城市交通節能減排策略的動態仿真

陳 振，李 冰，賈書偉

(河南農業大學信息與管理科學學院，河南 鄭州 450002)

1 引言

隨著我國經濟的快速發展和城鎮化進程的加快，城市機動車保有量快速增長。而相對落后的城市交通基礎設施建設跟不上城鎮化的步伐，城市交通供給與交通需求之間的矛盾日益突出，由此帶來的交通擁堵問題也越來越嚴重。同時，機動車的尾氣排放和燃油消耗也已經成為空氣污染和能源消耗的重要來源。因此，這些日益嚴重的交通問題已經成為許多城市急需解決的熱點問題。

針對以上問題，國內外學者進行了大量研究。在交通擁堵問題方面，文獻[1]構建了城市擁堵評價模型，并運用徑向基函數神經網絡方法工具，以上海市擁堵路段的交通數據為例，證明了模型可以有效準確的評價城市交通擁堵。文獻[2]研究了動態拼車對緩解交通擁堵的作用，結果發現動態拼車并不是緩解中小型城市交通擁堵的合適方案，但在人口密集的大城市中，動態拼車可以顯著的改善交通擁堵狀況。Romero等[3]通過調查馬德里的人們對于不同交通擁堵治理措施的接受度，發現改善公共交通的水平比起收費折扣更受人們的支持。姬楊蓓蓓等[4]運用瓶頸經濟學理論研究了共享停車位的問題，研究表明通過優化共享停車位數量和停車費，可達到緩解交通擁堵的目的。文獻[5]分析了不同的擁堵治理政策下出行者選擇不同出行方式的成本和收益以及在不同政策下的演化穩定策略，通過仿真得出懲罰性和激勵性措施都能緩解交通擁堵，但懲罰性措施更加持久有效。也有學者從不同角度建立擁堵收費模型，證明了擁堵收費對緩解交通擁堵的作用[6-8]。

在空氣污染研究方面，研究者們通過不同視角證明了交通擁堵能夠加劇空氣污染[9-10]。文獻[11]考察了在空氣污染背景下北京市居民對于擁堵收費的接受度，發現大部分居民并不認為收費是解決空氣污染的有效途徑；AlRukaibi等[12]研究了擁堵收費政策對于科威特的交通擁堵和空氣污染的影響，結果表明該政策不僅可以緩解交通擁堵，還可以降低燃油消耗和改善空氣質量。孫傳旺等[13]從機動車PM2.5排放的角度實證檢驗了限行政策能夠緩解大氣污染，且政策實施力度越大，減排效果越明顯。

以上研究在交通治堵、節能及減排策略等方面為后續研究提供了有益的借鑒。但現有文獻對城市交通節能減排策略的動態仿真研究較少，而城市交通問題是一個涉及社會、環境、能源等多方面的系統性問題，現有研究大多很少有綜合考慮到以上各方面。為此本文從系統的角度出發，運用系統動力學和新陳代謝理論相結合的方法構建了城市交通節能減排管理模型，通過對不同治理手段的動態仿真分析重點分析現有政策在緩解交通擁堵、減少空氣污染以及降低交通能源消耗方面的作用，并挖掘系統內部中長期所蘊藏的負面效應，據此制定政策建議，為城市交通節能減排提供理論參考。

2 基于MT-SD的城市交通節能減排模型構建

2.1 系統動力學

系統動力學創始于1956年，是美國麻省理工學院的福瑞斯特(J.W.Forrester)創立的一種以反饋控制理論為基礎，以計算機仿真技術為手段研究復雜系統動態行為的定性分析與定量研究相結合的方法[14]。如今系統動力學的應用十分廣泛。如在經濟和環境方面，郭玲玲等[15]運用系統動力學方法構建了中國綠色增長模型，通過調控參數，仿真了不同的經濟增長模式，為中國經濟的綠色增長提供建議。張俊榮等[16]基于系統動力學方法探究了不同的碳交易機制設計對京津冀地區經濟和環境的影響。在能源方面，邵志芳等[17]運用系統動力學方法從不同角度對風電氫系統進行了效益評價。以上系統動力學在各個領域的廣泛運用，也為本文的研究提供了支撐和借鑒。

2.2 因果回路圖分析

對變量之間的因果關系進行分析，得到因果回路圖，如圖2所示。

圖1 因果回路圖

圖1包含6個主要回路，其中回路1-5是負反饋回路，回路6為正反饋回路。在緩解交通擁堵方面，以回路1和回路6為例。

回路1：交通擁堵程度→+擁堵治理力度→+私家車出行成本→-私家車吸引度→+私家車增長率→+私家車保有量→+私家車出行量→+機動車出行量→-車均道路面積→-交通擁堵程度。

回路6：交通擁堵程度→+擁堵治理力度→+私家車出行量→+機動車出行量→-車均道路面積→-交通擁堵程度

回路1是負反饋回路，最開始交通擁堵程度增加，政府的治理力度增大，進而利用經濟手段(如擁堵收費政策)來提高私家車出行成本，私家車出行成本的增加導致私家車出行吸引度的減小，進而引起私家車增長率和私家車保有量下降，進一步降低私家車出行量和機動車出行量，機動車出行量的下降會增加車均道路面積，最終降低交通擁堵程度。

回路6是正反饋回路，通過行政手段(這里主要指限行政策)來限制私家車出行量，但限行政策的長期實施使部分居民為了方便出行會購買第二輛車，第二輛車數量越來越多時，反而會增加私家車的出行量，增加交通擁堵程度。因此，限行政策手段短期效果明顯，長期來看會引發負面效應，需引入其它政策進行改善。

在節能減排方面，以回路4和回路5為例。

回路4：交通能耗量→+節能壓力→+機動車節能減排水平→-交通能耗量

回路5：污染物排放量→+環保壓力→+機動車節能減排水平→-污染物排放量

回路4和回路5是負反饋回路，其分析與回路1相似，通過技術手段提高機動車節能減排水平，進而降低機動車能耗和減少污染物排放量。

2.3 模型的構建及數據來源

基于因果回路圖，利用Vensim軟件繪制相應的存量流量圖，見圖2。

圖2 城市交通節能減排模型

根據圖1的因果回路圖，利用Vensim軟件繪制相應的流圖，如圖2所示。仿真時期為2010-2030，步長為1。針對模型，作出以下假設：

假設1：機動車尾氣排放主要考慮CO排放，以CO的污染程度來近似的代表空氣污染程度。

假設2：交通能耗量主要指各類機動車的汽油柴油消耗量，暫不考慮其它能源的消耗。

假設3：除了模型中的政策手段之外，不考慮北京市的其它政策對模型的影響。

模型中變量的值主要是通過官網統計年鑒直接或利用歷史數據求算數平均值得到。如城市人口總量初值、GDP總量初值、城市道路面積增長率等。另外，報廢率、消散率、出行率參考文獻[18]得到。各類機動車單位行駛里程耗油量、年平均行駛公里參考文獻[19]以及結合《北京市交通發展年報》得到。

當變量的方程是非線性時，先利用新陳代謝理論[20](Metabolic Theory)預測出仿真期的值，然后再利用系統動力學(System Dynamics)軟件中的表函數或邏輯函數來刻畫變量的非線性關系，簡稱MT-SD算法。該方法能夠構造GDP增長率、空氣污染程度等具有非線性特征的方程。具體算法步驟如圖3。

主要參數和方程如下：

1)GDP總量=INTEG(GDP增長量，1.4964e+012)，Unit：元．

2)城市人口總量=INTEG(自然增長人口+凈遷入量，1.9619e+007)，Unit：人．

圖3 基于MT-SD理論的非線性函數構建算法

3)私家車保有量=INTEG(私家車增長量-年報廢量，3.744e+006)，Unit：輛．

4)私家車報廢量=私家車保有量*報廢率，Unit：輛．

5)報廢率=0.067.

6)私家車出行率=0.55．

7)私家車單位里程耗油量=7.76，Unit：升/百公里．

8)私家車年平均行駛距離=131.5，Unit：百公里．

9)私家車對CO污染的貢獻率=0.55．

10)私家車年均年CO排放量=0.1766，Unit：噸/年/輛．

11)私家車耗油量=私家車年平均行駛距離*私家車單位行駛里程耗油量*私家車出行量，Unit：噸標準煤．

12)公共汽車保有量=INTEG(公共汽車增長量-公共汽車報廢量，24011)，Unit：噸標準煤．

13)公共汽車擁有量增長率=0.0074．

14)公共汽車年平均行駛距離=566.9，Unit：百公里．

15)CO存量=INTEG(NOx排放量-NOx年消散量，86127)，Unit：噸．

16)CO消散率=0.2．

17)城市道路面積=INTEG(城市道路面積增長量，9.179e+007)，Unit：平方米．

18)城市道路面積增長率=0.0145．

19)空氣污染程度=IF THEN ELSE(CO存量≥2.1565e+006，0.85，IF THEN ELSE(CO存量≥1.78744e+006，0.8，IF THEN ELSE(CO存量≥1.54984e+006，0.75，IF THEN ELSE(CO存量≥1.35423e+006，0.7，IF THEN ELSE(CO存量≥1.12146e+006，0.65，IF THEN ELSE(CO存量≥955463，0.6，IF THEN ELSE(CO存量≥771026，0.55，IF THEN ELSE(CO存量≥500000，0.5，IF THEN ELSE(CO存量≥300000，0.4，IF THEN ELSE(CO存量≥100000，0.3，IF THEN ELSE(CO存量≥80000，0.2，0.1)))))))))))

2.4 模型檢驗

以2012-2019年北京市GDP總量、私家車保有量、城市道路面積為例進行相對誤差檢驗，如表1。

表1 模型檢驗

從表1中可以看出，3個變量的相對誤差都在5%以內，因此該模型模擬效果較好，具有一定的有效性和合理性。

3 不同節能減排策略的動態仿真

3.1 利用經濟手段提高私家車出行成本

通過對經濟手段的數值進行調整，來觀察其對不同變量的影響，如圖4-6和表2。

圖5 經濟手段對CO存量影響

圖6 經濟手段對交通能耗量影響

表2 經濟手段對主要變量的影響

從圖4-6和表2中可以看出，經濟手段對不同變量有不同程度的降低。降低程度最大的是交通擁堵程度，在仿真末期，為78.1%。其次是CO存量，降低程度為36.1%。降低程度最小的交通能耗量，為20.2%。易知經濟手段是緩解交通擁堵和減少污染氣體排放的有效手段，但對降低交通能耗的作用有限。然而經濟手段使部分出行者從私家車轉向公共交通，加大公共交通的負擔，因此經濟手段的實施需要配合完善的公共交通。

3.2 行政手段對私家車出行量的雙重作用

行政手段主要考慮限行政策。對行政手段取不同的值，表示不同的限行力度對各個方面的不同影響。如圖7-9和表3所示。

圖7 行政手段對交通擁堵程度影響

圖8 行政手段對CO存量影響

圖9 行政手段對交通能耗量影響

從圖7-9和表3中可以看出，與行政手段等于0(即不實施政策)相比較，當行政手段的值為0.05(即限行政策的實施力度較小)時，機動車出行量、交通擁堵程度、CO存量以及交通能耗量都有一定的減少，隨著行政手段取值的增大，反而出現了不同程度的增大，產生負面效應。原因可能是限行政策通過限制私家車的出行來減少機動車出行量，促使部分出行者轉向公共交通。當限行政策實施力度較大、時間較長時，公共交通負擔隨之加劇，不能滿足人們出行的需求，誘發越來越多的人購買第二輛車，長期反而會增加機動車的出行。因此限行政策的實施需要適度，且配合完善的公共交通系統。

表3 行政手段對主要變量的影響

3.3 發展公共交通，提高公共交通服務水平

針對對經濟手段和行政手段的優缺點，需引入大力發展公共交通策略。分別在經濟手段和行政手段的基礎上，加入發展公共交通這一手段，探究其對主要變量的影響。仿真結果如圖10-15和表4所示。

圖10 交通擁堵程度(經濟+公共交通)

圖11 CO存量(經濟+公共交通)

圖12 交通能耗量(經濟+公共交通)

圖13 交通擁堵程度(行政+公共交通)

圖14 CO存量(行政+公共交通)

圖15 交通能耗量(行政+公共交通)

表4 不同組合政策對主要變量的影響

由圖10-15和表4可知，與單一的經濟和行政手段相比，通過大力發展公共交通，能夠更有效地緩解交通擁堵、減少CO量、降低能源消耗，且發展公共交通的值越大(即對公共交通的投資和補貼越多)，發揮的作用越大。另外，易知圖10、圖13的交通擁堵程度降低程度顯著，由表4可知分別下降了92%和34.5%。圖11、圖14的CO存量的減少也比較明顯，分別下降了24.7%和28.6%。然而圖12和圖15的交通能耗量的降低程度較小，分別為9.8%和17.1%。因此在利用經濟手段或行政手段限制私家車出行的同時，發展和完善公共交通系統，是十分有效合理的進行緩堵減排的途徑，但對于降低能源消耗的作用不是很明顯。

3.4 利用技術手段提高機動車節能減排水平

技術手段是從機動車本身入手，通過技術投入的增多來提高機動車的節能減排水平。如圖16-17和表5所示。

圖16 技術手段對CO存量的影響

圖17 技術手段對交通能耗量的影響

表5 技術手段對主要變量的影響

從圖16-17和表5可以看出，技術手段對CO存量和交通能耗量有很大的影響，且技術手段的值越大(即技術投入越多)，CO存量和交通能耗量越少。由表5可知CO存量和交通能耗量分別降低44.2%和44.4%，說明通過技術手段提高機動車節能減排水平是十分有效的減少機動車污染和降低交通能耗的途徑。

4 結論與建議

本文以北京市為例，運用系統動力學和新陳代謝預測的方法建立了城市交通節能減排管理模型，通過對不同的手段治理手段進行仿真分析來研究其對主要變量的影響，得出以下結論：1)經濟手段可以顯著地緩解交通擁堵、減少CO存量，但對降低交通能耗量的作用較小。2)行政手段對私家車出行具有雙重作用，短期內能減少私家車出行，但長期會導致擁堵加劇等負面效應。3)比起單一的經濟或行政手段，大力發展公共交通系統，是實現交通緩堵減排更加有效的途徑。4)技術手段對于實現城市交通的節能減排有顯著的作用。基于以上結論，提出以下對策建議：

1)利用經濟手段提高私家車出行成本

如擁堵收費政策，對于行駛在高峰時段或是特定高峰區域的車輛征收費用，以此來提高私家車出行成本。對于出行需求彈性較大的人來說，擁擠收費額外的增加了他們的出行的金錢成本，使得他們會考慮放棄私人汽車出行，轉向公共交通。另一方面，還可以通過提高停車費用來提高出行成本。停車位緊張與停車收費問題都是影響人們出行方式的因素，當停車收費較高時，人們考慮到高昂的停車費會選擇放棄私人汽車出行。

2)政策手段的實施與發展公共交通相結合

僅僅利用經濟或行政手段來減少私家車出行并不是長久之計。公共交通具有載量大、低污染、低能耗等優勢，基于我國城市交通發展現狀，大力發展公共交通是解決交通擁堵，減少交通污染、降低交通能耗更有效的途徑。加大對公共交通的投資和補貼。科學合理的布局規劃公共交通線路和站點，進而提高公共交通運行效率。另外還可以對公共交通車廂內部布局、座椅等進行改善，以增加公共交通乘坐的舒適度，以此提高公共交通對居民出行的吸引度。

3)加大對汽車生產方面的技術投入

從汽車生產環節入手，政府可以在政策、資金等方面加大汽車生產企業的扶持力度，鼓勵他們提升技術研發水平，生產出少能耗、低污染的環保型汽車。如開發新的清潔型的能源代替燃油作為燃料、發展汽車尾氣凈化技術來提升尾氣凈化水平。