過利超 過秀成 姜曉紅

(東南大學交通學院,南京210096)

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都市區(qū)TOD走廊公共交通方式選擇模型

過利超 過秀成 姜曉紅

(東南大學交通學院,南京210096)

為了在都市區(qū)TOD走廊內(nèi)合理地配置公共交通設施,協(xié)調(diào)乘客、運營企業(yè)與政府的三方利益需求,考慮客運線路的乘客盈余、企業(yè)運營利潤、環(huán)境污染和能源消耗引起的外部成本等指標,以客運線路長度、車頭時距、票價為決策變量,構(gòu)建了TOD走廊公共交通方式選擇的社會效用最大化模型,并以鎮(zhèn)江都市區(qū)東翼客運走廊為例進行模型應用.研究結(jié)果表明,模型充分體現(xiàn)了TOD走廊的站點空間輻射、生態(tài)低碳等特征,一體化考量了公共交通方式的戰(zhàn)略選擇與公共客運線路的運營參數(shù)設計問題,對TOD走廊公共交通方式選擇方案的決策具有指導意義.

都市區(qū);TOD走廊;公共交通方式選擇;社會效用

公共交通導向下的都市區(qū)軸向開發(fā)有利于用地的集約利用與都市的精明增長,出現(xiàn)了整合交通節(jié)點的以公共交通為導向的走廊開發(fā)形式——TOD走廊[1].市郊鐵路、地鐵、輕軌、現(xiàn)代有軌電車等快速軌道交通系統(tǒng)與快速公交系統(tǒng)(bus rapid transit,BRT)是都市區(qū)TOD走廊主導的大中運量公共交通方式,由于各公共交通方式自身技術特性有所差異,需要決策者綜合權衡公共交通供給容量、建設運營成本、社會環(huán)境效益等因素,實現(xiàn)方式的合理配置.關于公共交通方式選擇模型的研究可以歸納為3類:① 基于出行者行為分析建立的公共交通方式選擇模型[2-3].這類模型僅從個體出行行為的角度出發(fā),未充分體現(xiàn)政府等其他參與方對公共交通方式?jīng)Q策的影響.② 基于政府與運營企業(yè)需求的公共交通方式比選模型[4-6].這類模型以運營成本與環(huán)境效益作為方式比選指標,凸顯了環(huán)境保護等可持續(xù)因素的重要性.③ 基于運營企業(yè)與乘客的公共交通方式比選模型[7-9].這類模型中以客運線路數(shù)量、線路長度、服務水平與費用等運營參數(shù)作為決策變量,構(gòu)建了利潤最大化模型,由于模型構(gòu)建中將客運走廊抽象為單線形式,因此未能體現(xiàn)客運走廊 “面狀”的區(qū)域特征.

本文立足都市區(qū)TOD走廊的空間輻射特征,考慮環(huán)境保護與能源節(jié)約等可持續(xù)因素,構(gòu)建基于乘客、運營企業(yè)與政府三方利益需求的公共交通方式選擇模型.

1 模型假定

結(jié)合都市區(qū)TOD走廊的相關特征，給定如下假設:① 都市區(qū)TOD走廊串聯(lián)以大中運量公交樞紐為中心組織形成的TOD社區(qū),TOD社區(qū)作為基本的規(guī)劃統(tǒng)計單元;② 都市區(qū)TOD走廊居民出行以通勤出行為主體,模型構(gòu)建中僅考慮通勤客流需求;③ TOD社區(qū)居民就業(yè)崗位的選擇只存在于本社區(qū)內(nèi)部與中心城CBD,并優(yōu)先選擇本社區(qū)內(nèi)部的就業(yè)崗位.

建立TOD走廊大中運量公共客運線路結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)[9],如圖1所示,TOD走廊總長度為B,線路上共有N+1個站點,Ds為站點s到中心城區(qū)CBD的距離,Rs為站點s的TOD開發(fā)輻射半徑,D1為客運線路總長度.

圖1 都市區(qū)TOD走廊大中運量公共客運線路結(jié)構(gòu)圖

q(x,s)=Ps(1-eaus(x)-ewws-etts-eff)

?x∈[0,Rs],s=1,2,…,N

(1)

式中,us(x),ws,ts,f分別表示居民到達s站點的平均時間、在站點s的等待時間、車內(nèi)時間與乘車費用;ea,ew,et,ef為相應的敏感性參數(shù),ea,ew,et的單位為h-1,ef單位為元-1；且

(2)

式中,Va為乘客的平均到達速度;Vt為車輛平均行駛速度;H為車頭時距;α取決于H與乘客到達分布的標準參數(shù),一般取0.5;β為車輛在站點的平均停留時間.令1-ewws-etts-eff=λs,則站點s輻射區(qū)域內(nèi)總公交客運需求為

(3)

2 社會效用最大化模型

政府、運營企業(yè)與乘客是都市區(qū)TOD走廊公共交通方式?jīng)Q策的主要參與方,政府側(cè)重從宏觀的角度協(xié)調(diào)交通與土地利用、環(huán)境保護、能源利用等方面的關系,促進都市區(qū)客運走廊形成可持續(xù)的交通系統(tǒng);運營企業(yè)主要設計客運線路發(fā)車間隔、票價等核心運營參數(shù),追求運營利潤最大化;乘客權衡出行成本與收益后做出出行決策.都市區(qū)TOD走廊公共交通方式的確定需要綜合考慮政府、運營企業(yè)和乘客三方的博弈關系,以三方構(gòu)成的社會效用最大化為目標構(gòu)建決策模型.令W表示社會效用,G表示乘客盈余,E表示企業(yè)運營利潤,P表示環(huán)境污染與能源消耗成本,則

W=G+E-P

(4)

2.1 乘客盈余

乘客盈余G表示乘客愿意為此次出行支出數(shù)額減去出行中實際支出數(shù)額,由式(1)可知,費用f是實際公交客流q(x,s)的函數(shù),乘客總支出可以表示為函數(shù)f(q)對q(x,s)的積分,故在站點s輻射區(qū)域內(nèi)x處的乘客盈余G(x,s)表示為

ewws-etts-eff)2

(5)

結(jié)合式(2)與式(5),站點s輻射區(qū)域內(nèi)的乘客盈余為

(6)

2.2 企業(yè)運營利潤

企業(yè)運營利潤E等于通過收取乘客票價所取得的總的運營收入R減去總的運營成本C,即E=R-C.總的運營收入R為每個站點的上車乘客數(shù)乘以相應的票價，即

(7)

總的運營成本C包括車輛運營成本CV、線路運營成本CL和站點運營成本CS.CV包含固定的運營成本和可變的運營成本,CL包括線路經(jīng)營固定成本和征用土地、設施建設、線路維護與勞動力等可變成本,CS包括站點經(jīng)營固定成本和征用土地、規(guī)劃設計、設施建設、場站維護等可變成本，即

[η0+η1(N+1)]

(8)

式中,μ0,γ0,η0分別為車輛、線路、站點運營固定成本;μ1為車輛運營單位成本;γ1為線路運營單位成本;η1為站點運營單位成本;θ為車輛單位運行周期的行程時間，包括終端時間T0、干線運輸時間T1與站點停留時間T2,即

(9)

則企業(yè)運營利潤可以表示為

(γ0+γ1D1)-[η0+η1(N+1)]

(10)

2.3 環(huán)境污染與能源消耗成本

TOD走廊內(nèi)公共交通設施配置需要考慮環(huán)境的承受能力與資源節(jié)約.公共交通設施的污染物種類主要有大氣污染與噪聲污染兩類,則總污染物的成本PG表示為

(11)

式中,wg,wn分別為大氣污染、噪聲污染內(nèi)部化后的單位成本.同理,能源消耗總成本表示為

(12)

式中,we為能源消耗內(nèi)部化后的單位成本.環(huán)境污染與能源消耗總成本P為

(13)

基于社會效用最大化的都市區(qū)TOD走廊公共交通方式?jīng)Q策模型為

(14)

(15)

D1≤B

(16)

式中,K為車輛最大載客量.式(15)對TOD走廊客流供需關系進行了約束,式(16)在公共客運線路長度上給予了約束.

3 模型求解

構(gòu)建社會效用最大化模型的拉格朗日函數(shù)F(D,H,f),分別對線路長度D、車頭時距H、費用f求偏導數(shù),則D,H與f的最優(yōu)解滿足以下方程:

(17)

式中,a,b為拉格朗日乘數(shù);Δs為隨機變量,當s=1時,Δs=0,否則取值1.

4 實例應用

鎮(zhèn)江市規(guī)劃提出加快推進都市發(fā)展軸建設與新城開發(fā),以公交走廊先行的策略引導鎮(zhèn)江都市區(qū)的空間結(jié)構(gòu)調(diào)整.其中串聯(lián)老城核心區(qū)、丁卯新城、諫壁新城與大港新城的鎮(zhèn)江東翼客運走廊具備建設TOD走廊的經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)與人口條件,全長約15 km.亟需選擇合理的大中運量公共交通方式引導與支撐東翼客運走廊的軸向開發(fā),其中BRT、現(xiàn)代有軌電車、輕軌與地鐵等大中運量公共交通方式為備選方案.參考鎮(zhèn)江市城市總體規(guī)劃,確定東翼客運走廊沿線各規(guī)劃統(tǒng)計單元的TOD開發(fā)輻射半徑Rs、人口數(shù)gs、平均出行次數(shù)ns與職住比ms.高峰小時系數(shù)φ取0.1,乘客平均到站速度Va取4 km/h,敏感性參數(shù)ea,ew,et和ef分別取值0.98,0.98,0.49 h-1和0.098元-1,模型其他參數(shù)的取值如表1所示[9-10].

表1 鎮(zhèn)江都市區(qū)東翼客運走廊公共交通方式選擇模型參數(shù)設置

運用式(14)～(17),通過C++編程求解,得出模型求解結(jié)果如表2所示.

表2 鎮(zhèn)江都市區(qū)東翼客運走廊公共交通方式選擇模型求解結(jié)果一覽表

根據(jù)模型求解結(jié)果,采用BRT方案時社會效用最優(yōu).決策者在鎮(zhèn)江都市區(qū)東翼TOD走廊設施配置過程中,宜采用BRT作為TOD走廊內(nèi)的主導公交方式,引導都市軸向空間的拓展與沿線土地集約開發(fā),所選方式實現(xiàn)了線路長度、車頭時距與票價等運營服務水平整體最優(yōu)情況下的社會效用最大化目標.

5 結(jié)論

1) 模型通過參數(shù)站點和輻射半徑的設置,改進了以往模型將客運走廊抽象為單線形式開展研究的不足.

2) 體現(xiàn)了TOD走廊內(nèi)低碳生態(tài)交通要求,完善了模型中關于社會效用的構(gòu)成.

3) 一體化考量了TOD走廊公共交通方式戰(zhàn)略選擇與公共客運線路運營參數(shù)設計問題,可以兼顧關鍵運營參數(shù)與社會效用的最優(yōu)解.都市區(qū)TOD走廊內(nèi)往往存在2種及2種以上的大中運量公共交通方式,各公共交通方式之間具有接駁、喂給、并行等多種競合關系,今后將進一步針對不同競合關系下公共交通方式組合方案的選擇決策開展研究.

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Public transportation mode choice model in TOD corridor of metropolitan area

Guo Lichao Guo Xiucheng Jiang Xiaohong

(School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to reasonably allocate public transportation facilities in transit-oriented development(TOD)corridor of metropolitan area and coordinate the tripartite interests among passengers, operator and government, a social utility maximization model of public transportation mode choice in TOD corridor is constructed. This model considers the indexes of consumer surplus, profit of the operator, external costs of environmental pollution and energy consumption, and takes the line length, headway, and fare as decision variables. The passenger corridor in the east flank of Zhenjiang metropolitan area is taken as an example. The investigation results show that the model fully reflects the TOD corridor characteristics of site space radiation, low-carbon and ecology, and integratively considers both public transportation mode choice and operation parameters of public passenger line. It’s instructive for the decision-making of public transportation mode choice in TOD corridor.

metropolitan area;transit-oriented development(TOD) corridor;public transportation mode choice;social utility

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.033

2014-12-30. 作者簡介: 過利超(1986—),男,博士生;過秀成(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導師,seuguo@163.com.

江蘇省交通科學研究計劃資助項目(09R02).

過利超，過秀成，姜曉紅.都市區(qū)TOD走廊公共交通方式選擇模型[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(3):601-605.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.033

U491

A

1001-0505(2015)03-0601-05