基于城市交通可持续性的客运结构优化模型

沈嘉曦，王培恒

(西南交通大学 交通运输与物流学院，四川成都 610031)

基于城市交通可持续性的客运结构优化模型

沈嘉曦，王培恒

(西南交通大学 交通运输与物流学院，四川成都 610031)

基于社会可持续性、经济可持续性和环境可持续性3个方面的交通可持续性，以交通系统的社会效率最大化和交通系统内部成本以及环境影响最小化为约束，构建城市客运交通结构优化模型并进行优化，并利用多目标规划中的理想点法求解模型。以成都市为例，验证了模型的可行性与正确性，优化后的客运结构体现了城市可持续交通的发展目标。

客运结构；可持续性；环境；能源；优化模型；承载力

我国城市居民交通出行量急剧增长，交通管理越来越复杂，随之而来的能源消耗与环境污染日益加剧。城市交通拥堵成为城市发展的瓶颈和影响居民生活质量提高的关键问题。国内一些专家提出的适合我国国情的城市客运交通发展模式，均注重以公交为主体的思想[1]。在我国城市道路资源有限的前提下，应优化城市客运交通结构，使城市客运交通系统向城市客运交通可持续发展的目标发展。

1 城市客运交通可持续性发展的含义

城市客运交通系统作为城市交通系统的重要组成部分，其自身的可持续性发展是支持城市交通可持续发展的前提。城市客运交通可持续发展包括3个方面的可持续性[2-3]：1)社会可持续性，即满足社会各阶层城市居民的交通需求，把土地利用和交通结合起来，制定合理的交通规划；2)经济可持续性，即交通基础设施运营的高效性和交通服务供给的高效率；3)环境可持续性，即控制交通造成的污染，减少能源的消耗，改善城市交通环境。

城市客运交通的可持续发展作为一种新的思维模式，要求城市客运交通结构在规划、建设时不仅要考虑交通本身的需求，也要充分考虑资源和环境的需求。城市客运交通结构可持续发展既要为城市中各种交通方式的出行者提供高效、舒适、优惠的交通服务，又要尽量减少能源消耗和对环境的污染，改善城市居民生活质量，形成交通、经济、环境相互作用的良性循环。图1为基于城市交通可持续性的客运结构优化过程。

2 客运结构优化模型

2.1优化模型的建立

以城市的环境承载力、资源承载力等为基础，满足与城市社会经济发展同步的客运交通需求，通过合理优化城市客运交通结构，达到城市客运交通可持续发展的目标。所以，城市客运交通结构的合理性直接影响着城市交通的可持续发展。

城市客运交通结构优化的总体目标是使交通结构向交通可持续方向发展，在城市交通系统对城市环境影响日益严重的背景下，优化城市客运交通结构、提高交通效率、降低城市交通系统消耗势在必行[4]。

图1 基于城市交通可持续性的客运结构优化过程

结合城市客运交通结构对可持续发展的影响，以社会可持续性、经济可持续性和环境可持续性为目标，以客运交通系统结构对可持续发展的影响为约束条件，进行建模及优化。

社会可持续性主要表现为社会福利和社会公平方面，以社会公平和福利最大为目标。在交通方面，社会可持续性体现在交通系统的社会效率S最大化，目标函数为

(1)

式中zi为第i种交通方式的客运周转量总和， 人·km；Bi为第i种交通方式的旅客出行满意度；Ei为第i种交通方式的旅客出行时间效率；i为交通方式，交通方式集合W={i=1为城市轨道交通,i=2为常规公交,i=3为自行车,i=4为出租车,i=5为私家车,i=6为摩托车}，其中步行没有作为1种独立的交通方式。

经济可持续性主要体现乘客在出行过程中花费的时间以及乘客出行总花费，可用城市客运交通系统内部成本来表示，即交通系统内部成本C最小化，其目标函数为

(2)

环境可持续性主要体现乘客在出行过程中出现时间消化、能源消耗和对环境的污染[5]，可用城市客运交通系统内部成本来表示，即交通系统对环境影响E最小化，其目标函数为

(3)

式中ei为第i种交通方式的能源消耗系数，MJ/(人·km)[6]；f为能源的单位价格，元/MJ；Pij为第i种交通方式排放的第j类污染物的排放系数,g/(人·km)；Cpj为政府治理第j种污染物的单位花费，元/g。

2.2优化模型的约束条件

城市客运交通结构优化是在交通政策的指引下，考虑交通的供求关系、交通对环境的影响以及交通对资源的消耗，并且在不断反馈和调整的平衡过程中向城市可持续交通方向持续发展。

1)城市客运周转量约束

城市客运交通道路资源承载力是指某城市在一定时期内，在城市交通能够满足居民出行要求的条件下，城市客运交通系统的最大周转量，其表达式为

(4)

式中F为某城市交通预测出的各种交通方式的周转量，人·km。

以四阶段法交通预测模型为基础，F的计算式为

(5)

式中m为交通小区的数量；Oabi为交通小区a和交通小区b之间第i种交通方式的出行量；Dabi为交通小区a和交通小区b之间第i种交通方式多条出行路径的平均出行距离，是距离与路段流量分配结构的加权平均[7]。

2)城市客运交通道路资源承载力

城市客运交通道路资源承载力是指某城市在一定时期内，在城市道路合理利用的条件下，城市客运交通系统的最大发展规模，其表达式为

(6)

3)城市客运交通能源承载力

城市客运交通道路能源承载力是指某城市在一定时期内，在城市能源系统的结构和功能不恶化的条件下，城市客运交通系统的最大发展规模，表达式为

(7)

式中Yi为第i种交通方式的能源消耗系数，MJ/(人·km)；ES为某城市的资源总承载力，MJ。

4)城市客运交通环境承载力

城市客运交通道路资源承载力是指某城市在一定时期内，在城市环境系统的结构和功能不恶化的条件下，城市客运交通系统的最大发展规模，表达式为

(8)

式中j=1表示CO，j=2表示NOx；EC为某城市对污染物的排放限值，g。

5)城市交通客运周转量和出行人次的关系

考虑城市客运周转量和城市居民出行次数总量之间的协调关系,表达式为

(9)

式中G为城市居民的出行总量；α为误差范围，一般取0.05。Di为平均出行距离，km。

6)城市客运交通发展规模

城市规划部门对于该城市交通发展规模的规划，其表达式为

zimin≤zi≤zimax，

(10)

式中zimax、zimin分别为第i种交通方式发展规模的上、下限，人·km。

2.3模型求解

由于本文构建模型的目标函数和约束条件均为线性函数，属于多目标线性规划模型。多目标规划模型的常用解法主要有：理想点法、线性加权和法、最大最小法、目标规划法[8]。本文采用理想点法求解该多目标线性规划模型，首先通过分别求得单个目标函数的最优值获得理想点，然后利用构造最短距离理想点评价函数，求得最优近似解。

3 实例分析

为检验模型的可靠性，本文选取成都市为例，利用上述城市客运交通结构优化模型对成都市2020年的客运交通结构进行优化。交通方式可分为自行车、常规公交、摩托车、出租车、私家车、轨道交通6种类型。根据成都统计年鉴及相关参考资料[9-10]，预计到2020年成都市城市功能区面积达2 262 km2，人口控制在1.15×107人，交通需求总量为2.41×108人·km。客运交通能源消耗上限为1.9×108MJ，环境容量中CO的排放限值为1.26×109g，NOx的排放限值为2.78×108g 。将各交通方式的相关参数列于表1。

表1 成都市各种交通方式发展规模上下限

由式(1)～(10)及表1可得优化模型

通过MATLAB编程计算，可得规划年轨道交通、常规公交、自行车、出租车、私家车、摩托车的客运周转量分别为:6.91×107，6.70×107，0.98×107，3.31×107，4.25×107，1.95×107人·km/d 。

由模型计算结果可知，成都市规划年客运周转量按大小排列依次为：轨道交通、常规公交、私家车、出租车、摩托车、自行车，符合可持续发展规划的目标。从计算结果中也可看出，自行车、轨道交通客运周转量都在规划范围的上限，从而充分表明为维护城市交通的可持续发展，这2种交通方式具有充分的优势：一方面轨道交通由于运营速度快、能源消耗低；另一方面自行车的无污染和能源消耗低的环境可持续性好的优点弥补了其速度较低的缺陷，且具有明显优势，应优先发展。常规公交由于在社会可持续性、环境可持续性方面都优于其它交通方式，而得到大力发展，小汽车、摩托车虽然经济可持续性比较好，但由于环境可持续差而限制其发展空间。

4 结语

本文对城市客运交通结构的研究不拘于传统的交通方式划分，而是基于城市交通可持续性，从社会可持续性、环境可持续性、资源可持续性3个方面优化客运交通结构，据此建立多目标优化模型并利用MATLAB求解模型。基于城市交通可持续性的客运交通结构要求城市客运交通向着有利于城市发展、环境改善、资源节约的方向发展。

[1]田锋.我国大城市客运交通结构发展模式研究[D].南京：东南大学,2002:30-43.

[2]刘洪营.城市客运交通结构评价、设计与优化研究[D].西安：长安大学,2003:39-43.

[3]连珂.基于城市生态交通理论的交通节能研究[J].生态经济,2007(10):100-103.

[4]范操.城市交通结构优化方法及其作用研究[J].交通标准化,2010(16):124-127.

[5]郭李梅.基于环保约束的城市客运交通结构优化方法研究[D].长春：吉林大学,2009.

[6]崔彬.对可持续发展的城市交通结构的探讨[D].北京：北方交通大学，2001.

[7]陆化普.城市交通规划中交通可达性模型及其应用[J].清华大学学报：自然科学版，2009(6):50-54.

[8]林锉云,董加礼.多目标优化的方法与理论[M].长春：吉林教育出版社,1992:204-220.

[9]成都市统计局.成都统计年鉴[M].北京：中国统计出版社,2010:93-109.

[10]成都市规划院.成都市综合交通规划[M].北京：中国统计出版社,2010:9-14.

OptimizedModelofPassengerStructureBasedonUrbanTransportationSustainability

SHENJia-xi，WANGPei-heng

(SchoolofTransportationandLogistics,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Based on the social sustainability, economical sustainability and environmental sustainability, the optimized model of the urban passenger transportation structure is established by maximizing the social efficiency and minimizing the internal cost of transportation system and its environmental influence. In addition, the model is calculated by using the ideal point of the multiple plans. In the article, the city of Chengdu is used as an example to verify the practicability and correctness of the model and the optimized passenger structure reflects the sustainable development goal of the urban transportation.

passenger structure; sustainability; environment; energy; optimized model; capacity

郞伟锋)

2014-05-19

沈嘉曦(1989—)，女，浙江嘉兴人，西南交通大学硕士研究生，主要研究方向为交通工程.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.009

U492.4

A

1672-0032(2014)03-0041-05