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城市交通规划65.城市土地利用与交通一体化模型框架及关键技术PDF文本
规划设计

城市土地利用与交通一体化模型框架及关键技术陈海伟，胡郁葱，徐士伟摘要：为解决既有城市土地利用与交通糢型存在静态、封闭、缺乏弹性等问题，采用博弈分析方法，从居民、开发商、交通部门、政府等角度，分析了不同决策个体的博奔行为对城市土地利用与交通系统性能产生的彩响，揭示了城市土地利用与交通互动作用机理的实质是不同决策个体为实现自身利益最大化而做出博弈的结果。在此基础上，提出了一个具有动态性、开放性和可拓展性的城市土地利用与交通一体化模型框架，并给出模型的动态变化、结构功能、应用拓展等关键技术的解决方案。关词：城市交通，土地利用，一体化模型，动态性，可拓展性1引言城市化和机动化推动城市人和出行需求的持续快速增长，但也带来资源浪费、交通拥堵、环境污染等问题。如何探索新的分析方法和预测工具以提高城市规划的科学性？如何制定有效的地利用与交通联合发展策略以控制城市人和出行需求的过快增长？等等，己成生L子杀內2.⊙：N二1为规划方法研究的重要课题山。应用系统科学和多学科交叉理论剖析城市土地利用与交通的互动作用机理，构城市土地利用与交通一体化模型，是破解上述问题的关键2列。Lowy模型是第一个尝试捕捉土地利用与交通互馈过程的先驱。此后，伴随着离散选择、随机效用、GS技术和模拟分析等理论和方法的出现，城市土地利用与交通一体化模型应运而生，可分为数学规划模型、空间投入产出模型、城市经济学模型和微观模拟仿真模型等四类，主要应用于规划实践和政策分析领域5刀。然而，既有模型存在的一些缺陷导致其实际应用效果并不理想，包括：1)对联系土地利用与交通的出行费用描述缺乏弹性，未能在土地利用与交通系统之间立有效的动态反馈机制：2)缺少对城市土地利用与交通系统内部微观决策个体的经济特性进行分析，未能考虑不同决策个体的博弈行为对系统性能产生的影响：3)模型框架缺乏开放性和可扩展性，使得不同城市特定的规划背景难以满足模型的应用要求，导致模拟结果与实际情况相差甚远。为填补上述缺陷，本文将在分析城市土地利用与交通的互动关系的基础上，从城市土地利用与交通系统不同决策个体的角度分析城市土地利用与交通的互动作用机理，构一个动态和可扩展的城市土地利用与交通一体化模型框架，并对模型的关键技术问题进行探讨。興尚理筑素前阀Z.ZC.ET
2城市土地利用与交通的互动关系城市土地利用与交通的互动关系实质上是一个正向循环反馈关系，如图1所示。土地的开发利用将引起社会活动的增强以及交通需求的增加，进而对交通网络容量提出扩容要求。交通基础设施的改善使得交通网络容量大幅增加，出行时间也随之减少。这将改变出行可达的区域，引起交通可达性的变化，进而影响各种生产、生活活动区位的重新选择，并直接表现在土地利用上，导致土地的价格和空间分布等特性发生变化，从而改变土地利用布局和土地开发强度，土地利用与交通的互动作用进入新一轮循环。然而，城市土地利用与交通的循环反馈并不是无限持续的，主要原因是交通设施的改善受到用地的限制，使得交通网络容量不可能无限增大。同时，受资源和环境的制约，城市能容纳的人和车辆也会逐渐饱和。当土地开发强度超过一定限度时，所引发的出行需求将导致交通拥堵的出现，已开发区域的交通可达性将下降，从而引起土地利用边际效益随之降低，土地开发将受到抑制。因此，整个循环反馈过程最终将处于一种稳定的平衡状态。土地利用开发社会活动增强出行需求增加交通设施改善出行费用减少交通网络扩容土地开发加强土地价格提高活动区位变化可达性提高图1城市土地利用与交通的互动关系3城市土地利用与交通的互动作用机理3.1互动作用机理相关研究表明，推动城市土地利用与交通互动反馈的关键在于系统微观决策个体的博弈行为，包括居民、开发商、交通部门和政府等⑧。因此，本文通过分析不同决策个体的博弈行为对系统性能产生的影响，揭示城市土地利用与交通的互动作用机理，如图2所示。在图2中，交通部门一般根据政府制定的交通发展政策做出交通设施的供应决策，从而形成一个初始的外部博弈环境。在此环境下居民和开发商通过居住选址和住房供应行为进行博弈，其结果最终会对土地利用性质和地价（房租或房价）的改变以及交通系统的发展产生影响，也即外部环境发生变化，然后进入下一轮博弈，如此往复。故此处着重分析居民和开发商的决策行为及其对系统的影响。甄素前阀Z.Z0.NE]
3.2居民和开发商的决策行为及其对系统的影响居民根据其社会经济属性（职业、收入水平、家庭结构等）对居住环境的喜好或要求（居住区位和环境、房屋类型和大小等)、居住成本（房价或房租等）以及出行成本（出行时间或费用)等做出最有利的居住选址决策，其社会活动（工作、购物、娱乐等）源于不同类型土地利用的空间分离并受到交通可达性的影响。同时，居民基于交通基础设施做出出行选择(方式选择、路径选择等)，由此产生的出行费用（拥堵效应、道路收费、公交票价等）将反过来改变居住和活动区位的可达性，最终改变土地利用模式（空间分布、地价、房价等）和居住与活动选址决策。开发商根据政府制定的土地利用规划方案、投资成本、房价和交通设施的发展水平等进行成本效益分析，并做出住房供应决策（确定住房区位、住房类型和数量等），以实现利润最大化。住房供应决策决定了住宅的空间分布，直接影响居住选址决策和出行选择，从而改变城市人和出行需求的空间分布，将会对交通系统产生重要影响。3.3互动作用的实质从上述分析可知，居民、开发商、交通部门、政府是城市土地利用与交通系统最重要的组成部分淇决策搏弈街为对于系统的整体性能具有决定性的影响。城市士地利用与交通互主L子个.U.N二动作用的实质正是不同决策个体为满足各自利益的最大化而做出决策博弈的结果。因此，立一个用于模拟城市土地利用与交通互动作用机理的模型框架，分析影响系统中不同个体做出决策的因素，并评估不同发展政策对各方利益产生的影响，是制定最优的城市土地利用与交通联合发展策略的关键。居民社会经济属性开发商政府(牧入。环境要求等)居住选址决策房价/房租住房供应(类型，大小等)城市发展政策社会活动交通可达性土地利用规划交通系统规划出行行为决策+出行时间&费用交通设施供应(道降屑、轨道网等)可选出行方式出行环境要求交通系统(f度，明济度运营部门图2城市土地利用与交通的互动作用机理興尚理筑素前阀Z.ZC.ET
4模型的总体框架模型的总体框架如图3所示，整体来看，它是一个双层规划模型。通过将规划发展期分为若干阶段（如图3的虚线框所示），可模拟出系统的动态变化过程。上层模型通过实施不同的土地利用策略和交通发展策略优化系统的整体性能，以实现城市规划目标，最终获得城市土地利用与交通联合发展策略和方案。其中，输入变量包括由下层模型所得的住房数量、房价/房租、人分布和交通流量，而输出变量为通过系统优化所确定的城市土地利用与交通联合发展策略和方案。下层模型是一个整体均衡模型，包括土地利用均衡与交通系统均衡两部分。其中，输入变量包括人和社会经济特性（职住数量、收入水平等）、住房供应（住宅区位、数量、类型等)和交通供应（道路网、轨道网等），同时，整体均衡过程受到政府和规划部门制定的相关政策的限制：输出变量包括住房数量、房价/房租、人分布和交通流量等。在双层规划模型中，上层模型根据既定的目标制定相关的发展政策，用于指导下层模型的运行，而下层模型在相关政策的约束下，通过协调土地利用与交通的关系获得整体均衡的运行结果，并反馈到上层模型中，从而使得上、下层模型处于不断重复的协调和反馈过程中，最终得到最的城市走电利用与交通联发底策略和方案。J城市土地利用与交通系统联合发展策略和方案是否达到城市发展目标上士地规划目标系统优化层交通规划目标住房数量房租/房价城市发展政策型土地发展政策人分布交通流量交通发展政策人特性社会经济特性交通系统均衡下层模型住房供应土地利用均衡整体均衡交通设施供应规划发展期图3模型的总体框架興尚理筑素前阀Z.ZC.ET
5关键技术5.1模型的动态变化一一连续的迭代结构为表达模型的动态变化过程，本文提出一个连续的迭代结构，将整个规划发展期分为若干个连续的时点：规划基年(T)、规划近期(T+1)、规划中期(T+2)和规划远期(T+),如图4所示。开发商住房供应住房供应住房供应竞住房供应租!过居民程居住选址决策居住选址决策居住选址决策居住选址决策出行行为决策出行行为决策出行行为决策出行行为决策交通系统运营部门交通供应交通供应交通供应交通供应规划基年规划近期规划中期规划远期(T)T+1规划发展期T+2T+n图4动态的迭代结构该结构具有以下特整：的麦大网?17C (1)不同的子系统在不同的规划发展期具有可变性。例如，与居民的居住选址和出行选择行为相比，住宅与交通基础设施（住宅投资设、道路网扩容和地铁修等）在投入运营之前将经历较长的一段规划和设周期，使得住房供应与交通供应的实现存在滞后性。(2)在每个规划发展时点，住房供应和交通供应之间的均衡是通过前一个时点的住房规划和交通规划实现的，即住房和交通的投资决策是基于前一个时点对下一个时点的规划发展进行评估后而做出的，同时，居民根据每个规划发展时点的住房供应和交通供应情况，通过一个竞租过程做出居住选址决策和出行选择。因此，基于该结构的土地利用和交通之间的均衡是一个动态过程，在此过程中，所有与土地利用和交通相关的变量和参数都是动态变化的。5.2模型的结构功能一一整体均衡的决策博弈模拟为反映不同决策个体在系统中的博弈行为，本文将模型的功能结构表达为居住选址、出行选择、住房供应和交通供应等四个决策模块，形成一个整体均衡的城市土地利用与交通一体化模型，包括土地利用均衡和交通系统均衡两部分，如图5所示。興尚理筑素前阀Z.ZC.ET
住房供应决策居住选址决策工作区位住宅区位和规模竞住宅供应收入水平居住效用房价/房租过住宅类型和大小居住区位选择土地利用均衡住宅类型选择交通投资成本住宅投资成本人分布交通发展政策土地利用政策整体均交通可达性OD需求衡道路网(如济网容量。收费交通系统均衡出行方式选择等)公共交通网交通供应交通流量(如公交发车同隔。票出行路径选择拥堵水平价等)交通供应决策出行选择决策图5整体均衡的决策博弈模拟土地利用均衡是指住房供需总量均衡。其中，居住选址决策模块通过住房竞租过程得出房价/房租和居住效用，并将其作为住房供应决策模块的输入变量：同时，住房供应决策模块根据成本效益分析微住房供应获策，并将往房区位?规模、类型等结果输入到居住选址决策模块中。这两个模块不断地对住房供需进行协调，最终实现住房供需的动态均衡。交通系统均衡是指交通供需均衡和交通网络流量均衡。一方面，出行选择决策模块根据出行方式和相应的出行路径选择结果得出交通流量和拥堵水平，并将其作为交通供应决策模块的输入变量。另一方面，交通供应决策模块将交通供应结果（路网容量、公交服务水平、票价等)输入到出行选择决策模块中。这两个模块通过不断协调交通供需，最终实现交通系统供需的动态均衡。土地利用均衡与交通系统均衡借助居住选址决策模块和出行选择决策模块的直接互动反馈，将土地利用与交通联系起来，揭示出土地利用与交通互动作用的本质是不同微观决策个体博弈的结果。通过协调土地利用与交通的关系，最终实现系统的整体动态均衡。从模拟过程可以看出，居民的居住选址决策和出行选择决策、开发商的住房供应决策以及交通部门的交通供应决策之间是相互影响、相互作用的，不同决策个体基于自身利益的最大化在系统中进行博弈，政府作为调控方，通过制定不同的目标和政策协调各方利益，最终实现土地利用和交通系统的整体均衡，使整体的社会福利达到最大化。興尚理筑素前阀Z.ZC.ET
5.3模型的应用扩展一一开放的和可扩展的分析框架由于不同的城市具有不同的社会经济发展特征和规划编制背景，使得不同城市的发展目标和规划定位也可能不同，因此，为了满足不同城市的发展需求、制定最适合的城市发展模式，必须立一个开放的、可扩展的城市土地利用与交通一体化模型分析框架。本文采用动态的连续迭代结构，将不同决策个体的博弈过程分为居住选址、出行选择、住房供应、交通供应等四个决策模块，用于模拟居民的居住选址决策和出行选择、开发商的住房供应决策以及交通部门的交通供应决策，如图4、图5所示。四个决策模块分别模拟了居民、开发商和交通部门三者在政府制定的城市发展政策、土地发展政策、交通发展政策以及其他外部环境的约束下进行决策博弈的过程，可以反映出不同的城市规划背景、土地利用模式、交通发展水平、生活生产方式、出行行为习惯等情景下的土地利用与交通的互馈作用关系，同时可以动态地描述出不同规划发展定位下城市土地利用与交通系统的演变过程。在此基础上，可进一步用于探讨该模型在寻求最优的土地利用与交通联合发展策略上的应用，具有较好的灵活性、开放性和可扩展性。6结论城市尘地利用与交通宁体化模型研究是解铁“城市病”，实现城市可持续发展的重要基础，也是规划、决策制定的重要依据。本文对城市土地利用与交通系统内部决策个体的经济特性进行了分析和描述，研究了不同决策个体的博弈行为及其互动关系，发现城市土地利用与交通互动作用机理的实质是不同决策个体为实现各自利益的最大化而做出博弈的结果。在此基础上，从概念上提出了一个动态和可拓展的城市土地利用与交通一体化模型框架，并给出关键技术的解决方案。下阶段的研究将根据模型框架，构城市土地利用与交通一体化模型，设计模型的求解算法，并检验模型的实际应用效果。参考文献[」仇保兴.复杂科学与城市规划变苹).城市规划，2009,33(4：11-26.[2]王真，郭怀成，郁亚娟，徐志新，詹故晔.城市土地利用与交通相互关系研究进展人文地理，2009，24(04):91-97.[3)史进，童昕，李天宏.大尺度城市模型研究进展).城市规划，2015,39(03104-112.[4]Lowry I S.A model of metropolis [J].Rand Corporation,Santa Monica,CA.1964.[5]Waddell P.UrbanSim:Modeling urban development for land use,transportation,and environmental planning[J].Journal of the American Planning Association,2002,68(3):297-314.興尚理罚素前网ZC
[6]Martinez F J,Henriquez R.A random bidding and supply land use equilibrium model [J].TransportationResearch Part B:Methodological,2007,41(6):632-651.[7]Briceno L,Cominetti R,Cortes C E,et al.An integrated behavioral model of land use and transport system:A hyper-network equilibrium approach [J].Networks and Spatial Economics,2008,8(2-3):201-224.[8]Waddell P.Integrated land use and transportation planning and modelling:addressing challenges in researchand practice [J].Transport Reviews,2011,31(2):209-229作者简介陈海伟，技术人员，助理工程师，广州市交通规划研究院：胡郁葱，副教授，华南理工大学土木与交通学院：徐士伟，轨道交通所所长，助理工程师，广州市交通规划研究院。理筑素前阀Z.ZC.ET
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