基于系統動力學城市公交出行供求響應關系研究

左忠義,董金昊

(大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028)

隨著的出行需求的不斷增加,道路設施建設已跟不上需求增長的速度,道路交通安全等問題日益凸顯。公交優先發展倡導人本、集約、綠色、高效的交通運輸發展模式,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利,注重私人交通的協同發展,推動交通出行方式的轉變。

探究供求關系與公共交通之間的相互影響關系和發展機理,研究公共交通的發展模式,構建公共交通與城市發展協同發展模型,對于合理規劃城市交通結構、設計城市交通模式和建設城市交通系統具有重要意義。楊晞[1]采用供求關系作用機理對城市交通供求關系展開動態平衡研究?；襞鎇2]利用傳統交通供求理論和道路交通供求關系,構建了公共交通與私人交通供求發展關系模型,結合集計化分析,研究得出公共交通與私人交通合理發展比例。李艷艷[3]采用經濟學均衡理論,在路網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移。左忠義等[7]采用路阻函數針對公交與社會車輛的速度差異展開研究,認為對于不同出行量,公交會吸引小汽車用戶。以上有關供求關系的理論研究大多以道路資源為主,而在城市發展的整體性以及對供求關系相互作用方面,沒有深入的分析,同時交通調查與logit模型對數據量的需求又比較大,涉及交通供求的部分較難統計。

何南[8]采用城市客運交通系統動力學模型說明公共交通優先政策能夠緩解城市交通擁擠。戚靜[9]在系統動力學模型中研究不同政策下交通結構的供需演化關系,提出公交優先政策建議。董璐[10]在公交優先政策下,建立了社會經濟和公交的系統模型,提出了改善建議。黃忠祥等[11]和謝雯娉[12]研究城市交通結構系統動力學模型時得出,不同交通方式的供需是在非均衡的動態變化中維持相對均衡的。文愛亭[13]在交通供需非均衡系統模型中,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系時,以上研究均在一定條件下調控需求與供給量,缺乏對影響供求的要素趨勢和城市發展階段交通結構的分析,對供求關系演化關系結構的研究也較少。

鑒于此,本文從城市交通供求概念出發,建立公交出行供求響應關系即系統動力學模型,考慮系統影響要素,利用大連市歷史數據對模型進行檢驗。研究供求響應機理,把握發展的變化,預測未來公交出行結構變化關系。

1 系統要素分析

1.1 系統邊界

研究公交出行供求響應關系應明確供求要素間的影響,分析供給與需求作用機理,得出供求結構變化,為交通發展政策提供有效的建議。將出行需求與交通供給引入系統模型,利用其演變規律達到動態響應變化。

1.2 要素關系

根據交通結構總結歸納該系統內應包括交通供給、出行需求、交通狀態、交通政策和城市經濟情況[14]。

(1)交通供給

交通資源供給指城市道路網和軌道網在高峰小時所能容納的交通強度,道路網單位為pcu·km/h。判斷各等級道路網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量轉化而來,通過線網長度、等級比例和修正系數得到。

(2)出行需求

居民生活質量不斷提高,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構成分擔出行量,其中軌道交通建設周期受時間延遲影響。

(3)交通狀態

交通強度和承載力之比稱為交通狀態,比值越大表示越擁擠,狀態越差。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年限、車輛保有量等進行調控,從整體把握交通結構。公交優先政策的措施是通過加大交通投資建設擴建公交線網規模,提高公交供給的整體能力。

(5)城市經濟情況

經濟情況是交通供求結構中主要的影響因素,經濟發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建設。

系統模塊關系見圖1。

圖1 系統模塊關系

1.3 系統關系圖

在系統結構中,各要素相互影響,模型中主要因果關系邏輯反饋回路即因果關系見圖2。

(1)城市經濟水平→人口→需求出行量→常規公交/小汽車需求量→道路交通強度→道路交通狀態→管理政策→常規公交/小汽車選擇系數→常規公交/小汽車需求量。

(2)城市經濟水平→人口→需求出行量→軌道交通需求量→軌道交通供求結構→軌道交通建設→軌道交通供給→軌道交通選擇系數→軌道交通需求量。

(3)城市經濟水平→交通投資建設→公共交通建設→公共交通供給量→公共交通供求結構→管理政策→公共交通建設→公共交通選擇系數。

(4)城市經濟水平→交通投資建設→道路建設→道路承載力→道路供給→道路交通狀態→管理政策→道路建設。

圖2 因果關系

2 系統模型與量化方程

2.1 系統流圖

系統流圖在系統關系圖基礎上區分不同變量性質,設置函數方程式,保證流程圖的可實施性。模型中狀態變量包括人口、GDP、道路里程、地鐵里程、公交里程等,速率變量分別為狀態變量對應的增長率、出行頻次、乘距、載客量等,作為模型的常量。系統流圖見圖3。

圖3 系統流圖

2.2 量化

(1)參數說明

模型中相關數據計算的樣本值采用統計年鑒及大連市交通調查相關資料,一些特征參數可根據數據相關關系通過回歸分析得到[15]。對于缺少的數據,采用兩次交通調查與對應年鑒數據差值計算得到,系統模型主要初始參數見表1。

表1 系統模型主要初始參數

(2)量化方程

以流圖為基礎,分析量化方程可準確地描述系統內所有變量的關系,函數方程決定了模型能否合理地分析結構和實際的預測,其中一些初始常量值通過處理交通調查數據得到平均值。系統主要模型方程見表2。以人均出行頻次為例,該方程由兩次調查年出行頻次和GDP差值計算而來,對這些值進行回歸可預測未來情況。出行方式選擇系數通過兩次調查年分擔率和2035、2050未來計劃預測數據預測得到。軌道供給量根據地鐵部門高峰期間配備運營車輛數及運送旅客數作假設值,并隨線路建設不斷變化。道路承載力由大連市城市道路等級結構規劃比例建設的不同等級道路理論通行能力、平均車道數、綜合交叉口修正系數、路網綜合布局系數乘積得到。

integ是Vensim軟件中描述狀態變量的累積效應的積分函數;Delay1是軟件自帶的描述建設周期對總量的影響一階延遲函數;if then else為選擇函數,符合不同要求,對應不同關系;with lookup是軟件中描述一般函數不能展現的變化函數表函數。

表2 系統模型主要方程

2.3 模型檢驗

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

圖4 人口與經濟發展趨勢

3 城市交通供求關系發展趨勢

發展初期階段,為了吸引外來人口,提高經濟發展,城市建設初期大量建設了交通基礎設施。當時居民可支配消費水平較低,出行以工作和上學為主,早晚高峰出行占比高。21世紀前城市道路服務水平保持在一個穩定值,同時公交逐步提高線網密度和站點覆蓋率。進入21世紀后,經濟快速增長,小汽車出行占大多數,城市高峰道路服務水平維持在0.4左右,道路狀態由暢通流轉變為限制流階段,高峰期間出現延誤,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、高架建設轉移。由于地理位置建設等原因,該舉措只分擔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展。

圖5 城市高峰道路交通供求關系及道路服務水平

結構變化階段,經濟水平的上升,道路出行需求增長,道路服務水平下降嚴重。軌道交通處于規劃建設階段,同時經濟的良性增長使得小汽車需求量持續增加,由于道路資源的限制,漲勢稍遜,此時由常規公交與小汽車共同承擔機動化出行供給任務。

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期間急劇增加。道路服務水平低,嚴重影響城市交通發展,需對道路結構作出調整。加快城市快速路建設、公交專用道與優先信號布置,使小汽車用戶逐漸向公交轉移。公交需求量增多,而常規公交供給對需求產生壓力,出現供求不均衡狀態,對此通過一系列措施手段調控供給情況,此時處于常規公交與小汽車向軌道交通轉移的過渡階段。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利。公交需求也在軌道交通建設上呈現良性增長,軌道交通規劃逐步成網,緩解了道路壓力,城市高峰軌道交通供求關系見圖7。多種交通方式供求結構都在動態變化,道路服務水平逐漸趨向緩和狀態,此時處于供求不平衡向動態平衡演變的狀態。小汽車的需求將穩定在一定值,通過公共交通建設會極大釋放道路交通壓力,使得其服務水平回歸正常。此時出行結構將表現出在動態均衡狀態間反復演變的響應關系,交通方式出行分擔率見圖8。

圖7 城市高峰軌道交通供求關系

圖8 交通方式分擔率

綜上分析,城市交通發展經歷了4個不同階段,并在供求響應狀態之間動態變化。第一階段建設交通基礎設施,為出行提供保障,帶動城市經濟發展;第二階段出行需求增長,小汽車和常規公交需求量增多,道路交通壓力增大;第三階段,由于交通擁堵,在城市經濟允許條件下可規劃軌道交通,分擔地面交通壓力,主要道路為公交提供優先權,吸引出行需求向公交轉移;第四階段多種交通方式供給達到一定限度,方式之間相互吸引,供給與需求變化達到一種動態均衡響應的狀態。由此,公共交通在城市交通發展中起到十分關鍵的調節作用,是交通系統組成的主要部分。

本文根據出行分擔比例對公交出行提出建議:目前中心城區綠色化出行水平不高,對小汽車出行依賴性較強,應以綠色低碳出行為導向,將私人與公共交通統籌發揮效率,優化現有公交網絡,推出優惠公交政策吸引客流。加快軌道交通建設,逐步成網,提高公交與地鐵的接駁水平,在公交站點優化時,盡可能考慮將其設置在距離地鐵站較近的范圍內,有利于二者相互的客流支撐,加強外圍地區公交與軌道交通線路建設。常規公交與地鐵的“一票制”尚未完成開發,加快完善“公交一票制”,公交集團對聯乘乘客提供刷卡掃碼優惠政策,形成綜合交通數據體系,促進多方式發展。為了減少平峰時段出租車空載,可結合定制公交、觀光公交線路發展預約租車,使其與公交發展水平相互協調。充分融合各方式資源優勢,建全以軌道交通為骨干,常規公交為輔助,配合私家車出行的公交出行體系。

4 結論

本文通過建立城市公交出行供求響應關系系統動力學模型,以出行需求與交通供給作為研究對象,系統分析了經濟水平、道路交通狀態等方面的相互作用關系,模擬了大連市公交出行供求響應關系的演變趨勢。根據仿真數據得到了城市公共交通發展的4個動態演化的階段:第一階段發展完備的設施建設,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;第三階段大力發展公共交通,提供優先權;第四階段通過公交與小汽車等交通方式之間相互吸引,供給與需求動態變化。

未來大連市常規公交與軌道交通將共同發揮公共交通作用,公共交通總體承擔率可達到54%。隨著建設分擔率也逐年增多,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,依然能將承擔率穩定在20%左右。道路服務水平指標在未來短期內在0.8附近波動。為緩解道路出行壓力,大連市應以軌道交通作為公交骨架優先發展。