劉權(quán)樂, 陳 薇

(河北科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,河北 石家莊 050018)

基于個體出行能耗的城市客運(yùn)交通系統(tǒng)節(jié)能研究

劉權(quán)樂, 陳 薇

(河北科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,河北 石家莊 050018)

城市化、機(jī)動化進(jìn)程的加快使得城市客運(yùn)交通迅速發(fā)展,同時也造成能源消耗過多、環(huán)境污染加劇。通過對城市客運(yùn)交通節(jié)能管理的研究,構(gòu)建了基于個體節(jié)能效率最大化的出行周轉(zhuǎn)量模型,并以石家莊市為例進(jìn)行了實(shí)證研究。研究表明,在保證個體出行周轉(zhuǎn)量和效用最大化的前提下,增加公共交通供給,實(shí)現(xiàn)交通供需動態(tài)平衡;合理控制私人機(jī)動交通的過快發(fā)展,鼓勵采用綠色交通工具;實(shí)現(xiàn)個體出行與公共交通的無縫鏈接,能夠顯著降低石家莊市客運(yùn)交通的能耗,減少城市污染。

個體出行;城市客運(yùn)交通;能源消耗;節(jié)能;石家莊市

城市客運(yùn)交通系統(tǒng)是城市社會經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)的重要組成部分,城市客運(yùn)交通帶動了城市經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,改善了人們出行機(jī)動化水平,其發(fā)展的可持續(xù)性是支撐城市可持續(xù)發(fā)展的前提。但是隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速、高效的發(fā)展,以及城市化、機(jī)動化水平的不斷提升,導(dǎo)致城市人口急劇膨脹,城市空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化,由此引發(fā)了更大的客運(yùn)交通需求量,交通需求量的增加直接造成城市客運(yùn)交通的能源消耗增長和交通擁擠。而城市客運(yùn)交通作為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提條件,實(shí)現(xiàn)城市居民出行條件的改善、城市環(huán)境的整體提升是其最終目的。要實(shí)現(xiàn)這一目的,就必須在滿足交通需求的前提下,最大限度地降低城市客運(yùn)交通能源消耗,減少尾氣排放對城市環(huán)境的污染和破壞,提高城市居民生活環(huán)境質(zhì)量,形成經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、交通相互促進(jìn)的良性循環(huán)。[1](P19～33)

一、個體出行能源消耗

個體出行能耗是指在滿足個體出行效率和效用最大化的基礎(chǔ)上,單位出行所消耗的能源。個體出行方式在很大程度上取決于交通結(jié)構(gòu)的構(gòu)成,不同的交通方式由于容量特性不同會導(dǎo)致單位出行能耗的差別。

(一)城市個體出行結(jié)構(gòu)構(gòu)成

《雅典憲章》明確了城市的四大功能:居住、工作、游憩和交通。城市生活一般由居住、工作、游憩三部分組成,由此而相應(yīng)產(chǎn)生了城市居住區(qū)域、工作區(qū)域和游憩區(qū)域,三個區(qū)域不同形式的排列組合構(gòu)成了城市布局空間結(jié)構(gòu)。[2](P7～11)為了有機(jī)地實(shí)現(xiàn)三者之間的聯(lián)系(人的流動和物流),“城市交通”作為城市重要的功能之一而隨之產(chǎn)生。從生態(tài)學(xué)角度看,交通是人與物在空間運(yùn)動上的聚散過程,交通既支撐著城市空間的排列組合和城市各要素之間的聯(lián)系(如圖1所示),同時隨著交通自身的變革與發(fā)展亦直接影響著城市布局空間結(jié)構(gòu)。

圖1 城市功能及各要素之間的關(guān)系

(二)城市交通結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

城市客運(yùn)交通作為一種派生需求,是運(yùn)輸消費(fèi)者在一定時期內(nèi),在不同的價格水平下,愿意并能夠購買的運(yùn)輸“服務(wù)”,實(shí)際消費(fèi)的并非有形的物質(zhì)產(chǎn)品,而是為了生活、生產(chǎn)和社會活動實(shí)現(xiàn)的空間位移。[3](P1 049～1 051)

城市居民是城市活動的主體,根據(jù)“以人為本”的原則,城市交通主要功能就是實(shí)現(xiàn)人在空間上的移動,而居民空間上的位移必須依靠城市客運(yùn)交通來實(shí)現(xiàn)。城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)是指為了實(shí)現(xiàn)城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的目標(biāo)和功能,而使系統(tǒng)要素及其相關(guān)關(guān)系在一定層次結(jié)構(gòu)中所組成的特定的組合方式,具體講就是公共交通、私人交通以及公務(wù)交通在整個客運(yùn)交通中的比率和作用。根據(jù)城市客運(yùn)交通能源消耗的特征,城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)大致可以分為公共交通、私人交通和公務(wù)交通三部分,其中,私人交通又包括個體機(jī)動交通和個體非機(jī)動交通。在具體研究過程中,為了有利于研究的側(cè)重點(diǎn)和說明能源消耗的絕對數(shù)量與節(jié)能空間,我們根據(jù)公務(wù)車的出行特征,把公務(wù)車歸結(jié)到城市個體機(jī)動交通中研究,有利于對節(jié)能問題進(jìn)行更好地分析。

(三)不同城市客運(yùn)交通工具之間的相互關(guān)系

圖2 城市客運(yùn)交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

城市客運(yùn)交通系統(tǒng)是一個復(fù)雜大系統(tǒng),包含公共交通、公務(wù)交通、私人交通等子系統(tǒng),三個系統(tǒng)又包含不同的子系統(tǒng)(如圖2所示)。各個子系統(tǒng)之間是相互聯(lián)系、相互影響、彼此制約的關(guān)系,任何一個子系統(tǒng)在城市客運(yùn)交通系統(tǒng)中的分擔(dān)率發(fā)生變化都會導(dǎo)致其他交通方式許多相關(guān)指標(biāo)的變化,包括城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的能源消耗、對環(huán)境的污染、對城市交通供給的壓力、個體出行效用最大化和社會效用最大化等。例如,如果采用個體小汽車出行的人有1%轉(zhuǎn)乘公共交通,僅此一項(xiàng)我國每年節(jié)省燃油將達(dá)到0.8億升。推進(jìn)城市交通節(jié)能,在加快研究開發(fā)推廣低能耗汽車的同時,最重要的就是優(yōu)先發(fā)展城市公共交通。

(四)影響交通能耗的因素

經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)年報告認(rèn)為,城市交通能源消費(fèi)量取決于3個主要因素:交通設(shè)施上運(yùn)行的車輛數(shù)、運(yùn)行車輛的平均燃油效率、運(yùn)行車輛累計(jì)的出行周轉(zhuǎn)量。

導(dǎo)致城市交通能耗居高不下的原因,除了客運(yùn)交通工具本身的燃油效率之外,還有像城市規(guī)劃、城市交通規(guī)劃、運(yùn)營機(jī)制、管理體制等方面,直接或間接起到提高能效和節(jié)能的實(shí)際效果。

城市客運(yùn)交通系統(tǒng)節(jié)能是實(shí)現(xiàn)城市交通系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的需要和具體體現(xiàn),是應(yīng)對能源短缺、解決城市環(huán)境問題的一種有效的能源消費(fèi)行為。世界能源委員會在20世紀(jì)70年代提出“節(jié)能指的是采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理以及環(huán)境和社會可接受的一切措施,來更有效地利用能源資源”[4](P16～23),由此可見,城市客運(yùn)交通節(jié)能就是要使不同的交通工具充分利用化石能源、生物質(zhì)能源和可再生能源,提高能源的利用效率和利用質(zhì)量,挖掘能源的利用潛力。

二、基于個體節(jié)能效用最大化的出行周轉(zhuǎn)量模型構(gòu)建

基于個體節(jié)能效用最大化的出行周轉(zhuǎn)量模型構(gòu)建,一方面要考慮城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的整體能耗要降低,另一方面還要兼顧社會的公平性,特別是對環(huán)境承載力的要求,因此,從交通角度講,就是要在周轉(zhuǎn)量最大化的情況下,實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保的要求,基于此,筆者構(gòu)建了基于個體節(jié)能效用最大化的出行周轉(zhuǎn)量模型。

(一)基于個體節(jié)能效用最大化的出行周轉(zhuǎn)量模型

目標(biāo)函數(shù)及約束條件:

還需要說明的是,這里Simax的單位是每天第i種交通方式所能承擔(dān)的最大交通供應(yīng)量(人·km);(OD)j是城市交通規(guī)劃的交通小區(qū)組成的第j個OD對的OD量;pi為第i種交通方式的單車客位數(shù);δi為第i種交通方式的滿載率;ni為第i種交通方式的交通工具數(shù);li為第i種交通工具每年行駛的里程數(shù)。

模型(1)中,交通方式理論上應(yīng)當(dāng)包括步行、自行車、公共汽車、BRT(快速公交系統(tǒng),Bus RapidTransit)、地鐵等軌道交通、小客車(個體和公有)、大客車(單位班車)、出租車、摩托車、輪渡、助動車和其他等。但是由于不同城市的不同特征,這里重點(diǎn)考慮公共汽車、出租車、私人與單位用車、摩托車和自行車,模型(1)得出的最優(yōu)交通結(jié)構(gòu)僅指受能源、環(huán)境和資源三者約束的城市客運(yùn)交通方式的結(jié)構(gòu)。

(二)實(shí)證分析

2010年石家莊市城市主城區(qū)人口為220萬,主城區(qū)市區(qū)面積122.8km2,城市的用地規(guī)模約為55.8m2/人。城市客運(yùn)交通方式為步行、自行車、出租車、公務(wù)車和公共汽車。根據(jù)石家莊市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和居民出行特征,居民人均出行率預(yù)測可達(dá)2.5次/人·日,故城市居民日出行量為550萬人次。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料可知,國內(nèi)部分規(guī)模為100～300萬人口的城市,居民每次出行的平均距離為2.54～4.65km[5](P70～74),不妨認(rèn)為石家莊市居民每次出行的平均距離為3km,由此得到該城市居民出行總量為1650萬人·km/天,由于城市流動人口可占常住人口的1/6～1/3[6](P383～386),石家莊市為一般的省級市,因此我們可以認(rèn)為該市流動人口為40萬,流動人口日出行次數(shù)為2.9次/人·日,平均出行距離設(shè)為3km,則流動人口出行總量為348萬人·km/天。國內(nèi)城市居民出行方式構(gòu)成中,自行車和步行方式合計(jì)的比例一般穩(wěn)定在45%左右[7](P389～401),機(jī)動化交通方式分擔(dān)55%左右,流動人口的機(jī)動化一般高于非機(jī)動化出行,假設(shè)出行的機(jī)動化方式分擔(dān)比例為65%左右[8](P23～27),由此得到石家莊市機(jī)動化方式出行需求總量為1072.5萬人·km/天。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)資料,得出各類參數(shù)和各供應(yīng)方式的能耗、資源、環(huán)境的上、下限值,由模型得出周轉(zhuǎn)量,最后根據(jù)周轉(zhuǎn)量的比例以及各種交通方式的載客量確定其數(shù)量的多少,來決定各種交通方式的發(fā)展形勢。所以,基于節(jié)約能源消耗的城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型為[8](P21～27)

其中,x1:公共交通的客運(yùn)周轉(zhuǎn)量,106人·km;x2:公務(wù)車的客運(yùn)周轉(zhuǎn)量;x3:私人小汽車的客運(yùn)周轉(zhuǎn)量;x4:自行車和電動自行車客運(yùn)周轉(zhuǎn)量。

在整個求解過程中,要充分利用各種有限資源,且使得各種交通方式對資源的消耗不超過資源對交通系統(tǒng)總的可承受能力的情況下,對線形規(guī)劃模型用Excel計(jì)算得出其最優(yōu)解為

從計(jì)算結(jié)果可以看出,總的周轉(zhuǎn)量大于石家莊市的需求量1.65×107人·km。同時還發(fā)現(xiàn),x4＊、x1＊對模型的影響力最大,也就是說采用綠色交通工具和提高公共交通的出行比例,能夠顯著節(jié)約交通能源和減少對環(huán)境的污染,x2＊、x3＊是相對松約束,影響力度不如x4＊、x1＊,也驗(yàn)證了降低城市客運(yùn)交通能耗要提高公共交通的出行比例、給予綠色交通工具足夠的生存空間。同時,還需合理規(guī)劃交通供給與需求的辯證關(guān)系,在一定程度上限制私人小汽車的過快發(fā)展,并要構(gòu)建電子政府,提高電子政務(wù)的比例,減少公務(wù)車的出行頻率,從源頭上降低個體出行的能源消耗。

三、結(jié)論及對策建議

通過上述實(shí)證分析,我們可以發(fā)現(xiàn)在保證出行周轉(zhuǎn)量和出行效率的前提下,采用綠色交通工具和提高公共交通的出行比例,能夠顯著地節(jié)約交通能源和減少對環(huán)境減少的污染。即提高公共交通和自行車交通的比率能夠顯著降低石家莊市的城市客運(yùn)交通能耗,同時有利于資源的合理使用,降低城市由于交通造成的污染物排放,減少城市污染。同時提高公共交通出行的分擔(dān)率,降低公務(wù)車、私家車的出行周轉(zhuǎn)量,能夠?qū)崿F(xiàn)整個城市客運(yùn)交通結(jié)構(gòu)的最優(yōu),能源合理利用,同時實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約、環(huán)境可持續(xù)。[9](P113～132)

毫無疑問,增加交通供給是解決大城市交通問題的重要手段,但交通供給似乎永遠(yuǎn)趕不上交通需求的增長,其中一個很重要的原因是迅速增長的交通需求沒有得到有效控制。因此,要解決客運(yùn)交通系統(tǒng)能耗居高不下的問題,必須采取增加交通供給與引導(dǎo)交通需求并舉的措施,雙管齊下才能做到標(biāo)本兼治。

(一)增加公共交通供給,實(shí)現(xiàn)交通供需動態(tài)平衡

首先,增加公共交通供給的首要任務(wù)就是在合理規(guī)劃城市交通基礎(chǔ)上完善公共交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),增加“硬供給”,具體包括與交通需求相關(guān)的土地利用規(guī)劃、各種道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、公共交通專用道、與交通需求有關(guān)的各種服務(wù)設(shè)施建設(shè)等。只有硬件設(shè)施得到了保證,才能滿足交通需求,提高公眾出行的效率與效果。同時還要將公共交通建設(shè)納入城市舊城改造和新城建設(shè)計(jì)劃,將公共交通場站作為新建居住小區(qū)、開發(fā)區(qū)、大型公共活動場所等工程項(xiàng)目配套建設(shè)的一項(xiàng)內(nèi)容,實(shí)行同步設(shè)計(jì)、同步建設(shè)、同步竣工、同步交付使用。

其次,增加公共交通供給還要完善公共交通的“軟供給”,具體體現(xiàn)在增加公共交通出行比率,需要提高線網(wǎng)密度、準(zhǔn)點(diǎn)率、車輛滿載率、車輛安全行駛里程、公交站點(diǎn)覆蓋率,提高公共交通準(zhǔn)點(diǎn)率等。還包括降低票價,降低個體出行成本,增加公共交通的吸附效應(yīng)。價格手段是增加其他交通方式向公共交通轉(zhuǎn)化和滲透的最有效的手段和方式,因此政府必須增加對公共交通的補(bǔ)貼,以增加公共交通吸引力。實(shí)現(xiàn)上述“軟供給”目標(biāo)需要強(qiáng)大的技術(shù)支撐,例如:先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)(ATMS):該系統(tǒng)通過先進(jìn)的監(jiān)測、控制和信息處理等子系統(tǒng),向交通管理部門和駕駛員提供對道路交通流進(jìn)行實(shí)時疏導(dǎo)、控制和對突發(fā)事件應(yīng)急反應(yīng)的功能。系統(tǒng)包括:城市集成交通控制系統(tǒng)、高速公路管理系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)、公共交通優(yōu)先系統(tǒng)、不停車自動收費(fèi)系統(tǒng)、交通公害減輕系統(tǒng)和需求管理系統(tǒng)等,這無疑將有助于提高城市交通管理水平,節(jié)約城市交通能耗。

第三,石家莊市要根據(jù)城市發(fā)展特征合理規(guī)劃和發(fā)展軌道交通,目前國際軌道交通有地鐵、輕軌、市郊鐵路、有軌電車以及懸浮列車等多種類型,號稱“城市交通的主動脈”。城市軌道交通是公路交通輸送能力的近10倍,每一單位運(yùn)輸量的能源消耗量少,因而節(jié)約能源,特別是地鐵,是輸送能最大的城市交通出行方式,適宜承擔(dān)高密度、大流量的客流需求,應(yīng)當(dāng)布設(shè)在城市當(dāng)中重要的交通走廊上,作為特大和大城市交通的骨架干線,這能夠減少人均資源占用和消耗量,有利于石家莊市交通的可持續(xù)發(fā)展。

(二)合理控制私人機(jī)動交通的過快發(fā)展,鼓勵采用綠色交通工具,構(gòu)建和諧城市交通結(jié)構(gòu)

首先,要合理控制交通需求“井噴”式增長。截止2010年11月,石家莊市機(jī)動車保有量達(dá)到了1608811輛,其中市區(qū)機(jī)動車數(shù)量為433530輛。單就11月份而言,全市范圍內(nèi)增加了17106輛,其中市區(qū)增量為6861輛,同時,機(jī)動車駕駛員數(shù)量也增長較快,現(xiàn)在石家莊市駕駛員人數(shù)超過171萬人,占適駕人群的比例在逐漸擴(kuò)大,目前石家莊每百戶居民擁有機(jī)動車數(shù)量已達(dá)到20.7輛。[10]按照目前國際一般標(biāo)準(zhǔn),每百戶居民擁有20輛就算進(jìn)入了“汽車時代”,按照這個標(biāo)準(zhǔn),石家莊市已經(jīng)正式邁入了汽車時代,井噴式的交通需求增長,會導(dǎo)致交通能耗的進(jìn)一步增加,因此,通過稅收、排污費(fèi)、擁堵費(fèi)等有效方式合理控制交通需求的過快增長實(shí)現(xiàn)城市客運(yùn)交通節(jié)能的必要條件。

其次,要鼓勵步行交通、自行車交通、常規(guī)公共交通和軌道交通等綠色出行方式,給予雙能源汽車、天然氣汽車、電動汽車、氫氣動力車、太陽能汽車、電氣化交通工具等綠色交通充足的生存空間,降低單位出行能耗,減輕環(huán)境壓力。

第三,我們的國情是公務(wù)車數(shù)量基數(shù)大、排量大、利用率非常高,使得公務(wù)車能耗對交通能耗的貢獻(xiàn)率不斷遞增,因此從戰(zhàn)略的角度并結(jié)合公務(wù)車的出行特征來分析,公務(wù)車有很大的節(jié)能空間,是交通節(jié)能的“黑大陸”,所以石家莊市要著力構(gòu)建電子政府,提高電子政務(wù)的比例,減少公務(wù)車的出行頻率,從源頭上降低公車出行的能源消耗。[11](P32～38)

(三)實(shí)現(xiàn)個體出行與公共交通的無縫鏈接

公共交通的無縫鏈接是一種高效便捷的公共交通模式和交通文化。過多的私家車行駛在路上,不僅會造成擁堵,也會給環(huán)境帶來一定的污染。而棄自駕車而選擇公共交通,可以說是交通文化的蛻變。因此,如何把習(xí)慣于乘坐私家車的市民吸引到城際交通軌道上來,從而緩解石家莊市路面的交通壓力、減少污染,無疑是對政府管理智慧的一個考驗(yàn)。就此而言,無縫鏈接不僅是各種公共交通站臺的鏈接,而且還有必要在城軌車站和公交車站附近修一定數(shù)量的大型停車場,以供私家車與城軌和公共交通實(shí)現(xiàn)無縫鏈接。北京地鐵5號線通車后,“棄車族”成了新流行語,就是由于這條地鐵線路周圍修建了很多可供私家車接駁的大型停車場。另外,在城際軌道車站設(shè)立一些自行車停車場,開辟老弱病殘?jiān)猩宪噷Ｓ猛ǖ?為乘客換乘提供便利,無疑也是實(shí)現(xiàn)無縫鏈接的良好舉措。

同時,城市客運(yùn)交通系統(tǒng)作為一個復(fù)雜的大系統(tǒng),不僅需要做好個體出行與公共交通的無縫鏈接,而且更重要的是要實(shí)現(xiàn)常規(guī)地面公共交通和快速軌道交通的無縫連接,以提高居民出行的效率和效果,加快出行速度,降低出行時間,減少出行成本,完善服務(wù)水平,提高公共交通的出行比率,降低單位出行能耗,實(shí)現(xiàn)城市客運(yùn)交通系統(tǒng)節(jié)能。

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Research on Energy Conservation of Urban Passenger Transport Based onIndividual Journey Energy Consumption

L IU Quan-le , CHEN Wei
(School of Economics and Management , Hebei University of Science and Technology , Shijiazhuang 050018 , China)

The high speed development of urbanization and motorization brings fort h urban passengert ransport development . But t here exist some negative effect s which include lot s of energy consumptionand environment pollution. Through t he st udy of the city management of energy-saving ofurban passenger , a t ravel turnover model based on maximizing individual journey energy consumptionhas been established , and an empirical st udy on Shijianzhuang passenger t ransport st ruct ure has beencarried out . The result s show t hat the supply of t ransport should be increased to achieve the dynamicbalance ; t he fast development of individual motorization t ransport should be rationally cont rolled ,andgreen t ransport means should be encouraged ; and seamless link between t he mass t ransport and individualjourney can be realized in the premise of ensuring the t urnover of individual t ravel and t he utilitymaximization. Therefore , t he energy consumption and environment pollution can be decreased.

individual journey ; urban passenger t ransport ; energy consumption ; energy-saving ;Shijiazhuang city收

F570

ADOI10.3969/j.issn.1671-1653.2011.02.006

1671-1653(2011)02-0033-06

2011-03-20

石家莊市科技局軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(09579565)

劉權(quán)樂(1974-),男,河北文安人,河北科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院講師,博士,主要從事工程管理、交通節(jié)能研究。