城市建成環(huán)境綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化方法研究綜述

王月濤 田昭源 薛濱夏 李洪晶 馬濤

摘要：城市綠色交通系統(tǒng)包括軌道交通、公共汽車運(yùn)輸、共享單車和慢行步道等多層次復(fù)雜系統(tǒng)，具備實(shí)用性、便捷性、經(jīng)濟(jì)性及可持續(xù)性等多重特性，對(duì)于當(dāng)前城市建成環(huán)境的低碳節(jié)能具有十分重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者從多個(gè)角度和側(cè)面對(duì)綠色交通體系優(yōu)化進(jìn)行了研究，形成了針對(duì)某些具體問題的分析和優(yōu)化方法。以供需關(guān)系為基本線索，將城市綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化歸結(jié)為交通承載力、交通需求量、耦合分析、多目標(biāo)優(yōu)化4個(gè)主要方面，歸納有關(guān)的研究與實(shí)踐取得的成果。從宏觀和微觀兩個(gè)視角評(píng)價(jià)現(xiàn)有研究存在的問題，并指出未來研究發(fā)展趨勢(shì)。最后綜合各技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，提出基于供需關(guān)系的城市建成環(huán)境下綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化框架。

關(guān)鍵詞：城市綠色交通系統(tǒng)；城市建成環(huán)境；供需匹配；優(yōu)化方法

文章編號(hào) 1673-8985（2023）06-0011-07 中圖分類號(hào) TU981 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

DOI 10.11982/j.supr.20230601

0 引言

能源的不合理使用產(chǎn)生了大量二氧化碳，是造成全球氣候變暖的重要原因[1-2]。交通運(yùn)輸領(lǐng)域的碳排放量占據(jù)全球工業(yè)碳排放總量的14%，且占用全球近20%的能源資源[3]。特別值得注意的是，其中近一半的排放貢獻(xiàn)來自乘用車輛[4]。隨著交通領(lǐng)域碳排放不斷攀升，迫切需要采取有力措施來有效解決這一問題。

城市綠色交通系統(tǒng)為解決交通碳排放、減輕交通壓力等問題提供了切實(shí)可行的解決方案[5]3。這一綜合性城市交通方案旨在降低交通擁堵和能源消耗，推動(dòng)環(huán)境保護(hù)，同時(shí)節(jié)省建設(shè)成本[6]。綠色交通具備低成本、低能耗和空間效率高等特點(diǎn)，從而確保便利、安全、高效、低污染、以人為本以及多樣化的城市交通系統(tǒng)，這是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)[7-8]。

1994年，Chris Bradshaw首次提出綠色交通等級(jí)體系，其優(yōu)先級(jí)從高到低分別為步行、自行車、公共交通、共享汽車，最后是單人駕駛汽車[9]59。綠色交通系統(tǒng)作為一個(gè)新概念和實(shí)踐目標(biāo)，融入了人居環(huán)境的發(fā)展趨勢(shì)，以公共交通為主導(dǎo)，與生態(tài)環(huán)境和城市發(fā)展相互協(xié)調(diào)。綠色交通概念與可持續(xù)發(fā)展理念共同涌現(xiàn)，標(biāo)志著由“以車為中心”向“以人為中心”的過渡。建設(shè)綠色交通系統(tǒng)有多重益處，包括充分集約利用道路資源以減輕交通堵塞，降低能源消耗以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，減少廢氣排放以改善空氣質(zhì)量，減少碳排放從而應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)，同時(shí)構(gòu)筑宜居城市環(huán)境，提高市民健康水平。與此同時(shí)，城市綠色交通的發(fā)展也是一項(xiàng)重要措施，有助于節(jié)約能源、減少碳排放和PM2.5排放、改善環(huán)境質(zhì)量[9]58。

然而，目前對(duì)于如何在不斷變化的城市發(fā)展背景下，動(dòng)態(tài)優(yōu)化城市綠色交通系統(tǒng)以適應(yīng)交通需求變化的問題的認(rèn)識(shí)不夠系統(tǒng)和深入。城市化進(jìn)程迅猛發(fā)展，城市人口不斷增加，城市建成環(huán)境持續(xù)演變，這導(dǎo)致城市交通需求的分布不斷變動(dòng)。現(xiàn)有城市綠色交通系統(tǒng)難以充分適應(yīng)當(dāng)前不斷變化的交通需求格局，致使供需匹配不平衡。為解決這一問題，本文旨在回顧國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化的實(shí)證研究，以整個(gè)城市綠色交通系統(tǒng)為研究對(duì)象，側(cè)重探討在建成環(huán)境下，如何改善城市綠色交通系統(tǒng)的供需匹配和空間布局問題。

1 城市建成環(huán)境與綠色交通系統(tǒng)的關(guān)系

1.1 建成環(huán)境解析

建成環(huán)境涵蓋了人類生產(chǎn)和生活活動(dòng)的多個(gè)方面，包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、交通及環(huán)境等多個(gè)維度。建成環(huán)境的特征在不同的空間地理位置下呈現(xiàn)出差異，這些特征的變化性質(zhì)受到地理位置的影響。在地理學(xué)領(lǐng)域，這種變化性質(zhì)被稱為空間異質(zhì)性，用來描述地理現(xiàn)象在空間上的變化和差異[10]4。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來看，這種性質(zhì)被稱為空間非平穩(wěn)性，指的是由于地理位置的變化導(dǎo)致變量之間關(guān)系或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[10]7。

對(duì)交通領(lǐng)域而言，城市建成環(huán)境在很大程度上塑造了城市內(nèi)功能的分布、人口的聚集程度及發(fā)展水平，進(jìn)而決定了不同地理位置的交通需求情況。建立適宜的城市綠色交通系統(tǒng)，首要前提是準(zhǔn)確獲取各地交通需求量的空間分布情況。

1.2 城市綠色交通系統(tǒng)解析

城市綠色交通系統(tǒng)是一個(gè)包括軌道交通、公共汽車運(yùn)輸、共享單車和慢行步道的多層次復(fù)雜系統(tǒng)，具備實(shí)用性、便捷性、可持續(xù)性及經(jīng)濟(jì)性等多重特征，涉及政府、用戶、企業(yè)和其他相關(guān)主體[9]60。該系統(tǒng)旨在充分發(fā)揮軌道交通、公共汽車、共享單車和慢行步道等交通方式的作用，根據(jù)交通類型合理分配出行需求，滿足不同人群的交通需求，并有機(jī)地連接成一個(gè)有序的出行系統(tǒng)[9]60。

現(xiàn)有城市綠色交通系統(tǒng)的布局決定了各地理位置的綠色交通承載能力。為了對(duì)城市綠色交通系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，還需要整合各層次的交通數(shù)據(jù)，通過軟件模擬，分析現(xiàn)有城市綠色交通系統(tǒng)的綜合承載能力在空間上的分布情況。

1.3 供需關(guān)系分析

城市建成環(huán)境與綠色交通系統(tǒng)之間存在著密切關(guān)系，它們共同影響著交通承載力的供需關(guān)系。具體而言，建成環(huán)境塑造了交通需求量在時(shí)間和空間上的分布，而城市綠色交通系統(tǒng)則決定了交通承載力在時(shí)間和空間上的分布。

供需平衡是城市綠色交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與優(yōu)化的重要標(biāo)準(zhǔn)[11]88。交通供給不足便會(huì)壓抑市民的出行需求，增加居民私家車出行的概率，進(jìn)而增加碳排放；交通供給過剩則會(huì)帶來城市資源的極大浪費(fèi)，增加建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段的能耗和碳排放。

供需指數(shù)ε是評(píng)價(jià)交通承載力供需平衡的指標(biāo)，常用于判別交通的供需平衡情況[11]90，是交通承載力Cmax與交通需求量Vmax的比值，計(jì)算公式如下。

當(dāng)0.8<ε<1.1時(shí)，表示交通需求與承載能力適度匹配，無需進(jìn)一步調(diào)整。在ε≥1.1的情況下，綠色交通系統(tǒng)的最大承載能力顯著超出區(qū)域的交通需求，因此系統(tǒng)存在一定程度的冗余，需要考慮減少班次、站點(diǎn)和規(guī)模。而當(dāng)ε≤0.8時(shí)，表明綠色交通系統(tǒng)的最大承載能力遠(yuǎn)低于該地區(qū)的交通需求，因此需要采取措施增加班次、站點(diǎn)和規(guī)模，以滿足日益增長(zhǎng)的出行需求。

1.4 供需匹配優(yōu)化

城市綠色交通系統(tǒng)作為一個(gè)包含多種交通方式且涉及多個(gè)主體的復(fù)雜系統(tǒng)，其調(diào)整完善需要在優(yōu)化供需匹配關(guān)系的基礎(chǔ)上，綜合考慮實(shí)用性、碳排放、能源消耗、經(jīng)濟(jì)性等多種因素，以追求全局最優(yōu)的解決方案，滿足不同主體的需求。

2 基于供需匹配的綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化方法研究進(jìn)展

基于供需關(guān)系對(duì)已建成城市綠色交通系統(tǒng)的優(yōu)化方法包含多個(gè)方面，可以按照優(yōu)化步驟劃分為交通需求量計(jì)算、交通承載力計(jì)算、耦合協(xié)調(diào)分析和多目標(biāo)優(yōu)化等4個(gè)方面。其中，交通承載力和交通需求量是評(píng)估系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力的基礎(chǔ)[12]。耦合協(xié)調(diào)分析用于驗(yàn)證系統(tǒng)的供需匹配關(guān)系是否合理。多目標(biāo)優(yōu)化則需要綜合考慮多個(gè)因素，以選取最佳的優(yōu)化方案。

2.1 交通需求量相關(guān)研究

宏觀研究?jī)?nèi)容上，隨著交通方式的多樣化發(fā)展，建成環(huán)境下的交通需求測(cè)量方法正逐步從單一、抽樣、靜態(tài)的方式，轉(zhuǎn)向更為多元、綜合和動(dòng)態(tài)的方向[13]。在此背景下，Wang等[14]對(duì)城市交通流的時(shí)空特征與建筑環(huán)境的相關(guān)性進(jìn)行研究，提出一種改進(jìn)的重力模型，用以估算特定范圍內(nèi)的城市交通流量。該重力模型是基于局部引力和引力范圍的測(cè)量方法。然而，由于此方法的模型構(gòu)建依賴于假設(shè)，與實(shí)際交通需求之間存在顯著誤差。為解決這一問題，可以借助實(shí)際交通需求的調(diào)查實(shí)現(xiàn)有效校準(zhǔn)。

微觀調(diào)查方法上，Belokurov、Evtiukov等[15-16]將問卷調(diào)查、現(xiàn)有道路擁堵調(diào)查和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)測(cè)量相結(jié)合的方法應(yīng)用于道路交通安全研究領(lǐng)域。然而，這些方法需要大量的人力和財(cái)力，對(duì)大城市而言，需要2 000—5 000名參與者，費(fèi)用在140—200元之間，因此在綜合客運(yùn)調(diào)查方面并不適用[17]。同時(shí)，基于GPS和IC數(shù)據(jù)的調(diào)查方法也存在局限性。雖然GPS數(shù)據(jù)可以顯著降低交通需求測(cè)算的成本，但道路上只有少數(shù)車輛（主要是出租車）貢獻(xiàn)了大部分乘客數(shù)量。通過GPS數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確確定乘客數(shù)量也是相對(duì)困難的[18]。另一方面，IC數(shù)據(jù)雖然能夠提供更準(zhǔn)確的乘客數(shù)據(jù)，但同樣存在不完整的問題，因?yàn)槌丝椭荒茉谝延械木€路和站點(diǎn)上選擇出行，無法反映線路以外的交通情況。

通過使用人口熱圖測(cè)量交通需求，可以有效避免上述問題。人口熱圖是一種利用移動(dòng)信令數(shù)據(jù)從不同位置獲取信息，并將其轉(zhuǎn)化為熱圖以顯示每個(gè)位置的人口密度的方法，直觀地反映了人口在時(shí)空上的分布情況。作為一種新興的研究來源，人口熱圖在應(yīng)用上具有顯著優(yōu)勢(shì)，包括隨機(jī)性、時(shí)效性和空間性[19]。其工作原理基于GIS平臺(tái)上的格網(wǎng)計(jì)算器，通過在固定的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算地圖上相鄰位置之間的人口密度差異，從而記錄每個(gè)位置的人口密度變化情況。進(jìn)而，可以將人口密度變化作為衡量每個(gè)位置交通需求的指標(biāo)。

目前，人口熱圖已逐漸在交通領(lǐng)域得到應(yīng)用，主要原因是我們能夠通過捕捉人口熱圖的變化，消除對(duì)特定交通運(yùn)輸類型的限制，更準(zhǔn)確地反映不同地區(qū)的人口變化情況，從而使其適用于計(jì)算和分析各種交通運(yùn)輸方式的綜合承載能力。舉例來說，張海林[20]運(yùn)用人口熱圖方法來提取人口活動(dòng)，并驗(yàn)證了其有效性，結(jié)果顯示該方法具有測(cè)量成本低、數(shù)據(jù)量大、覆蓋面廣、時(shí)效性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 綠色交通系統(tǒng)承載力相關(guān)研究

在宏觀研究對(duì)象上，對(duì)已建成的交通承載力的計(jì)算主要集中在單層交通網(wǎng)絡(luò)，而綜合考慮多種交通方式以衡量混合承載能力的方法仍不夠完善。在微觀技術(shù)上，早期的宏觀模型將交通描述為一個(gè)統(tǒng)一的流量，并使用流量、速度和密度等指標(biāo)來定義交通流的特征[21-22]。Ali、Chowdhury等[23-24]運(yùn)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測(cè)每條道路的交通流量。盡管如此，這些方法無法區(qū)分不同層次的交通網(wǎng)絡(luò)，更不用說進(jìn)一步將承載能力分解為各種網(wǎng)絡(luò)的承載能力以進(jìn)行分析和優(yōu)化。將城市綠色交通系統(tǒng)的每一層視為一個(gè)拓?fù)鋸?fù)雜網(wǎng)絡(luò)，有助于分析和優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法是一種用于分析復(fù)雜系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鞯姆椒ǎ阎饾u應(yīng)用于交通網(wǎng)絡(luò)的研究。例如，Dang等[25]分析了中美航空客流的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，證明其邊權(quán)重分布和節(jié)點(diǎn)權(quán)重分布遵循冪律分布特征。Feng等[26]以列車和客流為權(quán)重對(duì)北京軌道交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，證明該網(wǎng)絡(luò)具有冪律分布和顯著的無標(biāo)度特性。Levinson、Strano等[27-28]解釋了城市網(wǎng)絡(luò)的增長(zhǎng)及其對(duì)效率和舒適度的影響。然而，這些研究沒有區(qū)分不同層次的交通網(wǎng)絡(luò)，也沒有通過研究耦合關(guān)系來獲得宏觀和整體的網(wǎng)絡(luò)特征。此外，由于缺乏全面的分析方法和準(zhǔn)確表達(dá)時(shí)空交通承載力分布的手段，這些方法無法用于指導(dǎo)具體城市綠色交通系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了解決這些問題，多層網(wǎng)絡(luò)分析方法應(yīng)運(yùn)而生[29-31]。Criador、Aleta、Wu等[32-34]詳細(xì)總結(jié)了不同領(lǐng)域多層網(wǎng)絡(luò)的各種模型、動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)屬性計(jì)算方法。Buldyrev、Ding等[35-36]研究了鐵路、城市街道和公共交通之間的相互作用。這些研究將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)映射為單層加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，并考慮了交通網(wǎng)絡(luò)之間的耦合關(guān)系，有助于將各層綠色交通視為統(tǒng)一的整體，為分析城市綠色交通系統(tǒng)的承載力奠定了基礎(chǔ)。

2.3 耦合協(xié)調(diào)分析相關(guān)研究

耦合協(xié)調(diào)分析是分析交通承載力時(shí)空布局合理性的有效方法。謝奔一等[37]運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)理論和剪刀差分析了交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)之間的耦合關(guān)系。韓瑞玲等[38]應(yīng)用耦合協(xié)調(diào)度模型和剪刀差法，分析了石家莊市經(jīng)濟(jì)、交通和環(huán)境3個(gè)系統(tǒng)的相互作用、演化方向和演化速率。陳果等[39]運(yùn)用熵權(quán)法、耦合度法和耦合協(xié)調(diào)度模型，分析了交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)之間的耦合關(guān)系和協(xié)調(diào)發(fā)展程度。然而，這些研究主要集中在交通與其他系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，忽略了對(duì)交通系統(tǒng)內(nèi)部凝聚力的分析，同時(shí)也忽視了交通承載力的疊加效應(yīng)。

地圖疊加法可以靈活地分析相似或不同類型網(wǎng)絡(luò)之間的耦合作用。McHarg[40]最早運(yùn)用疊加了不同層次、顏色和透明度的地圖，以評(píng)估景觀價(jià)值并揭示景觀元素的相互作用模式，形成“千層餅?zāi)Ｐ汀薄１Ａ_·奧利弗隨后利用地圖的耦合和疊加方法，研究各種自然和文化現(xiàn)象。近年來，荊欣欣等[41]將地圖疊加法運(yùn)用在社區(qū)空間研究上，對(duì)社區(qū)空間變化進(jìn)行疊加，進(jìn)而確定社區(qū)重要的可視域群。借助GIS技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合地圖疊加方法和格網(wǎng)計(jì)算器，可以量化地圖疊加效果。不同的地圖圖層可以進(jìn)行加減乘除操作，從而實(shí)現(xiàn)多層復(fù)合交通承載能力和需求水平的耦合分析。通過將各地理位置的交通承載能力除以對(duì)應(yīng)的交通需求量，可以得到各地理位置的匹配指數(shù)，進(jìn)而將交通承載力供需匹配狀況空間可視化，并引導(dǎo)生成多個(gè)備選方案。

2.4 多目標(biāo)優(yōu)化相關(guān)研究

在宏觀優(yōu)化目標(biāo)選取上，需要根據(jù)城市綠色交通系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)和影響，綜合考慮乘客需求、能源消耗、碳排放和經(jīng)濟(jì)等因素。陳皓等[42]研究指出，影響公交線網(wǎng)優(yōu)化的主要因素包括乘客數(shù)量、乘客分布和線路需求分布。公交線路的優(yōu)化原則是方便、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)。當(dāng)前城市綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化所面臨的主要問題包括線網(wǎng)布局不合理、密度低、重復(fù)率高和公交盲區(qū)。Aleta等[43-46]認(rèn)為不同流量層的合作強(qiáng)度對(duì)網(wǎng)絡(luò)耦合關(guān)系有影響。中國(guó)交通低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略與路徑研究課題組[5]16認(rèn)為，中國(guó)各級(jí)交通網(wǎng)絡(luò)高度系統(tǒng)化，但不同類型的交通工具之間需要更有吸引力的聯(lián)系。程?hào)|祥[47]指出，目前的交通方式對(duì)中國(guó)的環(huán)境和資源構(gòu)成了巨大威脅，交通行業(yè)的碳減排迫在眉睫。總之，在優(yōu)化城市綠色交通系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮實(shí)用性、供需匹配性、有效銜接性、可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性等多方面的約束條件。以上性質(zhì)分別可用有效服務(wù)人數(shù)、連接度、能耗、碳排放和利潤(rùn)等數(shù)據(jù)來代替。

在微觀優(yōu)化方法的選擇上，由于優(yōu)化方法的局限性，現(xiàn)有研究難以同時(shí)超越3個(gè)不可或缺的設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)。Lin等[48]使用遺傳算法優(yōu)化貨運(yùn)碳排放。M. Che Polak等人和Dennis Dreier等人運(yùn)用控制變量研究設(shè)備、路線、人員等因素對(duì)運(yùn)輸碳排放和成本的影響。然而，這些研究的優(yōu)化目標(biāo)較少，不適用于多約束條件下的城市綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化。Ahmed[49]使用加權(quán)方法優(yōu)化交叉口的安全性、機(jī)動(dòng)性和可持續(xù)性。Wang等[50]采用模擬退火算法和蟻群算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、頻率、時(shí)間和公交路線。Ma等[51]利用蟻群和遺傳算法綜合多個(gè)指標(biāo)規(guī)劃城市路徑。這些方法可以同時(shí)優(yōu)化多個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)目標(biāo)，但它們都基于假設(shè)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化，導(dǎo)致優(yōu)化方案與實(shí)際情況存在較大差距。分層序列法可以有效解決這些問題。該方法基于仿真指標(biāo)逐層選擇優(yōu)化方案，最終結(jié)果更接近實(shí)際需求。分層序列法由Bracken等人提出，也被稱為優(yōu)先方法，用于解決多目標(biāo)問題[52]。多個(gè)目標(biāo)根據(jù)優(yōu)先級(jí)劃分為不同的級(jí)別，總是在前一個(gè)目標(biāo)最優(yōu)解的集合中尋找下一個(gè)目標(biāo)最優(yōu)解，直到找到全局最優(yōu)解[53]。

3 城市建成環(huán)境綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化方法的現(xiàn)狀分析

本文在深入分析和解讀相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，全面總結(jié)了國(guó)內(nèi)外城市綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化方法的研究現(xiàn)狀。通過對(duì)交通承載力量化、交通需求量量化、耦合協(xié)調(diào)分析方法和多目標(biāo)優(yōu)化方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)探討，揭示了這些方法在學(xué)術(shù)界的關(guān)注點(diǎn)、技術(shù)特點(diǎn)、科學(xué)價(jià)值及實(shí)際應(yīng)用意義。基于上述相關(guān)研究工作的分析，總結(jié)當(dāng)前研究存在問題如下。

3.1 宏觀問題

（1）綜合性方法不足：盡管已經(jīng)有一些方法應(yīng)用于城市綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化，但仍缺乏能夠綜合解決多層次、多因素復(fù)雜性的方法。現(xiàn)有方法往往是針對(duì)特定問題或特定層次的，缺乏整體性的綜合方法。

（2）現(xiàn)實(shí)情況假設(shè)簡(jiǎn)化：部分現(xiàn)有方法對(duì)現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行了過于簡(jiǎn)化的假設(shè)，導(dǎo)致優(yōu)化方案與實(shí)際應(yīng)用之間存在一定的差距。這可能會(huì)限制優(yōu)化方案的實(shí)際效果和可行性。

（3）未來發(fā)展因素考慮不充分：許多研究沒有充分考慮未來城市發(fā)展的變化因素，如人口增長(zhǎng)、技術(shù)創(chuàng)新等[54]。這可能導(dǎo)致優(yōu)化方案在未來情境下的適用性不足。

3.2 微觀問題

（1）關(guān)于交通需求量的量化研究尚未完善，尚未形成公認(rèn)的理論方法體系。目前，交通需求量主要通過車流量統(tǒng)計(jì)、公交刷卡數(shù)據(jù)、出租車GPS數(shù)據(jù)等方法進(jìn)行量化，但這些方法存在數(shù)據(jù)采集成本高、數(shù)據(jù)量有限、數(shù)據(jù)類型單一等問題，無法完整地測(cè)量城市地理位置的綜合交通需求量。基于人口密度變化量的方法用于計(jì)算各地理位置的總交通需求量，能夠?qū)ι鲜龇椒ㄟM(jìn)行補(bǔ)充。

（2）交通承載力存在多種測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和方法，使得承載力的量化不夠精確。現(xiàn)有的交通承載力測(cè)量方法關(guān)注于車流量、速度和密度，但忽略了車輛的實(shí)際承載人數(shù)。現(xiàn)有的基于軌道頻率和承載人數(shù)的方法僅適用于單一數(shù)據(jù)類型，無法綜合考慮多種交通方式，也不能準(zhǔn)確計(jì)算城市綠色交通系統(tǒng)的綜合承載力。

（3）關(guān)于耦合協(xié)調(diào)分析的量化研究，目前主要集中在將交通與經(jīng)濟(jì)、人口、建筑密度等非交通要素進(jìn)行耦合分析。然而，針對(duì)交通承載力的供需關(guān)系的耦合協(xié)調(diào)方法尚不夠系統(tǒng)，且現(xiàn)有的耦合分析尺度較為宏觀，雖能分析整體交通發(fā)展?fàn)顩r，但對(duì)于各地理位置交通協(xié)調(diào)度的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)較為有限。

（4）關(guān)于多目標(biāo)優(yōu)化的方法，目前仍存在局限性，現(xiàn)有的優(yōu)化目標(biāo)通常局限于3個(gè)以內(nèi)，無法充分適應(yīng)城市綠色交通系統(tǒng)的多層次特性，以及涉及多個(gè)主體的特點(diǎn)。同時(shí)，目前所使用的技術(shù)手段較為滯后，較少使用智能和前沿的先進(jìn)科學(xué)方法，因此需要引入其他學(xué)科的方法，以增加優(yōu)化的目標(biāo)數(shù)量和效率。

綜上所述，盡管在城市綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化方面取得了一些成績(jī)，但仍需要解決上述問題，進(jìn)一步完善方法與研究，以推動(dòng)城市綠色交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

4 新方法建構(gòu)

本文在對(duì)現(xiàn)有相關(guān)研究進(jìn)行歸納、分析與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，綜合各先進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，建構(gòu)了基于供需平衡的城市建成環(huán)境下綠色交通系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化框架（見圖1）。該框架包括交通需求測(cè)算、交通承載力測(cè)算、耦合協(xié)調(diào)分析、多目標(biāo)優(yōu)化4個(gè)步驟。

4.1 案例概況

本文以深圳市坪山區(qū)為例檢驗(yàn)了方法的有效性。坪山區(qū)位于廣東省深圳市東北部，總面積166 km?，常住人口56.65萬人。

選取坪山區(qū)作為案例研究，是基于以下3方面原因：（1）深圳市坪山區(qū)作為中國(guó)一線城市地區(qū)，其綠色交通系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)其他城市具有示范作用。城市政府重視該地區(qū)的城市綠色交通系統(tǒng)建設(shè)，且具有優(yōu)化的可行性。（2）該地區(qū)快速發(fā)展，導(dǎo)致城市綠色交通系統(tǒng)供需關(guān)系不斷變化，具有較大的優(yōu)化潛力。（3）該地區(qū)城市綠色交通系統(tǒng)齊全，具有城市綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)。

4.2 方法流程與應(yīng)用

首先，每隔一段時(shí)間記錄一次人口熱力圖，通過GIS中的柵格計(jì)算器計(jì)算人口密度在不同時(shí)段各地理位置的差值，估算各地理位置的交通需求，得到交通需求時(shí)空分布圖（見圖2）。

其次，將路線、班次、載客量等數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS平臺(tái)，運(yùn)用核密度分析方法分別計(jì)算各層交通網(wǎng)絡(luò)的承載能力。在GIS平臺(tái)中運(yùn)用柵格計(jì)算器，將各層交通的承載能力按照空間位置疊加，計(jì)算城市綠色交通系統(tǒng)綜合承載力時(shí)空分布圖（見圖3）。

然后，運(yùn)用GIS平臺(tái)柵格計(jì)算器，將交通需求時(shí)空分布圖除以交通承載力時(shí)空分布圖，得到各地理位置的承載力供需指數(shù)，并根據(jù)供需關(guān)系調(diào)整現(xiàn)有城市綠色交通系統(tǒng)的站點(diǎn)分布、班次和線路（見圖4）。

最后，研究運(yùn)用層次序列法，分別對(duì)備選優(yōu)化方案的服務(wù)人數(shù)、連接度、能源消耗、碳排放量、利潤(rùn)指標(biāo)進(jìn)行篩選和優(yōu)化，生成最佳優(yōu)化方案。

優(yōu)化結(jié)果表明：坪山區(qū)城市綠色交通系統(tǒng)高峰期服務(wù)人數(shù)從28 865人增加到31 956人，公交車附近共享單車站點(diǎn)數(shù)從81個(gè)增加到345個(gè)，能耗減少2 179 kg，碳排放減少131 kg，利潤(rùn)增加6 875元。

4.3 方法優(yōu)勢(shì)

該框架相比現(xiàn)有的優(yōu)化方法具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）利用人口熱力圖的變化量實(shí)時(shí)直觀地反映各站點(diǎn)的實(shí)際交通需求，減少了交通需求調(diào)查所需的人力物力成本，提高了調(diào)查的準(zhǔn)確性。（2）將城市綠色交通系統(tǒng)視為一個(gè)統(tǒng)一的整體，利用核密度分析與柵格計(jì)算器，計(jì)算了城市綠色交通系統(tǒng)綜合承載力時(shí)空分布。（3）采用柵格計(jì)算器耦合分析承載力的供需關(guān)系，便于準(zhǔn)確識(shí)別和量化各地理位置交通承載能力的冗余或短缺環(huán)節(jié)。（4）利用層次序列方法對(duì)城市綠色交通系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，綜合考慮服務(wù)人數(shù)、銜接性、能耗、碳排放、經(jīng)濟(jì)性等5個(gè)因素，選出全局最優(yōu)解集，有效增加了城市綠色交通系統(tǒng)的目標(biāo)數(shù)量。總之，該框架降低了數(shù)據(jù)測(cè)量成本，增加了分析的準(zhǔn)確性與優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)量。

5 總結(jié)與展望

本文在分析城市建成環(huán)境與綠色交通系統(tǒng)的相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上，以供求平衡為線索，梳理了現(xiàn)有城市綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化方法的進(jìn)展、現(xiàn)狀與問題，在前人的研究基礎(chǔ)上建立了基于供需平衡的城市綠色交通系統(tǒng)的優(yōu)化方法，并結(jié)合實(shí)踐案例驗(yàn)證了方法的有效性。本文從系統(tǒng)的視角對(duì)城市綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化方法進(jìn)行梳理、分析與優(yōu)化，有利于決策者科學(xué)決策，促進(jìn)城市道路交通資源的優(yōu)化配置，加強(qiáng)城市生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)，有助于城市可持續(xù)化和低碳化發(fā)展。

根據(jù)研究進(jìn)展和現(xiàn)狀分析，并依據(jù)城市綠色交通可持續(xù)發(fā)展的原則，得出未來研究趨勢(shì)有以下5方面：（1）拓展交通需求量計(jì)算方法：在考慮交通需求量時(shí)，需將時(shí)空變化納入考慮，將各地理位置的交通需求量定位到空間中。整合不同交通類型的需求量數(shù)據(jù)，如軌道交通、車輛交通、慢行交通等，以減少調(diào)研成本，提高估算效率與準(zhǔn)確性。（2）完善交通承載力計(jì)算方法：將城市綠色交通系統(tǒng)視為整體，考慮其時(shí)空變化，提高交通承載力的量化精度。通過將不同交通網(wǎng)絡(luò)層次的承載能力定位到空間上，結(jié)合發(fā)車頻率變化對(duì)交通承載力的影響，計(jì)算整體交通承載力。（3）優(yōu)化供需關(guān)系耦合分析方法：加強(qiáng)交通承載力的供需耦合分析精度，考慮不同時(shí)間段和地點(diǎn)的承載力供需關(guān)系。選取交通需求量最高的時(shí)間段，驗(yàn)證城市綠色交通系統(tǒng)承載力的空間布局合理性。（4）擴(kuò)展多目標(biāo)優(yōu)化方法：引入其他學(xué)科領(lǐng)域的多目標(biāo)優(yōu)化方法，擴(kuò)大優(yōu)化目標(biāo)范圍，考慮政府、企業(yè)、使用者等多方需求，制定滿足節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、適用性等要求的優(yōu)化方案。（5）構(gòu)建基于供需平衡的綠色交通系統(tǒng)優(yōu)化體系：基于理論與應(yīng)用研究成果，開發(fā)基于GIS平臺(tái)的仿真軟件，實(shí)時(shí)提供交通系統(tǒng)承載力的供需關(guān)系，并給出相應(yīng)的優(yōu)化建議。