKTc.k

(12)

A:Pbus.k=Pbus.j+PPKT.k×PPKTc.k

(13)

(pkt)t=αm(pkt)t-1+αmp(ppkt)t+

(14)

(Pcar)t=αv(Pcar)t-1+αvm(pkt)t+

(15)

(ppkt)t=αp(ppkt)t-1+αpm(pkt)t+

(16)

(17)

Withautoregressiveerrors:

(17)

式中：L為狀態(tài)方程；R為速率方程；A為輔助方程；k為某一時(shí)刻的值；j為前一時(shí)刻的值；jk為從j到k前一時(shí)段的值；DT為計(jì)算時(shí)間間隔(年)；PKT為私家車出行公里數(shù)的對(duì)數(shù)值；Pcar為私家車擁有量的對(duì)數(shù)值；PPKT為公共交通客運(yùn)總量的對(duì)數(shù)值；lk為道路里程的對(duì)數(shù)值；GDP為人均國(guó)民生產(chǎn)總值的對(duì)數(shù)值；Dr為機(jī)動(dòng)車駕駛員人數(shù)的對(duì)數(shù)值；Fual為燃料費(fèi)的對(duì)數(shù)值；Pbus為公共汽車擁有量的對(duì)數(shù)值；GPKT，RPKT分別為私家車出行公里數(shù)增加值、減少值的對(duì)數(shù)值；Gpcar、Rpcar分別為私家車擁有量增加值、減少值的對(duì)數(shù)值；GPPKT，RPPKT分別為公共交通客運(yùn)總量增加值、減少值的對(duì)數(shù)值；Glk為城市道路里程增加值的對(duì)數(shù)值；Congestion為城市交通擁擠水平.

上述所有數(shù)據(jù)收集都依據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行相關(guān)整理，由于城市私家車出行公里數(shù)和城市交通擁擠的數(shù)據(jù)收集很少，將依據(jù)輕型客車的年均行駛里程為標(biāo)準(zhǔn)[14]，運(yùn)用私人小型載客汽車擁有量計(jì)算獲得私家車出行公里數(shù).與此同時(shí)城市交通擁擠情況以年末平均每1 km公路里程中所包括的人數(shù)作為交通擁擠水平的替代變量[15].

為了獲取因素間的參數(shù)值，在He等[16]相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)車出行公里數(shù)、私家車擁有量和交通擁堵水平、公共交通之間關(guān)系構(gòu)建彈性系數(shù)模型.基于國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)1990-2013年全國(guó)31個(gè)省市的相關(guān)數(shù)據(jù)收集，運(yùn)用三階段最小二乘法獲得變量間的彈性系數(shù)，結(jié)果見表1.

表1 參數(shù)含義及參數(shù)值

4 模型結(jié)果及分析

依據(jù)上述模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)標(biāo)定，選取2011年為基準(zhǔn)年，借助文獻(xiàn)[13]，運(yùn)用Vensim系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件在量綱一致性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得存量私家車出行公里數(shù)、公共交通客運(yùn)總量、私家車擁有量和公路里程的預(yù)測(cè)情況，見表2.由于私家車出行公里數(shù)和城市交通擁擠水平較少進(jìn)行真實(shí)數(shù)據(jù)收集，所以無(wú)法依據(jù)真實(shí)值作為預(yù)測(cè)值正確與否的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).

由表2可知：

1) 通過公共交通客運(yùn)總量、私家車擁有量、道路里程預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的相對(duì)誤差可以看出模型預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性，證實(shí)城市客運(yùn)交通系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建符合現(xiàn)實(shí)情況，有利于進(jìn)行城市客運(yùn)交通系統(tǒng)相關(guān)預(yù)測(cè).

表2 預(yù)測(cè)結(jié)果情況表

2) 在城市大力發(fā)展公共交通的情況下，公共交通客運(yùn)總量將會(huì)顯著增加，私家車出行公里數(shù)將逐年減少.這正符合國(guó)家政府對(duì)城市交通的主導(dǎo)思想，即提高城市公共交通水平，吸引人們?cè)趽頂D區(qū)域換乘公共交通出行，更好改善城市交通可達(dá)性.

3) 在現(xiàn)有交通狀況和人們生活水平的情況下，私家車擁有量也將顯著增加.這符合我國(guó)私家車擁有量的增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平提高，雖然公共交通擁有量快速提高，公交優(yōu)先在不同城市開展，也不會(huì)減少人們購(gòu)買私家車的愿望.這些說明私家車擁有量情況更多取決于人們經(jīng)濟(jì)生活水平.

4) 為了滿足交通需求，解決交通擁擠問題，道路里程將會(huì)持續(xù)快速增長(zhǎng).這符合我國(guó)道路等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃內(nèi)容，即在國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020年)出臺(tái)后大量資金將投入到道路等交通設(shè)施建設(shè)中.

在現(xiàn)有解決城市交通擁擠政策實(shí)施后，城市交通擁擠水平逐年降低，這說明城市公共交通優(yōu)先等方法是解決城市交通擁擠的有效政策.在城市交通擁擠水平降低的情況下，公共交通客運(yùn)總量和私家車擁有量將顯著增加，私家車出行公里數(shù)逐年下降，由此說明解決交通擁擠并不意味控制私家車購(gòu)買量，而是在大力發(fā)展公共交通情況下規(guī)劃人們出行選擇行為，保證公共交通出行選擇的競(jìng)爭(zhēng)性.

在正常城市客運(yùn)交通系統(tǒng)中，如果不采用相關(guān)交通政策抑制私家車出行，將會(huì)造成私家車出行公里數(shù)增加，公共交通客運(yùn)總量下降，交通擁擠水平增加.為了研究模型構(gòu)建的有效性，本文運(yùn)用公共交通政策實(shí)施與否的影響作為模型結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).基于Vensim系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，公共交通政策實(shí)施與否私家車出行公里數(shù)、公共交通客運(yùn)總量、私家車擁有量、道路里程、交通擁擠的對(duì)比情況見圖5.

圖5 公共交通優(yōu)先政策實(shí)施前后對(duì)比圖

由圖5可知，在公共交通優(yōu)先政策實(shí)施前后，與模型結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)設(shè)定結(jié)果一致.在沒有實(shí)施城市公共交通政策情況下，公共交通客運(yùn)總量將會(huì)略微下降，部分人們經(jīng)濟(jì)水平?jīng)]有達(dá)到購(gòu)買私家車情況，將會(huì)繼續(xù)選擇公共交通出行方式.而私家車出行公里數(shù)將會(huì)呈指數(shù)式上升，給城市交通系統(tǒng)帶來很大沖擊，城市交通擁擠水平持續(xù)增加.私家車擁有量模擬曲線近似一致，說明私家車擁有量并不受公共交通政策的影響，人們對(duì)于私家車的購(gòu)買量更多取決于經(jīng)濟(jì)生活水平和道路供給情況等.因此，公共交通政策實(shí)施是必要的，可以有效減緩交通擁擠，減少私家車出行公里數(shù)，也從側(cè)面反映出模型結(jié)構(gòu)的正確性.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

城市客運(yùn)交通系統(tǒng)是國(guó)家社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容，其交通需求預(yù)測(cè)精度將影響城市交通規(guī)劃，保障城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的有效運(yùn)行，緩解交通擁擠.為了合理構(gòu)建城市客運(yùn)交通系統(tǒng)，本文運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)構(gòu)建城市客運(yùn)交通系統(tǒng)模型，研究居民出行需求與道路供給、城市公共交通、私家車數(shù)量子系統(tǒng)之間的反饋關(guān)系.并全面考慮交通情況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況的影響因素；體現(xiàn)城市客運(yùn)運(yùn)輸系統(tǒng)的特性、變量間的因果關(guān)系；強(qiáng)調(diào)交通政策的重要性；改善交通需求預(yù)測(cè)精度；為建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的城市客運(yùn)運(yùn)輸系統(tǒng)提供理論支持.為了減緩交通擁擠，使人們合理化出行，建議公共交通相關(guān)政策的大力推進(jìn).本文以全國(guó)為研究范圍，需要針對(duì)城市特點(diǎn)，以城市為研究區(qū)域進(jìn)一步深入探討.

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Travel Demand Forecasting and Analysis in Urban Passenger Transportation System

HE Nan

(Traffic&TransportationSchool,DalianJiaotongUniversity,Dalian116028,China)

In order to predict the sustainable urban passenger transportation system, travel demand forecasting in an accurate way is necessary. Based on the interaction among external environment, internal environment, passenger traffic structure, and subsystem from system view, influencing factors are selected to construct the causal relationships. Then the model of urban passenger transportation system is constructed to research on the feedback relationships among travel demand, road supply, urban public transportation, and the number of private cars. Based on data collection from China, parameters are calibrated, which is necessary to predict travel demand, the number of private cars, lane-kilometers and so on. Results show the high accuracy of model formation. Based on results analysis, the public transportation policy is an effective method to reduce traffic congestion in the urban passenger transportation system.

travel management; travel demand; system dynamics; public transportation; traffic congestion

2017-05-13

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50978046)、遼寧省博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(201601257)資助

U491

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.007

何南(1985—)：女，博士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌ㄐ枨箢A(yù)測(cè)