从第一性原理出发

编者按：9月22日，在第九届公交都市发展论坛上，西南交通大学交通运输与物流学院院长刘晓波做了《巴塞罗那公交变革的启示：从第一性原理出发》主题报告。

正文

经验通常让我们借鉴行业专家和自身经验，以实现更高、更快、更强的目标。然而，第一性原理相反，它建议我们抛弃前人的经验和知识限制，回归最基本的物理关系，寻找解决方案。以埃隆·马斯克为例，他在打造航天器和电动汽车时，颠覆了NASA和传统汽车行业的百年共识和经验，重起炉灶，取得了现在的成功。

2020年疫情后，全国公交月总量从60多亿急速下滑，目前仅恢复至70%左右。其中，公共汽电车客运量下降幅度最大，恢复速度最慢。未来情况仍不容乐观。

疫情对我国公交客流的影响

从企业角度看，疫情对客运量和营运收入造成了巨大的影响。而公交汽车电动化的增加又进一步增加了企业的建设和运营成本，使得财政缺口进一步扩大。尤其是在国家新能源补贴停止后，地方政府难以及时弥补这一缺口，给企业经营带来了更大的困难。

从乘客的角度来看，选择公交出行最关注“门到门的速度”。然而，传统公交规划为了提高公交覆盖率，广布站点，导致频繁的停车延误和较低的“门到门的速度”。传统公交规划还倾向于布设直达线路，提高线网直达率，导致过多线路以及较大的发车间隔。然而，复杂的线路导致客流出现转移问题。

短期内，企业应采取自救措施，开源节流。然而，最大的成本来自于车辆和人员的投入，这使得情况变得更为复杂。单纯削减线路可能导致客流量进一步下降，同时也会影响到与政府的关系。因此，公共交通未来发展的长久之计在于提高服务水平、降低成本，以增加客流量。

巴塞罗那是西班牙的第二大城市，其人口约为160万，面积为101.9平方公里。自2012年以来，经过四期调整，巴塞罗那将60多条公交线路精简为28条，包括8条横线、17条纵线和3条对角线。这是人类历史上第一次颠覆性的线路调整实践，完全摒弃了以前的线路设计，重新进行了全面规划。

过去线路繁复、车类众多，导致每条线路的车辆无法增加，经济成本限制明显，导致间隔时间长、频率低、换乘不便等问题。

新的方案将线路总体规模缩小，每条线路的车辆更加频繁。巴塞罗那在换乘方面投入了大量工作，以确保乘客换乘更加便捷。这是巴塞罗那公交新方案的基本特点。

经过2012年至2018年的六年建设，车队规模减少了25%，发车间隔减少一半，平均车速提高6%。从车辆运行角度看，这些指标表现良好。然而，客流和经济效益如何呢？在换乘点，虽然线路加大了站间距导致走行时间增加，但线路运行的速度远远超过了走行时间的牺牲。此外，对换乘设施的设计和引导也进行了深入的研究和优化，使换乘时间减少了25%。

左侧图表展示了巴塞罗那公交的换乘率从PhaseⅠ的11%逐步提高到20%、23%、44%，这一成就在传统公交系统中难以想象，足以与地铁相媲美。右侧图表描绘了规划客流变化图，随着各期公交线路的建设，前期线路的客流量不断上升，意味着新线路的开通吸引了更多的换乘乘客来到原有公交线路。巴塞罗那的公交线路设计依赖于换乘，呈现出非常简洁的特点。

回顾全球公交发展的历史，70年代的BRT是一次技术驱动的变革，依赖于低底板车辆、专用路权和车外检票等技术。然而，巴塞罗那的公交变革并未依赖新技术，而是基于整个公交运行和规划运营理论的变革，涉及线网设计、运营设计和实时控制理论。

1、从第一性原理出发，需要重新审视城市发展和公共交通之间的关系。

通过物理尺度分析，在现代城市化进程中，以小汽车模式为主导的交通方式会导致交通需求的增长速度达到交通供给的2倍。换言之，如果只依赖小汽车来满足交通需求，那么随着城市的人口密度和尺寸的增加，高峰通勤时间也会相应地增加。

城市发展受到能源、水和交通等要素的限制。如果北京没有公交系统，其最大直径长度在最理想的情况下不会超过75公里。这意味着，如果城市想要继续扩大其规模，必须依赖于公共交通系统来满足日益增长的交通需求。上述结论与小汽车技术无关，未来无论是自动驾驶时代、智能网联车时代，城市的发展都离不开公共交通系统的支撑。

2、最关键的因素是“门到门的时间”。

公交出行时间由在程时间和步行时间组成，两者都与站间距有关。优化这两者可实现公交运行的最优速度，通常比自行车稍快，但无法满足城市服务需求。

因此引入干线和支线的层级结构，支线可采用多种出行方式，主线则拉长站间距。这种结构下，公交系统的“门到门时间”接近小汽车出行时间。理论上，每个公交运行方式应像蜈蚣一样由干线和支线构成，否则其将是低速、低效的运行方式。

3、公交优化的线网结构理论，揭示换乘安排的重要性。

通过理论推导，证明了平均“门到门时间”与城市规模和线网里程之间的关系。通过对比环线、放射线和网格线三种不同的公交线网结构，随着城市尺寸的增大，“门到门时间”也在增加，但增长速度各不相同。环线的绕行成本随着城市尺寸的增加而急剧上升，而换乘可以为我们带来便利，解决“门到门时间”。因此，理论上讲，通过优化公交线网结构和换乘安排，我们可以实现更高效的公交服务。

在相同的投资规模下，地面公交的建设里程显然远大于轨道交通，其线网规模更大。因此，地面公交线网结构发生反转的时间更早，这表明我们应该更早地利用基于换乘的线网。然而，这是传统公交线网设计的基本方法吗？事实上并非如此。

当我们知道换乘安排的重要性以后，就需要制定好时刻表，以便乘客能够便捷地进行无缝的换乘。同时，时刻表的制定还需要考虑到如何应对公交的正反馈效应，如何避免串车等问题，并采用不同的控制方法来解决这些问题。

总结

从理论上讲，公交系统不需要担心未来的自动驾驶对其造成影响，因为公交系统作为城市交通的主干，其地位是稳固的。单线运行必须通过层级结构才能提高“门到门的速度”。当城市规模增大时，我们通过线网换乘来解决效率问题。实际上，公交的换乘比地铁更容易实现，但在实践中我们可能走在了错误的方向。从规划到运营，我们需要更好地协同制定时刻表和进行车辆控制。