城市道路交通承載力研究綜述

李小靜，王花蘭，范媛媛，傅忠寧

(蘭州交通大學(xué)，交通運(yùn)輸學(xué)院，蘭州 730070)

0 引言

城市交通對(duì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化建設(shè)具有重要的支撐作用，伴隨著我國城市化進(jìn)程的加快，機(jī)動(dòng)車保有量的不斷增加，城市交通出現(xiàn)了交通擁堵、交通資源匱乏及交通環(huán)境惡化等一系列問題?，F(xiàn)有的道路供給資源難以有效滿足出行者的交通需求，在高峰期容易造成交通堵塞，機(jī)動(dòng)車對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，使城市交通的承載能力受到了極大的挑戰(zhàn)。交通承載力是交通可持續(xù)發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容之一，城市交通可持續(xù)發(fā)展是學(xué)術(shù)界一直關(guān)注的熱點(diǎn)問題，具有重要的理論價(jià)值。

城市交通可持續(xù)發(fā)展要求城市交通在城市供給資源的限度內(nèi)以及環(huán)境約束下有度發(fā)展，發(fā)展規(guī)模不能超越其承載能力，承載力是可持續(xù)發(fā)展的閾值[1]。通過對(duì)不同約束下交通承載力的量化研究，能夠得到各城市或各區(qū)域交通承載力在不同場(chǎng)景或不同條件下的大小，評(píng)價(jià)現(xiàn)在或預(yù)測(cè)未來的交通承載狀態(tài)，制定有差別的城市交通發(fā)展策略。交通承載力是實(shí)現(xiàn)城市交通可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，研究交通承載力不僅可以優(yōu)化協(xié)調(diào)交通系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)制，優(yōu)化配置資源，而且，可為交通可持續(xù)狀態(tài)做出判斷和預(yù)警，從而制定差異化交通管理策略，改善和提高城市交通承載力，為道路交通系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)及管控提供更科學(xué)的理論依據(jù)，對(duì)我國城市交通可持續(xù)發(fā)展的評(píng)價(jià)和實(shí)踐具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 城市道路交通承載力的相關(guān)概念研究

承載力的概念最初來源于力學(xué)領(lǐng)域，指物體在不產(chǎn)生破壞時(shí)所能承受的最大負(fù)荷，后來應(yīng)用于畜牧管理中，20 世紀(jì)20 年代轉(zhuǎn)入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域[2]。1921年，PARK等[3]明確提出承載力的概念：某一特定環(huán)境條件下某種個(gè)體存在數(shù)目上的最高極限。近年來，國內(nèi)外承載力的研究逐漸由自然生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和交通等交叉領(lǐng)域，相繼出現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境承載力、水資源承載力、交通承載力及環(huán)境承載力等概念。廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和領(lǐng)域使交通承載力的基礎(chǔ)理論、量化研究方法及應(yīng)用等成為學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究問題。

國內(nèi)在交通承載力的研究上比較豐富，但交通承載力理論體系還不夠成熟，總體來說，還處于探索階段。對(duì)城市交通承載力的研究有單因素和多因素兩種，單因素對(duì)象主要研究某一方面的承載力，例如，城市交通設(shè)施承載力、交通環(huán)境承載力、城市道路路段承載力及城市交通網(wǎng)絡(luò)承載能力等；多因素對(duì)象主要研究?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上方面的復(fù)合綜合承載力，例如，交通資源環(huán)境承載力、城市群交通綜合承載力、城市綜合交通運(yùn)輸承載力及“經(jīng)濟(jì)-交通-環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)承載力等。

(1)交通承載力

專家學(xué)者從不同角度對(duì)交通承載力進(jìn)行了相關(guān)研究，但交通承載力沒有統(tǒng)一的定義。從交通容量的角度提出交通承載力定義的較多，例如，GAO等[4]定義為：一定時(shí)期內(nèi)，考慮交通設(shè)施條件和服務(wù)水平條件下，有限道路空間內(nèi)容納的最大行人和車輛數(shù)量。袁振洲等[5]定義交通承載力為：交通系統(tǒng)在公共交通服務(wù)能力、區(qū)域交通資源和城市交通基礎(chǔ)設(shè)施及環(huán)境約束下，正常發(fā)揮功能的支撐能力。WU[6]定義交通承載力為：在資源和環(huán)境等外部因素的約束下，城市在一定時(shí)間范圍內(nèi)利用其綜合交通設(shè)施及管理技術(shù)等條件，在滿足一定交通服務(wù)水平和效率的條件下，所能支持的最大交通活動(dòng)量。文獻(xiàn)[4]僅從交通設(shè)施和服務(wù)水平兩個(gè)影響因素進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[5]則從交通的組成，即公交服務(wù)能力、區(qū)域交通資源和城市交通設(shè)施及環(huán)境這3 個(gè)約束展開研究；文獻(xiàn)[6]不僅考慮外部的資源和環(huán)境約束，還考慮了內(nèi)部的交通設(shè)施、管理技術(shù)以及服務(wù)水平和效率等約束條件下的交通量。

侯德劭[1]定義交通承載力為：一定時(shí)期內(nèi)，特定土地利用結(jié)構(gòu)下，在城市系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)不向惡性方向轉(zhuǎn)變，城市環(huán)境符合可持續(xù)發(fā)展的要求條件下，城市體系所能承受交通系統(tǒng)的最大發(fā)展規(guī)模，即交通系統(tǒng)的可承受最大容量。詹歆曄等[7]從路網(wǎng)資源、燃油供給和大氣環(huán)境這3個(gè)模塊組成的交通承載力展開定量研究，定義其是城市交通系統(tǒng)在可供利用資源和環(huán)境達(dá)標(biāo)的前提下，所能支持的最大交通活動(dòng)(交通工具數(shù)量或交通運(yùn)輸能力)。學(xué)者們均考慮了資源和環(huán)境兩個(gè)方面，但對(duì)象均不相同。前者的資源主要是土地結(jié)構(gòu)，后者則包括路網(wǎng)和燃油。前者的環(huán)境為城市環(huán)境，后者則為大氣環(huán)境。相比文獻(xiàn)[4-6]，文獻(xiàn)[1,7]的定義從可持續(xù)發(fā)展的角度進(jìn)行了相關(guān)研究。

(2)交通資源(基礎(chǔ)設(shè)施)承載力

道路交通資源通常指道路交通基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括交通用地、線路、車站及燃料等。蔣惠園等[8]定義交通資源承載力為：在一定的經(jīng)濟(jì)水平下，在可預(yù)見的將來，交通資源所能承擔(dān)的人類各項(xiàng)活動(dòng)開發(fā)強(qiáng)度和速度的能力，反映了交通資源滿足人們?nèi)粘３鲂泻拓浳镞\(yùn)輸組織需求的能力。該文獻(xiàn)僅從交通資源單一對(duì)象進(jìn)行研究，但資源不僅是交通資源，還包括經(jīng)濟(jì)和人口等其他資源。

(3)交通環(huán)境承載力

衛(wèi)振林等[9]和劉志碩等[10]定義交通環(huán)境承載力為：環(huán)境對(duì)交通系統(tǒng)的負(fù)載能力。楊日輝等[11]從環(huán)境容量和環(huán)境承載力出發(fā)，定義為：在一定時(shí)期和一定區(qū)域內(nèi)，特定公路交通結(jié)構(gòu)下，在公路交通系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)不向惡性方向轉(zhuǎn)變的條件下，交通環(huán)境所承受公路交通系統(tǒng)的最大發(fā)展規(guī)模，即公路交通系統(tǒng)的最大交通量。3位學(xué)者均認(rèn)為廣義的環(huán)境資源觀中，環(huán)境容納污染物的能力即環(huán)境的自凈能力也是一種環(huán)境資源，故把交通環(huán)境分為交通環(huán)境污染和交通環(huán)境資源，并從這兩個(gè)方面研究，將交通環(huán)境承載力分為交通環(huán)境污染承載力和交通環(huán)境資源承載力。交通環(huán)境污染承載力指交通環(huán)境污染容量，例如，大氣、噪聲及水污染等所允許的最大交通總量；交通環(huán)境資源承載力指交通環(huán)境資源容量，例如，土地、能源及旅游資源等能允許的最大交通總量。但是研究的對(duì)象不同，前者是城市交通，后者為公路網(wǎng)交通，具體承載力模型中包括的指標(biāo)有所不同。

(4)交通資源環(huán)境承載力

蔣惠園等[8]從資源承載力和生態(tài)環(huán)境承載力兩個(gè)方面構(gòu)建交通資源環(huán)境承載力指標(biāo)體系，定義交通資源環(huán)境承載力為：在特定時(shí)期和特定區(qū)域內(nèi)，利用現(xiàn)有的各種交通資源，在維系區(qū)域可持續(xù)發(fā)展及確保交通生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定的條件下，對(duì)人類各項(xiàng)活動(dòng)所表現(xiàn)出的承載能力。文獻(xiàn)[8]根據(jù)資源環(huán)境承載力的定義及相關(guān)研究[12]，進(jìn)一步將交通資源環(huán)境承載力劃分為狹義交通資源環(huán)境承載力和廣義交通資源環(huán)境承載力。其中，狹義交通資源環(huán)境承載力主要指交通資源環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部，是包含了交通資源承載力和交通環(huán)境承載力的綜合承載力概念；廣義交通資源環(huán)境承載力則將外部的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與交通資源環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部相結(jié)合，綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)交通資源環(huán)境承載力的反饋?zhàn)饔谩?/p>

(5)交通綜合承載力

學(xué)者們對(duì)綜合承載力尤其關(guān)注，從多個(gè)層面和不同角度進(jìn)行研究。齊喆等[13]定義交通綜合承載力為交通系統(tǒng)在滿足居民出行需求的基礎(chǔ)上，在區(qū)域交通資源、城市交通基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)以及資源環(huán)境約束下，正常發(fā)揮功能和健康發(fā)展的支撐能力。將交通綜合承載力分解為區(qū)域交通承載力、城市交通承載力、公共交通承載力和交通資源環(huán)境承載力這4 個(gè)要素，分別從城市對(duì)外客貨交通、市域交通、公共交通及交通受資源環(huán)境約束這4個(gè)角度反映交通運(yùn)行狀態(tài)。王振坡等[14]基于協(xié)同理論建立京津冀城市群城市綜合承載力理論分析框架，從人口、環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)、交通及科技這6 個(gè)層面建立城市綜合承載力指標(biāo)體系。LIU等[15]構(gòu)建長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶“社會(huì)經(jīng)濟(jì)-交通資源-環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)承載力預(yù)警指標(biāo)體系，并運(yùn)用關(guān)聯(lián)熵確定指標(biāo)權(quán)重，建立承載力預(yù)警的復(fù)合物元模型。文獻(xiàn)[13]為交通系統(tǒng)內(nèi)部的概念，可認(rèn)為是狹義的交通綜合承載力；文獻(xiàn)[14-15]中的綜合承載力是由交通與外部其他系統(tǒng)相結(jié)合而進(jìn)行的綜合體系研究，可定義為廣義的交通綜合承載力。交通資源環(huán)境承載力從資源和環(huán)境兩個(gè)方面進(jìn)行研究，可以看作是交通綜合承載力的特例。

(6)交通路網(wǎng)承載力

對(duì)交通路網(wǎng)承載力的研究，專家主要從交通容量?jī)?yōu)化角度以及道路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和交通承載力的關(guān)系進(jìn)行。李榮[16]提出城市交通承載力源于路網(wǎng)容量，但路網(wǎng)容量更偏重于靜態(tài)狀況下整個(gè)路網(wǎng)所能容納的交通量，而交通承載力則是所能容納交通量的上限。吳建軍[17]基于道路網(wǎng)絡(luò)容量，定義路網(wǎng)承載力為道路網(wǎng)絡(luò)可以承載的交通容量，研究不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的城市交通網(wǎng)絡(luò)承載力。王世能等[18]基于城市路網(wǎng)剩余承載力，結(jié)合城市道路建設(shè)計(jì)劃，分階段提出面向城市交通可持續(xù)發(fā)展的小汽車控制指標(biāo)及政策建議。楊國菁等[19]研究圈性網(wǎng)絡(luò)的演化機(jī)理，分析鹽酸相同路網(wǎng)規(guī)模下具有不同圈性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交通承載能力。鄧娜[20]基于自組織臨界性給出路網(wǎng)承載力定義：針對(duì)既定規(guī)模的路網(wǎng)，在道路通行與交通管控條件一定的情況下，路網(wǎng)處于自組織臨界態(tài)時(shí)路網(wǎng)所能承載的交通量總量。朱吉雙等[21]分析城市道路網(wǎng)絡(luò)承載能力的這4大影響因素，即路段通行能力、服務(wù)水平、出行需求結(jié)構(gòu)和出行者擇路行為。熊志華[22]通過大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析路網(wǎng)運(yùn)行特性，用速度與交通量的乘積建立路網(wǎng)承載力分析模型。

(7)其他交通承載力

交通承載力的研究多集中在城市和城市群，除此之外，還有對(duì)交叉口承載力和其他相關(guān)交通承載力的研究等。例如，盧凱等[23]定義道路及路段與信號(hào)交叉口的交通承載能力，推導(dǎo)了最長(zhǎng)承載時(shí)間與最大承載車輛總數(shù)的計(jì)算方法，建立信號(hào)交叉口的交通承載能力優(yōu)化模型。傅成紅[24]從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度用DEA 模型給出交通運(yùn)輸承載力定義：一定時(shí)空條件下，交通運(yùn)輸系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)相對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所能承受的客貨運(yùn)輸發(fā)展規(guī)模。王秋平等[25]利用歷史街區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)建立了非機(jī)動(dòng)車流量的負(fù)二項(xiàng)評(píng)估模型，得到非機(jī)動(dòng)車交通環(huán)境心理承載力評(píng)估模型。

根據(jù)上述各種承載力的概念，發(fā)現(xiàn)其中的狹義概念有相似之處，總結(jié)如表1所示。

表1 交通承載力相關(guān)概念總結(jié)Table 1 Summary of concepts related to traffic carrying capacity

從表1可以看出：交通承載力的研究?jī)?nèi)容有微觀的道路容量，也有宏觀的發(fā)展規(guī)劃，均基于承載力的基本概念?？梢娊煌ǔ休d力的定義已經(jīng)具有了基本框架，是在一定前提條件和一定約束條件下，交通設(shè)施或系統(tǒng)承載的能力或閾值。因此，交通承載力可以從不同角度和不同側(cè)重點(diǎn)，在不同條件下，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行概念設(shè)定，對(duì)交通承載力的交叉研究具有重要的意義。

本文主要研究交通承載力，因此，統(tǒng)計(jì)分析交通承載力。CNKI 數(shù)據(jù)庫中，以承載力為主題的文獻(xiàn)高達(dá)13.82 萬篇，但以交通承載力為主題的文獻(xiàn)僅有203篇，以其為關(guān)鍵詞的中文文獻(xiàn)有93篇，近5年的僅13 篇。ScienceDirect 數(shù)據(jù)庫中，以承載力(Carrying Capacity)為主題的文獻(xiàn)有35611 篇，以交通承載力(Traffic Carrying Capacity)為主題的有476篇，但真正研究城市道路交通承載力的更少。說明承載力在各領(lǐng)域的研究已取得了很多研究成果，但在城市道路交通承載力方向上還有很大的研究空間。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)得到以交通承載力為關(guān)鍵詞的詞云圖，如圖1所示。

圖1 交通承載力詞云圖Fig.1 Word cloud map of traffic carrying capacity

從圖1以及前面的分析可以看出，交通承載力主要研究的是資源和環(huán)境兩大系統(tǒng)約束變量，通過各種建模方法對(duì)城市交通和路網(wǎng)等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)及耦合等量化研究和分析。

2 城市道路交通承載力量化研究方法

(1)交通承載力計(jì)算方法

在計(jì)算方面，國內(nèi)學(xué)者王煒等[26]提出的道路網(wǎng)絡(luò)的車公里數(shù)經(jīng)常被作為道路網(wǎng)絡(luò)承載力的度量值。詹歆曄等[7]基于“機(jī)動(dòng)車在駛量”構(gòu)建了由路網(wǎng)資源、燃油供給和大氣環(huán)境這3個(gè)模塊組成的交通承載力宏觀定量模型，認(rèn)為交通承載力等于3個(gè)模塊計(jì)算值的最小值，根據(jù)最低限制因子原理計(jì)算最大在駛量。GAO 等[27]通過建立平均出行速度和最大車輛數(shù)之間的等效交通流，提出一種城市路網(wǎng)交通承載力計(jì)算方法。

GAO等[4]基于時(shí)空消耗模型，并考慮道路資源的再利用系數(shù)、交叉口造成的減少系數(shù)和路網(wǎng)綜合利用系數(shù)，建立交通承載力的定量計(jì)算模型。鄧娜等[28]基于改進(jìn)時(shí)空耗散法提出以相鄰信號(hào)控制交叉口間路段為出發(fā)點(diǎn)，改進(jìn)交通承載分析的理論模型，通過對(duì)非快速路和快速路各自的交通承載力分析，形成分段函數(shù)，構(gòu)建全路網(wǎng)的交通承載力計(jì)算模型。CHAO等[29]通過計(jì)算有效道路面積、有效道路作業(yè)時(shí)間和個(gè)人交通空間和時(shí)間的消耗量，采用時(shí)空消耗法計(jì)算唐山市的交通承載力。

侯德劭[1]建立雙層規(guī)劃模型求解交通承載力，上層優(yōu)化模型是求取OD 分布使路網(wǎng)承載力最大化，下層優(yōu)化問題是用戶平衡配流問題，用遺傳算法求解。涂圣文等[30]提出城市結(jié)點(diǎn)高快路網(wǎng)絡(luò)承載能力分析的雙層規(guī)劃模型。

SHI等[31]提出一種更新的具有全程停車控制交叉口的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)元胞自動(dòng)機(jī)模型，模擬不同條件下網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的臨界密度和承載能力，從本質(zhì)上反映了網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)在陷入擁堵前所能處理的車輛極限數(shù)量。陳偉等[32]建立交通樞紐換乘系統(tǒng)乘客出行的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用Vensim 軟件仿真計(jì)算交通樞紐換乘系統(tǒng)的有效承載力。

WEI等[33]從“負(fù)載-載體”角度建立評(píng)估不同出行方式的城市交通承載力模型，并用協(xié)調(diào)度衡量不同出行方式所提供的承載力之間的平衡。

從以上文獻(xiàn)可以看出交通承載力的計(jì)算主要有宏觀和微觀定量模型，以靜態(tài)方法為主，多采用時(shí)空消耗法、雙層規(guī)劃數(shù)學(xué)模型以及計(jì)算機(jī)仿真模擬進(jìn)行研究。

國外學(xué)者對(duì)交通承載力的相關(guān)研究相對(duì)較早，大多學(xué)者以交通容量描述交通承載力。例如，IIDA[34](1972)將均衡配流理論應(yīng)用于路網(wǎng)承載力的計(jì)算中，提出確定路網(wǎng)容量的算法。SUMALEE等[35](2006)研究了重大災(zāi)害后的最優(yōu)交通管制和網(wǎng)絡(luò)容量可靠性的評(píng)估。近年來，關(guān)于交通承載力的研究主要有：ARASAN等[36]基于計(jì)算機(jī)模擬推導(dǎo)異構(gòu)交通城際道路承載能力標(biāo)準(zhǔn)；SHARIFF等[37]通過將速度-流量數(shù)據(jù)擬合成多項(xiàng)式方程，確定城市道路的通行能力，研究混合交通條件下城市道路交通承載能力；MALAVASI等[38]綜合計(jì)算了復(fù)雜鐵路節(jié)點(diǎn)的承載能力；VOLODIN 等[39]通過綜合分析計(jì)算鐵路、火車站、陸側(cè)地區(qū)、機(jī)場(chǎng)和高速公路的吞吐量，確定交通基礎(chǔ)設(shè)施承載能力的依賴關(guān)系，研究承載能力對(duì)鐵路網(wǎng)運(yùn)行的影響?？v觀國外學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)交通承載力的研究主要在交通基礎(chǔ)設(shè)施方面，例如，城市主干道、路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及高速公路等。

(2)交通承載力評(píng)價(jià)方法

在評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重方面，王愛蘋等[40]借助熵權(quán)法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重，并將其與模糊一致矩陣的主觀賦權(quán)法相結(jié)合，提出基于組合權(quán)重的城市交通承載力多層次模糊綜合評(píng)價(jià)方法。徐艷艷等[41]基于模糊物元理論和熵權(quán)法構(gòu)建交通環(huán)境承載力預(yù)警模型，綜合分析華北地區(qū)三省二市的交通環(huán)境承載力。從交通環(huán)境資源承載力和交通環(huán)境污染承載力及交通環(huán)境經(jīng)濟(jì)承載力這3 個(gè)方面判別交通環(huán)境承載力的承載狀態(tài)，并構(gòu)建交通環(huán)境承載力預(yù)警模型，評(píng)價(jià)北京市交通環(huán)境承載力水平，通過障礙因素診斷模型識(shí)別交通環(huán)境承載力的主要障礙因素[42]。徐靜[43]建立江蘇省道路交通承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)法綜合評(píng)價(jià)城市道路交通承載力。從以上文獻(xiàn)可知，各學(xué)者的評(píng)價(jià)方法大部分是基于熵權(quán)法與其他方法的綜合，而且多是靜態(tài)評(píng)價(jià)。

(3)交通承載力的耦合協(xié)調(diào)分析

在耦合協(xié)調(diào)分析研究方面，袁振洲等[5]運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)理論探明了交通承載力和環(huán)境承載力之間相互作用的強(qiáng)度，用協(xié)調(diào)度研究交通承載子系統(tǒng)與環(huán)境承載子系統(tǒng)內(nèi)各要素良性關(guān)聯(lián)的和諧一致程度。謝奔一等[44]運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)理論和剪刀差方法構(gòu)建交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合協(xié)調(diào)模型。韓瑞玲等[45]選擇耦合協(xié)調(diào)度模型與剪刀差方法，研究經(jīng)濟(jì)、交通和環(huán)境這3 個(gè)系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，全面分析石家莊市的交通耦合協(xié)調(diào)程度和各系統(tǒng)之間演化方向、演化速率的差異。陳果等[46]運(yùn)用熵權(quán)法、耦合度及耦合協(xié)調(diào)度模型分析湖北省及其17 個(gè)地市州的交通基礎(chǔ)設(shè)施投資與經(jīng)濟(jì)發(fā)展耦合關(guān)系和耦合協(xié)調(diào)發(fā)展程度的時(shí)空特征。從以上文獻(xiàn)可知，關(guān)于交通系統(tǒng)耦合的文獻(xiàn)相對(duì)較多，大多采用耦合協(xié)調(diào)理論研究交通系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的耦合，而研究交通系統(tǒng)內(nèi)部耦合協(xié)調(diào)機(jī)制的較少。

總結(jié)上述研究方法如表2所示。

表2 交通承載力量化研究方法Table 2 Quantitative approach of traffic carrying capacity

從表2可以看出：①交通承載力的計(jì)算主要有4種方法，第1種是從承載力的不同構(gòu)成模塊計(jì)算，再根據(jù)最低限制因子原理得到最大容量。第2 種是以時(shí)空消耗模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行不同角度的改進(jìn)，計(jì)算單位出行時(shí)空資源消耗量，得到總時(shí)空資源所容納的最大出行數(shù)量。第3 種是以線性或非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立雙層規(guī)劃模型等計(jì)算交通容量。第4 種是通過計(jì)算機(jī)仿真模型或軟件計(jì)算。②交通承載力的評(píng)價(jià)方法已基本成熟，均為多層次、多目標(biāo)及組合權(quán)的綜合評(píng)價(jià)方法。③交通承載力的耦合協(xié)調(diào)分析多采用耦合協(xié)調(diào)模型度量交通系統(tǒng)和外部其他系統(tǒng)(經(jīng)濟(jì)或環(huán)境)之間的耦合協(xié)調(diào)情況。

3 城市道路交通承載力的應(yīng)用

交通承載力在交通系統(tǒng)內(nèi)部的應(yīng)用主要有城市交通容量及機(jī)動(dòng)車保有量確定、交通量預(yù)測(cè)、土地利用開發(fā)以及交通狀態(tài)識(shí)別等多個(gè)方面。

確定交通容量及機(jī)動(dòng)車保有量是最普遍的一種應(yīng)用，例如，劉志碩等[10]將交通容量劃分為微觀交通容量和宏觀交通容量，提出一種基于交通環(huán)境承載力的城市交通容量確定方法并進(jìn)行了應(yīng)用。楊忠振等[47]以城市環(huán)境承載力為約束條件預(yù)測(cè)城市內(nèi)可容納的最大乘用車保有量。

在預(yù)測(cè)應(yīng)用方面，楊日輝等[11]提出將交通環(huán)境承載力相關(guān)理論應(yīng)用到公路網(wǎng)交通量預(yù)測(cè)中，提出基于交通環(huán)境承載力的公路網(wǎng)交通量預(yù)測(cè)模型。

在土地開發(fā)應(yīng)用上，鄭猛等[48]基于土地利用與交通雙向互動(dòng)理論，研究土地開發(fā)強(qiáng)度與交通承載力關(guān)系的定量分析方法，依據(jù)交通承載力確定土地適宜開發(fā)強(qiáng)度。周軍等[49]以深圳為例，利用交通承載力評(píng)估研究及應(yīng)用密度分區(qū)及容積率測(cè)算。MIHARjA等[50]指出，在城市土地利用開發(fā)控制中，應(yīng)引入交通承載力模型，否則，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的交通擁堵問題。

在交通狀態(tài)識(shí)別應(yīng)用上，賈順平等[51]采用道路網(wǎng)絡(luò)理想承載力衡量交通供給，采用基于居民出行特性的機(jī)動(dòng)車交通強(qiáng)度衡量交通需求，用交通負(fù)荷比表示交通需求和交通供給的匹配程度，并計(jì)算以平均行程車速衡量的交通狀態(tài)。

交通承載力也可以應(yīng)用在其他方面，例如，KYUSHIK等[52]在城市土地人口承載力指標(biāo)評(píng)估體系中，考慮道路系統(tǒng)和地鐵系統(tǒng)的交通承載力作為決定性指標(biāo)，通過GIS 評(píng)價(jià)區(qū)域的人口承載力。JIA 等[53]在研究旅游發(fā)展和人口收入的關(guān)系時(shí)，考慮交通承載力因素的影響，旅游發(fā)展對(duì)居民收入水平增長(zhǎng)的積極影響取決于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和旅游地交通設(shè)施的承載能力。ZHOU等[54]的研究表明，未來研究過度通勤時(shí)，超額通勤度確定應(yīng)考慮道路運(yùn)載能力和擁堵情況。

由上可知，交通承載力的應(yīng)用研究在宏觀和微觀層面，交通內(nèi)部和外部領(lǐng)域等，均已成為一個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，引導(dǎo)和支撐著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的多個(gè)方面，因此，對(duì)于交通承載力的應(yīng)用研究應(yīng)該引起足夠的重視。未來交通承載力應(yīng)用研究框架如圖2所示。

圖2 交通承載力研究框架Fig.2 Research framework of traffic carrying capacity

4 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了國內(nèi)外城市道路交通承載力的研究現(xiàn)狀，基于深刻的文獻(xiàn)分析與解讀，詳細(xì)探討了學(xué)術(shù)界在該問題上重點(diǎn)關(guān)注的基礎(chǔ)理論、常用的計(jì)算、評(píng)價(jià)和耦合協(xié)調(diào)分析方法及應(yīng)用實(shí)踐的科學(xué)價(jià)值和意義?；谏鲜鱿嚓P(guān)研究工作的分析，總結(jié)當(dāng)前研究存在問題和未來研究展望。

4.1 存在問題

通過城市道路交通承載力的相關(guān)概念、量化研究方法以及應(yīng)用等研究現(xiàn)狀的分析可知，近年來，許多學(xué)者對(duì)城市交通承載力的研究?jī)A注了大量的心血，并取得了一定的成績(jī)，但仍存在一些關(guān)鍵性的問題迫切需要改進(jìn)和解決。

(1)交通承載力的基礎(chǔ)理論

目前，交通承載力理論并不完善，還沒有形成公認(rèn)的理論方法體系，尤其是交通承載力還沒有統(tǒng)一的定義，界定的范圍也各有不同，有的比較狹小，有的又極為廣泛。因此，對(duì)交通承載力的概念界定還具有很大的研究空間。除了基本概念外，城市道路交通承載力的內(nèi)涵、特征以及影響因素等的相關(guān)研究也缺乏全面和大量的深入探討。

(2)交通承載力的量化研究

交通承載力定義的不統(tǒng)一，造成其內(nèi)涵和界定也變得模糊不清，使承載力的量化研究變得難以操作。首先，交通承載力的計(jì)算主要針對(duì)的是單一交通基礎(chǔ)設(shè)施，例如，城市主干道、路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、高速公路及路網(wǎng)等方面，缺少比較復(fù)雜的交通系統(tǒng)承載力的計(jì)算。其次，計(jì)算方法比較少，主要采用改進(jìn)的時(shí)空消耗法，固定的時(shí)空資源不符合實(shí)際，但是，改進(jìn)的時(shí)空資源計(jì)算中的各種參數(shù)較難確定。采用雙層規(guī)劃數(shù)學(xué)模型計(jì)算交通承載力的方法仍存在求解困難等問題。

承載力本身具有動(dòng)態(tài)性、模糊性和不確定性，因此，交通承載力的研究應(yīng)朝該方向進(jìn)行。但目前的評(píng)價(jià)研究多集中在綜合評(píng)價(jià)的靜態(tài)方法研究上，交通承載力的動(dòng)態(tài)和不確定評(píng)價(jià)還比較欠缺，因此，也增加了量化的難度。雖然評(píng)價(jià)模型基本成熟，但對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和應(yīng)用并未達(dá)成共識(shí)，對(duì)于特定的問題，仍存在評(píng)價(jià)方法的合理和正確選擇的困難。

對(duì)交通承載力的耦合協(xié)調(diào)分析，現(xiàn)階段的研究大多將交通承載力和交通系統(tǒng)之外的其他系統(tǒng)聯(lián)系在一起進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)性分析，鮮有從交通承載力內(nèi)部構(gòu)成出發(fā)，針對(duì)內(nèi)部要素之間的耦合協(xié)調(diào)機(jī)制的研究。耦合協(xié)調(diào)模型亦僅僅停留在基礎(chǔ)模型，并未突破常規(guī)，體現(xiàn)隨機(jī)動(dòng)態(tài)和模糊等不確定性的特征。

(3)交通承載力的應(yīng)用研究

交通承載力在交通領(lǐng)域的應(yīng)用仍具有局限性，目前，僅在交通容量、交通量預(yù)測(cè)、交通土地利用及交通狀態(tài)識(shí)別上進(jìn)行了一系列應(yīng)用，交通承載力與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及資源等領(lǐng)域的交叉應(yīng)用研究雖然還算比較廣泛，但是，技術(shù)手段比較落后，僅限于基本理論和方法，比較智能和前沿的先進(jìn)科學(xué)方法用的較少。

4.2 研究展望

根據(jù)存在的問題，結(jié)合相關(guān)理論和方法，并依據(jù)城市交通可持續(xù)發(fā)展原則，從交通承載力基礎(chǔ)理論、計(jì)算、指標(biāo)評(píng)價(jià)、耦合協(xié)調(diào)以及應(yīng)用等方面展開理論和實(shí)踐研究。

(1)建立較完善的交通承載力理論體系。交通承載力概念雖然無法統(tǒng)一，但是，可以根據(jù)基本概念框架以及不同側(cè)重和不同范圍的交通系統(tǒng)，重新界定交通承載力及其相關(guān)概念。在此基礎(chǔ)上，深刻理解交通承載力內(nèi)涵，深入研究子系統(tǒng)的組成及特征；從交通供給、交通需求以及交通管理等多個(gè)方面全面具體分析影響因素，找出關(guān)鍵障礙因子。

(2)進(jìn)一步完善和拓展交通承載力計(jì)算方法，加強(qiáng)復(fù)雜交通系統(tǒng)承載力計(jì)算方法的研究。針對(duì)不同的交通系統(tǒng)采用特定的估算方法，提高各種算法的效率。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立有效評(píng)價(jià)模型?？紤]不確定因素，綜合運(yùn)用隨機(jī)模糊動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法。全面綜合評(píng)價(jià)城市交通承載狀態(tài)，必須根據(jù)全面性、層次性、目的性、可比性、可操作性、科學(xué)性、創(chuàng)新性及一致性等原則，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的交通承載力指標(biāo)體系。針對(duì)特定問題，選用正確合理的有效評(píng)價(jià)方法，建立對(duì)應(yīng)的交通承載力的多目標(biāo)和多層次綜合評(píng)價(jià)模型。城市交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在隨機(jī)變化的交通網(wǎng)絡(luò)中，受多種外界因素影響的交通承載力會(huì)呈現(xiàn)不斷變化的趨勢(shì)，將不確定因素的影響考慮到交通承載力的研究中，可以更真實(shí)地反映交通承載力在不確定環(huán)境下的隨機(jī)變化動(dòng)態(tài)。除了靜態(tài)評(píng)價(jià)方法，還可以結(jié)合云理論、可靠性理論及蒙特卡洛法等隨機(jī)模糊評(píng)價(jià)理論及方法評(píng)價(jià)交通承載力，對(duì)不同條件下的城市交通承載狀態(tài)進(jìn)行判斷和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

(4)建立交通系統(tǒng)內(nèi)外部的交通資源承載力、交通環(huán)境承載力及交通網(wǎng)絡(luò)承載力等多元耦合協(xié)調(diào)關(guān)系模型。揭示其耦合協(xié)調(diào)機(jī)制，探索不確定環(huán)境下的耦合協(xié)調(diào)模型，研究子系統(tǒng)之間動(dòng)態(tài)有機(jī)耦合的形成機(jī)理和協(xié)同優(yōu)化關(guān)系，分析耦合協(xié)調(diào)結(jié)果，找出影響耦合關(guān)系的主要瓶頸障礙，提出協(xié)同優(yōu)化決策方案。協(xié)調(diào)優(yōu)化城市交通系統(tǒng)內(nèi)部及外部資源和環(huán)境之間的關(guān)系，提出交通資源發(fā)展建議與交通環(huán)境保護(hù)協(xié)同優(yōu)化對(duì)策，促進(jìn)子系統(tǒng)之間的平衡和融合發(fā)展。

(5)分析交通承載力時(shí)空演化特征，預(yù)測(cè)承載力演變趨勢(shì)。根據(jù)時(shí)空演化規(guī)律及變化趨勢(shì)，提出不同時(shí)段管理策略，采用不同手段和技術(shù)研究動(dòng)態(tài)和靜態(tài)交通管理，差異化調(diào)控區(qū)域承載力。

(6)從交通管理、交通供給和交通需求出發(fā)，研究主要影響因素的具體實(shí)踐應(yīng)用。交通管理方面，可根據(jù)不同交通系統(tǒng)的承載狀態(tài)提出相應(yīng)的管理策略；交通供給方面，分析交通服務(wù)水平、交通規(guī)模及道路通行能力等與承載力的相互關(guān)系，依據(jù)交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與承載力關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計(jì)交通網(wǎng)絡(luò)；交通需求方面，分析不同調(diào)控政策下的出行者擇路行為演化特性，探討交通需求結(jié)構(gòu)與交通承載力良好匹配關(guān)系的優(yōu)化路徑。研究城市交通中不同出行方式的交通承載力及其平衡均為很有實(shí)際意義的選題。

(7)改進(jìn)應(yīng)用技術(shù)方法，提高量化精度。交通承載力應(yīng)在量化研究的基礎(chǔ)上，有效利用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)5G 技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遙感技術(shù)、GPS和GIS技術(shù)等向數(shù)字化、可視化及高精度化方向深入發(fā)展，結(jié)合低碳交通導(dǎo)向，更高效地指導(dǎo)人類社會(huì)交通出行活動(dòng)及其他各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。

(8)拓展自身及交叉領(lǐng)域應(yīng)用。將交通承載力的研究思路和方法應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境承載力、水資源承載力、旅游承載力、草地承載力、海域承載力、資源環(huán)境承載力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)承載力、土地承載力、城市承載力及公共服務(wù)承載力等交叉領(lǐng)域，同時(shí)，交通承載力的研究也可以借鑒其他領(lǐng)域的研究方法。

(9)形成城市道路交通承載力優(yōu)化理論與方法體系，根據(jù)其理論方法和應(yīng)用研究，開發(fā)系統(tǒng)仿真軟件。為城市規(guī)劃、交通規(guī)劃、建設(shè)、設(shè)計(jì)、管理及控制等提供科學(xué)指導(dǎo)，提升城市道路交通資源優(yōu)化配置，加強(qiáng)城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)。