都市区TOD走廊公共交通方式选择模型

过利超 过秀成 姜晓红

(东南大学交通学院,南京210096)



都市区TOD走廊公共交通方式选择模型

过利超 过秀成 姜晓红

(东南大学交通学院,南京210096)

为了在都市区TOD走廊内合理地配置公共交通设施,协调乘客、运营企业与政府的三方利益需求,考虑客运线路的乘客盈余、企业运营利润、环境污染和能源消耗引起的外部成本等指标,以客运线路长度、车头时距、票价为决策变量,构建了TOD走廊公共交通方式选择的社会效用最大化模型,并以镇江都市区东翼客运走廊为例进行模型应用.研究结果表明,模型充分体现了TOD走廊的站点空间辐射、生态低碳等特征,一体化考量了公共交通方式的战略选择与公共客运线路的运营参数设计问题,对TOD走廊公共交通方式选择方案的决策具有指导意义.

都市区;TOD走廊;公共交通方式选择;社会效用

公共交通导向下的都市区轴向开发有利于用地的集约利用与都市的精明增长,出现了整合交通节点的以公共交通为导向的走廊开发形式——TOD走廊[1].市郊铁路、地铁、轻轨、现代有轨电车等快速轨道交通系统与快速公交系统(bus rapid transit,BRT)是都市区TOD走廊主导的大中运量公共交通方式,由于各公共交通方式自身技术特性有所差异,需要决策者综合权衡公共交通供给容量、建设运营成本、社会环境效益等因素,实现方式的合理配置.关于公共交通方式选择模型的研究可以归纳为3类:① 基于出行者行为分析建立的公共交通方式选择模型[2-3].这类模型仅从个体出行行为的角度出发,未充分体现政府等其他参与方对公共交通方式决策的影响.② 基于政府与运营企业需求的公共交通方式比选模型[4-6].这类模型以运营成本与环境效益作为方式比选指标,凸显了环境保护等可持续因素的重要性.③ 基于运营企业与乘客的公共交通方式比选模型[7-9].这类模型中以客运线路数量、线路长度、服务水平与费用等运营参数作为决策变量,构建了利润最大化模型,由于模型构建中将客运走廊抽象为单线形式,因此未能体现客运走廊 “面状”的区域特征.

本文立足都市区TOD走廊的空间辐射特征,考虑环境保护与能源节约等可持续因素,构建基于乘客、运营企业与政府三方利益需求的公共交通方式选择模型.

1 模型假定

结合都市区TOD走廊的相关特征，给定如下假设:① 都市区TOD走廊串联以大中运量公交枢纽为中心组织形成的TOD社区,TOD社区作为基本的规划统计单元;② 都市区TOD走廊居民出行以通勤出行为主体,模型构建中仅考虑通勤客流需求;③ TOD社区居民就业岗位的选择只存在于本社区内部与中心城CBD,并优先选择本社区内部的就业岗位.

建立TOD走廊大中运量公共客运线路结构与主要参数[9],如图1所示,TOD走廊总长度为B,线路上共有N+1个站点,Ds为站点s到中心城区CBD的距离,Rs为站点s的TOD开发辐射半径,D1为客运线路总长度.

图1 都市区TOD走廊大中运量公共客运线路结构图

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分别表示居民到达s站点的平均时间、在站点s的等待时间、车内时间与乘车费用;ea,ew,et,ef为相应的敏感性参数,ea,ew,et的单位为h-1,ef单位为元-1；且

(2)

式中,Va为乘客的平均到达速度;Vt为车辆平均行驶速度;H为车头时距;α取决于H与乘客到达分布的标准参数,一般取0.5;β为车辆在站点的平均停留时间.令1-ewws-etts-eff=λs,则站点s辐射区域内总公交客运需求为

(3)

2 社会效用最大化模型

政府、运营企业与乘客是都市区TOD走廊公共交通方式决策的主要参与方,政府侧重从宏观的角度协调交通与土地利用、环境保护、能源利用等方面的关系,促进都市区客运走廊形成可持续的交通系统;运营企业主要设计客运线路发车间隔、票价等核心运营参数,追求运营利润最大化;乘客权衡出行成本与收益后做出出行决策.都市区TOD走廊公共交通方式的确定需要综合考虑政府、运营企业和乘客三方的博弈关系,以三方构成的社会效用最大化为目标构建决策模型.令W表示社会效用,G表示乘客盈余,E表示企业运营利润,P表示环境污染与能源消耗成本,则

W=G+E-P

(4)

2.1 乘客盈余

乘客盈余G表示乘客愿意为此次出行支出数额减去出行中实际支出数额,由式(1)可知,费用f是实际公交客流q(x,s)的函数,乘客总支出可以表示为函数f(q)对q(x,s)的积分,故在站点s辐射区域内x处的乘客盈余G(x,s)表示为

ewws-etts-eff)2

(5)

结合式(2)与式(5),站点s辐射区域内的乘客盈余为

(6)

2.2 企业运营利润

企业运营利润E等于通过收取乘客票价所取得的总的运营收入R减去总的运营成本C,即E=R-C.总的运营收入R为每个站点的上车乘客数乘以相应的票价，即

(7)

总的运营成本C包括车辆运营成本CV、线路运营成本CL和站点运营成本CS.CV包含固定的运营成本和可变的运营成本,CL包括线路经营固定成本和征用土地、设施建设、线路维护与劳动力等可变成本,CS包括站点经营固定成本和征用土地、规划设计、设施建设、场站维护等可变成本，即

[η0+η1(N+1)]

(8)

式中,μ0,γ0,η0分别为车辆、线路、站点运营固定成本;μ1为车辆运营单位成本;γ1为线路运营单位成本;η1为站点运营单位成本;θ为车辆单位运行周期的行程时间，包括终端时间T0、干线运输时间T1与站点停留时间T2,即

(9)

则企业运营利润可以表示为

(γ0+γ1D1)-[η0+η1(N+1)]

(10)

2.3 环境污染与能源消耗成本

TOD走廊内公共交通设施配置需要考虑环境的承受能力与资源节约.公共交通设施的污染物种类主要有大气污染与噪声污染两类,则总污染物的成本PG表示为

(11)

式中,wg,wn分别为大气污染、噪声污染内部化后的单位成本.同理,能源消耗总成本表示为

(12)

式中,we为能源消耗内部化后的单位成本.环境污染与能源消耗总成本P为

(13)

基于社会效用最大化的都市区TOD走廊公共交通方式决策模型为

(14)

(15)

D1≤B

(16)

式中,K为车辆最大载客量.式(15)对TOD走廊客流供需关系进行了约束,式(16)在公共客运线路长度上给予了约束.

3 模型求解

构建社会效用最大化模型的拉格朗日函数F(D,H,f),分别对线路长度D、车头时距H、费用f求偏导数,则D,H与f的最优解满足以下方程:

(17)

式中,a,b为拉格朗日乘数;Δs为随机变量,当s=1时,Δs=0,否则取值1.

4 实例应用

镇江市规划提出加快推进都市发展轴建设与新城开发,以公交走廊先行的策略引导镇江都市区的空间结构调整.其中串联老城核心区、丁卯新城、谏壁新城与大港新城的镇江东翼客运走廊具备建设TOD走廊的经济、产业与人口条件,全长约15 km.亟需选择合理的大中运量公共交通方式引导与支撑东翼客运走廊的轴向开发,其中BRT、现代有轨电车、轻轨与地铁等大中运量公共交通方式为备选方案.参考镇江市城市总体规划,确定东翼客运走廊沿线各规划统计单元的TOD开发辐射半径Rs、人口数gs、平均出行次数ns与职住比ms.高峰小时系数φ取0.1,乘客平均到站速度Va取4 km/h,敏感性参数ea,ew,et和ef分别取值0.98,0.98,0.49 h-1和0.098元-1,模型其他参数的取值如表1所示[9-10].

表1 镇江都市区东翼客运走廊公共交通方式选择模型参数设置

运用式(14)～(17),通过C++编程求解,得出模型求解结果如表2所示.

表2 镇江都市区东翼客运走廊公共交通方式选择模型求解结果一览表

根据模型求解结果,采用BRT方案时社会效用最优.决策者在镇江都市区东翼TOD走廊设施配置过程中,宜采用BRT作为TOD走廊内的主导公交方式,引导都市轴向空间的拓展与沿线土地集约开发,所选方式实现了线路长度、车头时距与票价等运营服务水平整体最优情况下的社会效用最大化目标.

5 结论

1) 模型通过参数站点和辐射半径的设置,改进了以往模型将客运走廊抽象为单线形式开展研究的不足.

2) 体现了TOD走廊内低碳生态交通要求,完善了模型中关于社会效用的构成.

3) 一体化考量了TOD走廊公共交通方式战略选择与公共客运线路运营参数设计问题,可以兼顾关键运营参数与社会效用的最优解.都市区TOD走廊内往往存在2种及2种以上的大中运量公共交通方式,各公共交通方式之间具有接驳、喂给、并行等多种竞合关系,今后将进一步针对不同竞合关系下公共交通方式组合方案的选择决策开展研究.

References)

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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. 作者简介: 过利超(1986—),男,博士生;过秀成(联系人),男,博士,教授,博士生导师,seuguo@163.com.

江苏省交通科学研究计划资助项目(09R02).

过利超，过秀成，姜晓红.都市区TOD走廊公共交通方式选择模型[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(3):601-605.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.033

U491

A

1001-0505(2015)03-0601-05