不同軌道交通發展模式下上海客運交通結構對比分析＊

章 洵 繆子山 楊 超

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室1） 上海 201804） （駐南昌鐵路局福州軍代處2） 福州 350013）

0 引 言

交通結構可以反映交通需求的特點和不同交通方式的主要功能與地位，直接影響著有限交通資源的配置，是決定城市交通系統效率高低的關鍵因素［1］.隨著機動車尤其是私人小汽車的快速發展，交通供需失衡、交通結構低效的問題日益突出，交通擁堵、環境污染以及能源危機等形勢日益嚴峻，嚴重制約了城市的可持續發展.發展城市軌道交通、優化城市交通發展方式和用能結構、改善城市客運交通結構，是支撐城市交通可持續發展的有效手段.因此，在當前我國城市客運交通結構加速調整的轉型期，對交通結構的演變進程進行研究，合理引導城市交通結構向符合可持續的交通模式發展，不但對交通規劃、建設、運營和管理具有總體指導作用，對改善城市交通運行效率、緩解城市交通擁堵和促進城市的可持續發展也具有十分重要的現實意義.

國外在對交通結構的早期研究中，Schaeffer和Sclar［2］1975年首次全面探討了交通系統與城市形態的關系，認為城市形態的演變直接受城市交通方式的影響.Thomson［3］從交通發展模式入手，把城市布局歸納為充分發展小汽車戰略、限制市中心戰略、保持強大市中心戰略、低成本戰略和限制交通戰略五種模式.Elkind等［4］認為一個可持續發展的城市必須具有便于步行、非機動車及公共交通通行的形態和規模，通過集中設置公共設施的可持續性綜合作用來減少交通距離，以降低使用小汽車的比例.Cameron等［5］指出影響城市私人機動出行比例的影響因素有人口、城市化面積、崗位數和路網長度等，但在很大程度上是取決于城市本身的結構，并建立了計算城市私人機動出行比例的模型.

國內對城市交通結構演變的研究于近幾年才開始.徐永能［6］對城市公共客運交通結構演化的外部環境條件和內部影響因素進行分析.沈飛［7］研究分析了國內外典型城市不同時期交通結構的特點和影響因素，進而找出交通結構的演變規律.郭勁松等［8］研究了在軌道交通不同發展階段城市客運交通結構的演變規律，分析了軌道交通對客運結構的影響.陳星光等［9］從演化角度對用戶出行方式選擇進行研究，運用演化博弈理論研究出行方式選擇的時間演化規律.劉爽［10］通過對國內外典型城市交通結構演變的機理分析，建立了交通結構演變的系統動力學模型并進行了實證研究.葉茂等［11］以鎮江為例分析了帶狀組團城市空間與交通系統演變的互動發展過程和空間形態與交通模式的演化機理.

1 上海客運交通結構演變系統動力學模型

按照系統動力學研究問題的思路、方法和步驟，在確定建模目標和系統要素的基礎上，通過分析各要素間的因果反饋關系，構建交通結構演變的系統流圖和結構方程式，依托歷史數據對模型進行參數標定和檢驗，從而建立上海客運交通結構演變的系統動力學模型.本研究將利用系統動力學專用軟件Vensim PLE［12］來建立系統動力學模型.由于篇幅所限，文中僅列出系統界限與要素確定、系統流圖和模型經驗3個步驟.

1.1 系統界限與要素確定

確定系統結構的第一步是根據建模目的和所要研究的系統對象來劃定系統界限，即確定系統需要包含哪些有用的系統要素.城市發展與城市交通結構演變的相互關系不僅包含交通供給、交通需求和交通運行，還包括相關交通規劃與政策對交通結構的互動反饋影響.結合本文的建模目標和城市客運交通結構的系統構成，確定模型的邊界為：交通結構要素、交通供給要素、交通需求要素、交通運行要素、交通規劃與政策要素.具體系統要素確定如下.

1）交通結構要素 包括：個體機動比重；慢行交通比重、步行比重、非機動車比重；公交比重、軌道交通占公交比重、地面公交占公交比重、出租車占公交比重等.

2）交通供給要素 主要指道路設施、軌道交通、機動車的供給，包括：道路等級結構、道路長度、車道通行能力；軌道交通里程；各類機動車保有量等.

3）交通需求要素 主要指不同出行方式的出行需求特征，包括：城市人口（常住人口和流動人口）、人口增長率、居民出行率；小客車（不包含出租車）、摩托車、大客車、出租車的出行頻次、載客率、出行量；公交車平均載客率、客運量、出行量；軌道交通平均客流強度、客運量、出行量等.

4）交通運行要素 主要指交通負荷、道路交通運行狀態，包括：各類機動車的日均行駛里程、高峰小時流量比、高峰小時周轉量；路網交通承載力；高峰小時道路交通強度；路網交通負荷；高峰小時路網平均車速.

5）交通規劃與政策要素 主要指交通投資政策、交通需求管理政策及未來交通系統規劃等并將其量化，包括：軌道交通、道路里程、各類機動車的年均增長率等.

1.2 系統流圖

為簡化建模的復雜度，對于經濟發展水平對交通投資和機動車保有量的影響采用決策變量（也稱速率變量）來表示，即使用道路里程增長率、軌道里程增長率、公交車增長率、小客車增長率等來定量經濟發展和相關交通政策對交通系統的影響.預先確定人口、軌道里程、道路里程、小客車保有量、大客車保有量、摩托車保有量、出租車保有量、公交車保有量作為模型的輸入變量（又稱狀態變量或積累變量）.在此基礎上，結合系統因果關系圖，將交通結構演變和交通結構合理性的判定分為2個子模塊分別建立子系統流圖，得到城市客運交通結構演變的系統流圖（見圖1）和路網交通狀態系統流圖，見圖2.

1.3 模型檢驗

設定2004年為模型初始年（點），以2004年上海第三次綜合交通調查數據為模型輸入.由于文中的建模目的是模擬交通結構的演變，因此選取城市客運交通結構中不同出行方式所占的比重作為模型一致性的檢驗指標.通過模型計算其2004年、2009年的交通結構輸出，與實際調查值進行誤差檢驗，從而判斷模型與實際的一致性，檢驗結果見表1.

表1 模型檢驗結果 %

通過模型計算結果與實際調查數據的對比分析，主要指標的相對誤差均在5%以內，模型的精度符合實際模擬分析的需要，模型與實際系統的一致性符合檢驗要求.因此，該模型可以比較符合實際的定量分析上海客運交通結構的演變進程及特征變化，可以用于對上海客運交通作長期的動態戰略性的定量分析研究.

圖1 交通結構演變系統流圖

圖2 路網交通狀態系統流圖

2 上海軌道交通發展規模分析

2.1 國外軌道交通發展特征

世界上人口密度較大的城市在城市交通發展戰略問題上基本達成共識，即通過發展城市軌道交通，發展運量大、速度快、能耗低、污染少、安全性高、可靠性強的現代化立體公共交通體系，以適應城市發展的需要.從世界大都市的城市發展歷程來看，軌道交通在解決城市交通擁堵、優化城市布局、促進城市發展等方面都發揮了巨大的作用.近幾年，我國政府也逐漸轉變城市發展建設的理念，發展公交優先，尤其是把發展軌道交通放在城市建設中的重要地位，促使我國城市的軌道交通進入了快速發展時期.通過借鑒國外軌道交通的發展經驗，研究如何確定我國城市適宜的軌道交通發展規模，如何定位城市軌道交通與地面公共交通在公交系統中的地位和作用，為我國城市公共交通建設提供理論指導，具有十分積極的現實意義.

由于世界范圍內各個城市軌道交通的發展歷史與發展模式各不相同，各城市軌道交通的發展規模也有顯著的差異.但是，通過對不同城市的軌道交通密度與人口密度的統計分析，發現這兩者之間有一定的相互關系.通過統計世界主要大城市軌道網密度與人口密度（見表2），發現世界大城市的軌道網密度與人口密度分布在兩條不同的擬合曲線上（見圖3），分別將這兩條曲線命名為軌道網高密度發展曲線（簡稱：高密度曲線）和軌道網低密度發展曲線（簡稱：低密度曲線）.在高密度曲線上的城市包括：巴黎中心城、大巴黎市域、東京中心城、東京交通圈、大倫敦市域、紐約市域；在低密度曲線上的城市包括：上海中心城、上海市域、首爾市域、香港市域、新加坡市域、莫斯科市域.可見，各大城市在軌道交通的發展上存在兩種不同的發展模式，而上海則處于低密度發展的模式上.同時，可以發現巴黎和東京的中心城和市域（或交通圈）軌道的發展都在高密度曲線上，說明其軌道的發展趨勢在中心城和市域是一致的.

表2 世界主要大城市軌道網密度與人口密度

圖3 世界主要大城市軌道網密度與人口密度關系圖

2.2 上海軌道交通發展目標假定

根據上述分析，假定上海軌道交通發展分別采取高、低密度曲線，以及當前發展趨勢進行增長，利用上海客運交通結構演變系統動力學模型對比分析未來上海客運交通結構的演變情況.

上海2030年總人口將達到3 150萬人左右，人口密度為0.497萬人／km2.按高密度曲線擬合公式計算，將上海市軌道交通發展高方案設定為：至2030年，市域軌道網密度達0.29km／km2，即所需軌道網規模達1 838km，在公交系統內部形成以軌道交通為主體、地面公交和出租車為輔的公交系統結構，軌道交通在公交系統中處于壟斷地位.為便于對比，將該方案稱為A模式.

按低密度曲線擬合公式計算，將上海市軌道交通發展低方案設定為：至2030年，市域軌道網密度達0.135km／km2，即所需軌道網規模達858 km，在公交系統內部形成以地面公交為主體、軌道交通和出租車為輔的公交系統結構，地面公交在公交系統中處于壟斷地位.將該方案稱為B模式.

另外，按照當前上海市軌道交通的發展趨勢，上海軌道交通年均增長量為56km，至2030年軌道網密度將達到0.22km／km2，這一規劃方案處于高／低密度曲線之間，屬于中密度方案.因此，將上海市軌道交通發展中方案設定為：至2030年，市域軌道網密度達0.22km／km2，即所需軌道網規模達1 393km，在公交系統內部形成以地面公交和軌道交通為主體、出租車為輔的公交系統結構.將該方案稱為C模式.

3 不同軌道交通發展模式對比

根據已建立的上海客運交通結構演變系統動力學模型，為保證模型的連續性和實用性，本文仍然以2004年為基準年，以上海歷次綜合交通調查數據、交通年度發展報告和上海市統計年鑒為基礎數據輸入模型，對這3種軌道交通發展模式進行模擬.

3.1 政策措施分析

1）根據目標制定軌道交通建設規劃 根據模型計算：

A模式，2030年軌道交通線網規模達到1 838km，截止2014年底上海市軌道交通運營總里程達到548km，以此推算在2015年以后，上海市軌道交通要以年均86km以上的新建規模增長，上海需要持續大規模地擴大和完善軌道交通網絡.

B模式，2030年軌道交通線網規模達到858 km，以此推算在2015年以后，上海市軌道交通要以年均21km以上的新建規模增長，上海建設軌道交通的進度將有所放緩.

C模式，保持上海市軌道交通目前發展趨勢，軌道交通年均增長量為56km，至2030年，軌道網規模將達到1 393km.

2）維持限制機動車保有政策，減少機動車使用 控制機動車增長一直是改善道路交通措施的永恒話題.由于受用地資源和城市空間資源的限制，上海道路交通設施的供應增長已十分有限，道路資源增長遠遠趕不上機動車的快速增長，城市對機動車的容納能力以越來越趨于飽和.道路交通狀況日益惡化，工作日高峰時段擁堵更為明顯，交通污染越發嚴重，機動車排放污染目前已成為上海大氣細顆粒物（PM2.5）的主要來源.針對這種情況，上海市需要繼續控制機動車的增長尤其是私人汽車的增長幅度，通過牌照拍賣政策并研究實行道路擁擠收費、區域化差別化停車收費、合乘車道等引導居民減少汽車使用的政策.文中假定在以上3種不同的軌道交通發展模式中，維持現有的機動車控制政策不變，即機動車中各車種的增長維持現有增長趨勢不變.

3.2 模擬效果對比

在政策措施制定及相關參數確定后，經過模型模擬分析，得出A，B，C模式軌道密度與人口密度發展趨勢圖（見圖4）和交通結構演變圖，見圖5.

圖4 上海市軌道密度與人口密度發展趨勢

圖5 上海市交通結構演變圖

由圖4知，A模式采用的是高密度曲線軌道交通發展模式，B模式采用的是低密度曲線軌道交通發展模式，C模式則在高、低密度曲線之間.由圖5知，因采用不同的軌道交通建設進度，公共交通比重的增長呈現出較大差異.A模式由于大力發展軌道交通，公交比重從2010年的25%增長到2030年的40.3%，而到2030年B模式公交比重只為28.2%，C模式為34.8%.同時，在3種模式中，由于設定的個體機動參數不變，個體機動比重的增長趨勢一樣，由2010年的20.3%增長至2030年的28.6%.

4 結束語

文中按照系統動力學研究問題的思路、方法和步驟提出了上海客運交通結構演變的系統動力學模型，并通過對世界主要大城市軌道交通密度與人口密度的統計分析，總結出軌道網高密度發展曲線和軌道網低密度發展曲線兩種發展趨勢.借鑒國外大城市軌道交通的發展特征，計算了高、低、中密度3種軌道交通發展模式下上海市軌道交通的發展規模，利用系統動力學模型對這3種軌道交通發展模式進行了動態的定量分析研究，對比分析了不同軌道規模下未來的交通結構發展演變趨勢，為上海市交通發展模式的選擇和軌道交通規模的確定提供參考.

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