基于个体出行能耗的城市客运交通系统节能研究

刘权乐, 陈 薇

(河北科技大学 经济管理学院,河北 石家庄 050018)

基于个体出行能耗的城市客运交通系统节能研究

刘权乐, 陈 薇

(河北科技大学 经济管理学院,河北 石家庄 050018)

城市化、机动化进程的加快使得城市客运交通迅速发展,同时也造成能源消耗过多、环境污染加剧。通过对城市客运交通节能管理的研究,构建了基于个体节能效率最大化的出行周转量模型,并以石家庄市为例进行了实证研究。研究表明,在保证个体出行周转量和效用最大化的前提下,增加公共交通供给,实现交通供需动态平衡;合理控制私人机动交通的过快发展,鼓励采用绿色交通工具;实现个体出行与公共交通的无缝链接,能够显著降低石家庄市客运交通的能耗,减少城市污染。

个体出行;城市客运交通;能源消耗;节能;石家庄市

城市客运交通系统是城市社会经济大系统的重要组成部分,城市客运交通带动了城市经济社会的发展,改善了人们出行机动化水平,其发展的可持续性是支撑城市可持续发展的前提。但是随着经济的持续、快速、高效的发展,以及城市化、机动化水平的不断提升,导致城市人口急剧膨胀,城市空间结构发生了较大的变化,由此引发了更大的客运交通需求量,交通需求量的增加直接造成城市客运交通的能源消耗增长和交通拥挤。而城市客运交通作为社会经济发展的基础和前提条件,实现城市居民出行条件的改善、城市环境的整体提升是其最终目的。要实现这一目的,就必须在满足交通需求的前提下,最大限度地降低城市客运交通能源消耗,减少尾气排放对城市环境的污染和破坏,提高城市居民生活环境质量,形成经济、环境、交通相互促进的良性循环。[1](P19～33)

一、个体出行能源消耗

个体出行能耗是指在满足个体出行效率和效用最大化的基础上,单位出行所消耗的能源。个体出行方式在很大程度上取决于交通结构的构成,不同的交通方式由于容量特性不同会导致单位出行能耗的差别。

(一)城市个体出行结构构成

《雅典宪章》明确了城市的四大功能:居住、工作、游憩和交通。城市生活一般由居住、工作、游憩三部分组成,由此而相应产生了城市居住区域、工作区域和游憩区域,三个区域不同形式的排列组合构成了城市布局空间结构。[2](P7～11)为了有机地实现三者之间的联系(人的流动和物流),“城市交通”作为城市重要的功能之一而随之产生。从生态学角度看,交通是人与物在空间运动上的聚散过程,交通既支撑着城市空间的排列组合和城市各要素之间的联系(如图1所示),同时随着交通自身的变革与发展亦直接影响着城市布局空间结构。

图1 城市功能及各要素之间的关系

(二)城市交通结构的构成

城市客运交通作为一种派生需求,是运输消费者在一定时期内,在不同的价格水平下,愿意并能够购买的运输“服务”,实际消费的并非有形的物质产品,而是为了生活、生产和社会活动实现的空间位移。[3](P1 049～1 051)

城市居民是城市活动的主体,根据“以人为本”的原则,城市交通主要功能就是实现人在空间上的移动,而居民空间上的位移必须依靠城市客运交通来实现。城市客运交通结构是指为了实现城市客运交通系统的目标和功能,而使系统要素及其相关关系在一定层次结构中所组成的特定的组合方式,具体讲就是公共交通、私人交通以及公务交通在整个客运交通中的比率和作用。根据城市客运交通能源消耗的特征,城市客运交通结构大致可以分为公共交通、私人交通和公务交通三部分,其中,私人交通又包括个体机动交通和个体非机动交通。在具体研究过程中,为了有利于研究的侧重点和说明能源消耗的绝对数量与节能空间,我们根据公务车的出行特征,把公务车归结到城市个体机动交通中研究,有利于对节能问题进行更好地分析。

(三)不同城市客运交通工具之间的相互关系

图2 城市客运交通系统结构图

城市客运交通系统是一个复杂大系统,包含公共交通、公务交通、私人交通等子系统,三个系统又包含不同的子系统(如图2所示)。各个子系统之间是相互联系、相互影响、彼此制约的关系,任何一个子系统在城市客运交通系统中的分担率发生变化都会导致其他交通方式许多相关指标的变化,包括城市客运交通系统的能源消耗、对环境的污染、对城市交通供给的压力、个体出行效用最大化和社会效用最大化等。例如,如果采用个体小汽车出行的人有1%转乘公共交通,仅此一项我国每年节省燃油将达到0.8亿升。推进城市交通节能,在加快研究开发推广低能耗汽车的同时,最重要的就是优先发展城市公共交通。

(四)影响交通能耗的因素

经济合作与发展组织(OECD)年报告认为,城市交通能源消费量取决于3个主要因素:交通设施上运行的车辆数、运行车辆的平均燃油效率、运行车辆累计的出行周转量。

导致城市交通能耗居高不下的原因,除了客运交通工具本身的燃油效率之外,还有像城市规划、城市交通规划、运营机制、管理体制等方面,直接或间接起到提高能效和节能的实际效果。

城市客运交通系统节能是实现城市交通系统可持续发展的需要和具体体现,是应对能源短缺、解决城市环境问题的一种有效的能源消费行为。世界能源委员会在20世纪70年代提出“节能指的是采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可接受的一切措施,来更有效地利用能源资源”[4](P16～23),由此可见,城市客运交通节能就是要使不同的交通工具充分利用化石能源、生物质能源和可再生能源,提高能源的利用效率和利用质量,挖掘能源的利用潜力。

二、基于个体节能效用最大化的出行周转量模型构建

基于个体节能效用最大化的出行周转量模型构建,一方面要考虑城市客运交通系统的整体能耗要降低,另一方面还要兼顾社会的公平性,特别是对环境承载力的要求,因此,从交通角度讲,就是要在周转量最大化的情况下,实现节能和环保的要求,基于此,笔者构建了基于个体节能效用最大化的出行周转量模型。

(一)基于个体节能效用最大化的出行周转量模型

目标函数及约束条件:

还需要说明的是,这里Simax的单位是每天第i种交通方式所能承担的最大交通供应量(人·km);(OD)j是城市交通规划的交通小区组成的第j个OD对的OD量;pi为第i种交通方式的单车客位数;δi为第i种交通方式的满载率;ni为第i种交通方式的交通工具数;li为第i种交通工具每年行驶的里程数。

模型(1)中,交通方式理论上应当包括步行、自行车、公共汽车、BRT(快速公交系统,Bus RapidTransit)、地铁等轨道交通、小客车(个体和公有)、大客车(单位班车)、出租车、摩托车、轮渡、助动车和其他等。但是由于不同城市的不同特征,这里重点考虑公共汽车、出租车、私人与单位用车、摩托车和自行车,模型(1)得出的最优交通结构仅指受能源、环境和资源三者约束的城市客运交通方式的结构。

(二)实证分析

2010年石家庄市城市主城区人口为220万,主城区市区面积122.8km2,城市的用地规模约为55.8m2/人。城市客运交通方式为步行、自行车、出租车、公务车和公共汽车。根据石家庄市经济发展水平和居民出行特征,居民人均出行率预测可达2.5次/人·日,故城市居民日出行量为550万人次。根据统计资料可知,国内部分规模为100～300万人口的城市,居民每次出行的平均距离为2.54～4.65km[5](P70～74),不妨认为石家庄市居民每次出行的平均距离为3km,由此得到该城市居民出行总量为1650万人·km/天,由于城市流动人口可占常住人口的1/6～1/3[6](P383～386),石家庄市为一般的省级市,因此我们可以认为该市流动人口为40万,流动人口日出行次数为2.9次/人·日,平均出行距离设为3km,则流动人口出行总量为348万人·km/天。国内城市居民出行方式构成中,自行车和步行方式合计的比例一般稳定在45%左右[7](P389～401),机动化交通方式分担55%左右,流动人口的机动化一般高于非机动化出行,假设出行的机动化方式分担比例为65%左右[8](P23～27),由此得到石家庄市机动化方式出行需求总量为1072.5万人·km/天。根据国家标准和相关资料,得出各类参数和各供应方式的能耗、资源、环境的上、下限值,由模型得出周转量,最后根据周转量的比例以及各种交通方式的载客量确定其数量的多少,来决定各种交通方式的发展形势。所以,基于节约能源消耗的城市客运交通结构的优化模型为[8](P21～27)

其中,x1:公共交通的客运周转量,106人·km;x2:公务车的客运周转量;x3:私人小汽车的客运周转量;x4:自行车和电动自行车客运周转量。

在整个求解过程中,要充分利用各种有限资源,且使得各种交通方式对资源的消耗不超过资源对交通系统总的可承受能力的情况下,对线形规划模型用Excel计算得出其最优解为

从计算结果可以看出,总的周转量大于石家庄市的需求量1.65×107人·km。同时还发现,x4＊、x1＊对模型的影响力最大,也就是说采用绿色交通工具和提高公共交通的出行比例,能够显著节约交通能源和减少对环境的污染,x2＊、x3＊是相对松约束,影响力度不如x4＊、x1＊,也验证了降低城市客运交通能耗要提高公共交通的出行比例、给予绿色交通工具足够的生存空间。同时,还需合理规划交通供给与需求的辩证关系,在一定程度上限制私人小汽车的过快发展,并要构建电子政府,提高电子政务的比例,减少公务车的出行频率,从源头上降低个体出行的能源消耗。

三、结论及对策建议

通过上述实证分析,我们可以发现在保证出行周转量和出行效率的前提下,采用绿色交通工具和提高公共交通的出行比例,能够显著地节约交通能源和减少对环境减少的污染。即提高公共交通和自行车交通的比率能够显著降低石家庄市的城市客运交通能耗,同时有利于资源的合理使用,降低城市由于交通造成的污染物排放,减少城市污染。同时提高公共交通出行的分担率,降低公务车、私家车的出行周转量,能够实现整个城市客运交通结构的最优,能源合理利用,同时实现能源节约、环境可持续。[9](P113～132)

毫无疑问,增加交通供给是解决大城市交通问题的重要手段,但交通供给似乎永远赶不上交通需求的增长,其中一个很重要的原因是迅速增长的交通需求没有得到有效控制。因此,要解决客运交通系统能耗居高不下的问题,必须采取增加交通供给与引导交通需求并举的措施,双管齐下才能做到标本兼治。

(一)增加公共交通供给,实现交通供需动态平衡

首先,增加公共交通供给的首要任务就是在合理规划城市交通基础上完善公共交通基础设施建设,增加“硬供给”,具体包括与交通需求相关的土地利用规划、各种道路等基础设施建设、公共交通专用道、与交通需求有关的各种服务设施建设等。只有硬件设施得到了保证,才能满足交通需求,提高公众出行的效率与效果。同时还要将公共交通建设纳入城市旧城改造和新城建设计划,将公共交通场站作为新建居住小区、开发区、大型公共活动场所等工程项目配套建设的一项内容,实行同步设计、同步建设、同步竣工、同步交付使用。

其次,增加公共交通供给还要完善公共交通的“软供给”,具体体现在增加公共交通出行比率,需要提高线网密度、准点率、车辆满载率、车辆安全行驶里程、公交站点覆盖率,提高公共交通准点率等。还包括降低票价,降低个体出行成本,增加公共交通的吸附效应。价格手段是增加其他交通方式向公共交通转化和渗透的最有效的手段和方式,因此政府必须增加对公共交通的补贴,以增加公共交通吸引力。实现上述“软供给”目标需要强大的技术支撑,例如:先进的交通管理系统(ATMS):该系统通过先进的监测、控制和信息处理等子系统,向交通管理部门和驾驶员提供对道路交通流进行实时疏导、控制和对突发事件应急反应的功能。系统包括:城市集成交通控制系统、高速公路管理系统、应急管理系统、公共交通优先系统、不停车自动收费系统、交通公害减轻系统和需求管理系统等,这无疑将有助于提高城市交通管理水平,节约城市交通能耗。

第三,石家庄市要根据城市发展特征合理规划和发展轨道交通,目前国际轨道交通有地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车以及悬浮列车等多种类型,号称“城市交通的主动脉”。城市轨道交通是公路交通输送能力的近10倍,每一单位运输量的能源消耗量少,因而节约能源,特别是地铁,是输送能最大的城市交通出行方式,适宜承担高密度、大流量的客流需求,应当布设在城市当中重要的交通走廊上,作为特大和大城市交通的骨架干线,这能够减少人均资源占用和消耗量,有利于石家庄市交通的可持续发展。

(二)合理控制私人机动交通的过快发展,鼓励采用绿色交通工具,构建和谐城市交通结构

首先,要合理控制交通需求“井喷”式增长。截止2010年11月,石家庄市机动车保有量达到了1608811辆,其中市区机动车数量为433530辆。单就11月份而言,全市范围内增加了17106辆,其中市区增量为6861辆,同时,机动车驾驶员数量也增长较快,现在石家庄市驾驶员人数超过171万人,占适驾人群的比例在逐渐扩大,目前石家庄每百户居民拥有机动车数量已达到20.7辆。[10]按照目前国际一般标准,每百户居民拥有20辆就算进入了“汽车时代”,按照这个标准,石家庄市已经正式迈入了汽车时代,井喷式的交通需求增长,会导致交通能耗的进一步增加,因此,通过税收、排污费、拥堵费等有效方式合理控制交通需求的过快增长实现城市客运交通节能的必要条件。

其次,要鼓励步行交通、自行车交通、常规公共交通和轨道交通等绿色出行方式,给予双能源汽车、天然气汽车、电动汽车、氢气动力车、太阳能汽车、电气化交通工具等绿色交通充足的生存空间,降低单位出行能耗,减轻环境压力。

第三,我们的国情是公务车数量基数大、排量大、利用率非常高,使得公务车能耗对交通能耗的贡献率不断递增,因此从战略的角度并结合公务车的出行特征来分析,公务车有很大的节能空间,是交通节能的“黑大陆”,所以石家庄市要着力构建电子政府,提高电子政务的比例,减少公务车的出行频率,从源头上降低公车出行的能源消耗。[11](P32～38)

(三)实现个体出行与公共交通的无缝链接

公共交通的无缝链接是一种高效便捷的公共交通模式和交通文化。过多的私家车行驶在路上,不仅会造成拥堵,也会给环境带来一定的污染。而弃自驾车而选择公共交通,可以说是交通文化的蜕变。因此,如何把习惯于乘坐私家车的市民吸引到城际交通轨道上来,从而缓解石家庄市路面的交通压力、减少污染,无疑是对政府管理智慧的一个考验。就此而言,无缝链接不仅是各种公共交通站台的链接,而且还有必要在城轨车站和公交车站附近修一定数量的大型停车场,以供私家车与城轨和公共交通实现无缝链接。北京地铁5号线通车后,“弃车族”成了新流行语,就是由于这条地铁线路周围修建了很多可供私家车接驳的大型停车场。另外,在城际轨道车站设立一些自行车停车场,开辟老弱病残孕上车专用通道,为乘客换乘提供便利,无疑也是实现无缝链接的良好举措。

同时,城市客运交通系统作为一个复杂的大系统,不仅需要做好个体出行与公共交通的无缝链接,而且更重要的是要实现常规地面公共交通和快速轨道交通的无缝连接,以提高居民出行的效率和效果,加快出行速度,降低出行时间,减少出行成本,完善服务水平,提高公共交通的出行比率,降低单位出行能耗,实现城市客运交通系统节能。

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Research on Energy Conservation of Urban Passenger Transport Based onIndividual Journey Energy Consumption

L IU Quan-le , CHEN Wei
(School of Economics and Management , Hebei University of Science and Technology , Shijiazhuang 050018 , China)

The high speed development of urbanization and motorization brings fort h urban passengert ransport development . But t here exist some negative effect s which include lot s of energy consumptionand environment pollution. Through t he st udy of the city management of energy-saving ofurban passenger , a t ravel turnover model based on maximizing individual journey energy consumptionhas been established , and an empirical st udy on Shijianzhuang passenger t ransport st ruct ure has beencarried out . The result s show t hat the supply of t ransport should be increased to achieve the dynamicbalance ; t he fast development of individual motorization t ransport should be rationally cont rolled ,andgreen t ransport means should be encouraged ; and seamless link between t he mass t ransport and individualjourney can be realized in the premise of ensuring the t urnover of individual t ravel and t he utilitymaximization. Therefore , t he energy consumption and environment pollution can be decreased.

individual journey ; urban passenger t ransport ; energy consumption ; energy-saving ;Shijiazhuang city收

F570

ADOI10.3969/j.issn.1671-1653.2011.02.006

1671-1653(2011)02-0033-06

2011-03-20

石家庄市科技局软科学研究计划项目(09579565)

刘权乐(1974-),男,河北文安人,河北科技大学经济管理学院讲师,博士,主要从事工程管理、交通节能研究。