都市區(qū)TOD走廊公共交通方式選擇模型

過(guò)利超 過(guò)秀成 姜曉紅

(東南大學(xué)交通學(xué)院,南京210096)

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都市區(qū)TOD走廊公共交通方式選擇模型

過(guò)利超 過(guò)秀成 姜曉紅

(東南大學(xué)交通學(xué)院,南京210096)

為了在都市區(qū)TOD走廊內(nèi)合理地配置公共交通設(shè)施,協(xié)調(diào)乘客、運(yùn)營(yíng)企業(yè)與政府的三方利益需求,考慮客運(yùn)線路的乘客盈余、企業(yè)運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)、環(huán)境污染和能源消耗引起的外部成本等指標(biāo),以客運(yùn)線路長(zhǎng)度、車頭時(shí)距、票價(jià)為決策變量,構(gòu)建了TOD走廊公共交通方式選擇的社會(huì)效用最大化模型,并以鎮(zhèn)江都市區(qū)東翼客運(yùn)走廊為例進(jìn)行模型應(yīng)用.研究結(jié)果表明,模型充分體現(xiàn)了TOD走廊的站點(diǎn)空間輻射、生態(tài)低碳等特征,一體化考量了公共交通方式的戰(zhàn)略選擇與公共客運(yùn)線路的運(yùn)營(yíng)參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題,對(duì)TOD走廊公共交通方式選擇方案的決策具有指導(dǎo)意義.

都市區(qū);TOD走廊;公共交通方式選擇;社會(huì)效用

公共交通導(dǎo)向下的都市區(qū)軸向開(kāi)發(fā)有利于用地的集約利用與都市的精明增長(zhǎng),出現(xiàn)了整合交通節(jié)點(diǎn)的以公共交通為導(dǎo)向的走廊開(kāi)發(fā)形式——TOD走廊[1].市郊鐵路、地鐵、輕軌、現(xiàn)代有軌電車等快速軌道交通系統(tǒng)與快速公交系統(tǒng)(bus rapid transit,BRT)是都市區(qū)TOD走廊主導(dǎo)的大中運(yùn)量公共交通方式,由于各公共交通方式自身技術(shù)特性有所差異,需要決策者綜合權(quán)衡公共交通供給容量、建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本、社會(huì)環(huán)境效益等因素,實(shí)現(xiàn)方式的合理配置.關(guān)于公共交通方式選擇模型的研究可以歸納為3類:① 基于出行者行為分析建立的公共交通方式選擇模型[2-3].這類模型僅從個(gè)體出行行為的角度出發(fā),未充分體現(xiàn)政府等其他參與方對(duì)公共交通方式?jīng)Q策的影響.② 基于政府與運(yùn)營(yíng)企業(yè)需求的公共交通方式比選模型[4-6].這類模型以運(yùn)營(yíng)成本與環(huán)境效益作為方式比選指標(biāo),凸顯了環(huán)境保護(hù)等可持續(xù)因素的重要性.③ 基于運(yùn)營(yíng)企業(yè)與乘客的公共交通方式比選模型[7-9].這類模型中以客運(yùn)線路數(shù)量、線路長(zhǎng)度、服務(wù)水平與費(fèi)用等運(yùn)營(yíng)參數(shù)作為決策變量,構(gòu)建了利潤(rùn)最大化模型,由于模型構(gòu)建中將客運(yùn)走廊抽象為單線形式,因此未能體現(xiàn)客運(yùn)走廊 “面狀”的區(qū)域特征.

本文立足都市區(qū)TOD走廊的空間輻射特征,考慮環(huán)境保護(hù)與能源節(jié)約等可持續(xù)因素,構(gòu)建基于乘客、運(yùn)營(yíng)企業(yè)與政府三方利益需求的公共交通方式選擇模型.

1 模型假定

結(jié)合都市區(qū)TOD走廊的相關(guān)特征，給定如下假設(shè):① 都市區(qū)TOD走廊串聯(lián)以大中運(yùn)量公交樞紐為中心組織形成的TOD社區(qū),TOD社區(qū)作為基本的規(guī)劃統(tǒng)計(jì)單元;② 都市區(qū)TOD走廊居民出行以通勤出行為主體,模型構(gòu)建中僅考慮通勤客流需求;③ TOD社區(qū)居民就業(yè)崗位的選擇只存在于本社區(qū)內(nèi)部與中心城CBD,并優(yōu)先選擇本社區(qū)內(nèi)部的就業(yè)崗位.

建立TOD走廊大中運(yùn)量公共客運(yùn)線路結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)[9],如圖1所示,TOD走廊總長(zhǎng)度為B,線路上共有N+1個(gè)站點(diǎn),Ds為站點(diǎn)s到中心城區(qū)CBD的距離,Rs為站點(diǎn)s的TOD開(kāi)發(fā)輻射半徑,D1為客運(yùn)線路總長(zhǎng)度.

圖1 都市區(qū)TOD走廊大中運(yùn)量公共客運(yùn)線路結(jié)構(gòu)圖

q(x,s)=Ps(1-eaus(x)-ewws-etts-eff)

?x∈[0,Rs],s=1,2,…,N

(1)

式中,us(x),ws,ts,f分別表示居民到達(dá)s站點(diǎn)的平均時(shí)間、在站點(diǎn)s的等待時(shí)間、車內(nèi)時(shí)間與乘車費(fèi)用;ea,ew,et,ef為相應(yīng)的敏感性參數(shù),ea,ew,et的單位為h-1,ef單位為元-1；且

(2)

式中,Va為乘客的平均到達(dá)速度;Vt為車輛平均行駛速度;H為車頭時(shí)距;α取決于H與乘客到達(dá)分布的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),一般取0.5;β為車輛在站點(diǎn)的平均停留時(shí)間.令1-ewws-etts-eff=λs,則站點(diǎn)s輻射區(qū)域內(nèi)總公交客運(yùn)需求為

(3)

2 社會(huì)效用最大化模型

政府、運(yùn)營(yíng)企業(yè)與乘客是都市區(qū)TOD走廊公共交通方式?jīng)Q策的主要參與方,政府側(cè)重從宏觀的角度協(xié)調(diào)交通與土地利用、環(huán)境保護(hù)、能源利用等方面的關(guān)系,促進(jìn)都市區(qū)客運(yùn)走廊形成可持續(xù)的交通系統(tǒng);運(yùn)營(yíng)企業(yè)主要設(shè)計(jì)客運(yùn)線路發(fā)車間隔、票價(jià)等核心運(yùn)營(yíng)參數(shù),追求運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)最大化;乘客權(quán)衡出行成本與收益后做出出行決策.都市區(qū)TOD走廊公共交通方式的確定需要綜合考慮政府、運(yùn)營(yíng)企業(yè)和乘客三方的博弈關(guān)系,以三方構(gòu)成的社會(huì)效用最大化為目標(biāo)構(gòu)建決策模型.令W表示社會(huì)效用,G表示乘客盈余,E表示企業(yè)運(yùn)營(yíng)利潤(rùn),P表示環(huán)境污染與能源消耗成本,則

W=G+E-P

(4)

2.1 乘客盈余

乘客盈余G表示乘客愿意為此次出行支出數(shù)額減去出行中實(shí)際支出數(shù)額,由式(1)可知,費(fèi)用f是實(shí)際公交客流q(x,s)的函數(shù),乘客總支出可以表示為函數(shù)f(q)對(duì)q(x,s)的積分,故在站點(diǎn)s輻射區(qū)域內(nèi)x處的乘客盈余G(x,s)表示為

ewws-etts-eff)2

(5)

結(jié)合式(2)與式(5),站點(diǎn)s輻射區(qū)域內(nèi)的乘客盈余為

(6)

2.2 企業(yè)運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)

企業(yè)運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)E等于通過(guò)收取乘客票價(jià)所取得的總的運(yùn)營(yíng)收入R減去總的運(yùn)營(yíng)成本C,即E=R-C.總的運(yùn)營(yíng)收入R為每個(gè)站點(diǎn)的上車乘客數(shù)乘以相應(yīng)的票價(jià)，即

(7)

總的運(yùn)營(yíng)成本C包括車輛運(yùn)營(yíng)成本CV、線路運(yùn)營(yíng)成本CL和站點(diǎn)運(yùn)營(yíng)成本CS.CV包含固定的運(yùn)營(yíng)成本和可變的運(yùn)營(yíng)成本,CL包括線路經(jīng)營(yíng)固定成本和征用土地、設(shè)施建設(shè)、線路維護(hù)與勞動(dòng)力等可變成本,CS包括站點(diǎn)經(jīng)營(yíng)固定成本和征用土地、規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)施建設(shè)、場(chǎng)站維護(hù)等可變成本，即

[η0+η1(N+1)]

(8)

式中,μ0,γ0,η0分別為車輛、線路、站點(diǎn)運(yùn)營(yíng)固定成本;μ1為車輛運(yùn)營(yíng)單位成本;γ1為線路運(yùn)營(yíng)單位成本;η1為站點(diǎn)運(yùn)營(yíng)單位成本;θ為車輛單位運(yùn)行周期的行程時(shí)間，包括終端時(shí)間T0、干線運(yùn)輸時(shí)間T1與站點(diǎn)停留時(shí)間T2,即

(9)

則企業(yè)運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)可以表示為

(γ0+γ1D1)-[η0+η1(N+1)]

(10)

2.3 環(huán)境污染與能源消耗成本

TOD走廊內(nèi)公共交通設(shè)施配置需要考慮環(huán)境的承受能力與資源節(jié)約.公共交通設(shè)施的污染物種類主要有大氣污染與噪聲污染兩類,則總污染物的成本PG表示為

(11)

式中,wg,wn分別為大氣污染、噪聲污染內(nèi)部化后的單位成本.同理,能源消耗總成本表示為

(12)

式中,we為能源消耗內(nèi)部化后的單位成本.環(huán)境污染與能源消耗總成本P為

(13)

基于社會(huì)效用最大化的都市區(qū)TOD走廊公共交通方式?jīng)Q策模型為

(14)

(15)

D1≤B

(16)

式中,K為車輛最大載客量.式(15)對(duì)TOD走廊客流供需關(guān)系進(jìn)行了約束,式(16)在公共客運(yùn)線路長(zhǎng)度上給予了約束.

3 模型求解

構(gòu)建社會(huì)效用最大化模型的拉格朗日函數(shù)F(D,H,f),分別對(duì)線路長(zhǎng)度D、車頭時(shí)距H、費(fèi)用f求偏導(dǎo)數(shù),則D,H與f的最優(yōu)解滿足以下方程:

(17)

式中,a,b為拉格朗日乘數(shù);Δs為隨機(jī)變量,當(dāng)s=1時(shí),Δs=0,否則取值1.

4 實(shí)例應(yīng)用

鎮(zhèn)江市規(guī)劃提出加快推進(jìn)都市發(fā)展軸建設(shè)與新城開(kāi)發(fā),以公交走廊先行的策略引導(dǎo)鎮(zhèn)江都市區(qū)的空間結(jié)構(gòu)調(diào)整.其中串聯(lián)老城核心區(qū)、丁卯新城、諫壁新城與大港新城的鎮(zhèn)江東翼客運(yùn)走廊具備建設(shè)TOD走廊的經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)與人口條件,全長(zhǎng)約15 km.亟需選擇合理的大中運(yùn)量公共交通方式引導(dǎo)與支撐東翼客運(yùn)走廊的軸向開(kāi)發(fā),其中BRT、現(xiàn)代有軌電車、輕軌與地鐵等大中運(yùn)量公共交通方式為備選方案.參考鎮(zhèn)江市城市總體規(guī)劃,確定東翼客運(yùn)走廊沿線各規(guī)劃統(tǒng)計(jì)單元的TOD開(kāi)發(fā)輻射半徑Rs、人口數(shù)gs、平均出行次數(shù)ns與職住比ms.高峰小時(shí)系數(shù)φ取0.1,乘客平均到站速度Va取4 km/h,敏感性參數(shù)ea,ew,et和ef分別取值0.98,0.98,0.49 h-1和0.098元-1,模型其他參數(shù)的取值如表1所示[9-10].

表1 鎮(zhèn)江都市區(qū)東翼客運(yùn)走廊公共交通方式選擇模型參數(shù)設(shè)置

運(yùn)用式(14)～(17),通過(guò)C++編程求解,得出模型求解結(jié)果如表2所示.

表2 鎮(zhèn)江都市區(qū)東翼客運(yùn)走廊公共交通方式選擇模型求解結(jié)果一覽表

根據(jù)模型求解結(jié)果,采用BRT方案時(shí)社會(huì)效用最優(yōu).決策者在鎮(zhèn)江都市區(qū)東翼TOD走廊設(shè)施配置過(guò)程中,宜采用BRT作為TOD走廊內(nèi)的主導(dǎo)公交方式,引導(dǎo)都市軸向空間的拓展與沿線土地集約開(kāi)發(fā),所選方式實(shí)現(xiàn)了線路長(zhǎng)度、車頭時(shí)距與票價(jià)等運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平整體最優(yōu)情況下的社會(huì)效用最大化目標(biāo).

5 結(jié)論

1) 模型通過(guò)參數(shù)站點(diǎn)和輻射半徑的設(shè)置,改進(jìn)了以往模型將客運(yùn)走廊抽象為單線形式開(kāi)展研究的不足.

2) 體現(xiàn)了TOD走廊內(nèi)低碳生態(tài)交通要求,完善了模型中關(guān)于社會(huì)效用的構(gòu)成.

3) 一體化考量了TOD走廊公共交通方式戰(zhàn)略選擇與公共客運(yùn)線路運(yùn)營(yíng)參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題,可以兼顧關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)參數(shù)與社會(huì)效用的最優(yōu)解.都市區(qū)TOD走廊內(nèi)往往存在2種及2種以上的大中運(yùn)量公共交通方式,各公共交通方式之間具有接駁、喂給、并行等多種競(jìng)合關(guān)系,今后將進(jìn)一步針對(duì)不同競(jìng)合關(guān)系下公共交通方式組合方案的選擇決策開(kāi)展研究.

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Public transportation mode choice model in TOD corridor of metropolitan area

Guo Lichao Guo Xiucheng Jiang Xiaohong

(School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to reasonably allocate public transportation facilities in transit-oriented development(TOD)corridor of metropolitan area and coordinate the tripartite interests among passengers, operator and government, a social utility maximization model of public transportation mode choice in TOD corridor is constructed. This model considers the indexes of consumer surplus, profit of the operator, external costs of environmental pollution and energy consumption, and takes the line length, headway, and fare as decision variables. The passenger corridor in the east flank of Zhenjiang metropolitan area is taken as an example. The investigation results show that the model fully reflects the TOD corridor characteristics of site space radiation, low-carbon and ecology, and integratively considers both public transportation mode choice and operation parameters of public passenger line. It’s instructive for the decision-making of public transportation mode choice in TOD corridor.

metropolitan area;transit-oriented development(TOD) corridor;public transportation mode choice;social utility

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.033

2014-12-30. 作者簡(jiǎn)介: 過(guò)利超(1986—),男,博士生;過(guò)秀成(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,seuguo@163.com.

江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(09R02).

過(guò)利超，過(guò)秀成，姜曉紅.都市區(qū)TOD走廊公共交通方式選擇模型[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(3):601-605.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.033

U491

A

1001-0505(2015)03-0601-05