基于系統(tǒng)動力學(xué)城市公交出行供求響應(yīng)關(guān)系研究

左忠義,董金昊

(大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

隨著的出行需求的不斷增加,道路設(shè)施建設(shè)已跟不上需求增長的速度,道路交通安全等問題日益凸顯。公交優(yōu)先發(fā)展倡導(dǎo)人本、集約、綠色、高效的交通運輸發(fā)展模式,利用有限的資源滿足不斷增長的出行需求,同時也要保證小汽車的出行權(quán)利,注重私人交通的協(xié)同發(fā)展,推動交通出行方式的轉(zhuǎn)變。

探究供求關(guān)系與公共交通之間的相互影響關(guān)系和發(fā)展機理,研究公共交通的發(fā)展模式,構(gòu)建公共交通與城市發(fā)展協(xié)同發(fā)展模型,對于合理規(guī)劃城市交通結(jié)構(gòu)、設(shè)計城市交通模式和建設(shè)城市交通系統(tǒng)具有重要意義。楊晞[1]采用供求關(guān)系作用機理對城市交通供求關(guān)系展開動態(tài)平衡研究?；襞鎇2]利用傳統(tǒng)交通供求理論和道路交通供求關(guān)系,構(gòu)建了公共交通與私人交通供求發(fā)展關(guān)系模型,結(jié)合集計化分析,研究得出公共交通與私人交通合理發(fā)展比例。李艷艷[3]采用經(jīng)濟(jì)學(xué)均衡理論,在路網(wǎng)容量模型中研究城市交通供求平衡,證實了城市交通供求非均衡特性,得到了城市交通供求的非均衡程度。裴玉龍等[4]以廣義費用為效用值,研究了公共交通和私人交通的競爭強度,通過競爭強度反映供求平衡,從而得到2種交通方式競爭的平衡點。Widiyani[5]研究了2種交通方式影響出行選擇的屬性。Sandip[6]采用MNL模型來分析2種交通方式出行的競爭力,通過競爭力差異來相互吸引交通方式的轉(zhuǎn)移。左忠義等[7]采用路阻函數(shù)針對公交與社會車輛的速度差異展開研究,認(rèn)為對于不同出行量,公交會吸引小汽車用戶。以上有關(guān)供求關(guān)系的理論研究大多以道路資源為主,而在城市發(fā)展的整體性以及對供求關(guān)系相互作用方面,沒有深入的分析,同時交通調(diào)查與logit模型對數(shù)據(jù)量的需求又比較大,涉及交通供求的部分較難統(tǒng)計。

何南[8]采用城市客運交通系統(tǒng)動力學(xué)模型說明公共交通優(yōu)先政策能夠緩解城市交通擁擠。戚靜[9]在系統(tǒng)動力學(xué)模型中研究不同政策下交通結(jié)構(gòu)的供需演化關(guān)系,提出公交優(yōu)先政策建議。董璐[10]在公交優(yōu)先政策下,建立了社會經(jīng)濟(jì)和公交的系統(tǒng)模型,提出了改善建議。黃忠祥等[11]和謝雯娉[12]研究城市交通結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)模型時得出,不同交通方式的供需是在非均衡的動態(tài)變化中維持相對均衡的。文愛亭[13]在交通供需非均衡系統(tǒng)模型中,分析了改變政策變量對供需非均衡演變的影響。研究城市交通供求關(guān)系時,以上研究均在一定條件下調(diào)控需求與供給量,缺乏對影響供求的要素趨勢和城市發(fā)展階段交通結(jié)構(gòu)的分析,對供求關(guān)系演化關(guān)系結(jié)構(gòu)的研究也較少。

鑒于此,本文從城市交通供求概念出發(fā),建立公交出行供求響應(yīng)關(guān)系即系統(tǒng)動力學(xué)模型,考慮系統(tǒng)影響要素,利用大連市歷史數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行檢驗。研究供求響應(yīng)機理,把握發(fā)展的變化,預(yù)測未來公交出行結(jié)構(gòu)變化關(guān)系。

1 系統(tǒng)要素分析

1.1 系統(tǒng)邊界

研究公交出行供求響應(yīng)關(guān)系應(yīng)明確供求要素間的影響,分析供給與需求作用機理,得出供求結(jié)構(gòu)變化,為交通發(fā)展政策提供有效的建議。將出行需求與交通供給引入系統(tǒng)模型,利用其演變規(guī)律達(dá)到動態(tài)響應(yīng)變化。

1.2 要素關(guān)系

根據(jù)交通結(jié)構(gòu)總結(jié)歸納該系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)包括交通供給、出行需求、交通狀態(tài)、交通政策和城市經(jīng)濟(jì)情況[14]。

(1)交通供給

交通資源供給指城市道路網(wǎng)和軌道網(wǎng)在高峰小時所能容納的交通強度,道路網(wǎng)單位為pcu·km/h。判斷各等級道路網(wǎng)的通行能力是否能滿足不同交通方式的出行強度(出行頻次、距離和載客量等),交通方式的供給能力由其周轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化而來,通過線網(wǎng)長度、等級比例和修正系數(shù)得到。

(2)出行需求

居民生活質(zhì)量不斷提高,出行不僅要滿足日常工作需要,還要參與休閑娛樂等社會性多層次的需求。為簡化模型,出行需求量為常住人口出行量、出行頻次和高峰小時出行比例的乘積(單位為萬人次/時)。各交通方式的選擇系數(shù)構(gòu)成分擔(dān)出行量,其中軌道交通建設(shè)周期受時間延遲影響。

(3)交通狀態(tài)

交通強度和承載力之比稱為交通狀態(tài),比值越大表示越擁擠,狀態(tài)越差。交通強度是單位出行頻次和里程的乘積與單位時間的比值,單位為pcu·km/h。高峰小時出行量約占每日出行量的15%～25%。交通狀態(tài)良好,居民更傾向使用小汽車出行,此時私人小汽車保有量增加,該情形下居民反而會選擇公共交通方式出行。

(4)交通政策

交通政策可以對建設(shè)年限、車輛保有量等進(jìn)行調(diào)控,從整體把握交通結(jié)構(gòu)。公交優(yōu)先政策的措施是通過加大交通投資建設(shè)擴(kuò)建公交線網(wǎng)規(guī)模,提高公交供給的整體能力。

(5)城市經(jīng)濟(jì)情況

經(jīng)濟(jì)情況是交通供求結(jié)構(gòu)中主要的影響因素,經(jīng)濟(jì)發(fā)展能夠吸引城市人口,提高居民購買力,同時更好地投資交通基礎(chǔ)建設(shè)。

系統(tǒng)模塊關(guān)系見圖1。

圖1 系統(tǒng)模塊關(guān)系

1.3 系統(tǒng)關(guān)系圖

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,各要素相互影響,模型中主要因果關(guān)系邏輯反饋回路即因果關(guān)系見圖2。

(1)城市經(jīng)濟(jì)水平→人口→需求出行量→常規(guī)公交/小汽車需求量→道路交通強度→道路交通狀態(tài)→管理政策→常規(guī)公交/小汽車選擇系數(shù)→常規(guī)公交/小汽車需求量。

(2)城市經(jīng)濟(jì)水平→人口→需求出行量→軌道交通需求量→軌道交通供求結(jié)構(gòu)→軌道交通建設(shè)→軌道交通供給→軌道交通選擇系數(shù)→軌道交通需求量。

(3)城市經(jīng)濟(jì)水平→交通投資建設(shè)→公共交通建設(shè)→公共交通供給量→公共交通供求結(jié)構(gòu)→管理政策→公共交通建設(shè)→公共交通選擇系數(shù)。

(4)城市經(jīng)濟(jì)水平→交通投資建設(shè)→道路建設(shè)→道路承載力→道路供給→道路交通狀態(tài)→管理政策→道路建設(shè)。

圖2 因果關(guān)系

2 系統(tǒng)模型與量化方程

2.1 系統(tǒng)流圖

系統(tǒng)流圖在系統(tǒng)關(guān)系圖基礎(chǔ)上區(qū)分不同變量性質(zhì),設(shè)置函數(shù)方程式,保證流程圖的可實施性。模型中狀態(tài)變量包括人口、GDP、道路里程、地鐵里程、公交里程等,速率變量分別為狀態(tài)變量對應(yīng)的增長率、出行頻次、乘距、載客量等,作為模型的常量。系統(tǒng)流圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)流圖

2.2 量化

(1)參數(shù)說明

模型中相關(guān)數(shù)據(jù)計算的樣本值采用統(tǒng)計年鑒及大連市交通調(diào)查相關(guān)資料,一些特征參數(shù)可根據(jù)數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系通過回歸分析得到[15]。對于缺少的數(shù)據(jù),采用兩次交通調(diào)查與對應(yīng)年鑒數(shù)據(jù)差值計算得到,系統(tǒng)模型主要初始參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)模型主要初始參數(shù)

(2)量化方程

以流圖為基礎(chǔ),分析量化方程可準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)內(nèi)所有變量的關(guān)系,函數(shù)方程決定了模型能否合理地分析結(jié)構(gòu)和實際的預(yù)測,其中一些初始常量值通過處理交通調(diào)查數(shù)據(jù)得到平均值。系統(tǒng)主要模型方程見表2。以人均出行頻次為例,該方程由兩次調(diào)查年出行頻次和GDP差值計算而來,對這些值進(jìn)行回歸可預(yù)測未來情況。出行方式選擇系數(shù)通過兩次調(diào)查年分擔(dān)率和2035、2050未來計劃預(yù)測數(shù)據(jù)預(yù)測得到。軌道供給量根據(jù)地鐵部門高峰期間配備運營車輛數(shù)及運送旅客數(shù)作假設(shè)值,并隨線路建設(shè)不斷變化。道路承載力由大連市城市道路等級結(jié)構(gòu)規(guī)劃比例建設(shè)的不同等級道路理論通行能力、平均車道數(shù)、綜合交叉口修正系數(shù)、路網(wǎng)綜合布局系數(shù)乘積得到。

integ是Vensim軟件中描述狀態(tài)變量的累積效應(yīng)的積分函數(shù);Delay1是軟件自帶的描述建設(shè)周期對總量的影響一階延遲函數(shù);if then else為選擇函數(shù),符合不同要求,對應(yīng)不同關(guān)系;with lookup是軟件中描述一般函數(shù)不能展現(xiàn)的變化函數(shù)表函數(shù)。

表2 系統(tǒng)模型主要方程

2.3 模型檢驗

將2016—2020年數(shù)據(jù)代入模型中,對比模擬值與真實值的相對誤差,誤差在5%之內(nèi)表明模型檢驗合格。以2016年為基年,選取大連市相關(guān)數(shù)據(jù)作為輸入值,運行至2035年,運行步長取0.5年。模型檢驗結(jié)果表明,人口、GDP、公交里程與道路發(fā)展都呈現(xiàn)增長趨勢,人口增長趨勢在2025年后逐漸變緩,GDP呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢,見圖4。運營里程與城市道路里程相關(guān),呈線性增長。

圖4 人口與經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢

3 城市交通供求關(guān)系發(fā)展趨勢

發(fā)展初期階段,為了吸引外來人口,提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展,城市建設(shè)初期大量建設(shè)了交通基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)時居民可支配消費水平較低,出行以工作和上學(xué)為主,早晚高峰出行占比高。21世紀(jì)前城市道路服務(wù)水平保持在一個穩(wěn)定值,同時公交逐步提高線網(wǎng)密度和站點覆蓋率。進(jìn)入21世紀(jì)后,經(jīng)濟(jì)快速增長,小汽車出行占大多數(shù),城市高峰道路服務(wù)水平維持在0.4左右,道路狀態(tài)由暢通流轉(zhuǎn)變?yōu)橄拗屏麟A段,高峰期間出現(xiàn)延誤,此時需求與供給保持共同增長,且供給能夠滿足需求,道路交通供求關(guān)系如圖5所示。2003年大連市開通運營了第一條輕軌,大連市開始向城市地下、高架建設(shè)轉(zhuǎn)移。由于地理位置建設(shè)等原因,該舉措只分擔(dān)了部分出行居民需求量,未能徹底解決道路問題。直到2016年地鐵1、2號線投入運營,才真正開啟了軌道交通的發(fā)展。

圖5 城市高峰道路交通供求關(guān)系及道路服務(wù)水平

結(jié)構(gòu)變化階段,經(jīng)濟(jì)水平的上升,道路出行需求增長,道路服務(wù)水平下降嚴(yán)重。軌道交通處于規(guī)劃建設(shè)階段,同時經(jīng)濟(jì)的良性增長使得小汽車需求量持續(xù)增加,由于道路資源的限制,漲勢稍遜,此時由常規(guī)公交與小汽車共同承擔(dān)機動化出行供給任務(wù)。

出行需求增多,道路資源不足,居民購買力仍在提升,小汽車需求會在軌道交通建設(shè)期間急劇增加。道路服務(wù)水平低,嚴(yán)重影響城市交通發(fā)展,需對道路結(jié)構(gòu)作出調(diào)整。加快城市快速路建設(shè)、公交專用道與優(yōu)先信號布置,使小汽車用戶逐漸向公交轉(zhuǎn)移。公交需求量增多,而常規(guī)公交供給對需求產(chǎn)生壓力,出現(xiàn)供求不均衡狀態(tài),對此通過一系列措施手段調(diào)控供給情況,此時處于常規(guī)公交與小汽車向軌道交通轉(zhuǎn)移的過渡階段。城市高峰機動化出行需求見圖6,此時有供求不平衡的特性。

圖6 城市高峰機動化出行需求

小汽車家家入戶,保有量充足,保障了居民出行選擇的權(quán)利。公交需求也在軌道交通建設(shè)上呈現(xiàn)良性增長,軌道交通規(guī)劃逐步成網(wǎng),緩解了道路壓力,城市高峰軌道交通供求關(guān)系見圖7。多種交通方式供求結(jié)構(gòu)都在動態(tài)變化,道路服務(wù)水平逐漸趨向緩和狀態(tài),此時處于供求不平衡向動態(tài)平衡演變的狀態(tài)。小汽車的需求將穩(wěn)定在一定值,通過公共交通建設(shè)會極大釋放道路交通壓力,使得其服務(wù)水平回歸正常。此時出行結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出在動態(tài)均衡狀態(tài)間反復(fù)演變的響應(yīng)關(guān)系,交通方式出行分擔(dān)率見圖8。

圖7 城市高峰軌道交通供求關(guān)系

圖8 交通方式分擔(dān)率

綜上分析,城市交通發(fā)展經(jīng)歷了4個不同階段,并在供求響應(yīng)狀態(tài)之間動態(tài)變化。第一階段建設(shè)交通基礎(chǔ)設(shè)施,為出行提供保障,帶動城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展;第二階段出行需求增長,小汽車和常規(guī)公交需求量增多,道路交通壓力增大;第三階段,由于交通擁堵,在城市經(jīng)濟(jì)允許條件下可規(guī)劃軌道交通,分擔(dān)地面交通壓力,主要道路為公交提供優(yōu)先權(quán),吸引出行需求向公交轉(zhuǎn)移;第四階段多種交通方式供給達(dá)到一定限度,方式之間相互吸引,供給與需求變化達(dá)到一種動態(tài)均衡響應(yīng)的狀態(tài)。由此,公共交通在城市交通發(fā)展中起到十分關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用,是交通系統(tǒng)組成的主要部分。

本文根據(jù)出行分擔(dān)比例對公交出行提出建議:目前中心城區(qū)綠色化出行水平不高,對小汽車出行依賴性較強,應(yīng)以綠色低碳出行為導(dǎo)向,將私人與公共交通統(tǒng)籌發(fā)揮效率,優(yōu)化現(xiàn)有公交網(wǎng)絡(luò),推出優(yōu)惠公交政策吸引客流。加快軌道交通建設(shè),逐步成網(wǎng),提高公交與地鐵的接駁水平,在公交站點優(yōu)化時,盡可能考慮將其設(shè)置在距離地鐵站較近的范圍內(nèi),有利于二者相互的客流支撐,加強外圍地區(qū)公交與軌道交通線路建設(shè)。常規(guī)公交與地鐵的“一票制”尚未完成開發(fā),加快完善“公交一票制”,公交集團(tuán)對聯(lián)乘乘客提供刷卡掃碼優(yōu)惠政策,形成綜合交通數(shù)據(jù)體系,促進(jìn)多方式發(fā)展。為了減少平峰時段出租車空載,可結(jié)合定制公交、觀光公交線路發(fā)展預(yù)約租車,使其與公交發(fā)展水平相互協(xié)調(diào)。充分融合各方式資源優(yōu)勢,建全以軌道交通為骨干,常規(guī)公交為輔助,配合私家車出行的公交出行體系。

4 結(jié)論

本文通過建立城市公交出行供求響應(yīng)關(guān)系系統(tǒng)動力學(xué)模型,以出行需求與交通供給作為研究對象,系統(tǒng)分析了經(jīng)濟(jì)水平、道路交通狀態(tài)等方面的相互作用關(guān)系,模擬了大連市公交出行供求響應(yīng)關(guān)系的演變趨勢。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得到了城市公共交通發(fā)展的4個動態(tài)演化的階段:第一階段發(fā)展完備的設(shè)施建設(shè),為出行提供保障;第二階段出行急速增長,道路交通壓力增大;第三階段大力發(fā)展公共交通,提供優(yōu)先權(quán);第四階段通過公交與小汽車等交通方式之間相互吸引,供給與需求動態(tài)變化。

未來大連市常規(guī)公交與軌道交通將共同發(fā)揮公共交通作用,公共交通總體承擔(dān)率可達(dá)到54%。隨著建設(shè)分擔(dān)率也逐年增多,滿足交通決策者對百萬級人口城市的出行需求,常規(guī)公交也將作為輔助方式。小汽車因其舒適性和自由性,依然能將承擔(dān)率穩(wěn)定在20%左右。道路服務(wù)水平指標(biāo)在未來短期內(nèi)在0.8附近波動。為緩解道路出行壓力,大連市應(yīng)以軌道交通作為公交骨架優(yōu)先發(fā)展。