基于系統動力學的城市交通擁堵研究

麥樂，宋燁

基于系統動力學的城市交通擁堵研究

麥樂，宋燁

（長安大學，陜西 西安 710064）

文章研究客貨運出行對城市交通擁堵的影響，運用系統動力學建模思想，考慮貨運和居民出行構建城市交通出行SD模型。以西安市為例確定模型參數及方程。仿真結果表明，機動車尾號限行可以有效緩解交通擁堵。針對貨運車，若晝間貨運量減少至原來的35%左右，實行貨運車晝間限行才會減少貨運交通擁堵。

城市交通擁堵；系統動力學；模擬仿真

引言

城市交通擁堵通常是指一種車多而行駛緩慢的現象。隨著經濟的發展，城市機動車保有量越來越多，城市交通需求和供給之間的矛盾日益突出，交通問題日益加劇。基于此，本文運用系統動力學建模思想，考慮貨運出行和居民出行建立城市交通擁堵SD模型。以西安市為例，通過對模型中主要變量的仿真和分析給出合理化的客貨運出行管控措施，為西安市交通擁堵治理提供建議。

1 系統動力學模型的構建

1.1 系統邊界確定

城市交通系統受多因素影響，本文以分析城市交通擁堵為建模目的確定建立的系統動力學模型主要包括城市經濟、貨運交通、居民出行交通等要素。

1.2 系統因果關系建立

隨著城市經濟的發展，城市物流量、機動車保有量都逐漸增加，城市機動車出行需求日益增加導致交通擁堵問題日益加重。另一方面，交通擁堵問題致使城市機動車限行政策更為嚴格。如圖1為城市交通出行模型的因果關系圖。

圖1 城市交通出行因果關系圖

1.3 城市貨物運輸系統流圖構建

根據因果關系圖，采用VENSIM軟件繪制城市交通出行系統流圖，如圖2所示。

城市交通運行過程中，根據交通出行的時間不平衡性和空間不平衡性，只有在一定時間段內和特殊區域才會發生擁堵現象，因此交通擁堵程度通過日高峰小時占用路網總面積來研究，方程如下所示：

式中DMJ，RMJ≥0。TC值越大，表示交通擁堵情況越嚴重。

2 實證分析

2.1 主要參數設置

表1 主要參數取值

表2 主要變量表達式

本文以西安為例對城市交通擁堵進行研究，探索客貨運出行對于交通擁堵的影響。數據主要來源于《西安市統計年鑒》、《中國統計年鑒》以及西安市統計局等。對于不完整的數據，通過回歸分析方法在已有數據的基礎上進行合理取值計算；對于難以直接獲取的數據，根據系統結構進行合理假設。結合上述方法，得到模型初始參數取值見表1，主要變量的表達式見表2。

2.2 模型檢驗

通過量綱一致性檢驗后，以2011年-2018年的統計數據為基礎，對西安市的交通情況進行模擬仿真，選取私家車數量進行真實性檢驗，如表3所示。

表3 私家車數量模擬值與真實值對比

比較城市私家車數量真實值和仿真值，相對誤差的絕對值小于5%的值占87.5%，認為該模型符合實際，可以使用該模型進行仿真分析。

2.3 動態仿真和分析

2.3.1機動車管理措施分析

仿真模擬實行機動車限行前后對城市交通情況的影響。假設實行尾號限行前后私家車和公交出行總人數不變，隨著私家車出行量的減少，公交出行人數會增多。設置私家車限行前的年出行次數為600。限行2個、5個尾號時私家車年出行次數分別減少20%和50%，仿真結果如圖3所示。

圖3 私家車尾號限行前后交通擁堵情況

分析可得，2015年之前交通情況良好實施限行收益不大且浪費道路資源；考慮到道路資源的合理利用，在2015-2022年間實行20%車輛限行較好；2022年之后，實行單雙號限行較好。

2.3.2貨運車管理措施分析

仿真模擬實行貨運車晝間限行和貨運車運輸路徑規劃前后對城市交通的影響。據調查，西安市貨運車輛約占機動車總數8%，實施貨車限行對機動車出行總量影響不大，因此引入貨運交通擁堵指數研究貨運交通擁堵情況。假設城市貨運需求總量保持不變。通過設置不同的貨運高峰小時流量占比和“客改貨”承擔貨運比重模擬不同限制情境，如圖4所示。

圖4 貨運車管控前后的貨運交通擁堵情況

曲線1，基礎情形；曲線2，貨運車晝間禁行，晝間貨運量保持不變；曲線3，貨運車晝間禁行且晝間貨運量減少90%；曲線4，貨運車晝間限行且晝間貨運量減少35%；曲線5，限制貨運車通行路段。結果表明，貨運造成的交通擁堵與貨運總量有關；對比曲線2和3，晝間“客帶貨”貨運量過多會加重交通擁堵；對比曲線1和4，若晝間貨運量減少至原來的35%左右，實行貨運車晝間限行會減少貨運交通擁堵；由曲線5，規劃貨運車運輸路徑對于緩解貨運交通擁堵效果較好。

3 結論

通過仿真模擬，分析得到以下結論：針對居民出行，通過私家車尾號限行控制私家車出行量，可以有效改善交通情況。綜合考慮道路資源和機動車保有量增長速度，在2015- 2022年限制20%車輛收益較好；2022年之后，實行單雙號限行收益較好。針對貨運出行，若晝間貨運量減少至原來的35%左右，實行貨運車晝間限行才能減少貨運交通擁堵；相比于貨運車晝間禁行，限制貨運車通行路段、規劃貨運車運輸路徑對于緩解交通擁堵效果較好。

[1] 賈書偉,嚴廣樂.基于SD-GM理論的城市交通擁堵收費模型研究[J].運籌與管理,2019,28(7):160-168.

[2] 楊揚,楊小佳.基于系統動力學的城市貨車限行問題研究[J].公路交通科技,2017,34(5):150-157.

[3] 賀凱凱.基于系統動力學的城市客貨運出行對交通擁堵的影響研究[D].武漢:武漢理工大學,2018.

Research on Urban Traffic Congestion Management based on System Dynamics

Mai Le, Song Ye

( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

This paper studies the impact of passenger and freight travel on urban traffic congestion. Considering the urban passenger and freight travel to build SD model. Take Xi'an city as an example to determine the model parameters and equations. The results show that vehicle tail number restriction can effectively alleviate traffic congestion. For freight vehicles, If the day freight volume is reduced to about 35%, the traffic restriction can reduce the traffic congestion.

Urban traffic jam; System dynamics; Simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.010

U491.4

A

1671-7988(2021)04-29-03

U491.4

A

1671-7988(2021)04-29-03

麥樂（1996.02-），女，寧夏省中衛市人，碩士研究生，就讀于長安大學，研究方向：交通運輸規劃與管理。