第1章引言
1.1研究背景与意义
随着我国城镇化进程的推进，以北京、上海、广州、深圳、天津、重庆等为代表的大城市乃至超大城市出现了资源短缺、环境污染、交通拥堵等“大城市病”。为了着力解决城镇化快速发展过程中的突出矛盾和问题、促进社会全面发展与和谐进步，2014年3月16日，中共中央、国务院印发了《国家新型城镇化规划（2014—2020年）》，该规划旨在有序推进农业转移人口市民化、优化城镇化布局和形态、提高城市可持续发展能力、推动城乡发展一体化以及完善城市群发展协调机制。2016年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中明确提出：“坚持网络化布局、智能化管理、一体化服务、绿色化发展，建设国内国际通道联通、区域城乡覆盖广泛、枢纽节点功能完善、运输服务一体高效的综合交通运输体系。”在建设现代高效的城际交通方面，提出“在城镇化地区大力发展城际铁路、市域（郊）铁路，鼓励利用既有铁路开行城际列车，形成多层次轨道交通骨干网络，高效衔接大中小城市和城镇。实行公共交通优先，加快发展城市轨道交通、快速公交等大容量公共交通，鼓励绿色出行”；在打造一体衔接的综合交通枢纽方面，提出“优化枢纽空间布局，建设北京、上海、广州等国际性综合交通枢纽”。
一个城市群通常包括三个或三个以上相距50～250公里、社会经济活动紧密联系、行政隶属关系有差异、各自人口超过一百万的城市。我国己经出现多个符合这些特征的城市群。科学构建和有效运行城市群内城市之间与城市内部的综合交通运输体系，是现代社会可持续发展面临的巨大挑战。党的十八大以来，习近平总书记多次对加快建设交通强国做出重要指示[1]，我国交通运输行业取得了重大成就，站在了交通大国的历史起点上。习近平在党的十九大报告中提出“以城市群为主体构建大中小城市和小城镇协调发展的城镇格局”[2]，并提出建设“交通强国”的宏伟目标，我国交通运输系统将在新时代奋力开启建设交通强国的新征程。
2018年全国交通运输工作会议构筑起交通强国建设的“四梁八柱”，明确了基本内涵、总体思路、战略目标等。该会议提出从2020年到21世纪中叶，分“两步走”来建设交通强国。**步，从2020年到2035年，奋斗15年，基本建成交通强国，进入世界交通强国行列。第二步，从2035年到21世纪中叶，奋斗15年，全面建成交通强国，进入世界交通强国前列。
城市群可以以多种形式出现。它可以是由几个中心城市组成的集群，也可以是包含不同规模城市的都市圈。它可以包含多核、双核或单核。换句话说，它可以是放射状发展，也可以是松散发展。当前，中国城市群正处于粗放与集约并存的发展阶段，空间形态、土地利用、产业布局、人口分布、交通结构都在同时发生着巨大的变化。这不仅会改变城市群居民出行和商品流动的时空尺度，还会深刻影响城市间交往和城市内活动的层次关系以及耦合关系。
新型城镇化导向下的城市群发展战略为破解大城市交通困局提供了新机遇，同时也给交通运输规划与管理提出了新挑战。针对我国城市群发展的社会经济环境，系统深入地研究城市居民出行的复杂行为和多层次交通需求的生成机理，探索复杂交通需求的时空分布规律，剖析地面公交网络-轨道交通网络-道路交通网络的相互协调关系，建立多方式交通网络系统的耦合理论，发展多方式协作运营过程中的组织、调控与协同理论，构建匹配多层次交通需求的城市群综合交通管理理论，不仅对发展交通管理科学具有重要的学术价值，而且对加快新型城镇化建设，缓解直至解决城市交通拥堵、交通污染、交通安全等问题，提高城市可持续发展能力，都具有非常重要的现实意义。
1.2研究内容
新型城镇化的战略导向和大数据时代的到来，深刻影响着城市间的交往，即城市内活动的层级与耦合关系，改变着城市群居民出行在时空尺度的主体决策行为。本书主要介绍城市群交通行为分析与需求管理方法，主要分为三个部分。
**部分是双城系统的基本理论，包括城际道路收费及收费收入再分配、双城经济系统社会*优及竞争均衡、高铁车站位置对城市空间结构的影响分析等研究内容，为开展城市群交通行为分析奠定坚实基础。第二部分是城市群核心理论，主要包括城际交通网络对城市群经济空间结构的影响分析，高铁对城市群城际出行、效用和社会福利的影响，城市群内城市增长控制策略影响评估，治理“大城市病”的城市群税收政策研究，高铁网络下城市群大规模航班备降选择策略等研究内容，形成城市群交通行为分析与需求集成管理基础理论与方法体系。第三部分是基于实际数据对城市群进行理论应用分析和验证，包括双城居民周通勤行为及社会*优实证研究、基于多源数据的城市居民出行空间特征研究，通过数据解
析城市群交通行为，并进一步完善城市群交通行为分析与需求管理的理论方法。研究内容框架如图1.1所示。
图1.1本书研究内容框架
本书的研究内容及结构安排如下。
第1章，引言，主要介绍研究背景、研究意义与研究内容。
第2章，城际道路收费及收费收入再分配。以瓶颈模型为基础，探讨在实施定额收费及不同收费收入返还策略的情况下，城际通勤者的福利变化情况。
第3章，双城经济系统社会*优及竞争均衡。针对一个双城经济系统，分别从社会福利*大化和个人效用*大化的角度，建立双城经济系统社会*优和竞争均衡模型。
第4章，高铁车站位置对城市空间结构的影响分析。提出一个考虑高铁车站位置的两城市系统空间均衡模型，研究高铁车站位置对家庭职住选择和住宅市场以及城市空间结构的影响。
第5章，城际交通网络对城市群经济空间结构的影响分析。提出一个多城市系统空间一般均衡模型，考虑家庭的市内通勤行为、城际出行行为和可贸易商品的运输过程，通过刻画居民消费中必需品城市产地差异和价格调整，探讨城际高铁等多种交通基础设施对多城市系统内生产要素流动的影响。
第6章，高铁对城市群城际出行、效用和社会福利的影响。针对包括一个中心城市和两个外围城市的典型城市群，通过对两个外围城市之间高铁投资前后两种情景的比较，揭示高铁投资对城际客流量、居民效用以及各城市和城市群（系统）社会福利的影响。
第7章，城市群内城市增长控制策略影响评估。采用城市经济学模型和空间博弈理论，研究城市增长控制政策对于城市群内居民的职住选择，以及城市和城市群社会福利的影响，填补包含三个及以上城市的城市群交通问题研究的空白。
第8章，治理“大城市病”的城市群税收政策研究。为了从城市群经济分析的角度研究税收调控政策对“大城市病”治理的作用，提出一个人口内生分布的“三城市空间均衡模型”，在城际通勤可能发生的情况下，分析税收调控政策对城市群人口分布、空间结构和土地租金的影响。
第9章，高铁网络下城市群大规模航班备降选择策略。考虑在城市群范围内，将高铁备选模式应用于航班备降后的乘客出行选择，融合中断旅客的行为选择构建空中备降选址决策模型，研究高铁备选模式对备降选址方案的影响并验证这一策略提升乘客满意度的有效性。
第10章，双城居民周通勤行为及社会*优实证研究。一方面利用京津之间城际高铁的售票数据，分析京津之间的城际周通勤行为；另一方面通过将一个离散的经济系统进行连续化处理，进而计算双城经济系统社会*优和竞争均衡的结果，并分析关键参数对潜在交通政策的福利经济影响。
第11章，基于多源数据的城市居民出行空间特征研究。通过对以厦门为中心的厦漳泉城市群的通勤OD（origin-destination，起讫点）、POI（point of interest，兴趣点）等多源数据进行可达性和社区网络发现分析，揭示厦门市内部通勤社区的分布和构成。
第2章城际道路收费及收费收入再分配
2.1引言
当今中国广泛存在着城际通勤现象。城际通勤是指居住和工作在不同城市的人从居住地所在城市借助某种交通工具到工作地所在城市上班的过程。根据住房和城乡建设部城市交通基础设施监测与治理实验室、中国城市规划设计研究院、百度地图慧眼联合发布的《2020年度全国主要城市通勤监测报告》，从其他城市通勤到北京、上海、广州和深圳的人数分别占这几个城市总通勤人数的2%、1%、2%和4%。由于这几个城市单日通勤人数的基数都很大，因此这四个超一线城市的城际通勤人数并不少。如果把居住在郊区、选择到市中心去上班的人也计算在内，那么城际通勤的规模就更高了①。
在没有城际铁路连接的两个城市，自驾和乘公交是城际通勤者上下班所采取的两种主要的交通方式。北京周边的小城镇就是一个很好的例子。每天早上，有大量居住在香河等小城市（镇）的居民通勤到北京工作。这些城际通勤者中，一部分没有小汽车，因此他们只能乘公交上下班。而对于有车用户，他们既可以选择自驾出行，也可以选择乘公交出行。显然，在城际道路上收费将会对城际通勤者的福利产生直接影响。为了评估这种影响，本章将以瓶颈模型为基础，探讨在实施定额收费及不同收费收入返还策略的情况下，城际通勤者的福利变化情况。
2.2模型基础
考虑一个由两个不占土地的城市（城市1和城市2）组成的经济系统②。城市1在该系统中占据绝对优势地位，以至于城市2的产业在该系统中几乎没有竞争力。因此，可以将城市2视为城市1的卫星城。为叙述方便，以下称城市1为母城（mother city），城市2为子城（satellite city）。每天早上有固定数量（记为N）的子城居民通勤到母城工作。根据通勤者是否拥有小汽车将他们划分为有车族和无车族两大类。记P为无车族的人数占总的通勤人数的比重，那么无车族和有车族的人数分别为和（11、N。母城与子城之间建有快速路，快速路上设立了公交专用道。图2.1给出了该系统的示意图。
图2.1子城-母城快速通道示意图
居民选择城际通勤所得到的期望效用是一定值，而居民获得的实际效用等于期望效用减去出行成本。人们都致力于*大化自己的效用（也就是*小化自己的出行成本）。有车族可以选择合适的出行方式（自驾或乘公交）和出发时刻来实现这一目标，而无车族只能通过选择合适的公交班次来*小化自己的出行成本。人们的这种理性选择行为会使得系统实现用户均衡。在均衡状态，同一类型的出行者的出行成本都相等。对于有车族而言，没有人能通过单方面改变出行方式或出发时刻来降低自己的出行成本；对于无车族而言，没有人能通过单方面改变公交班次来降低自己的出行成本。为了便于描述，以下称有车族中选择自驾出行的人为司机，选择乘公交出行的人为**类乘客；称无车族为第二类乘客。下面分别推导无收费时司机、**类乘客和第二类乘客的均衡成本。
2.2.1司机的均衡成本
本节运用**的瓶颈模型[2_3]来推导司机的均衡成本。假定快速路上有一瓶颈路段（如桥梁），这一路段决定了整条道路的通行能力。通勤者从子城出发立刻进入瓶颈路段，如图2.1所示。所有司机的期望到达时刻都相同（记为t*），换句话说，他们都希望在同一时刻到达工作地。由于快速路的通行能力由瓶颈路段决定，因此，当瓶颈处的车辆到达率超过其通行能力（记为&）时，将出现排队现象。车辆在行驶过程中不允许超车，这意味着先加入排队的车辆也会先离开瓶颈，即遵循先进先出原则（first-in，first-out principle）。因此，司机从居住地到达工作地所需时间包括在途行驶时间Tc①和在瓶颈处的排队等候时间w（t）。由于瓶颈路段
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