城市軌道交通網絡交通供需調節能力分析*

武超群 裴玉龍 高敬鵬

(哈爾濱工業大學交通科學與工程學院1) 哈爾濱 150090) (黑龍江工程學院汽車與交通工程學院2) 哈爾濱 150050)

城市軌道交通網絡交通供需調節能力分析*

武超群1,2)裴玉龍3)高敬鵬4)

(哈爾濱工業大學交通科學與工程學院1)哈爾濱 150090) (黑龍江工程學院汽車與交通工程學院2)哈爾濱 150050)

(東北林業大學交通學院3)哈爾濱 150040) (哈爾濱工程大學信息與通信工程學院4)哈爾濱 150001)

提出城市軌道交通網絡的交通需求調節能力的概念.從誘增交通需求和城市交通系統自我平衡狀態2個方面探討了軌道交通網絡對城市交通系統供需調節的機理.其估算模型的思路為通過軌道交通網絡供給的誘增需求彈性系數估算其供需比彈性系數，結合調查計算得出軌道交通網絡飽和度，得出量化后的交通供需調節能力.選取15個城市進行實例驗證.結果表明，城市軌道交通網絡所帶來的誘增交通需求，是制約其交通供需調節能力的最重要因素，也是城市交通問題的根源.

軌道交通網絡；城市交通系統；供需狀態；調節能力

0 引 言

交通問題產生的根本原因是城市交通需求與交通供給的不平衡[1]，然而，在社會經濟條件下，城市交通系統供給和需求之間相互聯系、相互制約，供需關系動態的發展變化.采用靜態的方法可以分析交通供需發生變化時短期內產生的影響，如波蘭在帶有衛星城的上西里西亞城市中應用了出行需求和交通供給的系列模型[2]；為擁擠交通系統建立的非連續需求模型，以數學為基礎，以可供路徑選擇的抽象網絡為依托，討論交通供需平衡.采用動態的方法能夠探討影響交通供需狀態的因素，分析其長期的變化趨勢，如采用博弈論可以尋找城市交通供需失衡的根本原因[3]；系統動力學方法研究交通供給和需求非均衡動態變化過程[4]；在深入分析城市交通供需矛盾的基礎上，采用交通供需方之間動態平衡關系的耦合性平衡來評價城市交通系統供需平衡狀態，進而，調控交通供需和分析發展對策[5-6].軌道交通網絡的建設大幅度的增加交通系統供給，被視為解決城市交通擁擠、節能減排的最有效方法之一.以靜態方法分析城市軌道交通供需特征[7]，短期內的效果明顯.與此同時，軌道交通網絡的引導城市格局、刺激經濟發展的作用引發交通的誘增需求，致使其緩解交通擁擠、節能減排的實際功效有待進一步探討.

為了反映軌道交通網絡對城市交通供需平衡動態發展過程中的促進和制約作用，文中提出軌道交通網絡交通供需協調能力的概念，并建立其量化估算模型，旨在能夠定量的分析軌道交通網絡對城市交通的貢獻程度，為城市交通軌道交通規劃、城市交通規劃、乃至城市發展規劃提供理論根據.

1 軌道交通網絡的交通供需協調能力含義

由于軌道交通網絡的建設在大幅度增加城市交通系統供給的同時，通過刺激經濟發展、改變城市格局增加交通需求，二者相互抵消之后達到新的平衡；隨后，軌道交通網絡通過調節發車時間間隔、滿載率等運營手段，使得城市交通系統供需狀態始終處于平衡狀態，達到維持城市交通系統供需平衡的目的.故此，將軌道交通網絡的交通供需調節能力表達為軌道交通網絡對城市交通供需狀態進行調整，使其始終處于一個特定穩定狀態的能力.

軌道交通網絡的交通供需調節能力反映的是城市交通系統供需關系，也映射了城市社會經濟發展的需求.城市軌道交通網絡供需調節能力具體體現在長期調節和短期調節2個方面.長期的供需調節能力表現在軌道交通網絡在將來很長時間內平衡誘增需求的能力；短期的供需調節能力體現在軌道交通網絡在城市交通遭遇不利天氣或者突發事件時，維持城市交通系統供需自我平衡的能力.

2 軌道交通網絡對城市交通系統供需狀態的調節機理

2.1 軌道交通網絡供給與誘增需求

軌道交通網絡供給增加將對居民出行方式產生以下4個方面的影響：①出行時間改變，由于軌道交通供給增加使得居民的出行時間從非高峰時段轉移到高峰時段；②目的地改變，出行速度的提高使得居民將出行的終點選擇到更遠的地方；③交通方式選擇改變，軌道交通從地面交通吸引部分出行，使得地面道路交通擁擠得到緩解；④由于軌道交通供給的增加而誘增交通需求.這一系列改變的直接原因是因出行成本降低而產生的市場效應，則深層次的原因則是交通的便利為居民或者企業帶來的潛在經濟收益.

城市軌道交通供給增加后的效益體現在高峰時段出行客流的增加和地面交通擁擠的減緩2個方面.軌道交通供給的增加從其他路徑、時間和交通方式吸引客流，使得其他路徑、時間和交通方式的服務水平增加，繼而整個城市交通系統的服務水平提高，出行成本降低，從而刺激出行的增長，形成誘增交通需求.隨后，誘增的交通需求降低了軌道交通系統供給增加后的預期效益，因為誘增交通需求產生了新的出行成本，使得交通系統達到一個新的供需狀態，這就是軌道交通網絡供給增加產生誘增需求的原理，見圖1.

圖1 軌道交通網絡供給增加產生誘增需求的原理圖

對于新建的軌道交通線路，交通增長直到擁擠發生，而后增長率下降，實現平衡.此時的需求預測趨勢表明需要更多的交通供給，于是增加軌道交通網絡供給帶來交通需求增長的另一個階段.當交通不擁擠時，交通需求增加；隨著擁擠的出現，增長率下降，直到達到新的平衡.如果交通供給增加，交通需求將達到新的平衡，這個增長量就是誘增需求量.

2.2 軌道交通網絡供給對城市交通供需自我平衡的調節過程

當城市交通長期處于某種供需狀態時，居民將會適應這種供需狀態，并形成固定的行為模式；當供給或需求發生變化時，居民將調整其行為模式，使供需狀態回到原點.假如供給增加，會出現誘增需求；假如需求增加，地面交通大面積堵塞、軌道交通滿載率過高，影響城市正常運轉，迫使城市增加交通供給；最終城市交通的供需狀態還是回到原點.將城市自始至終保持的某種交通供需狀態稱為城市交通系統供需自我平衡，而維持供需自我平衡的原動力是居民對交通系統服務水平的容忍程度.

交通容忍度也可叫交通忍耐度，描述為居民在日常出行過程中對城市交通系統提供服務的可接受程度，即在服務水平基礎上設定的對出行過程中所出現的交通延誤、交通擁擠、出行成本等方面的可容忍限度.在容忍度的范圍內的交通狀態下可以進行正常的工作和生活行程安排.當交通供需狀態提供的交通系統服務水平長期偏離了居民交通容忍度下的服務水平，將會促使居民對其工作和生活的軌跡進行調整.交通容忍度下的交通系統服務水平較低，說明居民對城市交通系統服務能力的包容程度較強.

圖2描述了交通容忍度在城市交通系統維持其供需狀態自我平衡的過程.軌道交通網絡供給量增加使得現狀交通和交通容忍度之間出現了服務水平差距，進而決定了是否誘增需求及其誘增的幅度，影響了城市交通系統需求量，最終使得城市交通系統的供需狀態保持自我平衡.居民對交通服務水平的容忍程度使得城市交通系統的供需狀態呈現穩定的負反饋循環.

圖2 交通容忍度下城市交通系統供需狀態的自我平衡

長期以來，中國大城市的交通系統在高峰時段處于一種供不應求的自我平衡狀態，使得居民的交通容忍度一直較強.當城市軌道交通網絡大量提供交通供給的時候，誘增需求也快速增長，導致城市的自我平衡狀態依然是供不應求.軌道交通網絡對交通系統供需自我平衡的長期調節表現為城市居民交通容忍度下的誘增需求；當城市交通需求穩定增加，存在現狀交通與交通容忍度的服務水平差距為負時，軌道交通系統能夠逐步釋放運能，維持城市交通系統供需自我平衡.

另一方面，當城市交通系統遭遇不利天氣、大客流或者突發事件時，軌道交通網絡需要保證城市交通的正常運轉.當城市交通需求突然增加，或者當其它交通方式供給量下降，軌道交通系統能夠快速響應，迅速增加供給；當城市交通需求減少，供大于求時，也能相應的減少供給，以便節約社會資源.

3 軌道交通網絡交通供需調節能力估算模型

城市交通系統供需自我平衡狀態的量化值是交通容忍度下的城市交通系統供需比[8]，因此，軌道交通網絡交通供需調節能力估算的思路為：通過軌道交通網絡供給的誘增需求彈性系數估算軌道交通供給的供需比彈性系數，而后按照調查計算得出的軌道交通網絡飽和度λ，得出交通供需調節能力Z.

3.1 軌道交通供給的供需比彈性系數

彈性系數法在對一個因素發展變化預測的基礎上，通過彈性系數對另一個因素的發展變化作出預測的一種間接預測方法.在軌道交通網絡供給量變化預測的基礎上，通過彈性系數預測城市交通系統供需比的變化程度，稱為軌道交通網絡供給的供需比彈性系數，簡稱供需比彈性系數.供需比彈性系數ρw定義為供需比的變化程度與軌道交通系統供給量變化程度的比值，用式(1)表示.

(1)

(2)

式中：St為第t期城市交通網絡供給量；Dt為第t期城市交通網絡供給量.

供需比彈性系數ρω估算的難點在于預測軌道交通網絡帶來的誘增交通需求.預測誘增交通需求的方法主要有交通可達性的勢能模型[9-10]，“四階段”法[11]，多元線性回歸法和彈性系數法[12]；其中最簡單可行的方法是彈性系數法[13].

軌道交通網絡供給的誘增需求彈性系數，簡稱誘增需求彈性系數，同樣是在軌道交通網絡供給量變化預測的基礎上，通過彈性系數預測城市交通系統誘增需求的變化程度.

令軌道交通網絡誘增需求量占城市交通系統需求量的比例ξ表示為

(3)

式中：Dy為由軌道交通系統供給量增加而產生的誘增需求.

令軌道交通網絡供給增加比例η表示為

(4)

則誘增需求彈性系數ρy表達為

(5)

將軌道交通系統供給量占城市交通網絡總供給量的比例記為軌道交通網絡供給占有率ε，表達為

(6)

當ε=1時，代表了地面交通完全癱瘓的狀態，城市交通完全依賴軌道交通網絡.當ε=0時，代表了城市中沒有軌道交通網絡存在的狀態，此時的供需比彈性系數針對新建線路進行預測.

對式(1)進行推導，則供需比彈性系數ρω可用式(7)表達.

(7)

用Matlab軟件繪制供需比彈性系數ρw的四維圖像見圖3.從圖3可知，理論上ρw的取值范圍為ρw∈[-1,1].當ε≥ρy時，ρw∈[0,1]；當ε<ρy時，ρw∈[-1,0).ρw取正值意味著軌道交通供給增加的幅度超過了其誘增需求的程度，城市交通系統供需比增加，軌道交通網絡的建設能夠長期改善城市交通供需狀態.

圖3 供需比彈性系數的四維圖

3.2 軌道交通網絡交通供需調節能力的量化估算

軌道交通網絡供需調節能力的量化表達為軌道交通系統供給的增加能使城市交通系統供需比的最大變化范圍，不僅與供需比彈性系數有關，還與軌道交通網絡的飽和度有著密切的關系.軌道交通滿載率、發車間隔和編組數決定了軌道交通線路的供給能力.當滿載率和編組數取最大值、發車間隔取最小值時，軌道交通線路供給能力達到最大.軌道交通日常需求客流量與軌道交通網絡所能提供最大供給量的百分比，稱為軌道交通網絡飽和度λ，用式(8)表示.

(8)

軌道交通網絡飽和度與軌道交通供需比的區別在于：軌道交通系統最大供給量要求軌道交通系統的所有設備在保障安全的前提下，達到最高效率的運轉，而供需比中的供給量是保障一定服務水平的條件下的供給量.二者相同之處在于需求量均為日常需求量.

因此，軌道交通網絡供需調節能力Z表達為式(9).

(9)

根據式(9)用Matlab軟件繪出軌道交通網絡供需調節能力的曲面圖見圖4.圖中顯示W的理論取值范圍為W∈[-100,100].當λ=100或者ρw=0時，Z=0；ρw<0時，Z<0.

圖4 軌道交通網絡供需調節能力的曲面圖

4 實例驗證

中國城市正處于高速建設軌道交通線路的時期，截止2015年底，全國有22個城市開通了軌道交通.文中選取15個城市作為研究對象，基于以下2點：

1) 這些城市在開通首條軌道交通線路之后，將軌道交通的建設列入市政重點工程之一，近期，每年均有不菲的投入推進軌道交通網絡的建設，從2016—2020年之間，城市軌道交通網絡的規模將有很大的發展，絕大多數城市在這期間能夠形成初具規模的網絡.由于在估算模型中考慮了社會經濟因素，在進行預測時會有很大的不確定性，為了更精確的對評價方法進行驗證，論文將對2020年前后作為近期狀態和將2015年底作為現狀進行對比分析,見圖5.

2) 這些城市的地理位置有東部沿海城市，也有西部城市；有一線城市，也有省會城市；有高寒城市，也有熱帶城市；有軌道交通發展速度較快的城市，也有軌道交通發展較慢的城市：從政治經濟發展、地理位置、氣候條件、人文環境，以及城市交通發展水平等各個方面均有代表性.

圖5 城市軌道交通網絡發展基本情況

根據圖6展示的15個城市的軌道交通網絡交通供需調節能力現狀和近期對比結果，每個城市軌道交通網絡的交通供需調節能力的變化都不是很大，蘇州和長沙的上升幅度稍大一些，北京、廣州、深圳持平，程度甚至出現了下降的現象；而且所有城市的值都很低，處于較低水平的狀態.究其原因，產生這種現象的根源在于誘增需求彈性系數較大，結合圖6中給出的誘增需求彈性系數，可以發現誘增需求彈性系數較小的城市，軌道交通網絡交通供需調節能力的值相對較大，反之亦然.

圖6 軌道交通網絡交通供需調節能力現狀和近期對比

誘增需求是城市經濟發展一個必然結果，誘增需求彈性系數反映了城市對交通系統的潛在需求；現狀中這種潛在需求的存在導致了軌道交通網絡的交通需求調節能力值的偏低，近期將制約著其交通需求調節能力的發展.只有軌道交通網絡建設速度超額滿足潛在需求，交通需求調節能力才有可能提高；只有誘增需求彈性系數小于軌道交通網絡供給占有率時，城市軌道交通網絡的交通供需調節能力才會大于零.由圖7可知，絕大多數城市的誘增需求彈性系數都遠大于其供給占有率，意味著軌道交通網絡的建設速度趕不上城市經濟的發展速度，意味著軌道交通網絡只是被動地滿足城市交通需求的發展，而沒有能力主動地調節交通供需狀態.

圖7 城市軌道交通網絡誘增需求彈性系數

然而，多中心的城市功能放大了交通系統的資源和勞動力的集聚效應，加快了交通系統引起的經濟活動遷移，使得繁榮之處更加繁榮，結果是誘增交通彈性系數居高不下，城市的交通供需狀態只能維持在原有水平.

5 結 論

1) 提出軌道交通網絡交通供需調節能力的概念，引入交通容忍度闡述軌道交通網絡對交通供需的調節機理.

2) 建立軌道交通網絡的交通供需調節能力估算模型，對15個國內城市2015年底和2020年前后的軌道交通網絡進行分析.

3) 由于誘增交通需求過大，城市軌道交通網絡的建設也只能在短期內暫時緩解城市交通問題，為了維持城市的可持續發展，解決城市交通問題的根源，需要進一步規劃城市的功能和布局.

文中提出的方法雖然能夠量化城市軌道交通網絡對交通系統供需狀態的作用效果，但是其供需比彈性系數的確定還處于初步的研究階段，特別是誘增交通需求的估算，只是采用最簡單可行的彈性系數法，還需進行更廣泛深入的研究.

[1]陳緒明,陳俊材.城市交通供需平衡的影響及對策分析[J].交通標準化，2006(11):118-120.

[2]KARON G. Travel demand and transportation supply modelling for agglomeration without transportation model[J].Activities of Transport Telematics,2013(2):284-293.

[3]周晶,朱振濤.城市交通供需失衡的層次分析及其控制策略[J].交通運輸系統工程與信息，2007,7(4):24-29.

[4]文愛亭,黃中祥.城市交通供需非均衡SD模型[J].交通科學與工程,2016,32(1):86-91.

[5]施斌峰.寧波市城市交通供需調控方法研究[J].寧波工程學院學報,2011,23(1):46-49.

[6]劉賢騰,沈青,朱麗.大城市交通供需矛盾及發展對策：以南京為例[J].城市規劃,2009(1):80-87.

[7]吳一洲,陳雪瑋,朱嘉伊.基于空間句法-GIS的城市軌道交通供需特征研究：以杭州市為例[J].地理信息世界,2014(2):13-21.

[8]WU C, PEI Y, GAO J. Model for estimation urban transportation supply-demand ratio[J]. Mathematical Problems in Engineering,2015,673:1-12.

[9]楊超,楊耀.城市軌道交通誘增客流量預測分析[J].城市軌道交通研究,2006,9(4):31-33.

[10]程曉青,倪少權,王柄連.新建城市軌道交通近期誘增客流預測研究[J].鐵道運輸與經濟,2009,31(11):55-57.

[11]楊靜,毛保華,丁勇,等.區域誘增交通量計算方法研究[J].交通運輸系統工程與信息,2005,5(5):41-45.

[12]HANSEN M, HUANG Y. Road supply and traffic in California urban areas[J]. Transportation Research Part A: Policy and Practice，1997,31(3):205-218.

[13]LITMAN T. Generated traffic and induced travel[J]. Implications for Transport Planning，2012(1):55-58.

Analysis on Transportation Supply-demand Adjustment Ability of Urban Rail Transit Network

WU Chaoqun1,2)PEI Yulong3)GAO Jingpeng4)

(SchoolofTransportationScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)1)(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,HeilongjiangInstituteofTechnology,Harbin150050,China)2)(TrafficCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)3)(CollegeofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)4)

The concept of “transportation supply-demand adjustment ability of urban rail transit network” is proposed in this paper. The principles of the rail transit network adjusting the urban transportation supply-demand are explored, based on both the induced transport demand and the supply-demand self-limiting equilibrium of urban transport system. The thinking of its estimation model is that the supply-demand elastic ratio of the rail transit network supply is calculated based on its induced demand elastic ratio. Furthermore, the quantified transportation supply-demand adjustment ability can be obtained based on the calculated rail transit network saturation. The results of 15 cities show that the induced transport demand is an important factor restricting the transportation supply-demand adjustment ability of urban rail transit network and is the root on urban transport problem.

rail transit network; urban transport system; supply-demand condition; adjustment ability

2016-11-18

*國家自然科學基金面上項目資助(51278158/E0807)

U491.12

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.005

武超群(1980—)：女,博士生，副教授，主要研究領域為交通運輸規劃與管理