第44卷第2期2019年2月
环境科学与管理
ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT
Vol.44 No. 2Feb. 2019
文章编号：1674 -6139 (2019) 02 - 0057 -06
基于系统动力学的北京城市交通能耗模拟研究
杨岩，佟贺丰，徐丽萍，姚长青
1121
(1.中国科学技术信息研究所，北京100038;.北京城市系统工程研究中心，北京1000)
:基于系统动力学的北京市城市交通能源消耗模拟模型包含人口、经济、城市交通、交通能源消耗四个子
系统。模型根据北京市人口、GDP、交通出行量、私人小汽车拥有量、交通能耗等历史数据对模型进行模型验 证。在此基础上设置4个不同的情景，针对北京市城市人口控制、出行结构改变、新能源汽车用量增加等情景 进行分析。根据情景模拟结果提出了相关建议：（1)降低人口数量，减少出行量；（2 )提升新能源汽车比例，替 代汽油车；（3 )提升自行车出行比例，促进绿色出行。
摘要
关键词：城市交通；系统动力学；交通能源消耗;新能源汽车 中图分类号:X
22 文献标志码:A
Simulation of Urban Traffic Energy
Consumption in Beijing based on System Dynamics
Yang Yan1，Tong Hefeng1，Xu Liping2，Yao Changqing1
(1. Institute of Scientific and Technical Information of China，Beijing 100038 , China； 2. Beijing Research Center of Urban Systems Engineering，Beijing 1000, China)
Abstract：This study constructed the urban traffic energy consumption model of Beijing based on the system which included four subsystems： the population, the economy，the urban traffic travel and energy verified by the historical data of population，GDP，traffic travel，private car ownership and traffic energy sis ，four different scenarios were set up to analyze the urban population control, the change of travel structure and the increase ofthe amount of electric vehicles in Beijing. Finally，the related suggestions were put forward according to the simulation results ：first, reduce the population to reduce the total trips ； second, upgrade the proportion of new energy vehicles to vehicles; third，increasing the proportion of bicycle travel and promote the green travel.
Key words ： urban transportation ； system dynamics ； energy consumption ； new energy vehicle
可以处理高阶次、非线性、多重反馈、复杂时变的系
刖目
统问题[
系统动力学由麻省理工学院
14]。从系统角度看，人口和经济是交通系
Forreter J W于
统存在的基础，能源系统为交通系统提供了动力，而 交通系统的成熟度和便捷性将反过来影响其他系统 效率，上述多个子系统构成了一个不可分割的城市
1956年创立，它是一门分析研究信息反馈的学科，
收稿日期：018-09-23
基金项目：本文受北京市财政项目“京津冀协同发展对北京能源-环
境-经济系统的影响分析模型研发”（PXM2016 - 178215 -000014)资助
作者简介:杨岩（1986 -),男，助理研究员，研究方向：系统动力学与
可持续发展模型。
通讯作者:杨岩
交通系统整体。
随着北京市人口经济的快速发展，城市交通需 求也在不断上升，从而带来了机动车数量及能源需 求的不断上升，由此带来城市交通、能源管理压力也 日益突显。因此，从系统角度根据人口、经济、交通、
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杨岩等•基于系统动力学的北京城市交通能耗模拟研究
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能源多个子系统的相互关系来分析北京市交通出行 量、能源消耗，对于整体把握北京市交通发展的趋势 就显得尤为必要。1
研究所采用的系统动力学模型主要包括人口、 经济、城市交通及交通能耗模块。各模块之间通过 影子变量
（shadow variable)连接形成必要的反馈回
1
SD模型构建与验证
路，使得人口、经济、交通、能源模块形成有机整体。 限于篇幅，文章仅对各重点模块的模型构建方法和 主要反馈回路进行说明（见图
。
1.1模型构建
1.1.1 人口子系统模型结构
人口提供经济社会发展的根本动力，模型采用 人 口队列分析法（
虑了交通出行量、交通出行方式、交通工具数量等主 要影响变量[]。
交通出行量:交通出行量与人口有着直接的关 系，模型将学龄人口和工作人口的出行视为主要影 响因素。根据人口年龄分段和日出行量相乘的结果 进行计算[5]。
交通出行工具:如前所述，人口和经济会影响家 庭购车需要，而上述购车需要的影响则会直接影响
Population Cohorts Analysis )以起
始年数据为基础，结合内生变量对未来人口数量和 结构的变化进行模拟，其主要变量涉及每年的人口 出生数和死亡数（自然增长）、迁入数和迁出数（机 械增长)[3]。
1.1.2 经济子系统模型结构
由于经济的发展会影响到人均
GDP和居民家
到交通工具的出行结构，使私家车出行比例上升并 维持在一定水平[]。同时，出行量的改变也会影响 不同出行工具的行驶里程，进而影响能耗。本文涉 及了城市公路交通系统中的公交车、公务车、出租 车、私人汽车、货运车辆等，研究主要针对北京市机 动车主体:私人小汽车进行模拟分析，其他车辆采用 外生变量进行计算。
庭收入，上述变量又会影响到家庭的购车意愿尽而 影响到城市交通工具和出行结构，研究中经济模块 采用外生变量方式计算得到，通过设置分三大产业进行模拟[4]。1. 1.3
城市交通子系统模型结构
GDP增长率
研究采用的交通子系统模型构建方法，主要考
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交通出行比例:对于自行车、公交、地铁、出租车 而言，其计算方式类似，主要通过外生的出行比例变 量进行计算，而对于私人小汽车和公务小汽车而言， 贝!由总出行量与上述其他出行量相减得到。1. 1.4
城市交通能源消耗子系统模型结构
准煤进行计算[7]。
1.2
模型验证
SD模型运行前要进行有效性检验来验证模型
与现实系统的吻合度，以求准确反映现实系统的特 征及变化规律。研究采用2000年-2015年为验证 期对模型的模拟效果进行验证。包括了人口经济系 统、城市交通系统及交通能源系统。
1
模型将北京市城市交通能源的来源分为一次能 源和二次能源，一次能源的消耗主体分为汽油（出 租车、私人小汽车、公交车）、柴油（公交车）和天然 气（出租车、公交车），二次能源主要为电力（电动公 交车、轨道交通、电动私人小汽车）。由于不同一次 能源和二次能源使用量的不同，因此研究采用将各 类型能源乘以相应的标准煤转换系数将其转换为标
总人口模拟结果
2 500 -------------------------------------------1.2. 1
人口经济发展模拟验证
GDP)历史模拟结 果如图2所示。从结果中可以看出，SD模型结构较
常住人口总数量、经济总量（
好的反映了北京过去一段时期内人口和经济变化的 趋势，多年平均要对模拟误差均控制在%以内。
2
GDP模拟结果
30 000 --------------------------------------------(
YB
(i)
20 000
10 000
2015 年
图2北京市人口及
GDP历史模拟结果
量（除步行）多年平均模拟误差控制在%以内，私 人汽车保有量的模拟结果控制在4%以内，较好的 反映了北京市交通系统的出行和能耗情况。
1.2. 2
城市交通系统验证
2
采用日均出行量（除步行）（2009年-2015 年）及私人小汽车保有量（2000年-2015年）结果 与历史数据相比较，其结果如图3所示。日均出行
图3北京日均出行量及私家车保用量历史模拟结果
1.2.3城市交通能源消耗模拟验证
采用城市交通能耗中出租车能耗、公交车能耗 (2010年-2014年）与历史数据相比较，其结果如
图4所示，从模拟结果来看上述两个历史数据的多年平均误差均可控制在3%以内，可以精确反映一定时期内北京市城市交通能源消耗的主要组成。
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o ow
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U
001/
81^0
6
6
04
4
02
2
2010 年
■统计值
2012 年
□模拟值
2014 年 0 2〇10 年
■统计值
2012 年
□模拟值
2014 年
图4北京出租车及公交车能耗历史模拟结果
22.1
情景分析情景设置
研究根据《北京城市总体规划（2016年-2035
划中提到的建设目标设置，相关值如表
1所示。此
夕卜，为了保证不同情景中的与交通相关措施的可比 性，在后续其他情景设置中，与人口、经济、交通基础 建设 关的变 保
变。
年）》、《北京市“十三五”新能源和可再生能源发展 规划》、《北京市“十三五”时期交通发展建设规划》、 《北京市“十三五”时期交通发展建设规划》等文件 对未来情景进行设置。
2.1.2
新能源车置换情景（情景
n)
在该情景下，自行车出行比例保持不变，同时， 提高私人电动车替换率(65% )以及新能源公交车 占比（80%)，如表所示。
1
2.1.1
基准情景（情景
I)
GDP增长率保持
2.1.3自行车出行增长情景（情景
m)
该情景下，人口机械增长率，
在该情景下，自行车替代比例进一步提高至
不变，机动车增长速度，新能源汽车替换速度，地铁 增加里程数等，均按照“十二五末期”速度及相关规
1%
，同时保持私人电动车替换率以及新能源公交车
占比设置与情景相同，情景具体设置值见表。
nn1
表1未来情景参数设置表
情景
人口净迁人率（％)
0.016.5%90012.6%42%65%
i情景n0.016.5%90012.6%65%80%
情景m0.016.5%90015 %6 %80%
情景^0.016. %90018%100%100%
GDP增长率（％)
地铁里程（公里）
自行车出行比例（除步行）％ )私人新能源汽车（电动）替换率（％ )
源
车占（％ )
2.1.4绿色交通情景（情景
W)
二五”末期开始未来15年北京市人口、经济、交通 系统及交通能源消耗的变化，各子系统模拟结果 分述如下。
在该情景下，考虑绿色交通建设的需要，对于消 耗一次能源较大私人汽车及公交车，进一步提高其 新能源置换比例，分别达到80%及100%，同时，进 一步提升自行车出行率至18%，详细设置值见表1。
2.2.1 人口与经济
SD模型对北京市未来人口变化及GDP总量变
化进行模拟，结果如图5所示。就人口而言，如果采 用较低的外来人口机械增长率，则北京市人口于
2.2
情景模拟结果与分析
研究将模拟期设置为2016 - 2030模拟从“十
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（除
）而言，其变化
2026年达到峰值，模拟结果为2 281万，随后人口总 图
6所示。就日均
GDP的模拟结果来看，如果在未
来一段时期内北京市GDP增长率可以保持中高速 增长，那么至2030年其GDP可以突破5. 5万亿人
数将缓慢下降。从
民币，经济发展状况相较于“十二五”末期有了进一 的
。
交通系统
同人口变化相似均出现了先上升后下降的趋势， 在2022年左右达到峰值为3 245万人次，至2030 年则下降至3
200万人次以下。从中可以看出人口
6所示），由于北京
下降减轻了北京市交通系统的负荷。从私人汽车 保有量的模拟结果来看（如图
2.2.2
市人口和家庭基数仍然庞大，按照现有增长率计 算，私人小汽车的数量将持续增长。
根据情景设置，北京市交通系统模拟结果如
人口模拟结果(万人)
GDP模拟结果(亿元）
i
2016 年 2021年 2026年
图5未来不同情景下北京市人口及
GDP模拟结果
图
6
未来不同情景下北京市人均出行量及私人汽车保有量模拟结果
新车购置及淘汰和报废车辆置换过程中新能源汽 车的置换比例提高，将对其保用量产生显著的 影响。
由于情景设置中，设置了以新能源小汽车替 代燃油汽车，因此本文对不同情景下，私人小汽车 中新能源小汽车和燃油小汽车的数量进行了比较 (如图7所示）。从中发现，随着新能源小汽车的 增长，燃油小汽车的数量不断下降，如表情景
1所示，
I和情景m的新能源小汽车设置相同，因此 在图7中没有明显区分，但是情景I、情景n和情 景m，以及情景w反应了不同的新能源小汽车置 换率下其数量的变化。其中情景w中新能源小汽
车的增长量最大，在模拟末期达到近50万辆，而 情景仅有245万辆，情景
In和情景m则达到了
图7未来不同情景下北京市 不同类型私人汽车
拟
•
340万辆。从表1中不同情景的设置对比来看，将
61
•
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2.2.3 交通能源消耗
如图8
所示在不同情景下，城市交通能源消耗 总量及电力消耗量的变化情况。从交通能耗总量来 看，不同情景下交通能耗均呈现先上升后下降的趋 势，与人口、交通出行量的变化趋势有一定的相似
性，在
2022年左右达到峰值后不断下降。就基准情
景(情景I )而言，其在达到峰值之后，下降幅度最 缓，保持了一定的平稳性，能耗量保持在2 000万吨 以上，而对于情景n和情景m而言，其消耗量相较于 情景I有较大幅度的下降，降至约1 980万吨左右， 对比情景I与情景n的设置可以看出，提高新能源
汽车（私人小汽车、公交车）的置换率，对于降低北 京市城市交通能源消耗有直接的影响。
2016 年
2021 年
2026年
-----情景I
—♦一情景II
一■一情景
ni
—▲一情景
iv
图8
未来不同情景下北京市交通能源消耗量模拟结果
3
结语
人口对于北京交通出行的影响是最为直接
的，降低北京市的外来人口数量可以在未来一定 时间内减少北京市城市交通出行量。从
SD模型
的模拟结果中也可以看出，北京市交通能耗呈现出
•
62
•
. 2019
先增长后下降的趋势，与人口变化趋势相一致。 在这种情况下，通过提升新能源汽车（公交车、私 人小汽车）的购置和置换比例，进而提升其保有 量，对于北京市城市交通节能有着直接的影响。 上述管控措施结合自行车出行等绿色出行方式， 对于促进北京市人口、交通能源协调发展具有显 著效果。
参考文献：
[1] 佟贺丰，杨岩
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中囯城镇化的生态足迹影响—于系统动力学模型的模拟仿真分析
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污染负荷模拟
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基
级
展
证