基于系统动力学的城市交通拥堵研究

麦乐，宋烨

基于系统动力学的城市交通拥堵研究

麦乐，宋烨

（长安大学，陕西 西安 710064）

文章研究客货运出行对城市交通拥堵的影响，运用系统动力学建模思想，考虑货运和居民出行构建城市交通出行SD模型。以西安市为例确定模型参数及方程。仿真结果表明，机动车尾号限行可以有效缓解交通拥堵。针对货运车，若昼间货运量减少至原来的35%左右，实行货运车昼间限行才会减少货运交通拥堵。

城市交通拥堵；系统动力学；模拟仿真

引言

城市交通拥堵通常是指一种车多而行驶缓慢的现象。随着经济的发展，城市机动车保有量越来越多，城市交通需求和供给之间的矛盾日益突出，交通问题日益加剧。基于此，本文运用系统动力学建模思想，考虑货运出行和居民出行建立城市交通拥堵SD模型。以西安市为例，通过对模型中主要变量的仿真和分析给出合理化的客货运出行管控措施，为西安市交通拥堵治理提供建议。

1 系统动力学模型的构建

1.1 系统边界确定

城市交通系统受多因素影响，本文以分析城市交通拥堵为建模目的确定建立的系统动力学模型主要包括城市经济、货运交通、居民出行交通等要素。

1.2 系统因果关系建立

随着城市经济的发展，城市物流量、机动车保有量都逐渐增加，城市机动车出行需求日益增加导致交通拥堵问题日益加重。另一方面，交通拥堵问题致使城市机动车限行政策更为严格。如图1为城市交通出行模型的因果关系图。

图1 城市交通出行因果关系图

1.3 城市货物运输系统流图构建

根据因果关系图，采用VENSIM软件绘制城市交通出行系统流图，如图2所示。

城市交通运行过程中，根据交通出行的时间不平衡性和空间不平衡性，只有在一定时间段内和特殊区域才会发生拥堵现象，因此交通拥堵程度通过日高峰小时占用路网总面积来研究，方程如下所示：

式中DMJ，RMJ≥0。TC值越大，表示交通拥堵情况越严重。

2 实证分析

2.1 主要参数设置

表1 主要参数取值

表2 主要变量表达式

本文以西安为例对城市交通拥堵进行研究，探索客货运出行对于交通拥堵的影响。数据主要来源于《西安市统计年鉴》、《中国统计年鉴》以及西安市统计局等。对于不完整的数据，通过回归分析方法在已有数据的基础上进行合理取值计算；对于难以直接获取的数据，根据系统结构进行合理假设。结合上述方法，得到模型初始参数取值见表1，主要变量的表达式见表2。

2.2 模型检验

通过量纲一致性检验后，以2011年-2018年的统计数据为基础，对西安市的交通情况进行模拟仿真，选取私家车数量进行真实性检验，如表3所示。

表3 私家车数量模拟值与真实值对比

比较城市私家车数量真实值和仿真值，相对误差的绝对值小于5%的值占87.5%，认为该模型符合实际，可以使用该模型进行仿真分析。

2.3 动态仿真和分析

2.3.1机动车管理措施分析

仿真模拟实行机动车限行前后对城市交通情况的影响。假设实行尾号限行前后私家车和公交出行总人数不变，随着私家车出行量的减少，公交出行人数会增多。设置私家车限行前的年出行次数为600。限行2个、5个尾号时私家车年出行次数分别减少20%和50%，仿真结果如图3所示。

图3 私家车尾号限行前后交通拥堵情况

分析可得，2015年之前交通情况良好实施限行收益不大且浪费道路资源；考虑到道路资源的合理利用，在2015-2022年间实行20%车辆限行较好；2022年之后，实行单双号限行较好。

2.3.2货运车管理措施分析

仿真模拟实行货运车昼间限行和货运车运输路径规划前后对城市交通的影响。据调查，西安市货运车辆约占机动车总数8%，实施货车限行对机动车出行总量影响不大，因此引入货运交通拥堵指数研究货运交通拥堵情况。假设城市货运需求总量保持不变。通过设置不同的货运高峰小时流量占比和“客改货”承担货运比重模拟不同限制情境，如图4所示。

图4 货运车管控前后的货运交通拥堵情况

曲线1，基础情形；曲线2，货运车昼间禁行，昼间货运量保持不变；曲线3，货运车昼间禁行且昼间货运量减少90%；曲线4，货运车昼间限行且昼间货运量减少35%；曲线5，限制货运车通行路段。结果表明，货运造成的交通拥堵与货运总量有关；对比曲线2和3，昼间“客带货”货运量过多会加重交通拥堵；对比曲线1和4，若昼间货运量减少至原来的35%左右，实行货运车昼间限行会减少货运交通拥堵；由曲线5，规划货运车运输路径对于缓解货运交通拥堵效果较好。

3 结论

通过仿真模拟，分析得到以下结论：针对居民出行，通过私家车尾号限行控制私家车出行量，可以有效改善交通情况。综合考虑道路资源和机动车保有量增长速度，在2015- 2022年限制20%车辆收益较好；2022年之后，实行单双号限行收益较好。针对货运出行，若昼间货运量减少至原来的35%左右，实行货运车昼间限行才能减少货运交通拥堵；相比于货运车昼间禁行，限制货运车通行路段、规划货运车运输路径对于缓解交通拥堵效果较好。

[1] 贾书伟,严广乐.基于SD-GM理论的城市交通拥堵收费模型研究[J].运筹与管理,2019,28(7):160-168.

[2] 杨扬,杨小佳.基于系统动力学的城市货车限行问题研究[J].公路交通科技,2017,34(5):150-157.

[3] 贺凯凯.基于系统动力学的城市客货运出行对交通拥堵的影响研究[D].武汉:武汉理工大学,2018.

Research on Urban Traffic Congestion Management based on System Dynamics

Mai Le, Song Ye

( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

This paper studies the impact of passenger and freight travel on urban traffic congestion. Considering the urban passenger and freight travel to build SD model. Take Xi'an city as an example to determine the model parameters and equations. The results show that vehicle tail number restriction can effectively alleviate traffic congestion. For freight vehicles, If the day freight volume is reduced to about 35%, the traffic restriction can reduce the traffic congestion.

Urban traffic jam; System dynamics; Simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.010

U491.4

A

1671-7988(2021)04-29-03

U491.4

A

1671-7988(2021)04-29-03

麦乐（1996.02-），女，宁夏省中卫市人，硕士研究生，就读于长安大学，研究方向：交通运输规划与管理。