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上海客运结构演变的系统动力学模型
YANG Chao1， MIAO Zishan1，2
1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804
2.同济大学交通工程学院，上海201804
[摘 要]本文基于2004年和2009年上海交通综合调查的数据，运用系统动力学方法分析了城市客运结构的演变，提出了上海客运结构演变的系统动力学模型。内容包括设定建模目标，确定运输系统边界，因果关系分析，建立流程图，参数估计和模型验证。
[关键 词]系统动力学模型；旅客运输结构；演变；道路交通状况
- 引言
运输结构是指出行方式的划分，可以反映出交通需求的特征以及不同运输方式的功能作用。它直接影响有限交通资源的配置，并决定城市交通系统的效率。随着城市化和机动化的发展，交通供需不平衡，运输结构效率越来越低；能源危机、交通拥堵和环境污染变得越来越严重，严重阻碍了城市的可持续发展。通过增加公共交通的普及率和引导居民的出行行为，优化城市旅客运输的结构，以实现城市运输的可持续发展，在世界范围内都是重要的经验。因此，在加快中国城市客运结构调整中，研究城市客运结构的演变，引导城市交通走向可持续发展模式，不仅在指导交通规划、交通建设、交通运营和交通方面具有普遍作用。管理，对于提高城市交通运行效率，缓解城市交通拥堵，提高城市居民生活水平，具有十分重要的现实意义。
Schaeffer and Sclar（1975）首次探索了交通系统与城市结构之间的关系。他们认为城市结构的演变直接受到交通方式的影响。Thomson（1977）从交通发展模式入手，将城市布局划分为充分发展汽车的战略、限制市中心的战略、维持强大的市中心的战略、低成本的战略和限制运输的战略。Elkind（1991）认为，一个可持续发展的城市必须为行人、非机动车和公共交通提供便利的设施。 集中式公共设施可以减少出行距离和乘车比例。Cameron（2003）指出，私人机动车出行的影响因素是人口、城市化区域、职位和道路网络，但主要取决于城市的结构，由此他提出了一种计算城市私人机动车出行比例的模型。
徐永能（2006）分析了影响城市公共客运结构演变的外部环境条件和内部因素。沈（2007）分析了不同时期典型城市交通结构的特征及其影响因素，提出了交通结构的演变规律。郭劲松（2008）研究了轨道交通对运输结构的影响，并分析了轨道交通发展各个阶段城市客运结构的演变规律。陈星光、周晶等人 （2009）使用进化博弈论从进化的角度研究了居民出行方式的选择。刘（2009）分析了全球典型城市中城市客运结构演变的机理，提出了城市客运结构演变的系统动力学模型，并进行了实证分析。Ye等（2010）分析了带状城市空间与交通系统演化之间的关系，并以镇江为例研究了城市空间形态和交通方式的演化机理。
本文基于2004年和2009年上海市综合交通运输普查数据，运用系统动力学方法分析了城市客运结构的演变，提出了上海客运结构的系统动力学模型，包括设定建模目标，确定运输系统边界，因果关系分析，建立流程图，参数估计和模型验证。该模型可用于预测未来上海客运结构的演变特征。
- 系统动力学的适用性分析
系统动力学（System Dynamics）是一门研究系统信息反馈并解决集成在系统中的问题的学科。它认为系统的行为模式和特征主要取决于系统内部动态反馈结构的机制。它强调指出，应该从系统的整体、结点、发展和运动的角度研究和分析问题，利用系统推理以及定性和定量方法相结合来模拟系统的动态发展及其趋势，以进行长期的动态战略定量分析。
城市客运系统是一个复杂的社会经济系统。若仅依靠定性研究方法或纯粹理性和静态的定量研究方法来分析和解决这一问题，就会存在一定的局限性。而系统动力学方法可以将定性分析和定量分析很好地结合在一起，同时它也可以可视地分析系统行为、系统组成、控制机制和因果约束，因而被用于研究城市客运系统的演变。
系统动力学与交通运输系统具有共同点，因此系统动力学适合研究城市客运结构。第一，系统动力学的研究对象是社会系统、经济系统和生态系统的复杂性，而具有复杂因素的城市客运系统正是系统动力学的理想研究对象。第二，系统动力学可以用来研究具有内部因素的系统的动态开发过程。因此，它可用于模拟系统的动态发展，其趋向于研究城市客运系统的长期发展过程。第三，系统动力学建模过程着重于系统内部结构的建立，利用各种要素与有限数据之间的因果关系可以得出一些相关的预测。它适合于统计量少的城市客运系统研究。第四，系统动力学被称为“策略实验室”，它可以用来分析不同策略对系统的不同影响。通过更改系统动力学模型中的策略变量和相关参数，我们可以模拟不同策略的不同效果，可以用于研究交通政策对城市客运结构演变的影响。
- 上海客运结构演变的系统动力学模型
我们首先确定了上海城市旅客运输结构演化模型中应考虑的建模目标和系统要素。 然后，我们分析了城市客运系统各要素之间的因果关系，并建立了流程图和结构方程。 使用历史流量数据，我们校准了参数并验证了模型。 这项研究使用专用软件Vensim PLE（王，2009）进行建模。
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- 模型建立的目标与思想
该建模目标是通过研究社会经济、交通供应、交通需求、交通运营和交通政策等相关因素之间的因果关系，建立一个真实有效的上海客运结构演变的仿真系统动力学模型以供参考。将通过此模型分析上海客运结构未来的发展。
建模思想是由城市旅客运输结构的组成成分开始。运输结构可分为三类，即公共交通、非机动车交通和私人机动车交通。每个类别可以分为不同的子类，例如公共交通可以分为轨道交通，公共汽车和出租车。各子类也可以因特定的出行模式进行重新定义。每种交通方式出行的影响因素包括出行者的社会经济属性、出行目的、出行距离以及决策变化，很难进行定量分析。但是，通过历史供需数据来计算每种交通模式的行程量会比较容易。例如，铁路运输的乘客量由铁路里程和铁路运输的客流强度确定，而客流强度可通过对其历史数据的统计分析来确定。然后通过对铁路运输率的转换来计算特定的铁路运输行程量。本文就是依此思路进行模型构建的。
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- 建立系统边界
确定系统配置的第一步是建立系统边界。这一步需要基于建模目标和研究目标来定义系统的哪些因素有用。城市发展演变与城市交通结构之间关系的影响因素包括交通供应、交通需求、交通运行、交通规划和交通政策。结合建模目标和城市客运系统的配置，确定模型的边界为交通结构要素、交通供给要素、交通需求要素、交通运行要素、交通规划要素和交通政策要素。系统的特定要素确定如下：
- 交通结构要素，包括私家车占比、非机动车占比、步行占比、轨道交通占比、公共汽车占比、出租车占比等。
- 交通供应要素主要是指道路、铁路和车辆的供应，包括道路等级结构、道路里程、车道通行能力、铁路里程、各种类型的车辆拥有权等。
- 交通需求要素主要是指不同出行方式的需求特征，包括城市人口（包括常住人口和流动人口）、人口增长率、居民出行率、各类机动车的每日出行、各类车辆的载客量、机动车出行、各类机动车的出行量、客运量、客运量、公交出行量、轨道交通客流强度、轨道交通载客量、轨道交通出行量等
- 交通运行要素主要是指道路上的交通负荷和交通运行状况，包括各种机动车的日均行驶里程、高峰时段交通因子、高峰时段周转量、路网通行能力、高峰时段交通强度、路网高峰时段的交通负荷、路网高峰时段的平均速度。
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交通规划和交通政策要素主要是指交通投资政策、交通需求管理政策和未来交通规划，包括铁路里程、公路里程和各种机动车的年平均增长率等。
- 因果分析
因果关系是系统动力学的基础，它是反映系统内部关系的真实写照。城市交通系统是符合因果关系的社会系统。系统动力学模型通过基于因果图来说明系统内部元素之间的关系。通过分析城市客运系统各要素之间的因果关系，得出模型中的主要因果关系包括每种出行方式的比例、过境出行量、机动私家车出行量、路网通行能力、高峰时段交通强度和路网的交通负荷。例如每种出行方式的比例。
本文的研究对象是城市客运结构。 根据城市以往的交通统计报告，交通结构主要分为三部分，分别是机动私人交通、公共交通和非机动交通。 以公共交通为例，其因果关系如图1所示。本文没有详细分析非机动车交通的比例，只需将公共交通占比与机动私人交通占比之和减去1，即可算出非机动交通占比。
人口
公交出行占比
公交出行
总出行
出行率
轨道交通出行量
公交车出行量
出租车出行量
图1 影响公共交通占比的因素
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- 建立流程图和结构方程
因果图只能描述反馈结构的基本原理，而只能大致描述系统的反馈结构。它无法区分每个变量的性质以及物质流和信息流之间的区别。这些将被改进并体现在流程图中。
为了降低建模的复杂性，遂使用决策变量（也称为比率变量）来指示经济发展对运输投资和车辆拥有量的影响，包括公路里程的增长率、铁路里程的增长率、公交车增长率、汽车增长率等等。现有人口，铁路里程、道路里程、汽车所有权、旅游车所有权、摩托车所有权、出租车所有权、公共汽车所有权作为模型的输入变量（也称为状态变量或累积变量）。然后将流程图分为两个因果图的模块，一个是城市客运结构演变的流程图（图2），另一个是道路网络的交通状态的流程图（图3）
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- 参数估计
因为2004年和2009年的上海综合交通运输调查数据较为完整，故将2004年作为初始年。该模型的参数估计基于以往上海综合运输调查报告、上海综合运输年度报告和上海市统计年鉴的数据。
（1）人口
城镇人口包括常住人口和流动人口。 在居民出行率固定的情况下，总出行需求由城市人口决定。改革开放以来，大量人口以快速的速度迁移到上海。1990年有1334万居民，到2010年增加到2303万。过去两年中，人口的年均增长率约为50万（SMSB，2011年）。因此，我们采用50万作为上海人口的年增长率。
（2）居民出行率
城镇居民出行率是指人均每天出行次数， 它可以用来确定城市的总旅行需求。 上海居民出行率从1986年的人均每天1.79倍增加到2009年的人均每天2.23倍（表1）。 它对运输结构的演变过程有很大的影响。
（图略）
图2 城市客运结构演变流程图
（图略）
图3 道路网的交通状态流程图
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年份 |
1986 |
1995 |
2004 |
2009 |
|
出行率（出行/人均/天） |
1.79 |
1.87 |
2.21 |
2.23 |
表1.上海的历史居民出行强度
此外，仅占人口一小部分的流动人口的出行率略高于常住人口。为了便于计算，我们将流动人口的出行率设置为与常住人口的出行率相等。
（3）公共交通客运量
- 轨道交通客运量
根据2009年第四次上海综合交通调查，铁路的平均载运量为14300（人次/天公里），接近于东京轨道交通的15000（人次/天公里）。 因此，我们采用14300人次/天公里作为上海轨道交通的乘客密度。 得出的轨道交通里程数与轨道交通乘客强度的乘积即为轨道交通的近似乘客量。
- 公交车客运量
根据对乘客数量和多年来公交车数量的统计分析，上海平均每天每辆公交车有430名乘客的客运量（SCTPI，2010b），并以此作为上海公交车的占用率。 将公交车的乘客占用率和公交车所有权的乘积作为
公交车的近似载客量。 根据2004年至2009年逐年减少的公交车数量，将公交车的增长率设定为380辆/年（SCTPI，2010b）。
（4）公路里程年平均增长率和各类机动车年平均增长率
根据2000年至2009年的统计数据，近年来上海的道路里程和车辆拥有量有了很大的增长（SCTPI，2010b）。 其中包括公共汽车，出租车，卡车的年平均增长率分别为3000、1500、6400辆，并认为未来将呈现相同的增长率相同。从2004年到2009年，平均每年减少近40000辆摩托车。因此，模型中，摩托车的年增长率视为每年减少40000辆。 考虑到2004年至2009年的公路里程年均增长超过800km，故将800 （km/年）作为该模型中公路里程的年均增长率。2000年，上海实施了新的私家车牌照拍卖政策，根据2004年至2009年汽车的平均年增长率为11万辆，将该模型中的汽车增长率定为每年11万辆。
（5）交通负荷
在城市路网中，交通负荷等于交通量与通行能力之比，是路网服务水平的关键参数。根据交通负荷和交通流状态的不同，公路网的服务水平分为A到F六个等级。A级是指当车辆在公路网畅通无阻地行驶时的交通负荷lt;0.4；B级是指
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