（交通运输规划与管理专业论文）基于可变公交发车频率的城市拥挤道路收费定价优化研究.pdf

摘要随着经济的发展和城市化进程的推进，城市车辆保有量和居民出行需求量不断增加，使得城市道路交通需求超过交通供给能力，城市道路拥挤日益严峻。由交通拥挤所带来的出行者出行成本的增加和环境污染等问题严重影响了城市功能的正常发挥和城市的可持续发展，使得解决城市交通拥挤迫在眉睫。拥挤道路使用收费从交通需求管理的角度，通过增加部分出行者的出行成本来控制或转移交通量，进而达到缓解交通拥挤的目的。鉴于单方面通过对部分车辆实施拥挤道路收费来改善城市交通的有限性，本文提出采用将道路拥挤收费和提高公交发车频率结合起来综合改善城市交通，即在道路拥挤收费的同时，将拥挤收费额用于提高公交车的发车频率来改善公交服务水平，这样既能有效转移交通量，也能解决拥挤道路使用收费策略得不到公众支持的问题。在综述国内外拥挤道路使用收费研究和应用现状、概述城市交通拥挤收费的相关理论的基础上，通过分析在对私家车实施拥挤道路使用收费和增加公交发车频率影响下，城市混合出行网络上各类出行者的出行方式和出行线路的选择行为，描述公交车和私家车两种出行方式的广义出行成本，分析对私家车实施拥挤道路使用收费和增加公交发车频率之间的相互制约关系，进而以社会效益最大为优化目标建立了基于可变公交发车频率的城市拥挤道路收费定价的双层规划模型。同时，设计了基于模拟退火算法求解的优化算法，且以算例进行计算验证。算例分析表明，基于可变公交发车频率的城市拥挤道路收费定价模型和算法能够更有效地解决道路拥挤问题。最后，从社会效果、交通效果和运营效果的角度筛选拥挤道路收费定价方案的评价指标，进而利用主成分评价方法进行方案评价。关键词：可变公交发车频率，拥挤道路收费，双层规划，模拟退火，主成分分析a b s t r a c ti nr e c e n ty e a r s ，c i t i e sa n dr e g i o n a le c o n o m i e sd e v e l o pm o r ea n dm o r er 印i d l y ，a l o n gw i t ht h es t e a d yi n c r e a s i n go fp o p u l a t i o na n dv e h i c l e s t r a v e ld e m a n d se x c e e dt r a v e ls u p p l i e si nu r b a nt r a m c ，t r a 伍cc o n g e s t i o ni nu r b a nb e c o m e si n c r e a s i n g l ys e v e r ea n di n e v i t a b l e as e r i e so fp r o b l e m sc o n d u c e db yt r a f ! e i cc o n g e s t i o n ，s u c ha st h ei n c r e a s ei nt r a v e lc o s t ，e n v i r o n m e n tp 0 1 l u t i o na n ds oo n ，a f r e c t st h em n c t i o ne x e n i o na n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc i t i e s 7 r r a v e lc o n g e s t i o ns h o u i db er e s o l v e dp r o m p t l y ：b yi n c r e a s i n gp a r t so ft r a v e l e r s t l a v e lc o s t ，u r l ) ：mr o a dc o n g e s t i o np r i c i n gi su s e dt or e d u c ea n dd i s t r a c ts o m et r a v e l e r s 仔o mt h ep e r s p e c t i v eo ft r a f ! e i cd e m a n dm a n a g e m e n t ，a n da sar e s u l to fe a s i n gt r a m cc o n g e s t i o n i nv i e wo fl i m i t a t i o n si ni m p r o v i n gt h eu r b a nt r a n s p o r tb yr o a dp r i c i n gt os o m eo ft h ev e h i c l e s ，s y n t h e s i so p t i m i z a t i o no fr o a dp r i c i n gw i t hv a r i a b l e疗e q u e n c yo fb u si sb e e np u tf o r w a r d i n c r e a s i n gt h e仔e q u e n c yo fb u st oi m p r o v et h eb u ss e r v i c eb yt h ec o n g e s t i o np r i c i n g ，i ti sb e n e f i c i a l t os o l v et w ok e yp r o b l e m s ，t h a tt h et r a 伍cj a mi sd i 币c u l tt or e s o l v e da n dt h eu s eo fr o a dc o n g e s t i o nc h a r g e sa u r en o tp u b l i c l ys u p p o n e d o nt h eb a s i so fo v e r v i e w i n gr e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so fr o a dp r i c i n ga th o m ea n da b r o a d ，a n ds u m m a r i z i n gt h er e l e v a n tt h e o r i e so fu r b a nc o n g e s t i o nc h a 唱i n g ，t h er e s e a r c ho nt h en e t w o r ke q u i l i b r i u mm o d e lf o ri n v e s t i g a t i n gt r a v e lb e h a v i o ra n dt r a v e lr o u t ew i t hm i x e dt r a v e lm o d eh a sb e e nm a d eu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h er o a dc o n g e s t i o np r i c i n ga n di n c r e a s i n gt h ef k q u e n c yo fb u s m e a n w h i l e ，a u t h o rp r e s e n t st h eg e n e r a l i z e dt r a v e lc o s to fb u st r a v e l i n ga n dp r i v a t ec a rt r a v e l i n g t h e na u t h o r sp r o p o s e dt h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo fr o a dp r i c i n gw i t hv a “a b l e行e q u e n c yo fb u so nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h er e l a t i o n so fm u t u a lc o n s t r a i n t sb e t w e e nr o a dp r i c i n ga n di n c r e a s i n gi nb u sf k q u e n c y 行o mt h ep o i n to fv i e wo fi n t e r a c t i o no fd if 艳r e n tt r a v e lm o d e so nu r b a nr o a d s ab i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e li sf o n n e da i m e da tm a x i m i z i n gt o t a lc o n s u m i n gs u 印l u so fn e t w o r k a tt h es a m et i m e ，t h eo p t i m a la l g o r i t h mb a s e do nt h es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mh a sb e e nd e s i g n e d ，a n da ne x a m p l ef o rc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sh a sb e e nm a d e r h er e s u l ti l l u s t r a t e st h a tt h em o d ea n da l g o r i t h n lc a ne f f e c t i v e l ys o l v et 1 1 ep r o b l e mo fr o a dc o n g e s t i o n a tl a s t ，t h i sp 印e rg i v e se v a l u a t i o ni n d i c a t o r sa j l de v a l u a t i o nm e t h o d s 舶ma n g l e so fs o c i a le f f e c t s ，t r a m ce f f e c t s ，m 衄i n ge 虢c t s t h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a )w a s印p l i e dt oa n a l y z i n gt 1 1 ep r o g r a i n k e yw o r d s ：v a r i a b l e仔e q u e n c yo fb u s ，m a dp r i c i n g ，b i - l e v e lp r o g r a m m i n g ，s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s硕十学位论义第一章绪论第一章绪论1 1 选题背景及研究意义随着经济的发展，城市道路交通拥挤问题已经成为世界各国普遍面临的社会i 、u j 题之一。在美国的一些大城市，居民终日保守严重的交通阻塞之苦；在欧洲，因交通拥挤驾车者每年被困在路上的总时间长达数天之久，假日里的车辆排队绵延百余公单；在德国，每年交通拥挤所造成的经济损失在1 千亿美元左右；在我国，随着城市化的空前推进，大中城市的交通拥堵已经成为城市生活的一个顽疾，城市的交通阻塞已经由点到线，由局部向大范围内蔓延，严重影响了城市生活的效率和质量。交通拥堵同时还带来了环境污染，能源紧张等一系列社会经济问题，影u 向了城市生活的效率和质量，严重制约了城市的发展。调查显示，在拥堵最为明显的上下班高峰期，我国大城市拥堵所花的时间基本超过人们能忍受的最长时间，或与能忍受的最长时间相差无几，如图卜1 。部分城市居民利用机动工具出行的拥堵经济成本( j a me c o n o m i cc o s t ，j e c ) ，如图卜2 。数据显示，北京拥堵成本最高，达到每月3 7 5 元，占收入比例的1 2 5 ，广州、上海和重庆的拥堵经济成本也占到收入的近一成心3 。交通拥挤不仪影响到人们的生活质量，而且制约了城市的经济发展，降低城市的经济竞争力，解决交通拥挤迫在眉睫。能忍受的最长时i 、口j+ 拥堵时所花时间北京卜海南京广州两安武汉成都重庆图1 1 不同城市居民上下班拥堵所花时问与其忍耐极限( 单位：分钟)变通捌挤的广：生足交通需求高丁交通供给这一矛盾造成的，解决交通拥挤的传统做法是通过新建、改建和扩建城市道路增加交通供给以解决交通拥挤，但是者受剑城市经济、环境和地理等凶素的制约；同时，在城市交通领域有一种叫“亚当斯定律”的怿现象：由于道路面积的增加，交通堵塞会暂时有所缓解，币因为这耳! 的交通畅通，这早将会引来更多车辆，这种被吸引来的车流量叫做“诱增交通量”。在时隔不久之后，“诱增交通量”又会使新拓宽的道路恢复到昔| 的拥挤o000o0o654321倾i ：学位论义第一章绪论程度。冈此，对交通需求进行合理的调控，使交通需求和交通供给趋于平衡，成了缓解城市交通拥挤的重要方法。一拥堵经济成本( j e c ) + 。收入比例北京广州上海武汉重庆南京成都p q 安图1 2 八大城市居民拥堵经济成本及其占收入的比例拥挤道路使用收费。作为交通需求管理的最常用方法，它通过在特定时段和路段对部分车辆实行收费，从时问和空问上来引导和调节交通量，减少繁忙时段和繁忙路段上的交通负荷，达到缓解交通拥挤的同的。然而城市路网上路段交通量的分柿是各类交通出行方式性能综合影响的结果，单方面改变一种交通方式的m 行成本在，。定程度上能够调整路段交通流分柿、缓解交通拥堵，但其效果有限。本文将拥挤道路收费和提高公交车发车频率综合考虑来解决城r 了道路拥挤问题，一方面通过对私家牟实施拥挤道路使用收费，提高私家车的出行成本；另一方面，通过提高公交发车频率降低公交出行方式 n 行成本，使得更多的私家年出行者放弃采用私家车出行方式，而采用公交出行方式，这彳i 但能有效地调整路段交通量分御，而且能够减少路网交通需求量，从而更有效地缓解城市交通拥挤，为进。步制定合理有效的拥挤收费政策提供理论参考。1 2 国内外拥挤道路使用收费的研究和应用现状1 2 1 国外拥挤道路使用收费的研究和应用现状( 一) 拥挤道路使用收费的幽外研究现状早在1 8 1 1 年法幽工稃师j d u p u i t 研究对一座桥收费对公众产牛的影响，这可看作是对道路拥挤收费问题的最早研究阳：。此后很多家研究了拥挤收费理论，使其逐步成熟。拥挤道路使用收费的基本理沦从时问维和窄i 、日j 维 i 分为静态收费和动态收费。w i ll 吖s ( 1 9 6 1 ) 和b u t t o n ( 1 9 8 6 ，1 9 9 3 ) 研究了 j 挤收费的静念模型( 边张纵慨1118642oo0o0oo0oo加弱加佰们5硕上学位论文第一章绪论际成本定价) n 们叫1 2 1 ，即通过经济学中的供需平衡和边际概念来说明拥挤收费问题，从边际个人成本和边际社会成本的角度分析拥挤负外部效应及其弥补措施。但这些研究都是围绕最优收费理论( f i r s t _ b e s tc o n g e s t i o np r i c i n g ) 进行的，即严格按照边际成本定价原理对每条道路都实施收费，但是现实中由于经济、政治和技术等因素的制约，最优收费理论是难以付诸实施。因此次优收费理论( s e c o n d - b e s tc o n g e s t i o np r i c i n g ) 由v e r h o e fu 3 1 ( 1 9 9 6 ) 提出，它对部分道路或路段实行拥挤收费以实现系统最优。y a n g 和h u a n g ( 1 9 9 8 ) 将边际收费原理推广至一般网络，并在模型中考虑了路段通行能力的硬性约束，扩展了该理论的应用范围u4 1 。在此基础上。许多学者也推导出具有弹性需求和容量约束的交通网络收费模型、多路径混合交通网络收费模型和多类型用户交通网络收费模型等。静态收费模型趋于完善。动态收费模型主要是通过对道路网络中发生的个别道路进行收费，用不同时间不同收费费率来影响道路使用者的出发时间和路径选择方式，使道路网络上的交通流重新分伟趋于均衡。诺贝尔经济学奖获得者v i c k r e y ( 1 9 6 9 ) 用确定性排队理论提出了动态收费模型( 瓶颈收费模型) n5 1 ，即一定时刻的拥挤收费水平等于不收费平衡时该时刻用户的等待时间费用，这样就能以收费取代排队等待时间费用使平衡条件满足。以此为基础，t a u c h i ( 1 9 9 3 ) 在一条含瓶颈的公路旁边加上一条并行的公交路线，研究不同收费体制下两种交通方式之间的竞争n6 j ；w i e和t o b i n ( 1 9 9 8 ) 建立了两类动态收费模型，分别用于需求固定和需求波动较大的两类交通网络7 1 ；a r n o t t 等( 1 9 9 9 ) 研究了拥挤收费条件下多条并行路径网络中的路径选择问题，出行者的行为差异与福利得失，以及考虑需求弹性的结构性模型引；p a l m a 等( 2 0 0 5 ) 将出发时间选择等作为内生变量模拟了包含放射线路和环路的城市网络，分析不同收费方案的不同影响训。( 二) 拥挤道路使用收费的国外应用现状。拥挤道路使用收费作为一种经济手段，已经成为城市交通需求管理的有效措施之一。新加坡首次成功实施拥挤道路使用收费后，英国伦敦、挪威特隆赫姆、加拿大多伦多等城市已不同程度在部分区域或部分道路上采取交通拥挤收费，调节交通需求。其中尤以2 0 0 3 年英国伦敦实施的城市交通拥挤收费影响最大，首次成功实现了在国际大都市通过拥挤收费缓解交通拥挤状况。在此，以新加坡和伦敦这两个在实施交通拥挤收费方面最具国际影响力的城市为例进行分析研究。在采取各种措施改善公交服务仍无法抑制私人小汽车快速增长的情况下，1 9 7 5 年，新加坡采用了交通拥挤收费系统以求抑制城市交通拥挤趋势。拥挤收费主要通过区域通行证a l s ( 一种每同不同特征、需贴在汽车挡j x l 玻璃上的纸质通行证) 实施。当局在城市中心设置了6 k m 收费区，早高峰2 小时除了公交车、高载硕士学位论文第一章绪论客小汽车h g v 外( 含驾驶员三人) ，车辆进入收费区必须出示购买的通行证。当局在收费区边界和内部布控了大量监视和检查人员。经过近2 0 年的运作，新加坡拥挤收费实施效果非常明显。高峰小时进入收费区交通量下降了近4 5 ( 其中7 0 以上为单独驾车) ，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；提高了车辆的行驶速度，平均车速从1 8 公里小时增加到3 5 公里小时；通过公交车上班的出行增加了近5 0 9 6 ，达到上班总出行的4 6 ；汽车合乘比例也大大提高。1 9 9 8 年5 月，开始使用电子道路收费系统( e r p ) 替换区域通行证a l s 。e p r 在主要由车内装置、两个相距1 5 米的收费匝道、计算机中心处理系统组成。结果表明，e r p 在控制交通方面效果显著，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 m h 。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啪2 。2 0 0 3 年2 月17 日，伦敦交通管理局( t f l ：t r a n s p o r tf o rl o n d o n ) 借鉴世界其它一些城市的做法，在交通拥挤最为集中的区域“中心区 ( c e n t r a ll o n d o n ) 正式启动了“交通拥挤收费 计划：收费区域约2 1 平方公里，涵盖1 1 3条道路和8 座穿越边界的桥梁，公交车、出租车、急救抢险专用车以及残疾人车辆不收费，收费时间为工作日白天1 2 个小时。伦敦拥挤收费系统是一种基于视频车牌识别技术的虚拟通行证系统。通过收费区边界路口的视频监控与车牌识别系统，识别进入收费区的车辆牌照并与管理中心已购买通行证的车牌对比，确定车辆通行费用是否缴纳。对于识别出来未缴纳费用进入收费区的车辆，通过采取罚单、拖车、司法控告等措施确保费用的缴纳。实践表明，2 0 0 3 年伦敦拥挤收费区内的交通状况改善明显：( 1 ) 交通流方面。伦敦运输局调查显示收费之后拥挤水平平均下降了3 0 ；收费时段进入收费区的小汽车减少3 0 ；出租车增加2 0 ；巴士和长途汽车增加2 0 ；货车和卡车减少1 0 ；脚踏车增加2 0 ；动力二轮车增加1 0 一1 5 。( 2 ) 出行方式方面。进入收费区的巴士乘客从7 7 0 0 0 人次增加到了】0 6 0 0 0 人次。巴士增加了5 6 0 辆( 2 0 0 3 年秋季与2 0 0 2 年秋季比较) ，整个巴士网络的平均车载乘客数量增加。( 3 ) 伦敦经济影响方面。根据伦敦市交通局的成本效益分析估计，拥挤收费方案的实施每年对伦敦经济的净贡献值大约在5 0 0 0 万英磅左右。此外，收费区内的交通事故、汽车尾气排放量都有明显下降。但是，从更大范围来看，伦敦中心城区主要道路的交通状况并未得到明显改善，与实施收费政策的初衷不相吻合。乘坐地铁的人数一直延续了此前的持续下降趋势，收费政策实施似乎对地铁影响有限陇删。从新加坡和伦敦等城市的拥挤道路使用收费的实施，我们可以得出以下宝贵经验：1 ) 拥挤道路使用收费的成功实施离不开以下几个因素：( 1 ) 交通拥挤区4硕士学位论文第一章绪论域在空间上高度集中，而收费区域边界的外围路段具有很强的交通疏导能力；( 2 )公共交通高度发达，能够承担并分流转移交通需求量；( 3 ) 小汽车是造成道路拥挤的主要原因；( 4 ) 实施前重视对公众的咨询、宣传，逐步为拥挤收费创造良好的舆论氛围。2 ) 拥挤收费不是解决道路拥挤的完美方案，将引起社会对城市道路资源配置公平性的质疑；也不是最终方案，应将拥挤收费作为解决交通拥堵综合措施的组成部分。3 ) 拥挤收费获得的收费资金要合理、透明地使用在城市公共交通及相关交通系统的改善方面。4 ) 拥挤收费实施后非常注重研究交通状况的变化，为进一步合理调整收费范围和收费费率提供依据。1 2 2 国内拥挤道路使用收费的研究和应用现状( 一) 拥挤道路使用收费的国内研究现状我国开始拥挤收费研究较晚，吴子啸和黄海军( 2 0 0 0 ) 建立了基于瓶颈路段的拥挤收费来改善交通拥挤乜胡，且将双层规划模型广泛应用于次优拥挤定价研究中。李志纯等( 2 0 0 1 ，2 0 0 3 ) 嘶引、张华歆和周溪召( 2 0 0 5 ) 晗7 1 、陈来荣和张岚( 2 0 0 6 ) m 1 等都分别建立了双层拥挤定价模型，上层模型以网络净效益最大或网络综合效能最大为目标，下层为满足不同要求( 包括固定需求、弹性需求或是满足多模式交通网络) 的随机用户平衡模型，并设计了启发式算法或遗传算法进行求解。李星和刘灿齐( 2 0 0 5 ) 研究了道路使用者个人时间价值的大小己知和未知两种情况下，分别以弹性需求网络平衡的f r a n k w b l f e 算法和一般网络上的尝试实验误差法确定收费费率的方法乜9 j ；刘南( 2 0 0 8 ) 等人建立了多时段多用户次优拥挤定价模型实现科学合理的拥挤收费啪3 。这些模型和方法将复杂的拥挤定价问题大大简化。( 二) 拥挤道路使用收费的国内应用现状随着城市交通拥挤程度同益严重，作为解决交通拥挤有效措施之一的交通拥挤收费受到越来越多的城市的重视。上海市发布的上海市城市交通白皮书首次提到对拥挤路段收费的计划，相关部门并提出建立完善的收费体制，但是由于上海的整体交通网络未完全形成和稳定，实施实际尚不成熟。2 0 0 4 年4 月，北京交通发展纲要提到必要时在交通特别拥挤区由选择的实施交通拥挤收费。为缓解交通压力，2 0 0 6 年1 月，杭州决定将在车辆通行的高峰时段，对进入杭州核心区道路的车辆征收“城市交通拥挤费”。同时，在广州、深圳、武汉、南京硕j ：学位论文第一章绪论等城市，在解决交通拥挤无果的情况下，正在进行交通拥挤收费的初探，为实施交通拥挤收费进行理论和技术储备。1 3 论文的主要研究内容1 3 1 主要研究内容本论文是对在可变公交发车频率的情况下城市道路拥挤收费定价展开的研究。首先，详细介绍了交通拥挤形成的机理和可能的解决方法，将这些方法归类为交通供给和交通需求的两个解决问题的角度；从微观经济学角度分析了道路拥挤收费的经济学原理，借鉴经济学中的边际成本对交通拥堵对出行成本产生的影响进行理论剖析。然后考虑交通拥挤收费的实质是通过对使用特定时段部分路段的私家车实行收费，增加了部分采用私家车方式出行用户的出行成本，从而实现系统整体出行成本的下降，以及现实道路网络中的混合交通模式，将交通供给管理和交通需求管理两种方式结合起来解决交通拥堵问题。通过分析在对私家车实行拥挤道路使用收费和增加公交发车频率影响下，城市混合交通网络上各类出行者的出行方式和出行线路的选择行为，描述公交车和私家车两种出行方式的广义出行成本，考虑城市路网中不同出行方式车流之间相互影响，通过分析对私家车实行拥挤道路使用收费和增加公交发车频率之间的相互制约关系，建立了基于可变公交发车频率的城市拥挤道路收费定价的双层规划模型，其中上层规划以路网上的出行者消费盈余最大为优化目标，下层规划为弹性需求下的组合出行网络用户平衡( u e ) 模型；公交车和私家车出行客流量服从l o g i t 模型，并设计了基于模拟退火的求解算法，在此基础上设计了相关算例用于验证模型和算法的有效性。最后进行方案的选取，综合考虑拥挤收费定价方案的定性指标和定量指标，给出基于主成分分析法的评价方法和步骤，得出拥挤收费的最优方案。1 3 2 采取的研究方法基于可变公交发车频率的城市道路交通拥挤收费定价的综合研究涉及到数学建模、运筹学、系统工程以及交通规划与管理等多学科知识，鉴于各学科的特点，论文采用系统的分析方法，兼顾到宏观和微观，理论与时间双层次的对立统一两个方面，既进行基础理论模型的研究，又深入到具体算例中去，将理论与实践结合起来。在理论研究上，主要借鉴国内外相关的科研成就，进行必要的归纳和推导，运用c 语言进行算例计算分析，建立使用的规划模型和评价方案。6硕士学位论文第二章城市交通拥挤收费的基本理论第二章城市交通拥挤收费的基本理论解决城市交通拥挤是目前交通领域刻不容缓的问题。本章在介绍道路拥挤形成机理的同时，介绍了相关的一些解决方案。道理拥挤收费作为一种有效的交通拥挤治理方法，从微观经济学的角度来分析拥挤收费的可行性及收费原理，其理论研究已非常完善。道理拥挤收费理论模型主要包括静态拥挤收费模型和动态拥挤收费模型。2 1 城市交通拥挤形成机理2 1 1 城市交通拥挤的概念与原因交通拥挤是某一时空由交通需求和供给矛盾引起的交通滞留和拥堵现象，主要是道路交通设施所能提供的交通容量不能满足当前交通需求量而又得不到及时疏通的结果。交通拥挤现象并非发生在任何时刻或是任何道路上，交通拥挤具有时间性和空间性。一般用延误时间或滞留车队长度来表示交通拥挤状态，但是随着城市规模、拥挤地点、拥挤时段和拥挤车辆的不同，拥挤的接受程度也并不相同。实际上交通拥挤总是存在的，有些拥挤是可以接受的，主要指出行时间或延误超过自由流状态下的时间或延误但没有超过某一标准时所形成的拥挤；而有些拥挤却是不能接受，主要指出行时间或延误超过了某一标准时所形成的拥挤。这个标准会随着运输设施、出行方式、地理位置和出行时段的不同而不同。我们所要解决的拥挤问题主要是针对不可接受拥挤。城市交通拥挤产生的原理是多方面的，归纳起来主要分为以下几点：( 1 ) 用户出行需求增加随着经济的发展，人们的收入不断增长，生活水平也不断提高，人们各种社会活动增加了出行需求。而且私人小轿车的迅速增加，也加剧了道路的拥挤。城市道路及其它运输设备都属于公有并开放给私人使用，这就鼓励了过高的需求，因而形成了拥挤现象。( 2 ) 城市道路供给不足城市道路的建设投资费用巨大，而政府财力不足，城市道路的投资较人口和车辆的发展落后，使得拥挤产生并同益严重。因为个人出行方式的多样性，以及车种过多造成的混合交通流，影响了行车速度，使得城市道路运输能力无法充分发挥。( 3 ) 出行时间和空间的集中性由于城市道路使用者的作息时间基本一致( 上下班、上放学时间等基本相同) ，出行需求在时间上重叠，导致在某个时段上交通特别拥挤，即所谓高峰小硕士学位论文第_ 二章城市交通拥挤收费的基本理论时。同时由于在城市商业区或中心城区存在更高的交通需求，必然会导致这些区域附近的道路交通量远远大于其它区域的道路，从而在这些特定的路段上产生交通拥挤。( 4 ) 交通管理滞后目前，我国大城市中交通控制管理和交通安全的现代化设施很少北京市的交通控制中心与日本东京相比，北京市控制的交叉路口数只有东京的3 ；人行天桥是东京的4 1 8 ：地下人行道只是东京的5 ；每公里交通标志只有东京的1 5。现在国际上有些国家已经开始使用信息化、智能化管理系统，而我国智能化交通管理系统基本上还是空白。2 1 2 城市交通拥挤形成的必然性城市道路交通拥挤产生虽然从表面上看主要是由上述原因导致的，但随着城市化进程的推进，城市内产生交通拥挤现象确实必然的。( 1 ) 城市道路交通设施的准公共物品特性决定拥挤产生的必然性一方面，城市道路基础设施具有很强的公共物品属性，主要表现为：首先城市道路是被重复利用最高的基础设施，城市中每个出行者都要利用城市道路资源；其次城市道路基础设施一般是由政府直接进行投资、建设、管理的，人们对道路的使用不会有成本上的考虑，无需考虑道路的使用效率、资金回收、养护以及再生产等。另一方面，城市道路又具有不同于纯公共物品的排他性和竞争性。在一定的路网容量下，个人出行不会影响其他人对道路的使用。一般来说，驾车出行者只需付出购置、维护车辆的费用、燃料费用和出行时间价值即可。然而一旦超过路网容量临界点，非竞争性就会消失，拥挤就会出现。当人们从私人动机出发自由利用和争夺道路资源时，道路资源倾向于被过度利用，最终导致任何利用它的人都无法得到优良的交通环境。而且人们在利用城市道路时虽可自由使用，但也有一定的排他性，被个车辆占用的道路时空资源不能同时被另一车辆使用，一旦过多的车辆争夺有限的免费道路资源，必然形成供不应求的等待。由此可见，城市道路交通设施既不属于纯公共物品，也不属于私人物品，它是一种准公共物品。这种准公共物品特性决定了在超过限制容量的情况下过度使用必然形成交通拥挤。( 2 ) 交通与土地利用关系决定的拥挤产生的必然性交通运输的可达性不同，会形成不同区位巨大的级差地租收益，交通可达性越高，土地级差效益越大，在市中心达到峰值。城市发展初期，市中心区的繁荣促进经济发展及土地开发，使城市吸引力增加，交通改善，可达性提高，并不断使城市规模逐步扩大。而城市半径越大，交通出行距离越长，城市交通负荷压力就越大，而且越接近市区中心，交通密度越大。而土地开发者总希望土地利用硕士学位论文第二章城市交通拥挤收费的基本理论效率越高越好，这必然导致出行生成的增加，从而提出对交通设施的更高要求，使交通设施得以改善。然而，随着可达性的增加，又吸引人们对该地区在人力和物力方面的继续投入。这就形成一个“土地开发一交通改善一城市规模扩大一交通负荷加重一加大土地开发和交通改善 的循环过程。但是，城市的交通设施不可能无限制地增加供给，当土地的开发超过一定强度以后，其所吸引的大量交通量导致某些路段出现拥挤现象，从而使已开发区域由于可达性的下降，道路逐渐拥挤。开发商对土地效益的追求是无止境的，而交通设施条件改善的余地是有限的，这就必然导致了城市道路交通拥挤的发生。2 2 城市交通拥挤解决途径解决城市交通拥挤这一问题，必须采取增加交通供给与引导交通需求并举的措施，才能做到标本兼治。2 2 1 交通供给管理交通供给管理主要是指通过增加道路供给，以满足日益增长的城市交通需求来达到缓和消除交通拥挤的目的。在增加道路数量的同时，注意改善现有路网的通行能力。首先应建成道路网络主骨架，形成城市建设的框架。在己建成道路网络主骨架的基础上，重点进行网络功能建设，细化道路功能，优化配置比例，形成道路等级的优化配置，提高道路网络的整体运输效率，特别应重视支路的利用与交叉路口的改造，优化现有路网，提高通行能力。根据交通经济学罩的“亚当斯定律”，在政府对城市交通不进行有效管制和控制的情况下，新建的道路设施会诱发新的交通量，而交通需求总是倾向于超过交通供给。城市道路也呈现相同的特点，新规划道路建成之初确实大大缓解了该地区的拥堵现象，但随着吸引流量的增加，新的、更大的交通压力随之而来，交通拥堵更加严重。因此我们就只能将解决交通拥挤的目光投到交通需求管理上。2 2 2 交通需求管理交通需求管理的措施有很多，其中最为有效的措施之一就是道路拥挤收费。根据公共物品的定义及道路使用的特性我们可以分析得出，当不实行拥挤收费，道路就变成了纯公共物品，人们对使用道路不会有成本上的考虑，每个车主出行时计算的只是个人的边际费用，没有考虑到由于加剧了道路拥挤而影响到其他用户的行驶速度、燃料消耗和时间损失，还有环境污染和潜在的交通事故所产生的额外的社会成本。只要个人收益大于个人成本，个人车辆就会不断加入车流。外9硕上学位论文第二章城市交通拥挤收费的基本理论部效应导致边际个人成本和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，产生了交通拥堵。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，行驶在拥挤路段的用户需支付一定费用低效它产生的外部负效应，其大小等于边际社会成本和边际个人成本之差。通过收取拥挤费用，保证用户在作出出行决策时考虑自己出行强加给其他用户的外部不经济，从而在达到用户平衡的同时达到了系统最优，因而提高了交通系统运行的有效性，达到缓解道路拥挤的目的。就其本质而言，道路拥挤收费就是利用经济杠杆实现交通的最优化分配，通过道路拥挤收费改变道路需求曲线的位置，使得在相同的价格下人们的交通需求得到抑制。道路拥堵收费如果能够得到合理利用，可以进一步改善我国的道路供给现状。我国是一个人口众多的发展中大国，需要使用财政资金的地方很多，而公路建设投资成本又非常巨大，如果仅依靠国家财政拨款发展交通事业、建设城市道路是远远不够的，因此拥挤收费收入对于城市道路建设、城市公共交通发展无疑将会起到积极作用。因此道路拥挤收费作为一项解决交通拥堵难题的有效政策，存在着实践需求。2 3 城市交通拥挤收费的经济学原理拥挤收费为全世界提供了一个解决城市交通问题的行之有效的手段：在考虑到出行者的路径选择行为的基础上，通过在特定的路段或区域内收取货币费用，达到缓解交通拥挤的目的。拥挤收费的机理在于以下方面：一方面，通过收取通行费用，使得更多的车辆绕行瓶颈地带而取道较宽松地带；另一方面，通过附加货币的方式增加出行者的旅行费用，降低城市总体的出行量；此外，通过对私人车辆或小汽车的收费，可以鼓励人们更多地选用效率相对高的公共交通工具；最后，道路收费所取得的收益可以用于扩展现有的道路网络或者投资于公共交通和人行道系统。城市交通拥挤的边际收费理论的机理可以用图2 1 表示。曲线a c 表示在一定交通需求量下路网上每个出行者的平均出行费用，曲线m c 表示单个出行者带给所有路网用户的边际费用，即边际社会费用。由于拥挤效应，曲线a c 是一个相对于交通量的单调递增函数，而曲线a c 和m c 之间的差值反映了那个交通量水平下的拥挤费用。另一方面，交通需求函数相对交通量而言是一个严格递减函数。在图2 1 中，曲线i d 代表需求函数的反函数，它也是一个严格递减的函数。l o硕士学位论文第二章城市交通拥挤收费的基本理论图2 1 交通拥挤收费原理在没有收费的情况下，当供应和需求达到均衡时交通量趋向于d 。然而，从整个路网的角度而言，最优的交通量应该是队，因为这时候边际社会费用等于需求函数的逆函数值。在这种情况下，从经济上来说社会效益得到了最大化，它由图中的面积b g e t r 给出。相反，在没有收费的情况下，有一个相当于面积彳脚的效益损失。所以；在经典的边际收费方案中，拥挤收费额应等于边际私人费用和边际社会费用之间的差值，即图中的线段b g 。在拥挤收费中，社会净效益的最大化是整个系统的优化目标。因此，拥挤收费问题的优化模型为：m a x f ( d ，v ) = r 。阢1 ( x ) 出一，。( 1 ，。) 1 ，。w 4 e 一约束条件：= d 。，一胙r，：o ，w 形( 2 1 )p r ；w 形其中，路段交通流量定义为：v 。= ，口彳根据最优化问题的一阶等价条件，上面的最大化问题很容易导致下列的等价条件： 至誓磐竺，p r ；w 【风彤= o。”坪1 2 d w 刈，w 【玩( o ) ，d 。= o带= 艺( v 。) 嘭硕士学位论文第二章城市交通拥挤收费的基奉理论艺( y 。) ：，。( 1 ，。) + v 。! ! ! 1 5 1 ：巳!“i ，口其中，肌是对应于o d 需求量约束条件式( 2 1 ) 的拉格朗同乘子，它的物理意义是o d 对w 之间的最小旅行费用。为了达到系统最优，每个出行者不仅要负担他本次旅行的时间费用，还要付出一定的货币费用，且其额度应等于他施加于其他人的拥挤。故为达到系统最优而在每个路段上征收的费用应等于用户外部附加费用，即吒：v 口掣，口彳2 4 城市交通拥挤收费的理论模型城市道路拥挤收费从时间维和空间维上可以分为静态拥挤收费( s t a t i cc o n g e s t i o n ”i c i n g ) 和动态拥挤收费( d y n a m i cc o n g e s t i o np r i c i n g ) 两大类。静态拥挤收费是指仅仅考虑空间维的拥挤收费。静态拥挤收费适用于稳态( 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，也就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。而动态拥挤收费则是将时间维和空问维综合起来考虑，即：一方面在同一时间，不同拥挤程度的路段上收费的价格是不同的，另一方面，在同一路段上，随着时间的变化，其收费价格也是在变动的。拥挤收费就其研究方法可以分为最优拥挤收费( f i r s t _ b e s tc o n g e s t i o np r i c i n g ) 和次优拥挤收费( s e c o n d - b e s tc o n g e s t i o np r i c i n g ) 两大类。最优拥挤收费又称为边际成本定价。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社会成本和边际个人成本差的拥挤费用，使用户平衡转化为系统最优平衡状态。次优拥挤收费考虑的是在一个路网存在约束条件( 如资金预算约束，通行能力约束等) 下，仅对部分路段或路径收费来实现系统优化的拥挤收费问题。最优拥挤收费和次优拥挤收费又分别属于静态拥挤收费和动态拥挤收费。2 4 1 静态理论模型w l i l t e r ( 1 9 6 1 ) 定量研究了道路拥挤的外部效果，综合各方面因素，提出了短期拥挤边际成本定价方法，建立了一般道路最优拥挤定价模型，即静态模型【3 i 】。静态模型理论以边际成本定价原理为基础，即通过供需平衡和边际概念来解释拥挤收费问题，从边际个人成本和边际社会成本的角度分析拥挤的负外部效应及其弥补。通常所说的拥挤收费的经济原因正基于此。下面就静态理论模型的1 2硕士学位论文第二章城市交通拥挤收费的皋奉理论公式推导进行简单介绍【3 2 ，3 孔。设每一单位交通量的出行成本为c ，路段上的交通流量为矿，二者之间的函数关系为：c = 厂( y )因此，交通量为y 时的总出行成本弼为：粥= 阳= 侈( y )为求得交通量增加对总成本的影响，式( 2 3 ) 对矿求微分，m s c ：脚= 雩钒m y 等( 1 yd y( 2 2 )( 2 3 )得到边际社会成本( 2 4 )其中，厂( y ) 为边际个人成本，即脚c + 厂( y ) ；y 堕笋为拥挤成本。口y因此，每单位交通量应付的拥挤费为y 堕婴。d 静态收费理论认为，拥挤收费的目的是净社会效益的最大化，而净社会效益等于消费者意愿支付减总出行成本，即：! 沼= 【尸( 叻咖一矽( 矿)( 2 5 )式中，p ( 们表示反需求函数，在这罩可以理解为出行者的出行价格。根据一阶最优条件，对公式( 2 5 ) 求导，并观察y 为零时的产出效益，可得出最优出行价格为：尸：) + y 挈( 2 6 )口与上述的分析结果相一致，也就是当道路出现拥挤时，出行者应当支付的拥挤费用为y 堕掣，以补偿其出行给社会和其他出行者造成的时问延误和其它成d 本。静态拥挤收费理论模型的追随者又可分成两个学派，一是以n a s h 和a n d r e w为代表的主流学派，另一是以e l s e 、k a w a s h i m a 和h i l l 为代表非主流学派，其争论焦点在于选择交通流量还是交通密度作为衡量边际社会成本的目标函数【3 4 】。n a s h 学派认为由于需求曲线的定义是单位时间内需求量的变化，所以边际社会成本不应是交通密度的函数。e l s e 等认为交通流量不能显著地逐一反映交通量的变动，道路使用者应以交通密度作为反映道路最优使用状况的衡量标准。以静态理论模型为基础的最优拥挤定价已被广泛地应用到路网收费系统模型和评价当中，并由此产生路段收费和路径收费两种收费方式。许多学者也在静态理论模型的基础上推导出具有弹性需求和容量约束的交通网络收费模型、多路径混合交通网络收费模型和多类型用户交通网络收费模型等。静态理论模型是拥挤收费理论研究的重要基石。硕士学位论文第二章城市交通拥挤收费的基_ ：奉= 理论2 4 2 动态理论模型动态理论模型开始于瓶颈收费模型。诺贝尔经济学奖获得者v i c k r e y ( 1 9 6 9 )用确定性排队理论提出了瓶颈收费模型【3 5 1 。该理论假定交通拥挤表现为瓶颈处的排队。出行者每天早晨行驶于连接住宿地与目的地的道路上有一个通行能力有限的瓶颈，受瓶颈能力限制，总会有一些人早到、一些人迟到。早到和迟到的费用称作计划延误费用。不收费的情况下，出行费用由行驶时间费用和计划延误费用两部分构成。在动态收费方式下，一定时刻的收费水平等于不收费平衡时该时刻用户的等待时间费用，这样就能以收费取代排队等待时间费用使平衡条件得以满足。下面就动态理论模型的公式推导进行简单的分析3 2 ，3 3 1 。设有刀个出行者，每天早晨单独驾车从住宿地d 出发去工作地d