（系统工程专业论文）城市道路系统对小汽车交通的承载作用研究.pdf

中文摘要 摘要：随着经济的飞速发展和国家政策的支持，城市小汽车保有量持续增长，一 方面拉动内需加快了城市化和机动化的进程，另一方面也给道路带来了严重的交 通拥堵，制约了社会经济发展和生活水平的提高。城市道路系统是小汽车等各种 地面交通方式的载体，路网规模、布局等决定了一定的时空范围内所能承载的交 通量。以北京为例，北京市城市空间布局已基本确定，道路长度和路网密度增长 幅度有限，而小汽车保持高速增长的趋势显而易见。本文在分析北京市现有道路 网络功能和增长趋势的前提下，系统、动态地研究城市道路系统对小汽车交通的 承载作用。 首先，明确本文所要研究的问题和目标，总结分析国内外相关路网容量的研 究成果，简要介绍建立模型所应用的系统动力学理论与方法及其优势，并根据研 究需要，明确本文所研究的城市道路承载能力的涵义。 然后，从供需平衡角度系统地分析城市道路系统和小汽车交通发展的影响因 素，确定交通负荷比和早高峰路网平均车速作为评价指标分析路网运行状态。 在前面分析的基础上，基于系统工程思想，以系统动力学理论和方法为基础， v e n s i mp l e 软件为环境，通过系统边界确定、因果关系分析，系统流图的构建等 一系列流程，建立城市道路( 小汽车) 交通与道路承载能力相互作用的系统动力 学模型。 最后，利用模型进行仿真模拟。阐述模型因素之间定量关系和基础参数的确 定方法，结合北京市交通发展年度报告的实际统计数据对比模型预测结果，证实 模型的有效性。运用系统动力学政策分析方法模拟政策变量的改变对交通强度和 平均车速的影响，从而得到理想路网运行状态，并提出相应的发展政策。 关键词：城市道路系统；小汽车交通；道路承载力；系统动力学；路网平均车速； 交通需求管理 a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r su r b a nc a ro w n e r s h i pk e e p sg r o w i n ga tar a p i ds p e e dw i t h t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h es u p p o r to fg o v e r n m e n tp o l i c y m e a n w h i l e ，s o m a n yc a r sh a v eb r o u g h t u sh i g hl i v i n gs t a n d a r d ，s p e e d e du pu r b a n i z a t i o na n d m o t o r i z a t i o n ，a sw e l la sc o n g e s t i o nw h i c hc a u s e sa i rp o l l u t i o n ，t i m e c o n s u m i n ga n ds o o n w i t ht h ef a c tt h a tu r b a nr o a ds y s t e mi st h ef o u n d a t i o na n de n v i r o n m e n to ft r a f f i ca n d d i c i d e st h em a x i m u mt r a f f i cf l o wi ni t ，e a ro w n e r s h i ps h o w sac o n t i n u o u s l yg r o w i n g t r e n dw h i l et h ec i t ys t r u c t u r ei sf i x e da n de x t r al a n du s e df o rr o a dc o n s t r u c t i o ni sl i m i t e d t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n dd y n a m i c a l l ys t u d i e so nu r b a nr o a ds y s t e m sc a r r y i n g c a p a c i t yo fc a rt r a f f i c ， f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rm a k e sc l e a ro nt h ei s s u ea n da i m ；a n a l y s i s e sr e s e a r c ho nr o a d c a p a c i t yo fb o t hh o m ea n da b r o a d ，g i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h ea p p l i c a b i l i t yo f s y s t e md y n a m i c sm e t h o da n di t sa d v a n t a g e s ，a n dt h e np r o p o s e sn e wc o n c e p ta n d m e a s u r e m e n to fr o a dc a r r y i n gc a p a c i t y a f t e rr e s p e c t i v e l yd i s c u s s e st h ei n f l u e n c ef a c t o ro fr o a ds y s t e mf r o mt h ep o i n to fs u p p l y a n do fc a rt r a f f i cf r o md e m a n d ，t h ep a p e rd e c i d e so nt r a f f i cl o a da st h ei n d e xt od i s c u s s t h ee q u i v a l e n c eo fs u p p l ya n dd a m a n da n dn e t w o r km e a ns p e e dt oe v a l u a t et r a f f i c c o n d i t i o n s b a s e do ns y s t e m se n g i n e e r i n gm e t h o d ，s y s t e md y n a m i c st h e o r y , t h ep a p e re s t a b l i s h e sa s y s t e md y n a m i c sm o d e l ，s t u d y i n gt h ei n t e r a c t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o a dc a r r y i n g c a p a c i t y , c a rt r a f f i ca n dr e l a t e dv a r i a b l e sw i t ht h eh e l po fv e n s i m ( p l ee d i t i o n ) s o f t w a r e ， f o l l o w i n g t h ep r o c e s so fd e t e r m i n i n gs y s t e mb o u n d a r y , r e l e v a n tv a r i a b l e s ，c a u s a lc h a i n , f e e d b a c kl o o p sa n df l o wd i a g r a ma tt h ee n d f i n a l l y , d os i m u l a t i o n c o m p a r i n gt h ep r e d i c t i v er e s u l t sw i t ht h ea c t u a ls t a t i s t i c a ld a t a f r o ma n n u a lr e p o r td e m o n s t r a t e st h a tt h em o d e li sv a l i d t h e nt h ep a p e rs t i m u l a t e st h e i d e a lt r a f f i cc o n d i t i o n so fn e t w o r ka f t e rr e p e a t e dp o l i c yt r i a l s ，a n db r i n g sf o r w a r d c o r r e s p o n d i n gp o l i c yt oe n s u r ei m p l e m e n t a t i o n k e y w o r d s ：u r b a nr o a ds y s t e m ；r o a dt r a f f i c ；r o a dc a r r y i n gc a p a c i t y ；s y s t e m d y n a m i c s ；n e t w o r km e a ns p e e d ；t r a f f i cd e m a n dm a n a g e m e n t 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：匙蔫本殁签字日期： 舻宫 年l 月c 厂日 7 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：知雹氟 导师签名： 僚娶罕 签字目期：加呕年f z 月j 目签字日期：加，年，2 月d - e t 致谢 本论文的研究工作是在我的导师贾顺平教授的悉心指导下完成盼。导师渊博 的学识、严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。贾顺平教 授悉心指导我们完成了项目的科研，对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝 贵意见，在学习上和生活上都给予了很多关心和帮助，在此向贾顺平老师表示衷 心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，师姐靳玫、同学贾楠对论文中的系统动力学 模型的研究工作给予了热情帮助，北京四通智能交通系统集成有限公司交通工程 事业部经理蒋光胜对论文的结构和内容都提出了宝贵的建议，在此向他们表达我 的感激之情。 另外，更要感谢我的父母，他们的理解和全力支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 城市道路是城市交通发展的基础。城市道路系统是指城市道路的长度、路网 密度、等级结构、布局、设施等形成的供道路交通运行的系统。它担负着城市中 的客、货运输任务，是影响经济发展、城市环境的重要因素之一。随着社会经济 的迅猛发展、城市化进程日益加快，城市道路系统也得到了迅速发展。城市道路 交通的发展极大地促进了社会生产力的进步、满足了人们增长的交通消费需求、 促进了城市的繁荣，给人类社会带来了巨大的财富，但是随之而来的是道路拥挤， 事故频繁、大气和噪声污染以及石油危机等等，这些都对城市的社会、经济和生 态环境造成了极大的破坏。 我国是一个发展中国家，近年来交通系统在经济发展的推动下得到了很大的 改善。但是由于我国建设资金少、人口多、管理技术水平落后，道路交通系统存 在着严重的不足。主要表现在： 基础设施薄弱车多、路少，道路拥挤、交通拥堵现象严重。统计资料表 明，近几十年来城市道路的年平均增长率不足5 ，而城市中机动车、非机动车的 年增长率一直保持在1 0 以上。 交通污染严重城市机动车保有量的高速增长，严重污染了城市大气环 境。改革开放的十几年来，北京市大气中的氨氧化合物增加了近一倍，超过了国 家标准的2 0 。 交通结构欠合理各种车辆之间的不合理增长是城市交通供需紧张、道路。 拥挤、交通堵塞的一个重要原因。 尽管如此，随着经济的迅猛发展、城市人口急剧膨胀、生活水平提高，北京 市机动车保有量尤其私人小汽车仍在迅速发展。北京是拥有1 5 0 0 多万人口的特大 型城市，交通需求主要集中在四环路以内l0 0 0 多平方公里这一狭小范围内。和增 长速度缓慢的道路长度和路网密度相比，汽车呈级数连年增长。2 0 0 5 年，北京市 机动车保有量达到2 4 6 1 万辆，较2 0 0 0 年增加1 0 9 6 万辆，年增长率为1 6 1 ， 其中私人机动车增长最为迅猛，达到1 7 9 8 万辆，较2 0 0 0 年增加9 4 3 万辆，年增 长率为2 2 o ，占机动车总保有量的比例达到历史最高值，为7 3 0 6 。到2 0 0 8 年 l o 月，北京市机动车保有量接近3 5 0 万辆，机动车出行比例进一步提高。 小汽车的频繁使用，给北京道路交通带来巨大压力，拥堵点( 段) 增加，平 均车速降低。从1 9 9 3 年至2 0 0 3 年，道路堵车的次数已增长了3 倍以上。市区车 北京交通大学硕士学位论文 速逐渐放缓。1 9 9 4 年，二三环之内部分路段的小汽车时速为4 5 公里d , 时，1 9 9 5 年降至3 3 公罩d , 时，1 9 9 6 年再降至2 0 公里d , 时，至2 0 0 3 年，市区部分主要干 道高峰期的车速已降至1 2 公里d , 时左右，有的道路机动车时速只有不到7 公里， 干道网的平均饱和度已经达到0 8 - - 0 9 ，交通高峰期主要道路成了缓慢移动的停车 场。 据交管部门统计结果以及交通模型分析，2 0 0 4 年市内主要通道均处于饱和或 超饱和状态，绝大部分路段上，承担客运量不足1 2 的小汽车所占比例都在8 0 以上。【2 】承担交通运行的主要通道仍然是快速路和主干路，高峰时间大部分路段都 高负荷运行，并且部分道路高峰时间愈来愈长的趋势日益明显。 严重的交通拥堵对社会生活最直接的影响是增加了居民的出行时间和成本。 人们必须每天花更多的时间往返于工作地与居住地之间。据统计，约4 0 的北京 人上班需花费l 小时以上的时间。其中，上班花费时间在6 0 - - 8 0 分钟的占3 4 3 0 ；上班所花费时间超过1 0 0 分钟的占6 5 0 ；而在2 0 分钟以内即可到达工作地 的仅占5 5 0 。出行成本的增加也抑制了人们的日常活动，尤其是上下班之外的活 动会受到交通不便的限制，居民的生活质量也随之下降。对城市运输系统而言， 交通拥挤对它的运行效能的影响更是直接。交通拥挤降低了交通基础设施的使用 效率，扩大了各种交通方式的时间和空间需求，刺激交通方式朝效率低下的个体 化交通方式转移，客观上增加了城市交通成本，这样就会形成一种恶性循环。如 果不能及时的采取措施，任其发展，就会引发交通事故，甚至使得整个交通系统 陷入瘫痪状态。此外，交通拥挤还带来城市可持续发展问题，最主要的影响就是 汽车的能耗和空气污染。交通拥挤已经逐渐成为制约社会经济发展，人民生活水 平提高的瓶颈。 随着城市化水平的提高和人均收入的增加，北京市交通需求总量和小汽车的 拥有量将会继续增长。实践证明，城市日渐增长的交通需求不能仅仅依靠增加道 路设施的供给来解决。一方面，城市用地布局己基本确定，且土地资源有限，现 有城市道路网络特别是中心城区路网不允许大规模的扩建和改造，另一方面，由 d o w n s 定律可知，即使道路允许改扩建，但新建和改建的道路并不会降低原有道 路的拥挤水平，因为诱发的交通量将很快占据新增加的局部道路设施，这部分潜 在的交通量是由于先前受到道路供给的制约而没有得到实现的。 针对交通供给与交通需求的矛盾，西方经济发达国家在建成了相对完善的道 路网络系统之后，相继制定和采取了一系列“以供定需”的措施和政剩引，如交通 代偿政策、出行减少条例等，以达到交通需求与交通供给协调发展，实现交通系 统的供需平衡。 本文的研究来源于北京市交通委员会、交通发展研究中心课题北京市交通 2 绪论 结构优化研究。 1 2 本文的目标和研究思路 本文从系统的观点出发，在定性和定量分析北京城市道路系统和小汽车交通 的供需关系基础上，研究道路系统对小汽车的承载作用，构建其系统动力学模型， 讨论城市道路网络所能承受的车辆周转量以及城市交通系统所能适应的小汽车交 通需求总量，为建立可持续发展的城市交通结构提供技术支持。主要有以下三个 目标： ( 1 ) 从供需平衡角度分析影响北京市道路系统发展和小汽车增长的各方面因 素，对北京市交通和社会经济各方面因素现状调查基础资料及历史统计数据进行 分析研究。 一 ( 2 ) 建立北京市道路设施发展与城市道路交通发展的系统动力学模型：构建 北京市道路系统与小汽车交通关系模型，并体现因素之间的反馈和相互联系，用 模型仿真出路网平均车速随着北京市社会经济的发展而变化的趋势。 ( 3 ) 应用模型进行试验：在建立模型和分析相关政策变量的基础上，应用此 模型模拟相关政策变量的改变对路网平均车速的影响，从而得到可行的政策措施。 下图为本文研究思路示意图。 3 北京交通大学硕士学位论文 理论基础及国内外研究现状 上 确定研究方法为系统动力学 土 城市道路系统与小汽车交通的影响因素分析 t 上 划定模型边界和要素，研究要素间的因果关系 t 上 研究确定要素间的定量关系，得到系统流图 t 上 模拟仿真和政策分析 土 理想状态下的发展政策、措施 图1 - 1 本文研究思路框图 f i g u r e1 - 1r e s e a r c hi d e a sd i a g r a m 1 3 本文框架及研究内容 全文共分为6 章，第2 、3 章围绕本研究的主要内容进行了理论分析，第4 、5 章进行模型建立和仿真运行，第6 章是本研究的工作总结和展望。 第1 章叙述论文研究背景、目标、研究思路、主要内容及意义。 第2 章介绍论文研究的理论基础，包括系统动力学理论与方法及其适用性， 模型中变量关系分析的统计理论与方法。 第3 章阐述城市道路系统和小汽车交通的影响因素，分析的角度是供需平衡， 由此确定系统模型的研究范围及其主要因素，为模型建立打下基础。 第4 章详细阐述城市道路系统对小汽车交通承载作用的系统动力学模型的构 造过程。在系统结构分析的基础上，确定系统边界和要素，把定性关系进一步定 4 绪论 量化，确定要素之间的定量方程，得到系统模型。 第5 章为论文的核心内容，主要应用模型进行仿真模拟和政策分析。在详细 阐述模型参数确定方法之后，对模型进行有效性检验，用此模型预测未来道路运 行状况，并仿真模型中相关政策变量的改变对系统运行结果的影响。 第6 章是结论和后续研究。总结了论文研究得出的结论以及研究中的不足之 处，表明了后续研究的方向。 1 4 论文研究的意义 本文的研究同时具有一定的学术价值和现实意义： ( 1 ) 学术价值构造北京市道路系统对小汽车交通承载作用的动力学模型， 用动态的、综合的、系统的观点来研究问题，是系统动力学方法在交通领域应用 的又一次新的探索和尝试。 ( 2 ) 现实意义城市交通系统承载能力是研究城市道路网络总体交通供给能 力，确定城市现状及未来交通系统的运行状态，制定相应的发展政策，对缓解交 通拥堵，引导城市交通实现一定水平下的供求平衡，促进北京市路网交通优化发 展具有重要的现实意义，对制定城市交通可持续发展战略具有重要意义。 5 北京交通大学硕士学位论文 2 论文研究的基础 本章讲述论文研究的理论基础和国内外研究现状。在理论基础部分主要阐述 承载能力的概念和系统动力学方法，以及模型中各因素之间确定定量关系时应用 到的数据统计方法。 2 1 论文研究的理论基础 2 1 1 承载力的概念 承载力( c a r r y i n gc a p a c i t y ，或b e a r i n gc a p a c i t y ) 是一个起源于古希腊时代的 古老概念，早期的承载力研究与生态学的发展密切相关。1 9 2 1 年，p a r k 和b o r o s s 就在有关的人类生态学杂志中，提出了承载力的概念，即“某一特定环境条件下 ( 主要指生存空间、营养物质、阳光等生态因子的组合) ，某种个体存在数量的最 高极限”1 4 j 。1 9 世纪末期开始在畜牧场管理中得到应用，后来逐渐被写入生态学 教材。2 0 世纪6 0 年代以后，随着人口、资源和环境问题日趋严重，人口和环境承 载力得到了较多的研究和探讨，承载力成了一个探讨可持续发展不可回避的概念， 在人口、环境规划和管理、畜牧系统管理、农业、旅游和娱乐管理、自然资源管 理、森林管理以及城市规划【5 】等领域都得到了广泛的应用和研究，被赋予了十分丰 富的内涵。后来这一术语被应用于土地、资源、环境等各个领域，产生了不同的 承载力概念和相应的承载力理论，如土地资源承载力、水资源承载力、环境承载 力等。h a r d i n 和d a i l y 等还提出了生物物理承载力( b i o p h y s i c a lc a r r y i n gc a p a c i t y ) 、 文化承载力( c u l t u r a lc a r r y i n gc a p a c i t y ) 和社会承载力( s o c i a lc a r r y i n gc a p a c i t y ) 等概念1 6 j 。文献 7 】 8 】提出交通环境承载力( t e c c ：t r a 伍ce n v i r o n m e n t a lc a r r y i n g c a p a c i t y ) 的概念，可应用在交通系统规划和交通结构优化中。 城市道路交通承载力即中观层面上的城市路网交通容量。考虑实际应用性， 本文根据研究需要提出城市道路系统理想承载能力的定义和计算方法。 2 1 2 系统动力学方法的特点、优势和适用性分析 ( 1 ) 系统动力学的发展 系统动力学( s y s t e md y n a m i c s ，简称s d ) 是系统科学和管理科学的分支，是 6 论文研究的基础 一门分析研究信息反馈系统的交叉、综合性学科，是认识与解决系统问题、沟通 自然科学与社会科学的边缘学科。它以传统的管理程序为背景，引用信息反馈理 论和系统动力学理论，把社会问题流体化，从而获得描述社会系统构造的一般方 法，并通过计算机仿真运算，获得对真实系统的跟踪，实现社会系统的战略与策 略实验。 第二次世界大战以后，随着工业化的进展，城市人口、就业、环境污染和资 源等各种社会问题日趋严重，这些问题范围广泛、关系复杂、因素众多，迫切需 要用新的方法对这些问题进行综合研究。1 9 5 5 年以后，计算机技术渐趋成熟和普 及，在技术上使得新的方法有了产生的可能，于是系统动力学应运而生。美国麻 省理工学院的福瑞斯特于1 9 5 7 年首次提出工业动力学，对经济与工业组织系统进 行了深入的研究，分析研究了这些系统的性质和特点，成功地将信息反馈理论、 系统动力学理论与计算机仿真技术应用于社会系统，形成了系统动力学。初期主 要用于工业管理，故早期称为“工业动力学”，随着系统动力学的研究范围的不 断扩大，理论与方法日趋成熟，其应用范围几乎遍及各类系统，已远远超过“工 业动力学”的范畴，故改称“系统动力学 。 近半个世纪以来系统动力学在企业经营管理、城市问题、全球发展政策等一 系列社会经济领域的重大课题中都得到了成功的应用。系统动力学于上世纪8 0 年 代后期引入我国，经过十几年的研究发展，已广泛应用于我国社会经济课题中的 多个方面。交通运输系统因其自身的系统特性而较好的符合运用系统动力学研究 的条件，但由于新兴学科发展的过程、交叉学科研究的困难等多方面原因，它在 交通运输系统中的研究和应用在国内外都属于起步阶段。 ( 2 ) 系统动力学的特点 系统动力学模型的基本思路是运用系统结构决定系统功能的原理，在对所要 研究的系统全面分析的基础上，通过构造系统结构、功能因果关系反馈回路，再 利用反馈、调节和控制原理对这些反映系统行为的反馈回路构建出整体数学模型， 并借助计算机对此模型进行模拟试验分析以期得到实际问题的结论。 系统动力学模型不同于其他一些数学模型的特别之处在于，首先它是一种仿 结构模型，它是在对实际系统做出详细的结构及功能分析基础上，根据所研究系 统的结构特征而设计出的模型，模型和现实系统的吻合程度较高，“距离 较小， 模型能更好的反映出真实系统的运动机理，因而根据该模型对真实系统的发展动 态和趋势能做出较准确的预测。其次，正因为系统动力学是一种仿结构模型，根 据模型不仅能准确预测出其所代表的真实系统的发展趋势，还可以试验各种虚拟 假设条件的变更对其趋势产生何种影响，通过变动模型中某些相应的参数或政策 变量，就可借助于计算机很快地模拟出真实系统新的发展趋势，从而为我们做出 7 北京交通大学硕士学位论文 决策提供科学的参考依据，因此，有人形象地称系统动力学模型是一个政策试验 室，它能让我们看到各种不同政策之下真实系统的行为如何改变，趋势将如何变 化。再者，系统动力学是结构型模型，模型的支持系统不是数据，而是所研究的 真实系统结构。正如福瑞斯特教授所指出的那样，现实系统都是由系统内各个因 素之间相互关系的结构来确定系统行为的，信息反馈能够平衡扰动系统，一个因 素的误差在系统中经常因其他因素的自感应变化来达到平衡。系统愈安全，愈真 实，它对大多数参数的细小改变愈加不敏感。j 下是基于这些原理，系统动力学从 真实系统的因果环中得出模型的构造，软化了数据要求，使我们能够利用它对现 实系统( 即使这个系统是“灰色 的，缺乏长期、稳定、全面的统计数据) 进行 定量研究，而不苛求数据十分精确。最后，系统动力学模型结构设计较为简单， 操作起来较为方便，因此对于高阶次、非线性、多重反馈且具有延迟作用的复杂 时变系统的问题也能较好地加以运用。 总之，系统动力学模型具有以下特点： 系统动力学从因果关系出发，分析各种因素之间构成的因果反馈环，从纷 乱的现象中分析出发生这些现象的内在原因及其形成机制，通过反馈环及政策变 量来调整系统行为，能明确认识和体现系统内部、系统外部的因素的相互关系。 系统动力学建模从观察系统结构出发，是结构依存型模型，区别于以前广 泛采用的数据依存型模型，对数据要求不太严格，只要模型的内在结构设计合理， 符合实际，仿真效果就较好，并适合进行长期的动态模拟，显示在数据缺乏的情 况下仍可对系统进行研究的优越性。 能对系统的动态发展及其趋势进行考察，能作长期的动态战略性的定量分 析研究。 在系统动力学模型中，管理者可以通过改变不同的政策变量显示实施不同 的政策措施，以观察系统对所涉及的政策的反应，进而得出满意的结果。 ( 3 ) 系统动力学的基本概念 本文在研究中涉及到系统动力学的一些基本概念，为了便于对后面建模和论 述部分的理解，有必要对一些重要的概念进行介绍和解释： 系统结构 构成系统的要素的排列组合顺序及相互作用称为系统的结构。系统结构是系 统构成要素的组织形式和秩序，其具有相关性、整体性和层次性的特点。相关性 反映了结构内部某一部分改变，则其相关部分必将因此而改变：整体性反映结构 的各个部分相互之间处于有机联系和相互制约状态，并形成结构的整体效应。 信息和反馈 信息和反馈是密切相关的，社会经济系统都是信息反馈系统，反馈就是输入 论文研究的基础 与输出互为因果关系的循环过程，在一个反馈系统中，信息取自系统状态，它是 做出决策的依据，通过决策控制物流以改变系统状态，这个状态又影响到未来的 决策，如此周而复始。这个作用过程是连续的、循环的。 因果链及因果关系图 研究系统结构的一种有效方法就是进行因果关系分析。因果关系是指一种现 象发生的原因和可能引起的结果，因果关系是普遍存在的，它是一种有效的思维 方法，适用于剖析某一具体事物和局部联系，这种分析方法又是整体研究的基础。 对于系统动力学来说，通过因果关系分析建立起系统反馈结构的框架，以促进构 模者的系统动力学思考。 若两变量之间存在因果关系，变量a 是原因，变量b 是可能引起的结果，则用 箭头线表示两者之间的因果关系，这种箭头线称为因果链。如果a 增加使b 也增加， 因果链为正极性的，反之称为负极性的。原因产生结果，结果又构成新的原因， 新的原因以反馈的形式作用到原因上产生了新的结果，如此循环可建立原因与结 果之间的相互联系和作用的闭合回路即为反馈回路。在反馈回路上，因果链极性 的积累效应产生反馈回路的极性。在一条反馈回路上，若负极性因果链的个数是 奇数，则称负反馈回路，若全为正极性因果链，或负极性因果链个数是偶数，则 称正反馈回路。正反馈回路能产生自身增长的行为，负反馈回路具有自调整性。 以下是正因果链和负反馈回路的示例。 + a 电+ b 图2 1 正因果链图2 - 2 负因果环 f i g u r e2 - 1p o s i t i v ec a u s a lc h a i nf i g u r e2 - 2n e g a t i v ec a u s a lc e n t r a l 在对系统要素及相互关系进行分析并深入剖析的基础上，可以得到基本因果 关系图。这些因果关系是指支配系统动态发展的行为，或是能表征系统结构的若 干因果反馈环，从研究一对变量的因果联系上开始，逐渐展开成网络型的因果关 系图，因果关系图容易理解，有利于对系统理解，建立起对问题的总体认识，有 利于抓住问题的关键，正确绘制因果关系图，可以防止遗漏重要方面的现象发生。 但是，因果关系图对于系统反馈结构的描述还很粗糙，它不能反映出物流与信息 流的差别，也不能反映出流位与流率的差别。因此本文在构思系统结构时，在做 出因果关系图之后还要再做出流图。 9 北京交通大学硕士学位论文 流图 实际系统中存在着不同类型的变量，具有积累效应的流位变量和描述系统的 积累效应变化快慢的流率变量，以及在计算过程中不随时间变化的常量和从信源 到流率变量之间的辅助变量等，用以上概念去替换因果关系图，不但各变量的符 号由单纯的点改为了对应的形象符号，而且变量的关联关系一律用流线连接，就 得到了流图。 流图提供了全新的思想方法。流图模型除了把系统的物流与信息流分开，并 保持了因果关系图的因果极性、反馈环极性外，更重要的是提出了用流位和流率 描述系统，揭示了任何系统本质的量只是两类，一类是积累变量，一类是速率变 量。这对应数学分析中的积分和微分。从因果关系图至流图，在系统问题刻画上 已经发生了质的变化，流图是进行定量分析的有力工具。 ( 4 ) 系统动力学的优势和适用性分析 城市发展与交通发展互动影响的系统具有动态性、复杂性、反馈性和长期性 等系统特性，受众多的动态的不确定性因素的影响，很难对其进行描述、仿真和 预测。 城市交通系统具有复杂性的特点。交通系统的发展总是和社会、经济等因 素的发展联系在一起，如经济的发展、居民消费水平的提高、某项政策的实施都 会对交通系统产生影响，而且系统各因素之间是相互影响、相互作用的。 城市和交通系统不仅是复杂的，而且是动态的。城市是不断发展的，系统 中的各变量也是不断发展的，根据系统中各因素相互影响的原理，整个系统也是 不断发展的，所以说系统是动态的。 通过以上系统动力学方法研究问题的特点以及本文所研究的问题的特点的分 析可知，系统动力学在本文的研究中是适用的： 系统动力学方法可以很好的适用于研究城市交通系统的复杂性。系统动力 学的主要研究对象是社会、经济、生态等复杂系统及其复合的各类复杂大系统， 系统动力学从因果关系出发，分析各种因素之间构成的因果反馈环，从纷乱的现 象中分析发生这些现象的内在原因及其形成机制，能明确认识和体现系统内部、 系统外部的因素的相互关系，可见城市发展伴随着的交通结构演变系统正是系统 动力学研究的理想对象。 系统动力学方法可以很好的适用于研究城市与交通系统的动态性。系统动 力学专门研究内部因果反馈环作用下的系统发展动态过程，能对系统的动态发展 及其趋势进行考察，能作长期的动态战略性的定量分析研究，是研究交通系统的 良好工具。 系统动力学方法可以很好的适用于对数据不足的问题进行研究。建模中常 1 0 论文研究的基础 常遇到数据不足或某些数据难以量化的问题，而系统动力学利用各要素间的因果 关系及有限的数据及一定的结构仍可进行推算分析，对于统计资料可能不完全的 城市交通系统恰恰适用。 系统动力学方法很好的适用于本文研究的主要目的。本文研究的主要目的 是衬用模型进行政策试验，仿真模型中政策变量的改变对交通结构及道路交通运 行的影响，而系统动力学素来被称为“政策试验室”，在系统动力学模型中，管 理者可以通过实施不同的政策措施直接作用于改变模型中的政策变量，得到系统 对所涉及的政策的反应，进而得出满意的结果。 2 1 3 统计理论基础 ( 1 ) 回归模型概述 在进行数据分析时往往会看到变量之间存在着一定的相关关系。研究变量之 间的相互关系密切程度的分析成为相关分析。如果在研究变量之间的相关关系时， 把其中的一些因素作为控制变量，而另一些随机变量作为它们的因变量，这种关 系分析就称为回归分析。回归的方法有很多种，根据曲线的形式可以分为：线性回 归和非线性回归。本研究中主要涉及多元线性回归。 假定被解释变量y 与多个解释变量五，x 2 ，x 。之间具有线性关系，是解释变 量的多元线性函数，称为多元线性回归模型。 y = 屁+ 层五+ 履x 2 + + 履以+ ( 式2 - 1 ) 其中y 为被解释变量，x ，( _ ，= 1 ，2 ，后) 为k 个解释变量，( 歹= o ，l ，2 ，k ) 为 k + 1 个未知参数，l 为随机误差项。 被解释变量y 的期望值与解释变量五，五，以的线性方程为： e ( 】，) = p o + a 五+ 屐五+ + 展五 ( 式2 2 ) 称为多元总体线性回归方程，简称总体回归方程。 对于咒组观测值z ，x l f ，x 2 一，x 蔚( f = 1 , 2 ，刀) ，其方程组形式为： 鬈= p o + 届f + 殷置f + + 展以+ 肛，o = 1 ，2 ，玎) ( 式2 3 ) 即 k = 成+ , a l x l l + 厥x 2 l + + 展j 气l + l e = 风+ 屈置2 + 及五2 + + 反x 1 2 + 鸬 ( 式2 4 ) y n = , a o + p x k n + , a 2 x n + + p k x h + p n 多元线性回归分析根据观测样本估计模型中的各个参数，对估计参数及回归 方程进行统计检验，从而利用回归模型进行经济预测和分析。多元线性回归模型 北京交通大学硕士学位论文 包含多个解释变量，多个解释变量同时对被解释变量y 发生作用，若要考察其中一 个解释变量对y 的影响就必须假设其它解释变量保持不变来进行分析。因此多元线 性回归模型中的回归系数为偏回归系数，即反映了当模型中的其它变量不变时， 其中一个解释变量对因变量y 的均值的影响。 由于参数属，层，屐，屈都是未知的，可以利用样本观测值( x l ，鼍一，饩；z ) 对它们进行估计。若计算得到的参数估计值为反，磊，度，厦，用参数估计值替代 总体回归函数的未知参数屁，届，屐，展，则得多元线性样本回归方程： z = 8 0 + 屈x i ，+ 屐五，+ + 展j 乇 ( 式2 5 ) 其中，( = o ，1 ，2 ，k ) 为参数估计值，霉( f = 1 ，2 ，行) 为z 的样本回归值或样 本拟合值、样本估计值。 样本回归方程得到的被解释变量估计值y 与实际观测值之间的偏差称为残 j 上 左e io e l = z i = z 一( 8 0 + 届五，+ 厦，+ + 尾义0 )( 式2 - 6 ) ( 2 ) 回归模型检验 评价回归方程的优劣、好坏可用确定系数i 匕和剩余标准差s y ，x l - 2 p 。 s y ，x l ，2 p = s q r t ( s s 误差( n - p - 1 ) ) ( 式2 - 7 ) 如用于预测，重要的是组外回代结果。 多元线性回归方程中并非自变量越多越好，原因是自变量越多剩余标准差可 能变大；同时也增加收集资料的难度。故需寻求“最佳”回归方程，逐步回归分析是 寻求“较佳”回归方程的一种方法。 在确定了回归模型后，需要评价回归方程是否有效的反映了变量之间的关系。 评价方法可以从散点图、参差图评价以及技术指标的检查两方面入手。 ( 1 )散点图、残差图评价。散点图要符合回归模型的图形。残差图上的点 散布在0 线两侧没有呈现一定的规律性。那么回归结果是令人满意的。 ( 2 ) 技术指标的检查。 对样本回归系数的检验：假设所有的系数是0 。如果在进行回归系数的显 著性检验后，结论是拒绝假设，那么说明自变量对因变量有显著影响，回归系数 的效果显著，回归函数有一定的合理性。反之，则回归系数的效果不显著，回归 函数不合理。 方差分析：把y 的差异分为两部分，一部分是可以用x 来解释的方差，一 部分是不能用x 来解释的方差。这两部分的方差分别除以各自的自由度并用f 检 验。如两者无显著差异，说明线性关系不显著。 偏回归系数的显著性检验：偏回归系数的显著性检验是为了探明是否每一 个自变量对因变量都是重要的。在进行检验的过程中，如果回归表明某个自变量 1 2 论文研究的基础 与因变量的关系研究的系数不显著时，应从方程中剔除。 残差的正态检验：因为线性模型的基础是建立在残差是正态分布的假设之 上盼。只有残差是正态分布时，才可以进行下一步的分析。检验残差是否正态分 布可以通过残差直方图、累计概率图来判断。 2 2 国内外研究综述 2 2 1国外研究现状综述 从6 0 年代开始，美国的一些学者就对路网容量进行研究；随后日本、法国及 我国的一些交通工程师们也对该问题进行研究，并取得了一定的成绩。通过对路 网容量历史的研究与分析可知，各位学者对路网容量的认识并不一致，而且基于 不同研究理论提出的路网容量的物理意义也不相同。 路网容量研究中具有代表性的国家是美国、日本和法国。以下分别介绍各国 的研究状况。 9 1 l 美国 美国是最早对路网容量进行研究的国家。他们对这个问题的研究由简单到复 杂。研究初期，路网被简化成是一个简单的单起、终点的网络，而路网容量就是 在路段通行能力的约束下，从一个特殊的起点到另一个特殊的终点，能运送的最 大交通量。随着对问题理解的深入，将路网看成是一个非线性的、随机开放的、 多起终点的复杂系统，于是从系统最优的角度出发，建立了新的路网容量概念， 即路网容量是在路段通行能力的制约、并满足路网系统最优的情况下，路网所能 承担的最大交通流量。 从类别上划分美国的研究大致可以分为如下3 种：一种是美国p r i n c e t o n 大学 运筹学教授f o r dl r j r 和f u l k e r s o nd r 用图论方法研究的路网容量，其成 果是运用最大流最小割集定理建立的路网容量模型，同时给出了求解网络最大流 的第一种算法标号法；第二种是交通分配模拟法，该方法产生的模型是基于 图论和交通分配两种理论建立的；第三种是线性规划法，其中又分为单层和双层 路网容量模型，单层模型主要用来分析那些相对简单、起终点和道路有明确规定 的网络。双层模型是从系统最优的角度，在单层模型的基础上改进的结果。该模 型既考虑了路网的物理容量又考虑了交通个体的平衡( 交通个体出行费用最小) ， 是美国至今确定路网容量的最新模型。 2 日本 日本是亚洲国家中对路网容量研究最为深入的国家。6 0 年代，山村信吾、三 1 3 北京交通大学硕士学位论文 好逸二及西村昂就开始研究路网的最大通行能力。其后，日本京都大学的饭田恭 敬教授【lo 】采用图论法研究单一物流路网通行能力，采用交通分配法研究了考虑驾 驶员线路选择条件下的路网最大通行能力，其研究方法和思路与美国相似。 3 法国 8 0 年代初，法国的工程师路易斯马尚提出了“城市的时间与空间消耗 概 念【l l 】。这一概念抓住了问题的实质，即城市路网在一定时段内的物理容量是受时 间、空间限制的。这样，很自然的将路网看成是一种具有时间、空间属性的容器， 而该容器在一定时段内的容量就是路网的容量。这种思路为路网容量的研究开辟 了一条新的道路。 2 2 2 国内研究现状综述 一、路网容量研究现状综述 我国对路网容量的研究相比其他国家要晚，始于8 0 年代，主要是在参照国外 研究的基础上，对其进行改进。其中，东南大学的杨涛基于最大流最小割定理， 将f o r d f u l k s o n 算法进行改进，提出了解决随机、开放路网的衍生割集网络极大 流算法( e c s ) ；湖南大学的李硕提出了狭义路网容量的理论及模型。另外，北京 交通大学的高自友【1 2 1 、同济大学的杨东援等人从系统的角度出发，提出了满足用 户平衡和系统平衡的路网容量模型。 ( 1 ) 路网容量的本质定义 “城市交通的根本目的是实现人和物的移动，而不是车辆的移动。 这是1 9 5 9 年北京宣言；中国城市交通发展战略研究提出的指导城市交通规划、管理和 运行的五项原则中的首要原则，据此可以得到关于城市交通系统容量的最本质定 义是：“在一定的约束条件下，一个城市交通系统所能容纳的人和物的运输量”。 除了步行交通外，人和物的移动均需要通过车辆来运输，由此衍生出以车辆为对 象的交通容量概念，即“在一定的约束条件下，城市交通系统所能容纳的车辆数。 【1 3 】 沈清基在城市生态与城市环境一书中对城市交通容量进行了定义并提供 了计算公式【1 4 】。城市交通容量指现有或规划道路面积所能容纳的车辆数。城市交 通容量首先要受城市道路网形式及面积的影响，此外，还要受机动车与