馬書紅++孫朝旭

摘要：城市交通系統(tǒng)是一個多變量、多反饋、非線性的復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)各要素之間相互制約，科學合理地描述其動力機制十分重要。采用系統(tǒng)動力學的方法，確定城市交通系統(tǒng)的界限，在具體分析系統(tǒng)內部各要素因果反饋作用關系和構建系統(tǒng)流圖的基礎上，建立城市交通系統(tǒng)動力學模型，重點對城市交通系統(tǒng)供需關系進行研究并給出模型的主要方程。以西安市為例，進行模型的模擬仿真，預測供需關系的發(fā)展趨勢并進行分析，結果表明遠期供需比例會出現嚴重失衡，而采取限制機動車出行需求的轉化、發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)等合理的交通需求管理政策可以在一定程度上緩解交通供需矛盾。

關鍵詞：城市交通系統(tǒng)；系統(tǒng)動力學；供需關系；模擬仿真；交通需求管理

中圖分類號：F294

文獻標志碼：A文章編號：16716248（2017）03003107

Supplydemand analysis model of urban traffic system

based on system dynamics

MA Shuhong1， SUN Chaoxu2

（1. School of Highway， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China；

2. Zhejiang Jinquli Gas co.， LTD， Hangzhou 310016， Zhejiang， China）

Abstract： Urban transportation system is a multivariable， multifeedback， and nonlinear complex system. There are mutual restrictions between its elements， and it is necessary to scientifically describe the dynamic mechanism of this system. This paper set the boundary of urban traffic system by use of the method of system dynamics， analyzed the causal feedback effect relations between various elements of the internal system， and presented a flow chart of urban transportation system. Based on that， a system dynamics model of urban traffic system was established， and the relationship between supply and demand of urban traffic system was studied to present the main equations of the model. Taking Xian as an example， this paper simulated the model and estimated the development trend of supply and demand. The analysis results show that there are serious imbalances in the proportion of longterm supply and demand. Some proper traffic demand management policies can be adopted to ease the contradiction between demand and supply， such as taking Transit Priority Policy， developing urban public traffic system.

Key words： urban transportation system； system dynamics； relationship between supply and demand； simulation； traffic demand management[GK-2！-2]

城市化和機動化的快速發(fā)展給城市交通系統(tǒng)帶來了巨大的壓力，導致其供需矛盾日益突出，道路擁堵、交通事故、環(huán)境污染等問題日益嚴重。交通系統(tǒng)的供需關系不僅關系到城市的經濟活動效率，也會影響到城市居民的日常生活，需要重點關注。目前，對城市交通系統(tǒng)供需關系的研究，主要集中于內涵、評價方法和專門技術等方面，并以平衡分析為主，主要有平衡理論和彈性理論兩種方法[1]。平衡理論認為道路交通的供需平衡不僅體現在總量上的平衡，還體現在結構上的耦合；彈性理論針對有附加條件的交通成本與需求量、交通成本與供給量之間的關系進行分析。事實上，對交通系統(tǒng)供給和需求的分析，不僅要單獨分析供給與需求兩個方面，還要系統(tǒng)考慮兩者之間的關系，可以用系統(tǒng)動力學來進行分析。已有成果主要應用系統(tǒng)動力學方法從可持續(xù)發(fā)展、宏觀政策、城市發(fā)展、區(qū)域經濟與交通相互關系、交通運輸方式與結構等角度對相關問題進行研究[23]，而在城市交通系統(tǒng)方面，則主要著眼于城市經濟與交通的互動協(xié)調以及城市綜合交通系統(tǒng)內部各種因果關系的研究[4]?；诖?，本文擬采用系統(tǒng)動力學的原理與方法，對城市交通系統(tǒng)進行研究，在重點分析供給與需求相互作用關系的基礎上，研究產生交通系統(tǒng)外部特性的內在作用機制，從宏觀上給出交通問題的產生原因及應對策略，從而更好地實現城市及其交通系統(tǒng)的協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展。

一、系統(tǒng)動力學概述

系統(tǒng)動力學（System Dynamics）是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學科，其認為系統(tǒng)的行為模式與

特性主要取決于其內部的動態(tài)結構與反饋機制[5]。相比于傳統(tǒng)的系統(tǒng)學科，系統(tǒng)動力學更注重系統(tǒng)的內部機制與結構，強調單元之間的關系與信息反饋，可處理高階數、多回路和非線性的時變復雜系統(tǒng)與巨系統(tǒng)問題[6]，其解決問題的過程與步驟如圖1所示。

城市交通系統(tǒng)是一個復雜的，涉及諸多方面且隨時間不斷變化的大系統(tǒng)，系統(tǒng)內部各因素之間相互影響和制約，其行為表現出明顯的非線性特征。從圖1可以看出，基于系統(tǒng)分析—結構分析—建立模型—模擬評估—政策制定的系統(tǒng)動力學分析過程與一般情況下分析和解決交通問題的過程一致，故可以采用系統(tǒng)動力學模型按照圖1的基本思路來確定交通系統(tǒng)內部各個要素間的因果反饋關系，從城市交通系統(tǒng)需求與供給兩方面入手，分析與它們存在聯(lián)系的各個要素，建立城市交通系統(tǒng)動力學模型，模擬交通系統(tǒng)供給與需求在系統(tǒng)中的轉化過程及相互作用機理，在此基礎上對交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行預測和分析。

二、系統(tǒng)動力學模型與交通供需分析

以分析城市交通系統(tǒng)供需關系為建模目的，根據系統(tǒng)動力學解決問題的一般步驟，確定建立的模型包括人口、經濟、交通需求和交通供給等要素，通過研究系統(tǒng)各個部分的反饋關系和設定各種變量（方程）來建立模型。

（一）系統(tǒng)的界限

系統(tǒng)的界限（或邊界）規(guī)定哪些應該劃入模型，哪些不應歸入模型，它是一個想象的輪廓，把建模目的所考慮的內容圈入，并與其他部分（環(huán)境）隔開。對城市交通系統(tǒng)來說，供需矛盾是當前導致城市交通問題的主要原因，而交通需求和交通供應的影響因素眾多，其中城市人口、經濟發(fā)展水平、機動車數量、現狀路網情況等對供應和需求的影響明顯[7]。以此為基礎進行分析后，應用系統(tǒng)動力學方法重點研究城市交通系統(tǒng)的供需關系，并確定模型包含的主要要素有：

（1）GDP。GDP是一個重要的經濟指標，它與交通基礎設施建設的投資以及機動車出行比例的增長都有直接的關系，而且交通系統(tǒng)的運行情況在某種程度上會影響GDP的增長。

（2）人口。人口的增長會直接導致出行量的增長，使機動車出行量不斷增加。

（3）交通需求。造成一系列城市交通問題的主要原因是小汽車出行，因此可用小汽車的出行量來表示交通需求。在需求方面，存在著一定的延遲，即從出行者有意圖選擇小汽車這種出行方式到最終將其實現之間存在一個時間間隔。所以將需求分為潛在需求和需求兩個部分，潛在需求表示出行者選擇小汽車出行的意愿，它經過一定的時間就會轉化為實際的交通需求。

（4）交通供給。采用道路網長度與平均單車道容量（VKT）的乘積來表示。同樣存在著延遲的問題，這是因為道路在建設階段是無法形成供給能力的，投資的道路建設項目往往需要經過一定時間的建設后才能形成實際的供給能力，因此供給也可分為計劃供給和供給兩個部分。同時，考慮到城市用地的限制，道路網不可能永無止境的擴張，存在著一個最大值，將其定義為最大供給能力，當供給能力達到這個水平后將不再進行道路的建設。

（二）因果反饋關系分析

從供給與需求兩個方面來重點研究城市交通系統(tǒng)內部各個要素的主要反饋關系，分析得到系統(tǒng)內部包含的主要反饋回路如下，其中箭頭表示因果關系，正負號表示正效應或負效應。

（1）從需求出發(fā)的負反饋回路。GDP→+人均GDP→+機動車出行比例→+潛在需求→+需求→-供需比例→-GDP影響因子→-GDP。

這是一個負反饋回路，表示經濟的增長會刺激小汽車出行需求的增長，但在需求增長的同時會造成供給方面的不足，使得交通運行的效率降低，反過來會影響經濟的持續(xù)快速發(fā)展。使用“GDP影響因子”來表示交通系統(tǒng)供需求關系對社會經濟的這種影響。

（2）從需求出發(fā)的正反饋回路。需求→+投資比例→+交通投資→+計劃供給→+供給→+供需比例→+轉化率→+需求。

這是一個正反饋回路，表示交通需求的增長會刺激道路建設投資的增長，人們試圖通過交通基礎設施建設來滿足不斷增長的需求，但是隨著供給能力的不斷提升，反而會加快潛在需求的轉化，產生更多的交通需求。使用“投資比例”來表示交通需求增長對投資增長的這種作用。

（3）從供給出發(fā)的正反饋回路。經濟→+交通投資→+建設率→+計劃供給→+供給→+供需比例→+經濟。這是一個正反饋回路，表示隨著經濟的增長，交通基礎設施投資也會相應增多，道路網建設速度加快，形成了更加充足的供給能力，最終保證了經濟的持續(xù)快速發(fā)展[8]。

（4）從供給出發(fā)的負反饋回路。供給→-差值→+建設率→+計劃供給→+建成率→+供給。這是一個負反饋回路，表示交通的供給能力并不是隨著需求的增長而不斷增長的，在實際中道路網會受到土地利用等因素的限制，不可能無休止地進行建設。

四、模型應用

以西安市交通系統(tǒng)為例，采用系統(tǒng)動力學軟件Vensim PLE來模擬運行建立的城市交通系統(tǒng)動力學模型，基礎數據來自西安市統(tǒng)計年鑒和居民出行調查報告。

（一）模型的參數估計

根據西安市歷史和現狀的相關統(tǒng)計數據和調查數據，通過參數擬合和回歸分析，獲取和標定GDP增長率、出生率、人均出行次數、平均出行距離等各個參數。遷入率和人均機動車出行比例的函數通過回歸分析計算確定，如式（18）（19）所示，其他模型參數見表1。

（二）模型的檢驗

為了驗證模型是否較好地反映系統(tǒng)的特征，選取城市人口和GDP這兩個指標，以2000年為起始年，2010年為終止年，運行模型輸出預測結果與實際統(tǒng)計數據相比較，并計算兩者的相對誤差，結果如表2所示。

從表2中相對誤差的計算結果可以看出，模型預測得到的人口和GDP數據與實際的統(tǒng)計數據之間的相對誤差均在5%以內，認為建立的系統(tǒng)動力學模型是具有高可信度的，可用來模擬預測與相關政策分析。

（三）系統(tǒng)發(fā)展趨勢預測

根據前文分析，這里重點對西安市城市交通系統(tǒng)的供需關系進行研究。模型設定運行以2000年為起始年，2020年為終止年，仿真步長為1年，模擬運行模型并輸出每年的需求、供給與供需比例的仿真結果及其隨時間變化趨勢的曲線，如表3和圖4所示（需求與供給量的單位均為pcu）。

從圖4中可以看出，供給會隨著需求的增長而增長，但是道路網建設受到各種用地因素限制，其增長率會逐漸減小，在2015年城市道路網建設接近飽和。交通需求量因為人口和經濟的增長而繼續(xù)增長，且它的增長率慢慢變小，這是因為當需求大于供給即供需比例小于1時，就會出現道路擁堵等交通問題，影響人們對小汽車出行方式的選擇，導致潛在需求轉化率的降低。在不采取任何外部政策干預的情況下，不斷增長的需求致使供需比例持續(xù)降低，最終導致交通系統(tǒng)的癱瘓，其表現是實際需求無法繼續(xù)增長，供需比例嚴重失調。從2009年開始，城市交通供需比例就會隨著需求的增長而下降，由于供給能力在2014年接近極值，供需比例會持續(xù)下降，到2018年時供需比例已經嚴重失衡，需求量遠遠超出路網的供給能力，交通系統(tǒng)將無法正常運行。因此有必要采取一定的政策和措施來抑制需求的增長，以維持交通系統(tǒng)的正常運行。

五、政策分析

從供需關系的預測結果可以看出，西安市城市交通系統(tǒng)將會隨著需求量的不斷增長而最終癱瘓，因此有必要采取一些外部措施來改善系統(tǒng)的行為，抑制機動車出行需求的增長，使供需關系趨于合理化。根據國內外的經驗，單純地限制機動車出行和保有的辦法無法從根本上解決交通問題，應該采取一系列相配套的政策措施，才能到達令人滿意的效果[12]。發(fā)展公共交通被國內外一致認為是解決城市交通問題的出路，因此在限制機動車出行需求量增長的同時，要加快城市公共交通系統(tǒng)的建設。具體措施有：

（1）限制機動車出行需求的轉化。采取如小汽車限購、提高小汽車出行費用、擁堵收費等政策，延長潛在需求的轉化時間，降低其向實際需求的轉化率，來降低交通需求量。設定限制機動車出行需求轉化的政策干預有兩種模式：一般限制（模式1）和嚴格限制（模式2），相應的潛在需求轉化時間分別為1.5DT和2DT。

（2）發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)，吸引出行者使用公共交通方式出行，如采取提高公共交通服務水平、開辟公交專用車道、建設公交樞紐、城市軌道交通系統(tǒng)等措施，同時限制機動車出行，使城市交通系統(tǒng)出行方式的結構合理化，把機動車出行比例控制在一定的范圍內。根據西安市居民出行調查結果，考慮到未來一個時期機動車出行需求的增長，設定政策干預模式為控制機動車出行比例的增長上限為30%（模式3）。

在以上兩類政策的影響下，通過軟件的模擬運行，得到不同政策模式作用后的交通需求預測結果，如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出，在外部政策的作用下，交通需求的增長出現了減慢的態(tài)勢，特別是在不同政策的共同作用下，需求的增長明顯放緩，很好地抑制了過快的增長勢頭，絕大部分的交通需求得到了滿足，供需關系基本上保持平衡。但是值得注意的是機動車的出行需求量仍然略大于道路網的供給能力，其主要原因是交通流在時空分布上是不均勻的，高峰時段的需求量所占的比重較大，所以在早晚高峰時段機動車的出行效率會相對低一些。因此，建議進一步發(fā)展和完善具有大容量的城市軌道交通系統(tǒng)，以滿足高峰時段的出行需求。

六、結語

鑒于城市交通系統(tǒng)的動態(tài)性和非線性特征，采用系統(tǒng)動力學的原理與方法，在對城市交通系統(tǒng)供需關系及其影響因素進行研究的基礎上，建立了城市交通系統(tǒng)動力學模型；以西安市為實例驗證了模型的應用，并探討了在相關政策作用下交通系統(tǒng)行為的變化趨勢。通過建立城市交通系統(tǒng)動力學模型，模擬交通需求與供給如何產生并相互作用，反映交通系統(tǒng)的運行情況，有助于加深對交通系統(tǒng)供需關系的理解。應用模型對城市交通系統(tǒng)進行預測并分析不同政策對城市交通系統(tǒng)供需關系的影響，可在了解交通系統(tǒng)供需發(fā)展情況的基礎上，考量各種政策作用及其對系統(tǒng)的影響程度，為決策和

采取相應的管理措施提供參考。

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