基于城市交通可持續(xù)性的客運(yùn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

沈嘉曦，王培恒

(西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川成都 610031)

基于城市交通可持續(xù)性的客運(yùn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

沈嘉曦，王培恒

(西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川成都 610031)

基于社會(huì)可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性和環(huán)境可持續(xù)性3個(gè)方面的交通可持續(xù)性，以交通系統(tǒng)的社會(huì)效率最大化和交通系統(tǒng)內(nèi)部成本以及環(huán)境影響最小化為約束，構(gòu)建城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型并進(jìn)行優(yōu)化，并利用多目標(biāo)規(guī)劃中的理想點(diǎn)法求解模型。以成都市為例，驗(yàn)證了模型的可行性與正確性，優(yōu)化后的客運(yùn)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了城市可持續(xù)交通的發(fā)展目標(biāo)。

客運(yùn)結(jié)構(gòu)；可持續(xù)性；環(huán)境；能源；優(yōu)化模型；承載力

我國城市居民交通出行量急劇增長，交通管理越來越復(fù)雜，隨之而來的能源消耗與環(huán)境污染日益加劇。城市交通擁堵成為城市發(fā)展的瓶頸和影響居民生活質(zhì)量提高的關(guān)鍵問題。國內(nèi)一些專家提出的適合我國國情的城市客運(yùn)交通發(fā)展模式，均注重以公交為主體的思想[1]。在我國城市道路資源有限的前提下，應(yīng)優(yōu)化城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)，使城市客運(yùn)交通系統(tǒng)向城市客運(yùn)交通可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)發(fā)展。

1 城市客運(yùn)交通可持續(xù)性發(fā)展的含義

城市客運(yùn)交通系統(tǒng)作為城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，其自身的可持續(xù)性發(fā)展是支持城市交通可持續(xù)發(fā)展的前提。城市客運(yùn)交通可持續(xù)發(fā)展包括3個(gè)方面的可持續(xù)性[2-3]：1)社會(huì)可持續(xù)性，即滿足社會(huì)各階層城市居民的交通需求，把土地利用和交通結(jié)合起來，制定合理的交通規(guī)劃；2)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性，即交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營的高效性和交通服務(wù)供給的高效率；3)環(huán)境可持續(xù)性，即控制交通造成的污染，減少能源的消耗，改善城市交通環(huán)境。

城市客運(yùn)交通的可持續(xù)發(fā)展作為一種新的思維模式，要求城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)在規(guī)劃、建設(shè)時(shí)不僅要考慮交通本身的需求，也要充分考慮資源和環(huán)境的需求。城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展既要為城市中各種交通方式的出行者提供高效、舒適、優(yōu)惠的交通服務(wù)，又要盡量減少能源消耗和對環(huán)境的污染，改善城市居民生活質(zhì)量，形成交通、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境相互作用的良性循環(huán)。圖1為基于城市交通可持續(xù)性的客運(yùn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程。

2 客運(yùn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

2.1優(yōu)化模型的建立

以城市的環(huán)境承載力、資源承載力等為基礎(chǔ)，滿足與城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步的客運(yùn)交通需求，通過合理優(yōu)化城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)，達(dá)到城市客運(yùn)交通可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。所以，城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)的合理性直接影響著城市交通的可持續(xù)發(fā)展。

城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化的總體目標(biāo)是使交通結(jié)構(gòu)向交通可持續(xù)方向發(fā)展，在城市交通系統(tǒng)對城市環(huán)境影響日益嚴(yán)重的背景下，優(yōu)化城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)、提高交通效率、降低城市交通系統(tǒng)消耗勢在必行[4]。

圖1 基于城市交通可持續(xù)性的客運(yùn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程

結(jié)合城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)對可持續(xù)發(fā)展的影響，以社會(huì)可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性和環(huán)境可持續(xù)性為目標(biāo)，以客運(yùn)交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對可持續(xù)發(fā)展的影響為約束條件，進(jìn)行建模及優(yōu)化。

社會(huì)可持續(xù)性主要表現(xiàn)為社會(huì)福利和社會(huì)公平方面，以社會(huì)公平和福利最大為目標(biāo)。在交通方面，社會(huì)可持續(xù)性體現(xiàn)在交通系統(tǒng)的社會(huì)效率S最大化，目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中zi為第i種交通方式的客運(yùn)周轉(zhuǎn)量總和， 人·km；Bi為第i種交通方式的旅客出行滿意度；Ei為第i種交通方式的旅客出行時(shí)間效率；i為交通方式，交通方式集合W={i=1為城市軌道交通,i=2為常規(guī)公交,i=3為自行車,i=4為出租車,i=5為私家車,i=6為摩托車}，其中步行沒有作為1種獨(dú)立的交通方式。

經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性主要體現(xiàn)乘客在出行過程中花費(fèi)的時(shí)間以及乘客出行總花費(fèi)，可用城市客運(yùn)交通系統(tǒng)內(nèi)部成本來表示，即交通系統(tǒng)內(nèi)部成本C最小化，其目標(biāo)函數(shù)為

(2)

環(huán)境可持續(xù)性主要體現(xiàn)乘客在出行過程中出現(xiàn)時(shí)間消化、能源消耗和對環(huán)境的污染[5]，可用城市客運(yùn)交通系統(tǒng)內(nèi)部成本來表示，即交通系統(tǒng)對環(huán)境影響E最小化，其目標(biāo)函數(shù)為

(3)

式中ei為第i種交通方式的能源消耗系數(shù)，MJ/(人·km)[6]；f為能源的單位價(jià)格，元/MJ；Pij為第i種交通方式排放的第j類污染物的排放系數(shù),g/(人·km)；Cpj為政府治理第j種污染物的單位花費(fèi)，元/g。

2.2優(yōu)化模型的約束條件

城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在交通政策的指引下，考慮交通的供求關(guān)系、交通對環(huán)境的影響以及交通對資源的消耗，并且在不斷反饋和調(diào)整的平衡過程中向城市可持續(xù)交通方向持續(xù)發(fā)展。

1)城市客運(yùn)周轉(zhuǎn)量約束

城市客運(yùn)交通道路資源承載力是指某城市在一定時(shí)期內(nèi)，在城市交通能夠滿足居民出行要求的條件下，城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的最大周轉(zhuǎn)量，其表達(dá)式為

(4)

式中F為某城市交通預(yù)測出的各種交通方式的周轉(zhuǎn)量，人·km。

以四階段法交通預(yù)測模型為基礎(chǔ)，F(xiàn)的計(jì)算式為

(5)

式中m為交通小區(qū)的數(shù)量；Oabi為交通小區(qū)a和交通小區(qū)b之間第i種交通方式的出行量；Dabi為交通小區(qū)a和交通小區(qū)b之間第i種交通方式多條出行路徑的平均出行距離，是距離與路段流量分配結(jié)構(gòu)的加權(quán)平均[7]。

2)城市客運(yùn)交通道路資源承載力

城市客運(yùn)交通道路資源承載力是指某城市在一定時(shí)期內(nèi)，在城市道路合理利用的條件下，城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的最大發(fā)展規(guī)模，其表達(dá)式為

(6)

3)城市客運(yùn)交通能源承載力

城市客運(yùn)交通道路能源承載力是指某城市在一定時(shí)期內(nèi)，在城市能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能不惡化的條件下，城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的最大發(fā)展規(guī)模，表達(dá)式為

(7)

式中Yi為第i種交通方式的能源消耗系數(shù)，MJ/(人·km)；ES為某城市的資源總承載力，MJ。

4)城市客運(yùn)交通環(huán)境承載力

城市客運(yùn)交通道路資源承載力是指某城市在一定時(shí)期內(nèi)，在城市環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能不惡化的條件下，城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的最大發(fā)展規(guī)模，表達(dá)式為

(8)

式中j=1表示CO，j=2表示NOx；EC為某城市對污染物的排放限值，g。

5)城市交通客運(yùn)周轉(zhuǎn)量和出行人次的關(guān)系

考慮城市客運(yùn)周轉(zhuǎn)量和城市居民出行次數(shù)總量之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,表達(dá)式為

(9)

式中G為城市居民的出行總量；α為誤差范圍，一般取0.05。Di為平均出行距離，km。

6)城市客運(yùn)交通發(fā)展規(guī)模

城市規(guī)劃部門對于該城市交通發(fā)展規(guī)模的規(guī)劃，其表達(dá)式為

zimin≤zi≤zimax，

(10)

式中zimax、zimin分別為第i種交通方式發(fā)展規(guī)模的上、下限，人·km。

2.3模型求解

由于本文構(gòu)建模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為線性函數(shù)，屬于多目標(biāo)線性規(guī)劃模型。多目標(biāo)規(guī)劃模型的常用解法主要有：理想點(diǎn)法、線性加權(quán)和法、最大最小法、目標(biāo)規(guī)劃法[8]。本文采用理想點(diǎn)法求解該多目標(biāo)線性規(guī)劃模型，首先通過分別求得單個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值獲得理想點(diǎn)，然后利用構(gòu)造最短距離理想點(diǎn)評價(jià)函數(shù)，求得最優(yōu)近似解。

3 實(shí)例分析

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃裕疚倪x取成都市為例，利用上述城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型對成都市2020年的客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。交通方式可分為自行車、常規(guī)公交、摩托車、出租車、私家車、軌道交通6種類型。根據(jù)成都統(tǒng)計(jì)年鑒及相關(guān)參考資料[9-10]，預(yù)計(jì)到2020年成都市城市功能區(qū)面積達(dá)2 262 km2，人口控制在1.15×107人，交通需求總量為2.41×108人·km。客運(yùn)交通能源消耗上限為1.9×108MJ，環(huán)境容量中CO的排放限值為1.26×109g，NOx的排放限值為2.78×108g 。將各交通方式的相關(guān)參數(shù)列于表1。

表1 成都市各種交通方式發(fā)展規(guī)模上下限

由式(1)～(10)及表1可得優(yōu)化模型

通過MATLAB編程計(jì)算，可得規(guī)劃年軌道交通、常規(guī)公交、自行車、出租車、私家車、摩托車的客運(yùn)周轉(zhuǎn)量分別為:6.91×107，6.70×107，0.98×107，3.31×107，4.25×107，1.95×107人·km/d 。

由模型計(jì)算結(jié)果可知，成都市規(guī)劃年客運(yùn)周轉(zhuǎn)量按大小排列依次為：軌道交通、常規(guī)公交、私家車、出租車、摩托車、自行車，符合可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的目標(biāo)。從計(jì)算結(jié)果中也可看出，自行車、軌道交通客運(yùn)周轉(zhuǎn)量都在規(guī)劃范圍的上限，從而充分表明為維護(hù)城市交通的可持續(xù)發(fā)展，這2種交通方式具有充分的優(yōu)勢：一方面軌道交通由于運(yùn)營速度快、能源消耗低；另一方面自行車的無污染和能源消耗低的環(huán)境可持續(xù)性好的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了其速度較低的缺陷，且具有明顯優(yōu)勢，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展。常規(guī)公交由于在社會(huì)可持續(xù)性、環(huán)境可持續(xù)性方面都優(yōu)于其它交通方式，而得到大力發(fā)展，小汽車、摩托車雖然經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性比較好，但由于環(huán)境可持續(xù)差而限制其發(fā)展空間。

4 結(jié)語

本文對城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)的研究不拘于傳統(tǒng)的交通方式劃分，而是基于城市交通可持續(xù)性，從社會(huì)可持續(xù)性、環(huán)境可持續(xù)性、資源可持續(xù)性3個(gè)方面優(yōu)化客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)，據(jù)此建立多目標(biāo)優(yōu)化模型并利用MATLAB求解模型。基于城市交通可持續(xù)性的客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)要求城市客運(yùn)交通向著有利于城市發(fā)展、環(huán)境改善、資源節(jié)約的方向發(fā)展。

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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

郞偉鋒)

2014-05-19

沈嘉曦(1989—)，女，浙江嘉興人，西南交通大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻煌üこ?

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.009

U492.4

A

1672-0032(2014)03-0041-05