章 洵 繆子山 楊 超

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室1） 上海 201804） （駐南昌鐵路局福州軍代處2） 福州 350013）

0 引 言

交通結(jié)構(gòu)可以反映交通需求的特點和不同交通方式的主要功能與地位，直接影響著有限交通資源的配置，是決定城市交通系統(tǒng)效率高低的關(guān)鍵因素［1］.隨著機動車尤其是私人小汽車的快速發(fā)展，交通供需失衡、交通結(jié)構(gòu)低效的問題日益突出，交通擁堵、環(huán)境污染以及能源危機等形勢日益嚴峻，嚴重制約了城市的可持續(xù)發(fā)展.發(fā)展城市軌道交通、優(yōu)化城市交通發(fā)展方式和用能結(jié)構(gòu)、改善城市客運交通結(jié)構(gòu)，是支撐城市交通可持續(xù)發(fā)展的有效手段.因此，在當前我國城市客運交通結(jié)構(gòu)加速調(diào)整的轉(zhuǎn)型期，對交通結(jié)構(gòu)的演變進程進行研究，合理引導城市交通結(jié)構(gòu)向符合可持續(xù)的交通模式發(fā)展，不但對交通規(guī)劃、建設、運營和管理具有總體指導作用，對改善城市交通運行效率、緩解城市交通擁堵和促進城市的可持續(xù)發(fā)展也具有十分重要的現(xiàn)實意義.

國外在對交通結(jié)構(gòu)的早期研究中，Schaeffer和Sclar［2］1975年首次全面探討了交通系統(tǒng)與城市形態(tài)的關(guān)系，認為城市形態(tài)的演變直接受城市交通方式的影響.Thomson［3］從交通發(fā)展模式入手，把城市布局歸納為充分發(fā)展小汽車戰(zhàn)略、限制市中心戰(zhàn)略、保持強大市中心戰(zhàn)略、低成本戰(zhàn)略和限制交通戰(zhàn)略五種模式.Elkind等［4］認為一個可持續(xù)發(fā)展的城市必須具有便于步行、非機動車及公共交通通行的形態(tài)和規(guī)模，通過集中設置公共設施的可持續(xù)性綜合作用來減少交通距離，以降低使用小汽車的比例.Cameron等［5］指出影響城市私人機動出行比例的影響因素有人口、城市化面積、崗位數(shù)和路網(wǎng)長度等，但在很大程度上是取決于城市本身的結(jié)構(gòu)，并建立了計算城市私人機動出行比例的模型.

國內(nèi)對城市交通結(jié)構(gòu)演變的研究于近幾年才開始.徐永能［6］對城市公共客運交通結(jié)構(gòu)演化的外部環(huán)境條件和內(nèi)部影響因素進行分析.沈飛［7］研究分析了國內(nèi)外典型城市不同時期交通結(jié)構(gòu)的特點和影響因素，進而找出交通結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律.郭勁松等［8］研究了在軌道交通不同發(fā)展階段城市客運交通結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，分析了軌道交通對客運結(jié)構(gòu)的影響.陳星光等［9］從演化角度對用戶出行方式選擇進行研究，運用演化博弈理論研究出行方式選擇的時間演化規(guī)律.劉爽［10］通過對國內(nèi)外典型城市交通結(jié)構(gòu)演變的機理分析，建立了交通結(jié)構(gòu)演變的系統(tǒng)動力學模型并進行了實證研究.葉茂等［11］以鎮(zhèn)江為例分析了帶狀組團城市空間與交通系統(tǒng)演變的互動發(fā)展過程和空間形態(tài)與交通模式的演化機理.

1 上海客運交通結(jié)構(gòu)演變系統(tǒng)動力學模型

按照系統(tǒng)動力學研究問題的思路、方法和步驟，在確定建模目標和系統(tǒng)要素的基礎上，通過分析各要素間的因果反饋關(guān)系，構(gòu)建交通結(jié)構(gòu)演變的系統(tǒng)流圖和結(jié)構(gòu)方程式，依托歷史數(shù)據(jù)對模型進行參數(shù)標定和檢驗，從而建立上?？瓦\交通結(jié)構(gòu)演變的系統(tǒng)動力學模型.本研究將利用系統(tǒng)動力學專用軟件Vensim PLE［12］來建立系統(tǒng)動力學模型.由于篇幅所限，文中僅列出系統(tǒng)界限與要素確定、系統(tǒng)流圖和模型經(jīng)驗3個步驟.

1.1 系統(tǒng)界限與要素確定

確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的第一步是根據(jù)建模目的和所要研究的系統(tǒng)對象來劃定系統(tǒng)界限，即確定系統(tǒng)需要包含哪些有用的系統(tǒng)要素.城市發(fā)展與城市交通結(jié)構(gòu)演變的相互關(guān)系不僅包含交通供給、交通需求和交通運行，還包括相關(guān)交通規(guī)劃與政策對交通結(jié)構(gòu)的互動反饋影響.結(jié)合本文的建模目標和城市客運交通結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)構(gòu)成，確定模型的邊界為：交通結(jié)構(gòu)要素、交通供給要素、交通需求要素、交通運行要素、交通規(guī)劃與政策要素.具體系統(tǒng)要素確定如下.

1）交通結(jié)構(gòu)要素 包括：個體機動比重；慢行交通比重、步行比重、非機動車比重；公交比重、軌道交通占公交比重、地面公交占公交比重、出租車占公交比重等.

2）交通供給要素 主要指道路設施、軌道交通、機動車的供給，包括：道路等級結(jié)構(gòu)、道路長度、車道通行能力；軌道交通里程；各類機動車保有量等.

3）交通需求要素 主要指不同出行方式的出行需求特征，包括：城市人口（常住人口和流動人口）、人口增長率、居民出行率；小客車（不包含出租車）、摩托車、大客車、出租車的出行頻次、載客率、出行量；公交車平均載客率、客運量、出行量；軌道交通平均客流強度、客運量、出行量等.

4）交通運行要素 主要指交通負荷、道路交通運行狀態(tài)，包括：各類機動車的日均行駛里程、高峰小時流量比、高峰小時周轉(zhuǎn)量；路網(wǎng)交通承載力；高峰小時道路交通強度；路網(wǎng)交通負荷；高峰小時路網(wǎng)平均車速.

5）交通規(guī)劃與政策要素 主要指交通投資政策、交通需求管理政策及未來交通系統(tǒng)規(guī)劃等并將其量化，包括：軌道交通、道路里程、各類機動車的年均增長率等.

1.2 系統(tǒng)流圖

為簡化建模的復雜度，對于經(jīng)濟發(fā)展水平對交通投資和機動車保有量的影響采用決策變量（也稱速率變量）來表示，即使用道路里程增長率、軌道里程增長率、公交車增長率、小客車增長率等來定量經(jīng)濟發(fā)展和相關(guān)交通政策對交通系統(tǒng)的影響.預先確定人口、軌道里程、道路里程、小客車保有量、大客車保有量、摩托車保有量、出租車保有量、公交車保有量作為模型的輸入變量（又稱狀態(tài)變量或積累變量）.在此基礎上，結(jié)合系統(tǒng)因果關(guān)系圖，將交通結(jié)構(gòu)演變和交通結(jié)構(gòu)合理性的判定分為2個子模塊分別建立子系統(tǒng)流圖，得到城市客運交通結(jié)構(gòu)演變的系統(tǒng)流圖（見圖1）和路網(wǎng)交通狀態(tài)系統(tǒng)流圖，見圖2.

1.3 模型檢驗

設定2004年為模型初始年（點），以2004年上海第三次綜合交通調(diào)查數(shù)據(jù)為模型輸入.由于文中的建模目的是模擬交通結(jié)構(gòu)的演變，因此選取城市客運交通結(jié)構(gòu)中不同出行方式所占的比重作為模型一致性的檢驗指標.通過模型計算其2004年、2009年的交通結(jié)構(gòu)輸出，與實際調(diào)查值進行誤差檢驗，從而判斷模型與實際的一致性，檢驗結(jié)果見表1.

表1 模型檢驗結(jié)果 %

通過模型計算結(jié)果與實際調(diào)查數(shù)據(jù)的對比分析，主要指標的相對誤差均在5%以內(nèi)，模型的精度符合實際模擬分析的需要，模型與實際系統(tǒng)的一致性符合檢驗要求.因此，該模型可以比較符合實際的定量分析上?？瓦\交通結(jié)構(gòu)的演變進程及特征變化，可以用于對上?？瓦\交通作長期的動態(tài)戰(zhàn)略性的定量分析研究.

圖1 交通結(jié)構(gòu)演變系統(tǒng)流圖

圖2 路網(wǎng)交通狀態(tài)系統(tǒng)流圖

2 上海軌道交通發(fā)展規(guī)模分析

2.1 國外軌道交通發(fā)展特征

世界上人口密度較大的城市在城市交通發(fā)展戰(zhàn)略問題上基本達成共識，即通過發(fā)展城市軌道交通，發(fā)展運量大、速度快、能耗低、污染少、安全性高、可靠性強的現(xiàn)代化立體公共交通體系，以適應城市發(fā)展的需要.從世界大都市的城市發(fā)展歷程來看，軌道交通在解決城市交通擁堵、優(yōu)化城市布局、促進城市發(fā)展等方面都發(fā)揮了巨大的作用.近幾年，我國政府也逐漸轉(zhuǎn)變城市發(fā)展建設的理念，發(fā)展公交優(yōu)先，尤其是把發(fā)展軌道交通放在城市建設中的重要地位，促使我國城市的軌道交通進入了快速發(fā)展時期.通過借鑒國外軌道交通的發(fā)展經(jīng)驗，研究如何確定我國城市適宜的軌道交通發(fā)展規(guī)模，如何定位城市軌道交通與地面公共交通在公交系統(tǒng)中的地位和作用，為我國城市公共交通建設提供理論指導，具有十分積極的現(xiàn)實意義.

由于世界范圍內(nèi)各個城市軌道交通的發(fā)展歷史與發(fā)展模式各不相同，各城市軌道交通的發(fā)展規(guī)模也有顯著的差異.但是，通過對不同城市的軌道交通密度與人口密度的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)這兩者之間有一定的相互關(guān)系.通過統(tǒng)計世界主要大城市軌道網(wǎng)密度與人口密度（見表2），發(fā)現(xiàn)世界大城市的軌道網(wǎng)密度與人口密度分布在兩條不同的擬合曲線上（見圖3），分別將這兩條曲線命名為軌道網(wǎng)高密度發(fā)展曲線（簡稱：高密度曲線）和軌道網(wǎng)低密度發(fā)展曲線（簡稱：低密度曲線）.在高密度曲線上的城市包括：巴黎中心城、大巴黎市域、東京中心城、東京交通圈、大倫敦市域、紐約市域；在低密度曲線上的城市包括：上海中心城、上海市域、首爾市域、香港市域、新加坡市域、莫斯科市域.可見，各大城市在軌道交通的發(fā)展上存在兩種不同的發(fā)展模式，而上海則處于低密度發(fā)展的模式上.同時，可以發(fā)現(xiàn)巴黎和東京的中心城和市域（或交通圈）軌道的發(fā)展都在高密度曲線上，說明其軌道的發(fā)展趨勢在中心城和市域是一致的.

表2 世界主要大城市軌道網(wǎng)密度與人口密度

圖3 世界主要大城市軌道網(wǎng)密度與人口密度關(guān)系圖

2.2 上海軌道交通發(fā)展目標假定

根據(jù)上述分析，假定上海軌道交通發(fā)展分別采取高、低密度曲線，以及當前發(fā)展趨勢進行增長，利用上?？瓦\交通結(jié)構(gòu)演變系統(tǒng)動力學模型對比分析未來上?？瓦\交通結(jié)構(gòu)的演變情況.

上海2030年總?cè)丝趯⑦_到3 150萬人左右，人口密度為0.497萬人／km2.按高密度曲線擬合公式計算，將上海市軌道交通發(fā)展高方案設定為：至2030年，市域軌道網(wǎng)密度達0.29km／km2，即所需軌道網(wǎng)規(guī)模達1 838km，在公交系統(tǒng)內(nèi)部形成以軌道交通為主體、地面公交和出租車為輔的公交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軌道交通在公交系統(tǒng)中處于壟斷地位.為便于對比，將該方案稱為A模式.

按低密度曲線擬合公式計算，將上海市軌道交通發(fā)展低方案設定為：至2030年，市域軌道網(wǎng)密度達0.135km／km2，即所需軌道網(wǎng)規(guī)模達858 km，在公交系統(tǒng)內(nèi)部形成以地面公交為主體、軌道交通和出租車為輔的公交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，地面公交在公交系統(tǒng)中處于壟斷地位.將該方案稱為B模式.

另外，按照當前上海市軌道交通的發(fā)展趨勢，上海軌道交通年均增長量為56km，至2030年軌道網(wǎng)密度將達到0.22km／km2，這一規(guī)劃方案處于高／低密度曲線之間，屬于中密度方案.因此，將上海市軌道交通發(fā)展中方案設定為：至2030年，市域軌道網(wǎng)密度達0.22km／km2，即所需軌道網(wǎng)規(guī)模達1 393km，在公交系統(tǒng)內(nèi)部形成以地面公交和軌道交通為主體、出租車為輔的公交系統(tǒng)結(jié)構(gòu).將該方案稱為C模式.

3 不同軌道交通發(fā)展模式對比

根據(jù)已建立的上?？瓦\交通結(jié)構(gòu)演變系統(tǒng)動力學模型，為保證模型的連續(xù)性和實用性，本文仍然以2004年為基準年，以上海歷次綜合交通調(diào)查數(shù)據(jù)、交通年度發(fā)展報告和上海市統(tǒng)計年鑒為基礎數(shù)據(jù)輸入模型，對這3種軌道交通發(fā)展模式進行模擬.

3.1 政策措施分析

1）根據(jù)目標制定軌道交通建設規(guī)劃 根據(jù)模型計算：

A模式，2030年軌道交通線網(wǎng)規(guī)模達到1 838km，截止2014年底上海市軌道交通運營總里程達到548km，以此推算在2015年以后，上海市軌道交通要以年均86km以上的新建規(guī)模增長，上海需要持續(xù)大規(guī)模地擴大和完善軌道交通網(wǎng)絡.

B模式，2030年軌道交通線網(wǎng)規(guī)模達到858 km，以此推算在2015年以后，上海市軌道交通要以年均21km以上的新建規(guī)模增長，上海建設軌道交通的進度將有所放緩.

C模式，保持上海市軌道交通目前發(fā)展趨勢，軌道交通年均增長量為56km，至2030年，軌道網(wǎng)規(guī)模將達到1 393km.

2）維持限制機動車保有政策，減少機動車使用 控制機動車增長一直是改善道路交通措施的永恒話題.由于受用地資源和城市空間資源的限制，上海道路交通設施的供應增長已十分有限，道路資源增長遠遠趕不上機動車的快速增長，城市對機動車的容納能力以越來越趨于飽和.道路交通狀況日益惡化，工作日高峰時段擁堵更為明顯，交通污染越發(fā)嚴重，機動車排放污染目前已成為上海大氣細顆粒物（PM2.5）的主要來源.針對這種情況，上海市需要繼續(xù)控制機動車的增長尤其是私人汽車的增長幅度，通過牌照拍賣政策并研究實行道路擁擠收費、區(qū)域化差別化停車收費、合乘車道等引導居民減少汽車使用的政策.文中假定在以上3種不同的軌道交通發(fā)展模式中，維持現(xiàn)有的機動車控制政策不變，即機動車中各車種的增長維持現(xiàn)有增長趨勢不變.

3.2 模擬效果對比

在政策措施制定及相關(guān)參數(shù)確定后，經(jīng)過模型模擬分析，得出A，B，C模式軌道密度與人口密度發(fā)展趨勢圖（見圖4）和交通結(jié)構(gòu)演變圖，見圖5.

圖4 上海市軌道密度與人口密度發(fā)展趨勢

圖5 上海市交通結(jié)構(gòu)演變圖

由圖4知，A模式采用的是高密度曲線軌道交通發(fā)展模式，B模式采用的是低密度曲線軌道交通發(fā)展模式，C模式則在高、低密度曲線之間.由圖5知，因采用不同的軌道交通建設進度，公共交通比重的增長呈現(xiàn)出較大差異.A模式由于大力發(fā)展軌道交通，公交比重從2010年的25%增長到2030年的40.3%，而到2030年B模式公交比重只為28.2%，C模式為34.8%.同時，在3種模式中，由于設定的個體機動參數(shù)不變，個體機動比重的增長趨勢一樣，由2010年的20.3%增長至2030年的28.6%.

4 結(jié)束語

文中按照系統(tǒng)動力學研究問題的思路、方法和步驟提出了上海客運交通結(jié)構(gòu)演變的系統(tǒng)動力學模型，并通過對世界主要大城市軌道交通密度與人口密度的統(tǒng)計分析，總結(jié)出軌道網(wǎng)高密度發(fā)展曲線和軌道網(wǎng)低密度發(fā)展曲線兩種發(fā)展趨勢.借鑒國外大城市軌道交通的發(fā)展特征，計算了高、低、中密度3種軌道交通發(fā)展模式下上海市軌道交通的發(fā)展規(guī)模，利用系統(tǒng)動力學模型對這3種軌道交通發(fā)展模式進行了動態(tài)的定量分析研究，對比分析了不同軌道規(guī)模下未來的交通結(jié)構(gòu)發(fā)展演變趨勢，為上海市交通發(fā)展模式的選擇和軌道交通規(guī)模的確定提供參考.

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