基于時(shí)空消耗的共享汽車擁堵治理效用研究

劉 向，洪 林，王 寧，王建春

（1.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804；2.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東，青島 266590；3.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

共享電動(dòng)汽車出行是在共享汽車出行的基礎(chǔ)上，使用電動(dòng)汽車替代傳統(tǒng)燃油車的一種更加低碳的出行方式,是一種介于公共交通和私人交通之間的創(chuàng)新出行模式，既強(qiáng)調(diào)私家車的便捷，又強(qiáng)調(diào)車輛使用權(quán)的共享。目前，關(guān)于共享汽車已有大量研究，研究發(fā)現(xiàn)共享汽車的出現(xiàn)減少了城市居民私家車的平均擁有量，降低了私家車的使用率和用戶的出行成本，還能夠減少溫室氣體的排放[1]。此外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)共享汽車用戶會(huì)更多地使用公共交通[2]，從而減少了停車需求[3]以及行車公里數(shù)（Vehicle Kilometers of Travel，VKT）[4]。但也有分析認(rèn)為共享汽車降低了用車門檻，在大幅提高汽車使用便捷性的同時(shí)，也導(dǎo)致一部分選擇公共交通出行的用戶轉(zhuǎn)移到選擇共享汽車出行，從而增加了機(jī)動(dòng)車的出行次數(shù)和城市VKT，最終導(dǎo)致城市交通擁堵更加嚴(yán)重。

當(dāng)前，針對(duì)共享汽車的研究還包括共享汽車的運(yùn)營和發(fā)展模式研究、共享汽車的用戶接受度調(diào)查、共享汽車的使用意愿以及共享汽車的用戶效益分析，但關(guān)于共享汽車對(duì)城市交通擁堵治理的作用卻鮮有研究。本研究以時(shí)空消耗理論為基礎(chǔ)計(jì)算路網(wǎng)容量，通過比較共享電動(dòng)汽車出行相對(duì)于傳統(tǒng)出行方式帶來的出行時(shí)空消耗的變化，探究共享電動(dòng)汽車對(duì)路網(wǎng)容量的影響，從而定量研究共享電動(dòng)汽車對(duì)城市交通擁堵治理的效用，最終實(shí)現(xiàn)共享電動(dòng)汽車出行的精細(xì)化管理。

1 路網(wǎng)容量計(jì)算

1.1 時(shí)空消耗理論下的路網(wǎng)容量計(jì)算

時(shí)空消耗理論將交通系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)具有時(shí)空屬性的容器[5]，通常將時(shí)空消耗解釋為交通個(gè)體在一定時(shí)間內(nèi)占有的空間或者在一定空間內(nèi)占有的時(shí)間，為了探究共享電動(dòng)汽車對(duì)城市交通擁堵治理的效用，本研究基于時(shí)空消耗理論來計(jì)算路網(wǎng)容量。

圖1 出行時(shí)空消耗示意圖

圖1為截取的某一段路網(wǎng)，該段路網(wǎng)的長度為L，寬度為W，在給定的時(shí)間段T內(nèi)，這段路網(wǎng)所能提供的時(shí)空資源可以表示為：

記第1輛車在出行時(shí)間為t的一次出行過程中的時(shí)空消耗為Cs，則有：

根據(jù)路網(wǎng)容量的定義，結(jié)合式（1）和式（2），路網(wǎng)容量的計(jì)算公式為：

1.2 基于跟馳模型的路網(wǎng)容量計(jì)算修正

為計(jì)算某一出行方式的時(shí)空消耗，通常用瞬時(shí)動(dòng)態(tài)凈空面積（跟車行駛時(shí)所必需的車頭間距與橫向安全寬度的乘積）與平均出行時(shí)間的乘積來表示。車頭間距包括車身長度和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)安全車距，瞬時(shí)動(dòng)態(tài)安全車距是根據(jù)車輛跟馳過程計(jì)算的。

以小汽車Ci為例，結(jié)合跟馳模型對(duì)路網(wǎng)容量的計(jì)算進(jìn)行修正。車輛跟馳運(yùn)動(dòng)示意圖如圖2所示，在跟馳行駛過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)前車突然停止，駕駛員做出反應(yīng)后立即制動(dòng)，直到車輛停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)與前車仍需保持一定的安全距離，則該段距離記為車輛跟馳過程中的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)凈空安全車距。因此，在計(jì)算瞬時(shí)動(dòng)態(tài)安全車距時(shí)，需要考慮交通路網(wǎng)中共享電動(dòng)汽車的行駛速度，不同行駛速度條件下，前后車之間需要保持的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)安全車距也不相同。圖中，記第i輛車Ci的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)安全車距為Ls：

式中：d為車輛制動(dòng)停止后與前車保持的安全車距；Lb為車輛的制動(dòng)距離。假設(shè)車輛在制動(dòng)過程中的初始速度為v0，根據(jù)車輛的制動(dòng)原理，制動(dòng)距離Lb為：

式中：t為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間；a為車輛的制動(dòng)減速度。因此，車Ci的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)安全車距Ls為：

車Ci的車身長度為L，則車頭間距Li為：

因此，結(jié)合跟馳模型，修正后的路網(wǎng)容量計(jì)算公式為：

圖2 車輛跟馳運(yùn)動(dòng)示意圖

2 數(shù)據(jù)獲取與分析處理

2.1 共享電動(dòng)汽車對(duì)其它出行方式的替代率

共享電動(dòng)汽車的出現(xiàn)增加了用戶的出行選擇，對(duì)城市交通系統(tǒng)中已有的出行方式也帶來了一定影響。為了探究共享電動(dòng)汽車對(duì)已有出行方式的影響，通過問卷調(diào)查的方式獲得了共享電動(dòng)汽車對(duì)已有出行方式的替代率。為保證調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，問卷將城市居民日常出行方式分為8種：①步行；②自行車、共享單車；③電動(dòng)自行車；④公交車；⑤網(wǎng)約車（如滴滴、優(yōu)步、非出租車）、出租車；⑥地鐵；⑦私家車；⑧共享電動(dòng)汽車。

充分考慮距離因素對(duì)替代率的影響[6]，將用戶出行距離劃分為5 km以內(nèi)、5～10 km、10～20 km、20～50 km、50 km以上5個(gè)距離區(qū)域，然后創(chuàng)建出行場景讓用戶進(jìn)行第二次選擇，從而計(jì)算共享電動(dòng)汽車對(duì)已有出行方式的替代率。考慮到交通方式的選擇與出行時(shí)間、當(dāng)前交通狀態(tài)等因素有很大關(guān)系，設(shè)計(jì)問卷時(shí)假定在該出行場景中，用戶選擇不同出行方式無需考慮出行時(shí)間和當(dāng)前交通狀態(tài)。通過對(duì)回收的問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出共享電動(dòng)汽車在不同出行距離區(qū)域?qū)鹘y(tǒng)出行方式的替代率，具體結(jié)果見表1。

2.2 EVCARD數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究所采用的數(shù)據(jù)為上海市EVCARD分時(shí)租賃汽車（共享電動(dòng)汽車）公司提供的出行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)提供的具體信息種類及描述見表2。由于EVCARD提供的出行數(shù)據(jù)中存在無效出行數(shù)據(jù)，所以需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，剔除無效出行數(shù)據(jù)。

表1 共享電動(dòng)汽車出行對(duì)已有出行方式的替代率 單位： %

表2 EVCARD出行數(shù)據(jù)信息介紹

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上海市EVCARD提供的出行數(shù)據(jù)，計(jì)算上海市交通系統(tǒng)中共享電動(dòng)汽車的出行時(shí)空消耗。在計(jì)算共享電動(dòng)汽車出行的時(shí)空消耗時(shí)，需獲取共享電動(dòng)汽車的出行時(shí)間、出行速度和閑置時(shí)間3個(gè)參數(shù)的值。隨機(jī)選取上海市100輛EVCARD一周內(nèi)的出行數(shù)據(jù)來計(jì)算相關(guān)參數(shù)的值。

以上海市交通路網(wǎng)中任意一輛EVCAERD的出行數(shù)據(jù)為例進(jìn)行3個(gè)參數(shù)的分析，其它車輛的出行數(shù)據(jù)分析同此理。將該車標(biāo)記為A車，根據(jù)A車的出行數(shù)據(jù)分別計(jì)算VA，TtA，TfA三個(gè)參數(shù)的值。車輛速度由EVCARD出行數(shù)據(jù)表直接記錄并提供，更新周期為60 s，計(jì)算A車在某一時(shí)間區(qū)間內(nèi)的出行速度VA：

式中：vi為每次采集的車輛行駛速度值；n為A車在該出行時(shí)間區(qū)域內(nèi)的速度值更新次數(shù)。同理，車輛的當(dāng)前狀態(tài)信息顯示為停止、行駛和充電3種狀態(tài)，可以根據(jù)車輛的狀態(tài)用算數(shù)平均法計(jì)算車輛的平均出行時(shí)間TtA和平均閑置時(shí)間TfA，計(jì)算過程中不考慮車輛故障原因。計(jì)算A車在某一時(shí)間區(qū)間內(nèi)的平均出行時(shí)間TtA和平均閑置時(shí)間TfA的值，如式（10）和式（11）所示。

考慮到數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)處理是通過Python編程實(shí)現(xiàn)，輸入為經(jīng)過預(yù)處理的EVCARD共享電動(dòng)汽車一個(gè)月的出行數(shù)據(jù)，包括車輛的采集時(shí)間Tc、速度Vc、SOC和車輛當(dāng)前狀態(tài)S，具體算法流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分析及參數(shù)計(jì)算

3 建立共享汽車交通治理效用模型

3.1 不同出行方式的時(shí)空消耗

根據(jù)時(shí)空消耗理論，不同出行方式的出行時(shí)空消耗為：

式中：Si為出行方式車頭間距；Wi為出行方式占用的車道寬度；Ti為出行時(shí)間。不同出行方式下出行時(shí)空消耗的具體計(jì)算公式見表3。

表3 不同出行方式的出行時(shí)空消耗

表3中，小汽車的車長為5 m，公交車車長為12 m，車道寬為3.5 m；地鐵車長為19.8 m，車道寬為2.8 m；自行車車長為1.5 m，電動(dòng)自行車車長為2 m，車道寬度為1.2 m；步行人行道為1 m，所需的安全距離取1 m。其中，考慮到實(shí)際情況，選擇公交和地鐵出行方式來計(jì)算人均出行的時(shí)空消耗。

3.2 停車時(shí)空消耗

停車位資源作為交通資源的一部分，與城市交通擁堵有著密切的聯(lián)系。共享電動(dòng)汽車能提高停車位的周轉(zhuǎn)率，為了更精細(xì)化地研究共享電動(dòng)汽車對(duì)城市交通擁堵的影響，將停車位的時(shí)空消耗作為城市總出行消耗的一部分，停車位的時(shí)空消耗可以表示為停車位的面積與停車時(shí)間的乘積，其公式為：

式中：Ap為出行所使用的交通工具的停車位面積；Tp為停車時(shí)間。不同交通工具的停車位面積見表4。

表4 不同交通工具的停車位面積

3.3 共享汽車交通治理效用模型的建立

在本研究中，出行時(shí)空消耗就是所有出行個(gè)體使用不同交通方式所占用的城市交通資源的動(dòng)態(tài)凈空面積與占用時(shí)間乘積的總和。基于時(shí)空消耗理論，聯(lián)合跟馳模型，通過計(jì)算共享電動(dòng)汽車的出現(xiàn)所帶來的城市出行時(shí)空消耗的變化，來計(jì)算路網(wǎng)容量的變化，最終探究共享電動(dòng)汽車對(duì)交通擁堵治理的效用，模型的整體框架如圖4所示。

圖4 出行時(shí)空消耗模型的整體框架

在某一出行場景下，計(jì)算用戶選擇傳統(tǒng)出行方式時(shí)的出行時(shí)空消耗，如式（14）所示。

式中：Ai為選擇第i種出行方式的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)凈空面積；T為通過第i種出行方式所耗費(fèi)的時(shí)間。在相同的出行場景下，計(jì)算用戶選擇共享電動(dòng)汽車出行方式的出行時(shí)空消耗，如圖（15）所示。

因此，共享電動(dòng)汽車這種出行方式帶來的出行時(shí)空消耗的變化可以表示為：

式中：β為共享電動(dòng)汽車帶來的時(shí)空消耗變化。根據(jù)路網(wǎng)容量定義，當(dāng)β＞0時(shí)，表示共享電動(dòng)汽車出行時(shí)減少了出行時(shí)空消耗，增加了路網(wǎng)容量，緩解了城市交通擁堵；當(dāng)β＜0時(shí)，表示共享電動(dòng)汽車出行時(shí)增加了出行時(shí)空消耗，減少了路網(wǎng)容量，加劇了城市交通擁堵。

4 實(shí)例分析

根據(jù)上海市EVCARD分時(shí)租賃汽車的出行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例分析。由出行數(shù)據(jù)分析得出共享電動(dòng)汽車不同出行距離的比率，如圖5所示，結(jié)合表1可以確定上海市共享電動(dòng)汽車對(duì)傳統(tǒng)出行方式的實(shí)際替代率。

為計(jì)算共享電動(dòng)汽車在不同出行距離時(shí)對(duì)交通擁堵治理的效用，通過計(jì)算不同出行距離區(qū)域內(nèi)共享電動(dòng)汽車出行的時(shí)空消耗，以及被替代的傳統(tǒng)出行方式的出行總時(shí)空消耗，從而獲得β值，結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同出行距離的共享電動(dòng)汽車出行比率

圖6 共享電動(dòng)汽車不同出行距離時(shí)的β值

在出行距離小于5 km時(shí)，共享電動(dòng)汽車出行增加了出行總時(shí)空消耗，加劇了交通擁堵；當(dāng)出行距離超過5 km時(shí)，共享電動(dòng)汽車會(huì)不同程度地緩解交通擁堵，其中，在出行距離為10～20 km時(shí)，共享電動(dòng)汽車對(duì)緩解城市交通擁堵的效用最明顯。

計(jì)算共享電動(dòng)汽車在工作日、非工作日、工作日早通勤、工作日晚通勤時(shí)間，以及一整周這5個(gè)時(shí)間區(qū)域內(nèi)共享電動(dòng)汽車帶來的出行時(shí)空消耗的變化量，從而探究共享電動(dòng)汽車在每一個(gè)時(shí)間區(qū)域內(nèi)出行對(duì)城市交通治理的具體效果，計(jì)算方法見表4。

根據(jù)表4對(duì)上海市共享電動(dòng)汽車出行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出上述5個(gè)時(shí)間區(qū)域內(nèi)共享電動(dòng)汽車帶來的出行時(shí)空消耗的變化量，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7中的縱軸代表出行時(shí)空消耗。由圖7a可知，工作日共享電動(dòng)汽車對(duì)城市交通擁堵治理作用效果明顯的時(shí)段集中在12:00～16:00之間；由圖7b可知，非工作日共享電動(dòng)汽車對(duì)城市交通擁堵治理作用效果明顯的時(shí)段從4:00一直持續(xù)到23:00，相較于工作日，緩解擁堵的時(shí)間更長；由圖7e可知，相較于非工作日，工作日共享電動(dòng)汽車對(duì)城市交通擁堵治理的作用明顯；對(duì)比圖7a和b可知，相較于工作日，非工作日共享電動(dòng)汽車帶來的城市出行時(shí)空消耗的變化比較平穩(wěn)，早晚通勤時(shí)間段對(duì)出行時(shí)空消耗的變化影響較小；對(duì)比圖7a～d可知，工作日早晚通勤時(shí)段內(nèi)共享電動(dòng)汽車出行減少了城市出行時(shí)空消耗，但相較于工作日的非通勤時(shí)間，共享電動(dòng)汽車在早晚通勤時(shí)間段內(nèi)對(duì)交通擁堵治理的效果不是很明顯。

表4 共享電動(dòng)汽車帶來的出行時(shí)空消耗變化量計(jì)算方法

圖7 不同出行時(shí)間內(nèi)共享電動(dòng)汽車出行減少的時(shí)空消耗變化

5 結(jié)論

本研究以時(shí)空消耗理論為基礎(chǔ)計(jì)算路網(wǎng)容量，建立了出行總時(shí)空消耗模型來研究共享電動(dòng)汽車對(duì)城市交通擁堵治理的作用。通過上海市EVCARD出行數(shù)據(jù)對(duì)出行總時(shí)空消耗模型進(jìn)行實(shí)例分析，其結(jié)果如下：

（1）在出行距離小于5 km時(shí)，共享電動(dòng)汽車替代了一部分步行、自行車和公共交通出行的用戶，增加了1.78×108單位的出行總時(shí)空消耗，加劇了城市交通擁堵；在出行距離為10～20 km時(shí)，共享電動(dòng)汽車減少了6.42×108單位的出行總時(shí)空消耗，對(duì)交通擁堵治理的作用最明顯。

（2）在一周內(nèi)，工作日私家車出行會(huì)長時(shí)間閑置，占用大量的停車位資源，而共享車的閑置時(shí)間較短，對(duì)停車位資源的需求較少，因此，共享電動(dòng)汽車在工作日對(duì)交通擁堵治理的作用較非工作日更加明顯；在工作日通勤時(shí)段內(nèi)，由于共享電動(dòng)汽車的需求較為集中，其出行形式類似于私家車和出租車，對(duì)城市交通擁堵治理的作用不明顯；非工作日，出行時(shí)間更為離散，共享電動(dòng)汽車出行對(duì)交通擁堵治理的作用效果在通勤時(shí)段較其它出行時(shí)段變化不大。

綜上所述，共享電動(dòng)汽車對(duì)交通擁堵治理的效果在不同的出行時(shí)段內(nèi)，以及不同出行距離內(nèi)都會(huì)發(fā)生變化，短途出行使用共享電動(dòng)汽車會(huì)增加擁堵，但綜合考慮來看，共享電動(dòng)汽車對(duì)交通擁堵治理具有積極的效用。