城市轨道交通网络交通供需调节能力分析*

武超群 裴玉龙 高敬鹏

(哈尔滨工业大学交通科学与工程学院1) 哈尔滨 150090) (黑龙江工程学院汽车与交通工程学院2) 哈尔滨 150050)

城市轨道交通网络交通供需调节能力分析*

武超群1,2)裴玉龙3)高敬鹏4)

(哈尔滨工业大学交通科学与工程学院1)哈尔滨 150090) (黑龙江工程学院汽车与交通工程学院2)哈尔滨 150050)

(东北林业大学交通学院3)哈尔滨 150040) (哈尔滨工程大学信息与通信工程学院4)哈尔滨 150001)

提出城市轨道交通网络的交通需求调节能力的概念.从诱增交通需求和城市交通系统自我平衡状态2个方面探讨了轨道交通网络对城市交通系统供需调节的机理.其估算模型的思路为通过轨道交通网络供给的诱增需求弹性系数估算其供需比弹性系数，结合调查计算得出轨道交通网络饱和度，得出量化后的交通供需调节能力.选取15个城市进行实例验证.结果表明，城市轨道交通网络所带来的诱增交通需求，是制约其交通供需调节能力的最重要因素，也是城市交通问题的根源.

轨道交通网络；城市交通系统；供需状态；调节能力

0 引 言

交通问题产生的根本原因是城市交通需求与交通供给的不平衡[1]，然而，在社会经济条件下，城市交通系统供给和需求之间相互联系、相互制约，供需关系动态的发展变化.采用静态的方法可以分析交通供需发生变化时短期内产生的影响，如波兰在带有卫星城的上西里西亚城市中应用了出行需求和交通供给的系列模型[2]；为拥挤交通系统建立的非连续需求模型，以数学为基础，以可供路径选择的抽象网络为依托，讨论交通供需平衡.采用动态的方法能够探讨影响交通供需状态的因素，分析其长期的变化趋势，如采用博弈论可以寻找城市交通供需失衡的根本原因[3]；系统动力学方法研究交通供给和需求非均衡动态变化过程[4]；在深入分析城市交通供需矛盾的基础上，采用交通供需方之间动态平衡关系的耦合性平衡来评价城市交通系统供需平衡状态，进而，调控交通供需和分析发展对策[5-6].轨道交通网络的建设大幅度的增加交通系统供给，被视为解决城市交通拥挤、节能减排的最有效方法之一.以静态方法分析城市轨道交通供需特征[7]，短期内的效果明显.与此同时，轨道交通网络的引导城市格局、刺激经济发展的作用引发交通的诱增需求，致使其缓解交通拥挤、节能减排的实际功效有待进一步探讨.

为了反映轨道交通网络对城市交通供需平衡动态发展过程中的促进和制约作用，文中提出轨道交通网络交通供需协调能力的概念，并建立其量化估算模型，旨在能够定量的分析轨道交通网络对城市交通的贡献程度，为城市交通轨道交通规划、城市交通规划、乃至城市发展规划提供理论根据.

1 轨道交通网络的交通供需协调能力含义

由于轨道交通网络的建设在大幅度增加城市交通系统供给的同时，通过刺激经济发展、改变城市格局增加交通需求，二者相互抵消之后达到新的平衡；随后，轨道交通网络通过调节发车时间间隔、满载率等运营手段，使得城市交通系统供需状态始终处于平衡状态，达到维持城市交通系统供需平衡的目的.故此，将轨道交通网络的交通供需调节能力表达为轨道交通网络对城市交通供需状态进行调整，使其始终处于一个特定稳定状态的能力.

轨道交通网络的交通供需调节能力反映的是城市交通系统供需关系，也映射了城市社会经济发展的需求.城市轨道交通网络供需调节能力具体体现在长期调节和短期调节2个方面.长期的供需调节能力表现在轨道交通网络在将来很长时间内平衡诱增需求的能力；短期的供需调节能力体现在轨道交通网络在城市交通遭遇不利天气或者突发事件时，维持城市交通系统供需自我平衡的能力.

2 轨道交通网络对城市交通系统供需状态的调节机理

2.1 轨道交通网络供给与诱增需求

轨道交通网络供给增加将对居民出行方式产生以下4个方面的影响：①出行时间改变，由于轨道交通供给增加使得居民的出行时间从非高峰时段转移到高峰时段；②目的地改变，出行速度的提高使得居民将出行的终点选择到更远的地方；③交通方式选择改变，轨道交通从地面交通吸引部分出行，使得地面道路交通拥挤得到缓解；④由于轨道交通供给的增加而诱增交通需求.这一系列改变的直接原因是因出行成本降低而产生的市场效应，则深层次的原因则是交通的便利为居民或者企业带来的潜在经济收益.

城市轨道交通供给增加后的效益体现在高峰时段出行客流的增加和地面交通拥挤的减缓2个方面.轨道交通供给的增加从其他路径、时间和交通方式吸引客流，使得其他路径、时间和交通方式的服务水平增加，继而整个城市交通系统的服务水平提高，出行成本降低，从而刺激出行的增长，形成诱增交通需求.随后，诱增的交通需求降低了轨道交通系统供给增加后的预期效益，因为诱增交通需求产生了新的出行成本，使得交通系统达到一个新的供需状态，这就是轨道交通网络供给增加产生诱增需求的原理，见图1.

图1 轨道交通网络供给增加产生诱增需求的原理图

对于新建的轨道交通线路，交通增长直到拥挤发生，而后增长率下降，实现平衡.此时的需求预测趋势表明需要更多的交通供给，于是增加轨道交通网络供给带来交通需求增长的另一个阶段.当交通不拥挤时，交通需求增加；随着拥挤的出现，增长率下降，直到达到新的平衡.如果交通供给增加，交通需求将达到新的平衡，这个增长量就是诱增需求量.

2.2 轨道交通网络供给对城市交通供需自我平衡的调节过程

当城市交通长期处于某种供需状态时，居民将会适应这种供需状态，并形成固定的行为模式；当供给或需求发生变化时，居民将调整其行为模式，使供需状态回到原点.假如供给增加，会出现诱增需求；假如需求增加，地面交通大面积堵塞、轨道交通满载率过高，影响城市正常运转，迫使城市增加交通供给；最终城市交通的供需状态还是回到原点.将城市自始至终保持的某种交通供需状态称为城市交通系统供需自我平衡，而维持供需自我平衡的原动力是居民对交通系统服务水平的容忍程度.

交通容忍度也可叫交通忍耐度，描述为居民在日常出行过程中对城市交通系统提供服务的可接受程度，即在服务水平基础上设定的对出行过程中所出现的交通延误、交通拥挤、出行成本等方面的可容忍限度.在容忍度的范围内的交通状态下可以进行正常的工作和生活行程安排.当交通供需状态提供的交通系统服务水平长期偏离了居民交通容忍度下的服务水平，将会促使居民对其工作和生活的轨迹进行调整.交通容忍度下的交通系统服务水平较低，说明居民对城市交通系统服务能力的包容程度较强.

图2描述了交通容忍度在城市交通系统维持其供需状态自我平衡的过程.轨道交通网络供给量增加使得现状交通和交通容忍度之间出现了服务水平差距，进而决定了是否诱增需求及其诱增的幅度，影响了城市交通系统需求量，最终使得城市交通系统的供需状态保持自我平衡.居民对交通服务水平的容忍程度使得城市交通系统的供需状态呈现稳定的负反馈循环.

图2 交通容忍度下城市交通系统供需状态的自我平衡

长期以来，中国大城市的交通系统在高峰时段处于一种供不应求的自我平衡状态，使得居民的交通容忍度一直较强.当城市轨道交通网络大量提供交通供给的时候，诱增需求也快速增长，导致城市的自我平衡状态依然是供不应求.轨道交通网络对交通系统供需自我平衡的长期调节表现为城市居民交通容忍度下的诱增需求；当城市交通需求稳定增加，存在现状交通与交通容忍度的服务水平差距为负时，轨道交通系统能够逐步释放运能，维持城市交通系统供需自我平衡.

另一方面，当城市交通系统遭遇不利天气、大客流或者突发事件时，轨道交通网络需要保证城市交通的正常运转.当城市交通需求突然增加，或者当其它交通方式供给量下降，轨道交通系统能够快速响应，迅速增加供给；当城市交通需求减少，供大于求时，也能相应的减少供给，以便节约社会资源.

3 轨道交通网络交通供需调节能力估算模型

城市交通系统供需自我平衡状态的量化值是交通容忍度下的城市交通系统供需比[8]，因此，轨道交通网络交通供需调节能力估算的思路为：通过轨道交通网络供给的诱增需求弹性系数估算轨道交通供给的供需比弹性系数，而后按照调查计算得出的轨道交通网络饱和度λ，得出交通供需调节能力Z.

3.1 轨道交通供给的供需比弹性系数

弹性系数法在对一个因素发展变化预测的基础上，通过弹性系数对另一个因素的发展变化作出预测的一种间接预测方法.在轨道交通网络供给量变化预测的基础上，通过弹性系数预测城市交通系统供需比的变化程度，称为轨道交通网络供给的供需比弹性系数，简称供需比弹性系数.供需比弹性系数ρw定义为供需比的变化程度与轨道交通系统供给量变化程度的比值，用式(1)表示.

(1)

(2)

式中：St为第t期城市交通网络供给量；Dt为第t期城市交通网络供给量.

供需比弹性系数ρω估算的难点在于预测轨道交通网络带来的诱增交通需求.预测诱增交通需求的方法主要有交通可达性的势能模型[9-10]，“四阶段”法[11]，多元线性回归法和弹性系数法[12]；其中最简单可行的方法是弹性系数法[13].

轨道交通网络供给的诱增需求弹性系数，简称诱增需求弹性系数，同样是在轨道交通网络供给量变化预测的基础上，通过弹性系数预测城市交通系统诱增需求的变化程度.

令轨道交通网络诱增需求量占城市交通系统需求量的比例ξ表示为

(3)

式中：Dy为由轨道交通系统供给量增加而产生的诱增需求.

令轨道交通网络供给增加比例η表示为

(4)

则诱增需求弹性系数ρy表达为

(5)

将轨道交通系统供给量占城市交通网络总供给量的比例记为轨道交通网络供给占有率ε，表达为

(6)

当ε=1时，代表了地面交通完全瘫痪的状态，城市交通完全依赖轨道交通网络.当ε=0时，代表了城市中没有轨道交通网络存在的状态，此时的供需比弹性系数针对新建线路进行预测.

对式(1)进行推导，则供需比弹性系数ρω可用式(7)表达.

(7)

用Matlab软件绘制供需比弹性系数ρw的四维图像见图3.从图3可知，理论上ρw的取值范围为ρw∈[-1,1].当ε≥ρy时，ρw∈[0,1]；当ε<ρy时，ρw∈[-1,0).ρw取正值意味着轨道交通供给增加的幅度超过了其诱增需求的程度，城市交通系统供需比增加，轨道交通网络的建设能够长期改善城市交通供需状态.

图3 供需比弹性系数的四维图

3.2 轨道交通网络交通供需调节能力的量化估算

轨道交通网络供需调节能力的量化表达为轨道交通系统供给的增加能使城市交通系统供需比的最大变化范围，不仅与供需比弹性系数有关，还与轨道交通网络的饱和度有着密切的关系.轨道交通满载率、发车间隔和编组数决定了轨道交通线路的供给能力.当满载率和编组数取最大值、发车间隔取最小值时，轨道交通线路供给能力达到最大.轨道交通日常需求客流量与轨道交通网络所能提供最大供给量的百分比，称为轨道交通网络饱和度λ，用式(8)表示.

(8)

轨道交通网络饱和度与轨道交通供需比的区别在于：轨道交通系统最大供给量要求轨道交通系统的所有设备在保障安全的前提下，达到最高效率的运转，而供需比中的供给量是保障一定服务水平的条件下的供给量.二者相同之处在于需求量均为日常需求量.

因此，轨道交通网络供需调节能力Z表达为式(9).

(9)

根据式(9)用Matlab软件绘出轨道交通网络供需调节能力的曲面图见图4.图中显示W的理论取值范围为W∈[-100,100].当λ=100或者ρw=0时，Z=0；ρw<0时，Z<0.

图4 轨道交通网络供需调节能力的曲面图

4 实例验证

中国城市正处于高速建设轨道交通线路的时期，截止2015年底，全国有22个城市开通了轨道交通.文中选取15个城市作为研究对象，基于以下2点：

1) 这些城市在开通首条轨道交通线路之后，将轨道交通的建设列入市政重点工程之一，近期，每年均有不菲的投入推进轨道交通网络的建设，从2016—2020年之间，城市轨道交通网络的规模将有很大的发展，绝大多数城市在这期间能够形成初具规模的网络.由于在估算模型中考虑了社会经济因素，在进行预测时会有很大的不确定性，为了更精确的对评价方法进行验证，论文将对2020年前后作为近期状态和将2015年底作为现状进行对比分析,见图5.

2) 这些城市的地理位置有东部沿海城市，也有西部城市；有一线城市，也有省会城市；有高寒城市，也有热带城市；有轨道交通发展速度较快的城市，也有轨道交通发展较慢的城市：从政治经济发展、地理位置、气候条件、人文环境，以及城市交通发展水平等各个方面均有代表性.

图5 城市轨道交通网络发展基本情况

根据图6展示的15个城市的轨道交通网络交通供需调节能力现状和近期对比结果，每个城市轨道交通网络的交通供需调节能力的变化都不是很大，苏州和长沙的上升幅度稍大一些，北京、广州、深圳持平，程度甚至出现了下降的现象；而且所有城市的值都很低，处于较低水平的状态.究其原因，产生这种现象的根源在于诱增需求弹性系数较大，结合图6中给出的诱增需求弹性系数，可以发现诱增需求弹性系数较小的城市，轨道交通网络交通供需调节能力的值相对较大，反之亦然.

图6 轨道交通网络交通供需调节能力现状和近期对比

诱增需求是城市经济发展一个必然结果，诱增需求弹性系数反映了城市对交通系统的潜在需求；现状中这种潜在需求的存在导致了轨道交通网络的交通需求调节能力值的偏低，近期将制约着其交通需求调节能力的发展.只有轨道交通网络建设速度超额满足潜在需求，交通需求调节能力才有可能提高；只有诱增需求弹性系数小于轨道交通网络供给占有率时，城市轨道交通网络的交通供需调节能力才会大于零.由图7可知，绝大多数城市的诱增需求弹性系数都远大于其供给占有率，意味着轨道交通网络的建设速度赶不上城市经济的发展速度，意味着轨道交通网络只是被动地满足城市交通需求的发展，而没有能力主动地调节交通供需状态.

图7 城市轨道交通网络诱增需求弹性系数

然而，多中心的城市功能放大了交通系统的资源和劳动力的集聚效应，加快了交通系统引起的经济活动迁移，使得繁荣之处更加繁荣，结果是诱增交通弹性系数居高不下，城市的交通供需状态只能维持在原有水平.

5 结 论

1) 提出轨道交通网络交通供需调节能力的概念，引入交通容忍度阐述轨道交通网络对交通供需的调节机理.

2) 建立轨道交通网络的交通供需调节能力估算模型，对15个国内城市2015年底和2020年前后的轨道交通网络进行分析.

3) 由于诱增交通需求过大，城市轨道交通网络的建设也只能在短期内暂时缓解城市交通问题，为了维持城市的可持续发展，解决城市交通问题的根源，需要进一步规划城市的功能和布局.

文中提出的方法虽然能够量化城市轨道交通网络对交通系统供需状态的作用效果，但是其供需比弹性系数的确定还处于初步的研究阶段，特别是诱增交通需求的估算，只是采用最简单可行的弹性系数法，还需进行更广泛深入的研究.

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Analysis on Transportation Supply-demand Adjustment Ability of Urban Rail Transit Network

WU Chaoqun1,2)PEI Yulong3)GAO Jingpeng4)

(SchoolofTransportationScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)1)(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,HeilongjiangInstituteofTechnology,Harbin150050,China)2)(TrafficCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)3)(CollegeofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)4)

The concept of “transportation supply-demand adjustment ability of urban rail transit network” is proposed in this paper. The principles of the rail transit network adjusting the urban transportation supply-demand are explored, based on both the induced transport demand and the supply-demand self-limiting equilibrium of urban transport system. The thinking of its estimation model is that the supply-demand elastic ratio of the rail transit network supply is calculated based on its induced demand elastic ratio. Furthermore, the quantified transportation supply-demand adjustment ability can be obtained based on the calculated rail transit network saturation. The results of 15 cities show that the induced transport demand is an important factor restricting the transportation supply-demand adjustment ability of urban rail transit network and is the root on urban transport problem.

rail transit network; urban transport system; supply-demand condition; adjustment ability

2016-11-18

*国家自然科学基金面上项目资助(51278158/E0807)

U491.12

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.005

武超群(1980—)：女,博士生，副教授，主要研究领域为交通运输规划与管理