城市交通节能减排策略的动态仿真_陈振.pdf

基金项目:国家自然科学基金资助项目(11901167);河南省哲学社会科学规划项目阶段性成果(2019BJJ038);河南省软科学研究重点项目(202400410051);郑州市软科学研究计划项目(2020KXF0098)收稿日期:20210415修回日期:20210420第 40 卷第 2 期计算机仿真2023 年 2 月文章编号:10069348(2023)02014807城市交通节能减排策略的动态仿真陈振，李冰，贾书伟(河南农业大学信息与管理科学学院，河南 郑州 450002)摘要:针对日益严峻的城市交通拥堵、机动车尾气污染和交通能耗问题，运用系统动力学和新陈代谢预测的方法构建了城市交通节能减排管理模型;对模型中的不同治理手段进行仿真分析，研究其对交通缓堵、减排和节能的影响。分析结果表明:经济手段可以显著地缓解交通拥堵、减少空气污染，但对降低交通能耗作用不大。行政手段对私家车出行具有双重作用，短期效果显著，长期会导致拥堵加剧、交通能耗反弹等负面效应。比起单一的经济手段和行政手段，大力发展公共交通，是缓解交通拥堵和减少空气污染更有效的途径。利用技术手段提高机动车节能减排水平，可以有效地减少机动车尾气排放和能源消耗;结合分析结果，制定相应的提升策略。关键词:系统动力学;新陈代谢预测;交通能耗;政策仿真中图分类号:TP391.9;N945文献标识码:BDynamic Simulation of Urban Transportation Energy Savingand Emission eduction StrategyCHEN Zhen，LI Bing，JIA Shuwei(College of Information Management Science，Henan Agriculture University，Zhengzhou Henan 450002，China)ABSTACT:In view of the increasingly serious problems of urban traffic congestion，vehicle exhaust pollution andtraffic energy consumption，firstly，this article used the approach of system dynamics and metabolism prediction to con-struct a management model of urban transportation energy conservation and emission reduction Secondly，simulationanalysis was carried out on different governance measures in the model to study their effects on traffic congestion miti-gation，emission reduction and energy saving The analysis results show that economic measures can significantly alle-viate traffic congestion and reduce air pollution，but have little effect on reducing traffic energy consumption Adminis-trative measures have a dual effect on private car travel In the short term，the effect is significant，while in the longterm，it will lead to negative effects such as congestion aggravation and traffic energy consumption rebound The devel-opment of public transport is a more effective way to ease traffic congestion and reduce air pollution than a single eco-nomic or administrative measure Using technical means to improve the level of energy saving and emission reductionof motor vehicles can effectively reduce vehicle exhaust emissions and energy consumption Finally，based on the anal-ysis results，the corresponding promotion strategies are formulatedKEYWODS:System dynamics;Metabolic prediction;Transportation energy consumption;Policy simulation1引言随着我国经济的快速发展和城镇化进程的加快，城市机动车保有量快速增长。而相对落后的城市交通基础设施建设跟不上城镇化的步伐，城市交通供给与交通需求之间的矛盾日益突出，由此带来的交通拥堵问题也越来越严重。同时，机动车的尾气排放和燃油消耗也已经成为空气污染和能源消耗的重要来源。因此，这些日益严重的交通问题已经成为许多城市急需解决的热点问题。针对以上问题，国内外学者进行了大量研究。在交通拥堵问题方面，文献 1 构建了城市拥堵评价模型，并运用径向基函数神经网络方法工具，以上海市拥堵路段的交通数据为例，证明了模型可以有效准确的评价城市交通拥堵。文献841 2 研究了动态拼车对缓解交通拥堵的作用，结果发现动态拼车并不是缓解中小型城市交通拥堵的合适方案，但在人口密集的大城市中，动态拼车可以显著的改善交通拥堵状况。omero 等3 通过调查马德里的人们对于不同交通拥堵治理措施的接受度，发现改善公共交通的水平比起收费折扣更受人们的支持。姬杨蓓蓓等4 运用瓶颈经济学理论研究了共享停车位的问题，研究表明通过优化共享停车位数量和停车费，可达到缓解交通拥堵的目的。文献 5分析了不同的拥堵治理政策下出行者选择不同出行方式的成本和收益以及在不同政策下的演化稳定策略，通过仿真得出惩罚性和激励性措施都能缓解交通拥堵，但惩罚性措施更加持久有效。也有学者从不同角度建立拥堵收费模型，证明了拥堵收费对缓解交通拥堵的作用68。在空气污染研究方面，研究者们通过不同视角证明了交通拥堵能够加剧空气污染910。文献 11考察了在空气污染背景下北京市居民对于拥堵收费的接受度，发现大部分居民并不认为收费是解决空气污染的有效途径;Alukaibi等12 研究了拥堵收费政策对于科威特的交通拥堵和空气污染的影响，结果表明该政策不仅可以缓解交通拥堵，还可以降低燃油消耗和改善空气质量。孙传旺等13 从机动车PM2.5 排放的角度实证检验了限行政策能够缓解大气污染，且政策实施力度越大，减排效果越明显。以上研究在交通治堵、节能及减排策略等方面为后续研究提供了有益的借鉴。但现有文献对城市交通节能减排策略的动态仿真研究较少，而城市交通问题是一个涉及社会、环境、能源等多方面的系统性问题，现有研究大多很少有综合考虑到以上各方面。为此本文从系统的角度出发，运用系统动力学和新陈代谢理论相结合的方法构建了城市交通节能减排管理模型，通过对不同治理手段的动态仿真分析重点分析现有政策在缓解交通拥堵、减少空气污染以及降低交通能源消耗方面的作用，并挖掘系统内部中长期所蕴藏的负面效应，据此制定政策建议，为城市交通节能减排提供理论参考。2基于 MTSD 的城市交通节能减排模型构建2.1系统动力学系统动力学创始于 1956 年，是美国麻省理工学院的福瑞斯特(JWForrester)创立的一种以反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为手段研究复杂系统动态行为的定性分析与定量研究相结合的方法14。如今系统动力学的应用十分广泛。如在经济和环境方面，郭玲玲等15 运用系统动力学方法构建了中国绿色增长模型，通过调控参数，仿真了不同的经济增长模式，为中国经济的绿色增长提供建议。张俊荣等16 基于系统动力学方法探究了不同的碳交易机制设计对京津冀地区经济和环境的影响。在能源方面，邵志芳等17 运用系统动力学方法从不同角度对风电氢系统进行了效益评价。以上系统动力学在各个领域的广泛运用，也为本文的研究提供了支撑和借鉴。2.2因果回路图分析对变量之间的因果关系进行分析，得到因果回路图，如图 2 所示。图 1因果回路图图 1 包含 6 个主要回路，其中回路 15 是负反馈回路，回路 6 为正反馈回路。在缓解交通拥堵方面，以回路 1 和回路 6 为例。回路 1:交通拥堵程度+拥堵治理力度+私家车出行成本私家车吸引度+私家车增长率+私家车保有量+私家车出行量+机动车出行量车均道路面积交通拥堵程度。回路 6:交通拥堵程度+拥堵治理力度+私家车出行量+机动车出行量车均道路面积交通拥堵程度回路 1 是负反馈回路，最开始交通拥堵程度增加，政府的治理力度增大，进而利用经济手段(如拥堵收费政策)来提高私家车出行成本，私家车出行成本的增加导致私家车出行吸引度的减小，进而引起私家车增长率和私家车保有量下降，进一步降低私家车出行量和机动车出行量，机动车出行量的下降会增加车均道路面积，最终降低交通拥堵程度。回路 6 是正反馈回路，通过行政手段(这里主要指限行政策)来限制私家车出行量，但限行政策的长期实施使部分居民为了方便出行会购买第二辆车，第二辆车数量越来越多时，反而会增加私家车的出行量，增加交通拥堵程度。因此，限行政策手段短期效果明显，长期来看会引发负面效应，需引入其它政策进行改善。在节能减排方面，以回路 4 和回路 5 为例。回路 4:交通能耗量+节能压力+机动车节能减排水平交通能耗量回路 5:污染物排放量+环保压力+机动车节能减排水平污染物排放量回路 4 和回路 5 是负反馈回路，其分析与回路 1 相似，通过技术手段提高机动车节能减排水平，进而降低机动车能耗和减少污染物排放量。9412.3模型的构建及数据来源基于因果回路图，利用 Vensim 软件绘制相应的存量流量图，见图 2。图 2城市交通节能减排模型根据图 1 的因果回路图，利用 Vensim 软件绘制相应的流图，如图 2 所示。仿真时期为 20102030，步长为 1。针对模型，作出以下假设:假设 1:机动车尾气排放主要考虑 CO 排放，以 CO 的污染程度来近似的代表空气污染程度。假设 2:交通能耗量主要指各类机动车的汽油柴油消耗量，暂不考虑其它能源的消耗。假设 3:除了模型中的政策手段之外，不考虑北京市的其它政策对模型的影响。模型中变量的值主要是通过官网统计年鉴直接或利用历史数据求算数平均值得到。如城市人口总量初值、GDP 总量初值、城市道路面积增长率等。另外，报废率、消散率、出行率参考文献 18 得到。各类机动车单位行驶里程耗油量、年平均行驶公里参考文献 19以及结合北京市交通发展年报 得到。当变量的方程是非线性时，先利用新陈代谢理论20(Metabolic Theory)预测出仿真期的值，然后再利用系统动力学(System Dynamics)软件中的表函数或逻辑函数来刻画变量的非线性关系，简称 MTSD 算法。该方法能够构造 GDP增长率、空气污染程度等具有非线性特征的方程。具体算法步骤如图 3。主要参数和方程如下:1)GDP 总量=INTEG(GDP 增长量，1.4964e+012)，Unit:元2)城市人口总量=INTEG(自然增长人口+净迁入量，1.9619e+007)，