城市交通节能减排策略的动态仿真

陈 振，李 冰，贾书伟

(河南农业大学信息与管理科学学院，河南 郑州 450002)

1 引言

随着我国经济的快速发展和城镇化进程的加快，城市机动车保有量快速增长。而相对落后的城市交通基础设施建设跟不上城镇化的步伐，城市交通供给与交通需求之间的矛盾日益突出，由此带来的交通拥堵问题也越来越严重。同时，机动车的尾气排放和燃油消耗也已经成为空气污染和能源消耗的重要来源。因此，这些日益严重的交通问题已经成为许多城市急需解决的热点问题。

针对以上问题，国内外学者进行了大量研究。在交通拥堵问题方面，文献[1]构建了城市拥堵评价模型，并运用径向基函数神经网络方法工具，以上海市拥堵路段的交通数据为例，证明了模型可以有效准确的评价城市交通拥堵。文献[2]研究了动态拼车对缓解交通拥堵的作用，结果发现动态拼车并不是缓解中小型城市交通拥堵的合适方案，但在人口密集的大城市中，动态拼车可以显著的改善交通拥堵状况。Romero等[3]通过调查马德里的人们对于不同交通拥堵治理措施的接受度，发现改善公共交通的水平比起收费折扣更受人们的支持。姬杨蓓蓓等[4]运用瓶颈经济学理论研究了共享停车位的问题，研究表明通过优化共享停车位数量和停车费，可达到缓解交通拥堵的目的。文献[5]分析了不同的拥堵治理政策下出行者选择不同出行方式的成本和收益以及在不同政策下的演化稳定策略，通过仿真得出惩罚性和激励性措施都能缓解交通拥堵，但惩罚性措施更加持久有效。也有学者从不同角度建立拥堵收费模型，证明了拥堵收费对缓解交通拥堵的作用[6-8]。

在空气污染研究方面，研究者们通过不同视角证明了交通拥堵能够加剧空气污染[9-10]。文献[11]考察了在空气污染背景下北京市居民对于拥堵收费的接受度，发现大部分居民并不认为收费是解决空气污染的有效途径；AlRukaibi等[12]研究了拥堵收费政策对于科威特的交通拥堵和空气污染的影响，结果表明该政策不仅可以缓解交通拥堵，还可以降低燃油消耗和改善空气质量。孙传旺等[13]从机动车PM2.5排放的角度实证检验了限行政策能够缓解大气污染，且政策实施力度越大，减排效果越明显。

以上研究在交通治堵、节能及减排策略等方面为后续研究提供了有益的借鉴。但现有文献对城市交通节能减排策略的动态仿真研究较少，而城市交通问题是一个涉及社会、环境、能源等多方面的系统性问题，现有研究大多很少有综合考虑到以上各方面。为此本文从系统的角度出发，运用系统动力学和新陈代谢理论相结合的方法构建了城市交通节能减排管理模型，通过对不同治理手段的动态仿真分析重点分析现有政策在缓解交通拥堵、减少空气污染以及降低交通能源消耗方面的作用，并挖掘系统内部中长期所蕴藏的负面效应，据此制定政策建议，为城市交通节能减排提供理论参考。

2 基于MT-SD的城市交通节能减排模型构建

2.1 系统动力学

系统动力学创始于1956年，是美国麻省理工学院的福瑞斯特(J.W.Forrester)创立的一种以反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为手段研究复杂系统动态行为的定性分析与定量研究相结合的方法[14]。如今系统动力学的应用十分广泛。如在经济和环境方面，郭玲玲等[15]运用系统动力学方法构建了中国绿色增长模型，通过调控参数，仿真了不同的经济增长模式，为中国经济的绿色增长提供建议。张俊荣等[16]基于系统动力学方法探究了不同的碳交易机制设计对京津冀地区经济和环境的影响。在能源方面，邵志芳等[17]运用系统动力学方法从不同角度对风电氢系统进行了效益评价。以上系统动力学在各个领域的广泛运用，也为本文的研究提供了支撑和借鉴。

2.2 因果回路图分析

对变量之间的因果关系进行分析，得到因果回路图，如图2所示。

图1 因果回路图

图1包含6个主要回路，其中回路1-5是负反馈回路，回路6为正反馈回路。在缓解交通拥堵方面，以回路1和回路6为例。

回路1：交通拥堵程度→+拥堵治理力度→+私家车出行成本→-私家车吸引度→+私家车增长率→+私家车保有量→+私家车出行量→+机动车出行量→-车均道路面积→-交通拥堵程度。

回路6：交通拥堵程度→+拥堵治理力度→+私家车出行量→+机动车出行量→-车均道路面积→-交通拥堵程度

回路1是负反馈回路，最开始交通拥堵程度增加，政府的治理力度增大，进而利用经济手段(如拥堵收费政策)来提高私家车出行成本，私家车出行成本的增加导致私家车出行吸引度的减小，进而引起私家车增长率和私家车保有量下降，进一步降低私家车出行量和机动车出行量，机动车出行量的下降会增加车均道路面积，最终降低交通拥堵程度。

回路6是正反馈回路，通过行政手段(这里主要指限行政策)来限制私家车出行量，但限行政策的长期实施使部分居民为了方便出行会购买第二辆车，第二辆车数量越来越多时，反而会增加私家车的出行量，增加交通拥堵程度。因此，限行政策手段短期效果明显，长期来看会引发负面效应，需引入其它政策进行改善。

在节能减排方面，以回路4和回路5为例。

回路4：交通能耗量→+节能压力→+机动车节能减排水平→-交通能耗量

回路5：污染物排放量→+环保压力→+机动车节能减排水平→-污染物排放量

回路4和回路5是负反馈回路，其分析与回路1相似，通过技术手段提高机动车节能减排水平，进而降低机动车能耗和减少污染物排放量。

2.3 模型的构建及数据来源

基于因果回路图，利用Vensim软件绘制相应的存量流量图，见图2。

图2 城市交通节能减排模型

根据图1的因果回路图，利用Vensim软件绘制相应的流图，如图2所示。仿真时期为2010-2030，步长为1。针对模型，作出以下假设：

假设1：机动车尾气排放主要考虑CO排放，以CO的污染程度来近似的代表空气污染程度。

假设2：交通能耗量主要指各类机动车的汽油柴油消耗量，暂不考虑其它能源的消耗。

假设3：除了模型中的政策手段之外，不考虑北京市的其它政策对模型的影响。

模型中变量的值主要是通过官网统计年鉴直接或利用历史数据求算数平均值得到。如城市人口总量初值、GDP总量初值、城市道路面积增长率等。另外，报废率、消散率、出行率参考文献[18]得到。各类机动车单位行驶里程耗油量、年平均行驶公里参考文献[19]以及结合《北京市交通发展年报》得到。

当变量的方程是非线性时，先利用新陈代谢理论[20](Metabolic Theory)预测出仿真期的值，然后再利用系统动力学(System Dynamics)软件中的表函数或逻辑函数来刻画变量的非线性关系，简称MT-SD算法。该方法能够构造GDP增长率、空气污染程度等具有非线性特征的方程。具体算法步骤如图3。

主要参数和方程如下：

1)GDP总量=INTEG(GDP增长量，1.4964e+012)，Unit：元．

2)城市人口总量=INTEG(自然增长人口+净迁入量，1.9619e+007)，Unit：人．

图3 基于MT-SD理论的非线性函数构建算法

3)私家车保有量=INTEG(私家车增长量-年报废量，3.744e+006)，Unit：辆．

4)私家车报废量=私家车保有量*报废率，Unit：辆．

5)报废率=0.067.

6)私家车出行率=0.55．

7)私家车单位里程耗油量=7.76，Unit：升/百公里．

8)私家车年平均行驶距离=131.5，Unit：百公里．

9)私家车对CO污染的贡献率=0.55．

10)私家车年均年CO排放量=0.1766，Unit：吨/年/辆．

11)私家车耗油量=私家车年平均行驶距离*私家车单位行驶里程耗油量*私家车出行量，Unit：吨标准煤．

12)公共汽车保有量=INTEG(公共汽车增长量-公共汽车报废量，24011)，Unit：吨标准煤．

13)公共汽车拥有量增长率=0.0074．

14)公共汽车年平均行驶距离=566.9，Unit：百公里．

15)CO存量=INTEG(NOx排放量-NOx年消散量，86127)，Unit：吨．

16)CO消散率=0.2．

17)城市道路面积=INTEG(城市道路面积增长量，9.179e+007)，Unit：平方米．

18)城市道路面积增长率=0.0145．

19)空气污染程度=IF THEN ELSE(CO存量≥2.1565e+006，0.85，IF THEN ELSE(CO存量≥1.78744e+006，0.8，IF THEN ELSE(CO存量≥1.54984e+006，0.75，IF THEN ELSE(CO存量≥1.35423e+006，0.7，IF THEN ELSE(CO存量≥1.12146e+006，0.65，IF THEN ELSE(CO存量≥955463，0.6，IF THEN ELSE(CO存量≥771026，0.55，IF THEN ELSE(CO存量≥500000，0.5，IF THEN ELSE(CO存量≥300000，0.4，IF THEN ELSE(CO存量≥100000，0.3，IF THEN ELSE(CO存量≥80000，0.2，0.1)))))))))))

2.4 模型检验

以2012-2019年北京市GDP总量、私家车保有量、城市道路面积为例进行相对误差检验，如表1。

表1 模型检验

从表1中可以看出，3个变量的相对误差都在5%以内，因此该模型模拟效果较好，具有一定的有效性和合理性。

3 不同节能减排策略的动态仿真

3.1 利用经济手段提高私家车出行成本

通过对经济手段的数值进行调整，来观察其对不同变量的影响，如图4-6和表2。

图5 经济手段对CO存量影响

图6 经济手段对交通能耗量影响

表2 经济手段对主要变量的影响

从图4-6和表2中可以看出，经济手段对不同变量有不同程度的降低。降低程度最大的是交通拥堵程度，在仿真末期，为78.1%。其次是CO存量，降低程度为36.1%。降低程度最小的交通能耗量，为20.2%。易知经济手段是缓解交通拥堵和减少污染气体排放的有效手段，但对降低交通能耗的作用有限。然而经济手段使部分出行者从私家车转向公共交通，加大公共交通的负担，因此经济手段的实施需要配合完善的公共交通。

3.2 行政手段对私家车出行量的双重作用

行政手段主要考虑限行政策。对行政手段取不同的值，表示不同的限行力度对各个方面的不同影响。如图7-9和表3所示。

图7 行政手段对交通拥堵程度影响

图8 行政手段对CO存量影响

图9 行政手段对交通能耗量影响

从图7-9和表3中可以看出，与行政手段等于0(即不实施政策)相比较，当行政手段的值为0.05(即限行政策的实施力度较小)时，机动车出行量、交通拥堵程度、CO存量以及交通能耗量都有一定的减少，随着行政手段取值的增大，反而出现了不同程度的增大，产生负面效应。原因可能是限行政策通过限制私家车的出行来减少机动车出行量，促使部分出行者转向公共交通。当限行政策实施力度较大、时间较长时，公共交通负担随之加剧，不能满足人们出行的需求，诱发越来越多的人购买第二辆车，长期反而会增加机动车的出行。因此限行政策的实施需要适度，且配合完善的公共交通系统。

表3 行政手段对主要变量的影响

3.3 发展公共交通，提高公共交通服务水平

针对对经济手段和行政手段的优缺点，需引入大力发展公共交通策略。分别在经济手段和行政手段的基础上，加入发展公共交通这一手段，探究其对主要变量的影响。仿真结果如图10-15和表4所示。

图10 交通拥堵程度(经济+公共交通)

图11 CO存量(经济+公共交通)

图12 交通能耗量(经济+公共交通)

图13 交通拥堵程度(行政+公共交通)

图14 CO存量(行政+公共交通)

图15 交通能耗量(行政+公共交通)

表4 不同组合政策对主要变量的影响

由图10-15和表4可知，与单一的经济和行政手段相比，通过大力发展公共交通，能够更有效地缓解交通拥堵、减少CO量、降低能源消耗，且发展公共交通的值越大(即对公共交通的投资和补贴越多)，发挥的作用越大。另外，易知图10、图13的交通拥堵程度降低程度显著，由表4可知分别下降了92%和34.5%。图11、图14的CO存量的减少也比较明显，分别下降了24.7%和28.6%。然而图12和图15的交通能耗量的降低程度较小，分别为9.8%和17.1%。因此在利用经济手段或行政手段限制私家车出行的同时，发展和完善公共交通系统，是十分有效合理的进行缓堵减排的途径，但对于降低能源消耗的作用不是很明显。

3.4 利用技术手段提高机动车节能减排水平

技术手段是从机动车本身入手，通过技术投入的增多来提高机动车的节能减排水平。如图16-17和表5所示。

图16 技术手段对CO存量的影响

图17 技术手段对交通能耗量的影响

表5 技术手段对主要变量的影响

从图16-17和表5可以看出，技术手段对CO存量和交通能耗量有很大的影响，且技术手段的值越大(即技术投入越多)，CO存量和交通能耗量越少。由表5可知CO存量和交通能耗量分别降低44.2%和44.4%，说明通过技术手段提高机动车节能减排水平是十分有效的减少机动车污染和降低交通能耗的途径。

4 结论与建议

本文以北京市为例，运用系统动力学和新陈代谢预测的方法建立了城市交通节能减排管理模型，通过对不同的手段治理手段进行仿真分析来研究其对主要变量的影响，得出以下结论：1)经济手段可以显著地缓解交通拥堵、减少CO存量，但对降低交通能耗量的作用较小。2)行政手段对私家车出行具有双重作用，短期内能减少私家车出行，但长期会导致拥堵加剧等负面效应。3)比起单一的经济或行政手段，大力发展公共交通系统，是实现交通缓堵减排更加有效的途径。4)技术手段对于实现城市交通的节能减排有显著的作用。基于以上结论，提出以下对策建议：

1)利用经济手段提高私家车出行成本

如拥堵收费政策，对于行驶在高峰时段或是特定高峰区域的车辆征收费用，以此来提高私家车出行成本。对于出行需求弹性较大的人来说，拥挤收费额外的增加了他们的出行的金钱成本，使得他们会考虑放弃私人汽车出行，转向公共交通。另一方面，还可以通过提高停车费用来提高出行成本。停车位紧张与停车收费问题都是影响人们出行方式的因素，当停车收费较高时，人们考虑到高昂的停车费会选择放弃私人汽车出行。

2)政策手段的实施与发展公共交通相结合

仅仅利用经济或行政手段来减少私家车出行并不是长久之计。公共交通具有载量大、低污染、低能耗等优势，基于我国城市交通发展现状，大力发展公共交通是解决交通拥堵，减少交通污染、降低交通能耗更有效的途径。加大对公共交通的投资和补贴。科学合理的布局规划公共交通线路和站点，进而提高公共交通运行效率。另外还可以对公共交通车厢内部布局、座椅等进行改善，以增加公共交通乘坐的舒适度，以此提高公共交通对居民出行的吸引度。

3)加大对汽车生产方面的技术投入

从汽车生产环节入手，政府可以在政策、资金等方面加大汽车生产企业的扶持力度，鼓励他们提升技术研发水平，生产出少能耗、低污染的环保型汽车。如开发新的清洁型的能源代替燃油作为燃料、发展汽车尾气净化技术来提升尾气净化水平。