低碳經濟下城市交通系統動力學模型及政策仿真

高妍南，郝 晴

(1.廣東海洋大學 電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088；2.哈爾濱商業大學 工商管理博士后流動站，黑龍江 哈爾濱 150028;3.哈爾濱商業大學 管理學院，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引言

隨著社會經濟迅猛發展，環境污染問題日益加劇，特別是近些年城市霧霾現象引起人們廣泛關注，人類的未來生存和可持續發展面臨嚴峻挑戰，在此背景下低碳經濟成為國內外最受關注的話題之一。發展低碳經濟是降低環境污染的最佳方式，而交通作為主要能源消耗方，在低碳經濟發展中占據不可或缺的地位。國外如英國、日本等發達國家針對低碳交通的發展都提出了各種規劃及政策，并取得了一些成效[1]。我國于2016年加入《巴黎氣候變化協定》，強調將生態文明建設交通運輸發展的各方面相融合，推進低碳城市交通運輸發展。高強度的城市交通運輸將導致道路碳排放量大幅上漲，據統計，僅2007年我國的城市交通CO2排放就達到了4.4億t，由碳排放造成的環境污染問題將阻礙經濟社會實現可持續發展[2]。因此，優化交通結構，解決交通擁堵問題，構建低碳、綠色、可持續發展的道路交通，促進社會發展向低碳化轉型具有至關重要的意義。

國外一些學者圍繞城市交通污染及交通擁堵問題展開了大量研究。Suarez等[3]提出城市道路上機動車產生的尾氣是引起城市空氣污染問題的主要原因, 認為城市交通基礎設施普遍被過度使用，公共交通是緩解交通問題的有效手段[4]。Taylor[5]從經濟學視角出發，研究了城市交通擁堵的產生原因。McKnight[6]提出限制私家車的購買和使用可使城市交通問題得到解決。

國內一些學者利用定性或線性定量的方法，在城市交通可持續發展的對策及評價方法方面展開了研究[7-8]。考慮到城市交通系統是一個受多種因素影響，包含多個子系統和反饋結構的復雜系統，使用常規線性定量方法常常無法準確描述城市交通系統的特點[9]。

系統動力學是一種模擬復雜系統動態過程的仿真方法，Wellar指出該方法可以用來評估城市交通可持續發展[10]。王繼峰[11]采用系統動力學方法，從人口、經濟發展、機動車保有量、環境影響等方面出發，建立了城市交通系統的SD 模型。張建慧等[12]通過建立低碳交通系統動力學模型進行了仿真模擬，發現機動車保有量和城市人口增加是城市交通碳排放增加的重要驅動因素。楊浩雄等[13]用系統動力學的方法建立治理城市交通擁堵的系統動力學模型，進行了仿真分析并提出了對策建議。張毅等[14]構建了以機動車發展政策為調控因子的城市交通可持續發展系統動力學模型，并指出政策干預對機動車保有量、GDP、總人口及NO2污染指數起到重要作用。另外，隨著城市環境污染問題的驗證，一些學者提出為實現物流與經濟的協調發展，應考慮建立低碳型物流發展模式[15-16]。

以上學者從多種角度出發研究了減少交通污染和道路擁堵的原因和影響因素。在此基礎上，本研究利用系統動力學方法，分析城市人口數量與GDP、機動車保有量、交通基礎設施建設、公共交通保有量、管理水平和交通政策等對城市低碳交通發展的影響，建立含政策因素的城市低碳交通系統動力學模型。進一步以哈爾濱市為例，圍繞限行限號政策、新能源車補貼政策和交通供給側改革政策這3個最為典型的政策措施，進行仿真模擬，研究各種交通管理政策作用產生的實際效果，尋求實現城市低碳交通的合理建議。

1 政策影響下的城市低碳交通系統動力學模型

1.1 系統邊界的確定

城市交通系統是一個龐大的動態系統，受環境、人口、經濟、交通、政策等因素影響，其內部結構復雜，組織和要素之間存在繁復的因果反饋關系，表現為復雜多反饋回路非線性系統。由于這種復雜性，系統中的要素無法用精確的數學表達式表達，只能通過半定性和半定量相結合的方法分析。系統動力學最初由 Forrester教授在1956年提出，專門用來模擬具有多反饋回路的交互網絡和非線性關系的復雜系統，因此可作為城市建設和城市交通管理等方面一個有效的政策分析工具[17]。

本研究建立系統動力學模型，分析多種政策影響下城市低碳交通系統的發展，并確定系統邊界。影響城市交通低碳發展的因素眾多，本研究圍繞城市低碳交通發展問題確定系統的邊界。城市交通系統由城市居民出行和城市物流兩部分構成，其中產生碳排放的交通工具主要包括：軌道交通、公共汽車、出租車、私家車、貨運車輛。影響城市交通系統碳排放的主要因素包括：城市人口數量、機動車保有量、城市GDP、交通基礎設施建設、公共交通保有量、管理水平和交通政策等多種因素。

1.2 模型結構

系統的總體結構和主要變量之間的影響關系如圖1所示。可以看出，一方面，隨著城市GDP增長，人們的收入水平提升，對生活質量的追求日漸升高，出于滿足心理帶來私家車數量的上升，這導致道路上機動車數量上漲，排放出大量的尾氣影響碳排量。另一方面，良好的城市發展也會給城市帶來更多外來人口，使得城市總人口數增加。由于道路供應量有限，原本的城市道路容納量已無法滿足人們的交通需求量，加劇交通擁堵現象，影響污染氣體擴散與排放。最終，受交通壓力和環境問題影響，公共交通愈發得到重視，而大力發展公共交通有利于減少碳排量、交通基礎設施的完善和交通管理水平持續優化，也都有益于緩解交通壓力，控制碳排量。

圖1 城市低碳交通系統結構圖Fig.1 Structure chart of urban low carbon transport system

1.3 主要因果關系回路分析

模型中的主要因果關系回路如下：

隨著城市經濟的增長，城市人口大幅上漲，居民的出行量增加，同時人們為了追求更舒適的生活，越來越多的人選擇購買私家車，導致機動車保有量增加，對道路需求增加，造成交通堵塞，降低物流效率，影響城市經濟。

城市經濟水平升高，道路交通基礎設施建設逐漸優化，拓寬路面可以提供更多的道路供給量，緩解交通壓力，帶動城市經濟增長。

隨著人均收入水平的提高和人口的增加，出租車變成了出行必不可少的工具，造成機動車保有量增加，形成交通擁堵，阻礙城市經濟發展。

城市中外來游客和學生群體更喜歡選擇自行車和步行，這樣不僅能減少機動車的使用，降低機動車出行量，減少廢棄尾氣排放量，還可以更好地感受當地文化，促進城市人口數量增加。

隨著城市人口數量的增加，私家車數量增加，造成環境污染嚴重，從而影響城市人口遷入率，限制城市人口規模化發展。

城市人口數量的增加帶來的另一方面的影響是使人均GDP降低，從而減小機動車出行量，緩解交通擁堵，促進城市發展，說明城市規模化發展的優勢。

1.4 流程圖

在城市低碳交通主要變量因果回路圖的基礎上，對各要素進行分析擴展，得到政策影響下的城市低碳交通系統流圖，如圖2所示。

圖2 城市低碳交通系統流程圖Fig.2 Flowchart of urban low carbon transport system

該系統動力學模型主要由微分方程構成，相關變量的系統動力學方程如下。

2 參數預測與模型檢驗

本研究以哈爾濱市實際數據為例,利用VENSIM PLE軟件對表1中定義的模型進行仿真， 驗證模型的有效性。哈爾濱市別稱“冰城”，是黑龍江省省會、副省級市，我國東北地區重要的中心城市，國家重要的制造業基地。近年來伴隨著城市化進程的不斷加快，城市交通擁堵及環境污染問題也逐步凸顯，擁堵節點不斷增加，重點地區擁堵情況日益加劇，據統計，2019年哈爾濱市在全國擁堵地區排行榜上排名第2。因此，對哈爾濱市低碳交通發展模式研究意義重大，制訂合理的交通管理政策對城市交通系統的發展和有害氣體控制有重要價值。

表1 系統主要方程Tab.1 Main equations of system

2.1 基于哈爾濱數據的模型參數估計

現階段哈爾濱市總面積為5.31萬km2，區域面積10 198 km2。到2017年底，常住人口1 092.9萬人，在籍人口955.0萬人，全市GDP總量為6 355.0億元。綜合來看，哈爾濱市用地資源緊缺，土地開發不夠平均，未能合理地規劃土地使用，會造成不必要的繞行，且人口密度大，在上下班高峰時段導致潮汐式交通，造成交通擁堵，降低交通安全指數。在城市低碳交通建設方面，可選擇的新能源公共汽車和軌道交通過少，帶來機動車保有量大范圍增長，從而導致較高的交通碳排放量。

本研究中交通系統相關數據源于哈爾濱市年鑒、哈爾濱市統計年鑒及相關公開發表的文獻資料[18-19]，運用相關性分析估測相關變量及參數得到如表2所示的模型仿真初始值(2014年)。

表2 模型初始值(2014)Tab.2 Initial values of model(2014)

2.2 基于哈爾濱數據的模型檢驗

利用 2014—2017年的系列數據調試模型，調試成功后，運行模型，輸入2017年哈爾濱人口、GDP、機動車數量模擬結果。模擬結果與實際結果相比，誤差值均在5%以內，證明模型描述的行為與實際表現基本符合，具有較高的可信度，可以使用該模型對哈爾濱市低碳交通系統的行為變化進行預測和分析，結果見表3。

表3 模型檢驗結果(2017)Tab.3 Model test result(2017)

3 仿真結果分析——以哈爾濱市為例

這里重點研究多種交通管理政策對城市低碳交通系統發展的影響。哈爾濱現行的交通管理政策主要包括3種：限行限號政策、新能源車補貼政策、交通供給側改革政策。由于政策的實行會導致某些變量數值發生變化，通過改變某些關鍵因素的輸入值，利用系統動力學仿真軟件VENSIMPLE模擬實行政策后城市低碳模型的變化趨勢，觀察改變后的輸出結果，與原始模型結果進行比較，分析不同政策對交通碳排量的影響是促進還是抑制，探索合理的政策方案。

3.1 限行限號政策

哈爾濱市限行限號政策是指單雙號限行規則，車牌號尾號為單數的車輛只能單日出行，車牌號尾號為雙數的車輛只能雙日出行，公交車、出租車及上下學期間學生的專業校車不限行，外地車輛工作7:00—9:00和16:30—18:30在車流量巨大的幾個路段全號禁行。實行限行限號政策，減緩私家車增長速率為原來的2/3，減少私家車出行量，可在較大程度上減少機動車出行量。

如圖3、圖4所示，以限行限號政策對私家車數量進行限制，進而降低機動車出行量。由于無法限制居民購車，所以只能在有限水平上控制污染氣體排放，降低交通擁堵情況。

圖3 限行限號政策對交通擁堵的影響Fig.3 Influence of limiting vehicle number policy on traffic congestion

圖4 限行限號政策對污染氣體存量的影響Fig.4 Influence of limiting vehicle number policy on polluting gas storage

此外，哈爾濱市屬于高寒地區，機動車是市民出行的主要交通工具。若公共交通系統沒有改善，無法提供方便快捷服務，在限行政策刺激下，部分人群會選擇載客汽車(如滴滴等)或購買尾號不同的第2輛私家車作為出行替代方案，這樣會削弱限行政策的實施效果。如圖5所示，由敏感性分析，當小部分人群(3.5%)選擇該替換方案時，受限行政策影響，機動出行量短期內受到限制，長期來看反而有增加趨勢(限行-1)，隨著人群比例增加(7.3%)，限行政策的作用將逐漸較小甚至消失(限行-2)。此時，由圖6可知，由于機動車出行量的增加，污染氣體的排放也隨之顯著增加。

圖5 限行政策下機動車出行量對比Fig.5 Comparison of motor vehicle trips under traffic restriction policy

圖6 限行政策下污染氣體排放量對比Fig.6 Comparison of pollutant gas emissions under traffic restriction policy

限行政策主要通過控制機動車增長速度實現對機動車相對數量的限制。理想情況下，限行政策可以使更多人群選擇公共交通方式出行，但若公共交通系統不夠完善，該政策短期內有效，而從長遠角度來看，會使交通擁堵及環境污染等問題更為加劇。

3.2 新能源車補貼政策

哈爾濱市政府為鼓勵新能源車的普及應用發布了1項補貼政策。按照國家補貼標準，對新能源汽車按1∶0.5的比例給予地方財政補貼。新能源車具有低污染、噪聲小、更穩定的優點，但由于成本高、城市內充電站很少，不能被廣泛使用。假設新能源公交車和新能源私家車的使用率升高，減少使用燃料汽車，調整新能源公交車的增長速率為原來的1.5倍，減緩燃料私家車增長速率為原來的3/4，出租車增長速率為原來的2/3，得到污染氣體排放量變化如圖7所示，政策影響下的機動車出行量變化如圖8所示。

圖7 新能源車補貼政策對排放量的影響Fig.7 Influence of subsidy policy for new energy vehicles on emissions

圖8 新能源車補貼政策對機動車出行量的影響Fig.8 Influence of subsidy policy for new energy vehicles on vehicle trips

由圖7可知，新能源車補貼政策可有效地將老式公交車轉換成新能源公交車，加大居民購買汽車時選擇新能源車的可能性。較少純燃料私家車的使用，將增加新能源車的使用量，減少汽車尾氣排放，降低污染氣體存量，提高空氣質量。由圖8可知，在新能源補貼政策下，機動車出行量基本無變化，長期來看有緩慢增長趨勢，將加重交通負擔，這主要是由于綠色能源車在出行時不受限行限購等交通政策影響。結合哈爾濱目前擁堵嚴重的情況，新能源車未來發展策略應以公交車及出租車為主，對私家車的發展應由財政補貼購買政策轉為普及充電樁、加強基礎設施的引導購買政策。

3.3 交通供給側改革政策

交通供給側結構性改革是以滿足居民交通需求為基本原則，通過加大交通基礎設施投資，包括：完善交通基礎設施、優化交通基礎設施服務水平，從而提高交通供給量，滿足居民日益增加的交通個性化需求，減少交通擁堵和交通事故。假設將加大交通建設投資比例增加到8.5%，相應的行車道面積增長率增長為4.8%，軌道交通增長率增長為3%，實有裝鋪道路長度增加到3 000 km，考慮到公共交通出行對機動車出行選擇的影響，出租車增長率減少1/6，私家車出行率減少1/20。最終得到道路供給量變化如圖9所示，交通擁擠變化如圖10所示。

圖9 交通供給側改革政策對道路供給量的影響Fig.9 Influence of traffic supply side reform policy on road supply

圖10 交通供給側改革政策對交通擁擠的影響Fig.10 Influence of traffic supply side reform policy on traffic congestion

可以看出，交通供給改革政策會提高道路供給量，這主要是由于加大交通建設投資比例，修建道路增加原有道路長度及道路條數，增大了城市行車路面積，有效分擔了原有路段的車流量。另外，在實行交通供給側改革的同時，軌道交通建設也得到提升，優化了公交車站等基礎設施，將間接增加公共交通分擔率，抑制出租車和私家車的出行量，緩解交通擁堵情況。但應注意如果只單純增加道路長度，在一些道路交匯的路口還會造成交通擁擠現象，所以還要適當拓寬道路，升級交通基礎設施，才能有效緩解交通擁擠。

3.4 提高交通管理水平

城市交通管理水平主要體現在交通管理的精細化程度、信息化程度及管理系統的協調性。設交通管理水平會逐步優化分為1，2，3，4級，數字越大代表交通管理水平越高[20]。應用表函數的形式表示交通管理水平的影響[21]，表函數取值范圍為0.4～0.8。在其他變量不發生改變時，隨著交通管理等級的提高，相應的影響系數減小，此時交通擁堵緩解程度加大，污染氣體排放量排放量減小。對交通擁堵的影響如圖11所示，對污染氣體存量的影響如圖12所示。

圖11 交通管理水平對交通擁擠的影響Fig.11 Influence of traffic management level on traffic congestion

圖12 交通管理水平對污染氣體存量的影響Fig.12 Influence of traffic management level on pollutant gas storage

可以看出，提升交通管理水平(如合理劃分人行道、小汽車道、公交車道、自行車道等)對治理城市交通擁堵和污染氣體排放有著較大影響。有序地進行交通運輸，會提升交通的秩序和效率，有效減緩交通堵塞，減少污染氣體存量。

4 結論

本研究利用系統動力學方法構建交通管理政策下的城市低碳交通系統模型，以哈爾濱市為研究案例，考察了交通政策干預對交通擁擠、道路供給量、機動車出行量及污染氣體排放等多方面的影響，得出如下結論。

(1)當前采取靈活有效的交通管理政策，提高交通管理水平，有助于減小交通擁堵現象，降低污染氣體的排放，實現交通、人口、經濟和環境的平衡。

(2)限行政策仍是目前應對交通擁堵的有效措施之一。但從城市交通發展的長遠角度來看，應在滿足消費者交通需求的前提下，優先發展公共交通網絡建設，大力發展軌道交通，提高公交分擔率及居民公共交通滿意度，降低機動車的總數量和出行量。

(3)在發展新能源汽車應對城市污染問題時，政府補貼應主要用于加大新能源公交車及新能源出租車的投入比例，解決公共充電樁配備不足的問題，合理引導私家車的自主購買。同時結合哈爾濱實際情況，可考慮在商場地下配備充電樁，應對寒冷天氣和等待時長的問題。

(4)交通擁堵與城市環境污染問題聯系緊密。較好的基礎設施建設將增加交通供給量帶來的交通周轉率提升，降低城市交通擁擠帶來的資源消耗及溫室氣體排放。城市交通管理水平的提高不僅可維護居民秩序出行，也可減少交通事故的發生，保障城市道路順暢，營造良好的生活環境。