北京市交通承載力預(yù)測研究

李榮，吳建軍

(1.北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，北京 100044;2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，許多城市尤其是發(fā)展中國家的大城市(如北京)面臨著環(huán)境污染、交通擁堵和資源短缺等一系列問題。造成這一系列問題的根本原因是機(jī)動車保有量增長過快，而道路基礎(chǔ)設(shè)施供給有限，導(dǎo)致交通負(fù)荷過重，甚至超過城市交通承載力，從而導(dǎo)致“血脈”不通暢。機(jī)動車保有量預(yù)測和城市道路交通承載力問題正日益受到專家和學(xué)者的重視［1－13］。

在機(jī)動車保有量預(yù)測方面，現(xiàn)有的研究方法主要包括灰色預(yù)測模型、彈性系數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，趨勢預(yù)測法等。劉志謙等［1］2008年使用GM(1，1)-馬爾可夫預(yù)測模型對機(jī)動車保有量進(jìn)行預(yù)測，并以北京市為例進(jìn)行了實例分析;曹曉飛等［2］使用彈性系數(shù)法對北京市的機(jī)動車保有量進(jìn)行預(yù)測。牟振華等［3］2009年分析了影響機(jī)動車保有量的若干因素，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對山東省機(jī)動車保有量進(jìn)行了預(yù)測。徐亞丹［4］2012年使用趨勢預(yù)測方法對杭州市機(jī)動車保有量進(jìn)行預(yù)測。

城市交通承載力作為承載力的一個專門研究方向，對于它的定量計算至今已有較多研究。劉志碩等［5］對交通環(huán)境承載力作了早期研究，在2002年使用系統(tǒng)工程的原理和方法分析了污染物在環(huán)境系統(tǒng)中的輸入輸出模式，嘗試性地建立了交通環(huán)境承載力的動態(tài)量化模型。2004年他們對城市交通環(huán)境承載力做了進(jìn)一步研究，在研究中他將交通容量劃分為微觀交通容量和宏觀交通容量，然后從系統(tǒng)的觀點出發(fā)提出了一種新的基于交通環(huán)境承載力的城市容量確定方法并進(jìn)行了應(yīng)用［6］。之后很多學(xué)者進(jìn)一步深化了對交通環(huán)境承載力的定量方法的研究［7－10］。2008年，侯德劭［11］對城市交通承載力做了進(jìn)一步深入研究，將城市交通承載力分為交通設(shè)施承載力和交通環(huán)境承載力兩個方面，并建立了交通承載力評價體系;詹歆曄等［12］提出以機(jī)動車在駛量為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建由路網(wǎng)資源、燃油供給和大氣環(huán)境3個模塊組成的交通承載力宏觀定量模型，并選擇北京市城區(qū)作為案例驗證模型;吳建軍［13］研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的城市交通網(wǎng)絡(luò)承載力，并分析了最優(yōu)城市交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼疤卣鲄⒘?。鄭猛等?4］基于土地利用與交通雙向互動理論，對評價土地開發(fā)強度與交通承載力關(guān)系的定量分析方法進(jìn)行了研究。賈順平等［15］在2011年對居民出行特性和路網(wǎng)承載力下的城市交通狀態(tài)進(jìn)行了研究。許明濤等［16］在2012年建立了在容量限制下的城市道路和交通的互演化模型。

雖然對于城市交通承載力的定量計算已有較成熟的研究，但是對其預(yù)測方法的研究還有待于進(jìn)一步的深入。諾比爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎得主Arrow［17］對人口承載力研究的評價是“承載力天然就不是固定的、靜態(tài)的或者簡單的關(guān)系，僅僅簡單地得到承載力的數(shù)值是毫無意義的”。事實上，城市交通承載力和人口承載力一樣，也是隨著外界環(huán)境的改變而變化的。王乾等［18］在2008年從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，基于灰色預(yù)測模型，提出了一種確定交通環(huán)境承載力的方法并進(jìn)行了應(yīng)用。本文使用多因素分析法分析了影響北京市機(jī)動車保有量的關(guān)鍵因素，應(yīng)用時間序列分析法對道路里程、人口總量等因素進(jìn)行預(yù)測，并使用多元回歸分析預(yù)測北京市機(jī)動車保有量。通過分析影響城市交通承載力的關(guān)鍵因素，建立城市交通承載力與各因素的關(guān)系，借此預(yù)測北京市未來年份的城市交通承載力。通過對比北京市現(xiàn)有年份和未來年份的機(jī)動車保有量和城市交通承載力，得到一些有利于北京市交通規(guī)劃和管理的理論依據(jù)，并提出相關(guān)的措施和建議。

1 北京市機(jī)動車保有量預(yù)測

1.1 數(shù)據(jù)收集

城市交通系統(tǒng)是由人、車和路三個主要因素組成的，各因素之間相互作用、相互影響。人口總量、道路里程作為城市交通系統(tǒng)的內(nèi)部因素，對機(jī)動車保有量的增長起著重要作用。經(jīng)濟(jì)水平(GDP)以及道路投資作為外部因素，促進(jìn)道路里程的增長，公交在某種程度上與私家車形成一定的互補作用，三者共同影響著機(jī)動車保有量。它們的相互作用關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)以上分析，我們收集了1988—2010年北京市城市發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)［19］，包括機(jī)動車保有量及其關(guān)鍵影響因素:道路總里程、GDP、道路投資、公交保有量和人口總量，如表1所示。

圖1 機(jī)動車保有量影響因素分析Fig.1 Impact factor analysis of the number of motor vehicle

表1 1980—2010年北京市城市發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)［19］Table 1 Urban development statistics of Beijing in 1980—2010［19］

1.2 北京市機(jī)動車保有量預(yù)測

在應(yīng)用多元回歸分析預(yù)測機(jī)動車保有量之前，先對各因素做時間序列分析。用t表示年份，C表示機(jī)動車保有量，R表示道路里程，P表示人口總量，G表示GDP，I表示道路投資，B表示公交保有量。

使用表1中1980—2008年的道路里程數(shù)據(jù)建立時間序列預(yù)測模型，2009和2010年數(shù)據(jù)留作模型驗證。通過分析道路里程實際數(shù)據(jù)散點圖的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)大致呈指數(shù)函數(shù)形式，如圖2所示。

擬合結(jié)果見表2，顯著性水平為0.000，小于0.05，表明該曲線擬合顯著。得道路里程(R)與年份(t)的函數(shù)關(guān)系為:

通過該函數(shù)關(guān)系，計算得到2009和2010年道路里程為18982.22 km和19643.45 km，與實際數(shù)據(jù)20755.2 km和 21113.6 km 相近。

表2 道路里程擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of road mileage

圖2 道路里程實際數(shù)據(jù)與指數(shù)擬合曲線Fig.2 Actual data and exponential fitting curve of road mileage

同理，使用指數(shù)函數(shù)擬合人口總量(P)，GDP(G)，道路投資(I)，公交保有量(B)的時間變化曲線。擬合圖見圖3～6。

通過SPSS19.0分析結(jié)果，分別得以下擬合函數(shù)，并且均通過顯著性檢驗:

通過公式(1)～(5)，可以計算出各影響因素在2011—2020年的預(yù)測值，如表3所示。

表3 2011—2020年北京市年各因素預(yù)測值Table 3 Predictive value of impact factor in Beijing from 2011 to 2020

通過1.1節(jié)的分析，機(jī)動車保有量(C)受以上各因素的影響。以機(jī)動車保有量為因變量，其余各變量為自變量，使用SPSS19.0對表1中1980—2008年的數(shù)據(jù)做多元線性回歸分析，2009和2010年留作預(yù)測驗證使用。分析結(jié)果如表4～5所示:

表4 多元線性回歸分析結(jié)果1Table 4 Results 1 of multiple linear regression analysis

由表4可知，顯著性水平(Sig.)為0.000，小于0.05，說明該回歸分析通過了顯著性檢驗。由表5可得機(jī)動車保有量與各因素的函數(shù)關(guān)系如下:

將表1中2009和2010年各因素數(shù)值代人(6)式，計算得2009和2010年機(jī)動車保有量為348.8萬輛和404.4萬輛，與表1中實際值372.1萬輛和452.9萬輛相差不大，該回歸分析有效。

由表3中各因素2011—2020年預(yù)測值，以及公式(6)，可計算2011—2020年機(jī)動車保有量的預(yù)測值，如表6所示。

表5 多元線性回歸分析結(jié)果2Table 5 Results 2 of multiple linear regression analysis

從表6可以看出，機(jī)動車保有量在未來10年內(nèi)急劇增長，預(yù)計到2020年將超過2000萬輛。

表6 2011—2020年北京市機(jī)動車保有量預(yù)測值Table 6 Predictive value of vehicle number of Beijing in 2011—2020

2 北京市交通承載力預(yù)測

2.1 交通承載力定義

交通承載力的影響因素有很多，如道路網(wǎng)絡(luò)資源、需求結(jié)構(gòu)、環(huán)境要求等，其中最關(guān)鍵的是道路網(wǎng)絡(luò)資源，為了便于計算，在本文只考慮該因素。根據(jù)詹歆曄［12］在2008年對路網(wǎng)資源承載力的定義，城市道路網(wǎng)絡(luò)承載力計算如下:

其中，C為路網(wǎng)資源承載力(標(biāo)準(zhǔn)輛)，L為道路里程(km)，V為平均車速(km/h)，μ為道路標(biāo)準(zhǔn)車型的實際通行能力(輛 /h)，可用下式計算，

其中U為標(biāo)準(zhǔn)車型理論通行能力(輛 /h)，η為車道修正系數(shù)(無量綱)，γ為道路類型修正系數(shù)(無量綱)。

2.2 北京市交通承載力預(yù)測

根據(jù)表1中北京市1980—2010年道路里程數(shù)據(jù)(設(shè)平均速度為20 km/h)以及王煒等［13］在1999年提出的經(jīng)驗系數(shù)，U取1380輛/h，η取為1.87，γ取為1。由(7)和(8)式計算可得1980—2010年北京市交通承載力，見表7。

表7 1980—2010年北京市交通承載力Table 7 Traffic carrying capacity of Beijing in 1980—2010

同理，根據(jù)表3中北京市2011—2020年道路里程預(yù)測結(jié)果，其他參數(shù)取值與計算1980—2010年交通承載力相同，可計算得到北京市2011—2020年交通承載力預(yù)測值，見表8。

將表1中1980—2010年北京市機(jī)動車保有量實際數(shù)據(jù)、表6中2011—2020年北京市機(jī)動車保有量預(yù)測結(jié)果、表7中1980—2010年北京市交通承載力計算數(shù)據(jù)以及表8中2011—2020年北京市交通承載力預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比，可得圖6。

表8 2011—2020年北京市交通承載力預(yù)測值Table 8 Predictive value of traffic carrying capacity of Beijing in 2011—2020

由圖6可以看出，通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)的計算，北京市機(jī)動車保有量在2010年后就會超過其交通承載力，機(jī)動車保有量的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交通承載能力的增長速度。

3 結(jié)論

圖61980 —2020年北京市機(jī)動車保有量和交通承載力對比圖Fig.6 Comparison graph of vehicle number and traffic carrying capacity of Beijing in 1980—2020

本文通過多因素分析法深入地分析了北京市的機(jī)動車保有量和交通承載力的影響因素，并通過對各因素的時間序列分析，預(yù)測了未來10年的機(jī)動車保有量以及交通承載力。對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，2010年后機(jī)動車保有量已超過北京市的交通承載力，而現(xiàn)有的路網(wǎng)資源有限，已很難再擴(kuò)建，這將導(dǎo)致未來幾年市內(nèi)交通更加擁堵、環(huán)境污染愈加嚴(yán)重。當(dāng)前，一方面要實現(xiàn)“規(guī)劃先行”，合理規(guī)劃路網(wǎng)，提升道路網(wǎng)絡(luò)的交通承載力;另一方面，必須采取措施限制機(jī)動車保有量或者機(jī)動車在駛量的增長。當(dāng)前北京市采取搖號購車和限號出行等政策，已在一定程度上控制了機(jī)動車保有量和在駛量的增長，還應(yīng)采取提高購車成本、停車收費和排放收費等措施進(jìn)一步控制機(jī)動車保有量的增長，此外，要大力發(fā)展公共交通，通過鼓勵人們使用公交出行來減少機(jī)動車在駛量，緩解交通壓力。

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