交通科学中的硬规律

2015年底,中央召开了城市工作会议,会议强调要尊重城市发展规律。城市交通中的硬规律有哪些呢?影响力相对较大的有当斯定律、马尔凯蒂定律、布雷斯悖论、当斯-托马斯悖论和步行速度与城市规模正比关系等几个。

1.当斯定律

这个可以说是交通方面最著名的定律。Anthony Downs在1962年提出“交通需求总是趋于超过交通设施供给能力”的定律。该定律的含义是:新的道路建设固然降低了出行时耗,但同时也引发了新的交通需求。也就是说,新建的道路设施会诱发新的交通量,而交通需求总是倾向于超过交通供给。于是经过一段时间之后,最终又恢复原来的拥挤水平。世界银行专家S.Starcs经过大量调查研究,得出这样一个严峻结论:无论怎样加速道路建设提高道路运行效率,真正解决道路拥挤问题则不得不控制和正确引导交通需求**,别无选择。因为任何汽车的拥有者和汽车制造者都不会轻易放弃他们投入大量资金所获得的运输方式。

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1992年,当斯先生在《交通困境:应对高峰期交通拥堵》(Stuck in Traffic: Coping with Peak-Hour Traffic Congestion)一书中,将这一定律修订为“道路拥堵的基本法则”,并重新表述为:道路上的车辆行驶里程相对于道路的车道里程所发生变化的弹性系数接近一。这是因为更多的道路将导致:

(1)更多的私人驾驶;

(2)重新选择线路;

(3)更多的商业驾驶。

因此,对道路行驶里程的需求是无限的。

2004年,当斯先生在《交通仍然困境:应对高峰期交通拥堵》(Still Stuck in Traffic: Coping with Peak-Hour Traffic Congestion)一书中,基于道路交通的四项原理而提出缓解道路交通拥堵的四项基本策略:

(1)扩展道路通行能力;

(2)扩展公共交通的载运能力;

(3)让人们堵在道路上直到人们离开道路使空间再可利用,等候构成交通拥堵;

(4)对有限的道路空间进行定量供应,向道路使用者收费。

2.马尔凯蒂定律:通勤时间恒定性

以色列交通工程师扎哈维和意大利物理学家马尔凯蒂,先后在20世纪70年代和90年代注意到,决定从从古至今各个城市的大小的,是交通工具有多快。任何城市,不管是哪个时代,都必须保证让人能在半小时之内从家里赶到工作单位。

这个定律被称为“马尔凯蒂定律”。也就是说,城市不能太大,得让人每天的通勤时间限制在来回总共一个小时。

美国城市通勤时耗.jpg

这个道理容易理解。我们一节说过,城市就是同城的任意两个人之间都能方便地发生连接。如果见个面还得提前买火车票,那就太不容易了,就不叫同城了。每天上班就是我们最重要的连接,而一小时通勤时间大约是人们能忍受的极限。

当然,北京人一般能忍受两个小时。关键在于,从古至今,交通方式一直在变,行进速度越来越快,但人们并没有把时间省下来用于“闲暇”——人们选择了让城市变大。

马尔凯蒂考证,古代所谓的大城市,比如罗马,总面积也就20平方千米,差不多相当于长宽各5千米,而人一小时能走的距离,正好是5千米。这就意味着从城市边缘半个小时能到达市中心。现在汽车一小时能走40千米没问题,城市规模也就可以扩大到40千米。

如果有地铁还可以更大。这跟我们上一节说的也有联系:贝当古推导城市标度律的时候就提到,决定人们连接成本的,就是城市的规模。

不过,在伦敦、纽约这两座人口众多的大城市,平均通勤时间分别为46分钟和41分钟。这显然已经与马尔凯蒂的猜想不相符了。在人口密度更大的城市,人们会更多地依赖公共交通。而如果搭乘公共交通,30分钟内是无法到达10公里以外的地方的。
有些大都市人口甚至上亿,那么这些我们称之为“特大城市”的地方,会不会在未来销声匿迹呢?在马尔凯蒂看来,这完全取决于我们的交通网够不够发达。他写道:“随着Mach 7飞机和磁悬浮列车的出现,世界性都市的出现也是有可能的。“

城市本质上节省资源,所以最终限制城市发展的不是资源供给,而是人。人不愿忍受太长的上下班时间,城市直径就不能超过一小时路程。当然,技术进步可以把这一小时的距离变得更长,城市的规模在不断扩大。

但人心中还有另一个尺度。当然这个规律在单身状态式可能更加符合,如果双职工家庭,可能难以符合。

3.布雷斯悖论(Braess paradox):增加路可能添堵

在一个交通网络上增加一条路段反而使网络上的旅行时间(traveltime)增加了,而且是所有出行者的旅行时间都增加了,这一附加路段不但没有减少交通延滞,反而降低了整个交通网络的服务水准(level ofservice),这种出力不讨好且与人们直观感受相背的交通网络现象就是人们所说的布雷斯悖论现象。


新建CD路让出行时耗更长

韩国首尔的规划者拆除一条6车道高速路,修建了一个方圆8千米的公园后,很多道路专家惊讶地发现,首尔的交通非但没有恶化,反而得到了改善。有专家就提出这是的布雷斯悖论反向版。布雷斯悖论是指在一个网络里,如果所有移动物体都在寻找最有效的移动路线,那么再增加额外路线,实际上会降低整个网络的运行效率。而首尔则是反向上述过程:关闭高速公路,减少交通路线,以提升整个交通系统的效率。

国内武汉中山大道的改造也是经典的实证,还路于人后,机动车交通反而好转了,并因此获得了国际规划学界最高奖“规划卓越奖”。


武汉中山大道改造前后效果对比
武汉中山大道改造

从博弈论的角度看,新增加了道路产生了新的纳斯均衡,但新的纳什均衡不一定比原有的均衡更优。

4.当斯-托马斯悖论

当斯-托马斯悖论(Downs-Thomson paradox)是道路交通拥堵研究中的一个知名悖论:私人汽车在道路网络上的平衡速度取决于人们使用公共交通方式从门到门的平均出行速度,采用增加道路通行能力来改善交通拥挤情况会更糟,因为改善路况会吸引更多的人放弃公共交通,运营商只好采取减少服务频率或提高收费的方式来收回成本,进一步导致公共交通乘客减少,造成公共交通走向没落;而使用私人汽车的人越来越多,又会导致交通拥挤的加剧,似乎还要再修建或扩建道路?继续在交通拥堵的困境中演绎悖论。

5.步行速度与城市规模正比关系

美国物理学家Geoffrey West等人发现城市规模越大,人们步行的速度越快,当然也会存在一个上限。如下图所示,横轴是欧洲各城市的百万人口数,纵轴是平均的走路速度。不管人们生活在大城市还是小城市,人们每天都会花一个小时在走路上,但是在大城市人们要走的距离多,所以需要走的更快。

步行速度和城市人口规模的近线性关系

城市是人类创造的最复杂的物体,甚至没有之一。只有充分了解城市交通背后的规律,才能建设真正没有城市交通病的城市。

参考文献

1.[转载]【解读】|规模的硬规律(十三)http://wap.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=1721&do=blog&id=1161187
2.无法打破的通勤定律 | 你每天花多长时间在路上? http://ent.chinadaily.com.cn/2017-01/13/content_27949380.htm
3.当斯定律.https://baike.sogou.com/v74508958.htm?fromTitle=%E5%BD%93%E6%96%AF%E5%AE%9A%E5%BE%8B
4.美国通勤时耗.https://www.visualcapitalist.com/average-commute-u-s-states-cities/

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