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基于博弈论的城市居民低碳出行演化趋势与模型研究

武晓晖  
【摘要】:二氧化碳等温室气体的大量排放会导致全球变暖,并增加极端气候出现的概率,对全世界人类的生存和发展产生不利影响。我国作为目前二氧化碳排放量最多的国家,提出了二氧化碳排放争取在2030年以前达到峰值,并在2060年以前实现碳中和的宏伟目标。交通运输业是温室气体重要的排放源之一,而城市地区人口集中、机动车保有量高、道路网密集,又是交通碳排放的重点区域,因此,控制城市交通碳排放对于减少全社会碳排放具有重要作用。同时,我国地域广阔,各地经济发展不均衡,城市综合交通状况和交通管理水平差距显著,居民出行低碳化发展的路径也将存在很大差异。科学地研究城市居民低碳出行演化趋势可以为减少交通碳排放,实现不同类型城市低碳交通的长期健康发展提供理论支撑。本论文在考虑城市综合交通状况、居民低碳意识等因素的基础上,以博弈论为主要理论基础构建相应模型,预测城市居民低碳出行演化趋势并进行实验验证,具体研究内容如下:首先,在文献检索及博弈相关理论研究的基础上进行城市居民低碳出行演化机理分析。从城市交通历史发展的角度出发,结合不同类型的城市在经济水平、人口规模等方面的差异性,识别城市居民出行历史上出现的典型状态,分析城市居民低碳出行发展历程及特征。考虑城市综合交通背景,探讨影响其发展的内外部因素及演化路径,并从博弈理论的视角进行城市居民低碳出行演化因素、过程、特征等的理论分析,揭示城市居民低碳出行状况的形成及演化机理,为演化趋势模型的建立提供了理论依据。其次,采用多维博弈和演化博弈理论建立模型,描述城市交通系统中出行者在低碳因素影响下出行方式的选择,以及通过反复博弈后低碳出行状况的发展趋势。把出行者的决策分为选择出行方式和选择是否接受低碳理念两个维度,基于影响低碳出行的内外部因素和演化机理,分析低碳出行群体和高碳出行群体相应的综合出行收益,建立多维动态综合博弈模型及各种策略的复制动态方程。通过理论推导得到多维博弈模型的简化形式,求得其对应偏导矩阵所构成的微分方程的奇点,并分析奇点的稳定性,进而对模型参数进行标定,通过数值仿真模拟居民低碳出行博弈的演化稳定策略,探索不同场景下居民低碳出行演化趋势。第三,构建低碳出行者和高碳出行者的Stackelberg博弈模型并对博弈的可能结果进行混沌分析。开展城市居民低碳出行意愿调查,在分析出行博弈过程中居民学习行为的基础上,建立策略调整的非线性动力学系统方程,通过理论分析、数学模型推导以及数值仿真研究非线性动力系统中低碳出行选择人群数量的变化过程及趋势,获得演化趋势图、参数分岔图以及对应的参数最大Lyapunov指数图等,探索系统长期的动态演化过程和混沌特征。研究系统在相关参数变动下两类人群的演化路径,探讨出行者低碳意识水平、城市综合交通状况等的差异对系统的影响,进一步探索居民低碳出行演化趋势。第四,构建对应不同类型城市的交通情景模式,设计实验方案并招募实验参与者进行实验,验证分析博弈模型所得结果与实验数据的匹配程度。首先发放激励倾向调查问卷,回收统计并确定激励方法,然后进行实验参与人低碳出行意识调查,进而对不同类型的城市进行综合交通场景描述,展开各场次实验并进行数据记录和统计。最后,将模型仿真数据与实验数据比对,验证模型仿真结果与实验中出行行为的过程和结果是否具有一致性,在此基础上对博弈要素和出行者学习策略进行讨论,并提出改进模型对低碳出行行为匹配度的方法。本论文通过对出行影响因素的分析,探讨城市居民低碳出行演化机理,建立演化博弈分别与多维博弈、混沌理论相结合的有限理性综合博弈模型并进行数值仿真,模拟了城市居民不同低碳意识估计下,选择低碳和高碳交通方式出行人群的演化均衡状态,以及这些状态的形成过程、形成条件和可能演化趋势。进而分析了城市综合交通状况等对演化均衡状态的影响,提出了不同类型城市低碳化交通发展的对策。最后开展了行为博弈实验,对实验参与者选择低碳出行的均衡状态以及这些状态的形成过程进行了验证。本文的研究丰富了城市低碳出行和交通出行实验方面的研究内容,进一步充实了交通出行博弈理论,并且可以为城市在制定交通政策、进行交通设施建设决策时提供有利于低碳化发展的理论依据和参考,为实现全社会碳中和的长远目标做出贡献,具有一定的理论和实践价值。


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