基于系统动力学的城市交通拥堵问题治理研究——以天津市机动车尾号限行政策为例

陶志梅，阮 婷

(天津商业大学 公共管理学院，天津 300134)

基于决策理性有限的假设，决策者需要借助定量分析方法来判断治堵措施的实施效果是否能够达到预期目标.近年来系统动力学方法因其非线性、多层次、多重反馈等特征成为了研究者模拟城市交通系统动态发展的理想工具和方法，例如Forrester的城市动力学模型和Shirazian的出行产生模型[7-8].在城市交通发展模拟与政策评估研究领域，Haghshenas等针对一系列旨在实现城市交通可持续发展的政策，在系统动力学模型的基础上进行了政策评估[9]；D’Acierno等选取系统动力学方法对城市停车的相关策略进行了仿真模拟分析[10].在治理交通拥堵方面，杨浩雄等构建了城市交通拥堵治理的系统动力学模型，并以北京市为例，针对其典型的治堵措施作了仿真分析，并给出了相应的对策建议[11].

目前，针对交通政策评估的定量分析以简单的静态模型为主，需要标定的模型参数较多，实际调查工作繁重，决策者所需的直观决策依据仍有所欠缺[12].在研究城市交通拥堵治理的系统动力学领域，对系统内部相互作用关系的分析仍显不足.交通拥堵治理的最终目的是实现城市交通系统的可持续发展，在针对其实现发展目标的对策建议方面，仍需进一步探究.基于此，文中通过对城市交通拥堵系统内部要素关系的阐述及相关交通政策的情景模拟，构建交通治堵系统动力学模型，系统地分析城市交通拥堵问题的成形机制，并给出合理化的治堵对策建议，试图为拥堵治理的科学决策提供一定的预测依据.

1 研究区概况

天津地处华北平原北部，东临渤海，北靠燕山，位于东经116°43′～118°04′和北纬38°34′～40°15′之间，市中心位于东经117°10′,北纬39°10′.“十二五”以来，天津市城市道路交通呈多元化发展趋势.截至2015年末，天津市城市客运量(不包括出租)18.56亿人次,其中，公交客运量15.70亿人次，地铁客运量2.56亿人次；全市民用汽车拥有量283.05万辆，其中私人汽车234.75万辆；民用轿车拥有量183.56万辆，其中私人轿车165.51万辆(2015年天津市国民经济和社会发展统计公报).目前，天津市确定了独特的“双城双港，相向拓展,一轴两带,南北生态”的发展战略模式(天津市空间发展战略规划(2008—2020年))，随着总体战略的逐步推进，城市空间形态将不断发生变化，交通需求也会随之增加，考虑到城市交通问题将进一步恶化，因此城市交通拥堵的治理策略也亟须重新调整.

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

系统动力学建模方法(System dynamics)是一种将定性描述与定量分析相结合的系统分析方法.文中的主要研究对象为天津市城市交通系统，对其运行状况的研究通常要从系统、整体的角度来审视，为此，在借鉴已有相关研究的基础上，借助Vensim PLE系统动力学模拟平台，利用因果回路图和存量流量图的分析方法，确定系统内部的反馈结构和有关变量之间的关系，并选取天津市城市铺装道路长度这一变量，对2005—2014年的模拟值与实际值进行拟合度检验，并通过改变机动车尾号限行政策变量的取值进行情景模拟分析.

图1 城市交通拥堵系统因果回路

2.1.1 因果回路图 因果关系分析是建立系统动力学模型的基础，能够帮助直观地理解系统内部构成以及要素间的关系.基于因果关系的描述分析，得到了城市交通拥堵系统的因果回路图(图1).基于观察模型内所包含的主要反馈关系，可以发现，随着社会经济的发展，GDP的增长会带来交通投资部分的增加，因而城市道路投资和地面公交投资的部分也会随之增加，不仅城市道路的通行能力有了显著提升，同时地面公交出行量的大大增加，在一定程度上减少了地面小汽车的交通量，这在一定程度上能够起到缓解交通拥挤状况的作用，从而利于社会经济的持续健康发展.此外，随着人均GDP的增加，居民生活水平得到了大大提升，这会导致城市机动车保有量的进一步增长，机动车排放的尾气造成的空气污染情况持续恶化，将不利于社会经济的发展.与此同时，常住人口数量的持续攀升，会带来城市总出行量的进一步增长，地面交通量居高不下，也是交通拥堵问题难以得到有效治理的关键所在.

2.1.2 存量流量图 当需要进一步量化模型、区别不同类型变量的时候，就要在因果回路图的基础上画出存量流量图.通过分析交通拥堵对城市社会经济影响的具体方式，得到了城市交通拥堵系统的流图(图2).

2.1.3 模型 图2中包含1个状态变量道路长度LR，所对应的速率变量为道路长度增加量LAR.共有3个表函数，分别为日人均出行量表函数TPPT、GDP表函数GDP、常住人口表函数TRP，其他变量为辅助变量.通过交通基础设施投资ITI转化成道路长度增长量进行累积，状态变量的计算公式为[1]28

“一议处五司节制以杜侵陵，黄平、草塘、白泥、余庆、重安五司旧隶播州，袭替表贡，必假该司印信，不若将五司改隶黄平通判管理。一议处七姓奏民以安流离。七姓自奏许以来，恐杨酋加害，远徙川贵而无辜播民惧天讨，或加亦因转徙。今拟罢剿则当分别优恤，令有司给照安插。一增设安边府官，以资弹压，娄山以北，松坎以南，颇称乐土。顷以播司构难，相率逃移，非设官拊循民将何归？应将重庆府捕盗通判改为抚夷同知，移驻前项地方，听其不时巡历，设法招抚。一议发避住土官以复故业。播州土同知罗时丰与应龙同籍同官，仇隙未深，因去岁议剿移驻贵竹土司，今应龙已俛首听勘，时丰当听督抚差官押送故土”[15]。

图2 城市交通拥堵系统动力学模型存量流量

其中,道路投资转化率RRIC的初始值为已知常量;道路投资额IR由交通投资与道路投资比重PRI确定，计算公式为[13]39

IR=ITI×PRI.

(3)

交通基础设施投资由GDP与交通投资比重PTI得出，GDP由表函数确定，计算公式为[13]36

ITI=GDP×PTI.

(4)

城市交通系统中，路网车道公里RKM(km)也可称为道路通行能力，可视为主干道、快速路与次干道支路3者之和，分别由所对应的道路长度、车道通行能力与车道数的乘积得出，计算公式为[13]40

其中，LMR,LFR,LSR分别为主干道、快速路与次干道支路的长度;CMR,CFR,CSR分别为3者的车道通行能力;NMR,NFR,NSR分别为3者的车道数.3种道路对应的道路长度计算公式为[1]29

交通拥堵的衡量指标一般为交通需求与交通供给的比值[14]41，基于对国内外交通拥堵CT评价指标的综合分析，将其定义为某路段在24 h内实际交通量与道路设计能力之比[14]，计算公式为[13]41

(9)

其中，CKM为小汽车车公里(km)，BKM为公交车车公里(km)，对应的计算公式为[1]29

其中，Pcar为小汽车平均出行距离(km);Pbus为公交车平均出行距离(km).小汽车交通量Tcar由小汽车出行量Vcar与小汽车载客人数Ncar的比值确定，公交车交通量Tbus由公交车出行量Vbus与公交车载客人数Nbus的比值确定.结合天津市的实际情况，本模型还将机动车尾号限行政策PRA考虑了进去，计算公式为[1]29

其中，小汽车出行量和公交车出行量分别由总出行量和其对应的出行比例确定，总出行量TT根据常住人口和日人均出行量表函数的乘积得出，计算公式为[1]29

其中，Rcar和Rbus分别为小汽车和公交车的出行比例.

2.2 数据来源

模型中包括GDP、常住人口、城市交通基础设施建设投资、道路投资、道路里程、出行量等在内的历史数据，主要来源于2005—2014年《天津市统计年鉴》和天津市国民经济和社会发展统计公报.

此外，由于模型中部分数据存在缺失，具体数值难以确定的情况，系统动力学方法允许借助相关研究经验进行数值的粗略估计，在满足建模要求的前提下，可以在后续的工作中逐渐加以确定[15]190.

3 结果与分析

3.1 有效性检验

考虑到对现实世界的仿真模拟需求，只有系统动力学模型通过了相关检验，才能称之为一个完整的模型，才能对实际的政策运行状况给出科学合理的对策建议.有效性检验首先需要检查模型内的变量选取及变量间关系的设置是否合理，随即通过比较模型输出的模拟值与实际值的拟合程度，以此来验证模型的构建是否合理.若模拟数据与历史数据的拟合度达到期望值，则表示本模型通过了有效性检验；若拟合度未达到标准，则需要返回对模型进行调整，以使模型最终通过检验.文中选取天津市的城市样本数据作为实证分析的对象，选取道路长度作为主要的历史值检验指标，主要原因是该变量为本模型的状态变量，为主要变量且有历史数据可以进行比较.表1为2005—2014年天津市铺装道路长度的模拟值与真实值的检验结果.

表1 天津市道路长度模拟值与真实值检验结果(km)

由表1可以看出，2005—2014年间城市道路长度的模拟值与实际值的误差率基本都控制在10%以内，说明本模型的计算精度符合仿真分析的需要，可以得出系统动力学模型的有效性判断.

3.2 机动车尾号限行政策仿真分析

随着天津市城市化进程的逐步推进，管理者在城市空间发展战略方面提出了中心城区“一主两副”的空间布局，具体指小白楼地区、西站地区城市副中心和天钢柳林城市副中心.目前，天津市中心城区已基本形成由快速路为骨架的道路交通系统，中心城区的交通拥堵正呈现出由点到线、由线到面蔓延的态势.随着城市机动车保有量的过快增长，城市居民的日常出行需求大大增加，加之城市道路资源的扩张能力极度有限，因而城市交通拥堵程度日趋严重，城市交通系统的可持续发展能力受到了极大威胁.为此，天津市从2014年3月1日起开始实行机动车尾号限行政策，并对具体的实施细则做出了明确规定.

机动车限行政策是利用交通需求管理来治理交通拥堵的一种措施，通过汽车尾号区域限行的方式来控制地面小汽车交通量的持续增长，促使出行居民改变出行方式转向公共交通出行方式，达到缓解交通拥堵的目的.通过调整系统动力学模型中限行政策影响因素的输入变量，即在初始情境下政策变量为0，当限行1个、2个和5个尾号时，将其数值变化为10%,20%和50%，以此来模拟仿真出在不同政策情境下天津市城市交通拥堵状况的变化趋势(图3-4).

图3 不同限行政策下天津市小汽车交通量变化趋势

图4 不同限行政策下天津市交通拥堵变化趋势

由图3-4可知，机动车限行政策的仿真分析主要是基于对机动车尾号限行个数的改变来完成的，本模型依照天津市目前实施的限行政策，共设定了4种情景模拟状态，即限行0个尾号、限行1个尾号、2个尾号、单双号限行状态.基于Vensim PLE平台对模型的运行，得到的结果表明，实行机动车尾号限行政策能够减少城市小汽车交通量，使得城市交通平均拥挤水平呈下降趋势，随着限行尾号个数的增加，交通拥挤程度也会跟着进一步降低，其中单双号限行政策的实施效果最为明显，平均拥挤水平处于4种情况中的最低水平.

综上所述，在城市交通需求增速过快且供给能力无法满足的情况下，可以采取机动车尾号限行的措施来抑制小汽车的出行需求，通过控制限行尾号的个数达到调节地面交通量的目的，不仅能在一定程度上降低城市交通拥挤水平，还有利于实现城市交通运行系统的健康发展.

4 城市交通拥堵治理对策建议

4.1 合理限制机动车的拥有和使用

目前我国除天津以外，也有不少城市针对机动车的过快增长采取了限制性措施，例如北京、杭州、广州等.结合本地实际情况，科学合理地对机动车保有量和使用率加以限制，的确可以在一定程度上起到缓解城市交通拥堵的作用.一方面可以通过政府行政手段限制机动车保有量的增加，采用机动车增量指标摇号或者竞价的方式，抬高机动车消费的准入门槛，同时增加购买机动车的成本，例如提高购买汽车时的消费税、依据汽车排量征收环保税等，这样会在汽车消费需求和机动车新增量方面起到明显的抑制作用.另一方面可以通过政府行政手段降低机动车使用率，实行不同时间段限行、单双号限行、交通宜拥堵区域征收拥堵费等方式，合理降低现有机动车的上路率和使用率.此外，规范政府公务用车管理，降低专车使用，大力推广公务用车集中调度，也能在一定程度上缓解城市交通拥堵程度.

4.2 科学规划城市交通布局

科学规划交通布局，加强城市路网建设，同样是影响城市交通运行效率的关键因素，对于化解城市行车难、停车难问题，改善城市交通环境，缓解交通拥堵有着重要作用.① 科学规划城市布局，畅通城市交通道路网，盘活城市各功能分区之间的联系，合理分散交通流量.② 因地制宜，合理规划建设城市内外部环线和城区道路立交，充分利用地理空间优势，构筑现代城市立体交通布局.③ 动静结合，加快城市各功能中心区和重点车流集中区域的停车场等静态交通建设，合理规划停车泊位的数量和类型，增加立体车库，充分利用空间，节约占地面积.④ 切实做好城市交通陈旧问题的整治工作，做到“疏通经络，活血化瘀”，才能真正激活城市交通属性.⑤ 进一步做好规划的后期落实工作，政府各职能部门要互相积极配合，严格落实规划要求，把好审批建设关，确保规划措施掷地有声.

4.3 大力促进公共交通优先发展

与私人交通相比，公共交通具有大运量、低能耗、高效率等诸多优势，大力发展公共交通既可以提升城市交通系统的运营效率，节约时间成本，又可以降低燃油污染，节省油耗，压缩经济成本，提升城市空气质量.因此，基于当前我国城市发展实际，优先发展城市公共交通，是解决交通拥堵难题最有效的途径和方法，同时也是建设服务型政府和提供优质公共服务的关键所在.政策优先、规划优先、技术优先都是未来天津市优先发展公共交通的长期思路，政府有关部门首先要在政策制定阶段就明确公交优先发展的地位，并给予大力支持；在城市规划、建设上，优先考虑公交系统的规划和建设，尤其是加大城市轨道交通建设的投资力度，并科学规划设置公交线路和站点，依据不同时间段的客流量增加公共交通运行密度，同时可以适当延长公共交通的运营时间；最后还应着力保障城市公共交通系统在交通资源方面拥有更大的优先权利.

4.4 积极倡导市民文明绿色出行

城市交通运行压力的缓解与每个市民的生活都息息相关，倡导市民文明绿色出行需要全体公民的共同努力.① 全社会要积极鼓励市民选择公交、地铁等低能耗、低污染和低排放的绿色、文明出行方式，减少私家车的使用.② 广大市民也要争当绿色出行的宣传使者，带动身边更多的人参与进来，自觉遵守社会秩序，做到文明出行，绿色出行，文明乘车，文明行走，营造一个绿色发展的交通环境.③ 城市交通管理部门可以通过网络、电视等媒体平台加强交通等相关法律法规的宣传力度，让文明绿色出行的理念深入人心；同时要进一步加强对机动车驾驶员的宣传引导，加强驾驶员考试严格程度，从思想根源上切实筑牢文明驾驶文明出行观念.

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