基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的城市交通擁堵問(wèn)題治理研究
——以天津市機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行政策為例

陶志梅，阮 婷

(天津商業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，天津 300134)

基于決策理性有限的假設(shè)，決策者需要借助定量分析方法來(lái)判斷治堵措施的實(shí)施效果是否能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo).近年來(lái)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法因其非線性、多層次、多重反饋等特征成為了研究者模擬城市交通系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)展的理想工具和方法，例如Forrester的城市動(dòng)力學(xué)模型和Shirazian的出行產(chǎn)生模型[7-8].在城市交通發(fā)展模擬與政策評(píng)估研究領(lǐng)域，Haghshenas等針對(duì)一系列旨在實(shí)現(xiàn)城市交通可持續(xù)發(fā)展的政策，在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了政策評(píng)估[9]；D’Acierno等選取系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)城市停車的相關(guān)策略進(jìn)行了仿真模擬分析[10].在治理交通擁堵方面，楊浩雄等構(gòu)建了城市交通擁堵治理的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并以北京市為例，針對(duì)其典型的治堵措施作了仿真分析，并給出了相應(yīng)的對(duì)策建議[11].

目前，針對(duì)交通政策評(píng)估的定量分析以簡(jiǎn)單的靜態(tài)模型為主，需要標(biāo)定的模型參數(shù)較多，實(shí)際調(diào)查工作繁重，決策者所需的直觀決策依據(jù)仍有所欠缺[12].在研究城市交通擁堵治理的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部相互作用關(guān)系的分析仍顯不足.交通擁堵治理的最終目的是實(shí)現(xiàn)城市交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，在針對(duì)其實(shí)現(xiàn)發(fā)展目標(biāo)的對(duì)策建議方面，仍需進(jìn)一步探究.基于此，文中通過(guò)對(duì)城市交通擁堵系統(tǒng)內(nèi)部要素關(guān)系的闡述及相關(guān)交通政策的情景模擬，構(gòu)建交通治堵系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)地分析城市交通擁堵問(wèn)題的成形機(jī)制，并給出合理化的治堵對(duì)策建議，試圖為擁堵治理的科學(xué)決策提供一定的預(yù)測(cè)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

天津地處華北平原北部，東臨渤海，北靠燕山，位于東經(jīng)116°43′～118°04′和北緯38°34′～40°15′之間，市中心位于東經(jīng)117°10′,北緯39°10′.“十二五”以來(lái)，天津市城市道路交通呈多元化發(fā)展趨勢(shì).截至2015年末，天津市城市客運(yùn)量(不包括出租)18.56億人次,其中，公交客運(yùn)量15.70億人次，地鐵客運(yùn)量2.56億人次；全市民用汽車擁有量283.05萬(wàn)輛，其中私人汽車234.75萬(wàn)輛；民用轎車擁有量183.56萬(wàn)輛，其中私人轎車165.51萬(wàn)輛(2015年天津市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)).目前，天津市確定了獨(dú)特的“雙城雙港，相向拓展,一軸兩帶,南北生態(tài)”的發(fā)展戰(zhàn)略模式(天津市空間發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃(2008—2020年))，隨著總體戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，城市空間形態(tài)將不斷發(fā)生變化，交通需求也會(huì)隨之增加，考慮到城市交通問(wèn)題將進(jìn)一步惡化，因此城市交通擁堵的治理策略也亟須重新調(diào)整.

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法(System dynamics)是一種將定性描述與定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法.文中的主要研究對(duì)象為天津市城市交通系統(tǒng)，對(duì)其運(yùn)行狀況的研究通常要從系統(tǒng)、整體的角度來(lái)審視，為此，在借鑒已有相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，借助Vensim PLE系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬平臺(tái)，利用因果回路圖和存量流量圖的分析方法，確定系統(tǒng)內(nèi)部的反饋結(jié)構(gòu)和有關(guān)變量之間的關(guān)系，并選取天津市城市鋪裝道路長(zhǎng)度這一變量，對(duì)2005—2014年的模擬值與實(shí)際值進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)，并通過(guò)改變機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行政策變量的取值進(jìn)行情景模擬分析.

圖1 城市交通擁堵系統(tǒng)因果回路

2.1.1 因果回路圖 因果關(guān)系分析是建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)，能夠幫助直觀地理解系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成以及要素間的關(guān)系.基于因果關(guān)系的描述分析，得到了城市交通擁堵系統(tǒng)的因果回路圖(圖1).基于觀察模型內(nèi)所包含的主要反饋關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，GDP的增長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)交通投資部分的增加，因而城市道路投資和地面公交投資的部分也會(huì)隨之增加，不僅城市道路的通行能力有了顯著提升，同時(shí)地面公交出行量的大大增加，在一定程度上減少了地面小汽車的交通量，這在一定程度上能夠起到緩解交通擁擠狀況的作用，從而利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展.此外，隨著人均GDP的增加，居民生活水平得到了大大提升，這會(huì)導(dǎo)致城市機(jī)動(dòng)車保有量的進(jìn)一步增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車排放的尾氣造成的空氣污染情況持續(xù)惡化，將不利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.與此同時(shí)，常住人口數(shù)量的持續(xù)攀升，會(huì)帶來(lái)城市總出行量的進(jìn)一步增長(zhǎng)，地面交通量居高不下，也是交通擁堵問(wèn)題難以得到有效治理的關(guān)鍵所在.

2.1.2 存量流量圖 當(dāng)需要進(jìn)一步量化模型、區(qū)別不同類型變量的時(shí)候，就要在因果回路圖的基礎(chǔ)上畫出存量流量圖.通過(guò)分析交通擁堵對(duì)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響的具體方式，得到了城市交通擁堵系統(tǒng)的流圖(圖2).

2.1.3 模型 圖2中包含1個(gè)狀態(tài)變量道路長(zhǎng)度LR，所對(duì)應(yīng)的速率變量為道路長(zhǎng)度增加量LAR.共有3個(gè)表函數(shù)，分別為日人均出行量表函數(shù)TPPT、GDP表函數(shù)GDP、常住人口表函數(shù)TRP，其他變量為輔助變量.通過(guò)交通基礎(chǔ)設(shè)施投資ITI轉(zhuǎn)化成道路長(zhǎng)度增長(zhǎng)量進(jìn)行累積，狀態(tài)變量的計(jì)算公式為[1]28

“一議處五司節(jié)制以杜侵陵，黃平、草塘、白泥、余慶、重安五司舊隸播州，襲替表貢，必假該司印信，不若將五司改隸黃平通判管理。一議處七姓奏民以安流離。七姓自奏許以來(lái)，恐楊酋加害，遠(yuǎn)徙川貴而無(wú)辜播民懼天討，或加亦因轉(zhuǎn)徙。今擬罷剿則當(dāng)分別優(yōu)恤，令有司給照安插。一增設(shè)安邊府官，以資彈壓，婁山以北，松坎以南，頗稱樂土。頃以播司構(gòu)難，相率逃移，非設(shè)官拊循民將何歸？應(yīng)將重慶府捕盜通判改為撫夷同知，移駐前項(xiàng)地方，聽其不時(shí)巡歷，設(shè)法招撫。一議發(fā)避住土官以復(fù)故業(yè)。播州土同知羅時(shí)豐與應(yīng)龍同籍同官，仇隙未深，因去歲議剿移駐貴竹土司，今應(yīng)龍已俛首聽勘，時(shí)豐當(dāng)聽督撫差官押送故土”[15]。

圖2 城市交通擁堵系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型存量流量

其中,道路投資轉(zhuǎn)化率RRIC的初始值為已知常量;道路投資額IR由交通投資與道路投資比重PRI確定，計(jì)算公式為[13]39

IR=ITI×PRI.

(3)

交通基礎(chǔ)設(shè)施投資由GDP與交通投資比重PTI得出，GDP由表函數(shù)確定，計(jì)算公式為[13]36

ITI=GDP×PTI.

(4)

城市交通系統(tǒng)中，路網(wǎng)車道公里RKM(km)也可稱為道路通行能力，可視為主干道、快速路與次干道支路3者之和，分別由所對(duì)應(yīng)的道路長(zhǎng)度、車道通行能力與車道數(shù)的乘積得出，計(jì)算公式為[13]40

其中，LMR,LFR,LSR分別為主干道、快速路與次干道支路的長(zhǎng)度;CMR,CFR,CSR分別為3者的車道通行能力;NMR,NFR,NSR分別為3者的車道數(shù).3種道路對(duì)應(yīng)的道路長(zhǎng)度計(jì)算公式為[1]29

交通擁堵的衡量指標(biāo)一般為交通需求與交通供給的比值[14]41，基于對(duì)國(guó)內(nèi)外交通擁堵CT評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合分析，將其定義為某路段在24 h內(nèi)實(shí)際交通量與道路設(shè)計(jì)能力之比[14]，計(jì)算公式為[13]41

(9)

其中，CKM為小汽車車公里(km)，BKM為公交車車公里(km)，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為[1]29

其中，Pcar為小汽車平均出行距離(km);Pbus為公交車平均出行距離(km).小汽車交通量Tcar由小汽車出行量Vcar與小汽車載客人數(shù)Ncar的比值確定，公交車交通量Tbus由公交車出行量Vbus與公交車載客人數(shù)Nbus的比值確定.結(jié)合天津市的實(shí)際情況，本模型還將機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行政策PRA考慮了進(jìn)去，計(jì)算公式為[1]29

其中，小汽車出行量和公交車出行量分別由總出行量和其對(duì)應(yīng)的出行比例確定，總出行量TT根據(jù)常住人口和日人均出行量表函數(shù)的乘積得出，計(jì)算公式為[1]29

其中，Rcar和Rbus分別為小汽車和公交車的出行比例.

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

模型中包括GDP、常住人口、城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資、道路投資、道路里程、出行量等在內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，主要來(lái)源于2005—2014年《天津市統(tǒng)計(jì)年鑒》和天津市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào).

此外，由于模型中部分?jǐn)?shù)據(jù)存在缺失，具體數(shù)值難以確定的情況，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法允許借助相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值的粗略估計(jì)，在滿足建模要求的前提下，可以在后續(xù)的工作中逐漸加以確定[15]190.

3 結(jié)果與分析

3.1 有效性檢驗(yàn)

考慮到對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的仿真模擬需求，只有系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)了相關(guān)檢驗(yàn)，才能稱之為一個(gè)完整的模型，才能對(duì)實(shí)際的政策運(yùn)行狀況給出科學(xué)合理的對(duì)策建議.有效性檢驗(yàn)首先需要檢查模型內(nèi)的變量選取及變量間關(guān)系的設(shè)置是否合理，隨即通過(guò)比較模型輸出的模擬值與實(shí)際值的擬合程度，以此來(lái)驗(yàn)證模型的構(gòu)建是否合理.若模擬數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的擬合度達(dá)到期望值，則表示本模型通過(guò)了有效性檢驗(yàn)；若擬合度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則需要返回對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，以使模型最終通過(guò)檢驗(yàn).文中選取天津市的城市樣本數(shù)據(jù)作為實(shí)證分析的對(duì)象，選取道路長(zhǎng)度作為主要的歷史值檢驗(yàn)指標(biāo)，主要原因是該變量為本模型的狀態(tài)變量，為主要變量且有歷史數(shù)據(jù)可以進(jìn)行比較.表1為2005—2014年天津市鋪裝道路長(zhǎng)度的模擬值與真實(shí)值的檢驗(yàn)結(jié)果.

表1 天津市道路長(zhǎng)度模擬值與真實(shí)值檢驗(yàn)結(jié)果(km)

由表1可以看出，2005—2014年間城市道路長(zhǎng)度的模擬值與實(shí)際值的誤差率基本都控制在10%以內(nèi)，說(shuō)明本模型的計(jì)算精度符合仿真分析的需要，可以得出系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的有效性判斷.

3.2 機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行政策仿真分析

隨著天津市城市化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，管理者在城市空間發(fā)展戰(zhàn)略方面提出了中心城區(qū)“一主兩副”的空間布局，具體指小白樓地區(qū)、西站地區(qū)城市副中心和天鋼柳林城市副中心.目前，天津市中心城區(qū)已基本形成由快速路為骨架的道路交通系統(tǒng)，中心城區(qū)的交通擁堵正呈現(xiàn)出由點(diǎn)到線、由線到面蔓延的態(tài)勢(shì).隨著城市機(jī)動(dòng)車保有量的過(guò)快增長(zhǎng)，城市居民的日常出行需求大大增加，加之城市道路資源的擴(kuò)張能力極度有限，因而城市交通擁堵程度日趨嚴(yán)重，城市交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力受到了極大威脅.為此，天津市從2014年3月1日起開始實(shí)行機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行政策，并對(duì)具體的實(shí)施細(xì)則做出了明確規(guī)定.

機(jī)動(dòng)車限行政策是利用交通需求管理來(lái)治理交通擁堵的一種措施，通過(guò)汽車尾號(hào)區(qū)域限行的方式來(lái)控制地面小汽車交通量的持續(xù)增長(zhǎng)，促使出行居民改變出行方式轉(zhuǎn)向公共交通出行方式，達(dá)到緩解交通擁堵的目的.通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中限行政策影響因素的輸入變量，即在初始情境下政策變量為0，當(dāng)限行1個(gè)、2個(gè)和5個(gè)尾號(hào)時(shí)，將其數(shù)值變化為10%,20%和50%，以此來(lái)模擬仿真出在不同政策情境下天津市城市交通擁堵狀況的變化趨勢(shì)(圖3-4).

圖3 不同限行政策下天津市小汽車交通量變化趨勢(shì)

圖4 不同限行政策下天津市交通擁堵變化趨勢(shì)

由圖3-4可知，機(jī)動(dòng)車限行政策的仿真分析主要是基于對(duì)機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行個(gè)數(shù)的改變來(lái)完成的，本模型依照天津市目前實(shí)施的限行政策，共設(shè)定了4種情景模擬狀態(tài)，即限行0個(gè)尾號(hào)、限行1個(gè)尾號(hào)、2個(gè)尾號(hào)、單雙號(hào)限行狀態(tài).基于Vensim PLE平臺(tái)對(duì)模型的運(yùn)行，得到的結(jié)果表明，實(shí)行機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行政策能夠減少城市小汽車交通量，使得城市交通平均擁擠水平呈下降趨勢(shì)，隨著限行尾號(hào)個(gè)數(shù)的增加，交通擁擠程度也會(huì)跟著進(jìn)一步降低，其中單雙號(hào)限行政策的實(shí)施效果最為明顯，平均擁擠水平處于4種情況中的最低水平.

綜上所述，在城市交通需求增速過(guò)快且供給能力無(wú)法滿足的情況下，可以采取機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行的措施來(lái)抑制小汽車的出行需求，通過(guò)控制限行尾號(hào)的個(gè)數(shù)達(dá)到調(diào)節(jié)地面交通量的目的，不僅能在一定程度上降低城市交通擁擠水平，還有利于實(shí)現(xiàn)城市交通運(yùn)行系統(tǒng)的健康發(fā)展.

4 城市交通擁堵治理對(duì)策建議

4.1 合理限制機(jī)動(dòng)車的擁有和使用

目前我國(guó)除天津以外，也有不少城市針對(duì)機(jī)動(dòng)車的過(guò)快增長(zhǎng)采取了限制性措施，例如北京、杭州、廣州等.結(jié)合本地實(shí)際情況，科學(xué)合理地對(duì)機(jī)動(dòng)車保有量和使用率加以限制，的確可以在一定程度上起到緩解城市交通擁堵的作用.一方面可以通過(guò)政府行政手段限制機(jī)動(dòng)車保有量的增加，采用機(jī)動(dòng)車增量指標(biāo)搖號(hào)或者競(jìng)價(jià)的方式，抬高機(jī)動(dòng)車消費(fèi)的準(zhǔn)入門檻，同時(shí)增加購(gòu)買機(jī)動(dòng)車的成本，例如提高購(gòu)買汽車時(shí)的消費(fèi)稅、依據(jù)汽車排量征收環(huán)保稅等，這樣會(huì)在汽車消費(fèi)需求和機(jī)動(dòng)車新增量方面起到明顯的抑制作用.另一方面可以通過(guò)政府行政手段降低機(jī)動(dòng)車使用率，實(shí)行不同時(shí)間段限行、單雙號(hào)限行、交通宜擁堵區(qū)域征收擁堵費(fèi)等方式，合理降低現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車的上路率和使用率.此外，規(guī)范政府公務(wù)用車管理，降低專車使用，大力推廣公務(wù)用車集中調(diào)度，也能在一定程度上緩解城市交通擁堵程度.

4.2 科學(xué)規(guī)劃城市交通布局

科學(xué)規(guī)劃交通布局，加強(qiáng)城市路網(wǎng)建設(shè)，同樣是影響城市交通運(yùn)行效率的關(guān)鍵因素，對(duì)于化解城市行車難、停車難問(wèn)題，改善城市交通環(huán)境，緩解交通擁堵有著重要作用.① 科學(xué)規(guī)劃城市布局，暢通城市交通道路網(wǎng)，盤活城市各功能分區(qū)之間的聯(lián)系，合理分散交通流量.② 因地制宜，合理規(guī)劃建設(shè)城市內(nèi)外部環(huán)線和城區(qū)道路立交，充分利用地理空間優(yōu)勢(shì)，構(gòu)筑現(xiàn)代城市立體交通布局.③ 動(dòng)靜結(jié)合，加快城市各功能中心區(qū)和重點(diǎn)車流集中區(qū)域的停車場(chǎng)等靜態(tài)交通建設(shè)，合理規(guī)劃停車泊位的數(shù)量和類型，增加立體車庫(kù)，充分利用空間，節(jié)約占地面積.④ 切實(shí)做好城市交通陳舊問(wèn)題的整治工作，做到“疏通經(jīng)絡(luò)，活血化瘀”，才能真正激活城市交通屬性.⑤ 進(jìn)一步做好規(guī)劃的后期落實(shí)工作，政府各職能部門要互相積極配合，嚴(yán)格落實(shí)規(guī)劃要求，把好審批建設(shè)關(guān)，確保規(guī)劃措施擲地有聲.

4.3 大力促進(jìn)公共交通優(yōu)先發(fā)展

與私人交通相比，公共交通具有大運(yùn)量、低能耗、高效率等諸多優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展公共交通既可以提升城市交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率，節(jié)約時(shí)間成本，又可以降低燃油污染，節(jié)省油耗，壓縮經(jīng)濟(jì)成本，提升城市空氣質(zhì)量.因此，基于當(dāng)前我國(guó)城市發(fā)展實(shí)際，優(yōu)先發(fā)展城市公共交通，是解決交通擁堵難題最有效的途徑和方法，同時(shí)也是建設(shè)服務(wù)型政府和提供優(yōu)質(zhì)公共服務(wù)的關(guān)鍵所在.政策優(yōu)先、規(guī)劃優(yōu)先、技術(shù)優(yōu)先都是未來(lái)天津市優(yōu)先發(fā)展公共交通的長(zhǎng)期思路，政府有關(guān)部門首先要在政策制定階段就明確公交優(yōu)先發(fā)展的地位，并給予大力支持；在城市規(guī)劃、建設(shè)上，優(yōu)先考慮公交系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)，尤其是加大城市軌道交通建設(shè)的投資力度，并科學(xué)規(guī)劃設(shè)置公交線路和站點(diǎn)，依據(jù)不同時(shí)間段的客流量增加公共交通運(yùn)行密度，同時(shí)可以適當(dāng)延長(zhǎng)公共交通的運(yùn)營(yíng)時(shí)間；最后還應(yīng)著力保障城市公共交通系統(tǒng)在交通資源方面擁有更大的優(yōu)先權(quán)利.

4.4 積極倡導(dǎo)市民文明綠色出行

城市交通運(yùn)行壓力的緩解與每個(gè)市民的生活都息息相關(guān)，倡導(dǎo)市民文明綠色出行需要全體公民的共同努力.① 全社會(huì)要積極鼓勵(lì)市民選擇公交、地鐵等低能耗、低污染和低排放的綠色、文明出行方式，減少私家車的使用.② 廣大市民也要爭(zhēng)當(dāng)綠色出行的宣傳使者，帶動(dòng)身邊更多的人參與進(jìn)來(lái)，自覺遵守社會(huì)秩序，做到文明出行，綠色出行，文明乘車，文明行走，營(yíng)造一個(gè)綠色發(fā)展的交通環(huán)境.③ 城市交通管理部門可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、電視等媒體平臺(tái)加強(qiáng)交通等相關(guān)法律法規(guī)的宣傳力度，讓文明綠色出行的理念深入人心；同時(shí)要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)機(jī)動(dòng)車駕駛員的宣傳引導(dǎo)，加強(qiáng)駕駛員考試嚴(yán)格程度，從思想根源上切實(shí)筑牢文明駕駛文明出行觀念.

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