基于系统动力学城市公交出行供求响应关系研究

左忠义,董金昊

(大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028)

随着的出行需求的不断增加,道路设施建设已跟不上需求增长的速度,道路交通安全等问题日益凸显。公交优先发展倡导人本、集约、绿色、高效的交通运输发展模式,利用有限的资源满足不断增长的出行需求,同时也要保证小汽车的出行权利,注重私人交通的协同发展,推动交通出行方式的转变。

探究供求关系与公共交通之间的相互影响关系和发展机理,研究公共交通的发展模式,构建公共交通与城市发展协同发展模型,对于合理规划城市交通结构、设计城市交通模式和建设城市交通系统具有重要意义。杨晞[1]采用供求关系作用机理对城市交通供求关系展开动态平衡研究。霍沛[2]利用传统交通供求理论和道路交通供求关系,构建了公共交通与私人交通供求发展关系模型,结合集计化分析,研究得出公共交通与私人交通合理发展比例。李艳艳[3]采用经济学均衡理论,在路网容量模型中研究城市交通供求平衡,证实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。裴玉龙等[4]以广义费用为效用值,研究了公共交通和私人交通的竞争强度,通过竞争强度反映供求平衡,从而得到2种交通方式竞争的平衡点。Widiyani[5]研究了2种交通方式影响出行选择的属性。Sandip[6]采用MNL模型来分析2种交通方式出行的竞争力,通过竞争力差异来相互吸引交通方式的转移。左忠义等[7]采用路阻函数针对公交与社会车辆的速度差异展开研究,认为对于不同出行量,公交会吸引小汽车用户。以上有关供求关系的理论研究大多以道路资源为主,而在城市发展的整体性以及对供求关系相互作用方面,没有深入的分析,同时交通调查与logit模型对数据量的需求又比较大,涉及交通供求的部分较难统计。

何南[8]采用城市客运交通系统动力学模型说明公共交通优先政策能够缓解城市交通拥挤。戚静[9]在系统动力学模型中研究不同政策下交通结构的供需演化关系,提出公交优先政策建议。董璐[10]在公交优先政策下,建立了社会经济和公交的系统模型,提出了改善建议。黄忠祥等[11]和谢雯娉[12]研究城市交通结构系统动力学模型时得出,不同交通方式的供需是在非均衡的动态变化中维持相对均衡的。文爱亭[13]在交通供需非均衡系统模型中,分析了改变政策变量对供需非均衡演变的影响。研究城市交通供求关系时,以上研究均在一定条件下调控需求与供给量,缺乏对影响供求的要素趋势和城市发展阶段交通结构的分析,对供求关系演化关系结构的研究也较少。

鉴于此,本文从城市交通供求概念出发,建立公交出行供求响应关系即系统动力学模型,考虑系统影响要素,利用大连市历史数据对模型进行检验。研究供求响应机理,把握发展的变化,预测未来公交出行结构变化关系。

1 系统要素分析

1.1 系统边界

研究公交出行供求响应关系应明确供求要素间的影响,分析供给与需求作用机理,得出供求结构变化,为交通发展政策提供有效的建议。将出行需求与交通供给引入系统模型,利用其演变规律达到动态响应变化。

1.2 要素关系

根据交通结构总结归纳该系统内应包括交通供给、出行需求、交通状态、交通政策和城市经济情况[14]。

(1)交通供给

交通资源供给指城市道路网和轨道网在高峰小时所能容纳的交通强度,道路网单位为pcu·km/h。判断各等级道路网的通行能力是否能满足不同交通方式的出行强度(出行频次、距离和载客量等),交通方式的供给能力由其周转量转化而来,通过线网长度、等级比例和修正系数得到。

(2)出行需求

居民生活质量不断提高,出行不仅要满足日常工作需要,还要参与休闲娱乐等社会性多层次的需求。为简化模型,出行需求量为常住人口出行量、出行频次和高峰小时出行比例的乘积(单位为万人次/时)。各交通方式的选择系数构成分担出行量,其中轨道交通建设周期受时间延迟影响。

(3)交通状态

交通强度和承载力之比称为交通状态,比值越大表示越拥挤,状态越差。交通强度是单位出行频次和里程的乘积与单位时间的比值,单位为pcu·km/h。高峰小时出行量约占每日出行量的15%～25%。交通状态良好,居民更倾向使用小汽车出行,此时私人小汽车保有量增加,该情形下居民反而会选择公共交通方式出行。

(4)交通政策

交通政策可以对建设年限、车辆保有量等进行调控,从整体把握交通结构。公交优先政策的措施是通过加大交通投资建设扩建公交线网规模,提高公交供给的整体能力。

(5)城市经济情况

经济情况是交通供求结构中主要的影响因素,经济发展能够吸引城市人口,提高居民购买力,同时更好地投资交通基础建设。

系统模块关系见图1。

图1 系统模块关系

1.3 系统关系图

在系统结构中,各要素相互影响,模型中主要因果关系逻辑反馈回路即因果关系见图2。

(1)城市经济水平→人口→需求出行量→常规公交/小汽车需求量→道路交通强度→道路交通状态→管理政策→常规公交/小汽车选择系数→常规公交/小汽车需求量。

(2)城市经济水平→人口→需求出行量→轨道交通需求量→轨道交通供求结构→轨道交通建设→轨道交通供给→轨道交通选择系数→轨道交通需求量。

(3)城市经济水平→交通投资建设→公共交通建设→公共交通供给量→公共交通供求结构→管理政策→公共交通建设→公共交通选择系数。

(4)城市经济水平→交通投资建设→道路建设→道路承载力→道路供给→道路交通状态→管理政策→道路建设。

图2 因果关系

2 系统模型与量化方程

2.1 系统流图

系统流图在系统关系图基础上区分不同变量性质,设置函数方程式,保证流程图的可实施性。模型中状态变量包括人口、GDP、道路里程、地铁里程、公交里程等,速率变量分别为状态变量对应的增长率、出行频次、乘距、载客量等,作为模型的常量。系统流图见图3。

图3 系统流图

2.2 量化

(1)参数说明

模型中相关数据计算的样本值采用统计年鉴及大连市交通调查相关资料,一些特征参数可根据数据相关关系通过回归分析得到[15]。对于缺少的数据,采用两次交通调查与对应年鉴数据差值计算得到,系统模型主要初始参数见表1。

表1 系统模型主要初始参数

(2)量化方程

以流图为基础,分析量化方程可准确地描述系统内所有变量的关系,函数方程决定了模型能否合理地分析结构和实际的预测,其中一些初始常量值通过处理交通调查数据得到平均值。系统主要模型方程见表2。以人均出行频次为例,该方程由两次调查年出行频次和GDP差值计算而来,对这些值进行回归可预测未来情况。出行方式选择系数通过两次调查年分担率和2035、2050未来计划预测数据预测得到。轨道供给量根据地铁部门高峰期间配备运营车辆数及运送旅客数作假设值,并随线路建设不断变化。道路承载力由大连市城市道路等级结构规划比例建设的不同等级道路理论通行能力、平均车道数、综合交叉口修正系数、路网综合布局系数乘积得到。

integ是Vensim软件中描述状态变量的累积效应的积分函数;Delay1是软件自带的描述建设周期对总量的影响一阶延迟函数;if then else为选择函数,符合不同要求,对应不同关系;with lookup是软件中描述一般函数不能展现的变化函数表函数。

表2 系统模型主要方程

2.3 模型检验

将2016—2020年数据代入模型中,对比模拟值与真实值的相对误差,误差在5%之内表明模型检验合格。以2016年为基年,选取大连市相关数据作为输入值,运行至2035年,运行步长取0.5年。模型检验结果表明,人口、GDP、公交里程与道路发展都呈现增长趋势,人口增长趋势在2025年后逐渐变缓,GDP呈现指数增长趋势,见图4。运营里程与城市道路里程相关,呈线性增长。

图4 人口与经济发展趋势

3 城市交通供求关系发展趋势

发展初期阶段,为了吸引外来人口,提高经济发展,城市建设初期大量建设了交通基础设施。当时居民可支配消费水平较低,出行以工作和上学为主,早晚高峰出行占比高。21世纪前城市道路服务水平保持在一个稳定值,同时公交逐步提高线网密度和站点覆盖率。进入21世纪后,经济快速增长,小汽车出行占大多数,城市高峰道路服务水平维持在0.4左右,道路状态由畅通流转变为限制流阶段,高峰期间出现延误,此时需求与供给保持共同增长,且供给能够满足需求,道路交通供求关系如图5所示。2003年大连市开通运营了第一条轻轨,大连市开始向城市地下、高架建设转移。由于地理位置建设等原因,该举措只分担了部分出行居民需求量,未能彻底解决道路问题。直到2016年地铁1、2号线投入运营,才真正开启了轨道交通的发展。

图5 城市高峰道路交通供求关系及道路服务水平

结构变化阶段,经济水平的上升,道路出行需求增长,道路服务水平下降严重。轨道交通处于规划建设阶段,同时经济的良性增长使得小汽车需求量持续增加,由于道路资源的限制,涨势稍逊,此时由常规公交与小汽车共同承担机动化出行供给任务。

出行需求增多,道路资源不足,居民购买力仍在提升,小汽车需求会在轨道交通建设期间急剧增加。道路服务水平低,严重影响城市交通发展,需对道路结构作出调整。加快城市快速路建设、公交专用道与优先信号布置,使小汽车用户逐渐向公交转移。公交需求量增多,而常规公交供给对需求产生压力,出现供求不均衡状态,对此通过一系列措施手段调控供给情况,此时处于常规公交与小汽车向轨道交通转移的过渡阶段。城市高峰机动化出行需求见图6,此时有供求不平衡的特性。

图6 城市高峰机动化出行需求

小汽车家家入户,保有量充足,保障了居民出行选择的权利。公交需求也在轨道交通建设上呈现良性增长,轨道交通规划逐步成网,缓解了道路压力,城市高峰轨道交通供求关系见图7。多种交通方式供求结构都在动态变化,道路服务水平逐渐趋向缓和状态,此时处于供求不平衡向动态平衡演变的状态。小汽车的需求将稳定在一定值,通过公共交通建设会极大释放道路交通压力,使得其服务水平回归正常。此时出行结构将表现出在动态均衡状态间反复演变的响应关系,交通方式出行分担率见图8。

图7 城市高峰轨道交通供求关系

图8 交通方式分担率

综上分析,城市交通发展经历了4个不同阶段,并在供求响应状态之间动态变化。第一阶段建设交通基础设施,为出行提供保障,带动城市经济发展;第二阶段出行需求增长,小汽车和常规公交需求量增多,道路交通压力增大;第三阶段,由于交通拥堵,在城市经济允许条件下可规划轨道交通,分担地面交通压力,主要道路为公交提供优先权,吸引出行需求向公交转移;第四阶段多种交通方式供给达到一定限度,方式之间相互吸引,供给与需求变化达到一种动态均衡响应的状态。由此,公共交通在城市交通发展中起到十分关键的调节作用,是交通系统组成的主要部分。

本文根据出行分担比例对公交出行提出建议:目前中心城区绿色化出行水平不高,对小汽车出行依赖性较强,应以绿色低碳出行为导向,将私人与公共交通统筹发挥效率,优化现有公交网络,推出优惠公交政策吸引客流。加快轨道交通建设,逐步成网,提高公交与地铁的接驳水平,在公交站点优化时,尽可能考虑将其设置在距离地铁站较近的范围内,有利于二者相互的客流支撑,加强外围地区公交与轨道交通线路建设。常规公交与地铁的“一票制”尚未完成开发,加快完善“公交一票制”,公交集团对联乘乘客提供刷卡扫码优惠政策,形成综合交通数据体系,促进多方式发展。为了减少平峰时段出租车空载,可结合定制公交、观光公交线路发展预约租车,使其与公交发展水平相互协调。充分融合各方式资源优势,建全以轨道交通为骨干,常规公交为辅助,配合私家车出行的公交出行体系。

4 结论

本文通过建立城市公交出行供求响应关系系统动力学模型,以出行需求与交通供给作为研究对象,系统分析了经济水平、道路交通状态等方面的相互作用关系,模拟了大连市公交出行供求响应关系的演变趋势。根据仿真数据得到了城市公共交通发展的4个动态演化的阶段:第一阶段发展完备的设施建设,为出行提供保障;第二阶段出行急速增长,道路交通压力增大;第三阶段大力发展公共交通,提供优先权;第四阶段通过公交与小汽车等交通方式之间相互吸引,供给与需求动态变化。

未来大连市常规公交与轨道交通将共同发挥公共交通作用,公共交通总体承担率可达到54%。随着建设分担率也逐年增多,满足交通决策者对百万级人口城市的出行需求,常规公交也将作为辅助方式。小汽车因其舒适性和自由性,依然能将承担率稳定在20%左右。道路服务水平指标在未来短期内在0.8附近波动。为缓解道路出行压力,大连市应以轨道交通作为公交骨架优先发展。