有限理性出行行为建模分析与应用

**章 城市出行行为决策研究的时代背景 **节 随机路网环境下有限理性出行行为研究的重要性 一、城市交通问题的严峻性与主要对策 近年来，我国工业正在经历新时期的结构调整和深入发展。在中共中央总体规划的指导下，各级政府积极响应，我国工业建设取得了令人瞩目的成就。工业结构调整便随着产业聚集，基本形成了以环渤海经济圈、长三角经济圈和粤港澳大湾区经济圈等为代表的八大经济圈。各经济圈以1～2个核心城市为首，呈现出多层次的辐射结构和城市集群。北京、上海和广州等核心城市作为其所在经济圈建设发展的驱动引擎，不仅肩负着拉动区域经济发展的重要责任，也成为经济圈之间相互连接的重要枢纽。在此背景下，由于经济活动频繁、就业岗位丰富，大量第二产业和第三产业的从业者由中小城市向经济圈核心城市转移，不仅造就了一批地理范围广、人口规模大的大型城市和超大型城市，还促进了一批新兴的区域核心城市向大型和超大型城市发展。分别以北京市和重庆市为例，1996～2016年，虽然北京市和重庆市常住人口密度均出现了显著的增长，但其形成原因和未来变化的趋势并不相同。如图1-1所示，2011年是北京市人口结构变化的拐点，2011年之前，北京市常住人口密度和城镇化率均逐年上升，而2011年之后，两个指标均趋于稳定。与其不同的是，20年间，重庆市常住人口密度并未出现显著变化，但其城镇化率却逐年稳定上升。2016年，重庆市的城镇化率达到62.60%，是1996年的2.12倍；而北京市1996年城镇化率为76.06%，2011年达到86.23%，之后趋于稳定，2016年为86.50%。根据以上数据可知，未来我国核心城市的常住人口密度可能进一步增加，其中以北京市为代表的超大型城市虽然城镇化率增速放缓，但其常住人口密度可能继续上升，而以重庆市为代表的大型城市城镇化率将继续增加，常住人口密度也将继续显著上升。 图1-1 北京市和重庆市常住人口变化率 PDBJ为北京市常住人口密度，PDCQ为重庆市常住人口密度，URBJ为北京市城镇化率，URCQ为重庆市城镇化率。数据来自2017年《北京统计年鉴》和《重庆统计年鉴》 城市常住人口密度和城镇化率的上升不仅是我国经济社会建设与发展的重要成果，也是人民群众生活水平提高的显著标志。不过，随着我国城市化进程的进一步深入，城市交通体系迅速发展并逐渐感受到沉重的资源环境压力。以北京市和重庆市民用机动车保有量（图1-2）为例：自2004年以来，北京市和重庆市民用机动车保有量均呈显著上升趋势。虽然2010年12月23日，北京市人民政府首次公布了《北京市小客车数量调控暂行规定》，此后北京市民用机动车数量的增长得到了有效遏制，但仍明显上升。而重庆市，由于当地政府暂未出台民用机动车数量调控政策，该市机动车增速在2010年之后超过了北京市，民用机动车保有总量也逐渐趋近北京市总量。 图1-2 北京市和重庆市民用机动车保有量 数据来自2005～2017年《北京统计年鉴》和《重庆统计年鉴》 城市土地面积有限，大量人口涌入核心城市带来的城镇化率上升、城市常住人口密度增加以及民用机动车保有量增加使得大型城市和超大型城市日益拥挤，城市交通体系日常运行中广泛存在的高污染、低效率等问题也愈发严重。由城市交通导致的空气污染、道路拥堵和车辆噪声等一系列外部性问题已成为学界、政府和普通群众关注的热点。其中城市交通碳减排问题独具特殊性：与拥堵和噪声等外部性问题不同，温室气体排放带来的气候变化问题不仅损害了当地居民的利益，更成为国际社会广泛重视的问题。由于碳排放带来的气候变化问题影响范围遍布全球，国际社会对我国施加了越来越重的碳减排压力。自1997年12月联合国气候变化框架公约（United Nations FrameworkConvention on Climate Change，UNFCCC）缔约方通过《京都议定书》以来，以欧洲和美国为首的发达国家和地区就不断对我国施加压力 ，要求我国削减碳排放。作为一个负责任的大国，我国连续发布自愿减排计划。我国提出，到2020年我国单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。2015年6月，我国政府进一步宣布，到2030年，CO2排放总量达到峰值，排放强度相对2005年水平下降60%～65%的目标。为了圆满完成迫在眉睫的碳减排任务，从中央到各地政府和管理机构纷纷出台碳减排计划及政策。2010年7月19日，国家发展和改革委员会发布了《国家发展改革委关于开展低碳省区和低碳城市试点工作的通知》，广东、辽宁、湖北、陕西、云南五省和天津、重庆、深圳、厦门、杭州、南昌、贵阳、保定八市首批入选“低碳城市试点”，2012年11月26日，国家发展和改革委员会进一步下发了《国家发展改革委关于开展第二批低碳省区和低碳城市试点工作的通知》，决定在**批试点的基础上，进一步增加北京市、上海市、海南省和石家庄市、秦皇岛市、晋城市等29个省市为低碳省市试点。至此，我国已确定了6个省区低碳试点，36个低碳试点城市，低碳省市试点建设工作已在全国范围内广泛开展。此外，2011年2月交通运输部决定在天津、重庆、深圳、厦门、杭州、南昌、贵阳、保定、无锡、武汉10个城市开展低碳交通运输体系建设首批试点工作，2012年2月，“低碳交通运输体系建设第二批城市试点”进一步展开，北京、云南、陕西、浙江、广东、辽宁、黑龙江、江苏、山东、海南、四川、湖南、安徽、湖北、河南等15个省市入选第二批“低碳交通体系建设试点”。2018年7月3日，国务院印发了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，进一步细化了我国低碳交通体系建设的总体要求和详细目标。 在低碳城市建设中，交通运输体系的节能减排是一个重要的环节。Fan和Lei（2016）根据联合国统计数据测算出全球75%以上的温室气体来源于城市，其中城市交通运输体系排放的温室气体占到了总量的17.5%（李健和刘鸿远，2014）。而超大型城市的交通运输体系碳排放份额更大，Fan和Lei（2016）的研究表明，北京市交通运输体系的碳排放已经占到全市总排放量的22.28%。因此，交通运输体系碳减排已经成为我国大型城市和超大型城市未来可持续发展的重要内容。交通系统是城市日常运行和社会经济繁荣发展的基础保障，是城市运行和建设的重中之重。但是日益严峻的碳减排压力已经向我国大型城市和超大型城市的管理者提出了挑战：一方面，为了支撑城市化建设的顺利进行，城市交通运输体系必须相应地增加供给，以满足日益增长的城市交通运输需求，但在目前的运行和管理模式下，交通量的增加极有可能导致碳排放总量和碳排放强度同时上升；另一方面，为了达到中央和各级地方政府制定的碳减排目标，城市交通运输系统碳排放不仅需要降强度，未来还必须面对总量减排的更大压力。对于我国城市交通运输体系而言，低碳可持续发展不仅是其长期治理目标，也是其未来发展的必然方向。 然而，城市交通运输体系的低碳发展却并非易事。与能源和制造业相比，各国交通运输体系的碳排放不仅屡创新高，而且减排困难（IEA，2017）。实证研究也发现，我国城市交通管理中已出现政府失灵（government failure）和市场失灵（market failure）现象（王迪晨，2012），管理者无法有效促进城市交通碳减排。之前低碳交通相关研究致力于通过开发新燃料、新汽车、新道路等自然科学技术进行碳减排，取得了一定成效。现在，越来越多的研究者意识到：城市交通碳排放增加的重要原因在于资源与需求的日益不平衡，通过改变交通体系中的个体行为，对交通需求进行引导与治理，能够有效促进城市交通碳减排（Salehi et al.，2017；Zhou et al.，2018；Bekta？和Laporte，2011；Bynum et al.，2018；Tiwari et al.，2011），这正是社会科学研究的问题。然而，现有的城市交通管理研究还不完善，表现在：①传统的低碳交通行为研究假设具有局限性，通常假设出行者“绝对理性”，与现实不符，据此提出的对策对现实指导有限（田丽君等，2016a）；②现有城市低碳交通体系建设相关研究常由政府管理的宏观视角切入，没有考虑普通出行者对政策的接受程度，导致提出的相关政策建议空泛而有效性较低（陈泽，2012）；③相关政策的提出往往取自国外经验，缺乏针对我国出行者行为的实地调研，导致政策失效甚至起到反作用（如征收燃油税未能有效降低城市私家车出行比例、单双车牌号限行反而导致部分家庭购买两辆汽车等）。因此，在假设出行者“有限理性”的基础上，从微观“行为决策”理论切入对我国大中城市低碳交通体系治理进行研究，能够提高政策建议的有效性和适用性。 虽然，通过出行行为引导和需求管理进行城市低碳交通体系治理已获得了诸多研究者的肯定，且以此为基础的相关政策设计已在欧美等地取得成效，但实证研究表明，部分政策移植到我国背景下却失效甚至起到反作用，原因在于城市交通体系的碳排放决策主体是数以百万计的普通居民，其行为决策受性格特征、人文地理、基础设施和社会经济环境的显著影响。为了提高城市低碳交通体系治理政策的有效性，有必要在有限理性假设下研究我国城市出行者的出行决策。这是因为：①传统低碳交通模型中的“绝对理性”假设与实验和调查数据冲突 ，缺少基于“有限理性”假设的低碳交通模型，难以为城市低碳交通体系治理提供有效信息；②从微观视角切入解决宏观问题，基于出行行为引导的政策设计充分考虑城市交通行为系统中的个体行为特性，与公共治理理念相契合，有利于解决城市低碳交通体系治理中可能出现的“政府失灵”和“市场失灵”问题。 综上所述，本书立足于城市低碳交通体系治理问题，分析与验证城市交通出行行为引导的碳减排可行性，通过深入探析微观异质出行行为个体的决策模式，在逻辑模型构建、关键参数分析的基础上，完成实地问卷调查，设计基于双参考点累积前景有限理性城市交通出行用户的路径选择模型，构建基于有限理性用户的城市交通网络均衡模型，并利用以上模型对城市交通引导政策的性能与效果进行评估，提炼出促进城市低碳交通体系治理的相关政策建议，以期为政府制定城市低碳交通体系治理政策提供有益参考，从而有效促进城市交通运输体系低碳可持续发展。 二、随机路网环境下有限理性出行行为与低碳交通建设 本书基于微观不确定的异质出行个体和随机退化路网环境，研究城市低碳交通体系治理政策的有效性，并据此探讨我国城市低碳交通体系治理相关问题和策略。研究结合双参考点累积前景用户行为决策模型，以及随机通行能力退化交通网络模型对不确定环境下的城市交通网络均衡状态进行建模、仿真和优化。在此基础上，对常见的城市可变车道、动态交通碳排放收费和ATIS信息引导等策略的效果进行分析与讨论。研究选取了案例城市，综合采用计量经济学方法、因子分析和结构方程模型等技术对案例城市交通碳排放状况进行刻画与分析，并对案例城市交通出行碳排放收费进行讨论。本书按照“微观个体行为决策建模—中观城市交通网络均衡分析—宏观城市低碳交通体系治理策略设计”的渐进思路，深入探究不确定环境下的城市交通网络和出行个体行为决策过程中“人-车-路”之间的相互影响与政策引导效果，不仅有助于整合不确定环境下基于有限理性出行行为引导的城市低碳交通体系治理的相关理论，而且有利于丰富和发展有限理性用户网络均衡与政策引导的理论体系，为我国各级政府和管理者制定有效的低碳城市交通治理政策提供理论基础及方法借鉴。 伴随着经济社会的不断发展，交通碳减排已成为我国大型城市和超大型城市治理工作中的重要任务，走低碳可持续发展之路是我国城市交通体系未来发展的必然选择。在城市建设和发展过程中，一方面，交通体系的健康顺畅是城市正常运行和繁荣发展的基础保障，大型城市和超大型城市不仅是区域经济的领头羊与驱动引擎，它们之间形成的经济干线网络更是我国社会经济健康发展、国家繁荣富强的重要支柱。为了保障大型城市和超大型城市的正常运行与持续发展，城市交通体系必须在满足目前需求