（企业管理专业论文）随机平衡配流与拥挤道路收费的整合研究.pdf

摘要 随着我国城市化进程的加快，城市人口迅速增加，车流量也日益增多，城市 交通需求迅速扩张，交通基础设施的建设始终跟不上交通需求快速增长的步伐。 因此，在增加交通供给的同时应加强对需求的管理。拥挤道路收费作为交通需求 管理的一项有效措施，越来越受到交通管理者和专家、学者们的重视。 我们知道，对交通需求的管理实际上就是通过采取一定的措施来引导居民的 出行决策。而出行决策不但涉及路线选择、方式选择，还包括讫点选择的问题。 城市交通网络中存在多个讫点，由于其知名度、居民的出行习惯等因素的不同， 使其吸引力差异很大，某些讫点过度拥挤，某些讫点则流量不足。本文建立了基 于s u e 和多讫点选择的拥挤道路收费模型，探讨如何对吸引力过大的讫点进行合 理收费，以适当降低其吸引力，使路网中的交通流量均衡分配，提高道路交通设 施的利用效率。具体内容包括以下几个部分： 第一部分，提出问题，说明本文的意义、国内外的研究现状以及研究方法和 内容： 第二部分，拥挤道路收费问题的概述，介绍了拥挤道路收费的概念、分类、 分析其成因。同时介绍了拥挤道路收费的理论基础，阐述了传统的收费理论及其 局限性； 第三部分，交通配流理论基础，介绍了用户平衡条件下的平衡配流问题，探 讨了随机用户平衡下的多讫点选择的平衡配流问题，得出了随机用户平衡下路径 选择、讫点选择应满足的条件； 第四部分，建立了随机用户平衡下含多讫点选择的拥挤道路收费模型，运用 基于步长加速法和惩罚函数法的直接搜索法求解该模型； 第五部分，给出了一个算例，证明该模型和算法有效； 第六部分，结论及该领域未来的发展方向。 关键词：拥挤道路收费随机平衡配流双层规划模型讫点选择 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i s mi no u rc o u n t r y , t h ec i t yp o p u l a t i o n i n c r e a s e s r a p i d l y a n dt r a f f i c g r o w ss i m u l t a n e o u s l y , t h u s t h et r a f f i c d e m a n de x p a n d sg r e a t l y , w h i c hc a nn o tb em e tb yt h ec a p a c i t yi n c r e a s e d b yb u i l d i n gn e w r o a d so ru p g r a d i n ge x i t i n go n e s s oi ti sv e r yn e c e s s a r y t om a n a g ed e m a n dw h e ne x p a n d i n gt h ec a p a c i t y c o n g e s t i o np r i c i n ga s o n eo ft h et o o l so fd e m a n dm a n a g e m e n ti se f f e c t i v et oa l l e v i a t et h et r a f f i c c o n g e s t i o n a s w ek n o w , d e m a n dm a n a g e m e n ti s e s s e n t i a l l yi n f l u e n c i n g p e o p l e st r a f f i cd e c i s i o nb yt a k i n gs o m ea c t i o n ，a n dt h et r a f f i cd e c i s i o n n o to n l yi n v o l v e sr o a dc h o i c e ，m o d ec h o i c e ，b u ta l s od e s t i n a t i o nc h o i c e t h e r ea r em a n yd e s t i n a t i o n si nt h eu r b a nt r a f f i cn e t w o r k ，t h e i ra t t r a c t i o n i sr a t h e rd i f f e r e n to w i n gt ot h e i rf a m e ，p e o p l e sh a b i te t c ，s o m ei sq u i t e c o n g e s t e dw h i l eo t h e r sa r eo p p o s r e ac o n g e s t i o np r i c i n gm o d e l b a s e do n s u ea n dm u l t i d e s t i n a t i o nc h o i c ew a sd e v d o p e dt od e c i d et h er e a s o n a b l e p r i c i n gl e v e lt ol o w e rt h e i ra t t r a c t i o n ，t h u st h et r a f f i cf l o wc a n b e a l l o c a t e ds t a t u e s q u e l ya n dt h et r a f f i cf a c i l i t yc a nb eu s e de f f e c t i v e l y t h e p a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gc h a p t e r s ： t h ef i r s tc h a p t e rp u t sf o r w a r dt h ec o n c e m e dp r o b l e m sa n dg i v e sa g e n e r a la c c o u n to ft h ec o n t e n ta n di t ss i g n i f i c a n c e t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t ，c l a s s i f i c a t i o n ，a n dt h e r e a s o no fc o n g e s t i o np r i c i n g i ta l s oi n v o l v e st h et h e o r ys t r u c t u r eo f c o n g e s t i o np r i c i n g ，p o i n t i n g o u tt h e s h o r t c o m i n g s o ft r a d i t i o n a l c o n g e s t i o np r i c i n gt h e o r y t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo ft r a f f i cf l o w a s s i g n m e n t ，i n c l u d i n gu ea n ds u e , d i s c u s s i n gt h ec o n d i t i o n so fs u e w i t hm u l t i c l e s t i n a t i o nc h o i c e t h ef o r t hc h a p t e re s t a b l i s h e st h eb i l e v e lm o d e lb a s e do ns u ea n d d e s t i n a t i o nc h o i c e t h ef i f t hc h a p t e rg i v e sa ne x a m p l e t h es i x t hc h a p t e rg i v e sac o n c l u s i o na n dp u t sf o r w a r dt h ef u r t h e r d i r e c “o ni nt h i sf i e l d k e y w o r d s ：c o n g e s t i o np r i c i n g s t o c h a s t i cf l o w a s s i g n m e n tt h e o r y b i - l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e ld e s t i n a t i o nc h o i c e w r i t t e nb y ：p i n gj i n g d i r e c t e db y ：p r o x i z h a oz h o u 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其 他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和 所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 日期：迎生z ：丝 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，耳l j - 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复 制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：导师签名：日期：丛、眇 第一节研究的背景 第一章引言 改革开放以来我国的国民经济得到了迅速的发展，由于受到经济发展的推 动，我国各大城市的城区中心化的发展在近几年也出现了迅猛的趋势。据估计， 截止2 0 0 4 年，经过自由发展或政府投建，9 0 的城市都出现了一定的产业聚集， 建成了商业中心，包括：商业街、步行街、商业区、小商品市场、电脑城、景观 区等。中心城区是城市经济的发动机，但是在繁荣城市经济的同时，也为城市交 通带来了诸多不便。 以上海为例。上海发展到今天的辉煌，与她的自身地域优势、自身悠久的历 史、以及政府英明的政策不可分割。截止到2 0 0 4 年，根据每日的人流量和车流 量来计算，上海市的中心城区大致可认定有以下几个：南京路步行街地区、徐家 汇商业中心地区、人民广场地区、外滩观光地区、陆家嘴金融中心地区等等。据 统计资料显示，上海市该年度的民用机动车拥有量为2 0 3 万辆，年平均增长率在 1 7 左右，其中，客车的增长率达到了2 5 ；人流量高达8 0 0 0 万人次。这些机动 车流和人流当中，有2 5 以上都集中在以上的中心城区。大量的机动车涌向中心 城区的道路，最终导致城市交通需求的急剧增加，从而也给道路交通管理部门提 出了挑战。 另外，由于我国人口众多，尤其是在城市区域人口密度更大，这就使得我国 城市人均道路面积很低，在大城市更是低于全国平均水平，同国外大城市相比较 其差距就更加明显。以人均道路面积最少的是上海为例，其人均道路面积约为汉 城的i 2 ，莫斯科的1 3 ，东京的i 4 ，与伦敦相比差距就更大了。 此外，我国城市现有的道路网还存在结构布局不合理等多种弊端，不能够很 好地服务交通、满足日益增长的交通需求，使得有限的道路资源得不到充分的利 2 用。 随着城市交通供需矛盾的日益突出，交通拥挤的情况日益严重。这给社会造 成了严重的后果： ( 1 ) 进一步加速了城市发展的不平衡。城市发展的不平衡导致了人流、车 流的不平衡，同时，后者又促使了中心城区的进一步中心化，边缘城区的进一步 边缘化。这就是交通需求的“马太效应”。 ( 2 ) 交通拥挤给社会造成了巨大的经济损失。美国每年因为交通拥挤造成 的经济损失约为4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市每年的损失超过1 0 亿美元。日本东 京每年因为交通拥挤造成的损失高达1 2 3 0 0 0 亿日元。我国北京市由于道路拥挤 程度逐年增加，导致公共汽车平均运营车速大幅度下降，每年的经济损失高达 7 9 2 亿元。 ( 3 ) 降低运输效率。交通拥挤减少了运输系统的产出，使其无法满足新的 交通量的需求。随着拥挤程度进一步加大，产出会越来越小。由于交通拥挤无法 进行自身调节，从而形成了一种恶性循环，如果不能够及时地采取措施，任其发 展，该地区的交通运输系统就会因为交通事故、车辆故障及其救援等突发事件而 陷入瘫痪状态。上海市徐家汇地区肇嘉浜路上交通流畅时的机动车行速仅为每小 时1 5 公里，吴中路上5 公里的路程需要一个小时。北京交通拥挤更是如此。 ( 4 ) 加速了城市环境的恶化。在城市交通拥挤状况下，机动车辆不得不频 繁地启动、加速、减速、停滞，不但增加了能耗，而且加大了尾气排放，同时产 生了巨大的噪音。据调查，我国城市机动车交通造成的污染约占整个城市污染的 一半以上。 ( 5 ) 制约了经济的增长。交通拥挤延误了出行时间，而且这种延误又无法 预测，妨碍了雇员及时到达工作岗位，增加了企业的分配成本，使得经济发展受 到制约。 3 第二节问题的提出 严重的交通拥挤现象不仅存在于城市道路基础设施比较薄弱的发展中国家， 即便是在道路交通系统比较发达的国家，其中心城区的交通拥挤现象同样相当严 重。 亚当斯( a n t h o n yd o w n s ) 在深入分析以上现象的基础上，提出了著名的亚 当斯定律交通需求总趋向于大于交通供给。此定律可以解释为：虽然由于新 的道路基础设施可以缩短交通出行者的出行时间或出行距离，使交通出行者能够 快速到达出行目的地，进而在一定的时间内降低了其出行时间，暂时缓解了交通 拥挤程度：但与此同时宽阔舒适的道路条件又引发了新的交通需求，经过一段时 间后，道路又恢复到原来的拥挤水平。一般来说，新的道路建设不会改变原有道 路的拥挤水平，诱发的交通量将很快占据新增的道路设施，这部分潜在的交通量 是由于受到原来道路交通供给短缺的制约没有得到实现。西方城市交通发展的实 践证明了该定律的正确性，而且现在已经被世界交通工程界所认可。因而单纯从 增加道路基础设施建设、扩大交通供给是无法解决城市交通拥挤问题的。 要想获得比较理想的效果就必须加强交通需求管理。道路拥挤收费作为交通 需求管理的一项措施，其作用也日渐突出，它影响着交通参与者的出行决策。目 前国内外许多专家学者在拥挤收费方面作了一定的研究工作，但所建立的模型往 往都只适用于单车种的路网结构，或者运用确定性配流理论来研究。近年来，不 少国内外学者开始使用随机配流理论来研究混合交通下的路径选择、方式选择以 及拥挤收费的组合模型，并且取得了巨大的进展。但是他们还是局限于对道路的 路段进行收费，其功能在于调整路段之间的交通需求，而不能从根本上解决城市 的不平衡发展这一问题，不能解决中心城区的交通拥挤状况。本文意在这方面做 出一些有益的探讨。 4 第三节国内外实践和理论研究概况 一、国内外实践概况 新加坡是世界上最早实施城市道路收费并且获得成功的国家之一，其发展 经历了区域通行证方案和采用电子收费系统两个阶段。1 9 7 5 年开始实施的区域 通行证方案划定覆盖中心商业区最拥挤的7 2 5 公顷区域作为交通控制区，在边界 上设定2 7 个车辆入口处，载客不足4 人的车辆要想在高峰期进入控制区，必须 出示购买的区域通行证。经过2 0 多年的运行，区域通行证方案被证明是控制高 峰期拥挤的有效手段：( 1 ) 早高峰期进入控制区的机动车辆从7 4 0 0 0 辆日下降 到4 1 5 0 0 辆日；( 2 ) 提高了车辆行驶速度；( 3 ) 出行方式向公共交通转移，工 作出行中乘坐公共交通的比例从3 3 增加到6 9 ；( 4 ) 增加了财政收入。1 9 9 5 年，新加坡在其东海岸公园大道实施道路收费系统，同样取得了显著的效果。1 9 9 8 年5 月改为e r p 系统。e i 冲主要由车内装置、两个相距1 5 米的收费匝口、计算 机中心处理系统组成。初步结果表明，e r p 在控制交通流量方面成效显著，在限 制时间内进入控制区的机动车辆从1 6 0 0 0 辆，日下降到1 3 0 0 0 辆日，出行速度提 高到5 0 - - 6 0 k r a h 。与区域通行证方案相比，e r p 更公平、方便、可靠。1 9 9 8 年 8 月，新加坡政府将e r p 扩充到整个中心商业区、高速公路和交通拥挤的区域。 另外，挪威、香港、美国、法国等国家也不同程度的实施了拥挤道路收费， 并且取得了显著的效果。 我国上海市也采取了一定的收费措施，主要采取牌照登记制度和车种限制制 度来管理。譬如，外地牌照的小汽车不能上高架行驶，而本地牌照的登记费用要 远高于外地。本地的小汽车如果是q q 型的小汽车，也不能上高架。这一些措施 对于抑制上海市内的高架使用需求，取得了显著的成效。 二、国内外理论研究概况 p i g o u ( 1 9 2 0 ) 和k n i g h t ( 1 9 2 4 ) 是首先倡导拥挤收费的学者。8 0 年代末期， 英国的w a l t e r 定量研究道路拥挤的外部效果，把拥挤问题的各方面综合起来， 提出了短期边际成本定价模型，确立了传统拥挤定价模型。v i c k e r y 应用确定性 排队理论，首先在1 9 6 9 年提出了道路收费系统的动态模型瓶颈模型。该模 型作为内生出发时间的排队拥挤模型，清晰地论述了排队拥挤的消涨过程和用户 的出行时间决策，但其中严格的假设条件使模型过于简化。为增强模型的现实性， 近年来，众多学者对其进行了改进和扩展，例如在动态模型中考虑弹性需求o “” 或用户存在属性差异啪或在一般的路网结构中研究动态收费”1 等情形。 交通分配和道路收费分属于宏观和微观两个不同的领域，人们很少注意两者 关系的重要性。它们作为两个彼此独立的交通工程问题已经被分别研究，在各自 的轨道上向前发展。而在智能化运输系统( i t s ) 被提出和接受之后，人们开始 以一个新的角度看待交通分配和道路收费的组合问题。y a n g 和l a m ( 1 9 9 6 ) ”1 提 出了一个求解并非所有网络的路段都能收费的这类问题的最优收费算法，y a n g 和b e l l ( 1 9 9 7 ) ”1 利用双层规划对道路收费问题进行了研究。m a y 和m i l n e ( 2 0 0 0 ) 。3 考虑了剑桥( c a m b r i d g e ) 网络的各种收费方案，包括基于时间、基于距离、基 于拥挤的收费。v e r h o e f ( 2 0 0 2 ) “”提出在一般网络结构的有效解中找到第二最 优收费的算法。l i ( 2 0 0 2 ) “”研究了应用于新加坡道路收费系统拥挤收费的实践 问题。这些交通模型均是基于静态交通均衡分配模型。 我国对此领域的研究起步较晚。一些学者利用数学规划的方法来研究这一问 题。李志纯等( 2 0 0 1 ) 。2 1 利用双层规划模型和基于步长加速法和惩罚函数法的启 发式算法对弹性需求下的拥挤道路收费问题进行了研究。谷强等( 2 0 0 2 年) “” 构造出满足用户均衡原则和车种分离函数的极小值问题，并利用内点罚函数法求 解，讨论了混合交通条件下如何制定道路收费策略。这些模型也都是基于静态均 衡分配模型。黄海军，杨海等“4 “”“1 研究了道路收费( 静态和动态) 、搭车、h o v 的组合问题，得出收费可以诱导人们搭车和选用公共交通且提出合理设置收费水 平的依据。 第四节本文研究的意义和内容 一、研究的意义 道路交通拥挤收费是被城市交通管理部门和经济学家普遍看好的一项城市 交通调控手段，同时也是交通需求管理的重要内容。合理的收费价格有益于调整 交通结构，减少交通出行，实现交通需求在时间和空间上的平衡。如果收费价格 过高，将会使现有道路资源不能得到充分利用，造成资源浪费；收费过低，又无 助于解决交通拥挤。因此，在合理价格下对拥挤道路进行收费具有显著的意义： ( 1 ) 在一定程度上，可以抑制城市交通需求的过快增长，保持交通需求与 交通供给的平衡。 ( 2 ) 调节城市发展的平衡性，规避“马太效应”。 ( 3 ) 节约交通基础设施投资和有限而珍贵的城市土地资源。 ( 4 ) 由于出行交通量的减少，可以降低能源消耗，同时对保护城市环境也 有较为重要的意义。 ( 5 ) 进行收费后，还可以增加财政收入，为城市基础设施建设开辟新的资 金来源。 二、研究的内容 本文首先从交通工程学和经济学的角度对交通拥挤现象进行分析，说明了道 路拥挤收费的必要性；继而提出了道路拥挤收费的理论框架，阐述了传统的定价 理论，分析其局限性；然后介绍了交通配流理论，运用非线性规划和随机效用理 论的方法，将拥挤收费这一因素结合进交通配流理论中，建立了多讫点交通下的 拥挤收费综合模型。 正文各章节的主要内容如下： 第二章拥挤道路收费问题的综述。介绍了拥挤道路收费的概念、分类，在 理论上分析了拥挤道路收费的原因，提出了拥挤道路收费的目的和目标；介绍拥 挤道路收费问题的理论框架，从静态和动态两方面介绍了拥挤道路收费的理论基 础，阐述了传统的收费理论及其局限性； 第三章随机平衡配流问题简述。介绍了基本的交通配流理论、等价模型以 及求解的方法，随机用户平衡下的组合选择问题，为建立拥挤收费的综合模型打 下基础； 第四章多讫点拥挤道路收费与交通分配的综合模型，在交通分配理论的基 础上，运用非线性规划理论，建立了多讫点交通下的s u e 双层规划模型，并提出 了求解模型的算法： 第五章算例，本文给出了符合上述模型框架的算例，并运用上述求解方法 对算例进行求解，证实模型的有效性。 全文结构如下： 一第二章拥挤道路l _ i 收费的理论综述i l 第一章绪论 第四章拥挤道路l 第五章 l 研究背景、内 - -+ 收费与交通配流 叫算例 l 容的综合模型 l第三章随机平 衡配流问题简 述 图i i 论文结构图 第二章拥挤道路收费问题概述 第一节拥挤道路收费的概念及分类 一交通拥挤的定义 交通拥挤的定义各国尚无统一标准，为了明确交通拥挤的定义，这里首先对 某交通系统随着外来交通量的加入，交通密度、行驶速度以及车流量之间的相互 作用如何变化这一过程作简要分析。如图2 - 1 所示，a b 为自由流区，在该区内， 车辆可以自由地行使，车辆与车辆之间没有任何干扰，车速也最大。随着外界车 辆不断加入该系统，交通量不断增加、交通密度也随之增大，当车辆之间行驶的 空间越来越小时，行驶的车辆不得不因为相互之间的干扰而放慢速度，车流也就 进入了b e 稳定流区。在b c 区内，随着外界车辆不断加入该系统，导致的结果 仍然是交通量不断增加、交通密度不断增大，车辆之间行驶的空间变得更加狭小， 车流也进入了c d 非稳定流区，直至交通量达到道路交通饱和容量：即q q ， 此时的交通供给等于交通需求，车流也进入了d e 强迫流区。其后，如果不能够 及时采取措施，仍然允许外界车辆进入该交通系统，在车速继续下降的同时，交 通量菲但不能够增加，而且出现下降，道路空间资源使用效率随之降低。最后， 随着交通拥挤的进一步加剧，整个交通系统处于停滞状态，陷入瘫痪，交通量为 零。 二、拥挤道路收费的定义 拥挤道路收费是对特定时段和路段的车辆实行收费，以从时间和空间上来疏 散交通量，减少繁忙时段和繁忙路段的交通负荷。同时，促使交通量向高容量的 交通系统转移、抑制私人小汽车交通量的增加、促进小汽车的有效利用、推进多 人合乘( c a r p o o l ，v a n p 0 0 1 ) 的实施，实现道路的最有效使用，达到缓解交通拥 挤的目的。 城市道路交通拥挤收费可以分为广义的交通拥挤收费和狭义的交通拥挤收 费。广义的交通拥挤收费是指为了解决城市严重的交通拥挤问题，而对城市道路 使用者从车辆拥有到道路使用的全过程中的收费，它不仅包括道路使用费，而且 包括了为解决城市交通拥挤采取的其他形式的拥挤收费或税收。如增加车辆购置 税、燃油税、车辆配额和用车证制度等。 狭义的拥挤道路收费就是指交通出行者在进入交通拥挤区域的时候，必须支 付的那部分道路拥挤费用，是指在拥挤的城市道路上，对道路交通使用者征收一 定的费用，使边际个人成本提高到边际社会成本水平，用于补偿由于该交通出行 者的加入而给社会带来的外部不经济，以期通过提高交通出行者的出行成本，促 使交通出行者重新选择自己的出行行为，减少交通需求，从而使得原来拥挤的城 市道路的交通需求与交通供给相适应，最终实现缓解或者消灭拥挤的一种交通需 求管理措施。本文主要讨论的就是狭义的拥挤道路收费。 拥挤道路使用收费不同于传统意义上的高速公路( 桥梁) 收费。后者主要是 为了缓解公路建设资金的短缺问题，收取的费用大部分用于偿还贷款本息：而前 者是在城市交通严重拥挤的情况下，通过对使用者收费来引导和调节交通需求， 达到缓解交通拥挤的目的，增加财政收入只是副产品。 理论和实践表明，实行拥挤道路使用收费可以在不影响用户综合付出的条件 下产生一定的经济效益和社会效益，不仅可以缓解道路拥挤，而且可以把拥挤道 路使用收费作为新的财政来源支持交通基础设施建设，并且也保护了环境，减少 了交通事故的发生。新加坡等国家在拥挤道路使用收费理论和实践方面的有益尝 试对中国有很好的借鉴意义。 1 0 车速$ n 油) v ，口 v c 0 流量o t e l v h ) 圈2 - 1 车速与流量关系图 根据以上分析，我们可以得出以下的定义： 定义一( 以d 点作为交通拥挤的分界点) ：所谓交通拥挤就是指当交通需求 大于交通供给时，超过交通供给的那部分交通滞留在道路上的现象。 定义二( 以b 点作为交通拥挤的分界点) ：从交通工程学的角度来讲是指道 路交通密度达到一定程度后，行驶的车辆之间出现相互干扰，从而造成车速下降， 用户成本上升的现象。 拥挤道路使用收费就是在定义二的拥挤状况下对交通出行者收费。 三、拥挤道路使用收费的分类 一般来说，高峰期拥挤主要是由于用户对出行时间和出行路线选择不当所 致。为此。最优拥挤道路使用收费应当反映出时间和空间上需求的分布。但是多 数已有的研究为了避开交通配流和网络结构的复杂性，而将拥挤道路使用收费的 时间维和空间维分开处理。 拥挤道路使用收费从时间维和空间维上可以分为静态收费和动态收费两大 类。仅考虑空间维的拥挤道路使用收费称为静态收费。 ( 1 ) 静态拥挤道路使用收费适用于稳态( 即o d 矩阵是固定的。不具有时变 性) 条件下的交通网络，它不考虑收费的时变性，即是说静态收费模型不考虑当 前的收费对将来的交通拥挤水平的影响。 ( 2 ) 动态拥挤使用收费是指将时间维和空间维综合考察的收费。动态拥挤 道路使用收费考察的是出行需求和出行费用都是时变的，因而拥挤道路使用收费 也是时变的。 拥挤道路使用收费就其研究的方法来说。可以将其分为第一最优拥挤道路使 用收费( f i r s t - b e s tc o n g e s t i o np r i c i n g ) 和第二最优拥挤道路使用收费( s e c o n d - b e s t c o n g e s t i o np r i c i n g ) 两大类。 ( 1 ) 第一最优拥挤道路使用收费又称为边际成本定价( 因经济学中的边际 成本定价原理而得名) 。它假定路网中存在完善的收费体制，通过对路网中每一 路段上的用户收取值为边际成本通行费m c t ( m a r g i n a l c o s t t o l l ) 的拥挤道路使 用收费，使用户平衡转化为系统最优平衡状态。由于笫一最优拥挤道路使用收费 忽视了城市交通系统的复杂网络特征，因而交通工程师对其一直存在疑虑。近来 一些学者将第一最优拥挤道路使用收费的思想推广至一般网络，提出了第二最优 拥挤道路使用收费的思想。 ( 2 ) 第二最优拥挤道路使用收费考虑的是在一个路网存在约束( 如资金预 算约束，通行能力约束等) 条件下的拥挤道路使用收费问题。这些理论研究多是 针对标准网络的，即假定路网中只有一种车。第一最优拥挤道路使用收费和第二 最优拥挤道路使用收费又分属于静态和动态收费。 四、拥挤道路收费的合理性与必要性分析 对于城市道路，一直以来都是当作是纯公共产品进行经营管理，无偿使用。 在本节，作者将从城市道路的公共性和产权进行分析，阐明城市拥挤道路使用收 费的合理性与必要性。 1 、城市道路的公共性分析 从消费而言，公共产品是指“每个人的消费并不导致任何其他人对该物品消 费的减少”。从生产而言，公共产品具有关联性或不可分性，一般由政府提供。 公共产品具有以下特征：在生产、消费过程中具有不可分性；由很少或单一的生 产者提供；消费者对其使用存在外部正效应，即“搭便车”现象；消费者对其使 用具有同时性，即公共产品具有非排他性与非竞争性。 根据公共产品中“公共性”的强度，可以把公共产品分为纯公共产品和准公 共产品。前述公共产品的定义就是纯公共产品，如国防、法律等。准公共产品是 指其消费过程介于纯公共产品和纯私人产品之间的一种产品，如学校、医院、道 路等。其特征是：生产的不可分性：消费的适当分离性；消费过程中确实存在着 “享受”性消费。 城市道路究竟是纯公共产品还是准公共产品呢? 城市道路的使用有着以下 特征： ( 1 ) 城市道路既是向全社会提供，其效用为整个社会成员所共享，同时它 又具有一定程度的效用可分割性。具体表现为其在技术上可以提供排他性的措 施，如拥挤道路使用收费。 ( 2 ) 在不达到拥挤的前提下，城市道路的边际成本为零，具有非竞争性。 ( 3 ) 城市道路在实际使用中具有排他性。如在公共车道上，一辆车占用的 位置别的车就无法占用。特别是在交通拥挤的时候，这种排他性表现得尤其突出。 从以上分析可以看出，城市道路的特征既体现了它的公共性，又体现了它的私人 性，由此可见城市道路是准公共产品。 2 、城市交通拥挤的经济学解释 经济学家认为：“纯粹的私人产品和纯粹的公共产品的消费不存在拥挤问题。 拥挤总是意味着有限的消费容量和无限的消费规模之间的冲突。”我们可以发现 造成城市交通拥挤的真正原因在于对城市道路产权的安排。 由于城市道路的产权属于政府，那么道路的产权就不会得到确定。由于产权 得不到确定，道路就变为纯公共产品。人们对道路上的使用就不会有成本上的考 虑，无需对道路的使用效率负责。对于每个出行者，出行时计算的只是个人的边 际费用，根本没有考虑到由于加剧了道路的拥挤而加在别人身上的额外成本。只 要个人收益大于个人成本，个人车量就会不断地加入车流。由于外部效应，造成 了边际个人成本与边际社会成本不相等，它们之间的差额就造成了拥挤现象，即 实际使用城市道路的车流量超过了最佳车流量，也就是对道路的过度使用。 由此可见，模糊的产权制度使城市道路由准公共产品转变为纯公共产品。而 拥挤道路收费正是把价格机制引入到城市交通管理中来，它使城市道路的产权得 到了确定，为市场有效地配置城市道路这种资源提供了保障。它作为交通需求管 理的一项措施，在当今严峻的交通状况下是合理且必要的。 五、拥挤道路使用收费的目的和目标 1 拥挤道路使用收费的目的 道路拥挤收费的目的是在一定的交通供给规模下，控制交通需求总量，削减 不合理的交通需求。通过对拥挤区域或拥挤路段征收一定的拥挤费用的手段，使 得交通需求在时间和空间上再分配，实现交通供给与交通需求在一定时间内的平 衡，保证城市交通系统有效运行，让客货出行迅速、安全得到达目的地，缓解城 市交通拥挤、改善城市生态环境和居民生活环境质量。 2 拥挤道路使用收费的目标 道路拥挤收费的目标可以分为过程目标和最终目标。过程目标是为最终目标 服务的。目标的制定应该既要具有科学性，又要切实可行，具有可操作性。我们 不难知道道路拥挤收费的最终目标是要实现交通需求与当前的交通供给相适应， 缓解交通拥挤。在实现这一最终目标的过程中，又可以制定出如下四种过程目标： ( 1 ) 减少交通源的产生 从交通源头开始，对交通需求进行全过程的主动控制是道路拥挤收费的一个 重要目标。交通需求在每次出行前都有一个出行选择过程，这一过程实际上也是 一次个人出行的成本效益分析过程。如果我们对某些交通拥挤路段或区域实行了 拥挤收费，那么就是提高了交通出行者进入该区域或路段的出行成本。人们在选 择进入该路段或区域时，就会重新考虑是否进行这次出行。 ( 2 ) 改变交通结构 城市交通方式按照交通设施分为道路交通和轨道交通；按照服务对象的不同 可以划分为公共交通与非公共交通( 私人小汽车、摩托车、自行车等) 。各种交 通方式具有不同的技术经济优势，并且人均所占道路面积不同，在造成城市交通 拥挤、堵塞中所起的作用大小不同。 我国目前城市结构不合理。同国外一些大城市相比较，城市公共交通在客运 交通中所占比例过低，而自行车、摩托车的比例高居不下。随着我国经济的发展， 私人小汽车也将大大增长，如果不采取有效的措施，其在交通结构中的比例也会 大幅度增长，城市交通结构将会变得更加不合理。因此改变交通需求者的出行交 通方式，使更多的出行者选择公共交通，减少城市道路时空消耗，应该成为交通 拥挤收费的目标之一。 ( 3 ) 改变交通时间结构 城市交通在时间分布上呈现马鞍形状，即有一个早高峰和晚高峰组成。一般 早高峰出现在职工上班和学生上学时间：晚高峰则出现在职工下班和学生放学时 间。通过高峰时段收费措施，促使弹性交通需求避开高峰时间，利用平峰时间出 行，从而达到“削峰填谷”的目的，实现交通需求在时间上的平衡。 ( 4 ) 改变交通空间结构 城市交通网络纵横交错，从出发点到达目的地，路线往往有很多条，且有长 有短，人们在出行选择时往往选择近路，导致了交通热线的产生，也就出现了交 通热线经常性的拥挤和堵塞，近路往往欲速则不达。于是就存在交通空间调控的 可能性。通过对交通热线征收拥挤费，引导消费者选择交通冷线，可以使有限的 道路资源得到充分利用。 第二节静态拥挤道路使用收费的理论基础 一、边际成本理论介绍 ( 1 ) 总成本( t o t a lc o s t ) 总成本等于总的固定成本与总的可变成本之和，以t c 表示，即 t c = t f c + t v c 。其中，t f c 为总固定成本，t v c 为总可变成本。如果以b 代表 总固定成本，q 代表销量，以，( q ) 代表变动成本，则总成本可以表示为： t c = b + ，( q ) ； ( 2 ) 平均成本( a v e r a g ec o s t ) 平均成本是指每增加一个单位产量所需要的成本，以a c 表示，即 爿c ；r q c = 上学；平均成本也等于平均固定成本与平均可变成本之和，即 a c ：a v c + a f c ；趔+ 旦：婴垒： qqq ( 3 ) 边际成本( m a r g i n a lc o s t ) 边际成本是指每增加一个单位产量所增加的成本： 肌吧。c 一2 等。d o i f ( q 】2 玺吖( q ) ( 4 ) 边际收入( m a r g i n a lr e v e n u e ) 边际收入是指每增加一个单位的总产销量所增加的总收入： m r ：t i m a t r 。：d ( r r ) 一oa qd ( q ) ( 5 ) m r = m c 定理 该定理内容为：利润最大化或损失最小的均衡条件为边际收入等于边际 成本，即m r m c 。 二、静态拥挤道路使用收费的理论基础 2 0 世纪5 0 年代中期到7 0 年代，美国的w a i t e r s a 把拥挤问题的各方面结合 起来，提出了一个短期边际成本定价模型。该理论成为静态拥挤道路使用收费的 理论基础。 一般来说，在交通拥挤较严重的交通系统中各用户的最优线路选择未必带来 系统的最好结果，这是因为用户在选择出行路径和出发时间时，往往只考虑自己 能感知或者说自己将付出的成本。当道路的通行能力充足时，这种“自私”的行 为不会影响到其他人的出行。但是，当交通流量接近通行能力时，拥挤程度上升， 道路上每新增加一个出行单位都会使系统中所有成员的利益受损。此时，如果大 家都坚持原来的出行计划，不另择它路或改变出发时间，就会使交通系统拥挤不 堪，直到瘫痪。如果硬逼某一部分人改变行驶路径和出发时间也是不可能的，最 好的办法是用经济手段。 用户之所以坚持在拥挤路段出行，就在于他们仅仅考虑自己的感知成本或者 平均可变成本a v c ( 即边际个人成本) ，而没有支付他们给其他用户所带来的“外 部不经济”( e x t e m a l i t ，即用户没有为其出行支付全部社会费用( 即边际社会成 本，还可以包括由交通导致的环境污染) 。用户对出行成本的错误感知( 或部分 支付) ，将导致网络的潜在需求过高和交通量的无节制增长，从而造成路网中某 些路段上流量达到饱和或过饱和状态，引起交通拥挤和排队，产生资源的浪费。 经济学家相信，缓解城市交通拥挤的一个最直接、经济上最有效的办法就是对拥 挤路段的使用者收费，付费的人还可以在原来的路段上和时段上行驶，不想付费 的人就另择他路或改变出发时间。这样，原来的拥挤的路段就被缓解了。 边际成本定价原理认为，为使整个道路系统得到最有效的利用，行驶在拥挤 路段上的用户应支付一定的费用，才能抵消他所产生的外部不经济。收取费用的 大小等于边际社会成本和边际个人成本之差，通过对拥挤路段上的用户征收这样 一个通行费来修正其对出行费用的错误感知，以保证用户在做出行决策时考虑自 己的出行强加给其他用户的外部不经济，从而最终在达到用户平衡的同时也达到 了系统最优，因而提高了交通系统运行的有效性，达到缓解交通拥挤的目的。 三、静态拥挤道路使用收费的定性推导与定量描述 1 静态拥挤道路使用收费的定性推导 ( 1 ) 供需平衡关系的推导 供需平衡关系是导出边际成本定价的理论基础，用供需平衡关系研究静态拥 挤道路使用收费理论时，费用一流量关系是核心。 由车速与流量关系图( 图2 1 ) 可以很容易导出图2 2 所示的时间流量关系 图。将图2 2 的纵坐标乘上时间价值再加上运营成本，便得到平均可变成本与流 量曲线a v c ( 或边际个人成本曲线) ( 图2 3 ) 。 1 7 时间( h ) 成本( $ ) q流量( 辆，h ) 图2 2 时间流量关系图 q0 量( 辆，h ) 图2 3 成本流量关系图 图2 3 中，m s c 曲线为边际社会成本曲线，它表示路网中增加一辆车所引 起的总成本的增量。当流量接近通行能力q 时，m s c 曲线趋于无穷，因为此时 不可能有更大的流量发生。图2 3 是分析边际成本定价的基础，在拥挤道路使用 收费的经济模型中发挥着重要的作用。 1 8 ( 2 ) 静态拥挤道路使用收费的供需平衡分析 为方便分析静态拥挤道路使用收费原理，将前面讨论的供需平衡关系结果用 更清楚的图2 4 表示。图中d 为需求曲线，a v c 为边际个人成本曲线。这里需 要说明一点的是，供需平衡关系中所讨论的交通流为标准情形，即是同质 ( h o m o g c n c o u s ) 的交通流，它们在相同的路段上沿相同的方向运动，路段上仅 有一个入口，一个出口，并且除通行能力约束外，没有任何因素能阻碍交通流的 移动。 成本( $ ) c d c 。 巳 c o 图2 4 流量( 辆m ) 由前面介绍的拥挤道路使用收费原理，在任何需求水平下，边际社会成本曲 线m s c 与边际个人成本曲线a v c 的差反映了该需求水平下的拥挤成本。当路网 不收费时，由于用户仅考虑自身的成本，平衡在需求曲线d 与边际个人成本曲 线a v c 的交点a 处达到，此时用户忽略了他们强加给其他用户的外部不经济， 任何用户将以大于他所感知的费用d ，爿出行，即以d 。m 出行。结合经济学 原理：完善的市场条件下，资源的有效配置发生在所有商品和服务的价格都是基 于边际社会成本上定义的；边际成本等于边际效益时的均衡价格是最优的。因此， 从图中可以看出，最优流为边际社会成本曲线与需求曲线d 的交点b 所对应的 需求d ：处。从系统的角度来说，不收费下的实际需求是超负荷的，因为第d 。个 用户仅得到的效益为d 。4 ，而他引起的边际社会成本为d 。订，此时用户的 1 9 出行给系统带来了4m 的损失。超出最优流d ：的交通量d ：d 。所产生的总 成本为d 。mbd ：所围成的面积，而这些交通量所获得的效益为 d ，4bd ：所围成的面积，因此福利损失为amb 所围成的面积。对于超 出需求d ：的其他需求水平有类似的结果。低于d ：的需求也不是最优的，因为 它将使得路网潜在消费者剩余没有被充分利用。在最优需求d ：处，拥挤道路使 用收费为j ；可。面一面：矿( 边际社会成本减去边际个人成本) ，在这个收 费下，路网的经济效益ebc 。c 。( 总效益减去总成本) 将达到最大。拥挤 道路使用收费是通过使交通需求从d 。减少到d ：而使经济效益达到最大的。流 量从d ，变到d ：，用户的旅行成本节省了c 。一c 。，而为减少拥挤，用户支付 的拥挤费为c 。- c 。，拥挤道路使用收费会带来一定的经济收入，这些收入可 以用来改善交通基础设施和改善公共交通。 2 拥挤道路使用收费的定量描述 假设路网中所有用户都具有相同的时间价值，设耽为路段4 上的流量； 乙( x 2 是路段口由行驶时间折算的成本，它是溉的严格增函数；则路段4 上所 有用户的总行驶成本是r = 兢f 。( 麓 e 若不考虑其它固定费用支出，则边际个人 成本是托p c f 。眈) ，边际社会成本是肘阳- 六q 。) + 咒掣，边际成本定 价原理认为，收费水平应设置地掣即每一个新增用户给系统带来的夕卜 部不经济。 四、边际成本定价理论的局限性 边际成本定价理论有其重要的历史意义，但也具有自身的局限性： ( 1 ) 该理论将收费路段定义为之有一个出口和一个入口，这与实际的城市 路网状况不符。该理论没有考虑到交通拥挤在空间上的分布，忽略了不同路径之 间的相互替代性，尤其是在市区，道路发达，一个路段的交通拥挤往往波及到其 它路段。传统定价理论中一个交通量只对应一个定价水平，而没有认识到拥挤的 动态变化，所以该理论只能应用于瓶颈道路的收费方式。 ( 2 ) 该理论的最终定价是边际社会成本与边际个人成本之差，然而这两个 参数在实际应用过程中是很难得到的，很难用具体的数值量化