《Sustainable Cities and Society》：Equity-aware optimization for urban transit decarbonization: Modeling and case study
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公交系统净零转型需平衡财务与公平性，本研究提出综合指数量化资源分配公平性，构建多目标优化模型实现减排成本最小化与社区公平兼顾，并以加拿大温哥华大区公交网络为案例验证，结果显示公平性优化仅需边际额外投资即可提升减排效益。
Jing Wang|Qiao Chen|Sophie Nicholls|Walter Mérida
不列颠哥伦比亚大学清洁能源研究中心，加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华市东购物中心2360号，V6T 1Z3
摘要
实现公共交通系统的净零排放目标需要对公交车队进行脱碳改造。以财务最优化为优先目标的转型计划可能导致资源分配不均衡，从而在社区内部及社区之间产生不公平现象。本文提出了一种综合指数，用于量化公共交通系统脱碳过程中的分配公平性，并构建了一个兼顾公平性的多目标优化模型，用于长期的车队转型规划。该模型在考虑决策公平性的同时，联合确定车队的更换和路线部署，以最小化转型成本。研究以加拿大不列颠哥伦比亚省大温哥华地区的公共交通网络的实际数据进行了案例分析，并将这一公平性模型与财务最优化的规划策略进行了对比。结果表明，所提出的方法能够促进更公平的净零排放转型，且所需额外投资极少。
引言
交通运输行业严重依赖石油基燃料，是全球温室气体（GHG）排放的主要来源之一。2019年，该行业排放了约90亿吨二氧化碳当量（CO2），占所有经济部门总排放量的15%（美国环境保护署，2024b）。在美国，2022年交通运输行业排放了18亿吨二氧化碳当量，占全国总排放量的28%，是所有行业中排放量最高的（美国环境保护署，2024c）。值得注意的是，1990年至2022年间，公交车排放量增长了98.2%，从1330万吨增加到2630万吨（美国环境保护署，2024a）。2023年，加拿大的交通运输行业排放量为1.57亿吨，占全国总排放量的23%，成为第二大排放源（加拿大环境与气候变化部，2024c）。为了缓解气候变化，各国已承诺并正在积极努力实现净零排放目标（H?hne等人，2021）。实现净零排放目标需要采用可持续技术并在多个行业进行全面的能源转型。交通运输行业已成为政策制定的关键要素，其中公共交通在各级别的脱碳策略中发挥着重要作用，包括美国（美国环境保护署，2024d）、加拿大交通部（Transport Canada，2022）和不列颠哥伦比亚省（B.C.政府，2024a）的策略。在此背景下，许多公共交通机构正在积极转型为可持续的公共交通系统和零排放公交车队，例如多伦多交通委员会（2024）、TransLink（2024a）以及美国的多个实施案例（Deliali等人，2021）。
要实现公交车队的脱碳，必须用零排放替代品（如电池电动汽车公交车（BEBs）和氢燃料电池公交车（FCBs））取代化石燃料驱动的车辆（如柴油公交车（DBs）），并配套建设必要的充电或加注基础设施。这一转型过程可能需要较长的时间，并且对于大规模的公共交通网络而言需要大量投资。据报道，运营和维护成本的节省是采用替代燃料车辆的主要经济动力，但高昂的资本成本仍是一个财务障碍（Axsen & Pickrell-Barr，2024）。因此，在资产采购、基础设施建设和预算编制方面做出最优决策对于确保公共交通机构的运营绩效和财政可持续性至关重要。在这方面，利用数学优化进行战略车队转型规划的研究日益受到关注（Perumal等人，2022）。现有研究通常以财务最优化为决策标准（如成本最小化或效益最大化，详见第2.1节）。然而，这可能导致公共交通网络中的资源分配不均衡或不公平，使某些群体受益延迟，而另一些群体则能更早获得优势。因此，与低碳转型路径相关的利益和负担分配问题可能会引发公平性问题（Sovacool等人，2022）。对于区域级别的庞大公共交通系统而言，这一问题尤为突出。
尽管技术上取得了进展，但脱碳过程中的情感障碍仍需加以考虑，这一方面尚未得到足够重视（Hickman等人，2021）。与拟议策略相关的实际或感知到的不公平现象可能会加剧人们的焦虑和不满情绪，从而影响转型策略的推广速度。公平性作为公正或公平的质量标准，在可持续技术和行为评估中已被认可，是实现社会可接受的气候稳定路径的关键因素（Sovacool等人，2022）。为了确保公平的转型，交通脱碳政策必须解决现有的物质贫困问题，并提供更加公平的框架（Monyei等人，2024）。因此，探索更加公平和包容的转型策略将有助于提高公众对脱碳的接受度以及相关系统的采用率。值得一提的是，“公平性”和“公平转型”这两个术语在某些研究中也被译为“正义”和“公正转型”（例如McCauley和Heffron（2018）、Garvey等人（2022）、Abram等人（2022）以及Ternes等人（2024））。这两个概念在描述可持续性转型的公平性方面具有核心意义。为了明确体现本文促进公共交通网络中清洁技术公交车公平分配的重点，此后将使用“公平性”这一术语。
鉴于公众对气候行动公平性的认知，如何在公共交通的高成本投资中充分考虑公平性是城市交通规划中的关键（Axsen和Wolinetz，2021；Manaugh等人，2015）。因此，公平性已成为交通规划中的重要考量因素（Lee等人，2017；Ternes等人，2024）。实际上，许多公共交通机构和部门正在积极探索将公平性分析纳入规划过程（参见Transportation Research Board（2024）和Cabello等人（2025）的研究）。现有研究已探讨了从公共交通的可及性到公共充电服务分配等多个维度的公平性分析方法（详见第2.2节）。然而，在公共交通系统的脱碳和净零转型方面仍存在研究空白：首先，针对脱碳过程量身定制的公平性指标较少；其次，尽管已经进行了公平性评估，但其与决策过程的整合仍然有限，且基于公平性的规划方法基本缺失。因此，尚未形成将公平性考虑因素有机整合到车队转型规划中的方法。
本研究聚焦于区域公共交通系统的脱碳过程，旨在填补这些空白。具体而言，我们开发了一个综合公平性指数，用于评估区域公交车队的脱碳情况，并量化服务社区内部的公平性分配。在此基础上，我们构建了一个兼顾财务和社会公平性的优化框架，将其纳入战略规划流程。
后续内容安排如下：第2节将对相关研究进行全面回顾；第3节提出一个用于量化公共交通脱碳过程中公平性分配的综合指数，以及一个用于区域公交车队转型规划的多目标优化模型；第4节通过大温哥华地区公交网络的案例研究展示该模型的应用；第5节总结研究成果并提出未来研究方向。
章节摘录
文献综述
第2.1节介绍了关于战略车队转型规划的研究；第2.2节回顾了交通公平性指标的相关研究；第2.3节指出了研究中的空白，并概述了本文的贡献。
方法
第3.1节描述了本研究关注的公共交通脱碳规划问题。该问题定义适用于类似背景下的各种公共交通系统和车队特征；第3.2节介绍了所提出的兼顾公平性的优化框架；第3.3节提出了一个用于量化区域公共交通系统转型过程中公平性分配的综合指数；第3.4节提出了一个用于战略车队转型规划的兼顾公平性的优化模型。
案例研究
本节通过一个案例研究展示了所提出的兼顾公平性的优化模型，并将其与财务最优化的规划方法进行了比较。第4.1节详细介绍了数据收集和处理流程；第4.2节展示了分析结果；第4.3节讨论了主要发现。
结论与未来研究方向
本研究提出了一种用于量化公共交通车队脱碳过程中公平性分配的综合指数，以支持向净零排放公共交通系统的公平转型。该指数结合了清洁技术公交车覆盖率和相关气候影响分布的指标。基于该公平性指数，我们提出了一个多目标优化模型，以促进长期的车队脱碳规划。
CRediT作者贡献声明
Jing Wang：撰写初稿、可视化设计、验证、软件开发、方法论构建、数据分析、概念化。Qiao Chen：撰写、审稿与编辑。Sophie Nicholls：撰写、审稿与编辑。Walter Mérida：撰写、审稿与编辑、监督工作及资金筹措。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者衷心感谢加拿大自然科学与工程研究委员会提供的财务支持（项目编号：ALLRP-577243-2022）。同时，作者感谢Gail Hochachka博士提供的宝贵意见和反馈，这些帮助提升了本文的质量。
