武漢城市生態交通系統SD模型構建

（武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063）

1 緒論

隨著社會的進步，城市作為一定區域內政治、經濟、文化、交通中心的作用日益顯著。城市化的迅速推進帶來交通需求的增長，城市機動車出行大幅增加并逐漸占據主體地位，隨之產生的則是一系列交通問題。交通擁堵、交通事故、交通污染排放等問題給人們的生活和工作帶來了嚴重影響，這一點在大城市中尤為突出[1]。 近年來，霧霾等城市污染問題對人體健康產生了嚴重威脅，人們的環保意識日益增強，城市交通規劃設計者以及政府決策者迫切需要制定適合本地區實際情況的科學化、生態化交通發展策略，生態文明的思想逐漸進入人們視野[2]。

20世紀中后期，工業文明遺留的諸多問題使人們開始對社會的發展進行反思，生態文明思想應運而生。“可持續發展”基本綱領自1987年2月首次提出以來廣泛傳播，對世界各國的發展戰略產生了深遠影響[3]。在可持續發展理念的指導下對交通發展問題進行全面思考，一些新的理念例如綠色交通、生態交通等逐漸引起人們關注。城市生態交通系統的復雜性與動態性使得城市生態交通相關研究主要集中在理論研究與評價方面，已有研究運用層次分析法對生態交通系統進行評價[4]以及將層次分析法與變異系數法相結合從主觀、客觀兩個方面對評價指標進行賦權評價[5]。生態交通系統的相關理論與實現途徑不斷被討論研究[6]。

近年來，為了使城市交通發展更加生態化，新技術不斷被應用到城市交通系統中，新政策不斷出臺，但城市交通的污染問題、擁堵問題依然存在。從系統的角度出發對城市生態交通系統進行仿真研究，通過分析城市生態交通系統框架結構，構建合理的系統動力學模型并對其進行有效地模擬，能夠為城市生態交通發展政策的制定提供一定依據。

2 城市生態交通系統的內涵

2.1 生態理念的發展

19世紀中期，生態學的概念首次被提出：生態學是研究生物體與其周圍環境（包括非生物環境和生物環境）相互關系的科學。研究的相關成果被用來指導人與生態圈的協調發展[7]，為后來一系列生態相關的研究奠定了寶貴的理論基礎。生態學自創立之初始終被認為是一門描述性科學，定量方法只能運用于個體，不能運用于群體。但隨著科學新技術的引入以及數學等基礎學科的不斷發展，群體生態學的研究逐漸進入了定量化階段，系統生態學、定量生態學等生態學新領域不斷涌現。

城市化的加速發展導致機動車數量急劇增長，因此導致的資源開采過度、城市環境污染加重等問題迅速改變著人類自身的生存環境，將生態理念作為指導理念引入城市交通的規劃與發展，由此提出生態交通的發展理念，將有助于城市交通污染問題的控制和解決[8]。

2.2 城市生態交通系統的概念

1971年，聯合國教科文組織提出了生態城市的規劃理念并對此進行了具體闡述：“生態城市規劃就是從自然生態和社會心理兩方面創造的充分融合技術和自然的最佳人類活動環境，誘導人的創造力和生產力，提供高水平的物質和生活方式”。此后，生態城市理論及實踐研究逐漸成為城市規劃領域的熱點。交通常被比作城市的經濟動脈，對一個城市的發展至關重要。生態城市的概念提出后，交通領域的許多學者開始研究如何在生態城市理念下更好地規劃交通建設，而后逐漸轉變為城市生態交通系統研究。傳統城市交通規劃理論是以自我為中心，研究物質層面交通系統的發展，城市生態交通規劃理論則是從生態整體進行規劃，強調與自然協調共生；傳統城市交通規劃理論側重于形體與經濟，以效益最大化為原則，而城市生態交通規劃側重于人與自然，注重環保與可持續發展。

在整合相關理論成果的基礎上提出城市生態交通系統的概念：借鑒自然生態系統的運行方式，著眼于交通系統與生態環境的長遠利益，按照生態原理進行規劃和管理的資源利用率高、污染廢棄物少，與城市生態環境有長期適應性的可持續型高效交通體系。城市生態交通系統通過分析與研究城市交通系統規劃過程中與生態有關的環節，使交通發展不僅能支撐和引導社會經濟發展，而且能與周圍生態環境協調發展，甚至改善周圍的生態環境[9]。城市生態交通致力于實現包括生態效率在內的綜合效率最大化，倡導低碳、綠色、生態的理念，使交通發展被約束在生態環境的承載能力之內。

2.3 城市生態交通系統的框架結構

以往城市交通系統框架研究主要從經濟、交通工具、交通設施、居民出行等方面入手，以人為主體，側重于滿足交通需求，未考慮交通發展可能給環境帶來的負面影響。而生態交通更多的是以自然為主體，強調交通與自然的和諧發展，突出生態環境的制約作用，與傳統交通相比，生態交通更注重資源的合理利用與環境保護。因而在進行城市生態交通系統框架研究時，需將生態要素考慮其中，從系統動力學的角度出發，將其分為社會經濟子系統、車-路子系統、生態目標子系統，如圖1所示。

2.4 城市生態交通系統的特點

交通行業在一定程度上與其他產業類似，同樣具有局限性與短視性。傳統機動車在發明之初滿足了出行需求，但后期發展沒有一定的規劃，導致交通污染已對環境造成了嚴重影響。自然界生態系統經過上億年的演化，系統內的廢棄物是循環利用的。受自然生態系統的啟發，城市交通系統如果也能在提高資源利用率的同時減少廢棄物的產生，則更加有利于其自身的可持續發展。城市生態交通系統的具體特點如下：

（1）生態化。傳統交通的發展側重于滿足居民出行需求，生態交通則更加關注交通發展過程中與環境的長期適應性以及生態系統的長遠利益。生態交通發展模式考慮交通發展過程中可能存在的潛在影響，重視再循環技術的研究與使用，力求交通發展在滿足居民出行需求的同時減少對環境的影響。

（2）全過程化。傳統交通治理污染的方式主要從末端治理，設置標準，注重污染治理效果。而城市生態交通追求的是交通的可持續發展，關注的焦點問題是整個社會經濟生產和交通發展方式的轉變。目前許多國家采用達標計劃治理交通污染并取得了一定效果，但其不具有系統性，因而在復雜系統中達標計劃無法產生顯著效果。與傳統交通規劃不同，在進行城市生態交通的規劃時應考慮整個生命周期的影響，不再只考慮某一階段或者局部的影響。

（3）系統化。由運輸對象、運輸工具、交通設施組成的城市交通系統是一個典型的復雜系統，具體可劃分為社會經濟子系統、車-路子系統、生態目標子系統。城市生態交通系統在傳統交通系統的基礎上新增了生態目標子系統，并且注重各子系統間的協調發展。

圖1 城市生態交通系統框架結構

3 武漢城市生態交通發展現狀及影響因素分析

3.1 武漢城市生態交通發展現狀

“十二五”期間是武漢市交通發展速度最快、交通投資規模最大的五年。武漢市機動車保有量在2016年已超過230萬輛。隨著武漢市機動化的不斷提高、交通大建設時期的占道等影響，交通擁堵、交通污染等問題日益加劇。武漢市PM2.5本地排放源中機動車尾氣貢獻率已達到27%，僅次于工業排放。為此武漢市近幾年不斷加大城市交通綠化投入，將全市1 732條城市道路列入綠化養護管理，建成區綠化覆蓋率達到39%，森林覆蓋率達到22%。

3.2 武漢城市生態交通系統發展影響因素分析

依據文中所構建城市生態交通系統框架，結合武漢城市生態交通發展現狀，分別從社會經濟、車-路、生態目標三個方面進行影響因素分析。從社會經濟層面看，城市交通發展與城市經濟發展水平息息相關，因此將城市GDP作為社會經濟子系統關鍵要素進行研究，而人作為交通工具的服務主體也應作為主要影響因素納入系統進行考慮。由于武漢市流動人口占總人口比重較大，應當分別考慮常住人口與流動人口對交通出行的影響；在車-路子系統中，機動車由于其保有量多，對城市環境影響大的特點，將其作為主要因素進行考慮。與私家車相比，公共交通具有污染少、資源利用率高的特點，符合生態交通的內涵，因而公共交通是城市生態交通系統的重要內容。近幾年武漢市軌道交通高速發展，軌道交通客運總量從2012年的8 000萬人次發展至2016年的7億人次，軌道交通已經成為目前武漢市居民出行的重要選擇。因此將軌道交通相關的發展要素納入車-路子系統進行具體考慮。在生態目標子系統中，污染排放減少、環境質量改善是城市生態交通發展的落腳點之一，因而將機動車污染排放與綠化水平作為主要考慮因素。針對各子系統中關鍵影響因素進行深入分析，為武漢城市生態交通系統SD模型變量選取提供依據。

4 武漢城市生態交通系統SD模型構建

4.1 系統邊界確定

模型地理邊界為武漢市，時間邊界為2001-2030年。模型外生變量為時間、交通發展政策以及部分由統計數據決定的交通變量。在對武漢城市生態交通系統影響分析的基礎上，篩選出子系統內主要變量，見表1。

表1 子系統劃分及其主要變量

4.2 因果關系分析

城市生態交通系統是一個復雜的動態系統，人口增長導致的交通需求增加刺激了機動車的發展，由此產生的環境污染又抑制了人口的增長。而新能源汽車、軌道交通的發展在滿足交通需求的同時減少了交通發展對環境的污染，具體因果關系如圖2所示。

圖2 武漢城市生態交通系統主要變量因果關系

由圖2可以看出，主要的反饋環如下：

人口→交通需求→交通投資→交通供給→居民滿意度→交通投資，這是一個負反饋。

人口→交通需求→交通投資→傳統機動車保有量→環境污染→人口，這是一個負反饋。

人口→交通需求→交通投資→新能源汽車車保有量→環境污染→人口，這是一個正反饋。

人口→交通需求→交通投資→軌道交通線路通車里程→環境污染→人口，這是一個正反饋。

環境污染→居民滿意度→環保投入→環境污染，這是一個負反饋。

4.3 系統流圖確定

在確定變量性質的基礎上，根據因果關系圖，利用系統動力學軟件Vensim建立武漢城市生態交通系統存量流量圖，如圖3所示。

4.4 變量方程

針對表1所提供的主要變量，根據其類型建立對應方程，主要包括狀態變量方程、速率方程、輔助變量方程三類。將各主要變量方程按其所屬子系統進行整理如下：

（1）社會經濟子系統

其中，GDP.K為城市GDP在K時刻的累積量，GDP.J為GDP在J時刻的初始量，DT為J時刻到K時刻所經過的時間。

式（4）中M為公共交通統計人口中戶籍人口所占比重，N為公共交通統計人口中流動人口所占比重。

（2）車-路子系統

（3）生態目標子系統

式（11）中X為環保投入轉化系數。

4.5 模型參數估計

參數設置是應用存量流量圖進行模擬分析之前的必要步驟，對于無法通過文獻獲取的參數，本文采用時間序列、回歸分析等方法結合系統動力學相關函數進行估計，在此基礎上得出各子系統主要變量相關參數，見表2。

圖3 武漢城市生態交通系統存量流量圖

表2 主要變量相關參數設置

4.6 模型有效性檢驗

以武漢市2015年統計年鑒數據作為對比參照，對可獲得歷史數據的主要變量進行誤差分析，所得結果見表3。

從數據對比分析結果中可以看出，除機動車氮氧化物排放量模擬誤差接近10%外，其余主要變量模擬誤差均在5%以下，模型準確度符合實際模擬需要。

表3 主要變量有效性檢驗

4.7 仿真實驗基本結論

由于篇幅限制，SD模型中主要變量、參量及狀態方程確定的方法，以及仿真實驗過程見后續論文。本文僅給出通過政策模擬結果分析得出的基本結論：

（1）機動車限購政策可以從根源上減少機動車排放污染，但居民的出行需求屬于硬性需求，必須有相應的替代方案來解決居民的出行問題。與此同時需要提高環保監管能力，綜合運用行政、法律、經濟等多種手段對機動車污染排放進行治理。

（2）從目前武漢市的新能源汽車的保有量及投入力度來看，到2030年可以達到的污染防治效果并不理想，需進一步加大對新能源汽車產業的投入。與此同時加大新能源汽車的推廣力度，使更多企業參與其中。

（3）武漢市軌道交通投入的提高可以達到預期的分擔率并起到一定的污染防治效果。但目前武漢市軌道交通部分線路存在客流量居高不下的情況，大大降低了軌道交通的舒適度。

（4）生態交通是城市交通未來發展的一個重要趨勢，高污染、低資源利用率的交通工具將被環保、高效的新型交通工具所取代。以新能源汽車及軌道交通為代表的新型交通出行方式，將逐步取代傳統機動車在人們日常出行選擇中的地位。

5 結語

傳統交通發展的環境保護措施側重于污染的治理效果，隨著生態交通理論的逐漸發展，交通環境保護應圍繞交通規劃整個生命周期，在此基礎上進行科學的環境管理。與以往城市交通發展SD模型相比，本文所構建的武漢城市生態交通系統SD模型在生態層面考慮更為全面：將新能源汽車、軌道交通等環保出行方式納入車-路系統中進行綜合考慮，從數量、結構、時空搭配等方面模擬新舊出行方式所占比例變化可能帶來的影響，為相關政策的制定提供依據。不足之處在于社會經濟子系統中經濟要素考慮較為簡略，另外在生態目標子系統中，由于現有研究資料的缺乏，要素設置主要從武漢市現有數據入手，具有一定的主觀性，在今后研究中需要尋找更加科學、合理的依據作為支撐。

[1]三蠻.深入研究:我國城市交通發展的問題與標準化建設[J].標準生活,2014,(2):18-23.

[2]Zerbe R O,Croke K.Urban Transportation for the Environment[M].Cambridge:Ballinger Publishing Company,1975.

[3]羅志文.我國優先發展城市公共交通的制約因素和對策研究[D].成都:電子科技大學,2009.

[4]王家祺.深圳市生態交通系統評價研究[D].福州:福建農林大學,2014.

[5]賈健民.城市低碳生態交通系統綜合評價體系研究[D].濟南:山東大學,2013.

[6]王漢新.城市生態交通系統理論與實現途徑[J].科技管理研究,2016,(1):246-251.

[7]蔣錄全.信息生態與社會可持續發展[M].北京:北京圖書館出版社,2003.

[8]Benjamin B.Wells.The Causes,Ecology,and Prevention of Traffic Accidents[J].Annals of Internal Medicine,1972,(3):531.

[9]許云飛,王寧寧,盛艷明,等.關于生態交通建設的思考[J].山東交通科技,2008,(2):78-80.