武汉城市生态交通系统SD模型构建

（武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063）

1 绪论

随着社会的进步，城市作为一定区域内政治、经济、文化、交通中心的作用日益显著。城市化的迅速推进带来交通需求的增长，城市机动车出行大幅增加并逐渐占据主体地位，随之产生的则是一系列交通问题。交通拥堵、交通事故、交通污染排放等问题给人们的生活和工作带来了严重影响，这一点在大城市中尤为突出[1]。 近年来，雾霾等城市污染问题对人体健康产生了严重威胁，人们的环保意识日益增强，城市交通规划设计者以及政府决策者迫切需要制定适合本地区实际情况的科学化、生态化交通发展策略，生态文明的思想逐渐进入人们视野[2]。

20世纪中后期，工业文明遗留的诸多问题使人们开始对社会的发展进行反思，生态文明思想应运而生。“可持续发展”基本纲领自1987年2月首次提出以来广泛传播，对世界各国的发展战略产生了深远影响[3]。在可持续发展理念的指导下对交通发展问题进行全面思考，一些新的理念例如绿色交通、生态交通等逐渐引起人们关注。城市生态交通系统的复杂性与动态性使得城市生态交通相关研究主要集中在理论研究与评价方面，已有研究运用层次分析法对生态交通系统进行评价[4]以及将层次分析法与变异系数法相结合从主观、客观两个方面对评价指标进行赋权评价[5]。生态交通系统的相关理论与实现途径不断被讨论研究[6]。

近年来，为了使城市交通发展更加生态化，新技术不断被应用到城市交通系统中，新政策不断出台，但城市交通的污染问题、拥堵问题依然存在。从系统的角度出发对城市生态交通系统进行仿真研究，通过分析城市生态交通系统框架结构，构建合理的系统动力学模型并对其进行有效地模拟，能够为城市生态交通发展政策的制定提供一定依据。

2 城市生态交通系统的内涵

2.1 生态理念的发展

19世纪中期，生态学的概念首次被提出：生态学是研究生物体与其周围环境（包括非生物环境和生物环境）相互关系的科学。研究的相关成果被用来指导人与生态圈的协调发展[7]，为后来一系列生态相关的研究奠定了宝贵的理论基础。生态学自创立之初始终被认为是一门描述性科学，定量方法只能运用于个体，不能运用于群体。但随着科学新技术的引入以及数学等基础学科的不断发展，群体生态学的研究逐渐进入了定量化阶段，系统生态学、定量生态学等生态学新领域不断涌现。

城市化的加速发展导致机动车数量急剧增长，因此导致的资源开采过度、城市环境污染加重等问题迅速改变着人类自身的生存环境，将生态理念作为指导理念引入城市交通的规划与发展，由此提出生态交通的发展理念，将有助于城市交通污染问题的控制和解决[8]。

2.2 城市生态交通系统的概念

1971年，联合国教科文组织提出了生态城市的规划理念并对此进行了具体阐述：“生态城市规划就是从自然生态和社会心理两方面创造的充分融合技术和自然的最佳人类活动环境，诱导人的创造力和生产力，提供高水平的物质和生活方式”。此后，生态城市理论及实践研究逐渐成为城市规划领域的热点。交通常被比作城市的经济动脉，对一个城市的发展至关重要。生态城市的概念提出后，交通领域的许多学者开始研究如何在生态城市理念下更好地规划交通建设，而后逐渐转变为城市生态交通系统研究。传统城市交通规划理论是以自我为中心，研究物质层面交通系统的发展，城市生态交通规划理论则是从生态整体进行规划，强调与自然协调共生；传统城市交通规划理论侧重于形体与经济，以效益最大化为原则，而城市生态交通规划侧重于人与自然，注重环保与可持续发展。

在整合相关理论成果的基础上提出城市生态交通系统的概念：借鉴自然生态系统的运行方式，着眼于交通系统与生态环境的长远利益，按照生态原理进行规划和管理的资源利用率高、污染废弃物少，与城市生态环境有长期适应性的可持续型高效交通体系。城市生态交通系统通过分析与研究城市交通系统规划过程中与生态有关的环节，使交通发展不仅能支撑和引导社会经济发展，而且能与周围生态环境协调发展，甚至改善周围的生态环境[9]。城市生态交通致力于实现包括生态效率在内的综合效率最大化，倡导低碳、绿色、生态的理念，使交通发展被约束在生态环境的承载能力之内。

2.3 城市生态交通系统的框架结构

以往城市交通系统框架研究主要从经济、交通工具、交通设施、居民出行等方面入手，以人为主体，侧重于满足交通需求，未考虑交通发展可能给环境带来的负面影响。而生态交通更多的是以自然为主体，强调交通与自然的和谐发展，突出生态环境的制约作用，与传统交通相比，生态交通更注重资源的合理利用与环境保护。因而在进行城市生态交通系统框架研究时，需将生态要素考虑其中，从系统动力学的角度出发，将其分为社会经济子系统、车-路子系统、生态目标子系统，如图1所示。

2.4 城市生态交通系统的特点

交通行业在一定程度上与其他产业类似，同样具有局限性与短视性。传统机动车在发明之初满足了出行需求，但后期发展没有一定的规划，导致交通污染已对环境造成了严重影响。自然界生态系统经过上亿年的演化，系统内的废弃物是循环利用的。受自然生态系统的启发，城市交通系统如果也能在提高资源利用率的同时减少废弃物的产生，则更加有利于其自身的可持续发展。城市生态交通系统的具体特点如下：

（1）生态化。传统交通的发展侧重于满足居民出行需求，生态交通则更加关注交通发展过程中与环境的长期适应性以及生态系统的长远利益。生态交通发展模式考虑交通发展过程中可能存在的潜在影响，重视再循环技术的研究与使用，力求交通发展在满足居民出行需求的同时减少对环境的影响。

（2）全过程化。传统交通治理污染的方式主要从末端治理，设置标准，注重污染治理效果。而城市生态交通追求的是交通的可持续发展，关注的焦点问题是整个社会经济生产和交通发展方式的转变。目前许多国家采用达标计划治理交通污染并取得了一定效果，但其不具有系统性，因而在复杂系统中达标计划无法产生显著效果。与传统交通规划不同，在进行城市生态交通的规划时应考虑整个生命周期的影响，不再只考虑某一阶段或者局部的影响。

（3）系统化。由运输对象、运输工具、交通设施组成的城市交通系统是一个典型的复杂系统，具体可划分为社会经济子系统、车-路子系统、生态目标子系统。城市生态交通系统在传统交通系统的基础上新增了生态目标子系统，并且注重各子系统间的协调发展。

图1 城市生态交通系统框架结构

3 武汉城市生态交通发展现状及影响因素分析

3.1 武汉城市生态交通发展现状

“十二五”期间是武汉市交通发展速度最快、交通投资规模最大的五年。武汉市机动车保有量在2016年已超过230万辆。随着武汉市机动化的不断提高、交通大建设时期的占道等影响，交通拥堵、交通污染等问题日益加剧。武汉市PM2.5本地排放源中机动车尾气贡献率已达到27%，仅次于工业排放。为此武汉市近几年不断加大城市交通绿化投入，将全市1 732条城市道路列入绿化养护管理，建成区绿化覆盖率达到39%，森林覆盖率达到22%。

3.2 武汉城市生态交通系统发展影响因素分析

依据文中所构建城市生态交通系统框架，结合武汉城市生态交通发展现状，分别从社会经济、车-路、生态目标三个方面进行影响因素分析。从社会经济层面看，城市交通发展与城市经济发展水平息息相关，因此将城市GDP作为社会经济子系统关键要素进行研究，而人作为交通工具的服务主体也应作为主要影响因素纳入系统进行考虑。由于武汉市流动人口占总人口比重较大，应当分别考虑常住人口与流动人口对交通出行的影响；在车-路子系统中，机动车由于其保有量多，对城市环境影响大的特点，将其作为主要因素进行考虑。与私家车相比，公共交通具有污染少、资源利用率高的特点，符合生态交通的内涵，因而公共交通是城市生态交通系统的重要内容。近几年武汉市轨道交通高速发展，轨道交通客运总量从2012年的8 000万人次发展至2016年的7亿人次，轨道交通已经成为目前武汉市居民出行的重要选择。因此将轨道交通相关的发展要素纳入车-路子系统进行具体考虑。在生态目标子系统中，污染排放减少、环境质量改善是城市生态交通发展的落脚点之一，因而将机动车污染排放与绿化水平作为主要考虑因素。针对各子系统中关键影响因素进行深入分析，为武汉城市生态交通系统SD模型变量选取提供依据。

4 武汉城市生态交通系统SD模型构建

4.1 系统边界确定

模型地理边界为武汉市，时间边界为2001-2030年。模型外生变量为时间、交通发展政策以及部分由统计数据决定的交通变量。在对武汉城市生态交通系统影响分析的基础上，筛选出子系统内主要变量，见表1。

表1 子系统划分及其主要变量

4.2 因果关系分析

城市生态交通系统是一个复杂的动态系统，人口增长导致的交通需求增加刺激了机动车的发展，由此产生的环境污染又抑制了人口的增长。而新能源汽车、轨道交通的发展在满足交通需求的同时减少了交通发展对环境的污染，具体因果关系如图2所示。

图2 武汉城市生态交通系统主要变量因果关系

由图2可以看出，主要的反馈环如下：

人口→交通需求→交通投资→交通供给→居民满意度→交通投资，这是一个负反馈。

人口→交通需求→交通投资→传统机动车保有量→环境污染→人口，这是一个负反馈。

人口→交通需求→交通投资→新能源汽车车保有量→环境污染→人口，这是一个正反馈。

人口→交通需求→交通投资→轨道交通线路通车里程→环境污染→人口，这是一个正反馈。

环境污染→居民满意度→环保投入→环境污染，这是一个负反馈。

4.3 系统流图确定

在确定变量性质的基础上，根据因果关系图，利用系统动力学软件Vensim建立武汉城市生态交通系统存量流量图，如图3所示。

4.4 变量方程

针对表1所提供的主要变量，根据其类型建立对应方程，主要包括状态变量方程、速率方程、辅助变量方程三类。将各主要变量方程按其所属子系统进行整理如下：

（1）社会经济子系统

其中，GDP.K为城市GDP在K时刻的累积量，GDP.J为GDP在J时刻的初始量，DT为J时刻到K时刻所经过的时间。

式（4）中M为公共交通统计人口中户籍人口所占比重，N为公共交通统计人口中流动人口所占比重。

（2）车-路子系统

（3）生态目标子系统

式（11）中X为环保投入转化系数。

4.5 模型参数估计

参数设置是应用存量流量图进行模拟分析之前的必要步骤，对于无法通过文献获取的参数，本文采用时间序列、回归分析等方法结合系统动力学相关函数进行估计，在此基础上得出各子系统主要变量相关参数，见表2。

图3 武汉城市生态交通系统存量流量图

表2 主要变量相关参数设置

4.6 模型有效性检验

以武汉市2015年统计年鉴数据作为对比参照，对可获得历史数据的主要变量进行误差分析，所得结果见表3。

从数据对比分析结果中可以看出，除机动车氮氧化物排放量模拟误差接近10%外，其余主要变量模拟误差均在5%以下，模型准确度符合实际模拟需要。

表3 主要变量有效性检验

4.7 仿真实验基本结论

由于篇幅限制，SD模型中主要变量、参量及状态方程确定的方法，以及仿真实验过程见后续论文。本文仅给出通过政策模拟结果分析得出的基本结论：

（1）机动车限购政策可以从根源上减少机动车排放污染，但居民的出行需求属于硬性需求，必须有相应的替代方案来解决居民的出行问题。与此同时需要提高环保监管能力，综合运用行政、法律、经济等多种手段对机动车污染排放进行治理。

（2）从目前武汉市的新能源汽车的保有量及投入力度来看，到2030年可以达到的污染防治效果并不理想，需进一步加大对新能源汽车产业的投入。与此同时加大新能源汽车的推广力度，使更多企业参与其中。

（3）武汉市轨道交通投入的提高可以达到预期的分担率并起到一定的污染防治效果。但目前武汉市轨道交通部分线路存在客流量居高不下的情况，大大降低了轨道交通的舒适度。

（4）生态交通是城市交通未来发展的一个重要趋势，高污染、低资源利用率的交通工具将被环保、高效的新型交通工具所取代。以新能源汽车及轨道交通为代表的新型交通出行方式，将逐步取代传统机动车在人们日常出行选择中的地位。

5 结语

传统交通发展的环境保护措施侧重于污染的治理效果，随着生态交通理论的逐渐发展，交通环境保护应围绕交通规划整个生命周期，在此基础上进行科学的环境管理。与以往城市交通发展SD模型相比，本文所构建的武汉城市生态交通系统SD模型在生态层面考虑更为全面：将新能源汽车、轨道交通等环保出行方式纳入车-路系统中进行综合考虑，从数量、结构、时空搭配等方面模拟新旧出行方式所占比例变化可能带来的影响，为相关政策的制定提供依据。不足之处在于社会经济子系统中经济要素考虑较为简略，另外在生态目标子系统中，由于现有研究资料的缺乏，要素设置主要从武汉市现有数据入手，具有一定的主观性，在今后研究中需要寻找更加科学、合理的依据作为支撑。

[1]三蛮.深入研究:我国城市交通发展的问题与标准化建设[J].标准生活,2014,(2):18-23.

[2]Zerbe R O,Croke K.Urban Transportation for the Environment[M].Cambridge:Ballinger Publishing Company,1975.

[3]罗志文.我国优先发展城市公共交通的制约因素和对策研究[D].成都:电子科技大学,2009.

[4]王家祺.深圳市生态交通系统评价研究[D].福州:福建农林大学,2014.

[5]贾健民.城市低碳生态交通系统综合评价体系研究[D].济南:山东大学,2013.

[6]王汉新.城市生态交通系统理论与实现途径[J].科技管理研究,2016,(1):246-251.

[7]蒋录全.信息生态与社会可持续发展[M].北京:北京图书馆出版社,2003.

[8]Benjamin B.Wells.The Causes,Ecology,and Prevention of Traffic Accidents[J].Annals of Internal Medicine,1972,(3):531.

[9]许云飞,王宁宁,盛艳明,等.关于生态交通建设的思考[J].山东交通科技,2008,(2):78-80.