不同轨道交通发展模式下上海客运交通结构对比分析＊

章 洵 缪子山 杨 超

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室1） 上海 201804） （驻南昌铁路局福州军代处2） 福州 350013）

0 引 言

交通结构可以反映交通需求的特点和不同交通方式的主要功能与地位，直接影响着有限交通资源的配置，是决定城市交通系统效率高低的关键因素［1］.随着机动车尤其是私人小汽车的快速发展，交通供需失衡、交通结构低效的问题日益突出，交通拥堵、环境污染以及能源危机等形势日益严峻，严重制约了城市的可持续发展.发展城市轨道交通、优化城市交通发展方式和用能结构、改善城市客运交通结构，是支撑城市交通可持续发展的有效手段.因此，在当前我国城市客运交通结构加速调整的转型期，对交通结构的演变进程进行研究，合理引导城市交通结构向符合可持续的交通模式发展，不但对交通规划、建设、运营和管理具有总体指导作用，对改善城市交通运行效率、缓解城市交通拥堵和促进城市的可持续发展也具有十分重要的现实意义.

国外在对交通结构的早期研究中，Schaeffer和Sclar［2］1975年首次全面探讨了交通系统与城市形态的关系，认为城市形态的演变直接受城市交通方式的影响.Thomson［3］从交通发展模式入手，把城市布局归纳为充分发展小汽车战略、限制市中心战略、保持强大市中心战略、低成本战略和限制交通战略五种模式.Elkind等［4］认为一个可持续发展的城市必须具有便于步行、非机动车及公共交通通行的形态和规模，通过集中设置公共设施的可持续性综合作用来减少交通距离，以降低使用小汽车的比例.Cameron等［5］指出影响城市私人机动出行比例的影响因素有人口、城市化面积、岗位数和路网长度等，但在很大程度上是取决于城市本身的结构，并建立了计算城市私人机动出行比例的模型.

国内对城市交通结构演变的研究于近几年才开始.徐永能［6］对城市公共客运交通结构演化的外部环境条件和内部影响因素进行分析.沈飞［7］研究分析了国内外典型城市不同时期交通结构的特点和影响因素，进而找出交通结构的演变规律.郭劲松等［8］研究了在轨道交通不同发展阶段城市客运交通结构的演变规律，分析了轨道交通对客运结构的影响.陈星光等［9］从演化角度对用户出行方式选择进行研究，运用演化博弈理论研究出行方式选择的时间演化规律.刘爽［10］通过对国内外典型城市交通结构演变的机理分析，建立了交通结构演变的系统动力学模型并进行了实证研究.叶茂等［11］以镇江为例分析了带状组团城市空间与交通系统演变的互动发展过程和空间形态与交通模式的演化机理.

1 上海客运交通结构演变系统动力学模型

按照系统动力学研究问题的思路、方法和步骤，在确定建模目标和系统要素的基础上，通过分析各要素间的因果反馈关系，构建交通结构演变的系统流图和结构方程式，依托历史数据对模型进行参数标定和检验，从而建立上海客运交通结构演变的系统动力学模型.本研究将利用系统动力学专用软件Vensim PLE［12］来建立系统动力学模型.由于篇幅所限，文中仅列出系统界限与要素确定、系统流图和模型经验3个步骤.

1.1 系统界限与要素确定

确定系统结构的第一步是根据建模目的和所要研究的系统对象来划定系统界限，即确定系统需要包含哪些有用的系统要素.城市发展与城市交通结构演变的相互关系不仅包含交通供给、交通需求和交通运行，还包括相关交通规划与政策对交通结构的互动反馈影响.结合本文的建模目标和城市客运交通结构的系统构成，确定模型的边界为：交通结构要素、交通供给要素、交通需求要素、交通运行要素、交通规划与政策要素.具体系统要素确定如下.

1）交通结构要素 包括：个体机动比重；慢行交通比重、步行比重、非机动车比重；公交比重、轨道交通占公交比重、地面公交占公交比重、出租车占公交比重等.

2）交通供给要素 主要指道路设施、轨道交通、机动车的供给，包括：道路等级结构、道路长度、车道通行能力；轨道交通里程；各类机动车保有量等.

3）交通需求要素 主要指不同出行方式的出行需求特征，包括：城市人口（常住人口和流动人口）、人口增长率、居民出行率；小客车（不包含出租车）、摩托车、大客车、出租车的出行频次、载客率、出行量；公交车平均载客率、客运量、出行量；轨道交通平均客流强度、客运量、出行量等.

4）交通运行要素 主要指交通负荷、道路交通运行状态，包括：各类机动车的日均行驶里程、高峰小时流量比、高峰小时周转量；路网交通承载力；高峰小时道路交通强度；路网交通负荷；高峰小时路网平均车速.

5）交通规划与政策要素 主要指交通投资政策、交通需求管理政策及未来交通系统规划等并将其量化，包括：轨道交通、道路里程、各类机动车的年均增长率等.

1.2 系统流图

为简化建模的复杂度，对于经济发展水平对交通投资和机动车保有量的影响采用决策变量（也称速率变量）来表示，即使用道路里程增长率、轨道里程增长率、公交车增长率、小客车增长率等来定量经济发展和相关交通政策对交通系统的影响.预先确定人口、轨道里程、道路里程、小客车保有量、大客车保有量、摩托车保有量、出租车保有量、公交车保有量作为模型的输入变量（又称状态变量或积累变量）.在此基础上，结合系统因果关系图，将交通结构演变和交通结构合理性的判定分为2个子模块分别建立子系统流图，得到城市客运交通结构演变的系统流图（见图1）和路网交通状态系统流图，见图2.

1.3 模型检验

设定2004年为模型初始年（点），以2004年上海第三次综合交通调查数据为模型输入.由于文中的建模目的是模拟交通结构的演变，因此选取城市客运交通结构中不同出行方式所占的比重作为模型一致性的检验指标.通过模型计算其2004年、2009年的交通结构输出，与实际调查值进行误差检验，从而判断模型与实际的一致性，检验结果见表1.

表1 模型检验结果 %

通过模型计算结果与实际调查数据的对比分析，主要指标的相对误差均在5%以内，模型的精度符合实际模拟分析的需要，模型与实际系统的一致性符合检验要求.因此，该模型可以比较符合实际的定量分析上海客运交通结构的演变进程及特征变化，可以用于对上海客运交通作长期的动态战略性的定量分析研究.

图1 交通结构演变系统流图

图2 路网交通状态系统流图

2 上海轨道交通发展规模分析

2.1 国外轨道交通发展特征

世界上人口密度较大的城市在城市交通发展战略问题上基本达成共识，即通过发展城市轨道交通，发展运量大、速度快、能耗低、污染少、安全性高、可靠性强的现代化立体公共交通体系，以适应城市发展的需要.从世界大都市的城市发展历程来看，轨道交通在解决城市交通拥堵、优化城市布局、促进城市发展等方面都发挥了巨大的作用.近几年，我国政府也逐渐转变城市发展建设的理念，发展公交优先，尤其是把发展轨道交通放在城市建设中的重要地位，促使我国城市的轨道交通进入了快速发展时期.通过借鉴国外轨道交通的发展经验，研究如何确定我国城市适宜的轨道交通发展规模，如何定位城市轨道交通与地面公共交通在公交系统中的地位和作用，为我国城市公共交通建设提供理论指导，具有十分积极的现实意义.

由于世界范围内各个城市轨道交通的发展历史与发展模式各不相同，各城市轨道交通的发展规模也有显著的差异.但是，通过对不同城市的轨道交通密度与人口密度的统计分析，发现这两者之间有一定的相互关系.通过统计世界主要大城市轨道网密度与人口密度（见表2），发现世界大城市的轨道网密度与人口密度分布在两条不同的拟合曲线上（见图3），分别将这两条曲线命名为轨道网高密度发展曲线（简称：高密度曲线）和轨道网低密度发展曲线（简称：低密度曲线）.在高密度曲线上的城市包括：巴黎中心城、大巴黎市域、东京中心城、东京交通圈、大伦敦市域、纽约市域；在低密度曲线上的城市包括：上海中心城、上海市域、首尔市域、香港市域、新加坡市域、莫斯科市域.可见，各大城市在轨道交通的发展上存在两种不同的发展模式，而上海则处于低密度发展的模式上.同时，可以发现巴黎和东京的中心城和市域（或交通圈）轨道的发展都在高密度曲线上，说明其轨道的发展趋势在中心城和市域是一致的.

表2 世界主要大城市轨道网密度与人口密度

图3 世界主要大城市轨道网密度与人口密度关系图

2.2 上海轨道交通发展目标假定

根据上述分析，假定上海轨道交通发展分别采取高、低密度曲线，以及当前发展趋势进行增长，利用上海客运交通结构演变系统动力学模型对比分析未来上海客运交通结构的演变情况.

上海2030年总人口将达到3 150万人左右，人口密度为0.497万人／km2.按高密度曲线拟合公式计算，将上海市轨道交通发展高方案设定为：至2030年，市域轨道网密度达0.29km／km2，即所需轨道网规模达1 838km，在公交系统内部形成以轨道交通为主体、地面公交和出租车为辅的公交系统结构，轨道交通在公交系统中处于垄断地位.为便于对比，将该方案称为A模式.

按低密度曲线拟合公式计算，将上海市轨道交通发展低方案设定为：至2030年，市域轨道网密度达0.135km／km2，即所需轨道网规模达858 km，在公交系统内部形成以地面公交为主体、轨道交通和出租车为辅的公交系统结构，地面公交在公交系统中处于垄断地位.将该方案称为B模式.

另外，按照当前上海市轨道交通的发展趋势，上海轨道交通年均增长量为56km，至2030年轨道网密度将达到0.22km／km2，这一规划方案处于高／低密度曲线之间，属于中密度方案.因此，将上海市轨道交通发展中方案设定为：至2030年，市域轨道网密度达0.22km／km2，即所需轨道网规模达1 393km，在公交系统内部形成以地面公交和轨道交通为主体、出租车为辅的公交系统结构.将该方案称为C模式.

3 不同轨道交通发展模式对比

根据已建立的上海客运交通结构演变系统动力学模型，为保证模型的连续性和实用性，本文仍然以2004年为基准年，以上海历次综合交通调查数据、交通年度发展报告和上海市统计年鉴为基础数据输入模型，对这3种轨道交通发展模式进行模拟.

3.1 政策措施分析

1）根据目标制定轨道交通建设规划 根据模型计算：

A模式，2030年轨道交通线网规模达到1 838km，截止2014年底上海市轨道交通运营总里程达到548km，以此推算在2015年以后，上海市轨道交通要以年均86km以上的新建规模增长，上海需要持续大规模地扩大和完善轨道交通网络.

B模式，2030年轨道交通线网规模达到858 km，以此推算在2015年以后，上海市轨道交通要以年均21km以上的新建规模增长，上海建设轨道交通的进度将有所放缓.

C模式，保持上海市轨道交通目前发展趋势，轨道交通年均增长量为56km，至2030年，轨道网规模将达到1 393km.

2）维持限制机动车保有政策，减少机动车使用 控制机动车增长一直是改善道路交通措施的永恒话题.由于受用地资源和城市空间资源的限制，上海道路交通设施的供应增长已十分有限，道路资源增长远远赶不上机动车的快速增长，城市对机动车的容纳能力以越来越趋于饱和.道路交通状况日益恶化，工作日高峰时段拥堵更为明显，交通污染越发严重，机动车排放污染目前已成为上海大气细颗粒物（PM2.5）的主要来源.针对这种情况，上海市需要继续控制机动车的增长尤其是私人汽车的增长幅度，通过牌照拍卖政策并研究实行道路拥挤收费、区域化差别化停车收费、合乘车道等引导居民减少汽车使用的政策.文中假定在以上3种不同的轨道交通发展模式中，维持现有的机动车控制政策不变，即机动车中各车种的增长维持现有增长趋势不变.

3.2 模拟效果对比

在政策措施制定及相关参数确定后，经过模型模拟分析，得出A，B，C模式轨道密度与人口密度发展趋势图（见图4）和交通结构演变图，见图5.

图4 上海市轨道密度与人口密度发展趋势

图5 上海市交通结构演变图

由图4知，A模式采用的是高密度曲线轨道交通发展模式，B模式采用的是低密度曲线轨道交通发展模式，C模式则在高、低密度曲线之间.由图5知，因采用不同的轨道交通建设进度，公共交通比重的增长呈现出较大差异.A模式由于大力发展轨道交通，公交比重从2010年的25%增长到2030年的40.3%，而到2030年B模式公交比重只为28.2%，C模式为34.8%.同时，在3种模式中，由于设定的个体机动参数不变，个体机动比重的增长趋势一样，由2010年的20.3%增长至2030年的28.6%.

4 结束语

文中按照系统动力学研究问题的思路、方法和步骤提出了上海客运交通结构演变的系统动力学模型，并通过对世界主要大城市轨道交通密度与人口密度的统计分析，总结出轨道网高密度发展曲线和轨道网低密度发展曲线两种发展趋势.借鉴国外大城市轨道交通的发展特征，计算了高、低、中密度3种轨道交通发展模式下上海市轨道交通的发展规模，利用系统动力学模型对这3种轨道交通发展模式进行了动态的定量分析研究，对比分析了不同轨道规模下未来的交通结构发展演变趋势，为上海市交通发展模式的选择和轨道交通规模的确定提供参考.

［1］詹运溯.城市客运交通政策研究及交通结构优化［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］SCHAEFFER K H，SCLAR E.Access for all：Transportation and urban growth［M］.Penguin：U－nited Kingdom，1975.

［3］THOMSON J M，Great cities and their traffic［M］.London：Gollancz，1977.

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［7］沈 飞.国内外大城市交通结构演变及其与北京的对比研究［D］.北京：北京交通大学，2007.

［8］郭劲松.大城市轨道交通发展对客运结构演变的影响研究［D］.南京：东南大学，2008.

［9］陈星光，周 晶，朱振涛.城市交通出行方式选择的演化博弈分析［J］.管理工程学报，2009，23（2）：140－142.

［10］刘 爽.基于系统动力学的城市交通结构演变机理及实证研究［D］.北京：北京交通大学，2009.

［11］叶 茂，过秀成，王 谷.从单核到组团式结构：带型城市的交通模式演化与选择［J］.现代城市研究，2010（1）：30－35.

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