城市交通环境系统优化与管理电子版2城市可持续交通管理的理论基础.docx

1、城市交通环境系统优化与管理电子版2城市可持续交通管理的理论基础2城市可持续交通管理的理论基础2.1城市复合生态系统论2.1.1复合生态系统论城市生态系统的生存与发展取决于其生命支持系统的活力，包括区域生态基础设施（光、热、水、气候、土壤、生物）的承载能力及生态服务功能的强弱，城乡物质代谢链的闭合与代谢程度，以及景观生态的时、空、量、构、序的整合性。城市是一类以人类的技术和社会行为为主导，生态代谢过程为经络，受自然生命支持系统所供养的“社会-经济-自然复合生态系统”（马世骏，王如松，1984，1993)。城市可持续能力的维系有赖于对城市环境、经济、社会和文化因子间复杂的人类生态关系的深刻理解、综

2、合规划及系统管理（王如松，欧阳志云，1996)。城市社会- 经济-自然复合生态系统理论目前已被各国同行所采用，并得到好评（Mitsch， 1993)。复合生态系统理论（马世骏，1984)认为，城市是一个社会-经济-自然的复合生态系统，这三者是相互联系、相互影响的（Finco，2001)。该理论为城市生态调控提供了社会、经济、环境融为一体的合理建构框架（Grosskurth，2005)。根据城市复合生态系统理论，城市生态调控包含以下主要内容：城市生态系统的结构调控，如城市能流物流结构的调控、城市景观生态和环境问题的调控、城市文化教育的调控等（景星蓉，2004)。城市交通结构与物流、道路景观等紧密

3、相关，城市交通的结构调控是城市生态系统调控的重要组成部分之一。城市生态系统的过程调控，即城市生态系统的平衡反馈过程、生态演替过程和社会经济运作过程的调控等。城市交通的过程，负载了城市的客流、物流等重要过程，因此城市交通的过程调控也是城市生态系统调控的重要组成部分之一。城市生态系统的功能调控，即城市作为一个人工生态系统，它的生产、流通、消费、还原等基础功能的调控，以及城市环境功能的调控。与此相联系的可持续交通系统，承担了流通的功能，同时对城市环境具有重要作用，因此城市交通系统的功能调控，也是属于城市生态系统调控的重要组成部分之一。2.1.2城市自组织特点自组织系统是指由于内部诸要素之间的相互作用

4、，其有序度即组织程度随着时间的推移而自发地提高和增长的系统。城市复合生态系统是一个开放系统，而且是一个远离平衡态的耗散系统（柴蕾，2005)，它内部的自然、经济与社会三个子系统之间及各系统内部存在着相互作用力，所以它也是一个自组织系统。城市生态系统的一个突出特征在于城市有序的宏观结构具有自发性，城市的演化是多个管理部门以及城市各类居民共同作用而产生的，通过各个局域的“理性决策”最终产生了城市看似“无序”的全局行为。例如，车流监测部门通过电子眼等设备发现某路段的拥堵，继而通过交通广播等形式将信息传递给驾驶人员，由此部分司机可提前做好绕行准备，从而客观上减轻了该路段的拥堵程度。这一过程中，监测者、

5、广播、司机等三个主体的行为都是理性的，但是，道路是否继续拥堵、何时解除拥堵，表现出来的却是一个难以准确预计的、无序的情况，这体现了系统自组织的特点。城市生态系统的另一个特征是，尽管城市生态系统各组成部分之间只有局域性相互作用，但最终城市生态系统却能够展现宏观结构的演化特征。例如，城市中每个居民的出行行为看似没有特定的规律，但是在统计学意义上，全体居民的出行却能体现出一定的周期性和方向性等特点。这一微观与宏观之间的内在联系，体现了城市交通的自组织特点，从而为本书在城市宏观尺度上研究交通、建立交通与环境模拟模型提供了可能。2.1.3城市生态控制论生态控制论以信息反馈调节为基础（Vester, 19

6、80)，强调系统的自我组织、自我完善的动力学机制和调控手段，从一个生态系统的高效和协调来讲，其分别表述为循环再生原则、以柔克刚的机巧原则、共生原则和负反馈的相生相克原则、系统内部增长服从整体功能的原则、决策的最小风险原则等（颜京松，2001)。城市 生态系统是一个高度人工化的生态系统，人类是这个系统内部最关键的因素。生态控制论的提出，为人类进行城市生态调控提供了基本的方法学依据（王如松，2000c)。基于生态控制论的城市生态调控方法，就是运用生态控制论原理，以城市生态系统的功能行为为目标，通过功能模拟、黑箱方法和信息反馈等作用，使城市生态系统减熵增序，达到系统全局目标最优化的目标。从国内外城市

7、生态调控的案例可以看出，遵循生态控制论的原则和方法是调控取得成功的关键。在对城市交通系统进行生态调控时，要用到生态控制论的观点，准确分析交通系统与城市的社会、经济及生态环境因素之间的关系。由于城市生态系统的演化（evolution)过程是非线性的，而可持续交通作为城市生态系统的一部分，同样具有非线性的特征，因此它的优化函数不像线性方程只有唯一或一组确定的解，而是存在解的无数可能性（刘文英，2005)。可持续交通 的未来发展怎样才能符合最优化目标？因为它要受到演化过程中各个层面的影响，因此是难以完全准确预测的。充分分析社会-经济-自然三要素的交互作用是对可持续交通实施城市生态调控的基础。2.2城

8、市生态系统健康理论2.2.1生态系统健康理论生态系统健康是20世纪80年代末提出的，目前已成为生态学领域的研究热点之一。对于生态系统健康的概念，目前还有不同的理解，比较公认的是指一个生态系统具有稳定性和可持续性，即在时间上具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力，它可以通过活力、组织结构和恢复力3个特征进行定义（Costanza， 1992； Rapport, 1997； Xu et al. , 2001)。生态系统健康的研究重点是：生态系统内部以自然生态系统、社会系统、经济系统和人类系统间的健康作用机制、健康标准及其评价方法。目前国内外一些专家学者对生态系统健康进行了大量研究（Dan，

9、2003)，但大部分研究主要集中在湖泊/流域生态系统健康评价、森林生态系统健康长期监测、农业生态系统健康评价等方面，对城市生态系统健康的深人研究尚不多见，多停留在理论研究阶段。代表性的理论有：自然和人类引起的驱动力、社会生态系统结构和组成的概念模型，包括过程/压力因子、结构/组成、土地管理和保护目标等（Muftoz-Erickson et al., 2003)。整体性生态系统健康指标(holistic ecosystem health indicator, HEHI)模型，主要包含3个部分：生态学指标、社会性指标及交互作用指标，如土地利用或退化等(Aguilar, 1999)。城市生态系统健康

10、与人类健康关系矩阵，纵列是驱动力-压力-状态-暴露-影响（driving force-pressure-state-exposure-effect，DPSEE)，横列是社会财富、建筑环境、居住区环境质量、生物群落、生态足迹（Spiegel et al ，1999)。WHO提出的驱动力-压力-状态-暴露-影响-反应理论（driving force-pres- sure-state-exposure-effects-action, DPSEEA),包括社会环境、健康影响：生活方式、环境卫生、居住条件等方面（Yassi et al.，1999)。2. 2.2城市生态系统健康论城市生态系统是受人类活动

11、干扰最强烈的地区，它已经演化为一种高度人工化的自然-社会-经济复合的生态系统（官冬杰等，2006)。它最大特点是不仅强调从生态学角度出发的生态系统结构合理、功能高效与完整，而且更加强调生态系统能维持对人类的服务功能，以及人类自身健康及社会经济健康不受损害（郭秀锐等， 2002；李锋等，2003)。由此，城市生态系统健康应是在由自然-经济-社会复合而成的生态系统内，生产生活和周围环境之间的物质循环和能量流动未受到损害，关键生态组分和有机组织被保存完整并无疾病，对长期或突发的自然或人为扰动能保持弹性和稳定性，整体功能表现出多样性、复杂性、活力和相应的生产率，其发展的理想状态是生态整合性（张志诚等，

12、2005;肖风劲等，2002)。IDRC (加拿大国际发展研究中心）项目探讨了城市生态系统健康的概念及评价指标体系建立的理论、方法，但没有完整应用于实践研究。郭秀锐等（2002)从活力、组织结构、恢复力、生态系统功能的维持、人群健康状况等方面构建了完整的城市生-系统健康评价指标体系，并采用模糊数学方法建立了评价模型，并对广州、北京、上海3个城市的总体健康状况进行了比较分析。曾勇等（2005)用压力- 状态-响应机制建立了评价指标体系，并用模糊优选模型对上海市城市生态系统健康进行了时间序列评价。但是，上述两种评价方法均难以识别城市子系统的相对健康水平。胡廷兰等（2005)从城市亚系统发展水平和协

13、调度两方面出发，构建了城市生态系统健康评价模型，并应用于宁波市的生态系统健康评价，但其研究中存在评价标准的客观性问题。针对目前研究中存在的不足，本书在详细分析城市生态系统健康概念的基础上，构建了城市生态系统健康综合评价模型。该模型可以清晰地辨识城市整体健康状况和各子系统的相对健康状况。城市生态系统是由自然子系统、经济子系统、社会子系统构成的三维结构复合系统，而且其每一子系统都是一个多维空间。城市生态系统健康主要包括3个方面 (桑燕鸿等，2006): a.组成城市生态系统的各子系统一自然、经济、社会子系统的健康，即各子系统有活力，结构合理，有能力满足城市居民的合理需求，具有一定的抵抗外界干扰的能

14、力；b.各子系统之间的协调统一，不以危害某个子系统的健康为代价谋取其他子系统更高的健康水平；c.城市生态系统是适宜人类居住的，城市健康的一个必要条件是必须保障城市居民的健康，以及与此有关的环境、居 住、能源、交通、城市规划等（Moore et al.,2003) 2.2.3城市生命体与健康诊断理论国家重点基础研究发展973计划项目现代城市“病”的系统识别理论与生态调控机理，将城市复合生态系统定义为城市生命体，从生物哲学和复杂系统学说出发，辨识城市发展中出现的城市“病”现象。该理论认为，城市作为一个高度复杂的综合系统，它与自然生命体一样，具有类似的发展演化规律。从宏观角度看，城市化S曲线与生物生

15、长S曲线非常相似。因此，提出“城市生命体”的概念，以期应对城市研究中遇到的综合性、复杂性和不确定性等特征。城市生命体（图2-1)是指由土地、交通、建筑、人口、能源、资源等组分组成，能通过与生物体相类似的自养或异养的新陈代谢方式进行能量转换、物质循环和废物排泄，具有在时间和空间上的生长、消亡及自我更新的自然演化过程，并能进行适当的调控并实现自我繁殖的复杂物质系统（黄国和等，2006)。将生命体概念引入城市科学研究中，将有助于对城市系统的组成、结构、演变以及物质与能量循环进行全方位综合分析，从而从本质上把握城市系统运行的内在规律，为从根本上解决现代城市“病”问题提供有效的理论基础和方法体系。基于城

16、市生命体理论为研究可持续交通提供了应对系统复杂性和不确定性的理论基础。它从生命科学的角度，将城市视作一个有机的生命体，而交通则被视为承载和连接系统中多个对象的骨骼和动脉。由此，将城市交通称为城市生命体承载系统，如图2-2所示。具体而言，基于城市生命体承载系统概念的可持续交通具有以下科学意义：城市生命体承载系统是城市生命体的重要组成之一，它与城市的经济、社会、人口、能源、资源、环境6大驱动力之间存在动态关联的关系。同时，它可以体现城市健康的动态响应关系，承载系统的健康状态是城市生命体健康状态的表现之一。通过城市“病”的系统识别理论与生态调控方法的建立，有效反映城市生命体系统的各种复杂性及相应的特

17、征与规律。从可持续交通的角度，探索城市生命体承载系统的不确定性及其内部关系的复杂性，将有助于开发一系列量化、识别、评价与调控方法体系，从而指导城市交通问题的风险评价和决策分析。2.3城市交通与土地相互作用2.3.1城市道路的功能城市形态与交通、土地利用是相互作用和相互影响的，在研究城市交通问题时，离不开城市形态和城市的土地利用问题。因此，在探讨城市的交通问题时，不仅要考虑交通，还要充分考虑与城市形态和城市土地利用的关系，否则交通问题就无法得到实质的解决（石京，2006)。城市功能空间的分离，导致城市产生了除了居住、工作、游憩以外的第4个功能，即“交通”的产生。国内外城市的发展史，充分说明了城市

18、与交通之间互相促进的关系。新的卫星城和开发区域往往是沿着主要交通干道形成的。城市交通系统是一个由人、车、道路、公交系统，以及环境组成的相当复杂的动态系统。根据系统学原理，它是一个复杂的、开放的系统。城市交通系统输送的对象包括客流和物流。城市交通具有如下特点（石京，2006):近距离交通为主；具有每日周期性和每周周期性；城市中心和交通枢纽具有聚集效应；方向性，呈现面向城市中心的向心形态；人员出行的交通方式较多，包括步行、自行车、摩托车、小汽 车（含出租车）、公交车、轨道交通等；物流以汽车为主，摩托车和自行车也有应用；各种交通方式的运送能力差别很大；具有量大、密集的特点。城市道路不仅是城市中最基本

19、的基础设施，而且对于城市的形成具有非常重要的作用。道路的功能可以分为交通功能（traffic)和空间功能（石京，2006)，前者又可以划分为通行（transit)和进出（access)功能（表2-1)。表2-1城市道路的功能分析功能效果交通功能(1)通行功能为汽车、自行车、行人等的通行提供服务确保道路安全 缩短时间距离 缓和交通拥堵 降低运输成本 减轻交通公害 节约能源(2)进出功能为进出道路沿途的土地、建筑物、各种设施进行服务地域开发的基础设施建设 扩充生活基础设施 促进土地利用空间功能形成城市的骨骼，形成城市的景观确保良好的城市环境 防灾收容公共公益设施 形成社区形成城市轮廓及其印象，形成

20、城市景观 绿化、通风、采光 避难通路，消防活动，防止延烧 收容电力、电话、煤气、上下水道、地铁等 促进邻里的交往2.3.2 交通与土地利用 对象工业用地道路用地1990 年2000 年1990 年2000 年面积/km比例1%面积/km2比例/%面积/104m2比例/%面积/104m2比例/%全国307026.454874.4522.04891606.94190356. 528.48北京63.916.0883.9917.1424346.124198.848.57上海64.126.62384.6526.4017877.158147.0614.82天津87.127.586.1522.3328258

21、.444168.0710.80沈阳31.919.6447.1922.7515449.413116.6514.72武汉46.031.1056.2023.2710595.591535.087.31广州50.627.5479.6720.6710855.793923.009.11哈尔滨30.623.3242.2925.2313938.931144.476.83重庆21.624.9747.6120.6010207.401262.506.75西安29.724.6335.4020.2010207.401262.506.75南京21.420.3629.6518.399477.352185.0010.85十城平

22、均44.6924.1889.2821.701488.207.533181.969.83如同生产力发展到定阶段就要求生产关系发生变革一样，城市交通发展到一定程度就必然要求交通结构、运输结构和道路结构进行变革，不但要求发展新的交通工具，修建新的道路，而且还要求合理而高效率地组织交通。为了充分发挥各种交通工具和道路系统中去，主要表现在以下3个方面：运输性交通与生活性交通的分流； 快速交通与一般常速交通的分流；机动交通、非机动交通及步行交通的分流。城市用地类型与城市的交通具有紧密的关联关系。表2-2体现了 19902000 年间我国部分城市建设用地中工业和道路交通用地比例的变化。我国规定道路用地为8%

23、-15% (黄建中，2006),虽然目前较多大城市正在接近这一水平（如上海、沈阳_)，但是我国的这个指标与发达国家相比（如巴黎为27.0%，伦敦为 22. 2%)还是较低，尤其是北京、武汉、重庆、哈尔滨等城市的比例偏低。2.3.3交通对土地的影响交通通过改变区位的可达性影响个人、家庭和企业的空间区位决策。在以成本最小或收益最大化为基准准则的前提下，交通系统对农业用地、工业分布与集聚产生影响（黄建中，2006; Hoy, 1962)，即人们对土地的开发倾向于接近交通便利的区位。当只考虑交通成本和土地价格时，各类土地利用者选取不同的区位行为，导致商业一般选择市中心区，农业处于城市最外层，中间则分布

24、工业与居住区 (Alonso, 1964)。轨道交通或大容量道路网对沿线的土地利用具有强烈的空间吸引和分异效应，对居住用地、公共用地的吸引符合距离衰减规律，而对工业用地产生排斥（王春才，2006;毛蒋兴和阎小培，2005;王锡福等，2005a; 2005b)。除了造成土地利用性质分异以外，交通还在以下三个方面影响。(1)交通土地的占用交通土地的占用表现在城市道路用地和停车用地。城市道路用地用于保证基本的交通活动，OECD组织成员国的城市道路用地约达到总土地面积的2540%，但北美国家的发展规律与我国存在较大差异，并不一定适合我国。我国属于高密度开发城市，交通土地占用较低。土地占用以满足城市出行

25、与货运需求，与城市经济水平相匹配为宜。(2)交通对土地价格的影响交通是土地价格形成的重要区位因素，目前研究的一般结论认为交通因素可以提高土地价格，其作用可以分为两部分：一方面，交通的便捷性减少了人们到达某个区位的时间或成本，提高了该区位的吸引力，引起 土地活动增加，价格上涨；另一方面，交通因素产生噪声、提高犯罪率等负面因素，这种负面因素到达一定程度时会抵消便捷性带来的积极作用（Murtaza and Miller, 2001),如铁路、航空噪声过大，对居住用地地价产生排斥作用。目前的实证研究证明轨道交通（Bowes and Ihlanfeldt，2001)、快速公交（Diaz，1999)、 主

26、要道路（蒋芳和朱道林，2004)、公交路线（王真，2009b)对城市土地具有正面影响.交通距离（王真，2009b)对城市土地具有负面影响，交通节点处的地价也往往高于其他地段（唐菊兴等，2001)，地价与交通有极高的相关性，沿交通干 道延伸明显。(3)交通对土地强度的影响城市的土地开发模式与城市中的交通形式紧密相连。城市主要交通方式的运量越大，所形成的城市内聚力就越强，城市常常成紧凑的形态（张小松等，2003),城市主干道（毛蒋兴和阎小培，2005)、城市轨道交通 (张小松等，2003)可以促进沿线土地的高密度开发。交通和土地实际上是互相影响的两个子系统，他们之间存在着复杂的关系，城市结构可以理

27、解为交通和土地利用相互作用的结果（Chang, 2006)，如图2-3。一方面，土地利用形态是产生城市交通的原因，决定了城市交通的发生和方式；另一方面，城市交通系统的发展又对城市空间结构和土地利用的形态产生作用，改变城市的可达性，而可达性对城市用地规模、强度及空间分布有决定作用（冯四清， 2004；张毅媚和晏克非，2006)。因此，可达性是土地利用和交通之间的关键连接环节（Martinez，1995)。图2-3交通与土地利用之间的相互作用关系2.4外部性理论外部性产生于不完全竞争市场中，被交易产品的成本和收益没有完全被市场交易包括在内，未交易的这一部分就是“外部性”（覃成林和管华，2004)。

28、外部性常常表现在不具有明显的排他性的公共物品和公有资源上。一个人使用公共物品和公有资源时并不排除其他人的使用。非排他性物品的特征是存在一定“临界点”，当到达这个临界点前，消费者之间的相互影响是可以忽略不计的，但一旦超过这一临界点，消费者之间的活动就会造成明显的影响，如“搭便车”和“公地悲剧”现象 (曼昆，2C06)，其本质是因为产权不明确或缺失造成了市场激励和市场失灵。外部性通常可以分为两类，即正外部性和负外部性，也称外部经济与外部不经济，如图2-4。负外部性表现为边际私人成本（MPC)小于边际社会成本（MSC)， 在需求不变的情况下，低成本P2鼓励了消费，消费量从Q1增加到了Q2，因而导 致

29、了市场的失灵。同样，正外部性下，市场同样达不到帕累托最优。经济学研究认为，外部性成本游离于价格体系之外，是无效率的，只有通过政府的干预调控行为才能解决市场失灵问题（贾丽虹，2007)。图2-4行为的外部性城市交通系统中的道路、清洁空气等组成要素都具有公共物品和公有资源的非排他性特其外部性也表现为正外部性和负外部性两部分。交通活动对大气的影响主要表现为交通排放导致大气质量下降，从而影响他人享有清洁空气的权利，因而是负外部性；交通对声环境的影响表现在机动车运行，形成噪声和振动，影响人们的正常生活和情绪，是负的外部性；交通对土地的影响，表现为交通促进土地价格增长、土地利用强度增加、交通拥挤等，既有正

30、外部性也有负外部性。交通对经济发展提供了很大的正外部性，远远超过交通活动直接或间接支付的费用。此外，交通的外部性还体现在政治、文化、人民生活等方面（表2-3)。有学者以欧洲某城市为例，研究了使用汽车的外部性成本（2005年），总结如表2-4所示（Proost et al.，2001)。可以看到，使用汽车的外部性成本要远远大于税额，也就是说，社会成员被动的替汽车使用者分担了绝大多数的边际外部成本。类型指 标性质度量度量单位理想值经济影响物流旅游生产运输+定性，可能转化成定量元元元-_政治影响军事作用 城市声誉+定性描述_-文化影响历史遗产 人文景观+定性描述-人民生活影响客流，客运+可以定量人 km；t km通勤/上学+可以定量人 km动迁的心理影响定性描述，半定量分析动迁人数交通安全影响/事故成本+/-定量分析人/元交通拥堵损失/时间成本半定量分析元资源消耗石油原料消耗定量分析t/a土地资源需求定性/定量分析km2金属等矿产需求定量分析/物质流分析t/a对环境影响空气污染车辆尾气排放(CO，NOx)ppm国家级水质污染BODppm国家级噪声车辆噪声dB(A)50振动车辆振动dB70温室效应CO2等文献来源：张举兵等，2006.有改动.表2-4使用汽